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AULA 01 – Polímeros
- • • • • • • • Definição de Polímeros Tipos de Polímeros Aplicações dos Polímeros Definições gerais para Polímeros Peso Molecular Arquitetura Molecular Estado de Conformação Conformação das Cadeias 1.1. Definição de Polímeros A palavra polímero vem do grego poli (muitas)
- mero (partes), e é exatamente isto, a repetição de muitas unidades (poli) de um tipo de composto químico (mero). E polimerização é o nome dado ao processo no qual as várias unidades de repetição (monômeros) reagem para gerar uma cadeia de polímero. 1.2. Tipos de Polímeros Existe no mercado uma grande quantidade de tipos de polímeros, derivados de diferentes compostos químicos. Cada polímero é mais indicado para uma ou mais aplicações dependendo de suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas, óticas, etc. Os tipos de polímeros mais consumidos atualmente são os polietilenos, polipropilenos, poliestirenos, poliesters e poliuretanos; que devido a sua grande produção e utilização são chamados de polímeros commodities. Outras classes de polímeros, como os poliacrilatos, policarbonatos e fluorpolímeros tem tido uso crescente. Vários outros polímeros são fabricados em menor escala por terem uma aplicação muito específica ou devido ao seu custo ainda ser alto e por isso são chamados de plásticos de engenharia. A Figura 1.1. mostra os principais tipos de polímeros e os compostos utilizados em sua fabricação. Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica 4440W04 02/2003 Página 1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL Faculdade de Engenharia Etileno Polietileno EPR - Borracha Etileno-Propileno Propileno Benzeno Estireno Polipropileno Poliestireno SBR - Borracha Estireno-Butadieno
Butadieno Ác.Hidrocianico Acetona Metanol
Polibutadieno
Metilmetacrilato
PMMA
Ác.Acético Etileno Cloro Ciclohexano Hexametildiamina Ác.Tereftálico Etileno Etileno Glicol Dicloroeteno Ác.Adipico
Acetato de Vinila
PVAc
Cloreto de Vini la
PVC Nylon 6,
PET
Policarbonatos Bisfenol A Resinas Epoxi Figura 1.1. Rotas de produção de vários polímeros.
Uma nova classe de polímeros biológicos ( iopolímeros) tem sido o foco de b atenção de muitas pesquisas devido a suas aplicações no campo da
medicina. 1.3. Aplicações dos Polímeros As aplicações dos polímeros são as mais diversas, fazendo parte de nosso cotidiano. A Tabela 1.1. mostra vários tipos de polímeros e suas principais aplicações.
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Tabela 1.1. Polímeros e suas aplicações: Polímero ABS Kevlar Nylon PHEMA Poliacetato de vinila Poli (ácido glicólico) Poliacriloamida Policarbonato Policloropreno Polidimetil Poliester Poliestireno Polietileno Polietileno tereftalato Polimetil metacrilato Polipropileno Polisopreno Poliuretano PVC SBR Teflon Aplicações partes automotivas roupas anti-chamas fibras, roupas, carpetes rins artificiais revestimentos uso medicinal na reconstituição de ossos e cartilagens lentes de contato lentes oftálmicas adesivos, freios, gaxetas siloxano detetores contra explosivos embalagens, filmes, roupas embalagens, utensílios domésticos, isolantes térmicos embalagens, filmes, utensílios e peças diversas embalagens tintas, balcões, vitrais embalagens, utensílios, peças diversas, tapetes borrachas espumas, roupas isolantes tubos e conexões pneus, calçados, adesivos antiaderente
1.4. Definições gerais para Polímeros a) Monômero Composto químico cuja polimerização irá gerar uma cadeia de polímero. b) Homopolímero Macromolécula derivada de um único tipo de monômero.
