Plásticos industriais – Teoria e aplicações: Tradução da 5ª edição norte-americana by Cengage Brasil

Erik Lokensgard

Plásticos

Erik Lokensgard

Tradução da 5a edição norte-americana

Industriais

Esta obra cobre todas as facetas da tecnologia de plástico industrial e os principais processos de fabricação. É uma fonte indispensável para qualquer estudioso envolvido em programas de tecnologia de polímero ou de plástico.

Aplicações: Cursos de Química, Engenharias Industrial, Química de Materiais e de Produção, e curso superior em Tecnologia de Materiais. É uma obra muito útil para disciplinas como estrutura e propriedades de materiais poliméricos, processamento de materiais poliméricos e tecnologia de plásticos industriais.

isbn 13 978-85-221-1187-9 isbn 10 85-221-1187-1

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7 8 8 5 2 2 111879 111879 99 788522

Teoria e aplicações

Didático, abrangente e com vários exercícios, Plásticos industriais: teoria e aplicações apresenta uma sequência lógica dos tópicos, abordando tudo da história do plástico até o percurso de um negócio de plástico de sucesso. Fornece dados para pesquisa na internet em todos os capítulos, dados atuais da indústria de plásticos e tratamentos expandidos de tecnologias de engenharia, em particular, nanoplásticos, injeção de fluido, bioplásticos e protótipo rápido. Texto útil para profissionais que desejam rever os conceitos básicos sobre o tema e permanecer atualizados sobre a última tecnologia na fabricação de plástico.

Plásticos Industriais

Teoria e aplicações

outras obras Mecânica dos materiais Tradução da 7a edição norte-americana

Tradução da 5 edição norte-americana a

James M. Gere e Barry J. Goodno

Erik Lokensgard

Plásticos

Industriais Teoria e aplicações

Ciência e engenharia dos materiais Donald R. Askeland e Pradeep P. Phulé Química orgânica experimental: técnicas de escala pequena Tradução da 3a edição norte-americana

Randall G. Engel, George S. Kriz, Gary M. Lampman e Donald L. Pavia

Plásticos industriais Teoria e aplicações Tradução da 5a edição norte-americana

Erik Lokensgard Tradução técnica

Alessandra Pereira da Silva

Doutora em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos Professora Adjunta II da Universidade Federal de São Paulo – Campus Diadema

Alexandre Argondizo

Doutor em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos Professor Adjunto II da Universidade Federal de São Paulo – Campus Diadema

Douglas Alves Cassiano

Doutor em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas Professor Adjunto II da Universidade Federal do ABC

Eliezer Ladeia Gomes

Doutor em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos Professor Adjunto III da Universidade Federal de São Paulo – Campus Diadema

Robson Mendes Matos

D. Phil. University of Sussex at Brighton, Inglaterra Professor Associado III da Universidade Federal do Rio de Janeiro – Campus Macaé

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

Sumário

Prefácio xxi

Capítulo 1 Introdução histórica aos plásticos 1 Introdução 1 Plásticos naturais 1 Materiais córneos 2 Goma-laca 3 Guta-percha 5 Primeiros materiais naturais modificados 5 Borracha 6 Celuloide 7 Primeiros plásticos sintéticos 9 Plásticos sintéticos comerciais 10 Resumo 10 Pesquisa na internet 12 Vocabulário 12 Questões 13 Atividades 13 Capítulo 2 Situação atual da indústria de plásticos 17 Introdução 17 Principais materiais plásticos 18 Reciclagem de plásticos 20 Leis de depósitos para garrafas e seus efeitos 20 Reciclagem de lixo seletiva 24 Reciclagem de PCR HDPE 26 Reciclagem automotiva 32 Reciclagem química 33 Reciclagem na Alemanha 33 Eliminação por incineração ou degradação 34 História da incineração nos Estados Unidos 34 Plásticos degradáveis 35 Organizações na indústria de plásticos 37 Publicações para a indústria de plásticos 39 Jornal do Comércio 39 Pesquisa na internet 39 Vocabulário 40 Questões 40 Atividades 41 v

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Capítulo 3 Química elementar dos polímeros 43 Introdução 43 Revisão de química básica 43 Moléculas 43 Moléculas de hidrocarbonetos 44 Macromoléculas 45 Polímeros de cadeia de carbono 45 Carbono e outros elementos na cadeia principal 47 Organização molecular 48 Polímeros amorfos e cristalinos 48 Forças intermoleculares 51 Orientação molecular 52 Orientação uniaxial 53 Orientação biaxial 53 Termofixos 53 Sumário 54 Pesquisa na internet 54 Vocabulário 54 Questões 55 Atividades 56

Capítulo 4 Saúde e segurança 59 Introdução 59 Riscos físicos 59 Riscos biomecânicos 59 Riscos químicos 60 Fontes de riscos químicos 60 Leitura e compreensão do MSDS 60 Seção 1: Identificação do produto e da empresa 61 Seção 2: Composição 61 Seção 3: identificação dos riscos 63 Seção 4: Medidas de primeiros socorros 67 Seção 5: Medidas de combate a incêndios 67 Seção 6: Medidas para liberação acidental 68 Seção 7: Manuseio e armazenamento 68 Seção 8: Controle de exposição e proteção individual 68 Seção 9: Propriedades físicas e químicas 68 Seção 10: Dados de estabilidade e reatividade 68 Seção 11: Informações toxicológicas 70 Seção 12: Informações ecológicas 70 Seção 13: Considerações sobre o descarte 70

Sumário

Seção 14: Informações sobre transporte 70 Seção 15: Informações sobre regulamentação 70 Seção 16: Outras informações 70 Pesquisa na internet 72 Vocabulário 72 Questões 72 Atividades 73 Capítulo 5 Estatística elementar 75 Introdução 75 Cálculo da média 75 A distribuição normal 76 Cálculo do desvio padrão 77 A distribuição normal padrão 78 Representação gráfica dos resultados do teste de dureza Esboço de gráficos 81 Comparação gráfica de dois grupos 81 Sumário 82 Pesquisa na internet 82 Vocabulário 82 Questões 83 Atividades 83

