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Apresentação sobre a Introdução para Aditivação de Materiais Poliméricos.
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Introdução
Aditivação de Polímeros
Prof. Dr. Hamilton Viana
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O curso - Conteúdo
• Introdução
• Estabilizantes
• Plastificantes
• Lubrificantes e auxiliares correlatos
• Modificadores de impacto
• Antiestático
• Retardantes de chama
• Colorantes
• Agentes nucleantes
• Cargas
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O curso
• Conteúdo
Relacionar as propriedades físicas dos aditivos e suas aplicações;
Relacionar as principais dificuldades no processamento e de aplicação relacionando os aditivos para cada finalidade.
Estudar formas de “descoberta” de aditivos “escondidos” nas formulações
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O curso
• Critérios de Avaliação
Média = 0,9P + 0,1A
• Onde P = média das provas P1 e P2;
• A = média das atividades que serão feitas individualmente e em grupos de pesquisa.
– P2 = seminário
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O curso
• Disciplina(s) que fornece(m) subsídios para essa disciplina: Química Orgânica Materiais poliméricos Processamento de termoplásticos Processamento de termofixos e elastômeros
• Disciplina para a(s) qual(is) essa disciplina fornece subsídios: Degradação de Polímeros, Estágio Curricular e Trabalho de Conclusão de Curso (TCC).
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O curso - Bibliografia
• Básica: De Paoli M. A., Degradação e Estabilização de
Polímeros, São Paulo: Artliber Editora, 2009.
• Complementar: RABELO, M., Aditivação de polímeros, São Paulo:
Editora Artliber S.A. 2000. Clough R. L., Billingham N. C., Gillen K. T. (editors),
Polymer Durability – Degradation, stabilization, and lifetime prediction, Washington DC: American Chemical Society, 1993.
GÄECHTER, R. MÜLLER, H (editors) Plastics additives Handbook, New York: Hansen Publishers, 1985.
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Introdução
• Para atingir uma meta de proteção para os polímeros deve-se conhecer os mecanismos de degradação a que esses materiais estão sujeitos!
• A degradação destes materiais pode ser extremamente complexa, por conta da diversidade de reações químicas que podem ocorrer associadas com : Morfologia Química complexa dos estabilizantes Processos de difusão reativa Interação de cargas e outros componentes Alterações complexas entre massas molares e
propriedades mecânicas
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Importância e requisitos
• A II Guerra Mundial provocou um grande avanço da indústria de Polímeros;
• Os polímeos vêm substituindo com sucesso metais e cerâmicas em diversas aplicações;
• Novas aplicações de polímeros: Copolímeros, Blendas Compósitos Aditivos
• Os aditivos permitem que um mesmo polímero possa ser aplicado em diferentes finalidades;
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• Em geral, o aditivo deve apresentar as seguintes características: Apresentar grande eficiência na sua função; Ser estável na condição do processamento; Apresentar fácil dispersão; Apresentar estabilidade nas condições de serviço; Não migrar para a superfície do polímero Ser atóxico e não provocar gosto ou odor Não afetar negativamente as propriedades do
polímero; Ser de baixo custo
Importância e requisitos
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Tipos de aditivos
• Todos os polímeros comerciais apresentam aditivos em sua formulação: Plastificantes Estabilizantes Cargas Antiestáticos Nucleantes Lubrificantes Pigmentos Espumantes Retardantes de chama Modificadores de impacto
• Os tipos e quantidades dependem do tipo do polímero, do processo de transformação e da aplicação final da peça pronta.
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• Motivos para aditivação
Necessiadade de alteração de propriedades
do material:• Mais rígido• Mais flexível• Redução de custo
Conferir maior estabilidade ao material• Durante o processamento• Durante o serviço
Tipos de aditivos
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• Classificação geral para os aditivos
Aditivos protetores• Estabilizantes• Lubrificantes• Antiestáticos
Aditivos modificadores• Os demais
Tipos de aditivos
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• Outra classificação geral para os aditivos
Auxiliares de polimerização• Catalisadores• Iniciadores• Agentes de reticulação• Outros auxiliares:
– Solventes– Agentes de transferência– emulsificantes
Tipos de aditivos
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• Outra classificação geral para os aditivos (cont.)
Auxiliares de processamento
• Lubrificantes• Auxiliares de fluxo polimérico• solventes
Tipos de aditivos
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• Outra classificação geral para os aditivos (cont.)
Estabilizantes
• Antioxidantes• Estabilizantes térmicos• Desativadores de metais• Estabilizantes de ultravioleta• Preservativos
Tipos de aditivos
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• Outra classificação geral para os aditivos (cont.)
Modificadores de propriedades
• Antiestáticos• Retardantes de chama• Pigmentos• Plastificantes• CArgas• Agentesde reticulação• Agentes de expansão• nucleantes
Tipos de aditivos
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Consumo de aditivos
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Algumas aplicações de aditivos para polímeros
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Aspectos toxicológicos
• Aditivos são compostos de baixa massa molecular
• Em alguns casos: baixa miscibilidade com os polímeros
• Podem ser observados problemas de migração!
• Três ramos industriais onde a toxidade é crítica:
Indústria de brinquedos Aplicações médicas Indústria alimentícia
• Além do contato entre o polímero e o produto final,
• Deve-se considerar o contato entre o produto e o técnico responsável pelo processamento do material!
