O polietileno e o polipropileno – Parte 2

Trecho extraído do Manual de Tubulações de Polietileno e Polipropileno – Autor: José Roberto B.Danieletto

PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DO POLIETILENO E POLIPROPILENO

REOLOGIA

A reologia estuda o comportamento do fluxo dos líquidos e, no caso dos plásticos, está diretamente relacionada com os  processos de transformação. No caso de um liquido ideal (chamado newtoniano), ao qual a água a temperatura ambiente tem uma aproximação ótima, o fluxo em um conduto fechado processa-se de maneira que as camadas do líquido não se movem à mesma velocidade, pois ocorre um arrastamento das camadas, uma por sobre as outras, resultando em um atrito interno entre as moléculas. Este atrito interno é a viscosidade dinâmica (n), que é responsável pela resistência á deformação do fluido, ou seja, a resistência do material contra o fluxo, e que varia com a temperatura e outras condições.

A viscosidade é medida em um viscosímetro capilar, onde é determinado o tempo de escoamento de certa quantidade de material através do capilar de dimensão padrão. A viscosidade da água é cerca de 1 cP a 20°c; de óleos e tintas é de 102 a 105 cP; e dos plásticos fundidos de 104 a 108 cP.

A relação entre a viscosidade dinâmica e a densidade do material é definida por viscosidade cinemática (v) e é dada em centistock (CST).

A viscosidade, em conjunto com os atritos, é a maior responsável pelas perdas de carga na condução de um fluido, resultando diferenciais de pressão tanto maiores quanto for a viscosidade.

No caso dos plásticos e outros fluido densos, a determinação da viscosidade pelo método de escoamento por gravidade no capilar padronizado não é possível, pois não conseguem fluir por si mesmo. Neste caso, a medição é feita através da aplicação de uma pressão em um reômetro capilar, e a viscosidade assim obtida passa a ser chamada de viscosidade aparente (u), cujo valor é dependente da temperatura e pressão. A viscosidade aparente é apresentada por diagramas em função de temperatura e pressão.

Constatou-se para estes materiais, que a relação linear não representava o comportamento de seu fluxo, mas sim a relação onde n= índice de comportamento do fluxo (para os plásticos, esta entre 0,33 e 1,0).

A análise do comportamento do fluxo dos materiais gerou a seguinte classificação: Fluidos Newtonianos; Fluidos Com Comportamento Plástico ou Binghamiano; Fluxos Dilatantes; e os Fluxos Pseudoplásticos (onde se enquadram os termoplásticos).

A relação da viscosidade aparente com a temperatura pode ser expressa por uma equação tipo de Arrenhius:

Para o PEAD, pode se usar E= 8,4 kcal/g.mol para estimar a viscosidade aparente entre 180 e 260°c.

A viscosidade aparente do fundido depende não só do peso molecular médio, como também da distribuição do peso molecular (DPM).

A análise de polímeros ramificados (como o polietileno) é mais difícil, pois as ramificações da cadeia molecular aparentam ter o mesmo efeito na curva de Viscosidade x Shear Rate que o alargamento da distribuição do peso molecular. Por isso, para distinguir até quanto de uma ou de outra característica está influenciando na curva, são necessárias análises de outras propriedades.

As análises executadas nos reômetros capilares sob tensões constantes ou sob gradientes de velocidades constantes também favorecem a observação de outras características importantes para o processamento, tais como:

Tendência  ao incitamento da massa fundida após a saída o capilar (efeito Barus), que é conseqüência da memória elástica do material (deformação recuperável), do relaxamento da tensão normal gerada no fluxo estável do capilar e da velocidade de rearranjo do fundido na saída do capilar.

O efeito da velocidade de cisalhamento na aparência do extrusado. À baixas velocidades, o extrusado teria uma superfície lisa; com velocidades maiores começaria a ter superfícies mais ásperas, chegando mesmo à fratura do fundido, o que ocasiona uma forma espiralada, ondulada, ou a total descontinuidade do mesmo. Em suma, o interesse prático das análises reológicas dos plásticos objetiva obter modelos matemáticos com os quais poder-se-ia dimensionar com grande grau de certeza as matrizes, moldes e roscas de plastificação, obtendo-se a máxima produtividade. São há muito estudados, e sistemas completos para cálculos e projetos em computador (CAD/CAE – Computer Aided Design E Computer Aided Engineering), envolvendo desde o dimensionamento dos artigos plásticos, como roscas, matrizes e moldes, já são encontrados comercialmente. Todavia, estes sistemas ainda encontram muitas ressalvas de ordem prática:

- Os moldes matemáticos impõem várias aproximações e condições;

- Geometrias complexas de matrizes e moldes dificultam muito o estabelecimento de equações, somando ao fato as variações da viscosidade em função das pressões, temperaturas, e vice-versa;

-Dificilmente um transformador possui um equipamento que possa dimensionar para um único produto e material;

- E, por último, embora os fabricantes de matéria-prima possuam condições para o fornecimento detalhado das curvas reológicas características de seus materiais, ainda relutam em fornecer tais dados  em seus  manuais técnicos e de especificações (tendência que já está começando a inverter-se nos EUA e Europa).

Na realidade do dia-a-dia dos engenheiros e técnicos, o que se faz é um trabalho de tentativas  e erros , com variações nos parâmetros de temperaturas, pressões, velocidades e materiais para atingir a melhor relação desempenho do produto x produção, estabelecendo parâmetros de dimensionamento.

Ultimamente, com a proliferação e a redução dos custos dos computadores, tem se dado maior atenção a este assunto, o que deverá conduzir à disseminação das técnicas de dimensionamento pelos princípios da reologia dos plásticos, a exemplo do que vem ocorrendo com os metais.

 

PROPRIEDADES TÉRMICAS

As propriedades térmicas são diretamente influenciáveis pela cristalinidade do polímero. Aumentando-se a densidade, aumentam o ponto de fusão e a condutividade térmica, e diminui o calor especifico, no intervalo de temperatura abaixo do seu ponto de fusão.