Capítulo 6 Propriedades e testes em plásticos 85 Introdução 85 Organismos certificadores 86 ASTM 86 ISO 86 Unidades SI 88 Propriedades mecânicas 89 Resistência à tração (ISO 527-1, ASTM D-638) 93 Resistência à Compressão (ISO 75-1 e 75-2, ASTM D-695) 93 Resistência ao cisalhamento (ASTM D-732) 93 Resistência ao impacto 93 Resistência à flexão (ISO 178, ASTM D-790 e D-747) 96 Fadiga por flexão (ISO 3385, ASTM D-430 e D-813) 96 Amortecimento 96 Dureza 96 Resistência à abrasão (ASTM D-1044) 99 Propriedades físicas 99

vii

viii

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Massa específica e densidade relativa (ISO 1183, ASTM D-792 e D-1505) 99 Contração na moldagem (ISO 2577, ASTM D-955) 101 Resistência à fluência ou creep (ISO 899, ASTM D-2990) 101 Viscosidade 102 Propriedades térmicas 102 Condutividade térmica (ASTM C-177) 103 Capacidade calorífica (calor específico) 103 Expansão térmica (ASTM D-696 e D-864) 103 Temperatura de deflexão térmica (ISO 75, ASTM D-648) 104 Plásticos ablativos 105 Resistência ao frio 105 Inflamabilidade (ISO 181, 871 e 1210; ASTM D-635, D-568 e E-84) 105 Índice de fluidez (ISO 1133, ASTM D-1238) 105 Temperatura de transição vítrea 106 Temperatura de amolecimento (ISO 306, ASTM D-1525) 107 Propriedades ambientais 107 Propriedades químicas 107 Resistência às intempéries (ASTM D-2565, D-4329, G-154 e G-155, ISO-4892) 108 Resistência à radiação ultravioleta (ASTM G-23 e D-2565) 110 Permeabilidade (ISO 2556, ASTM D-1434 e E-96) 110 Absorção de água (ISO 62, 585 e 960; ASTM D-570) 110 Resistência bioquímica (ASTM G-21 e G-22) 112 Fratura sob tensão ambiental (stress cracking) (ISO 4600 e 6252, ASTM D-1693) 112 Propriedades ópticas 112 Brilho (ASTM D-2457) 112 Transmitância luminosa (ASTM D-1003) 113 Cor 113 Índice de refração (ISO 489, ASTM D-542) 113 Propriedades elétricas 114 Resistência ao arco (ISO 1325, ASTM D-495) 114 Resistividade (ISO 3915, ASTM D-257) 114 Rigidez dielétrica (ISO 1325, 3915; ASTM D-149) 114 Constante dielétrica (ISO 1325, ASTM D-150) 114 Fator de potência (ASTM D-150) 114 Pesquisa na internet 115 Vocabulário 116 Questões 116 Atividades 117

Sumário

Capítulo 7 Ingredientes dos plásticos 119 Introdução 119 Aditivos 120 Antioxidantes 120 Agentes antiestática 121 Corantes 121 Agentes de acoplamento 123 Agentes de cura 124 Retardantes de chama 124 Agentes de expansão e espumantes 125 Estabilizantes térmicos 126 Modificadores de impacto 127 Lubrificantes 127 Agentes nucleantes 127 Plastificantes 128 Conservantes 128 Auxiliares de processamento 129 Estabilizadores ultravioleta (UV) 130 Agentes de reforço 130 Lâminas 131 Fibras 131 Cargas 139 Nanocompósitos 140 Cargas em escala macroscópica 143 Pesquisa na internet 144 Vocabulário 145 Questões 146 Atividades 147

Capítulo 8 Caracterização e seleção de plásticos comerciais 149 Introdução 149 Materiais básicos 149 Técnicas de polimerização 150 Índice de fluidez 151 Seleção do tipo de material 152 Bancos de dados informatizados para seleção de materiais 152 Resumo 153 Pesquisa na internet 153 Vocabulário 153 Questões 154 Atividades 154

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Capítulo 9

Usinagem e acabamento 157 Introdução 157 Serramento 158 Limagem 160 Furação 160 Estampagem, corte em matriz de estampagem (blanking) 163 Roscamento 164 Torneamento, fresagem, aplainamento, modelagem e usinagem com comando numérico computadorizado (router) 166 Corte a laser 167 Corte por fratura induzida 168 Corte térmico 168 Corte hidrodinâmico 169 Aplainamento e polimento 169 Tamboração 171 Recozimento e pós-cura 172 Pesquisa na internet 172 Vocabulário 173 Questões 174 Atividades 175

Capítulo 10 Processo de moldagem 177 Introdução 177 Moldagem por injeção 177 Unidade de injeção 178 Unidade de fechamento 180 Segurança na moldagem por injeção 181 Especificação de máquinas de moldagem 186 Elementos dos ciclos de moldagem 186 Moldagem por injeção de termorrígidos 188 Moldagem por coinjeção 189 Injeção de fluido 190 Sobremoldagem 191 Máquinas elétricas e híbridas 191 Moldagem de materiais líquidos 192 Moldagem por injeção e reação 192 Moldagem reforçada por injeção e reação (RRIM) 193 Moldagem de resina líquida 193 Moldagem de materiais termorrígidos em grânulos e em placa 195 Moldagem por compressão 195 Moldagem por transferência 197

Sumário

Moldagem de folha (sheet molding) 201 Pesquisa na internet 201 Vocabulário 202 Questões 202 Atividades 203

