Polímeros: Estrutura e Propriedades

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MATERIAIS DIELÉTRICOS
POLÍMEROS
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POLÍMEROS
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POLÍMEROS
 Materiais de base orgânica, caracterizados pela repetição encadeada de moléculas de 
uma unidade base;
 Em geral, apresentam:
 Baixa densidade;
 Baixo ponto de fusão;
 Tratamentos específicos os tornam adequados para aplicações elétricas.
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HIDROCARBONETOS
 São os grupos de moléculas mais simples que compõem os polímeros;
 A partir do metano, o hidrocarboneto saturado mais simples, pode chegar, através da 
isomeria, a moléculas maiores;
 As ligações entre átomos são covalentes, resultando em forças intermediárias;
 Quanto maiores as moléculas, maior a sua densidade e propriedades associadas;
 O resultado é a cadeia parafínica.
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HIDROCARBONETOS
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HIDROCARBONETOS
 A adição de outros elementos ou radicais aos hidrocarbonetos básicos geram uma 
série de outros compostos que entrarão na composição dos polímeros;
 Estes elementos alteram propriedades dos hidrocarbonetos, gerando diferentes 
classes de compostos:
 Álcoois;
 Éteres;
 Ácidos;
 Aldeidos;
 Aromáticos.
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MOLÉCULAS POLIMÉRICAS
 São constituídas a partir de repetições de estruturas chamadas 
meros, originárias de uma molécula básica chamada de monômero;
 Homopolímeros e copolímeros;
 O processo de polimerização consiste na quebra de ligações nas 
extremidades do monômero e união entre monômeros através 
destas ligações rompidas.
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MOLÉCULAS POLIMÉRICAS
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MOLÉCULAS POLIMÉRICAS
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EXEMPLOS
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Polietileno (PE)
Plástico comum – É o polímero 
mais simples e barato.
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EXEMPLOS
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Policloreto de vinila (PVC)
Composto de etileno e 
cloro.
EXEMPLOS
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Politetrafluoretileno
(PTFE)
[Teflon]
Baixa aderência e toxidade. 
Elevado ponto de fusão.
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EXEMPLOS
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Polihexametileno
adipamida
[Nylon]
Baixa aderência e toxidade. 
Elevado ponto de fusão.
EXEMPLOS
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Polimetilmetacrilato
(PPMA)
[Acrílico]
“Vidro plástico”
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EXEMPLOS
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Policarbonato
Não inflamável e resistente 
ao impacto.
EXEMPLOS
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ABS
Rigidez, resistência química 
e dureza.
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EXEMPLOS
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Celulose
Polímero da glicose
POLÍMEROS
CARACTERÍSTICAS GERAIS
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PESO MOLECULAR
 O peso molecular de um polímero está relacionado ao tamanho da cadeia polimérica 
formada;
 Entretanto, o processo de formação das cadeias poliméricas não é uniforme, 
resultando em cadeias de tamanhos diversificados;
 O peso molecular está relacionado a uma série de propriedades do polímero, dentre 
as quais, a densidade, a resistência mecânica, a resistência térmica, resistência elétrica e 
a temperatura de fusão;
 O peso molecular pode ser dado através de uma ponderação considerando a 
distribuição dos tamanhos das cadeias moleculares.
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PESO MOLECULAR
Temperatura ambiente
Peso molecular Estado físico
 100 g/mol Líquidos ou gases
 1.000 g/mol Forma pastosa
 10.000 g/mol Sólidos
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PESO MOLECULAR
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𝑴𝒑 =෍𝒑𝒊𝑴𝒊
Mi = Peso molecular médio na i-ésima
faixa;
pi = Fração em peso das moléculas na i-
ésima faixa. 
Pela massa:
GRAU DE POLIMERIZAÇÃO
 Uma forma alternativa de expressar o tamanho da cadeias polimérica pode ser feitas 
através do número médio de meros presentes nas cadeias dos polímeros, através do 
grau de polimerização:
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𝑮𝑷 =
𝑴𝒏
ഥ𝒎
Mn ou Mp = peso molecular médio;
m = peso molecular do mero;
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GRAU DE POLIMERIZAÇÃO
 O grau de polimerização é um indicativo de envelhecimento dos polímeros;
 Via de regra, a degradação de um polímero resulta na quebra das cadeias poliméricas, 
reduzindo a quantidade de meros por cadeia;
 Como resultado, o matéria se torna mais frágil e susceptível à falhas diante de 
esforços elétricos e térmicos.