O ponto de fusão do PEBD é da ordem de 110°c, enquanto o do PEAD é da ordem de 132°c, e o do PP é de 165°c.

A condutividade térmica do PEBD é da ordem de 0,33W/m.K, contra 0,43 do PEAD e 0,22 do PP. O coeficiente de dilatação destes materiais varia com a temperatura, assim como a condutividade térmica.

Quando aquecidos na presença de ar, estes materiais se oxidam, dando lugar ao aparecimento de ligações reticuladas, aumento da temperatura de fragilização em conseqüência de cisão das cadeias moleculares, aumento da viscosidade do fundido e descoloração.

Como já exposto, utilizam-se termo-estabilizantes para minimizar este problema. Na produção de tubos de grandes diâmetros utiliza-se também o artifício de manter uma atmosfera inerte de nitrogênio ou CO2 no interior do tubo durante sua produção, a fim de evitar esta degradação.

Como os pontos de ataque mais susceptíveis são os átomos de carbono terciários, o PEBD e o PP são mais sensíveis á oxidação que o PEAD.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

As maiorias dos materiais de construção, do ponto de vista de resistência, seguem aproximadamente a Lei de Hook. Eles são elásticos ou quase elásticos, sendo então possível conduzir os cálculos, pela Lei de Hook, com razoável segurança. Isto, entretanto, não se verifica para os materiais plásticos. Nestes, a deformação não é proporcional ao esforço, nem independente do tempo de duração da carga aplicada.

Quando o plástico é submetido a esforços, ocorre o creep no material semelhante ao que se observa no aço a alta temperatura. Este creep aumenta com a temperatura.

A conseqüência do creep é que, independente da magnitude da tensão, o material entrará em colapso depois de certo tempo. Este tempo, entretanto, varia inversamente com o valor da tensão e é precisamente isto que permite a utilização do plástico como material de construção.

A tensão de projeto de materiais plásticos de construção depende, portanto, da vida útil desejada na aplicação. Para tubos de água sob pressão, as Normas ISSO recomendam a vida útil de 50 anos (vida útil de projeto), em função de fatores econômicos envolvidos na prestação de serviços públicos (2% de depreciação/ano).

Uma amostra de plástico sujeita a esforços com o tempo pode experimentar três tipos de deformação:

- Deformação elástica - que ocorre imediatamente e segue a Lei de Hook;

- Deformação elástica retardada (creep primário) – o material se deforma lentamente, quando submetido a esforços. Com a retirada do esforço o material se recupera também gradativamente com o passar do tempo;

- Deformação viscosa ou permanente (creep secundário) - a deformação permanece mesmo depois do descarregamento.

Materiais que apresentam esta relação entre deformação e tempo são chamados viscoelásticos. Para cada valor de tensão ocorre uma nova relação entre deformação e tempo. Se a relação é constante para diferentes níveis de tensão, o material é chamado de linearmente viscoelástico.

A fim de compreender essa relação entre deformação, tempo e tensão nos materiais viscoelásticos, é usual lançar-se mão da comparação com o modelo abaixo, hoje clássico:

A mola representa bem a parte elástica da deformação, onde esta é proporcional á força aplicada. Aqui a relação entre deformação e a tensão não depende do tempo de duração da carga, podendo ser estabelecida pela Lei de Hook.

Nos materiais plásticos, esta parte da deformação total pode ser entendida como uma deformação elástica das cadeias de moléculas.

O modelo que representa o elemento viscoso linear ideal é o amortecedor, formado por um cilindro cheio de líquido que flui entre o êmbolo e as paredes do cilindro.

Neste modelo, o êmbolo se desloca lentamente a uma velocidade proporcional à força aplicada ao mesmo. O deslocamento do êmbolo é análogo ao deslizamento entre as cadeias de moléculas no material plástico.

A mola e o amortecedor podem ser combinados em série. Esta combinação é conhecida como elemento de Maxwell e a deformação total é igual à soma das deformações da parte viscosa e da parte elástica.

Se fizermos com a mola e o amortecedor a combinação paralela, teremos o chamado elemento de Voigt ou de Kelvin, o qual se presta para representar a deformação elástica retardada.

Sob a ação , a mola se estenderá até um valor que dependerá da constante da mola. Mas o alongamento da mola é obstáculo pelo pistão, que só pode mover-se lentamente. A deformação tem um valor finito, mas este só é atingido após um tempo infinitamente longo, assintótica.

Quando se retirar a carga, a mola tenderá a voltar á sua posição original, mas é novamente dificultada pelo pistão. Teoricamente, a recuperação da deformação só ocorrerá depois de um tempo infinitamente longo.

Esta fase elástica retardada pode ser assim interpretada: ocorre no material uma deformação elástica, das moléculas e uma resistência viscosa eletroestática, surgida pelo fato de que as forças, de ligação das moléculas devem ser simultaneamente vencidas.

O comportamento do material plástico, que inclui a deformação viscosa, que constitui a associação adequada dos modelos anteriores.

Ensaio de Tração

Um dos ensaios mais utilizados para a análise das propriedades mecânicas dos plásticos é o Ensaio de Tração, definido pelas normas ASTM d 638, DIN 53455, ISSO 6259, ISSO R 527 ou NBR 9622.

Neste ensaio, um corpo-de-prova em forma de uma gravata borboleta é recortado do produto através de gabaritos de corte padronizados, ou é usinado ou, ainda, moldado a quente. Após condicionamento a 23°c, o corpo-de-prova é fixado na Máquina de tração Universal, que o submete a uma força de tração, alongando-o com uma velocidade de deformação constante, até sua ruptura.

A máquina plota um gráfico da força aplicada pelo alongamento do corpo-de-prova. Através deste gráfico obtém-se a tensão de tração, o alongamento no limite elástico e na ruptura, a tensão de ruptura, o módulo de elasticidade e o módulo secante a 1%.