Capítulo 11 Processos de extrusão 207 Introdução 207 Equipamentos de extrusão 207 Composição ou compostagem 210 Principais classes de produtos de extrusão 212 Extrusão de perfil 213 Extrusão de tubo 214 Extrusão de placa (ou chapa) 214 Extrusão de filme 214 Moldagem de filmes por extrusão e sopro 217 Extrusão de filamentos 220 Revestimento por extrusão e recobrimento de fios 224 Moldagem por sopro 224 Moldagem por sopro via injeção 225 Moldagem por sopro via extrusão 226 Variações na moldagem por sopro 231 Pesquisa na internet 232 Vocabulário 233 Questões 233 Atividades 234

Capítulo 12

Processos e materiais de laminação 239 Introdução 239 Camadas de diferentes plásticos 240 Camadas de papel 241 Camadas de lã de vidro e tapetes 244 Camadas de metal e favos de metal 245 Camadas de metal e plásticos espumantes 246 Pesquisa na internet 248 Vocabulário 248 Questões 248 Atividades 249

xii

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Capítulo 13 Processos e materiais reforçadores 253 Introdução 253 Cubo combinado 254 Compostos moldados por volume 254 Compostos moldados em folhas 254 Processo de laminação à mão ou de contato 257 Pulverização 257 Formação de vácuo rígida 257 Termoformação de molde frio 258 Saco de vácuo 258 Saco de pressão 260 Bobina de filamento 260 Reforço centrífugo e reforço de filme moldado por sopro 263 Pultrusão 263 Formação/impressão a frio 264 Pesquisa na internet 266 Vocabulário 266 Questões 266

Capítulo 14 Processos e materiais de fundição 267 Introdução 267 Tipos de material 267 Fundição simples 268 Tipos especiais de fundição simples 269 Fundição de filme 270 Fundição de fundido quente 271 Fundição slush e fundição estática 271 Fundição slush 271 Fundição estática 273 Fundição rotacional 273 Fundição centrífuga 273 Fundição rotacional 274 Fundição por mergulho 274 Pesquisa na internet 276 Vocabulário 276 Questões 276 Atividades 277

Capítulo 15

Termoformagem Introdução 283

283

Sumário

Formagem por vácuo direto 285 Formagem positiva 286 Formagem de molde combinado 286 Formagem a vácuo assistida por pistão e bolha de pressão 287 Formagem a vácuo assistida por pistão 288 Formagem por pressão assistida por pistão 288 Formagem por pressão na fase sólida (SPPF) 289 Formagem por vácuo de bolha 290 Formagem por vácuo de bolha e pressão na bolha 291 Formagem por pressão com aquecimento de contato e folha presa 291 Formagem por envelope de ar 291 Formagem livre 291 Termoformagem de folha dupla 292 Termoformagem de embalagem bolha ou embalagem de crosta 293 Formagem mecânica 293 Pesquisa na internet 294 Vocabulário 295 Questões 296 Atividades 297

Capítulo 16 Processos de expansão 303 Introdução 303 Moldagem 306 Processamento de baixa pressão 307 Processamento de alta pressão 308 Outros processos de expansão 310 Fundição 312 Expansão no local 312 Jateamento 313 Pesquisa na internet 314 Vocabulário 314 Questões 314 Atividades 315

Capítulo 17 Processos de revestimento 321 Introdução 321 Revestimento por extrusão 322 Revestimento por calandra 323 Revestimento de pó 323 Revestimento de leito fluidizado 324

xiii

xiv

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Revestimento de leito eletrostático 324 Revestimento de pistola de pó eletrostático 325 Revestimento de transferência 325 Revestimento de lâmina ou rolo 326 Revestimento de imersão 326 Revestimento de jato 327 Revestimento metálico 328 Adesivos 328 Eletrogalvanização 328 Metalização a vácuo 329 Revestimento precipitado 331 Revestimento por escova 331 Pesquisa na internet 332 Vocabulário 332 Questões 332 Atividades 334

Capítulo 18 Processos de fabricação e materiais 337 Introdução 337 Adesão mecânica 337 Resinas termoplásticas 337 Resinas termofixas 338 Adesivos elastoméricos 340 Adesão química 340 Adesão por solvente 341 Técnicas de aquecimento por fricção 343 Técnicas de transferência de calor 345 Fixação mecânica 348 Montagem por fricção 348 União por prensagem 348 União por encaixe 349 União por encolhimento 350 Pesquisa na internet 350 Vocabulário 351 Questões 351 Atividades 352

Capítulo 19

Processos de decoração 357 Introdução 357 Coloração 358

Sumário

Pintura 358 Pintura por spray 359 Pintura eletrostática 359 Pintura por imersão 359 Pintura utilizando tela vazada 360 Marcação por preenchimento 360 Revestimento por rolo 360 Hot stamping 361 Galvanização 362 Gravação 363 Impressão 363 Decoração dentro do molde 364 Decoração por transferência de calor 365 Diversos outros métodos de decoração e acabamento 366 Pesquisa na internet 367 Vocabulário 367 Questões 368 Atividades 369

Capítulo 20 Processos com uso de radiação 371 Introdução 371 Métodos de radiação 371 Fontes de radiação 373 Radiação ionizante 373 Radiação não ionizante 374 Segurança de radiação 374 Irradiação de polímeros 374 Danos causados por radiação 374 Melhorias por radiação 376 Polimerização por radiação 377 Enxerto por radiação 377 Vantagens de radiação 378 Aplicações 379 Pesquisa na internet 380 Vocabulário 380 Questões 381

Capítulo 21 Considerações de projeto 383 Introdução 383 Análise de fluxo com o auxílio de computador 383

xvi

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Protótipo rápido 384 Considerações de material 386 Ambiente 387 Características elétricas 387 Características químicas 388 Fatores mecânicos 388 Economia 388 Considerações de projeto 389 Aparência 389 Limitações de projeto 391 Considerações de produção 393 Processos de fabricação 394 Encolhimento de material 394 Tolerâncias 395 Projeto de molde 395 Teste de desempenho 404 Pesquisa na internet 407 Vocabulário 408 Questões 408

