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Ano Letivo 2013/2014
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POLÍMEROS
Os polímeros sempre fizeram parte do nosso quotidiano. Desde os tempos
mais remotos o homem tem usado polímeroscomo, por exemplo, amido, celulose
e seda, denominados polímeros naturais. Atualmenteé enorme a quantidade de
bens materiais que nos cercam, produzidos a partir destas macromoléculas, uma
vez que são utilizadas em quase todas as áreas da atividade humana (industria
automóvel, têxtil, de embalagens, entre outras).Além disso, cerca de 18% do nosso
organismo é constituído por proteínas (polímero natural).
Um polímero é uma macromolécula, natural ou artificial, constituída por um
número não especificado de unidades moleculares (monómeros), ligadas entre si
através de ligações covalentes.
Um polímero distingue-se
de uma molécula muito
grandepor ter uma unidade
estruturalque se repete,
formando grandes cadeias
poliméricas.Em alguns casos, as
ligações entre monómeros conduzem a cadeias
lineares, com ou sem ramificações, e noutros, a cadeias
ligadas entre si formando estruturas tridimensionais.
Quando os polímeros são obtidos por reação
entre monómeros da mesma natureza designam-se por
homopolímeros. Contudo, se as cadeias forem
constituídas por mais do que um tipo de monómeros, a
macromolécula resultante é designada por
copolímero.
MONÓMERO (Etileno) POLÍMERO (Polietileno)
do grego… muitas partes
Fenol (polímero de cadeia
tridimensional)
Poliéster (polímero de cadeia linear)
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O termo polímero é atribuído a representações ideais de estruturas de longas
cadeias. O termo plástico refere-se aos polímeros aplicados tecnologicamente. Os
polímeros com impurezas resultantes do seu processamento, juntamente com
aditivos para produzir efeitos específicos durante a transformação ou no produto
acabado, resultam nos plásticos.
Os aditivos são substâncias que se incorporam nos polímeros, de maneira a
conferir-lhes propriedades específicas, quer durante a transformação, quer como
produtos acabados. Esta incorporação é precisa, dado que os polímeros só
excecionalmente podem ser utilizados isolados de outros materiais para produzir
artigos e componentes, devido às suas características limitadas. Entre estas, citam-
se a instabilidade aos agentes atmosféricos, a baixa resistência mecânica e a
inflamabilidade. Os aditivos, que permitem compensar essas limitações, são
determinantes na tecnologia dos materiais plásticos.
Neste contexto, uma operação importante é a mistura, na qual se juntam os
polímeros e aditivos, tendo em consideração o processo de transformação a
utilizar e as propriedades que exigem no produto final. Esta operação realiza-se na
maior parte dos casos em equipamentos específicos designados misturadores.
O objetivo da mistura é obter um contacto físico e uma dispersão uniforme
dos aditivos. A eficiência desta, depende do material a ser processado, no
entanto, pode dizer-se que algumas operações de mistura são sempre
completadas durante o processamento do material.
Exemplo da transformação de um polímero em plástico:
POLÍMEROS PLÁSTICOS =
POLICLORETO DE
POLIVINILA
PLASTIFICANTE
(E IMPUREZAS)
PVC
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APLICAÇÃO DE ADITIVOS
Plastificantes: permitem a diminuição da temperatura de processabilidade do
polímero para valores menores do que sua temperatura de decomposição.
Os plastificantes modificamtambém as propriedades do produto final,
garantindo maior deformabilidade e consequente menor fragilidade.
Estabilizadores: evitam a degradação dos plásticos por agentes físicos e
químicos (calor, radiação UV, etc);
Corantes e pigmentos:coloramos polímeros por adição de partículas sólidas
finamente dispersas ou por dissolução de compostos orgânicos adequados,
uma vez que os polímeros são,na sua maioria, incolores ou têm uma cor entre
o branco e o castanho-escuro.
Retardantes de chama: alteram o comportamento de determinados plásticos
quando expostos à chama. Estes aditivos atuam evitando que o material
inflame, que se propague a chama ou que haja formação de fumo. Apesar
da sua eficiência, estes retardantes produzem gases tóxicos prejudiciais à
saúde.
Cargas: podem ser divididas em cargas diluentes ou de reforço. As cargas de
reforço, como as fibras de vidro ou carbono, melhoram a resistência
mecânica das peças fabricadas. Já as cargas diluentes ou inertes são
incorporadas ao polímero visando diminuir os custos de produção, pois estes
aditivos são mais baratos que as resinas;
Lubrificantes: são compostos orgânicos de baixo peso molecular, e
relativamente insolúveis nos polímeros, tendo por issoa propriedade de migrar
para a superfície formando um revestimento, que inibe a aderência dos
plásticos às superfícies metálicas.
