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Os materiais que são processados num estado líquido agregado necessitam geralmente de um determinado período de tempo para endurecer. Durante este tempo, ocorrem processos químicos e físicos que levam à solidificação do material. Estes processos estão associados à libertação ou absorção de calor.
Ao registar as quantidades de calor correspondentes como parte de uma dinâmica calorimetria de varrimento diferencial (Calorimetria Exploratória Diferencial, abreviadamente DSC), o curso dos processos pode ser observado em função das condições ambientais definidas. Os resultados fornecem informações sobre as condições óptimas de cura e permitem tirar conclusões sobre os parâmetros de qualidade do material analisado.
Cura de termoendurecíveis e elastómeros
Os termoendurecíveis e os elastómeros são plásticos que obtêm a sua resistência final através da ligação cruzada de macromoléculas. Durante este processo, são formadas ligações químicas em grupos reactivos.
As reacções começam com o aumento da temperatura e a adição de substâncias (endurecedores) que formam uma ponte entre os grupos reactivos.
Os durómeros formam uma rede espacial de malha apertada. Isto confere-lhes uma elevada resistência. A rede de elastómeros é de malha larga. As suas macromoléculas em forma de bola podem ser separadas e voltar ao seu estado original após a remoção da força de tração. Após a reticulação completa, os plásticos ficam dimensionalmente estáveis. Este processo é conhecido como cura.
Exemplos de termoplásticos amorfos:
Exemplos de termoplásticos semi-cristalinos:
Exemplos de termoendurecíveis:
Exemplos de elastómeros:
Um plástico passa por diferentes fases durante o processo de cura. O material de partida encontra-se normalmente sob a forma de uma solução líquida. Isto significa que as macromoléculas estão finamente dispersas num solvente. A uma temperatura mínima que depende do sistema polimérico, as reacções de reticulação começam na solução, dando origem a um gel. O gel é constituído pelos componentes reticulados, agora insolúveis, e os espaços entre eles contêm solvente. A mistura de sol e gel é inicialmente elástica como borracha.
Nos sistemas termoendurecíveis, atinge um estado vítreo com o aumento das ligações cruzadas. A cura progride até ao grau máximo de cura, altura em que o sol se transforma completamente em gel.
Nos sistemas de elastómeros, o gel mantém o seu estado elástico de borracha após a reticulação completa. Finalmente, o respetivo comportamento é decisivamente influenciado pela temperatura de transição vítrea do sistema polimérico.
Para os termoendurecíveis, é superior à temperatura de cura; para os elastómeros, é inferior. Acima da temperatura de transição vítrea, o polímero é macio e as moléculas são móveis; abaixo desta temperatura, o material tende a ser sólido e quebradiço.
O grau de cura
O tempo de cura depende das propriedades do material do sistema de polímeros e da temperatura.
Não ocorre nenhuma ligação cruzada significativa abaixo de um limite de temperatura dependente do sistema. Embora o sol se torne sólido num período de tempo mais longo, pode ser novamente liquefeito através da aplicação de calor.
Acima deste limite de temperatura, as reacções de reticulação começam após um determinado “tempo de repouso”. O “tempo de repouso” é reduzido e a taxa de reação aumenta com o aumento da temperatura.
A reação de reticulação é irreversível. O tempo de processamento da mistura inicial depende do tempo de repouso. Este período é conhecido como “pot life”. Pode ser prolongado através da adição de inibidores e encurtado através da adição de catalisadores.
A velocidade da reação determina o tempo que o sistema de polímero necessita para curar completamente. Este tempo também pode ser controlado através da adição de inibidores ou catalisadores. No entanto, a temperatura a que ocorre a reticulação tem uma influência significativa. O grau de cura descreve o progresso da reticulação. É a percentagem da mistura que já foi reticulada. O grau máximo de cura é atingido quando todo o sol se converteu num gel .
A entalpia de reação
A reação de reticulação é exotérmica, ou seja, envolve a libertação de calor. Como os processos ocorrem a pressão constante, apenas pode ser determinada a proporção de calor que não é consumida pelas alterações de volume relacionadas com o calor. Esta proporção é a entalpia de reação. Pode ser determinada por análise térmica para a reação totalmente concluída.
A calorimetria diferencial de varrimento (DSC ) pode ser utilizada para determinar a quantidade de calor libertado por unidade de tempo. Este valor corresponde à taxa de reação. A quantidade de calor libertada até um determinado ponto no tempo, pode ser definido em relação à entalpia de reação. Esta relação é igual ao grau de cura.
Os valores obtidos permitem determinar a temperatura óptima de cura e o grau de cura das amostras, determinar a proporção adequada de mistura de sol e endurecedor e avaliar a eficácia dos inibidores e catalisadores.