Capítulo 22 Ferramentas e fabricação de molde 411 Introdução 411 Planejamento 412 Ferramenta 412 Custos de ferramenta 412 Processamento por máquina 417 Erosão química 419 Pesquisa na internet 424 Vocabulário 425 Questões 425

Capítulo 23

Considerações comerciais 427 Introdução 427 Financiamento 427 Gerenciamento e pessoal 428 Moldagem de plástico 428 Equipamento auxiliar 430 Controle de temperatura de moldagem 432 Pneumáticos e hidráulicos 433 Cotação de preços 434

Sumário

Terreno da fábrica 435 Despacho 435 Pesquisa na internet 435 Vocabulário 436 Questões 436

Apêndice A

Glossário 439

Apêndice B

Abreviaturas para materiais selecionados 455

Apêndice C

Nomes comerciais e fabricantes 459

Apêndice D Identificação de material 477 Identificando plásticos 477 Métodos de identificação 477 Nome comercial 477 Aparência 477 Efeitos do calor 478 Efeitos de solventes 478 Densidade relativa 483

Apêndice E Termoplástico 485 Plástico de poliacetal (POM) 485 Acrílico 487 Poliacrilatos 490 Poliacrilonitrila e polimetacrilonitrila 490 Acrilonitrila-estireno-acrilonitrila (ASA) 490 Acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) 490 Acrilonitrila-polietileno clorado-estireno (ACS) 491 Celulósico 491 Celulose regenerada 492 Ésteres de celulose 493 Nitrato de Celulose (CN) 493 Acetato de celulose (CA) 493 Butirato de acetato de celulose (CAB) 494 Propionato de cetato de celulose 495 Éteres de celulose 496 Poliéteres clorados 497

xvii

xviii

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Plástico de cumarona-indeno 498 Fluoroplástico 498 Politetrafluoroetileno (PTFE) 499 Polifluoroetilenopropileno (PFEP ou FEP) 501 Policlorotrifluoroetileno (PCTFE ou CTFE) 502 Floureto de polivinila (PVF) 503 Fluoreto de polivinilideno (PVDF) 504 Outros fluoroplásticos 505 Ionômeros 505 Plásticos de barreira de nitrila 508 Fenóxi 509 Polialômeros 509 Poliamidas (PA) 509 Policarbonatos (PC) 513 Polieteretercetona (PEEK) 515 Polieterimida (PEI) 515 Poliésteres termoplásticos 516 Poliésteres saturados 516 Poliésteres aromáticos 518 Poliimidas termoplásticas 518 Poliamida-imida (PAI) 519 Polimetilpenteno 520 Poliolefinas: polietileno (PE) 522 Polietileno de baixíssima densidade (VLDPE) 528 Polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) 528 Polietileno de alta densidade de massa molecular (HMW-HDPE) 528 Polietileno de ultra-alta massa molecular (UHMWPE) 528 Ácido de Etileno 529 Acrilato de Etileno-etila (EEA) 529 Acrilato de Etileno-metila (EMA) 529 Acetato de etileno-vinila (EVA) 529 Poliolefinas: polipropileno 529 Poliolefinas: polibutatileno (PB) 532 Óxidos de polifenileno 532 Óxido de polifenileno (PPO) 533 Éter polifenileno (PPE) 533 Parilenos 533 Sulfeto de polifenileno (PPS) 534 Éteres poliarila 534 Poliestireno (PS) 534 Estireno-acrilonitrila (SAN) 537

Sumário

Estireno-acrilonitrila (olefina modificada) (OSA) 538 Plásticos de estireno-butadieno (SBP) 539 Estireno-anidrido maleico (SMA) 539 Polissulfonas 539 Poliarilsulfona 540 Polietersulfona (PES) 541 Polifenilsulfona (PPSO) 542 Polivinilas 542 Cloreto de Polivinila 544 Acetato de polivinila (PVAc) 545 Formal de polivinila 546 Álcool polivinílico (PVA) 546 Acetal de polivinila 546 Butiral de polivinila (PVB) 546 Dicloreto de polivinilideno (PVDC) 546

Apêndice F Plásticos termocurados 549 Alcides 549 Alílicos 550 Plásticos amino 553 Ureia-Formaldeído (UF) 554 Melamina-formaldeído (MF) 557 Caseína 558 Epóxi (EP) 560 Furano 564 Fenólicos (PF) 564 Fenol-aralquila 566 Poliésteres insaturados 566 Poliimida termocurada 572 Poliuretano (PU) 573 Silicones (SI) 575

Apêndice G

Tabelas úteis 581

Apêndice H Fontes de pesquisa e bibliografia 591 Fontes de pesquisa 591 Bibliografia 592 Índice 595

xix

Prefácio Uso pretendido Esta obra cobre todos os aspectos da tecnologia de plástico industrial, bem como os principais processos de fabricação, servindo como fonte indispensável para aqueles indivíduos envolvidos nos programas de tecnologia de polímero ou de tecnologia de plástico em escolas de ensino médio, escolas técnicas e universidades. Focado na natureza, este livro também será útil a profissionais que desejem rever o básico e permanecer atualizado sobre a tecnologia mais recente na fabricação de plástico.