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Polietileno (PE)
Cloreto de polivinila (PVC)
Polipropileno (PP)
Poliisopreno
Polibutadieno
Poliuretano
Poliéster
Resinas epóxi
Classificação dos POLÍMEROS
São aqueles que
existem na natureza
Obtidos por
transformação química
de um polímero natural
São novos materiais
obtidos industrialmente
sem necessidade de
precursores naturais
NATURAIS ARTIFICIAIS (semi-sintéticos)
SINTÉTICOS
Termoplásticos
Polímeros lineares ou
ramificados que
necessitam de calor para
serem moldados por
meios mecânicos. Após o
arrefecimento, tomam a
forma que lhes foi
conferida pelo processo
de fabrico e a rigidez
inicial.
Classificação relativa ao comportamento perante aquecimento
Polímeros que se moldam
numa determinada
forma permanente e
endurecem após uma
determinada reação
química (reticulação).
Capas de
polipropileno
Termofixos Elastómeros
São materiais que
podem ser deformados
a elevadas tensões e
recuperam rapidamente
quando a tensão é
retirada.
Borracha de
Poliisopreno
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Praticamente todos os monómeros
formam cadeias poliméricas no início da
reação.
Para se obterem polímeros de elevada
massa molecular relativa é necessário um
elevado tempo de reação.
O comprimento médio da cadeia
polimérica aumenta gradualmente ao
longo da reacção.
A velocidade da reação de
polimerização é baixa.
reacções química que dão origem aos polímeros de…
ADIÇÃO
A concentração de monómeros
decresce progressivamente durante a
reação.
Há formação de polímeros com
elevada massa molecular relativa logo
nos instantes iniciais.
O comprimento médio da cadeia
polimérica não varia significativamente
durante a polimerização.
A velocidade da reação de
polimerização é elevada.
Os polímeros sintéticos obtém-se por
REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO
CONDENSAÇÃO
POLIOLEFINAS
POLIACRÍLICOS
ELASTÓMEROS
POLIAMIDAS
POLIÉSTERES
POLIUTERANOS
FAMÍLIAS DE POLÍMEROS
Formam-se por união das moléculas de
um monómero não saturado.
Formam-se por eliminação de água ou de
outra molécula simples entre os monómeros.
REAÇÕES DE ADIÇÃO REAÇÕES DE CONDENSAÇÃO
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PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS
As propriedades dos polímeros são consequências principalmente das altas
massas moleculares destes. Quanto maiores as macromoléculas, melhores as suas
propriedades mecânicas (polímeros de interesse comercial apresentam
geralmente massas moleculares médias superiores a 10.000).
São as propriedades de cada polímero que irão determinar como este será
utilizado, tais como:
resistência mecânica;
resistência térmica;
estabilidade perante substâncias químicas;
resistência elétrica;
permeabilidade a gases;
(outras)
Por serem muito longas, as cadeias poliméricas entrelaçam-se, formando um
emaranhado que interage fortemente. Esta é uma das razões da grande
resistência mecânica dos polímeros, o que possibilita que sejam utilizados na
confeção de diversos objetos.
Se as cadeias de macromoléculas estiverem não apenas entrelaçadas, mas
unidas através de ligações químicas cruzadas, a resistência mecânica é
aumentada, permitindo a confeção de peças bastante resistentes. Estes polímeros
conseguem suportar condições relativamente rigorosas de uso, como choques ou
atritos. Outras vantagens da presença de muitas ligações cruzadas entre as
cadeias de macromoléculas são a estabilidade e a resistência térmica.
Uma prática bastante comum na indústria de polímeros é a adição de
substâncias (aditivos), o que também lhes confere propriedades especiais.
ESTRUTURA CRISTALINA
Além da natureza química dos monómeros e da massa molecular dos
polímeros, outro importante fator que afeta as propriedades dos materiais
poliméricos é a estrutura macromolecular (ou cristalina).
Os polímeros podem existir em estado amorfo ou cristalino (na grande maioria dos
casos, a estrutura do polímero apresenta-se parcialmente amorfa ou cristalina).
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No primeiro caso, estado amorfo, ocorre uma disposição desordenada
das moléculas. No segundo caso,estado cristalino, há uma ordenação
tridimensional.
DENSIDADE DOS POLÍMEROS
Os polímeros apresentam uma densidade relativamente baixa se
comparados a outros materiais. A faixa de variação de densidade destes
materiais estende-se de aproximadamente 0,9 g/cm3 ate 2,3 g/cm3 (mais
leves que metais ou cerâmica).
