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ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
MATERIAIS POLIMÉRICOS
Prof. Rubens Caram
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HISTÓRICOANTIGUIDADE: RESINAS E GRAXAS USADAS PARA VEDAR VASILHAMES E COLAR DOCUMENTOS, PELOS EGÍPCIOS E ROMANOS
SÉC. XV: COLOMBO DESCOBRE NO HAITI O LATEX (CAOUTCHOUC) E LEVA-O A EUROPA
SÉC. XVII: ORIGEM DO LATEX NAS AMÉRICAS: EXTRAÍDO DA HEVEA BRASILIENSIS (SERINGUEIRA)
1770: PRIESTLEY DEU NOME À BORRACHA NATURAL
1839: CHARLES GOODYEAR – ACIDENTALMENTE DESCOBRIU A VULCANIZAÇÃO DA BORRACHA DE LATEX – SUA PATENTE GEROU MAIS DE 150 PROCESSOS EM 12 ANOS – MORREU ENDIVIDADO EM 1860
1846: SCHÓNBIEN, ALGODÃO + ÁCIDO NÍTRICO, OBTEVE A NITROCELULOSE (1º. POLÍMERO SEMI-SINTÉTICO) – ACIDENTE COM HNO3+H2SO4 + CELULOSE :
NITRATO DE CELULOSE: INFLAMÁVEL
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HISTÓRICO
1897: KRISHE E SPITTLER, FORMALDEIDO + CASEINA, OBTEVE UM PRODUTO ENDURECIDO
1912: BAEKELAND, FENOL+FORMALDEÍDO=BAQUELITE (RESINA FENÓLICA)
1924: STAUDINGER, TEORIA DOS PLÁSTICOS
1929: CAROTHERS DESCOBRIU QUE OS POLÍMEROS SÃO FORMADOS POR MONÔMEROS
1938: CAROTHERS SINTETIZOU O NYLON
NYLON: “NOW YOU ARE LOST OLD NIPPON”
NYLON: “NEW YORK – LONDON”
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MATERIAIS POLIMÉRICOSNATURAL
POLISSACARÍDEOS (CELULOSE, AMIDO)PROTEINAS (BIOPOLÍMEROS, LÃ)NATURAL (POLIISOPRENO)
SINTÉTICOBORRACHASPLASTICOSFIBRASADESIVOS, RECOBRIMENTOS
NATURALARGILAS, AREIA
SINTÉTICOFIBRAS (FIBRAS ÓTICAS)BORRACHAS (SILICONES)
OR
GÂ
NIC
OS
INO
RG
ÂN
ICO
S
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MATERIAIS POLIMÉRICOS
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS:
BAIXO CUSTO
BAIXA DENSIDADE*
BAIXA REATIVIDADE
ALTA RESISTÊNCIA ELÉTRICA
BAIXA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
DENSIDADES:
AÇO = 8 g/cm3
Al = 2,7 g/cm3
VIDRO = 2,6 g/cm3
POLÍMEROS = 0,9 - 1,5 g/cm3
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PROPRIEDADES X APLICAÇÕES
AEROESPACIAL (ESTABILIDADE TÉRMICA E OXIDATIVA)
ENGENHARIA (SUBSTITUIÇÃO DE METAIS)
FIBRAS DE ALTO MÓDULO, PARA USO EM CORDAS DE PNEUS
POLÍMEROS NÃO INFLAMÁVEIS (MÓVEIS E CONSTRUÇÃO CIVIL)
POLÍMEROS DEGRADÁVEIS (LIBERAÇÃO CONTROLADA DE DROGAS, PESTICIDAS, FERTILIZANTES)
APLICAÇÕES MÉDICAS (SUTURAS DEGRADÁVEIS, ÓRGÃOS ARTIFICIAIS)
ELETRÔNICA (PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS, ISOLANTES, BATERIAS)
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DE ONDE VEM OS POLÍMEROS?