A Tenção de Tração normalmente é apresentada como Tensão de Escoamento (Resistência à Tração) e como Tensão De Ruptura. A tensão é convencionalmente estabelecida como a razão entre a força (Kgf ou N) pela área inicial da secção transversal do corpo-de-prova.

Dentro da faixa de proporcionalidade do material (abaixo do limite elástico) esta aproximação é bastante válida, porém a tensão de ruptura, assim obtida, só tem sentido comparativo.

O Alongamento No Limite Elástico e o Alongamento Na Ruptura são apresentados como a deformação percentual em relação a um comprimento de referência do corpo-de-prova, medidos até o ponto de inflexão da curva (2) e até sua ruptura (4), respectivamente.

O Módulo De Elasticidade é a relação entre a tensão e o alongamento correspondente.

O Módulo Secante a 1% é a relação entre a força necessária par provocar um alongamento de 1% no corpo-de-prova e a área da secção transversal do mesmo, dada em Kgf./cm2 ou MN/m2. É utilizado como um indicativo da dureza do material.

As propriedades mecânicas, como já visto, dependem da densidade, do peso molecular (MFI) e da distribuição do peso molecular. Dependem ainda da temperatura, do esforço aplicado e da duração deste esforço; estas propriedades podem, ainda, variar em função do processamento do material: resfriamento, estiramento, temperaturas, etc.

Por estas razões, todos os ensaios comparativos das propriedades dos plásticos devem ser efetuados sob os mesmos métodos, confecção dos corpos-de-prova. A falta de cuidado ou experiência do laboratorista pode originar diferentes resultados para as mesmas amostras de tubos e soldas, por isso há uma corrente questionando a validade desse ensaio como ensaio de produção e recebimento de tubos, pois muitas vezes acaba por gerar mais dúvidas que respostas.

Tensão Admissível com Deformação Constante

Casos existem em que a deformação permanece constante durante o tempo de aplicação do esforço (ou seja, durante a vida útil do tubo). É o que ocorre, por exemplo, quando se curva suavemente um tubo para mudança de direção. Procura-se então, para deformação máxima, um valor tal que as tensões resultantes assegurem vida útil de 50 anos para as tubulações de plástico. Esse valor situa-se as deformações a curto e a longo prazo, e é calculado  partir do creep modulus a curto e longo prazo.

Relação entre Deformação, Tempo e Carga

Já dissemos que a resistência dos tubos plásticos diminui com o tempo e que, por isso, a tensão admissível de projeto depende da vida útil desejada para o tubo. Vimos ainda que também a deformação varia com o tempo de aplicação da carga. Interessa saber então como varia a deformação do material plástico em função do fator tempo para diversos valores de tensão (carga).

Para este fim, consideremos as curvas de tensão-deformação abaixo construídas para o PEAD, em que cada curva corresponde a um determinado período de tempo (curvas Isócronas).

Para uma determinada curva e para um determinado instante nesta curva, o material pode ser considerado aproximadamente elástico e o módulo de elasticidade pode ser, então, estabelecido com o valor de tensão e deformação extraído da curva, pelo uso da lei de Hook.

Entretanto, como esse módulo de elasticidade diminui com o tempo e a temperatura, é conveniente introduzir a expressão creep modulus ou módulo de plasto-deformação.

Mas este valor isolado é de pouco interesse prático. Já que o creep modulus varia com a tensão e com o tempo de carga, é muito mais importante conhecer essa variação.

Tomando como exemplo o gráfico anterior, verificaremos então que para o tempo de carga de 50 anos (vida útil de projeto geralmente admitida) e para uma tensão de 50kgf/cm2, Ek= 1000 Kgf./cm2. Isto significa que a deformação daquele PEAD depois de 50 anos é nove vezes a deformação que ocorre durante um período curto de aplicação do esforço.

Em função das características de dependência do módulo de elasticidade dos plásticos em relação ao tempo, carga e temperatura, outros testes têm sido levados a efeito para o controle de qualidade de tubos, porém com menor ênfase que os testes de pressão e tração universal.

  • Ensaio de Tração de Longa Duração a Temperatura Elevada

Um corpo-de-prova em forma de gravata é extraído do tubo e fixado dentro de uma cuba ou reservatório, de maneira a ficar submerso em água a 80°C, no caso do PEAD, ou em ar 120°C, no caso do PP.

Através de um dispositivo mecânico, que se constitui de alavanca e um peso padrão ou um cilindro hidráulico, aplica-se uma força de maneira a tracionar o corpo-de-prova. Mede-se a elongação do corpo-de-prova a intervalos curtos no início (3 min, 1 h, etc) e a intervalos maiores com a evolução do teste, até a ruptura do corpo-de-prova (normalmente, a força aplicada corresponde a uma tensão de tração de 5 MPa, para o PEAD). Como resultado, obtém-se uma curva de elongação com o tempo a tensão constante.

Vários estudos comparativos dos resultados deste ensaio com os obtidos nos testes de pressão têm sido conduzidos, mostrando uma grande similaridade em ambos. Todavia, este ensaio ainda não é de uso corriqueiro na indústria.

  • Ensaio de Deformação ou Elongação Diametral dos Tubos

Executado em conjunto com o teste de pressão. Consiste em medir-se periodicamente o diâmetro do tubo durante o ensaio de pressão e plotar um gráfico da deformação diametral com o tempo, à temperatura  e tensão constantes. Este ensaio também não é de uso corrente na indústria.

Tipos de fraturas nos Tubos Plásticos

Os tubos plásticos exibem dois tipos de fraturas: fratura dúctil e fratura frágil.

  • Fratura Dúctil

A fratura dúctil ocorre no período de tempo correspondente à inclinação suave da curva de regressão, antes do início de sua mudança de direção ou joelho e se caracteriza por uma grande elongação, que se pode alcançar 1.000% e ocorre sempre na direção do esforço. Perpendicular ao eixo do tubo, quando devida à pressão.