O livro Apresentado em uma sequência lógica, Plásticos industriais edifica tópicos a partir de fundamento crescente – cobrindo tudo da história do plástico até o percurso de um negócio de sucesso: • O Capítulo 1 fornece uma introdução histórica aos plásticos. • O Capítulo 2 inclui atualizações extensivas no estado atual da indústria de plástico. Traçando o consumo nos Estados Unidos dos principais materiais de plástico, reciclagem, descarte e organizações significativas dentro da indústria. • O Capítulo 3 trata a química elementar de polímero. Ele apresenta o básico sobre a química de plástico e polímero em um contexto prático. • O Capítulo 4, em saúde e segurança, reflete a organização das Fichas de Segurança de Material (MSDS – Material Safety Data Sheets (MSDS). A intenção deste capítulo, que foi atualizado para refletir os padrões atuais, é ajudar os estudantes a tornarem-se adeptos da leitura e entendimento da MSDS para plástico. • O Capítulo 5, em estatística elementar, baseia-se em técnicas de gráficos em vez de teste de hipóteses. • O Capítulo 6, em propriedades e testes, foi atualizado para mostrar as variedades atuais de equipamento de teste. • O Capítulo 7, em ingredientes de plástico, inclui uma nova seção sobre monocompósitos. • O Capítulo 8, em seleção de plástico para aplicações específicas, busca explicar as diferenças entre os vários graus de plásticos. • O Capítulo 9, em maquinário e acabamento, trata os processos comuns para moldagem e polimento de produtos de plásticos. • O Capítulo 10, em processos de moldagem, inclui uma nova seção sobre máquinas de moldagem por injeção elétrica e híbrida. Ele continua para esboçar o tratamento de segurança de moldagem por injeção. • O Capítulo 11, em extrusão, agora inclui várias fotos recentes de equipamento de moldagem de sopro de multicamadas e de filme soprado. • O Capítulo 12, em processos de laminação, aborda as camadas de plásticos, papel, fibras de vidro e metal. • O Capítulo 13, em processos e materiais reforçados, inclui numerosos processos para criar uma matriz de reforços e plásticos fibrosos. • O Capítulo 14, em processos e materiais de fundição, inclui várias novas fotografias de equipamento grande de moldagem rotacional. • O Capítulo 15, em termoformagem, trata os principais métodos para formar materiais em folha com forças de vácuo, pressão e mecânicas. • O Capítulo 16, em processos de expansão, aborda as técnicas para criar materiais espumosos. Ele inclui várias fotografias novas de gramado artificial. • O Capítulo 17, em processos de revestimento, refere-se à aplicação de revestimentos em substratos plásticos e aplicação de plástico em substratos não poliméricos. xxi

xxii

Plásticos industriais: teoria e aplicações

• O Capítulo 18, em fabricação, trata as técnicas tanto mecânicas quanto químicas. • O Capítulo 19, em processos de decoração, inclui informações atualizadas sobre estampagem de folha quente, bem como outras técnicas de decoração. • O Capítulo 20, em processos de radiação, trata o crescimento no uso do processamento por radiação. • O Capítulo 21, em projeto, inclui uma nova seção em estereolitografia. • O Capítulo 22, em ferramenta e fabricação de molde, cobre as principais técnicas de execução em máquina. • O Capítulo 23, em considerações comerciais, fornece cobertura atualizada de equipamento auxiliar. • O Apêndice A, o glossário, fornece definições de termos. • O Apêndice B, em abreviaturas, inclui nomes genéricos ou químicos para uma lista de abreviaturas atualizada. • O Apêndice C, em nomes comerciais, fornece os nomes comerciais, o nome correspondente dos plásticos e o fabricante. • O Apêndice D, em identificação de material, oferece vários métodos para identificar plásticos desconhecidos. • O Apêndice E, em termoplásticos, contém material extensivo e uma lista completa de termoplásticos. • O Apêndice F, em termocurados, trata a maioria dos principais materiais termocurados. • O Apêndice G fornece tabelas úteis mostrando conversões de várias unidades. • O Apêndice H fornece contatos de muitas organizações e também uma bibliografia selecionada. Esta edição de Plásticos industriais intensificará ainda mais a facilidade de uso e o aprofundamento de conteúdo.

Novo nesta edição A última tecnologia Esta edição de Plásticos industriais: teoria e aplicações fornece materiais atualizados em sites da internet em todos os capítulos, dados atuais da indústria de plásticos e tratamentos expandidos de tecnologias de engenharia, em particular, nanoplásticos, injeção de fluido, bioplásticos e protótipo rápido.

Pequisa na internet Ao final de cada capítulo, há uma lista de sites relacionados aos temas do capítulo estudado. Essa lista guia os estudantes para encontrar mais informações em tópicos específicos. Cada site relacionado ao material encontrado no capítulo intensifica o aprendizado para o leitor. Muitas dessas empresas fornecem discussões extensivas de seus materiais, processos e produtos em seu site. Os sites mais elaborados também incluem apresentações de fotos, vídeo e áudio.

Outras características Atividades de laboratório Onde aplicável, as atividades de laboratório estão incluídas ao final do capítulo. A filosofia das atividades de laboratório é aquela de que as aplicações são essenciais para o total entendimento de muitos conceitos teóricos. As atividades contêm abordagens experimentais, mas também incluem sugestões para investigações adicionais. Espera-se que os estudantes e professores desenvolvam as atividades de laboratório com o equipamento e materiais que tiverem disponíveis. *Os detalhes confidenciais e de propriedade destacados ou informação fornecida significam apenas um guia. Eles não devem ser tomados como uma licença para operar ou como uma recomendação para infringir quaisquer patentes.

Revisão de capítulo Todos os capítulos fornecem uma lista de vocabulário e questões de revisão para os estudantes usarem como um guia de estudo e para testar seus conhecimentos de conceitos importantes.

Prefácio

Sobre o autor Erik Lokensgard é professor na Eastern Michigan University na School of Engineerin Technology. Além de ensinar, exerce atividade na Detroit Section of the Society of Plastics Engineers e tem fornecido treinamento a várias empresas de plástico na área de Detroit.

