Físico-Química de Polímeros

Físico-Química de Polímeros

Prof. Sérgio Henrique Pezzin

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

UDESC - Joinville

O que são Polímeros?

Polímeros são macromoléculas compostas

pela repetição de uma unidade básica,

chamada mero.

O que são Polímeros?

Por exemplo, o Polietileno (PE), produzido a partir do monômero etileno (ou eteno), é composto pela repetição

de milhares de unidades (meros) -(CH2-CH2)- :

Onde n (Grau de Polimerização) normalmente é superior a 10.000. Ou seja, uma molécula de polietileno é

constituída da repetição de 10.000 ou mais unidades -(CH2-CH2)-.

Porque os polímeros são tão interessantes?

• Leveza

• Flexibilidade

• Baixas Temperaturas de Processamento.

• Ajuste Fino de Propriedades através de Aditivação

• Baixas Condutividades Elétrica e Térmica

• Maior Resistência a Corrosão

• Porosidade

• Reciclabilidade

• Alta resistência ao impacto

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros

1ª Fase - Polímeros, Materiais Naturais Por que os polímeros demoraram tanto a surgir,

viabilizando-se comercialmente apenas nos últimos 50 anos?

Polímeros são compostos orgânicos, ou seja, baseados em átomos de carbono, produzidos por reações

químicas de grau relativamente alto de sofisticação.

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros

1ª Fase - Polímeros, Materiais Naturais Por isso, até o século passado, os principais materiais

estudados eram: a borracha, a goma-laca e a gutta-percha, extraídos de

vegetais.

Por volta de 1860, já havia a moldagem industrial de plásticos naturais reforçados com fibras, como a

goma-laca e a gutta-percha.

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros

2ª Fase - Polímeros Naturais Modificados • 1828: WOHLER (Alemanha) sintetiza uréia em laboratório,

derrubando a teoria da Força Vital. Com isto, as pesquisas sobre química orgânica se multiplicam, criando a base para o desenvolvimento dos materiais poliméricos, através da alteração de polímeros naturais de modo a torná-los mais adequados a certas aplicações.

• 1839: GOODYEAR (E.U.A.) descobre a vulcanização da borracha natural.

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros

2ª Fase - Polímeros Naturais e Modificados • 1835-1900: Grande progresso no desenvolvimento de

derivados de celulose, tais como o nitrato de celulose (nitrocelulose), celulóide (nitrocelulose plastificada com cânfora) e fibras de viscose.

• 1910: Começa a funcionar a primeira fábrica de rayon nos E.U.A.

• 1924: Surgem as fibras de acetato de celulose.

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros3ª Fase - Polímeros Sintéticos

• 1838: REGNAULT (França) polimeriza o cloreto de vinila (PVC) com auxílio da luz do sol. O PVC se tornaria comercial apenas em 1927.

• 1898: EINHORN & BISCHOFF descobrem, sem querer, o policarbonato. Esse material só voltou a ser desenvolvido em 1950.

• 1907: BAEKELAND (E.U.A.) sintetiza resinas de fenol-formaldeído

(baquelite). É o primeiro plástico totalmente sintético que surge em escala comercial

Cronologia da Tecnologia dos Polímeros3ª Fase - Polímeros Sintéticos

• 1924: STAUDINGER desvenda as estruturas do polietileno e da borracha natural.

• 1928: CAROTHERS (Du Pont) & FLORY sintetizam o neoprene, os poliésteres e as poliamidas.

• Anos 50: ZIEGLER & NATTA desenvolvem catalisadores eficientes

para polimerização por adição, permitindo um grande incremento da produção de PE, PP, POM, PET, PC e copolímeros.

Classificação dos Polímeros

• Classificação Quanto ao Tipo de Estrutura Química

• Classificação Quanto às Características de Fusibilidade

• Classificação Quanto ao Comportamento Mecânico

• Classificação Quanto à Escala de Fabricação

• Classificação Quanto ao Tipo de Aplicação

Classificação Quanto ao Tipo de Estrutura Química

A composição de um polímero pode apresentar apenas um único tipo de mero (cadeia homogênea) ou dois

ou mais meros (cadeia heterogênea)

Quando a cadeia é homogênea, diz-se que o polímero é um homopolímero, caso a cadeia seja

heterogênea, o polímero é designado copolímero.