São necessárias ~ 30 ton de petróleo para se produzir ~ 1 ton de PP ou PE
∗∗
∗∗∗
→
→
→∗
∗∗
→
(17%)Asfalto(20%)teslubrificanÓleos(20%)sparafínicaGraxas
(5%)Diesel(10%)Querosene
(14%)Outros(5%)Butileno(3%)Propano(24%)Propileno
(8%)Etano(31%)Etileno(16%)Metano
(1%)Hidrogênio
(12%)Nafta
(14%)Gasolina(2%)GLP
PETRÓLEOenoPolipropil
oPolietilen
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NOMENCLATURA BASEADA NA ESTRUTURA DO(S) MONÔMERO(S):
PREFIXO POLI AO NOME DO MONÔMERO, QUANDO O NOME DO MONÔMERO É UMA EXPRESSÃO ELE DEVE APARECER ENTRE PARÊNTESES. EX.:
POLIETILENO,POLIPROPILENO,POLI (CLORETO VINILA), POLI (METACRILATO DE METILA), POLI(ETILENO TERAFTALATO). PODE-SE AINDA USAR O NOME ESTRUTURAL DOS MONÔMEROS.
NOMENCLATURA
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SIGLAS
PVA Poli(acetato de vinila)
PTFE Poli(tetrafluoretileno)PS PoliestirenoLDPE Polietileno de baixa densidadeHDPE Polietileno de alta densidadeABS Poli(acrilonitrila-butadieno-estireno)PP PolipropilenoPMMA Poli(metacrilato de metila)HPS Poliestireno de alto impactoPET Poli(etileno teraftalato)
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SIGLAS E RECICLAGEM
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MATERIAIS POLIMÉRICOS: PRODUTOS
POLICARBONATO
POLIÉSTER
CELULOSE
POLIESTIRENO
NYLON, PE
POLIBUTILENO, POLI(ESTIRENO-ISOPRENO), KEVLAR
MAIS DE 25.000 NOMES COMERCIAIS
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ETILENO POLIETILENO
PROPILENO POLIPROPILENO
MATERIAIS POLIMÉRICOS: PRODUTOS
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ACRILONITRILA-BUTADIENO-ESTIRENO
POLIBUTADIENO
CELULOSE
MATERIAIS POLIMÉRICOS: PRODUTOS
POLIURETANA
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FORMADO PELA COMBINAÇÃO DE UM GRANDE NÚMERO DE UNIDADES DE REPETIÇÃO (MONÔMEROS)
MASSA MOLAR: 103 A 106 g/mol
AS PRINCIPAIS CLASSES, OS POLÍMEROS SÃO CONSTITUÍDOS DE: C, H, O, N
O QUE É UM POLÍMERO?
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TAMANHO DA MOLÉCULA
SUBSTÂNCIA NÚMERO DE UNIDADES ESTADO FÍSICOREPETITIVAS
ETANO 2 GÁS
HEXANO 6 LÍQUIDO
ÓLEO MINERAL 20-30 LÍQUIDO VISCOSO
PARAFINA 100-200 CÊRA
POLIETILENO 7000-18000 PLÁSTICO
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TAMANHO DA MOLÉCULA
HIDROCARBONETOS CONSTITUINTES DO PETRÓLEO
Hidrocarboneto Faixa de Ebulição, oC Nome
C1 a C4 -160 a 0 gás
C5 a C11 30 a 200 gasolina
C10 a C16 180 a 400 querosene, óleo diesel
C17 a C22 acima de 350 lubrificantes
C23 a C34 sólidos de baixo parafinas
ponto de fusão
> C35 sólidos asfalto
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Monômeros de Vinil-cloretocada monômero apresenta doisátomos de carbono com ligaçõesduplas covalentes.
Polímero – poli vinil cloreto PVCcada ligação dupla forneceuma ligação para “conectar” com outro monômero formando um polímero.
POLÍMEROS
TERMO “POLÍMERO” SIGNIFICA MUITOS “MEROS”, UNIDADES DE FORMAÇÃO DE UMA MOLÉCULA LONGA
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MACROMOLÉCULAS
CADA CLIPE PODE SER ENTENDIDO COMO UMA UNIDADE DE REPETIÇÃO
PONTOS DE DERIVAÇÃO SÃO “CARBONOS” QUE SE LIGAM EM DIREÇÕES DIFERENTES
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PLÁSTICO VS POLÍMERO
MUITAS VEZES UTILIZADOS COMO SINÔNIMOS E CHEGAM A SER CONFUNDIDOS
MATERIAIS PLÁSTICOS, DE FATO, SÃO ESTRUTURAS POLIMÉRICAS
PLÁSTICO DERIVA DO GREGO PLASTIKÓS, QUE SIGNIFICA “RELATIVO ÀS DOBRAS DO BARRO”, EM LATIM TRANSFORMOU–SE EM PLASTICU, QUE SIGNIFICA: “QUE PODE SER MOLDADO”.
