Dois corpos de prova, um de polietileno de alta densidade (PEAD) - um polimero semicristalino - e outro de poliestireno
- um polimero amorfo - são submetidos ao mesmo ensaio de tração sob temperatura ambiente
.
Abaixo estão os dados extraidos do ensaio:
Propriedade
PEAD (semicristalino)
PS (amorfo)
Módulo de elasticidade (MPa)
1000
3200
Tensão máxima (MPa)
25
50
Alongamento na ruptura (%)
600
3
Comportamento visual na ruptura
Alta deformaçāo plástica
Fratura frágil
Qual dos dois materiais é mais suscetivel à fratura frágil e por que isso ocorre em nivel molecular?
| Propriedade | PEAD (semicristalino) | PS (amorfo) |
| Módulo de elasticidade (MPa) | 1000 | 3200 |
| Tensão máxima (MPa) | 25 | 50 |
| Alongamento na ruptura (%) | 600 | 3 |
| Comportamento visual na ruptura | Alta deformaçāo plástica | Fratura frágil |
Passo 1
O enunciado pergunta qual dos dois materiais é mais suscetível à fratura frágil e por que isso ocorre em nível molecular. Dados fornecidos na tabela (peguei os valores da tabela do enunciado):
- Para o PEAD (polietileno de alta densidade, semicristalino): módulo de elasticidade
MPa, tensão máxima MPa, alongamento na ruptura , comportamento na ruptura: alta deformação plástica. - Para o PS (poliestireno, amorfo): módulo de elasticidade
MPa, tensão máxima MPa, alongamento na ruptura , comportamento na ruptura: fratura frágil.
Objetivo: explicar, passo a passo e em nível molecular, por que um dos materiais apresenta maior suscetibilidade à fratura frágil.
Passo 2
O que é fratura frágil, de forma prática (macroscópica)?
- Fratura frágil significa que o material se rompe com pouca deformação plástica prévia: ele não “puxa” nem “esticа” muito antes de partir.
- Indicadores simples nos ensaios: baixo alongamento na ruptura (pequeno
de strain) e ausência de deformação plástica visível (sem necking, sem fibrilação).
Logo, olhando só para os dados de alongamento:(PEAD) versus (PS), o PS claramente mostra comportamento frágil. Mas vamos entender por quê, em nível molecular.
Passo 3
Conceitos mecânicos úteis (rápido e didático):
- Tensão (stress):
, força por área. - Deformação (strain):
, alongamento relativo. - Módulo de elasticidade
: é a “rigidez” elástica inicial, definido pela inclinação da curva tensão-deformação na região linear: (região elástica).
Interpretação prática dos números: maior→ material mais rígido; maior alongamento na ruptura → material mais dúctil. No enunciado, PS tem MPa (mais rígido) e alongamento (muito pequeno) — sinal clássico de material frágil.
Passo 4
Comparando os dados e tirando a conclusão macroscópica:
- PEAD:
MPa (menos rígido), tensão máxima MPa, alongamento → grande capacidade de deformação plástica, dissipa muita energia antes de romper. - PS:
MPa (mais rígido), tensão máxima MPa, alongamento → resistente até certo ponto, mas praticamente não se deforma antes de romper.
Conclusão preliminar (macroscópica): o PS é o que apresenta maior suscetibilidade à fratura frágil.
Passo 5
Agora o porquê em nível molecular — diferenças estruturais essenciais: semicristalino versus amorfo.
- Estrutura do PEAD (semicristalino): nanodomínios cristalinos (lamelas) embutidos numa matriz amorfa. Nas regiões cristalinas as cadeias estão ordenadas; nas amorfas as cadeias estão desordenadas e mais móveis. Existem “tie molecules” (cadeias que ligam cristais) e zonas amorfas que permitem deslizamento e alongamento das cadeias entre cristais. Quando tracionamos, mecanismos que atuam: deslizamento entre lamelas, desenovelamento e alinhamento das cadeias, formação de fibrilas e eventual puxamento das cadeias — tudo isso permite grandes deformações e dissipação de energia.
- Estrutura do PS (amorphous, com grupos fenil na cadeia): as cadeias são desordenadas (sem cristais), mas possuem grupos laterais volumosos (anel fenil) que tornam a cadeia muito rígida. Além disso, o estado físico relativo à temperatura de transição vítrea é crítico (veja próximo passo).
Passo 6
Importância da temperatura relativa ao
(transição vítrea):
- O poli(estireno) tem
. Isso significa que abaixo de aproximadamente as cadeias segmentares têm mobilidade muito reduzida: o material está no estado “vítreo” (rígido e frágil). - O PEAD tem
muito baixo, tipicamente , e um ponto de fusão cristalino bem acima de . Assim, a o PEAD está bem acima do seu (portanto a matriz amorfa tem mobilidade razoável) e ainda apresenta cristalinidade que contribui para resistência, mas possibilita mecanismos plásticos.
Como o ensaio foi feito a(peguei isso do enunciado), concluímos: o PS está no estado vítreo (cadeias praticamente “congeladas” em nível molecular) enquanto o PEAD tem regiões amorfas com mobilidade suficiente para permitir deformação plástica.
Passo 7
Mecanismos de fratura diferentes (comparação direta):
- Em polímeros vítreos e rígidos como o PS a
: a mobilidade de segmentos é limitada, a fratura ocorre por propagação rápida de trincas; podem formar-se “crazes” (microrregiões com fibrilas) mas elas não se espalham para permitir grande deformação — a energia é pouco dissipada e o crack cresce rápido → fratura frágil. Além disso, os grupos fenil tornam as cadeias menos flexíveis, favorecendo a rigidez. - Em polímeros semicristalinos como PEAD: deformação por “shear yielding”, desenrolamento de cadeias, escorregamento entre lamelas, formação de fibrilas extensas — todos mecanismos que dissipam energia e retardam a propagação de trincas, resultando em grande ductilidade e baixa suscetibilidade à fratura frágil.
Passo 8
Resumo operacional para prova (como identificar rápido com os dados):
- Verifique o alongamento na ruptura: se for muito baixo (alguns %), suspeite de fratura frágil.
- Verifique o módulo: módulo alto com alongamento baixo reforça hipótese de comportamento vítreo/frágil.
- Pergunte mentalmente sobre
: se a temperatura do ensaio está abaixo do do polímero amorfo, espere comportamento frágil.
Aplicando isso ao enunciado: PS —MPa e alongamento à (bem abaixo do seu ) → fratura frágil; PEAD — alta ductilidade → não frágil.
Resposta
Poliestireno (PS) — porque é amorfo e, a
, está no estado vítreo (
), com mobilidade de cadeia muito limitada e presença de grupos fenil que tornam a cadeia rígida; isso impede deformação plástica significativa (alongamento
) e favorece propagação rápida de trincas (fratura frágil), enquanto o PEAD (semicristalino,
) tem regiões amorfas móveis e ligações entre cristais que permitem grande deformação plástica (
) e dissipação de energia.