Homopolímero

É o polímero constituído por apenas um tipo de unidade estrutural repetida. Ex.: Polietileno, poliestireno, poliacrilonitrila,

poli(acetato de vinila)

Se considerarmos A como o mero presente em um

homopolímero, sua estrutura será:

~ A - A - A - A - A - A ~

Copolímero

É o polímero formado por dois ou mais tipos de meros. Ex.: SAN, NBR, SBR

Os copolímeros podem ser divididos em:

• Copolímeros estatísticos (ou randômicos)

• Copolímeros alternados

• Copolímeros em bloco

• Copolímeros grafitizados (ou enxertados)

Copolímeros Estatísticos ou Randômicos

Nestes copolímeros

os meros estão

dispostos de forma

desordenada na

cadeia do polímero

~ A - A - B - A - B - B ~

Copolímeros Alternados

Nestes copolímeros

os meros estão

ordenados de forma

alternada na cadeia

do polímero

~ A - B - A - B - A - B ~

Copolímeros em Bloco

O copolímero é

formado por

sequências de

meros iguais de

comprimentos variáveis

~ A - A - B - B - B - A - A ~

Copolímeros Graftizados ou Enxertados

A cadeia principal do copolímero é

formada por um tipo de unidade

repetida, enquanto o outro

mero forma a cadeia lateral

(enxertada)

~ A – A – A – A – A – A ~ B B B B B B

Propriedades e Aplicações dos

Termoplásticos e Termorrígidos

Polipropileno - PP

• Monômero : H2C=CHCH3 Propileno (gás)

• Polímero: -(H2C-CHCH3)n- Polipropileno

• Densidade: 0,90 a 0,92 g/cm3

• Espessura: 0,3mm a 20mm

Polipropileno - PP

• Características: – Resistência química a ácidos,álcalis,graxas,óleos;– Alta resistência a abrasão;– Peso específico baixo;– Atóxico;– Absorve pouco a umidade;– Baixo custo;– Fácil moldagem e coloração;– Alta resistência a fratura por flexão ou fadiga;– Boa resistência ao impacto acima de 150oC;– Boa estabilidade térmica;– Sensibilidade a agentes de oxidação e a luz UV

Polipropileno - PP

• Aplicações:– Pára-choques de automóveis– Brinquedos– Recipientes para alimentos– Tubos para cargas de caneta– Peças de interior de automóveis

Polipropileno - PP

Poliestireno - PS

• Monômero : H2C=CHC6H5 Estireno (líquido)

• Polímero : -(H2C=CHC6H5)n Poliestireno

• Densidade : 1,04 a 1,07 g/cm3

• Espessura : 0,14mm a 10mm

Poliestireno - PS• Aplicações:

– PS cristal: amorfo, duro, com brilho e elevado índice de

refração. Usado em artigos de baixo custo.

– PS resistente ao calor: difícil processamento. Usado em

gabinetes de rádio e TV, grades de ar condicionado,

ventiladores e exaustores, eletrodomésticos.

– PS de alto impacto: contém borracha. Usado para gavetas de

geladeira e brinquedos.

– PS expandido: é conhecido como isopor. Usado como

protetor de equipamentos, isolante térmico, pranchas de

flutuação, geladeiras isotérmicas.

Poliestireno - PS

Polietileno - PE

• Monômero : H2C-CH2 Etileno (gás)

• Polímero: -(CH2-CH2)n Polietileno

• Densidade : 0,94 a 0,98 g/cm3

• Espessura: 0,3mm a 20mm

Polietileno - PE• Aplicações:

– Objetos de uso doméstico;

– Embalagens;

– Revestimento de frigorífico;

– Material hospitalar;

– Brinquedos;

– Peças automobilísticas;

– Garrafas flexíveis

Polietileno - PE

Poli (cloreto de vinila) - PVC

• Monômero : H2C=CHCl Cloreto de vinila (gás)

• Polímero : -(CH2 – CHCl)n Poli (cloreto de vinila)

• Densidade : 1,4 g/cm3

Poli (cloreto de vinila) - PVC

• Características:

– Resistente à ação de fungos, bactérias, insetos e roedores;

– Resistente à maioria dos reagentes químicos;

– Bom isolante térmico, elétrico e acústico;

– Impermeável a gases e líquidos;

– Resistente a intempéries;

– Durável;

– Não propaga chamas;

– Baixo custo

Poli (cloreto de vinila) - PVC

• Aplicações:

– PVC rígido: duro e tenaz. Usado em tubos, carcaças de utensílios domésticos, baterias, instalações elétricas, cartões de crédito, construção civil

– PVC flexível: revestimento de fios e cabos elétricos, cortinas de banheiro, bandejas, cintos, mangueiras de jardim, artigos infláveis, garrafas de água mineral, frascos de cosméticos.

