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POLÍMEROS: Fundamentos, Classificação, Nomenclatura, Propriedades e Processamento
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Metalurgica e de Materiais Química de Polímeros
POLÍMEROS: Fundamentos, Classificação, Nomenclatura, Propriedades e
Processamento
Alunos: Clara Ferreira Maciel Francisco Joamyson Gomes Gustavo Dantas Italo Anderson de Oliveira Italo Maciel de Melo Laryssa Coutinho da Silva Pedro Queiros Santiago
Polímeros são materiais orgânicos, naturais ou sintéticos, de alto peso molecular, cuja estrutura é baseada na repetição de pequenas unidades chamadas “meros”.
A palavra Polímero vem do grego Poli, cujo significado é muito, e de Mero, que quer dizer “parte” ou “unidade” (que se repete). Os meros são macromoléculas e que para formarem um polímero, são ligados entre si através de ligações primárias (estáveis). Se imaginarmos um “anel” como sendo um mero, a formação de um polímero se dá quando muitos deles (mil a cinco mil) são unidos, ou enganchados seqüencialmente.
Os polímeros que ocorrem naturalmente são derivados de plantas e de animais, e têm sido usados a muitos séculos; esses materiais incluem madeira, borracha, algodão, lã, couro e seda. Outros polímeros naturais, como enzimas, proteínas, amidos e celulose, são importantes em processos biológicos e fisiológicos nas plantas e nos animais. As modernas ferramentas de investigação cinetífica tornaram possível a determinação das estruturas moleculares desse grupo de materiais, assim como o desenvolvimento de numerosos polímeros, os quais são sintetizados a partir de pequenas moléculas orgânicas. A matéria-prima para a sintetização de um polímero é o monômero, isto é, uma molécula com uma (mono) unidade de repetição. Dependendo do tipo de monômero (estrutura química), do número médio de meros por cadeia e do tipo de ligação covalente, pode-se dividir os polímeros em três grandes classes: Plásticos, Borrachas e Fibras.
Os materiais sintéticos podem ser produzidos a baixos custos, e suas propriedades podem ser administradas no nível em que muitos deles são superiores aos seus análogos naturais. Tal como ocorrem com os materiais e as cerãmcias, as propriedades dos polímeros estão relacionadas de maneira complexa aos elementos estruturais do material.
A maioria dos polímeros é composta por hidrocarbonetos (carbono e hidrogênio), uma vez que muitos deles possuem origem orgânica. Ademais, as ligações intramoleculares são covalentes e a relação carbono-carbono pode ser classificada por saturada e insaturada; cada átomo de carbono possui 4 elétrons que podem participar de ligações covalentes, enquanto cada átomo de hidrogênio possui apenas um elétron de ligação. Exemplo:
[Molécula de Etileno]
As moléculas nos polímeros são gigantescas em comparação as moléculas de hidrocarbonetos. Dentro de cada molécula, os átoos estão ligados uns aos outros através de ligações interatômicas covalentes. Para a maioria dos polímeros, essas moléculas se encontram na forma de cadeias longas e flexíveis, cujo esqueleto principal consiste em uma sequência de átomos de carbono; muitas vezes, cada átomo de carbono se liga
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através de ligações simples a dis outros átomos de carbono adjacentes, um a cada lado, o que pode ser representado esquematicamente como a seguir:
| | | | | | |
- C - C - C - C - C - C - C – | | | | | | | Cada um dos dois elétrons de valência restantes presentes em cada átamo de carbono pode estar envolvido em ligações laterias com átomos ou com radicais que estejam posicionados adjacentes à cadeia. Obviamente, também são posssíveis ligações duplas tanto na cadeia como nas laterais.
A formação do polímero acontece quando o hidrocarboneto está submetido cataliticamente a condições apropriadas de temperatura e pressão, ele se tranformará nós seu respectivo “poli hidrocarboneto”, que é um material polimérico sólido. Exemplo: Etileno – Polietileno. Esse processo tem seu início quando um mero ativo é formado pela reação entre um espécime iniciador ou catalisador (R-) e a unidade mero do hidrocarboneto. A cadeia do polímerose forma então pela adição sequencial de unidades monoméricas de polietileno a esse centro iniciador-mero ativo. O elétron não emparelhado é transferido para cada monômero terminal sucessivo à medida que ele se liga à cadeia. O resultado final da adição de muitas unidades monoméricas do hidrocarboneto é a molécula do “poli hidrocarboneto”.