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GRAU DE POLIMERIZAÇÃO
 Ex: Papel
 Novo: GP ~ 1200;
 Fim da vida útil: GP ~200
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LELELAKIS et al. The effect of acid accumulation in power-transformer oil on the aging 
rate of paper insulation. IEEE Electrical Insulation Magazine. 2014.
Peng, et al. Aging Degradation of Insulation Paper in Power Transformers by 
XRD Method. IEEE International Conference on High Voltage Engineering and 
Application. 2018.
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ESTRUTURA MOLECULAR
 A caracterização de um polímero depende não apenas do seu peso molecular, mas 
também da forma como a polimerização afeta o formato da cadeia;
 O formato, por sua vez, está relacionado à formação de ramos laterais a partir de uma 
cadeia principal e na rotação de meros em função dos ângulos formados entre as 
ligações;
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ESTRUTURA MOLECULAR
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 A grande quantidade de elementos que formam a 
cadeia polimérica permite uma grande quantidade 
de dobras e espiralamentos, resultando em um 
entrelace da cadeia, à semelhança de uma linha 
emaranhada;
 Algumas propriedades dos polímeros estão 
relacionadas à capacidade de rotação dos 
segmentos da cadeia em resposta a um estímulo 
externo;
 A flexibilidade de rotação, por sua vez, depende 
da estrutura química dos meros e do processo de 
polimerização.
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POLÍMEROS LINEARES
 Os meros estão unidos de ponta a ponta formando 
uma única cadeia;
 As cadeias, por sua vez, se unem entre si por meio 
de forças de Van der Waals;
 Ex: HDPE, PVC, Nylon.
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POLÍMEROS DE CADEIA RAMIFICADA
 Como resultado de reações paralelas 
durante a síntese do polímero podem 
surgir ramificações na cadeia principal;
 Polímeros ramificados são menos 
compactos e, consequentemente menos 
densos;
 Exemplo: LDPE
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POLÍMEROS DE CADEIA RAMIFICADA
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POLÍMEROS COM LIGAÇÕES CRUZADAS
 Ligações covalentes unem diferentes 
cadeias ramificadas;
 Esse processo normalmente ocorre com a 
inclusão de aditivos durante o processo de 
síntese do polímero;
 A vulcanização é um exemplo deste 
procedimento.
 Em geral, polímeros com ligações cruzadas 
são mais elásticos.
 Ex: Borrachas
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POLÍMEROS EM REDE
 Se originam de meros trifuncionais, nos quais 
existem três ligações covalente ativas;
 Ou ainda, polímeros com grande quantidade de 
ligações cruzadas;
 Apresentam características térmicas e 
mecânicas diferenciadas;
 Ex: Epóxi e poliuretano.
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TERMOPLASTICIDADE
 Termoplásticos:
 Amolecem com a temperatura, em um processo reversível;
 Polímeros de cadeia linear, ramificada e cruzada;
 Para temperaturas muito elevadas, o processo pode se tornar irreversível.
 Termofixos:
 Mantem-se estáveis com a elevação de temperatura, sendo afetados penas por 
temperaturas muito altas;
 São polímeros em rede: a configuração em rede resiste aos esforços térmicos de vibração 
e rotação;
 Normalmente mais duros, fortes e estáveis.
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 Alguns polímeros apresentam a 
capacidade de se organizar em estruturas 
tridimensionais ordenadas e repetitivas, a 
exemplo das estruturas cristalinas;
 Neste caso, ao se tratar de moléculas em 
vez de átomos, o arranjo cristalino é mais 
complexo e se trata do empacotamento 
de cadeias moleculares.
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 Por serem estruturas moleculares de grandes dimensões, as 
regiões cristalinas nos polímeros são limitadas;
 Normalmente encontram-se pequenas regiões cristalinas, 
imersas em regiões de estrutura amorfa;
 Qualquer desordem ou falta de alinhamento na cadeia 
produz uma estrutura amorfa;
 Formam-se materiais parcialmente cristalinos;
 Como resultado, chegam-se polímeros totalmente amorfos 
ou até 95% cristalinos.
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 Cristalitos ou micélios:
 Placas delgadas de formato regular, formando 
estruturas de múltiplas camadas, nas quais a cadeia 
molecular se dobra sobre ela mesma a partir das 
faces.