Supõe-se que a fratura dúctil ocorre depois da deformação das moléculas nos cristalitos. Como as forças de ligação nos cristalitos são muito fortes, é necessária uma tensão muito grande para se conseguir a ruptura, a qual é precedida de grande elongação.

Essa ruptura é representada pelo primeiro trecho da curva de regressão, a parte menos inclinada, e é onde ocorre a deformação elástica (alongamento dos cristais) e a creep-elástica retardada e viscosa, conseqüente do escorregamento entre as moléculas.

Quanto maior a densidade e o peso molecular, maior a resistência à fratura dúctil, ou seja, maior a resistência ao creep.

  • Fratura Frágil

A fratura frágil ocorre no período de tempo correspondente á parte inclinada da curva, depois do joelho. Apresenta-se na forma de microfissuras de arestas afiadas perpendiculares ao esforço principal (no caso de tubos sob pressão são longitudinais, paralelas ao eixo). Ocorre a longo tempo e a tensões abaixo de 50% da tensão de escoamento do material.

Considera-se que a fratura frágil ocorre em virtude da ruptura nas regiões amorfas do plástico, entre os cristalitos, sendo causada por degradação do material ou por Fadiga Devido a Tensões Ambientais (Environmental Stress Cracking-ESCR).

As fissuras por ESCR são maiores que aquelas resultantes da degradação, e são causadas pelo enfraquecimento da ligação molecular em função de temperatura elevada e/ou tensos localizadas, como as de resfriamento durante a produção, ranhuras ou objetos cortantes ou perfurantes na superfície do tubo, muito comuns durante a instalação. Portanto é um fenômeno físico.

A ruptura por degradação é conseqüente da quebra molecular (oxidação), também função de temperatura elevada, mau processamento, baixo nível de termo-estabilizantes ou envelhecimento. Portanto é um fenômeno químico.

É importante destacarmos a 3ª fase, ou a degradação do material, quando ocorre o esgotamento dos aditivos estabilizadores (antioxidantes e termo-estabilizantes) e a quebra das moléculas. Algumas vezes essa fase é perceptível pelo aparecimento de um pó na superfície no tubo, resultado da degradação molecular de devido a altas temperaturas ou fotoxidação pelos raios ultravioletas.

Daí a importância dos aditivos na fabricação do composto. Um tubo produzido com material que não tenha sido corretamente estabilizado, ou que se tenha degradado (seja por armazenamento inadequado dos tubos ou material, ou devido a um mau processamento durante sua extrusão) irá prematuramente cair na fase 3, levando a sua ruptura.

  • Environmental Stress Cracking Resistance (E.S.C.R)

Determinadas substâncias induzem o polietileno á ruptura frágil, sendo que este efeito é acelerado sob temperaturas mais altas. Estas substâncias são chamadas de agentes tensoativos, pois agem nos pontos de tensão do material, diminuindo as forças de ligação entre os cristalitos e provocando ruptura. Este fenômeno é chamado de Stress Cracking e a resistência do polímero a este ataque é chamada de Environmental Stress Cracking Resistance (E.S.C. R) ou, em português, Resistência à Quebra (Fadiga) Por Tensões Ambientais (R.Q.T.A. OU R.F.T.A.)

O fenômeno ocorre somente quando o material está tensionado. O agente tensoativo (surfactante) age nos pontos de concentração de tensões, provocando uma falha e propagando a em fendas e trincas. É um fenômeno puramente físico, pois estes agentes não provocam mudanças químicas, nem inchamento ou enfraquecimento do material, o que o distingue das falhas por substância químicas que dissolvem o material.

Esta característica é particularmente importante em cabos elétricos devido a óleos, graxas e condições ambientais, e em tubos de irrigação devido à ação de fertilizantes.

  • Ensaio para Verificação do E.S.C.R.

Entre os métodos de verificação do E.S.C.R (R.Q.T.A.), os fabricantes de matérias primas costumam adotar o Bell Telephone Test, especificado pela ASTM D 1693.

Este teste consiste em moldar uma placa do material, e, de preferência, recozê-la para obter a máxima cristalinidade. A seguir, fazer um entalhe longitudinal no centro do corpo-de-prova com uma lâmina padronizada e curvá-lo 180°, a fim de deixar o entalhe exposto. Por fim, colocar o corpo-de-prova num tubo de ensaio com um agente tensoativo (normalmente Igepal a 20% ou a 10%), à temperatura de 50°C. O resultado do ensaio refere-se ao número de horas em que 20% ou 50% das amostras se romperam (F20 e F50).

Este método é adotado com ressalvas devido a sua baixa reprodutibilidade, conseqüente do entalhe (fissura) feito no corpo – de prova, que compromete obter sua confecção sempre com as mesmas características.

Métodos alternativos são especificados para produtos acabados, como tubos e frascos. Um método para tubos, amarrando-os, aplicar o tensoativo e levar a uma estufa a 50°C por 30 minutos. A seguir, determinar o número de falhas no total das amostras, que deverá ser menor que 20% para a aprovação do material.

A resistência ao Stress Cracking pode ser melhorada com menores MFIs, menor densidade, DPM mais estreita, menor orientação molecular do produto final (menor estiramento) e com temperaturas de extrusão mais elevadas. O controle de qualidade na extrusão de tubos plásticos é muito importante, pois variações das características do material durante o processamento podem elevar a vida útil do tubo, transladando para a direita o joelho da curva de regressão, ou, ao contrário, provocando sua ruptura prematura. Pelas mesmas razões, um tubo pode melhorar ou piorar sua resistência ao Stress Cracking.

Em tubos para distribuição de água e gás, a resistência ao Stress Cracking é principalmente avaliada através dos ensaios de pressão a 80°C, procurando-se estabelecer níveis de tensão de ensaio que recaiam na parte inclinada da curva de regressão.

