A4 Absorção de umidade e envelhecimento ambiental

Tópico

Quando este compósito de matriz polimérica é exposto ao ambiente, essa exposição faz com que a umidade ambiente se difunda na matriz polimérica seguindo a difusão de Fick: a umidade se move da superfície do compósito para o seu interior, descrevendo um perfil de concentração que evolui no espaço e no tempo da mesma forma geral que qualquer processo difusivo governado por um gradiente de concentração. A exposição contínua deste compósito ao ambiente faz com que a umidade continue se difundindo na matriz.

Essa difusão de umidade na matriz não continua indefinidamente, no entanto: com o tempo, a matriz atinge um teor de umidade de saturação, descrito pela isoterma de Henry. Uma umidade relativa mais alta no ambiente circundante faz com que esse teor de umidade de saturação seja proporcionalmente maior, de acordo com a mesma isoterma; uma umidade relativa mais baixa faz com que esse teor de umidade de saturação seja proporcionalmente menor.

Quando a matriz polimérica absorve umidade, aproximando-se de seu ponto de saturação, a umidade plastifica a matriz: as moléculas de água se alojam entre as cadeias poliméricas, aumentando o espaço livre entre elas e facilitando seu deslizamento umas sobre as outras, de forma muito semelhante a um plastificante adicionado deliberadamente ao polímero. Essa plastificação reduz a temperatura de transição vítrea da matriz: quanto maior o teor de umidade absorvido, menor a temperatura na qual a matriz transita de um sólido rígido para um material macio. Essa mesma absorção de umidade, além de plastificar a matriz, gera tensão higroscópica no interior do composto: a matriz incha localmente ao absorver umidade, de forma semelhante à expansão térmica, porém impulsionada pela concentração de umidade em vez de um gradiente térmico. O fato de esse inchaço higroscópico da matriz ser restringido pelas fibras do compósito, que não absorvem umidade nem incham da mesma maneira, gera uma tensão higroscópica interna, análoga à tensão térmica que seria produzida por um gradiente de temperatura em vez de um gradiente de umidade.

Portanto, este modelo, com a difusão fickiana de umidade na matriz polimérica com a qual foi desenvolvido, descreve uma anomalia exclusiva dos compósitos de matriz polimérica: o fato de a matriz de um compósito de matriz metálica ou de um compósito de matriz cerâmica não absorver umidade da mesma forma que uma matriz polimérica significa que nem a plastificação da matriz, nem a redução da temperatura de transição vítrea, nem a tensão higroscópica descritas por este modelo ocorrem nesses outros dois tipos de compósitos.

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