CONDUTIBILIDADE TÉRMICA
A condutibilidade térmica dos polímeros situa-se na faixa de 0,15 a 0,5
W/mK. Um motivo para baixa condutibilidade térmica destes materiais é a
falta de eletrões livres no material.
Uma desvantagem da baixa condutibilidade térmica aparece no
processamento dos polímeros. O calor necessário para o processamento
só pode ser introduzido lentamente, e no final do processamento,
também é novamente de difícil remoção.
CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA
Em geral os polímeros são maus condutores de energia elétrica. Têm
elevada resistência e por isso, baixa condutibilidade em comparação a
outros materiais. A resistência elétrica dos polímeros é dependente da
temperatura, e diminui com o aumento da temperatura.
Ex: O Polietileno é 3 vezes mais leve que o alumínio e 8 vezes mais leve que o aço.
A condutividade térmica dos polímeros é cerca de mil vezes menor que a dos
metais. Por esta razão, são altamente recomendados em aplicações que
requeiram isolamento térmico, particularmente na forma de espumas.
A razão para a baixa condutibilidade elétrica é a mesma para a térmica, a
falta de eletrões livres. Observando esta propriedade os polímeros são
altamenteindicados para aplicações onde se requeira isolamento elétrico.
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É possível melhorar a condutibilidade elétrica dos polímeros introduzindo-
se pós metálicos nesses materiais. A adição de cargas especiais
condutoras (limalha de ferro, negro de fumo) pode tornar polímeros maus
condutores, evitando a acumulação de eletricidade estática (perigosa
em certas aplicações).
PERMEABILIDADE À LUZ
Os termoplásticoscomo o policarbonato, o acrílico, o cloreto de polivinilo
bem como a resina de poliéster, apresentam uma transparência que não
se diferencia consideravelmente da transparência do vidro que chega a
90% (que corresponde a um nível de transmissão de 0,9).
RESISTÊNCIA À CORROSÃO
As ligações químicas presentes nos polímeros sintéticos conferem-lhes
maior resistência à corrosão (por oxigénio ou produtos químicos) do que
no caso dos metais (ligação metálica).
Contudo, estes polímeros não são completamente invulneráveis ao
problema (por exemplo: um CD não pode ser limpo com terebintina
porque esta danificaria a sua superfície).
POROSIDADE
O facto de as macromoléculas de um polímero apresentarem espaços,
relativamente grandes entre si, confere baixa densidade a este, o que é
uma vantagem em certos aspetos.
Este espaço entre moléculas faz com que a difusão de gases através dos
polímeros sintéticosseja alta. Por outras palavras, estes materiais
apresentam alta permeabilidade a gases (propriedade que varia de
polímero para polímero).
Alterações das condições do meio ambiente (ex: a variação de
temperatura),podem causar turgidez e por isso alterar a transparência dos
materiais.
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SIMBOLOGIA E RECICLAGEM DOS POLÍMEROS
SIMBOLOGIA
Existe uma simbologia gravada nas embalagens ou nas peças de plástico
que as classifica e que facilita a identificação do tipo de reciclagem efetuada.
Os plásticos são representados por um triângulo equilátero, composto por
três setas e o número de identificação ao centro.
A reciclagem do plástico exige cerca de 10% de energia utilizada no
processo primário (processo de fabrico original do plástico).
RECICLAGEM
De uma forma genérica, a reciclagem tem como finalidade a valorização
dos desperdícios domésticos e industriais, através da produção de novos objetos
para os mesmos ou outros usos.
Antes de qualquer tipo de reciclagem, a densidade é um dos métodos mais
simples e prático de separação e identificação dos diferentes polímeros uma vez
que os mais utilizados têm densidades diferentes.
POLÍMEROS Densidade (g/cm3)
Poli(tereftalato de etileno) PET 1,29 – 1,40
Poli(etileno) de alta densidade PEAD 0,952 – 0,965
Poli(cloreto de vinilo) –(rígido) PVC 1,30 – 1,58
Poli(cloreto de vinilo) –(flexível) PVC 1,16 – 1,35
Poli(etileno) de baixa densidade PEBD 0,017 – 0,940
Polipropileno PP 0,900 – 0,910
Poliestireno – (sólido) PS 1,04 – 1,05
Poliestireno – (espuma) PS Menor que 1,00
C ó d i g o d e
r e c i c l a g e m
D e s i g n a ç ã o
d o p o l í m e r o
PET Poli(teraftalato
de etileno)
HDPE Polietileno
de alta
densidade
PVC Policloreto
de vinilo
LPPE Polietileno
de baixa
densidade
LDPE Polietileno
de baixa
densidade
PP Polipropileno
OUTROS Outros tipos
de plásticos
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Para além da separação por densidades, a reciclagem pode ter várias vertentes:
RECICLAGEM MECÂNICA
RECICLAGEM ENERGÉTICA_ Recuperação da energia contida nos plásticos através de
processo térmicos e distingue-se da incineração por utilizar os resíduos plásticos como
combustível na produção de energia elétrica.
