Estudo do efeito da temperatura e a taxa de deformação nas propriedades mecânicas do poli(fluoreto de vinilideno - triflúor etileno), P(VDF-TrFE)

Abstract

O Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e os copolímeros de Poli(fluoreto de vinilideno) com Trifluoretileno (P(VDF-TrFE)) são conhecidos pelas suas propriedades electroactivas. Estas propriedades encontraram várias aplicações, especialmente como sensores e actuadores. Um problema crucial destes polímeros é a interdependência entre as propriedades mecânicas e eléctricas e a relação destas com a microestrutura do material. A distribuição de espessuras das lamelas, uma microestrutura que possui duas fases e a orientação das cadeias nas regiões amorfa e cristalina, são características que influenciam a resposta eléctrica e mecânica do material. Neste trabalho, utilizou-se técnicas mecânicas, com o intuito de correlacionar a resposta mecânica com as variações na microestrutura do material. Assim, os resultados de tensão – deformação ao longo das duas direcções principais do P(VDF-TrFE) 75/25 (%mol) permite investigar o comportamento do Módulo de Young, Tensão de Cedência, Volume de Activação, Dureza, etc.. O P(VDF-TrFE) revelou possuir um comportamento anisotrópico, observou-se uma diminuição do Módulo de Young com o aumento da temperatura, diminuindo também para velocidades de ensaio mais elevadas. O Volume de Activação relativo ao processo de cedência tem valores aproximados de 2.11nm3 para a direcção longitudinal e 6.14 nm3 para a transversal. A análise das experiências de tensão – relaxação permite estudar a influência relativa das diferentes regiões (cristalina, amorfa e interface) do material nas propriedades mecânicas. Antes do ponto de cedência o tempo de relaxação diminui com o aumento da deformação nas duas direcções de medida, com excepção da direcção transversal para a temperatura ambiente. O grau de cooperatividade diminui com a deformação à temperatura ambiente, aumentando para a temperatura de 60ºC. O Volume de Activação aparente para o processo de relaxação para deformações pequenas à temperatura ambiente é da ordem de 101 nm3. Para a Temperatura de 60ºC o volume de activação é da ordem das unidades. À temperatura ambiente a viscosidade do material aumenta com a deformação, diminuindo para temperatura de 60ºC. A Energia de Activação do processo de relaxação é da mesma ordem de grandeza para as duas direcções de ensaio, aproximadamente 104 Jmol-1.

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and the copolymers of (vinylidene fluoride) (VDF) with Trifluorethylene (TrFE) are known for their electroactive properties. These properties offer a broad range of applications, especially as sensors and actuators. One crucial problem of these polymers is the interdependence between their mechanical and electrical properties to their microstructure. The distribution of lamina thickness, the two–phase structure and the orientation of the chains in the crystalline and amorphous regions are all features that deeply influence the electrical and mechanical response of the material. In this work, mechanical experimental techniques have been applied in order to relate the mechanical response to microscopic variations in the material. Stress–strain experiments along the main directions of PVDF-TrFE 75/25 (%mol) enabled the behaviour of the Young’s Modulus, Yield Point, Activation Volume, Hardness, etc. to be investigated. P(VDF-TrFE) was revealed to possess an anisotropic behaviour, a decrease of the Young’s modulus was observed with increasing temperature. At high rates, the Young’s modulus was also inversely proportional to the strain rate. The Activation Volume of the Yielding was approximately 2.11nm3 for the longitudinal direction and 6.14nm3 for the transverse direction. Analysis of the stress-relaxation experiments allowed the relative influence of the different regions (crystalline, amorphous and interface) to be studied and related to the materials mechanical properties. Before the Yield Point the relaxation time decreases with increasing deformation, along the two measured directions, with the exception of the transverse direction at room temperature. The degree of cooperativity decreases with deformation at room temperature and increases for the temperature of 60ºC. The apparent Activation Volume for the relaxation process for small deformations at room temperature is of the order of 101 nm3. At 60ºC the Activation Volume is of the order of units nm3. At room temperature the viscosity of the material increases with the deformation and decreases for the temperature of 60ºC. The Activation Energy of the relaxation process is of the same order of magnitude for the two measured directions, approximately 104 Jmol-1.