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AS MACROMOLÉCULAS
ÁTOMOS DE CARBONO DO EIXO DA MOLÉCULA PODEM GIRAR E AINDA MANTER O ÂNGULO CORRETO. É POSSÍVEL FORMAR POLÍMEROS COM FORMAS COMPLEXAS
LIGAÇÕES COVALENTES ENTRE OS ÁTOMOS DE CARBONO EM UMA CADEIA POLIMÉRICA.
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PRINCÍPIOS DE POLIMERIZAÇÃO
REAÇÃO ENTRE UM OU VÁRIOS TIPOS DE MONÔMEROS, PRODUZINDOS POLÍMEROS
PRODUTO FINAL
CONFORMAÇÃO
POLÍMEROS SINTÉTICOS
POLÍMEROS NATURAISFONTES DE MATÉRIA-
PRIMA
PROCESSOS QUÍMICOS E/OU FÍSICOS
SUBSTÂNCIAS INTERMEDIÁRIAS
PROCESSOS QUÍMICOS INTERMEDIÁRIOS
MONÔMEROS
POLIMERIZAÇÃO
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MONÔMEROSMONÔMEROS SÃO SUBSTÂNCIAS CONSTITUÍDAS POR PEQUENAS MOLÉCULAS CUJAS LIGAÇÕES SÃO COVALENTEMONÔMERO DEVE TER PELO MENOS 2 PONTOS REATIVOS EM CADA MOLÉCULAPONTOS REATIVOS CORRESPONDEM ÀS LIGAÇÕES INSATURADAS ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO E GRUPOS FUNCIONAIS OXIGENADOS OU NITROGENADOS
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PROCESSOS DE POLIMERIZAÇÃO
EXISTEM 2 TIPOS DE BÁSICOS DE PROCESSOS DE POLIMERIZAÇÃO
POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO
POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO
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POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO
PONTOS REATIVOS DO MONÔMERO SURGEM DA RUPTURA DA LIGAÇÃO DUPLA C=C E FORMAÇÃO DE DUAS LIGAÇÕESNÃO EXISTE A FORMAÇÃO DE SUBPRODUTOSOCORRE EM TRÊS ETAPAS:
INICIAÇÃO: APLICAÇÃO DE CALOR, LUZ, PRESSÃO OU CATALIZADOR PARA A RUPTURA DE LIGAÇÕES DUPLASPROPAGAÇÃO: CRESCIMENTO DE CADEIAS POLIMÉRICASTÉRMINO: DESAPARECIMENTO DE PONTOS REATIVOS
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POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO
REPRESENTAÇÃO GERAL
POLIETILENO
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POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO
OCORRE PELA REAÇÃO DE DUAS OU MAIS SUBSTÂNCIAS DIFERENTES
FORMAÇÃO DE CADEIAS POLIMÉRICAS ENVOLVE A ELIMINAÇÃO DE SUBPRODUTOS: ÁGUA, HCl ...