Curvas de Regressão – Variação da Resistência dos Plásticos com o Tempo

Já vimos que a resistência dos plásticos varia com o tempo e, em conseqüência, sua vida útil varia inversamente com esforço a que foi submetido. Vimos também que as normas ISSO recomendam para tubos de água sob pressão uma vida útil de 50 anos.

Surge, então, a questão de se determinar a tensão admissível de projeto. Mas, se a resistência do material varia com o tempo e se recomenda uma vida útil de 50 anos, o leitor é levado a pensar que deveria testar o material quando o mesmo atingisse 50 anos. Obviamente, isto seria impraticável. Alguma forma de extrapolação deve então ser feita e é realmente o que se faz.

A determinação da variação da resistência do plástico com o tempo é feita através do levantamento das chamadas Curvas de Regressão, que consistem num gráfico Tensão x Tempo para uma determinada temperatura de trabalho.

O procedimento para sua obtenção é estabelecido nos métodos de extrapolação de curvas de regressão, definidos pela ASTM D 2837- Method Of Obtaining Hydrostatic Design Basis For Thermoplastic Pipe Materials ou pela  PPI TR 3 - Technical Report, ou ISSO TR 9080 – Thermoplastic Pipes For The Transport Of Fluids –Standard Extrapolation Method For The Long Term Resistance To Constant Internal Pressure.

Estes métodos visam estabelecer, para cada material, uma Tensão Hidrostática de Longa Duração para o dimensionamento de tubos (hydrostatic design basis – HDB, conforme ASTM ou Minimum Required Strenght – MRS, conforme ISSO).

A curva de regressão é obtida a 23°C (ASTM) ou 20°C (ISSO), aplicando-se diferentes níveis de tensão através de pressão interna e obtendo-se diversos pontos de ruptura ao longo do tempo num período de até 10.000 horas (104 h).

Com os valores de tensão e tempo de ruptura obtidos, utiliza-se o método dos mínimos quadrados (do âmbito do cálculo numérico) para estabelecer-se uma equação de reta interpolada do logaritmo do tempo de ruptura (h) em função da tensão (psi ou MPa).

Ou simplificadamente:

Onde h= log t

T = Tempo de ruptura (h)

F = log O

O = Tensão circunferencial (psi ou MPa)

A c = Constantes

Com a equação acima, plota-se a reta em um papel di-log (log tensão x log tempo) e faz-se uma extrapolação linear para obterem-se as tensos de ruptura a 105 horas (11,4 anos) no caso da ASTM e 50 anos, no caso da ISSO, determinando-se a Resistência Hidrostática De Longa Duração (LTHS- Long-therm Hydrostatic Strenght).

No procedimento ISSO, além da extrapolação ser para 50 anos, ao invés de adotar a reta interpolada média para a determinação do LTHS, utiliza a reta que define estatisticamente o Limite Inferior De Confiança (LCL- Lower Confidence Limit) de 97,5%, obtendo o que  define  por Tensão No Limite Inferior de Previsão (LPL- Lower Prediction Limit). Isto é, este é o valor de tensão ao qual podemos prever com 97,5% de certeza que o tubo não sofrerá ruptura.

Aplicam-se tensões da ordem de 20, 30, 40, 50 e 60% da Resistência Hidrostática de Longa Duração (LTHS) em vários corpos de prova (no mínimo três para cada nível de tensão) e mede-se a expansão circunferencial dos tubos ensaiados, expressa em porcentagem em relação á circunferência inicial, em intervalos de tempo até que a expansão exceda a 5% ou até 2000 horas, o que ocorrer primeiro.

Também pelo método dos mínimos quadrados, escabele-se uma equação de reta do logaritmo da expansão circunferencial (%) em função do logaritmo do tempo (h) para cada tensão aplicada e plota-se em um papel di-log, extrapolando-se para 100.000 h.

Com os valores extrapolados da expansão circunferencial em cada tensão para 100.000 h, determina-se, ainda pelo método dos mínimos quadrados, a equação do logaritmo da expansão circunferencial em função do logaritmo da tensão e traça-se em papel di-log a reta correspondente.

Para um valor de tensão de 50% da LTHS, determina-se para pelo menos três amostras, a expansão circunferencial a 100.000 h. Se em uma ou mais amostras a expansão for maior que 5%, a Base De Dimensionamento Hidrostático (HDB) será definida como a Tensão Circunferencial que provoca uma expansão circunferencial de 5% a 100.000 h, extraída da equação acima. Senão, a HDB será dada pelo valor da Resistência Hidrostática De Longa Duração (LTHS).

Sabe-se, através de estudos semelhantes conduzidos com metais, que as curvas do teste em temperaturas mais baixas são muito semelhantes às em altas temperaturas, com a única ressalva de que a duração é mais longa.

Assim, para uma melhor caracterização dos materiais, são desenvolvidos ensaios a temperaturas elevadas (40,60,80,95°C), determinando-se com clareza o comportamento da curva de regressão em um tempo relativamente curto (10.000 hs a 15.000 hs – 1 ano a 20 anos), definido os níveis de tensão em que ocorre a ruptura dúctil (creep), a ruptura frágil (stress cracking) e a degradação (oxidação ou quebra das moléculas).

A partir dessas curvas, fica facilitada a extrapolação do restante da curva de regressão a 20°C ou 23°C, para tempos maiores que os efetivamente ensaiados (acima de 10.000 h), baseando-se na relação de arrhenius.

Pode-se observar pela correlação Larson-Miller que uma amostra carregada durante um curto período, a temperatura elevada, fornece a mesma resistência que uma amostra carregada durante um longo período a baixa temperatura.

Para PEAD obtido pelo processo Ziegler, com Ml5 de 0,5 g/10 min, foram encontrados os seguintes valores de C.

Parte da curva de inclinação suave (ruptura dúctil): C=47,5 (Gloor).