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c) Copolímero Macromolécula contendo dois ou mais tipos de monômeros em sua estrutura. d) Termoplástico Polímero que amolece e pode fluir quando aquecido. Quando resfriado ele endurece e mantém a forma que lhe é imposta. O aquecimento e o resfriamento podem ser repetidos muitas vezes. e) Termofixo Polímero que não pode ser dissolvido ou aquecido até altas temperaturas de forma a permitir deformação contínua. Os termoplásticos se tornam termofixos através de crosslinks (ramificações). f) Crosslink (ramificações) Ligações químicas cruzadas entre cadeias de polímeros. Muitas cadeias podem se ligar uma nas outras formando uma rede de polímeros. g) Grau de polimerização (DP) É o número de unidades monoméricas presentes na molécula do polímero. MW mon = DP × MW pol MW : peso molecular 1.5. Peso Molecular Como uma cadeia de polímero é formada pela adição de uma grande quantidade de monômeros, durante a polimerização, cadeias com diferentes comprimentos serão formadas, e portanto, uma distribuição de comprimentos de cadeia será obtida. Conseqüentemente, uma distribuição de pesos moleculares também existirá, não sendo possível obter um valor único e definido para o peso molecular do polímero. Sendo que este deve ser calculado baseado numa média dos pesos moleculares da distribuição (Figura 1.2). (1.1)
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Figura 1.3. Tipos de arquitetura molecular. 1.7. Estado de Conformação Polímero Amorfo As cadeias do polímero estão em estado desorganizado, arranjadas em espirais randômicas e sem que haja um ponto de derretimento fixo. Polímero Cristalino As cadeias do polímero estão em estado ordenado, existindo uma forma definida. Possui um ponto de derretimento definido. Polímero Semi-Cristalino Em geral, os polímeros não são nem totalmente amorfos, nem totalmente cristalinos, se apresentando num estado intermediário. Este estado intermediário é definido pelo grau de cristalinidade do polímero. Quando maior o grau de cristalinidade, maior é a organização das cadeias de polímero. O conhecimento do grau de cristalinidade de um polímero é importante, pois facilita na seleção do material a ser usado em diferentes aplicações. Fatores que Influenciam no Grau de Cristalinidade do Polímero • • • • A natureza química da cadeia do polímero é o principal fator que influencia na probabilidade de um polímero exibir uma estrutura cris talina. Cadeias de baixo peso molecular favorecem uma maior cristalinidade. Polímeros capazes de formar ligações intermoleculares distribuídas ao longo da cadeia favorecem um maior grau de cristalinidade. Homopolímeros possuem maiores condições de formar uma estrutura mais cristalina do que copolímeros randômicos. Isto porque os copolímeros possuem uma distribuição não uniforme de forças intermoleculares. Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica 4440W04 02/2003 Página 7
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Polímeros de monômeros contendo grupos laterais grandes ou ramificações tem menor grau de cristalinidade, pois o maior empacotamento das cadeias é inibido. Pressão e temperatura podem influenciar na cristalinidade. Após a moldagem do polímero, a cristalinidade do polímero ainda pode ser modificada através do processo de annealing , no qual através do aquecimento do polímero as cadeias podem se movimentar mais livremente formando estruturas cristalinas (cristalitos) adicionais.
Em geral, os polímeros não são nem totalmente amorfos, nem totalmente cristalinos.
1.8. Conformação das Cadeias A designação comum para o monômero é dada por:
Dependendo da forma com que a ligação entre os monômeros ocorre, podemos ter três tipos diferentes de conformação de cadeias:
Estereoregularidade A estereoregularidade ou taticidade do polímero é relacionada à forma com a qual os grupos funcionais R estão dispostos na molécula:
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A estereoregularidade pode ser crítica para controlar a cristalinidade e a transição térmica de alguns polímeros.
Polímeros produzidos por radicais livres geralmente apresentam estruturas atáticas, enquanto que polímeros produzidos por via iônica ou coordenação apresentam estruturas altamente isotáticas ou sindiotáticas. A temperatura pode ser muito importante no controle da colocação do monômero na cadeia do polímero, determinando a estereoregularidade do polímero.
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