Os polímeros são compostos químicos formados por pequenas moléculas denominadas monômeros e são formados após as reações de um processo denominado polimerização onde as moléculas simples se formam em uma macromolécula polimérica, ou seja, em um polímero. Dessa maneira, por se tratar de uma “repetição” de pequenas moléculas, o uso do prefixo “poli” que significa várias, se torna útil na nomeação dos mesmos. De modo geral, a nomenclatura dos polímeros, que por sua vez é definida pelas normas internacionais da IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry, basicamente indica que se deve iniciar a nomenclatura com o prefixo “poli” seguido pelas estruturas monométricas que se repetem, como ilustra a figura abaixo.
NOMENCLATURA = POLI + (MONÔMERO)
Figura 1 – Fórmula geral usada para nomeação de um polímero.
Seguindo o esquema da figura 1, a tabela a seguir mostra alguns exemplos de nomenclaturas.
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Tabela 2 – Exemplos de nomeação.
É importante salientarmos que os polímeros, por conta de sua variedade, também são nomeados para facilmente identificarmos se o mesmo é reciclável. Essa nomeação consiste em sinais de representação impressos no rótulo do produto alocados pela ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. A figura a seguir mostra como essas ilustrações são representadas.
Figura 2 – Sinais de representação da ABNT (Essa ilustração é representada por um triângulo e um número correspondente).
O triangulo de numero 1 representa materiais leves, transparentes e inquebráveis. Também conhecidos como PET (Polietileno Tereflalato), são principalmente usados na fabricação de embalagens. Já o triangulo de número 2 representa o PEAD (Polietileno
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de alta densidade), que tem por característica ser um material leve, inquebrável, rígido e com excelente resistência química. Geralmente usado na embalagem de detergentes, óleos, amaciantes e entre outros. O triangulo de numero 3 representa o PVC (Policloreto de Vinila). Material com resistência a temperatura normalmente usado em embalagens de agua, bolsas de sangue, bolsas de soro, canos e tubos, e entre outros produtos. Por outro lado, o triangulo 4 representa o PEBD (Polietileno de baixa densidade), material impermeável bastante usado em saquinhos, sacolas de supermercados, sacos de lixo e entre outros produtos. O Triangulo 5 representa o PP (Polipropileno), que tem como característica ser um material rígido, resistente a mudanças de temperaturas e com capacidade conservativa. Bastante usado em fiações elétricas e em utilidades domesticas. Triangulo 6: Representa o OS (Poliestireno), caracterizado principalmente por se tratar de um material impermeável, leve, transparente, rígido e brilhante. Facilmente encontrado em potes para iogurtes, sorvetes, doces e revestimento interno de geladeiras. O sétimo triangulo estão classificados os outros tipos de plásticos encontrados em solados de calçados e materiais esportivos. Exemplos: EVA, ABS, PA e etc.
As propriedades mecânicas dos polímeros são especificadas pelo módulo de elasticidade, pelo limite de resistência à tração e pelas resistências a impacto e à fadiga. Normalmente as características mecânicas dos polímeros são muito sensíveis à taxa de deformação, à temperatura e à natureza química do ambiente. Através do ensaio tensão- deformação são encontrados três tipos de comportamentos, representados na figura abaixo. Um polímero frágil (curva A) que sofre fratura enquanto se deforma elasticamente. Um polímero plástico (curva B) que sofre uma deformação inicial na fase elástica que é seguida por um escoamento e depois sofre deformação plástica. Um
polímero elástico (curva C) onde a deformação é totalmente elástica.
A partir de ensaios como esse pode-se analisar as propriedades mecânicas dos polímeros, como Limite de Resistencia à Tração e Módulo de Elasticidade. Muitos
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têm elevada resistência e com isso baixa condutibilidade em comparação a outros materiais. A resistência elétrica dos polímeros é dependente da temperatura e diminui com o aumento da temperatura. A razão para a baixa condutibilidade elétrica é a mesma para a térmica, a falta de elétrons livres. Observando esta propriedade os polímeros são altamente indicados para aplicações onde se requeira isolamento elétrico
As ligações químicas presentes nos plásticos (covalentes/Van der Walls) lhes conferem maior resistência à corrosão por oxigênio ou produtos químicos do que no caso dos metais (ligação metálica). Isso, contudo, não quer dizer que os plásticos sejam completamente invulneráveis ao problema. O espaço entre as macromoléculas do polímero é relativamente grande. Isso confere baixa densidade ao polímero, o que é uma vantagem em certos aspectos. Esse largo espaçamento entre moléculas faz com que a difusão de gases através dos plásticos seja alta.
Os polímeros comercialmente úteis de macromoléculas são formados a partir de substâncias de moléculas menores por meio de um processo conhecido como polimerização. Além disso, suas propriedades podem ser modificadas mediante a inclusão de aditivos e uma peça acabada deve ser moldada através do processo de conformação.