Agradecimentos O autor e a editora (da edição original) agradecem aos seguintes profissionais, cuja habilidade técnica e total revisão do manuscrito contribuíram para o desenvolvimento do livro revisado: Dan Burklo, Northwest State Community College, Archibold, OH Barry David, Milersville University, Millersville, PA George Comber, Weber State University, Ogden, UT David Meyer, Sinclair Community College, Dayton, OH Matthew Meyer, Ashville-Buncombe Technical College, Ashville, NC Dan Ralph, Hennepin Technical College, Brooklyn Park, MN Mike Ryan, University of Buffalo, Buffalo, NY Neil Thomas, Ivy Tech State College, Evansville, IN

xxiii

Capítulo 1

Introdução histórica aos plásticos Introdução

Plásticos naturais

É bem difícil imaginar a vida sem os plásticos. Nas atividades diárias, contamos com artigos de plástico, como jarras de leite, óculos, telefones, produtos de náilon, automóveis e fitas de vídeo ou DVD. Contudo, pouco mais de cem anos atrás, os plásticos atualmente conhecidos, de uso corriqueiro, não existiam. Muito antes do desenvolvimento de plásticos comerciais, os poucos materiais conhecidos exibiam características únicas. Embora fossem fortes, translúcidos, leves e moldáveis, apenas algumas substâncias combinavam essas qualidades. Atualmente, estes materiais são chamados plásticos naturais e são o ponto de partida para uma breve história dos materiais plásticos. Este capítulo tem informações sobre as vantagens dos primeiros plásticos e as dificuldades encontradas durante a sua fabricação. Os materiais e processos modernos serão inseridos em um contexto histórico e, também, será demonstrada a forte influência dos pioneiros da indústria de plásticos. Os temas incluídos são listados a seguir:

O ponto de partida para esta seção é na Inglaterra Medieval, época na qual os sobrenomes ingleses indicavam profissões. Ainda hoje, algumas destas profissões são reconhecidas. Referências ocupacionais para nomes como Smith, Baker, Carpenter, Weaver, Taylor, Cartwright, Barber, Farmer e Hunter são óbvios. As origens ocupacionais de outros nomes, tais como Fuller, Tucker, Cooper e Horner1 são menos familiares. Little Jack Horner Sat in a corner Eating his Christmas pie; He put in his thumb And pulled out a plum, And said, “What a good boy am I.”2

Esta rima indica que Jack não era um rapaz pobre ou faminto e que também não tinha de compartilhar seu bolo de Natal com os outros membros de sua família. Ele degustou seu confeito especial sozinho. Aparentemente, o pai de Jack tinha uma boa renda. Em que trabalhava o pai de Jack, ou talvez seu avô? Ele era um “artesão de materiais

I. Plásticos naturais A. Materiais córneos B. Goma-laca C. Guta-percha II. Primeiros materiais naturais modificados A. Borracha B. Celuloide III. Primeiros plásticos sintéticos IV. Plásticos sintéticos comerciais

1 Smith (ferreiro), Baker (padeiro), Carpenter (carpinteiro), Weaver (tecelão), Taylor (alfaiate), Cartwright (carpinteiro de carroças), Barber (barbeiro), Farmer (fazendeiro) e Hunter (caçador), Fuller (operador de pisão), Tucker (pregueador), Cooper (tanoeiro) e Horner (artesão de materiais córneos). (NT) 2 Um pequeno poema tradicional que pode ser traduzido, mas perdendo a rima original: “O pequeno Jack Horner / Sentou-se em um canto / Comendo seu bolo de Natal; Enfiou o seu dedão / E tirou uma ameixa, / E disse: “Que bom menino sou eu”. (NT)

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Colheres, pentes e lamparinas eram produtos comuns confeccionados por artesãos de materiais córneos na Inglaterra e na Europa durante a Idade Média. Colheres de chifre eram fortes e leves, não oxidavam, não eram corroídas, nem proporcionavam um sabor desagradável aos alimentos. Pentes de chifres eram flexíveis, lisos, brilhantes e muitas vezes decorativos. Como visto na Figura 1-1, as lamparinas exploravam a qualidade translúcida destes materiais. Elas também podiam ser curvadas sem se quebrar e resistiam a impactos leves.

Nenhum outro material fornecia essa combinação de propriedades. A confecção de objetos úteis a partir de polímeros naturais não começou na Idade Média. Um dos usos mais antigos conhecidos dos materiais córneos data dos tempos dos faraós do Egito. Há cerca de 2.000 anos A.C., antigos artesãos egípcios confeccionavam enfeites e utensílios para os alimentos, amolecendo carapaças de tartaruga em óleo quente. Quando o casco tornava-se suficientemente flexível, era moldado na forma desejada. Eles aparavam todas as sobras grosseiras, raspavam, lixavam e, finalmente, os poliam com pó fino até obter um alto brilho. O antepassado de Little Jack Horner trabalhou de forma semelhante à dos antigos egípcios. Ele amolecia pedaços de chifre de boi fervendo-os em água ou mergulhando-os em soluções alcalinas e os moldava em peças planas. Alguns chifres eram desbastados ao longo das linhas de crescimento, obtendo-se lâminas finas. Quando havia necessidade de peças mais espessas, várias lâminas mais finas eram fundidas. Assim que chegassem à espessura desejada, os pedaços de chifre eram comprimidos em moldes para criar uma forma útil. Algumas vezes, os artesãos tingiam as peças para fazê-las parecerem um caro casco de tartaruga. Dois itens são particularmente importantes para esta história porque utilizam diferentes técnicas: pentes e botões.

Figura 1-1 – Esta lamparina mostra as janelas de material córneo. (Foto das Coleções do Museu Henry Ford e Greenfield Village)

Figura 1-2 – Este pente de casco de tartaruga bem preservado mostra somente um dente quebrado. (Foto das Coleções do Museu Henry Ford e Greenfield Village)

córneos” (ou do inglês, “horner”) – um homem que fazia pequenos itens de chifres, cascos e, ocasionalmente, a partir de carapaças de tartaruga. A reação típica ao trabalho com materiais córneos era de rejeição, por ser estranho, enfadonho ou repugnante. O ofício deste artesão era malcheiroso e, muitas vezes, desagradável. Atualmente, peças feitas com estes materiais só podem ser encontradas em museus voltados para a história dos ofícios. No entanto, esse trabalho não foi sem importância com relação à indústria de plásticos. As propriedades únicas destes materiais estimularam a procura por substitutos. A busca por materiais córneos sintéticos levou à produção dos primeiros plásticos e o início da moderna indústria de plásticos.

