Os poliamidas são higroscópicos e a absorção de humidade afeta as suas propriedades. Esta ferramenta prevê a quantidade de humidade absorvida ou libertada e os intervalos temporais envolvidos. O utilizador pode escolher dois tipos de cálculo: um modo 'básico' que calcula uma alteração de condições num único passo, ou um modo avançado que considera condições cíclicas.

'Alteração em passo único':

A amostra é equilibrada numa condição inicial (temperatura T_0, humidade relativa RH_0) e em tempo=0 é exposta a uma condição imposta (temperatura T_1, humidade relativa RH_1) durante um determinado período. O conteúdo de água como função do tempo é previsto, assim como os perfis de concentração de água ao longo da espessura da amostra. Desta forma, podem ser simulados tanto a absorção de água como efeitos de secagem.

'Cíclico'

Novamente, a amostra é equilibrada numa condição inicial (temperatura T_0, humidade relativa RH_0) e em tempo=0 é exposta a um conjunto de condições impostas, cada uma com temperatura e humidade relativa durante um determinado período. O conjunto combinado de condições pode então ser repetido (número de ciclos). O conteúdo de água como função do tempo é previsto, assim como os perfis de concentração de água ao longo da espessura da amostra. Desta forma, podem ser simulados tanto a absorção de água como os efeitos de secagem.

Entrada do utilizador:

• Seleção de grau
• Espessura da placa (altura e profundidade consideradas infinitas)
• Temperatura inicial e humidade relativa da placa
• Temperaturas impostas, humidades relativas e durações a que a placa está sujeita (condições 1, 2, etc.)
• Número de ciclos (limitado a 50 para evitar time-out da interface web)

Saída da ferramenta:

• Um gráfico a mostrar a penetração da humidade em função da posição exata dentro da placa ao longo de três ciclos temporais
• Um gráfico a mostrar a concentração média de humidade ao longo do tempo

Chapas com espessuras variáveis entre 1-10 mm (0,04-0,4 pol) foram moldadas e posteriormente recozidas a temperatura elevada (a meio caminho entre a temperatura de transição vítrea Tg e a temperatura de fusão Tm, onde a velocidade de cristalização é máxima). Este tratamento térmico foi realizado durante 16 horas, o que se acredita representar um nível substancial de cristalinidade (embora seja sabido que níveis mais elevados podem ser alcançados com tratamento térmico adicional). Foi utilizada atmosfera de azoto para evitar a oxidação das amostras.

A parametrização das várias classes comerciais de poliamidas baseia-se em extensas experiências de absorção e libertação de água no intervalo de temperaturas entre 23 - 120°C (73-248°F). A maioria das chapas foi colocada num banho de água, enquanto algumas foram acondicionadas numa câmara de condicionamento. A pesagem das chapas revela a quantidade de humidade absorvida ao longo do tempo. Em condições secas, a desorção foi estudada da mesma forma.

Cristalinidade

Os plásticos semicristalinos geralmente contêm uma fase amorfa, na qual as cadeias poliméricas se encontram dispostas aleatoriamente, assim como uma fase cristalina (ordenada). Apenas a fase amorfa é capaz de absorver humidade. Contudo, o nível de cristalinidade não énão um parâmetro fixo do material, mas depende das condições de processamento e do envelhecimento. Após a injecção/sopro e arrefecimento (‘dry as molded’) o plástico ainda não atingiu o seu máximo de cristalinidade. Para determinadas aplicações, um estado abaixo deste máximo traz vantagens, enquanto noutros casos é desejado o estado totalmente cristalino. Amostras "dry-as-molded" podem absorver mais humidade comparativamente com materiais recozidos (ou envelhecidos). Ao longo da vida útil de uma peça, a cristalinidade geralmente aumenta (e a absorção de humidade diminui), mas para acelerar este processo pode-se aplicar um ciclo de recozimento (tratamento térmico por um curto período de tempo).

Como a cristalinidade depende, entre outros fatores, das condições de processamento, das condições ambientais e da idade do material, é impossível apresentar um valor único assumido como verdade absoluta para os nossos materiais. Em vez disso, a nossa ferramenta fornece tanto uma previsão para o teor de humidade em amostras "dry-as-molded" como uma previsão para amostras recozidas (sob as condições especificadas). A menos que seja aplicado recozimento extremo, o teor de humidade de uma peça situar-se-á provavelmente entre estas duas previsões.

Nas fichas técnicas, normalmente são fornecidos os valores ‘dry as molded’. Para PA6, PA66 e PPA o teor de equilíbrio de humidade no estado ‘annealed’ pode ser 10-20% inferior, enquanto para PA46 pode ser até duas vezes inferior em comparação com as amostras "dry-as-molded".