 A este modelo dá-se o nome de modelo de cadeia 
dobrada.
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 Esferulites:
 Agregado de cristalitosque se estendem 
radialmente do centro para fora;
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 A cristalização depende do processo de resfriamento do polímero e da 
complexidade das cadeias e meros que as formam;
 Via de regra, é favorecida nos polímeros quimicamente simples (ex: polietileno) e 
dificultada nos polímeros com meros complexos (ex: poliisopreno).
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CRISTALINIDADE NOS POLÍMEROS
 Em função do maior fator de empacotamento das estruturas cristalinas, polímeros 
semicristalinos são normalmente mais densos;
 O grau de cristalinidade de um polímero pode ser obtido em função do peso 
molecular, a partir de medições de densidade do material:
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%𝐜𝐫𝐢𝐬𝐭𝐚𝐥. =
𝝆𝒄 𝝆𝒆 − 𝝆𝒂
𝝆𝒆 𝝆𝒄 − 𝝆𝒂
× 𝟏𝟎𝟎
e= densidade do espécime sob análise;
a= densidade do polímero totalmente amorfo;
c= densidade do polímero perfeitamente 
cristalino.
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EXEMPLO
 O polietileno, quando totalmente cristalino, apresenta uma massa específica de 0,998 g/cm³. Quando totalmente 
amorfo, sua densidade cai para 0,870 g/cm³.
 Considerando os dados anteriores, calcule a porcentagem de cristalinidade de um polietileno ramificado que 
apresenta massa específica de 0,925 g/cm³.
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%𝐜𝐫𝐢𝐬𝐭𝐚𝐥. =
𝝆𝒄 𝝆𝒆 − 𝝆𝒂
𝝆𝒆 𝝆𝒄 − 𝝆𝒂
× 𝟏𝟎𝟎
%𝐜𝐫𝐢𝐬𝐭𝐚𝐥.=
𝟎, 𝟗𝟗𝟖 𝟎, 𝟗𝟐𝟓 − 𝟎, 𝟖𝟕𝟎
𝟎, 𝟗𝟐𝟓 𝟎, 𝟗𝟗𝟖 − 𝟎, 𝟖𝟕𝟎
× 𝟏𝟎𝟎
%𝐜𝐫𝐢𝐬𝐭𝐚𝐥. = 𝟒𝟔, 𝟑 %
CRISTALIZAÇÃO
 O processo de cristalização 
envolve tratamento à 
temperatura controlada 
para estimular o 
crescimento dos grãos;
 Polímeros ficam mais duros 
e termicamente mais 
estáveis.
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DEFEITOS
 Os principais defeitos 
estruturais nos polímeros 
estão relacionados à falhas nas 
regiões cristalinas;
 Incluem vacâncias, impurezas, 
falhas da cadeia e regiões de 
fronteira.
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DIFUSÃO
 Características importantes a serem discutidas à respeito de polímeros são a 
permeabilidade e difusão;
 Estas características dizem respeito á capacidade do material de absorver substâncias 
estranhas à estrutura do material e deixar com que estas substâncias se propagem 
através das cadeias poliméricas;
 Tais fenômenos podem levar ao inchaço e degradação das cadeias, alterando 
significativamente às características do material.
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DIFUSÃO
 Alguns fatores que afetam a difusão no 
interior do material são:
 Estrutura interna;
 Tamanho das partículas;
 Isto considerando que o processo de difusão 
ocorre de maneira semelhante à difusão 
intersticial nos metais.
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Regiões amorfas são mais 
propensas à difusão do que 
regiões cristalinas.
Quanto menores as 
partículas que compõem a 
substância estranha, mais 
fácil será a difusão.
DIFUSÃO
Material
Coeficiente de permeabilidade [10-13
cm2/sPa]
O2 N2 CO2 H2O
Polietileno de baixa 
densidade
PE 2,2 0,73 9,5 68
Polietileno de alta densidade PEAD 0,3 0,11 0,27 9,0
Polipropileno PP 1,2 0,22 5,4 38
Cloreto de polivinila PVC 0,034 0,0089 0,012 206
Poliestireno PS 2,0 0,59 7,9 840
Polietileno tereftalato PET 0,044 0,011 0,23 130
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HIDROFOBICIDADE
 Está relacionada à capacidade que o material apresenta de repelir água em sua 
superfície;
 Está diretamente relacionada à rugosidade e a difusão do material;
 Materiais como o silicone, quando novos são altamente hidrofóbicos, ao envelhecer, se 
tornam hidrófilos.