MONÔMEROS BIFUNCIONAIS: CADEIAS LINEARES
MONÔMEROS TRIFUNCIONAIS: RETÍCULOS TRIDIMENSIONAIS
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POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO
BIFUNCIONAIS EXEMPLO
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POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO
TRIFUNCIONAIS BAQUELITE
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COPOLIMERIZAÇÃO
POLIMERIZAÇÃO PELA ADIÇÃO DE DOIS OU MAIS MONÔMEROS DISTINTOS: COMONÔMEROS
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CLASSIFICAÇÃO DOS COPOLÍMEROS
Copolímero alternado diferentes meros dispostosalternadamente na cadeia
----- A – B – A – B – A – B ----
Copolímero bloco em alternância entre seqüências (blocos) dos meros diferentes
---- A – A – A – B – B - B – A – A – A ----
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BLENDAS POLIMÉRICAS
MISTURA FÍSICA OU MECÂNICA DE DOIS OU MAIS POLÍMEROS
INTERAÇÃO INTERMOLECULAR SECUNDÁRIA (COMO FORÇAS DE VAN DER WAALS, FORÇAS DE DISPERSÃO, ETC)
NÃO OCORRE QUALQUER REAÇÃO QUÍMICA TRADICIONAL ENTRE AS CADEIAS MOLECULARES DOS DIFERENTES POLÍMEROS
MUITAS BLENDAS POLIMÉRICAS SÃO UTILIZADAS COMO PLÁSTICOS DE ENGENHARIA, COM MUITAS APLICAÇÕES, PRINCIPALMENTE NAS INDÚSTRIAS AUTOMOBILÍSTICA E ELETRO-ELETRÔNICA
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BLENDAS
BLENDAS: MISTURA MECÂNICA DE POLÍMEROS
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CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS
EM RELAÇÃO AO CALOR:
TERMOPLÁSTICOS
TERMOFIXOS
ELASTÔMEROS
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TERMOPLÁSTICOS
MATERIAIS QUE PODEM SER AMOLECIDOS SOB AÇÃO DE CALOR, DEFORMAM-SE SOB AÇÃO DE TENSÕES E APÓS O RESFRIAMENTO RECUPERAM A NATUREZA SÓLIDA. PROCESSO PODE SER REPETIDODE USO COMUM: SÃO AQUELES FEITOS EM GRANDE QUANTIDADE E DE APLICAÇÕES MAIS SIMPLES. EX: PE, PP, PVCDE ENGENHARIA: SÃO AQUELES QUE POSSUEM PROPRIEDADES MELHORES E TEM APLICAÇÕES TÉCNICAS. EX : PTFE, PA, ETCDE USO ESPECIAL: SÃO AQUELE FEITOS EM QUANTIDADES MENORES COM PROPRIEDADES ESPECIAIS. EX: POLI(SULFONA), POLI (ÉTER-ÉTER-CETONA), POLI(AMIDA)
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TERMOFIXOS
MATERIAIS QUE PODEM SER AMOLECIDOS SOB AÇÃO DE CALOR, DEFORMAM-SE SOB AÇÃO DE TENSÕES E APÓS O RESFRIAMENTO RECUPERAM A NATUREZA SÓLIDA. PROCESSO NÃO PODE SER REPETIDO
EXEMPLO: SILICONES, POLIURETANO, EPÓXI
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BORRACHAS OU ELASTÔMEROS
NATURAIS OU SINTÉTICAS
EXIBEM ELASTICIDADE EM LONGAS FAIXAS DE DEFORMAÇÃO NA TEMPERATURA AMBIENTE APÓS O PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO
CADEIAS COM LIGAÇÕES CRUZADAS, SEMELHANTE ÀS DOS TERMOFIXOS, PORÉM EM MENOR DENSIDADE DE RETICULAÇÃO
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ESTRUTURAESTRUTURA QUÍMICA
PONTO FUNDAMENTAL DA ESTRUTURA POLIMÉRICA:
FORMAÇÃO DE LONGAS CADEIAS DE ÁTOMOS COM LIGAÇÕES COVALENTES
COMBINAÇÃO DE ESTRUTURA QUASE QUE ILIMITADA, O QUE PERMITE OBTER INÚMEROS MATERIAIS DISTINTOS
VARIEDADE DE POLÍMEROS ESTÁ ASSOCIADA ÀTETRAVALÊNCIA DO CARBONO
EXISTEM DOIS TIPOS DE CADEIAS:
CARBÔNICAS
HETEROGÊNEAS
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CADEIAS CARBÔNICAS
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CADEIAS HETEROGÊNEAS
