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