Parte da curva de inclinação acentuada (ruptura frágil) C=22 (Ewald).

No caso do PVC, as curvas não são paralelas, principalmente devido às quantidades estabilizadoras que agem, também, como lubrificantes. Diferentemente do PEAD.

O dimensionamento dos tubos quanto à sua resistência a pressão, em função da temperatura de trabalho e tempo de vida desejado, baseia-se nas curvas de regressão do material (veremos detalhes no capitulo 5.1). Portanto, faz-se necessário conhecê-las.

O processamento do material pode alterar suas características e um processamento mal executado pode resultar num tubo com desempenho inferior ao esperado para aquele material, vindo a apresentar falhas em um tempo menor que aquele para o qual foi dimensionado.

Da mesma forma, a utilização de materiais não qualificados ou mesmo reciclados (sucatas) resultará em tubos de desempenho desconhecido, via de regra apresentado rupturas precoces. Essa má prática, muita utilizada, em todo o mundo por fabricantes desavisados ou inidôneos, tem levado a inúmeros problemas e perdas financeiras e ecológicas aos usuários (perdas de água, vazamento de fluidos agressivos, etc.), gerando muitos debates nos foros técnicos visando procedimentos, normas técnicas e programas de controle de qualidade mais rigorosos.

As curvas de regressão também são utilizadas nesses casos, servindo como referência para os testes de pressão executados em amostras extraídas da produção ou encontradas no mercado, comparando-se os tempos de ruptura das amostras ensaiadas, a certa pressão e temperatura, com os fornecidos pelas curvas.

A seguir, apresentamos as curvas de regressão típicas dos materiais atuais, conforme ISSO TR 9080 e no apêndice B, para efeito de comparação da evolução dos materiais antigos, apresentamos as curvas de regressão do PEAD tipo 1 (5A) e tipo 2 (5B), utilizados até ao final dos anos 90.

  • Ensaios de Pressão Hidrostática

As normas para tubos plásticos baseiam-se nas curvas de regressão para estabelecerem as pressões, temperaturas e tempos dos ensaios. Entre as normas de métodos de ensaios mais utilizadas para ensaios de tubos de PEAD estão: NBR 8415, DIN 8075, EM 921, ISSO 3607 E ISSO 1167, BS OS/ PL2 – PART 1. Para os tubos de PP: DIN 8078, ISO 3213 e ISSO 3212. Para os tubos de PEBD: DIN 8073.

Deve-se tomar muito cuidado ao analisar um material desconhecido pelos testes de pressão de curta duração (short term strength), pois alguns materiais possuem ótimo desempenho nestes testes e baixo desempenho a longa duração (vide curvas de regressão).

É recomendável que, ao optar-se por um determinado material, seu desempenho seja analisado, também, com testes de pressão prolongados (100, 165 e 1000 h), pois somente após confirmar-se que o material comporta-se como especificado em suas curvas de regressão é que os testes mais rápidos tornam-se válidos.

Já os testes de longa duração a 10.000 h têm como objetivo a extrapolação e/ ou confirmação das curvas de regressão (BS OS/PL2), não sendo aplicados na avaliação de recebimento ou de produção.

A aparelhagem para testes de pressão hidrostática em tubos plásticos resume-se a:

- Banheira ou cuba de água termoestabilizada, capaz de manter uma temperatura constante e uniforme em todo seu volume, com variações inferiores a 2°C;

- Bomba de água de alta pressão (50 bar) ou tanques de nitrogênio, com distribuidores, acumuladores, manômetros e pressostatos (controladores de pressão) de precisão;

-Dispositivos de fechamento das extremidades dos corpos-de-prova com pontos de entrada de pressão e para purga de ar.

Os ensaios a 20°c procuram observar a ruptura do tipo dúctil (tensão elevada e tempo curto), mais influenciável pela densidade do material, sendo mais alta a resistência a este tipo de ruptura quanto maior for à densidade. Já os ensaios a temperaturas elevadas buscam avaliar a ocorrência de ruptura do tipo frágil (stress cracking, baixa tensão, temperatura elevada e tempo longo) mais influenciável pelo peso molecular e a distribuição do peso molecular e menos larga a DPM. O terceiro estágio, da degradação química do material, que resulta também em ruptura frágil, observa-se a tensões mais baixas, temperaturas mais elevadas e tempos muito longos.

Vale mencionar que há uma influência importante do meio em que os testes são efetuados. Sendo que os corpos-de-prova apresentam maior tempo de ruptura, isto é, suportam mais, quando o fluido interno e externo ao corpo-de-prova é ar. A seguir água e água. O menor tempo ocorre quando temos água internamente e ar externo.

O estabelecimento da pressão de ensaio, correspondente à tensão circunferencial que se deseja impingir ao tubo.

  • Ensaio de Pressão Hidrostática com Tubo Ranhurado (Notched Pipe Test.)

Uma maneira de avaliação acelerada da resistência ao stress cracking é da propagação lenta de ruptura, antecipado-se ao ensaio de 1000 h, procurando inclusive reproduzir uma condição prática cada vez mais importante atualmente em função das técnicas de instalação não destrutivas.

Nessas técnicas, os tubos sofrem alta incidência de ranhuras e riscos, que os tornam particularmente susceptíveis ao stress cracking oriundo das tensões localizadas nesses pontos.

Tensões Formadas Durante a Fabricação do Tubo

Em todos os termoplásticos formam-se pressões durante o processo de fabricação. São as chamadas pressões residuais de resfriamento. É que durante a fabricação, o tubo é resfriado num banho de água, disto resultando tensões de flexão na secção do tubo, com tensões de tração do lado interno e tensões de compressão do lado externo. Consideremos uma secção transversal do tubo. As camadas de superfície externa se resfriam primeiro e se contraem, comprimindo plasticamente as camadas da superfície interna, ainda quente. Posteriormente, estas também se resfriam e tendem a se contrair, mas são impedidas de fazê-lo pelas camadas da superfície externa que já assumiram sua forma definitiva. Vê-se, pois, as contrações do lado interno e tensões de compressão do lado externo. Quanto mais rápido for o resfriamento, mais severa a flexão e maiores as tensões residuais.