Materiais córneos

Capítulo 1 – Introdução histórica aos plásticos

Pentes. Alguns artesãos ingleses de materiais córneos emigraram para as colônias americanas e lá estabeleceram seus pequenos negócios. Em torno de 1760, aqueles que trabalhavam com materiais córneos já estavam bem estabelecidos em Massachusetts. A cidade de Leominster, em Massachusetts, tornou-se um centro de negócios com pentes e assim ganhou o nome de comb city, ou cidade dos pentes. Nas fábricas de pentes, artesãos serravam os chifres em pedaços achatados no tamanho desejado, faziam os dentes utilizando serras finas, suavizavam as arestas, coloriam e poliam os pentes. A última operação era chamada de flexão (ou bending). Uma fôrma de madeira era usada para moldar o pente amolecido, imprimindo-lhe uma curvatura que era mantida após o resfriamento. A Figura 1-2 mostra uma fotografia de um pente feito de casco de tartaruga. Observe que vários dentes estão ligeiramente arqueados. Mesmo nos pentes mais cuidadosamente confeccionados, os dentes finos se quebravam com facilidade. Observe também que o pente é, em geral, uniforme na seção transversal. Normalmente, os pentes não eram estampados em relevo com motivos artísticos, porque cascos e chifres não são materiais que fluem com facilidade. Embora os produtores de pentes, em Massachu setts, desenvolvessem máquinas para mecanizar a produção, não conseguiam estabelecer uma produção estável. Isso não era culpa das máquinas, mas sim do material. Os grampos de fixação e os movimentos de corte exigiam peças de trabalho mais planas e uniformes. Com relação ao tamanho e à flexibilidade, os materiais córneos não eram nem planos nem uniformes. A falta de consistência dimensional, baixa “capacidade de fluxo” e o inerente desperdício provocado pela forma dos materiais córneos levaram os fabricantes de pentes a buscar substitutos. Botões. Os fabricantes de botões de materiais córneos enfrentaram uma série de distintos problemas. Botões achatados eram moldados a partir de pedaços de chifre, recortados em esboços predimensionados e, em seguida, prensados em moldes aquecidos. No entanto, os clientes também queriam botões decorativos como complementos para as roupas finas. Botões de marfim feitos à mão estavam disponíveis há séculos, mas eram caros e de um só tipo. Com a

finalidade de fazer gravações e motivos em relevo, o material de moldagem tinha de fluir facilmente no molde. Para conseguir isso, os artesãos desenvolveram pós de material córneo moído para moldagem. Os botões de material córneo consistiam quase sempre em cascos de vaca moídos e coloridos com uma solução aquosa. O pó desse material era derramado em moldes e comprimido, ou derramado no interior de lâminas. As lâminas eram cortadas em moldes vazados com ferramentas similares aos tradicionais pequenos cortadores de biscoito. Os materiais contidos nestes espaços vazados eram então compactados em um molde para obter superfícies tridimensionais. A Figura 1-3 mostra dois botões de material córneo – um com relevo proeminente. Os botões exigiam, ao contrário, propriedades físicas não fornecidas pelo material. Eles eram muito espessos e fortes, mas sem dentes frágeis. O desejo de obter alternativas veio do trabalho real com os materiais córneos. O trabalho de retirar a massa de tecido e limpar a membrana viscosa do interior do chifre era sujo e acompanhado por fortes odores de chifres fervidos. Quando a goma-laca tornou-se disponível, os artesãos de materiais córneos cuidadosamente avaliaram suas qualidades.

Goma-laca Em torno de 1290, quando Marco Polo retornou à Europa de suas viagens pela Ásia, trouxe a goma-laca. Ele encontrou a goma-laca na Índia, onde as pessoas já a utilizavam a séculos. Eles haviam descoberto as propriedades únicas de um polímero natural proveniente de insetos, e não de chifres de vaca. O polímero é produzido por um pequeno inseto rastejante chamado lac, nativo da Índia e sudeste da

Figura 1-3 – Estes botões negros de material córneo mostram a possibilidade de se criar um relevo tridimensional com componentes de moldagem córneos. (Foto da Coleção de Evelyn Gibbons)

Plásticos industriais: teoria e aplicações

Ásia. A fêmea insere seu ferrão, semelhante a uma tromba em um galho ou pequeno ramo de uma árvore. Ela vive da seiva elaborada da planta hospedeira e exsuda um líquido espesso, que seca lentamente. Quando o depósito de líquido endurecido cresce, o inseto fica imobilizado. Após o macho fertilizar a fêmea, ela aumenta as excreções de suco e é totalmente coberta. No interior deste depósito, ela coloca centenas de ovos e finalmente morre. Quando os ovos eclodem, os insetos jovens comem sua cobertura e saem para repetir o ciclo. A excreção endurecida tem propriedades únicas. Quando limpa, dissolvida em álcool e aplicada a uma superfície, gera um revestimento brilhante, quase transparente. O nome shellac (goma-laca) é descritivo porque vem de shell (do inglês, casco ou cobertura) e de lac. Além de ser usada como camada protetora para móveis e pisos, a goma-laca sólida era moldável. Sob calor e pressão a goma-laca pode fluir nas reentrâncias de moldes intrincados e detalhados. Como a goma-laca pura é fraca e frágil, foram desenvolvidos compostos contendo várias fibras para dar aos objetos moldados um pouco de resistência. Um dos primeiros produtos feitos de goma-laca moldada foi o estojo daguerreótipo,3 mostrado na Figura 1-4. Sua manufatura nos Estados Unidos iniciou-se em 1852.

Figura 1-4 – Este estojo daguerreótipo, moldado em torno de 1855, contém goma-laca e pó de madeira. O detalhe é notável.