O tempo de secagem necessário pode ser estimado com a ferramenta Moisture Diffusion, mas deverá ser feito em duas etapas subsequentes: (1) calcular a quantidade de humidade absorvida após meio ano nas condições especificadas e (2) secar a partir dessas condições a uma temperatura elevada. Esta ferramenta consegue tratar algumas geometrias simples, neste caso a ‘placa infinita’ é a que melhor corresponde à peça do cliente.

O primeiro passo é a absorção. Após selecionar ‘Akulon® K122’ da lista, deverá fornecer a seguinte informação:

• Geometria da amostra = Placa infinita (a ferramenta consegue processar algumas geometrias simples, neste caso a ‘placa infinita’ é a que melhor se assemelha à peça do cliente)
• Espessura da placa/amostra = 5 mm (0,2 in)
• Temperatura inicial = 20°C (68°F)
• Humidade inicial = 0% (após o processo de moldação a peça não contém qualquer humidade – condição designada ‘dry-as-molded’)
• Temperatura imposta = 20°C (68°F)
• Humidade imposta = 50%
• Tempo máximo de difusão = 4380 h (meio ano corresponde a 182,5 dias x 24 horas)

A ferramenta gera dois gráficos para visualizar os resultados do cálculo, sendo ambos relevantes neste exemplo:

• ‘Evolução da humidade’: A concentração de humidade média ao longo da espessura da placa. Este gráfico demonstra que a concentração inicial de humidade é zero logo após a moldação, aumentando ao longo do tempo. No intervalo de meio ano, não é atingido o equilíbrio; a concentração média de humidade é 2wt%. Neste caso, a diferença entre amostras ‘dry-as-molded’ e amostras envelhecidas termicamente (tratadas termicamente ou envelhecidas) é mínima.
• ‘Penetração de humidade’: Um gráfico mais detalhado que mostra o perfil de humidade ao longo da espessura da placa em três momentos distintos. É possível observar que, na superfície da placa, a concentração de humidade atinge o seu máximo (3,5wt% para as condições escolhidas). A humidade difunde-se a partir de ambos os lados em direção ao centro, atingindo um valor aproximado de 1,3wt% no núcleo.

O segundo passo é a secagem. Em geral, não é recomendado manter o material a uma temperatura tão elevada durante um período prolongado, pois pode ocorrer degradação. É preferível secar a aproximadamente 80 °C (176 °F), idealmente sob atmosfera de azoto.

Selecione o mesmo grau a partir da lista pendente na coluna de entrada à esquerda e insira todos os dados. Em alternativa, clique no ícone “Editar cálculo” na legenda do cálculo anterior; todos os campos estarão pré-preenchidos e, após efetuar alterações, selecione “Adicionar novo cálculo” (Nota: “Atualizar cálculo” irá sobrescrever o cálculo anterior). Deve ser feita uma pequena simplificação, assumindo um perfil de humidade uniforme no interior da placa no início do processo de secagem. Como não podemos introduzir uma ‘concentração de humidade’, é necessário ajustar o valor de entrada ‘humidade inicial’ de modo a obter a mesma concentração de humidade que existia ao final da etapa de absorção (Nota: também para ajuste de um valor de entrada, é mais fácil utilizar os botões “Editar cálculo” e “Atualizar cálculo”). Os parâmetros são:

• Geometria da amostra = Placa infinita
• Espessura da placa/amostra = 5 mm (0,2 in)
• Temperatura inicial = 20 °C (68 °F)
• Humidade inicial = 31% (ajustada para corresponder à concentração de humidade de 2wt%)
• Temperatura imposta = 110 °C (230 °F)
• Humidade imposta = 0%
• Tempo máximo de difusão = 300 horas (comece com uma estimativa, pode ser ajustada posteriormente)

O gráfico que apresenta o perfil de humidade deve ser analisado para determinar o momento em que a concentração no centro (no núcleo da placa) atinge 0,1wt%. Naturalmente, as faces exteriores da placa apresentam uma concentração inferior de humidade. Verifica-se que o tempo necessário de secagem para cumprir o critério é de aproximadamente 475 horas. O gráfico de Evolução da Humidade demonstra que, quando o núcleo atinge uma concentração de 0,1wt%, a concentração média de humidade é de 0,06wt%. Na prática, o perfil de humidade no início da secagem não será plano, o que significa que o tempo real de secagem será ligeiramente inferior.

