Caracterização das propriedades de memória de forma de um poliuretano: influência de parâmetros críticos

Abstract

Os polímeros com memória de forma (SMP) são uma classe de materiais inteligentes, capazes de armazenar uma forma deformada temporária e, posteriormente, recuperar a forma original memorizada após a exposição a um estímulo externo, como a temperatura. O baixo preço, baixa densidade e fácil processabilidade tornam os SMP nos materiais com memória de forma mais atraentes e permitem o uso numa vasta gama de potencias aplicações. O efeito memória de forma pode, também, ser usado para gerar tensão, quando os SMP são impedidos de recuperar fisicamente a deformação mecânica. Através da recuperação restringida, ou deformação fixa, é possível medir a tensão gerada. Este é o tipo de recuperação estudada nesta tese. O objetivo principal é estudar a influência dos parâmetros críticos e quantificar a tensão gerada de um poliuretano termoplástico amorfo com memória de forma, comercialmente denominado TECOFLEX ®. Para isto, foi desenvolvida uma metodologia usando uma máquina de tração equipada com uma câmara ambiental. A recuperação restringida em modo isotérmico foi analisada. Durante a programação da forma temporária foi estudado o efeito da temperatura e extensão da deformação. Na etapa de recuperação foi estudado o efeito da temperatura de recuperação. Para além disso, a influência do método de fabrico entre amostras produzidas através moldação por compressão e impressão 3D também foi investigada. As temperaturas selecionadas encontram-se na vizinhança do 𝑇𝑔 do material. Na fase de programação verificou-se que a temperatura de programação tem um efeito crucial no comportamento da tensão de recuperação. A tensão de recuperação máxima diminui com o aumento da temperatura de programação. No entanto, a percentagem de tensão convertida aumenta com o aumento da temperatura de programação. A deformação tem um efeito menos pronunciado do que a temperatura de programação, no entanto, é possível aumentar a tensão de recuperação máxima com o aumento da deformação. Quando o SMP foi testado com diferentes temperaturas de recuperação o perfil das curvas obtido é distinto. A tensão de recuperação máxima foi maior e o tempo de ativação foi menor quando a temperatura de recuperação estava acima de 𝑇𝑔. A comparação entre os métodos de fabrico mostra uma deterioração de 25% da tensão de recuperação máxima nas amostras impressas, mas a percentagem de tensão convertida demonstrou ser constante. Esse facto torna os SMP materiais adequados para impressão 3D, sem perda significativa do seu desempenho como SMP.

Shape memory polymers (SMP) are a class of smart materials, capable to store a temporary deformed shape and subsequently recover a permanent/original shape upon exposure to external stimuli, such as temperature. The low price, low density and easy processability make SMP the most attractive shape memory materials and enable the use in a myriad of potential and practical applications. The shape memory effect may be also used to generate stress when SMP are locked to physically recover. Through constrained or fixed-strain recovery it is possible to measure the stress generation. This type of recovery is investigated in this thesis. The main objective of this work is to study the influence of critical parameters and to quantify stress generated during recovery in an amorphous thermoplastic polyurethane shape memory commercially available, TECOFLEX ®. For this purpose, a testing methodology was developed, encompassing the use of a tensile test apparatus equipped with a controlled temperature chamber. The constrained recovery as a function of time at constant temperature was analyzed. Concerning the programming stage of temporary shape, temperature and induced strain effects were studied. In terms of the recovery stage the effect of the recovery temperature was studied. Furthermore, the influence of the samples manufacturing method was also investigated, producing them by produced by compression molding and 3D printing. The temperatures selected are in vicinity of the material 𝑇𝑔. In the programming stage it was found that the programming temperature has a crucial effect in the recovery stress behavior. The maximum recovery stress decreases with increasing programming temperature. However, the stress conversion ratio increases with increasing of programming temperature. The applied strain has an effect less pronounced than the programming temperature; however, it is also possible to increase maximum recovery stress with increasing the strain. Recovery at different recovery temperatures originated distinct profile plots. The maximum recovery stress was higher, and the activation time was shorter when the recovery temperature was above 𝑇𝑔. The comparison between performance of samples produced by compression molding and 3D printing showed a decay of 25% in the maximum recovery stress in printed samples. However, the stress conversion ratio was constant for both manufacturing methods. These fact makes SMP suitable materials for 3D printing, without significant loss of performance.