RECICLAGEM QUÍMICA_Reprocesso dos plásticos transformando-os em monómeros ou
misturas de hidrocarbonetos que vão servir de matéria-prima em refinarias para a
obtenção de produtos nobres. Atualmente, este tipo de reciclagem, para além de
permitir a mistura de plásticos, eduzindo assim os custos de pré-tratamento, de recolha e
de seleção, permite aceitar plásticos com determinado grau de contaminação.
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PROCESSOS DE MODIFICAÇÃO DE POLÍMEROS
Biodegradação
O problema do lixo derivado dos plásticos tornou-se crucial nos últimos anos,
especialmente em relação aos problemas ambientais, o que levou a um aumento
no interesse do desenvolvimento dePOLÍMEROS BIODEGRADÁVEIS.
A biodegradação é o resultado da ação enzimática de microrganismos e das
condições nas quais eles atuam, já que estão relacionadas com todas as
características do meio.
Existem três elementos
indispensáveis para o processo de
biodegradação de polímeros no
estado sólido:
AMBIENTE
SUBSTRATO
MICRORGANISMOS
DEGRADAÇÃO - provoca a modificação estrutural do material, alterando as suas
qualidades e desempenhos através de um conjunto de reações possíveis num
determinado polímero.
Polímeros cuja degradação deve originar produtos biológicos
(biogás, húmus, biomassa,…) e deve ser efetivada num intervalo de
tempo próximo do tempo de biodegradação de materiais naturais.
Um polímero biodegradável pode ter origens naturais ou sintéticas.
Biodegradação de polímeros
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Quimiodegradação
A quimiodegradação modifica a estrutura do material através de uma
oxidação, de uma digestão ou de uma hidrólise, transformando-o em substâncias
assimiláveis ao meio natural.
Fotodegradação
A fotodegradação de um polímero consiste na degradação desse material,
por ação da luz,através de radiação mais energética, principalmente da luz
ultravioleta.
Todos os polímeros são sensíveis à luz, razão pela qual todos os plásticos
possuem aditivos que retardam este efeito. Da mesma forma, eles podem conter
aceleradores de fotodegradação, que entram em ação assim que os
retardadores forem consumidos.
Fatores mais importantes no processo de fotodegradação:
AÇÃO DA LUZ
PRESENÇA DE PROMOTORES (os mais vulgares são
compostos com grupo carbonilo e sais de complexos metálicos)
Conjunto de técnicas aplicadas para controlar a
decomposição de materiais orgânicos.
Os polímeros que são solúveis em água durante a compostagem
chamam-se polímeros hidrossolúveis e, são geralmente derivados
de álcool polivinílico.
Hidrólise de um polímero (PLA)
A fotodegradação não provoca problemas ambientais.
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APLICAÇÕES DE POLÍMEROS NO DESPORTO
BOLA DE FUTEBOL
Um exemplo bastante popular da aplicação da química de polímeros no desporto é-
nos dado pela bola de futebol. As modernas bolas de futebol são constituídas por 3
camadas essenciais.
OUTRAS APLICAÇÕES
POLIURETANO
POLIAMIDA (KEVLAR)
POLIAMIDA (NYLON)
A mais interior, logo sobre a câmara-de-ar, é formada
por películas de poliéster e algodão. É esta camada
que determina a forma como a bola salta.
Câmara-de-ar
A segunda camada é constituída por painéis de
poliuretano ou polietileno vinil-acetato. Estes painéis já
não apresentam costuras cosidas, pois são soldados
quimicamente entre si, contribuindo assim para uma
total impermeabilidade à água.
Poliéster
e algodão
Painéis de
poliuretano/
polietileno
vinil acetato A última camada é muito importante para a qualidade
final da bola, pois define a resistência à deslocação no
ar e sobre a relva. É também a camada mais sujeita ao
desgaste e, portanto, a mais exigente na qualidade dos
materiais, utilizando-se normalmente no seu fabrico uma
solução de poliuretano.
Solução de
poliuretano
POLIBUTADIENO E SURLYN