Temperatura e Polímeros

Agora que temos uma melhor compreensão da estrutura do material, vamos nos aprofundar em suas propriedades térmicas para entender seu comportamento em função da temperatura. Para isso, primeiro precisamos definir o teste que revelará as propriedades térmicas de um polímero: DSC.

Definição de DSC

Calorimetria diferencial de varredura (DSC) é um tipo de análise térmica na qual uma amostra é colocada dentro de uma câmara e a quantidade de calor necessária para aumentar continuamente a temperatura interna da câmara é medida. Essa forma de análise é projetada para identificar as temperaturas nas quais a amostra sofre certas transições de estado, por exemplo, transição vítrea, cristalização e fusão, documentando como um polímero reage ao aumento gradual de calor por meio de seu nível de absorção e liberação de energia.

DSC

Temperatura de transição vítrea (Tg)

A temperatura de transição vítrea pode ser encontrada em todos os polímeros; refere-se à temperatura na qual o estado físico de um polímero transita de vítreo (duro e quebradiço) para borrachoso (macio e flexível). O Tg é geralmente usado para destacar a maior temperatura de trabalho de um polímero amorfo.

Temperatura de cristalização (Tc)

A cristalização ocorre entre Tg e Tm (temperatura de fusão). É o processo de alinhamento das moléculas do polímero para formar cristais. A temperatura de cristalização é o ponto em que os polímeros cristalizam na velocidade mais alta.

Temperatura de fusão (Tm)

A temperatura de fusão é o ponto no qual os domínios cristalinos de um polímero semi-cristalino começam a derreter/deformar. Polímeros amorfos não têm uma temperatura de fusão definida.

Temperatura de decomposição (Td)

A temperatura de decomposição é a temperatura na qual um material começa a se deteriorar, significando que a espinha dorsal do polímero começa a se degradar.

Observações sobre o gráfico e definições acima

Uma maneira simples de entender é que o calor (energia) injetado na câmara será usado para aumentar a temperatura interna; no entanto, se a amostra (polímero) dentro da câmara absorver alguma energia térmica para realinhamento estrutural, será necessário injetar mais calor para aumentar continuamente a temperatura a uma taxa constante.

Referindo-se ao gráfico abaixo, no início uma quantidade constante de calor é aplicada ao sistema para aumentar a temperatura a uma certa taxa. Em Tg (temperatura de transição vítrea), podemos notar que é necessário mais calor para aumentar a temperatura nessa mesma taxa; isso ocorre porque a amostra absorverá alguma energia térmica para romper suas ligações não covalentes e permitir que os polímeros se movam mais livremente (resultando no amolecimento do material).

Após essa transição de fase, a amostra terá maior capacidade térmica, então o sistema ainda exigirá uma quantidade constante de calor para aumentar a temperatura do sistema na mesma taxa, mas essa quantidade será maior do que antes do Tg. A energia continuamente absorvida pela amostra fará com que a microestrutura do polímero se mova cada vez mais livremente (as excite). Em Tc (temperatura de cristalização), as cadeias poliméricas da amostra terão movimento livre suficiente para formar cristais. A amostra então liberará energia (calor), o que significa que precisamos injetar menos calor no sistema para aumentar sua temperatura.

A razão é que a estrutura cristalina (uma estrutura mais ordenada) está se formando a partir de uma estrutura mais desordenada, o que requer menos energia, daí a liberação do excesso de energia. Uma vez formados os cristais, não será mais liberada energia da amostra para o sistema. No entanto, logo após a formação dos cristais, em Tm (temperatura de fusão), as cadeias poliméricas continuarão ganhando energia (movimento), o que as excit[a] excessivamente e fará com que quebrem a estrutura cristalina, absorvendo assim energia do sistema, exigindo portanto injetar mais energia no sistema para continuar aumentando a temperatura a uma taxa constante. Após a ruptura de todos os cristais, a amostra não exigirá energia adicional do sistema. Isso explica os dois picos opostos em Tc e Tm. Em Td (temperatura de decomposição), a amostra começará a se decompor, o que significa que ligações covalentes começarão a ser quebradas, a amostra perderá sua capacidade térmica e, portanto, será necessário menos calor para aumentar a temperatura do sistema.

Agora que as transições térmicas e o comportamento dos polímeros em função da temperatura estão mais bem compreendidos, podemos usar esse conhecimento para explicar alguns dos fenômenos da impressão 3D: