Theoretical and experimental study of the compaction and sintering processes of polytetrafluorethylene (PTFE)

Este trabalho apresenta um estudo dos processos de prensagem e sinterização do politetrafluoretileno (PTFE) com o objetivo principal de investigar a influência dos parâmetros desses processos na microestrutura e nas propriedades mecânicas do material após sinterização. O PTFE faz parte do grupo dos termoplásticos, mas assim como outros polímeros de alto peso molecular, apresenta elevada viscosidade no estado fundido que impede sua utilização em moldagem por injeção, e seu processamento é realizado por compactação a frio do pó polimérico seguida de sinterização. No processo de sinterização é aplicado um tratamento térmico acima da temperatura de fusão do material que é responsável por grandes deformações anisotrópicas que, por sua vez, são dependentes do histórico de carregamentos induzidos na fase de compactação. Com o objetivo de desenvolver modelos de comportamento termomecânicos para realizar simulações computacionais dessas etapas de fabricação, ensaios experimentais foram realizados para se investigar os diferentes mecanismos de evolução microestrutural e de deformações nas etapas de compactação e sinterização. O estudo experimental do processo de compactação compreendeu a realização de ensaios de compactação uniaxial (oedométrico), de compactação hidrostática em prensa isostática e ensaios triaxiais verdadeiros em um dispositivo original acoplado numa prensa triaxial com seis atuadores eletrohidráulicos. Através dos resultados obtidos dos ensaios de compactação foi possível identificar os parâmetros do modelo de Drucker-Prager/cap, disponível na biblioteca de leis de comportamento do programa de cálculo pelo método dos elementos finitos ABAQUSTM, que permitiu de simular numericamente alguns casos simples. O estudo experimental do processo de sinterização foi realizado com o auxílio de ensaios de termogravimetria (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios de dilatometria em corpos-de-prova isótropos e anisótropos com diferentes índices de vazios. Através dos resultados obtidos destes ensaios foi possível identificar que a deformação global de sinterização é composta por uma deformação térmica reversível, uma deformação devido à mudança de fase cristalina em fase amorfa -ou vice-versa-, uma deformação devido ao fechamento dos vazios e uma deformação de recuperação. Este estudo foi realizado em dois tipos de materiais, sendo o PTFE puro e o PTFE reforçado com 5wt% de EkonolTM e 5wt% de fibras de carbono, respectivamente comercializados pelos nomes de TeflonTM 6407 e TeflonTM 6507.The main objective of this work is to study the influence the process parameters on the microstructure and the mechanical properties of components manufactured by compaction at room temperature and sintering of polytetrafluorethylene (PTFE). Similary to other High Molecular Weight Polymers and although it belongs to the group of thermoplastic polymers, since it cannot be processed in the melt state because its very high viscosity, PTFE, is powder processed -that consists in sintering compacted powder-. Sintering corresponds to a heat treatment up to temperatures higher than the melting temprature, inducing finite deformations that are generally anistropic and dependent on the mechanical loading the material has been submitted to during the pre-compaction at room temperature. In order to develop thermo-mechanical constitutive equations that could be used during predictive numerical simulations of the whole process, different tests have been performed to study the different mechanisms that are responsible for microstructural evolutions and deformations during compaction and sintering. The experimental study of the compaction has been performed via uniaxial (oedometric) compaction tests, hydrostatic compaction tests that were made with an isostatic hydraulic press and triaxial tests that were made with and original device installed on an electrohydraulic testing machine six actuators. A \"Drucker-Prager/cap\" type elasto-plastic model -as available in the constitutiveequations library of ABAQUSTM industrial finite element software- has been identified from the results of these tests, so that a few simple cases have been numerically simulated. The experimental study of the sintering process has been performed via Thermo-Gravimetric Analyses (TGA), Differential Scanning Calorimetric analyses (DSC) and dilatometry tests that were performed on isotropic or anisotropic specimens with different values of the porosity From the results of these tests it has been possible to decompose the sintering deformation into different mechanisms, viz. a reversible thermal expansion, a strain that is linked to the transition from the crystalline phase to the amorphous phase -or vice versa-, a pore closure strain and a recovery strain. This study has been performed on a powder made of pure PTFE and a powder of PTFE filed with 5wt% EkonolTM and 5wt% of carbon fibres, respectively available as TeflonTM 6407 and TeflonTM 6507