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A HIDROFOBICIDADE
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HIDROFOBICIDADE – ÂNGULO DE CONTAT0
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HIDROFOBICIDADE – ÂNGULO DE CONTATO
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Silicone
θ θ
EPDM
Silicone
HTV
120
118
120
EPR
22
22
20
EPDM
65
60
62
ELASTICIDADE
 A deformação de polímeros sob efeito 
de tensões mecânicas é altamente 
sensível à influências externas, associadas 
ao ambiente;
 Via de regra, observam-se três 
comportamentos distintos, 
considerando:
 Polímeros frágeis;
 Polímeros plásticos;
 Elastômeros.
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DEFORMAÇÃO MACROSCÓPICA
 Na curva de deformação mostrada 
anteriormente para materiais 
elásticos, observa-se um 
comportamento distinto quando 
atinge-se o limite de escoamento;
 Este comportamento se deve ao 
realinhamento das cadeias 
poliméricas, reiniciando o processo 
de deformação sob novas 
condições estruturais.
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DEFORMAÇÃO - SEMICRISTALINOS
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Antes da tração
Elongação da região amorfa
Aumento da espessura dos micélios
Inclinação dos micélios
Quebra de blocos cristalinos
Orientação na direção da tensão
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DEFORMAÇÃO NOS ELASTÔMEROS
 Capacidade de sofrer extensas deformações e contrair-se a sua forma original.
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DEFORMAÇÃO NOS ELASTÔMEROS
 Alguns processos, como a 
vulcanização, alteram propriedades 
de elasticidade, deixando os 
elastômeros mais resistentes à 
tração e menos susceptíveis à 
deformação;
 A vulcanização um processo térmico 
com aditivos, gerando cadeias 
cruzadas nos polímeros.
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FRATURA
 Polímeros em geral apresentam baixas resistências à fraturas;
 O processo de fratura depende das características dos polímeros;
 Nos termofixos, por exemplo, o processo de fratura é frágil;
 Ocorre a formação de microtrincas nas quais o efeito da tração mecânica é 
amplificado, causando o aumento e propagação da trinca e, consequentemente, a 
fratura do material;
 A formação das microtrincas está associada à ruptura das ligações cruzadas nas 
cadeias poliméricas.
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FRATURA
 Nos termoplásticos, o processo pode ser frágil ou dúctil, podendo acontecer uma 
transição entre os dois processos;
 Estes processos de fratura estão associados à características tais como:
 Temperatura;
 Espessura da amostra;
 Taxa de deformação.
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FRATURA
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OUTRAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
 Resistência ao impacto:
 Depende das 
características dos 
polímeros e temperatura;
 Fadiga:
 Também experimentam 
fadiga quando submetidos 
à ciclos de carga 
repetitivos;
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POLÍMEROS E SUAS APLICAÇÕES
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FABRICAÇÃO
 Prensagem;
 Injeção;
 Extrusão.
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FABRICAÇÃO – MATÉRIA PRIMA
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FABRICAÇÃO – FALHAS
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PLÁSTICOS
 Polímeros mais comuns, encontram ampla aplicação nas mais diversas áreas da 
engenharia e do cotidiano;
 Para aplicações eletrotécnicas, uma série de aditivos costuma ser utilizado a fim de 
melhorar características térmicas, mecânicas, elétricas e ambientais.
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Termoplásticos Características principais Usos
Acrílicos Elevada transmissão óptica e 
resistente à adversidades ambientais. 
Características mecânicas medianas.
Lentes.
Fluorcarbonos
(Teflon)
Quimicamente inerte, excelente 
isolante elétrico, estável até cerca de 
260 °C, baixo coeficiente de atrito.
Componentes de circuitos eletrônicos, 
peças estruturais de equipamentos 
elétricos.
Poliamidas
(Nylon)
Boa resistência mecânica, baixo 
coeficiente de atrito, bom isolante 
elétrico. Absorve água.
Revestimento de fios e cabos.
Policarbonatos Resistente à impacto, boa 
transmissão óptica, 
dimensionalmente estável, resistente 
quimicamente.
Lentes, janelas de inspeção.
Polietileno Bom isolante elétrico, resistente 
quimicamente, dureza, baixa 
resistência à umidade.