Aparelho fotográfico primitivo, inventado por Daguerre. (NT)

Além destes casos, a goma-laca era moldada em botões, teclas e isolantes elétricos. Em torno de 1870, o negócio de moldagem de goma-laca já estava bem estabelecido. Na época em que os discos fonográficos eram feitos de goma-laca, as empresas ganharam um grande impulso. Materiais moldados em goma-laca podiam reproduzir com precisão os intrincados detalhes necessários para a reprodução do som. Peças moldadas em goma-laca mantiveram um nicho na crescente indústria dos plásticos até os anos 1930, quando os plásticos sintéticos finalmente superaram suas qualidades. Vários aspectos indesejáveis contrabalançavam as características desejáveis deste material. A quantidade e a qualidade da safra lac eram afetadas por insetos predadores, chuvas insuficientes, variações de temperatura, ventos quentes e as regiões geográficas da Índia. Na seca, os agricultores colhiam os ramos hospedeiros dos insetos lac vivos e seus ovos. Eles armazenavam a ninhada lac em covas e mantinham os gravetos e ramos molhados com água fria. Caso não fosse dada continuidade a esta tarefa pesada, o resultado seria a morte dos reprodutores lac. Em condições normais, os agricultores coletavam os galhos incrustados de goma-laca após a larva deixar o abrigo. Em seguida, o resíduo endurecido era raspado e limpo. A limpeza não era um processo simples, por causa da areia, sujeira, insetos lac mortos, folhas e fibras de madeira. Mesmo quando a goma-laca estava pronta para ser utilizada como revestimento ou pó de moldagem, os problemas persistiam. O maior era a absorção de umidade. Quando um objeto moldado ou revestimento de goma-laca fica úmido, absorve água. Quando imerso em água por 48 horas, o material absorve até 20% de água e apresenta uma coloração esbranquiçada. Móveis antigos apresentavam manchas de umidade circulares resultante da condensação de água gelada nos recipientes sobre eles depositados. A goma-laca também absorve umidade da atmosfera. Em ambientes com grande umidade, absorve-se água suficiente para esbranquiçar os acabamentos em goma-laca. A absorção de umidade pode provocar fissuras nos objetos moldados. Mesmo formas estáveis, tais como botões, rachavam em razão da absorção de umidade. A cor da goma-laca não era consistente. As cores mais comuns – amarelo e laranja – dependiam do tipo de árvore infestada pelo lac. Para obter goma-laca

Capítulo 1 – Introdução histórica aos plásticos

7 cabos de fios de ferro

18 feixes de 7 em torno do cabo

Cabo Atlântico, 1858

Guta percha

Envoltório de cânhamo curtido

7 cabos de cobre condutor

Figura 1-5 – O primeiro cabo transatlântico tinha um diâmetro global de 0,62 polegada e continha 1 libra de guta percha por todos os 23 pés de cabo. A quantidade de guta percha usada para o cabo inteiro foi acima de 260 toneladas.

branca, alvejantes com cloro eram usados para clarear a cor natural. No entanto, o processo de branqueamento também afetava sua solubilidade em álcool. A goma-laca branqueada frequentemente coalescia em uma goma, uma massa inútil. Outro problema era o envelhecimento. Acabamentos e objetos moldados de goma-laca escureciam com o tempo. A goma-laca velha tornava-se insolúvel em álcool. A goma-laca acabada quando armazenada em latas de aço também absorvia o ferro, o que a tornava cinza ou preta. Estes problemas levaram os fabricantes a buscar alternativas. Novos plásticos começaram a substituir goma-laca durante os anos 1920 e 1930. Em resposta, os produtores de goma-laca tentaram melhorar as suas qualidades. Como a goma-laca continha vários polímeros, eles esperavam separar a fração de interesse por destilação fracionada. No entanto, esse esforço não produziu um material que pudesse resistir à concorrência dos plásticos sintéticos.

Guta-percha A Guta-percha é um polímero natural com propriedades notáveis. É produzida pelas árvores indígenas Palaquium gutta da península malaia. Em 1843, William Montgomerie informou que, na Malásia, a guta-percha era usada para fazer cabos de facas. O material era amolecido em água quente e comprimido manualmente na forma desejada. Seu relatório despertou o interesse no material e levou à formação da Guta Percha Company, que permaneceu ativa até 1930. Esta empresa manufaturava itens moldados. As características da guta-percha são incomuns. Em temperatura ambiente, é um sólido. Pode-se mordê-la, mas não se quebra facilmente. Quando aqueci-

da, pode ser esticada em longas tiras que não vão ricochetear como a borracha. A guta-percha é altamente inerte e resiste à vulcanização. Sua resistência ao ataque químico a torna um excelente isolante para fios e cabos elétricos. Quando longas tiras de guta-percha são enroladas em torno de um fio, o cabo resultante é flexível, impermeável e imune a ataques químicos. O primeiro cabo telegráfico submarino atravessava o Canal Inglês de Dover para Calais. Seu sucesso deveu-se ao isolamento da guta-percha. Nos Estados Unidos, a Morse Telegraph Company instalou um cabo isolado com guta-percha cruzando o rio Hudson, em 1849. A guta-percha também protegeu o primeiro cabo transatlântico instalado em 1866. A Figura 1-5 mostra a utilização da guta-percha no primeiro cabo transatlântico. Assim como outros materiais naturais, a guta-percha era inconsistente. A contaminação criava pontos no isolamento que eram de baixa resistência à eletricidade. Estes pontos eventualmente perdiam a capacidade de isolar, o que levava a um curto-circuito. Apesar desses problemas, ela permaneceu insuperável como isolante até o desenvolvimento de plásticos sintéticos nas décadas de 1920 e 1930. Só então a guta-percha tornou-se menos importante em aplicações elétricas.

Primeiros materiais naturais modificados Era difícil coletar, armazenar ou purificar plásticos naturais. A utilização desses materiais em processos de fabricação era difícil. Qualquer material que tivesse potencial como um substituto para os materiais córneos

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