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Aspectos toxicológicos
• A forma de pó apresenta maior potencial de contaminação por inalação;
• As alternativas são:
Misturas com óleo Master batch
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Aspectos toxicológicos
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Aspectos toxicológicos
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Aspectos toxicológicos
• A migração do aditivo depende de :
Tipo do polímero Solubilidade e difusividade Natureza do ambiente Tempo de contato Temperatura
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Aspectos toxicológicos
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Aspectos toxicológicos
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Tendências futuras
• Antioxidantes primários ou bloqueadores de cadeia
• Aminas e fenóis• Apresentam átomos de H mais reativos com os
grupos peróxi / alcóxi• Os fenóis apresentam menor tendência à
descoloração e perdem eficiência em temperaturas mais elevadas
• Os produtos de degradação dos fenóis podem funcionar como cromóforo para reações de fotodegradação!
• As aminas apresentam menor custo e são mais aplicadas nas borrachas por conta da sua maior afinidade
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Antioxidantes
Figura 2 : Mecanismo de atuação de um antioxidante fenólico (2,6-di-tbutil-p-cresol)
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Antioxidantes
Figura 3 : Atuação genérica de um antioxidante primário (AH)
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Antioxidantes
• Antioxidantes secundários• Sulfitos e fosfitos• Não são instáveis e não formam hidroperóxidos (como
os antioxidantes primários)
• Fosfitos (triésteres de ácido fosfórico)
• R1O – P – O – R2
• l R1O
• Sulfitos (tioésteres e ésteres do ácido tiodipropiônico)
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Antioxidantes
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Antioxidantes
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Antioxidantes
Figura 2.15. Efeito da combinação de antioxidantes primários e secundários no índice de fluidez do PP após várias extrusões a 260°C (Schwarzenbach, 1985).
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Desativadores de metais
• Por que os desativadores de metais são importantes?os íons metálicos presentes
catalisam as reações de degradação;
O estabilizante um "agente quelante" que forma um complexo com o metal, desativando-o;
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Desativadores de metais
• Principal uso de desativadores: formulações de polímero para revestimento de
fios e cabos, • o metal (cobre, alumínio) do substrato catalisa a
degradação durante e após a aplicação do revestimento;
Polímeros obtidos com catalisadores de Ziegler-Natta, (como PEAD e PP)também merecem atenção especial devido ao resíduo dos catalisadores presentes (contendo titânio).
• Os desativadores de metais normalmente são insolúveis no polímero;
• sua boa dispersão é fator crítico na eficiência da estabilização
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Desativadores de metais
• Esquema de desativação do metal pelo quelante:
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Desativadores de metais
• Outro exemplo do efeito da desativação do metal pelo quelante:
Tabela 2.17. Efeito de antioxidante e desativador de metal (derivado de hidrazina) na estabilidade térmica do PE aplicado sobre fio de cobre (Muller, 1993).
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Desativadores de metais
• Os desativadores de metais também são muito utilizados em:
• Composições contendo cargas minerais, onde existe freqüentemente uma concentração elevada de íons metálicos como cobre, ferro e manganês.
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Desativadores de metais
Figura 2.17. Efeito de desativadores de metais (baseado na concentração de PP) no tempo de fragilização de compósitos de PP com atapulgita expostos em estufa a 110°C (Sousa et al., 1998).
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Desativadores de metais
• A aceleração da degradação da matriz pela presença de cargas minerais é preocupante!!!!
• A utilização de cargas em polímeros termoplásticos é possibilitar a utilização do produto em temperaturas mais elevadas, mantendo-se a estabilidade dimensional.
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Desativadores de metais
• O aumento da degradação do polímero pela presença de cargas depende: da composição da mesma e dos processos de purificação a que
estas cargas foram sujeitas.
• Outra explicação: as partículas de carga podem
absorver os aditivos estabilizantes.
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Fotoestabilizantes• Existem vários tipos de aditivos para proteger os
polímeros contra os efeitos da radiação ultravioleta:absorvedores de UV;desativadores de estados excitados;antioxidantes primários;antioxidantes secundários;desativadores de metais;bloqueadores de UV.
• Dos estabilizantes listados, os antioxidantes secundários (d) e os desativadores de metais (e) são basicamente os mesmos da termooxidação descritos anteriormente.
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1. Absorvedores de UV• Atuam absorvendo preferencialmente a radiação na
faixa do ultravioleta,
• não permitem que o polímero ou suas impurezas o façam.
• Cada polímero apresenta maior sensibilidade a um determinado comprimento de onda o estabilizante de ultravioleta é específico absorve preferencialmente radiação na faixa mais
prejudicial ao polímero.
• É comum a utilização de misturas de absorvedores a fim de se ter um aditivo com uma faixa mais abrangente de aplicação.
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1. Absorvedores de UV
• As principais classes dos absorvedores de UV são:
as benzofenonas e
As benzotriazolas.
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1. Absorvedores de UV
•
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1. Absorvedores de UV
•
Figura 2.19. Efeito do tipo de absorvedor no índice de amarelamento do PVC após a exposição natural no Arizona (Gugumus. 1993c).