– PVC de alto impacto: utilizado em exteriores como perfis de janelas, pavimentos, revestimentos de fachadas

Poli(cloreto de vinila) - PVC

Poli(tetrafluoretileno) - PTFE

• Características:– Boa resistência mecânica, térmica e química;– Fácil reciclabilidade;– Baixo coeficiente de fricção;– Baixa aderência;– Boa resistência ao impacto

Poli(tetrafluoretileno) - PTFE

• Aplicações:– Garrafas para óles vegetais e produtos de limpeza;– Na forma de fibras(roupas) não amassa e tem lavagem e

secagem rápidas;– Películas cinematográficas;– Fitas magnéticas;– Filmes;– Placas para radiografia;– Carburadores e componentes elétricos de carros

Poli(tetrafluoretileno) - PTFE

Poli(metacrilato de metila) - PMMA

• Características: – Semelhante ao vidro;– Conhecido como acrílico;– Propriedades mecânicas boas;– Resistência ao impacto boa;– Resistência a intempéries elevada;– Tranparente

Polimetacrilato de metila - PMMA

• Aplicações:– Painéis;– Letreiros;– Vidraças;– Fibras ópticas;– Visores;– Lentes;– Vidros de relógio

Poli(metacrilato de metila) - PMMA

Policarbonato - PC

• Características:– Semelhante ao vidro (transparência);– Excelente resistência ao impacto;– Excelente propriedades mecânicas;– Boa estabilidade dimensional;– Resistência a intempéries;– Resistência a chama;– Bom isolamento térmico;– Boa usinabilidade

Policarbonato - PC

• Aplicações:– Compact-Discs(CD´s)– Janelas de segurança;– Óculos de segurança;– Bandejas, jarros de água, tigelas, frascos;– Escudos de proteção;– Aquários;– Garrafas retornáveis;– Visores de máquinas

Policarbonato - PC

Copolímero Acrilonitrila-butadieno-estireno - ABS

• Aplicações:– Cartões telefônicos;– Malas de viagem;– Capacetes;– Brinquedos;– Peças automobilísticas

Acrilonitrila-butadieno-estireno ABS

Poliamidas - Nylon

• Características:– Boas propriedades mecânicas;– Resistente a abrasivos;– Baixo coeficiente de atrito;– Absorve água e outros líquidos

Poliamidas - Nylon

Resinas Fenólicas - Termorrígidos

• Laminado Industrial Termofixo , obtido da combinação de tecidos de algodão ou papéis especiais com resinas do tipo Fenólica. O resultado desta combinação é um produto que pode ser fornecido de várias formas: chapas , tarugos, tubos , peças usinadas e moldadas em geral

Resinas Fenólicas - Termorrígidos

• Baixo peso específico : 1,3 - 1,4; • Baixo coeficiente de atrito : normal 0,22 / grafitado 0,07; • Resistente a altas temperaturas (até 150oC); • Excelente resistência mecânica; • Baixa absorção de água; • Resistente a óleos e graxas minerais; • Isolante elétrico;• Fácil de ser trabalhado;• Resistente a água do mar; • Resistente a agentes corrosivos (ácidos);• Estabilidade dimensional

Resinas Fenólicas - Termorrígidos• Aplicações:

– buchas, mancais, polias, guias para laminadores, flanges etc.

– peças frezadas torneadas , plainadas , furadas tais como : engrenagens(modulo 2 - 5 ), anéis de vedação , polias , etc.

– mini-engrenagens, palhetas para bombas de vácuo, etc..– Alongamento para motores;– telefones;– Instalações elétricas

Resinas Fenólicas - Termorrígidos

Produtos:

Epoxis - Termorrígidos

– Automotiva – Embalagens de bebidas e alimentos (enlatados) – Construção civil (revestimentos de pisos, adesivos) – Naval e Nautico – Eletrodomésticos – Autopeças – Eletroeletrônicos – Manutenção anti-corrosiva – Móveis – Transformadores de distribuição – Buchas Isoladoras, Disjuntores – Transformadores de medição de corrente e potencial

Epoxis - Termorrígidos

Produtos:

Poliésteres - Termorrígidos

– Alta resistência mecânica;– Alta resistência elétrica;– Estabilidade dimensional;– Resistência ao UV;– Auto-extinção;– Resistência química;– Resistência a temperatura

Poliésteres - Termofixos

– Chaveiros, Crachás, Placas Indicativas;– Relógios;– Eletro-eletrônicos;– Automobilístico;– Móveis escolares;– Capacetes

Características próprias das Macromoléculas

Emaranhamento de cadeias

Grande somatória de forças intermoleculares

Baixa velocidade de deslocamento

Distribuição de Massa Molar

Distribuição de Massa Molar

Polímeros Não Lineares

Cadeias ramificadas Cadeias entrecruzadas

Polímeros Não Lineares

Cadeias micelares Dendrímeros

Vulcanização: Um exemplo de reticulação de polímeros

A Transição Vítrea

A Transição Vítrea

Cristalinidade em Polímeros

Cristalinidade em Polímeros

Cristalinidade em Polímeros

Cristalinidade em Polímeros

Cristalinidade em Polímeros

Cristalinidade em Polímeros

Taticidade

Taticidade

Fibras

Elastômeros Termoplásticos

• Ionômeros

Elastômeros Termoplásticos

• Copolímeros Bloco

Elastômeros Termoplásticos