Esta questão pode ser respondida através de um simples cálculo de absorção de humidade, pressupondo que a peça pode ser aproximada por uma geometria de placa plana. Comece por selecionar o grau pretendido no menu de seleção (ou procure o grau escrevendo o nome) e forneça os seguintes dados de entrada:

• Geometria da amostra = Placa infinita
• Espessura da placa/amostra = 3,2 mm (0,13 in)
• Temperatura inicial = 23°C (73°F)
• Humidade inicial = 0% (após moldação, uma peça não contém qualquer humidade, designa-se por ‘dry-as-molded’)
• Temperatura imposta = 23°C (73°F)
• Humidade imposta = 50%
• Tempo máximo de difusão = 100 horas (comece com um tempo reduzido para acelerar o cálculo)

O gráfico da evolução da humidade mostra que 100 horas não são suficientes para atingir o equilíbrio nesta peça. Clique no ícone "Editar cálculo" na legenda para aumentar o tempo máximo de difusão para 9000 horas e recalcule usando "Atualizar cálculo".

• O gráfico apresenta duas linhas, a linha contínua para amostras ‘dry-as-molded’ e a linha tracejada ‘annealed’ para amostras com maior cristalinidade. Uma cristalinidade superior pode ser obtida através de um tratamento térmico/húmido (veja o separador Measurements para mais informações), mas também ocorre naturalmente com o envelhecimento da peça. No caso do Stanyl® (PA46), este efeito é mais pronunciado comparativamente a outros poliamidas. Na prática, o estado da peça irá provavelmente situar-se entre as duas previsões do modelo.
• Após 9000 horas, o gráfico de evolução da humidade ‘as-molded’ encontra-se praticamente plano, indicando que o equilíbrio foi atingido (para amostras annealed, isto ocorre já após 4000 horas).
• Em teoria, a concentração de humidade pode situar-se entre essas duas linhas. No entanto, uma vez que não foram aplicadas condições extremas, espera-se que a peça esteja próxima da linha ‘as-molded’, apresentando uma humidade de 2,6% em peso.

Para adicionar um gráfico para o condicionamento acelerado a 70°C (158°F)/62%HR, pode seguir o mesmo procedimento: Selecione o mesmo grau e preencha os campos obrigatórios, ou inicie a partir do cálculo anterior utilizando o botão “Editar cálculo” (todos os campos de entrada já estão preenchidos) e clique em “Adicionar novo cálculo”.

• Geometria da amostra = placa infinita
• Espessura da placa/amostra = 3,2 mm (0,13 in)
• Temperatura inicial = 23°C (73°F)
• Humidade inicial = 0% (após moldação a peça não contém humidade, isto denomina-se ‘dry-as-molded’)
• Temperatura imposta = 70°C (158°F)
• Humidade imposta = 62%
• Tempo máximo de difusão = 9000 horas

O gráfico da evolução da humidade mostra que o equilíbrio é atingido muito mais rapidamente; após 2000 horas para amostras dry-as-molded. A concentração de humidade em equilíbrio é ligeiramente superior neste caso, cerca de 3,0 wt%. Como a temperatura e a humidade de condicionamento foram superiores comparando com o método padrão de 23°C (73°F)/50%HR, a cristalinidade pode ser ligeiramente mais elevada (reduzindo um pouco o teor de humidade). Embora o teor de humidade não seja necessariamente idêntico para ambos os métodos de condicionamento, ambos resultarão em propriedades mecânicas semelhantes.

Uma possível solução para o problema seria definir o seguinte caso e calcular o teor médio de humidade em regime permanente na peça. O caso representa uma situação em que, durante um dia (24 horas), o automóvel circula das 9h às 10h e, no restante do dia, permanece estacionado. Durante as condições de condução, a peça polimérica está exposta a uma temperatura de 100°C e 0 % de HR, enquanto durante o estacionamento a peça está exposta a uma temperatura de 23°C e 100 % de HR. Estas condições diárias aplicam-se num regime cíclico repetitivo durante 50 dias (1200 horas). Caso seja necessário considerar períodos mais longos, por favor contacte os nossos especialistas para um cálculo off-line (devido às limitações de tempo da interface web).

Na Figura 1a, o perfil da concentração de água é representado ao longo da espessura da peça no final de cada dia (ciclo), para dias específicos. Após o primeiro dia, as duas zonas superficiais da peça polimérica já contêm humidade, enquanto a zona interna da amostra permanece seca. Com o aumento do número de dias, a situação nas zonas superficiais praticamente não se altera. Porém, na zona interna, observa-se que o teor de humidade vai aumentando gradualmente ao longo dos ciclos, atingindo um valor praticamente constante após 50 dias.

O teor total de água nesta peça polimérica é apresentado em função do tempo na Figura 2. O ritmo diário é visível, assim como a estabilização do teor de água após aproximadamente 100 dias para um valor final na gama de 1,0-1,3 % em peso. Importa referir que este valor final não corresponde a nenhum dos valores de equilíbrio relativos às condições de estacionamento ou de condução, sendo um valor intermédio entre estes dois equilíbrios. Este valor final e a sua distribuição ao longo da espessura são relevantes, uma vez que influenciam o desempenho mecânico da peça.