A síntese dos polímeros consiste no processo pelo qual os monômeros de unem uns
aos outros para formar cadeias longas compostas por unidades repetidas. As reações que
geram a polimerização são dividas em duas classificações gerais: adição e condensação.
Polimerização por adição
Nesse processo, as unidades monoméricas são unidas uma a uma na forma de uma
cadeia para formas uma molécula linear, sendo utilizada na síntese do polietileno,
polipropeno, cloreto de polivinila e poliestireno, por exemplo. É divida em três etapas:
(i) Iniciação: um centro ativo capaz de propagação é formado através da reação entre
uma unidade monomérica e um catalisador;
(ii) Propagação: envolve o crescimento linear da cadeia por meio da adição sequencial
de unidades monoméricas a essa cadeia ativa e crescente;
(iii) Terminação: a propagação pode se encerrar de maneiras distintas. A terminação por
combinação ocorre quando as extremidades das cadeias podem se ligar e formar uma
molécula. E a terminação por desproporcionamento consiste na reação entre duas
moléculas crescentes que forma duas “cadeias mortas”.
Polimerização por condensação
Esse processo consiste na formação de polímeros por reações químicas
intermoleculares em etapas, podendo envolver mais de um tipo de monômero. É assim
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denominada por haver a condensação de um subproduto de baixo peso molecular, como
a água. Não há unidades repetidas nos componentes reagentes e a reação intermolecular
ocorre toda vez que é formada uma unidade repetida, esse processo se repete
sucessivamente e produz uma molécula linear.
Quando se faz necessário modificar alguma propriedade do produto, são inseridas
substâncias exógenas chamadas de aditivos para melhorar ou modificar determinada
propriedade do polímero. Os mais comuns são: cargas, plastificantes, estabilizadores,
corantes e retardantes de chama.
Cargas
São adicionadas para modificar a resistência à tração e à compressão, a
resistência à abrasão, a tenacidade, as estabilidades dimensional e térmica, além de
outras propriedades. Alguns exemplos são: pó de madeira, pó de areia de sílica, vidro
argila, talco, calcário e até mesmo polímeros sintéticos. As cargas são materiais de
baixo custo e substituem parte volume do polímero.
Plastificantes
Melhoram a flexibilidade, ductilidade e tenacidade. Entretanto há redução na
dureza e na rigidez. Geralmente são líquidos com baixas pressões de vapor e baixos
pesos moleculares. As pequenas moléculas de plastificantes ocupam lugares entre as
grandes cadeias poliméricas, aumentando a distância entre as cadeias com redução das
ligações intermoleculares. São utilizados na fabricação de lâminas ou filmes finos,
tubos, capas de chuva e cortinas.
Estabilizantes
Reduzem os processos de deteorização causados pela radiação ultravioleta e pela
oxidação.
Corantes
Conferem uma cor especifica ao polímero, podendo ser adicionado na forma de
tintura ou pigmento. Além de cor, podem conferir opacidade.
Retardantes de chama
A maioria dos polímeros puros é inflamável e isso é preocupante na indústria de
brinquedos e têxtil, então são introduzidos aditivos que aumentam a resistência ao fogo.
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Fundição
Tanto os plásticos termoplásticos como os termofixos podem ser fundidos. Para os
termoplásticos a solidificação pelo resfriamento do plástico fundido e para os
termofixos esse processo é resultado da polimerização realizada em temperatura
elevada.
As técnicas de fabricação usadas para peças de borrachas são essencialmente as
mesmas discutidas anteriormente para os plásticos. Algumas borrachas são
vulcanizadas (são adicionados aos elastômeros aquecidos compostos a base de
enxofre) e algumas são reforçadas com negro de fumo.
Fibras
A fiação é o processo no qual são fibras são conformadas a partir do material
polimérico bruto, na maioria das vezes o material está no estado fundido. Conforme o
material fundido passa pela fieira (placa com diversos orifícios pequenos), as fibras vão
sendo formadas e solidificadas rapidamente por sopradores de ar ou em um banho
d’água.
Filmes
Os filmes são conformados por extrusão e moldagem por sopro.
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Seria interessante a criação de novos métodos de sintetização é processamento de polímeros que pudessem facilitar a criação de novos materiais poliméricos de baixo custo e aplicação direta no cotidiano das pessoas.
Visto que os polímeros são muito utilizados desde antigamente e sua aplicação está ascenção, esse trabalho cumpriu os objetivos de estudar sobre a fundamentação, a classificação, a nomeclatura, as propriedades e o processamento dos polímeros, agregando conhecimento aos autores e repassando o conhecimento adquirido. É importante o estudo contínuo sobre os polímeros para que haja o desenvolvimento de novos polímeros com novas aplicações, solucionando diversos problemas industriais e sociais.
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