 

  • Ensaio de Frozen-in-stress

Se cortarmos um anel do tubo e fizemos um corte na direção radial, ocorrerá uma redução da periferia, sujeita à compressão. A medida desta redução fornece o valor das tensões.

Estas tensões residuais, nas paredes dos tubos, assumem aproximadamente a forma clássica de distribuição triangular.

Quando procedemos ao corte do anel da forma acima descrita e medimos a redução do perímetro.

Como Ek varia com o tempo, ao se utilizar a fórmula acima, é preciso observar o intervalo de tempo decorrido entre o corte e a medição da redução:

Normalmente Ek é medido 3 min. após o corte

Para PEAD a 20°C, após 3 min. de corte temos Ek= 9 000 Kgf./cm2.

As tensões residuais ocorrem não só circunferencialmente, mas também axialmente, significando que, após a manufatura, o tubo fica sujeito a um estado duplo de tensões residuais.

Em virtude deste estado duplo de tensões, a determinação da tensão residual pela fórmula acima deve ser feita num anel de comprimento mínimo igual ao diâmetro. Deve-se notar que, após sua fabricação, o tubo ficará confinado a sua forma, o que vale dizer que as deformações causadas pelas tensões residuais serão constantes.

Pelo exposto antes, isto significa que ao passar do tempo ocorrerá o relaxamento das tensões residuais.

De acordo com as medições feitas no PEAD, uma tensão residual de 30 Kgf./cm2, verificada duas horas após a extrusão, reduzir-se a 15 Kgf./cm2 depois de 10.000 horas. Deve-se notar ainda, que nem sempre a distribuição das tensões residuais segue a forma triangular, principalmente porque algum resfriamento pode ocorrer já no início, no lado interno do tubo, em virtude da circulação de ar.

  • Análise do Resfriamento pela Densidade

A densidade também se apresenta como um ótimo indicativo da intensidade e forma de resfriamento ocorrido na produção de tubos de paredes grossas. São extraídas várias amostras de parede do tubo: próximo à superfície externa, central e interna. Mede-se a densidade destas amostras e traça-se uma gráfica densidade x distância ao longo da parede do tubo.

A densidade deve apresentar valores crescentes quando se desloca da superfície externa em direção à interna, pois a camada interna sofre um resfriamento mais lento, propiciando a formação de cristalitos maiores.

Quanto maior a espessura do tubo e mais intenso o resfriamento, maior será esse gradiente de densidade.

É importante observar que, num resfriamento adequado, esta curva de distribuição de densidade não apresenta pontos de inflexão, ou seja, a densidade é sempre crescente da superfície externa em direção à interna. Caso ocorra algum ponto de inflexão.

No processo de produção de tubos por calibração à vácuo, ocorre a circulação natural de ar atmosférico dentro do tubo. Neste caso, a superfície interna recebe um resfriamento adicional devido à transmissão de calor por convecção. Por esta razão, a curva de densidade tende a uma pequena inflexão próxima á superfície interna, porém, na maioria dos casos, ela tende a uma assíntota na direção perpendicular à parede.

As tensões residuais provocadas pelo estiramento das moléculas do material no seu processamento também são muito importantes.

Um estiramento excessivo (orientação) na direção longitudinal, além das tensões residuais, diminui a resistência dos tubos às tensões circunferenciais induzidas pela pressão interna nas condições de trabalho dos tubos. Este problema é muito mais comum nos tubos de diâmetros menores.

  • Ensaio para Análise da Estabilidade Dimensional (Retração Longitudinal)

As tensões residuais, tanto longitudinais quanto radiais, provocam uma menor estabilidade dimensional dos tubos.

A determinação da estabilidade dimensional visa avaliar estas tensões. Os métodos utilizados para esta determinação variam ligeiramente de norma, porém normalmente são encontrados com designação de Ensaio De Estabilidade Dimensional e seguem basicamente os mesmos princípios: condiciona-se uma amostra do tubo a 20°c (23°C) e marca-se um comprimento em três geratrizes do tubo equidistantes a 120°. Leva-se a amostra a uma estufa por um período e temperatura especificados. A seguir, aguarda-se que a amostra resfrie-se naturalmente até a temperatura inicial, e medem-se os comprimentos entre os pontos marcados (L). O resultado é a variação dimensional, em porcentagem.

Resistência Química e Eletrolítica

Nos tubos metálicos, a vida útil é geralmente determinada pela degradação por corrosão. Ao longo do tempo, a corrosão vai comprometendo gradualmente a espessura da parede do tubo. Com isto, a área da secção transversal vai diminuindo e a tensão, conseqüentemente, vai aumentando até romper o tubo.

Geralmente a importância da corrosão é subestimada. É quase desconhecido que a corrosão representa um grande ônus para as economias de todo o mundo. Já que uma expressiva porcentagem de tubulações, estruturas, etc. é anualmente fabricada para repor o que foi inutilizado pela corrosão.

De acordo com os dados citados por Vicente Gentil no seu livro Corrosão, estima-se que no Brasil o custo da corrosão atinge 3,5% do PIB. Estatísticas disponíveis de vários outros países apresentam porcentagens menores, mas ainda assim consideráveis.

Ao tratar deste assunto, devem-se considerar três tipos de corrosão (além do desgaste mecânico): corrosão química, eletrolítica e galvânica. No tocante à corrosão, há uma grande diferença entre os tubos de polietileno (PE) e polipropileno (PP) e os tubos metálicos. Os metálicos são muito sensíveis não só ao ataque químico como á corrosão eletrolítica. No tocante à corrosão química, esses tubos sofrem até mesmo o ataque dos efluentes comuns encontrados na engenharia sanitária. Já os tubos de PE e PP não sofrem corrosão eletrolítica ou galvânica.