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CONFIGURAÇÃO FÍSICA
CADEIAS POLIMÉRICAS PODEM SER:
LINEARES
RAMIFICADAS
RETICULADA (COM LIGAÇÕES
CRUZADAS)
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CONFIGURAÇÃO FÍSICA
TIPOS DE CADEIAS
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CADEIAS LINEARESSÃO FORMADAS POR MONÔMEROS BIFUNCIONAISMOLÉCULAS ADJANCENTES SÃO UNIDAS POR FORÇAS SECUNDÁRIASPLASTICIDADE AUMENTA COM A TEMPERATURASÃO TERMOPLÁSTICOS
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CADEIAS RAMIFICADASSÃO FORMADAS POR CADEIAS LINEARES COM LIGAÇÕES PERPENDICULARES AO CORPO DO MONÔMEROSRAMIFICAÇÕES AUMENTAM O ENTRELAÇAMENTO DE CADEIAS
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CADEIAS COM LIGAÇÕES CRUZADAS
POLÍMEROS COM ALTA DENSIDADE DE LIGAÇÕES CRUZADAS: TERMOFIXOSPOLÍMEROS COM BAIXA DENSIDADE DE LIGAÇÕES CRUZADAS: ELASTÔMEROSVULCANIZAÇÃO: ENXOFRE UNE DUAS MOLÉCULAS
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VULCANIZAÇÃO
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PESO MOLECULAR E SUA DISTRIBUIÇÃO
TAMANHO DA MOLÉCULA SERÁDETERMINADO PELO NÚMERO DE UNIDADES REPETIDAS QUE A FORMAMINFLUENCIA O COMPORTAMENTO DO POLÍMERO
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PESO MOLECULAR
POLÍMEROS SÃO FORMADOS POR MACROMOLÉCULAS QUE NA POLIMERIZAÇÃO CRESCEM ATÉTAMANHOS FINAIS DIFERENTESADOTA-SE A EXISTÊNCIA DE UM PESO MOLECULAR MÉDIO “M”PESO MOLECULAR MÉDIO VARIA DE 103 A 106
10.000 A 1.000.000ACETATO DE CELULOSE
200.000 A 400.000BORRACHA NATURAL
70.000 A 200.000POLIESTIRENO
40.000 A 200.000POLIPROPILENO
15.000 A 40.000POLIETILENO
PM MAIS COMUMPOLÍMERO
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PESO MOLECULAR E SUA DISTRIBUIÇÃO
MOLÉCULAS NÃO APRESENTAM SEMPRE O MESMO TAMANHO
PM DE UM POLÍMERO ESTÁ LIGADO AO TAMANHO MÉDIO DAS CADEIAS MACROMOLECULARES FORMADORAS DESTA ESTRUTURA E SUA DISTRIBUIÇÃO
TAMANHO DAS MOLÉCULAS
1
18
45
60
7670
58
27
10
10
20
30
40
50
60
70
80
15 16 17 18 20 21 22 23 24
Tamanho dos fios
Qun
atid
ade
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GRAU DE POLIMERIZAÇÃO
PESO MOLECULAR ESTÁ ASSOCIADO AO TAMANHO DAS CADEIAS POLIMÉRICASTAMANHO DAS CADEIAS É AVALIADO PELO GRAU DE POLIMERIZAÇÃO “GP”
GP = (PESO MOLECULAR DO POLÍMERO) (PELO MOLECULAR DO MERO)
EXEMPLO:
GRAU DE POLIMERIZAÇÃO DO PVC
PESO MOLECULAR = 31000
MERO – 2 ÁTOMOS DE C; 3 ÁTOMOS DE H E 1 ÁTOMO DE Cl
GP= 31000/(2X12+3X1+1X35)=500 MEROS/MOLÉCULA
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POLÍMEROS: CRISTALINIDADE
ARRANJO MOLECULAR MOSTRANDO AS FASES CRISTALINAS E AMORFANÃO SÃO COMPLETAMENTE CRISTALINOS, MAS PODEM SER COMPLETAMENTE AMORFOS
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PROPRIEDADES
EM GERAL: QUANTO MAIOR O COMPRIMENTO DA MOLÉCULA, MAIOR A RESISTÊNCIA MECÂNICA E MAIOR A RESISTÊNCIA AO CALOR
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PROPRIEDADES – DEGRADAÇÃO
DEGRADAÇÃO É QUALQUER REAÇÃO QUÍMICA DESTRUTIVA DOS POLÍMEROS, PODE SER CAUSADA POR AGENTES FÍSICOS E/OU AGENTES QUÍMICOSCAUSA MODIFICAÇÕES IRREVERSÍVEIS NAS SUAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
PODE AFETAR A CADEIA PRINCIPAL, OS GRUPOS LATERAIS OU O ARRANJO MOLECULAR ORIGINAL , PORTANTO, OCORRE MUDANÇA NAS PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS
QuímicosTérmicosFísicos
Fatores