Componentes de baterias, isolamento 
de cabos, isoladores.
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Termoplásticos Características principais Usos
Polipropileno Resistente ao calor e à fadiga, 
excelentes propriedades elétricas, 
quimicamente inerte, custo 
relativamente baixo, pouca 
resistência à UV.
Bagagem, garrafas, caixas de TV.
Poliestireno Excelentes propriedades elétricas, 
estabilidade térmica e dimensional, 
baixo custo.
Carcaças de baterias e 
eletrodomésticos.
Vinil Baixo custo, amplas aplicações, 
naturalmente duro mas susceptível 
a elasticidade, susceptível a 
distorção térmica.
Isolamento de condutores.
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Termofixos Características principais Usos
Epóxi Boas propriedades mecânicas, boa 
adesão, resistente à corrosão, boaspropriedades elétricas.
Moldes elétricos, coberturas de proteção.
Fenolite
(Baquelite)
Excelente estabilidade térmica, 
baixo custo, fácil composição com 
resinas e fibras. 
Placas de circuito, carcaças de 
equipamentos elétricos.
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ELASTÔMEROS
 Caracterizados por sua capacidade de deformação e recuperação;
 Também encontram amplas aplicações em diversas áreas;
 Dependendo do grau de vulcanização e aditivos, são capazes de resistir a 
temperaturas de até 600 °C.
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Elastômeros Características principais Usos
Poliisopreno
(Borracha)
Boa resistência ao corte, abrasão.
Boas propriedades elétricas. Baixa 
resistência a ozônio e óleos.
Acessórios em equipamentos.
Etileno 
propileno
(EPR)
Boa resistência ao calor, UV, ozônio 
e agentes químicos. Boas 
propriedades elétricas.
Fios e cabos. 
Cloropreno
(Neoprene)
Excelentes resistências ao ozônio,
calor e condições ambientais. 
Resistência à chamas. Propriedades 
elétricas inferiores às da borracha.
Fios e cabos. Acessórios em equipamentos.
Polissiloxano
(Silicone)
Excelente resistência à 
temperaturas altas e baixas. 
Excelentes propriedades elétricas. 
Baixa resistência ácida.
Isolação em altas e baixas temperaturas.
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FIBRAS
 Ampla aplicação em vestuário ou em compósitos;
 Uso como material isolante:
 Celulose: Polímero da glicose
 A celulose é a base do papel kraft, usado como isolante 
impregnado em transformadores e cabos.
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MATERIAIS AVANÇADOS
 Polietilenos de alta e ultra alta densidade:
 Melhoria das caraterísticas elétricas, químicas e térmicas.
 Cristais líquidos:
 Cristais líquidos apresentam ampla aplicação em uma elevada gama de equipamentos 
eletrônicos;
 Fogem da caracterização convencional de materiais líquidos e sólidos
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ADITIVOS
 Utilizados como forma de melhorar características dos polímeros;
 Principais aditivos de interesse eletrotécnico:
 Plastificantes: Melhoram a flexibilidade do polímero;
 PVC, óleos.
 Estabilizantes: Evitam a deterioração frente à condições adversas. Exemplos: oxidação e UV.
 Negro de fumo, derivados de benzeno;
 Corantes;
 Anti-chamas: retardam a ignição dos materiais.
 Trióxido de antimônio, hidróxido de alumínio, parafina clorada.
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PROBLEMAS PRÁTICOS
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PROBLEMAS PRÁTICOS
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PROBLEMAS PRÁTICOS
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40
PROBLEMAS PRÁTICOS
84
PROBLEMAS PRÁTICOS
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FIBRAS
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FIBRAS
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42
88
FIBRAS
PROBLEMAS PRÁTICOS
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
92
PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
 Solução:
 Aditivos anti UV;
 Aditivos plastificantes.
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
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Ensaio de corrente de 
curto-circuito em para-
raios:
Corrente: 3 kA
Filmagem: 25 fps
Local: CEPEL
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Ensaio de corrente de 
curto-circuito em para-
raios
Corrente: 3 kA
Filmagem: 500 fps
Local: CEPEL
PROBLEMAS PRÁTICOS
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PROBLEMAS PRÁTICOS – DESENVOLVIMENTO DE INVÓLUCRO
 Solução:
 Aditivos plastificantes;
 Aditivos anti-chamas.
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