Para os usos mais comuns, ou mesmo para a maioria dos produtos considerados perigosos para outros tubos, o PE e o PP podem ser considerados materiais praticamente imunes ao ataque químico.

O PEAD e o PP são muito parecidos quanto à solubilidade e ao inchamento pela ação de substâncias químicas e não reagem com solventes, nem ocorre a formação de uma solução do polímero à temperatura ambiente. Quanto à permeabilidade, a situação é semelhante, com uma ligeira vantagem para o PP (com exceção do ataque do hexano, que o prejudica mais). Sendo que quanto maior a densidade do polímero, menor sua permeabilidade.

Soluções aquosas diluídas não afetam o PE. Ácidos fortes, bem como agentes oxidantes, atacam estes polímeros lentamente, sendo estes últimos mais agressivos ao PP. Hidrocarbonetos alifáticos, aromáticos e clorados atacam estes materiais lentamente.

Somente materiais não voláteis ou pouco voláteis podem causar danos permanentes, uma vez que as propriedades originais reaparecem após a evaporação do agente inchante.

Devido à maior resistência a temperatura do PP, ele se torna mais apropriado, na maioria dos casos, à condução de produtos químicos à temperatura acima de 50°C em comparação ao PE.

A ótima resistência ao gás natural e a gases manufaturados de petróleo somados à grande impermeabilidade aos mesmos e seus relativos baixos custos de instalação tornaram os tubos de PEAD a melhor opção para a distribuição destes gases a pressões de até 10 bar.

Verificou-se que a resistência do material a um produto químico é influenciada pelas condições de trabalho a que o material é submetido. No caso de tubos, então, esta resistência deve ser comprovada fazendo-se testes de pressão com a substância a que será submetido. Em outros casos, verificou-se que determinadas quantidades de hidrocarbonetos em solução aquosa, que não afetavam o tubo em testes de pressão, provocavam inchamento do tubo sob as condições de trabalho, por terem um efeito cumulativo.

Conduzindo experiências com o polipropileno em 1963, Ehrbar definiu o fator de resistência f, que significa a relação entre a resistência do material num meio agressivo e sua resistência na água, tomada como fator de resistência igual a 1.

O fator f é definido como sendo a relação entre o tempo de ruptura do tubo no meio agressivo (em análise) e o tempo de ruptura em água para a mesma tensão.

Somente fluídos pouco ou não voláteis causam danos permanentes. As propriedades do material voltam aos valores originais após a evaporação do agente inchante.

De qualquer forma, todas as aplicações específicas devem ser ensaiadas. No apêndice B, apresentamos a Tabela de Resistência Química para PEBD, PEAD e PP, bem como uma Tabela com alguns Fatores de Resistência mais usuais.

No tocante à corrosão, destaque especial deve ser dado à corrosão eletrolítica e galvânica. Todos os engenheiros que já trabalharam em manutenção de tubulações metálicas sabem o que representa de extraordinário o aparecimento de um tubo imune às corrosões eletrolíticas e galvânicas.

Não sendo os tubos de PEAD, PEBD e PP formados por moléculas polares, estes tubos são imunes a estas corrosões, dispensando pinturas e proteções catódicas de qualquer espécie.

Inclusive, devido à baixa tensão superficial destes materiais, a aplicação de tintas só pode ser efetuada com o auxilio de tratamentos superficiais (através do efeito corona ou flambagem), a fim de aumentar-se a tensão superficial crítica do material, pois, para ocorrer a aderência, esta deve ser, pelo menos no caso de tintas a base de álcool, 10 din./cm maior que a da tinta. Isto é utilizado nos processos de impressão de embalagens.

Resistência À Abrasão

Nas tubulações que transportam sólidos abrasivos, o desgastes por abrasão é um fator de maior importância. Isto ocorre nos tubos de dragagem, nos minerodutos, nos cinzodutos e em todos os casos de transporte hidráulico de sólidos em tubulações.

Em engenharia sanitária, embora em menor escala, a abrasão também ocorre, especialmente em tubos de esgoto.

A abrasão pode ocorrer em duas formas:

- Desgaste por deformação;

- Desgaste por ação corante.

O desgaste por deformação é causado pelo choque das partículas normalmente ás paredes dos tubos. A partícula pode estar animada de energia cinética suficiente para causar uma tensão local superior ao limite oblíquo das partículas que podem conter energia cinética suficiente para cisalhar superficialmente o tubo, arrancando-lhe pequenas lascas.

A abrasão depende de vários fatores, a saber:

- Das características dos sólidos, como tamanho e distribuição, dureza, peso especifico e forma;

- Das características do líquido, como corrosividade, densidade, viscosidade, regime do escoamento, se laminar ou turbulento, se heterogêneo ou homogêneo, e da velocidade do fluxo; e, de forma preponderante;

- Da natureza das paredes do tubo.

No tocante à abrasão, testes conduzidos por diferentes pesquisadores indicaram para os tubos de PEAD uma resistência bastante elevada, muito superior à de materiais convencionais.

A resistência à abrasão aumenta com o aumento do peso molecular (menor MFI) e da densidade, pois é dependente da dureza superficial e da resilência do material, isto é: maior dureza e maior resiliência permitem a melhor resistência à abrasão.

 

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Comentários para “O polietileno e o polipropileno – Parte 2”

  1. Robson disse:

    Realmente muito bom o material, poderia por gentileza me dizer qual é a referencia bibliográfica do material?

    • admin disse:

      Prezado Robson, Boa tarde!

      A referencia bibliográfica desde tema pertence ao Manual de Tubulações de Polietileno e Polipropileno – Autor José Roberto B. Danieletto.

      Qualquer dúvida estamos a disposição.

      Att,

      FGS Brasil

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