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Polímeros
Pedro Miguel Martins da Costa Almeida (CIV) Nº 12149 Victor Hugo da Silva Magalhães (INF) Nº 12470 Universidade Fernando Pessoa (UFP) Faculdade de Ciências e Tecnologia Disciplina de Ciências dos Materiais Porto, 2004
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Sumário:
Polímeros são macromoléculas constituídas por monómeros. Os polímeros podem ser agrupados segundo várias classificações, nomeadamente: quanto à natureza da sua cadeia, à sua estrutura, à morfologia, à reacção que os originou. Sendo esta última a mais importante de todas. Neste campo os polímeros dividem-se em polímeros de adição e polímeros de condensação. De referir que existem diferentes tipos de materias poliméricos, os quais têm inúmeras propriedades atribuindo-lhes diversas aplicações nos mais variados ramos do nosso quotidiano.
Abstract:
Polymers they are macromolecules constituted by monomers. The polymers they can be grouped second you vary classifications, namely: as regards the nature from its chain, to the its structure, to the morphologic, to the reaction that originated them. Being this finalizes to more important thing of everybody. In this field the polymers they divide themselves in polymers of addition and of condensation. Of it refer that they peculiar kinds of stuff exist polymeric, which they have countless estates attributing them diverse application in the more varied branches of ours daily.
Abreviaturas:
ABS – Acrilonitrila – Butadieno – Estireno BSPQ – Boletim da Sociedade Portuguesa de Química C – Carbono C 5 H 8 – Isopreno CH 2 – Etileno Cl – Cloro H – Hidrogénio H 2 O – Água M – Massa Molecular O – Oxigénio PET – Polietilenotereftalato PPO – Polioxido de fenileno PVC – Policloreto de Vinila
Palavras-chave: Polímeros, Monómeros, Classificação, Polimerização, Aplicações
1. Introdução
Nas primeiras décadas do século XX, alguns investigadores começaram a manifestar curiosidade e interesse em relação ao comportamento anormal de certas substâncias, o que os levou a orientar a sua investigação na área dos materiais poliméricos. Por exemplo, ao solubilizar borracha com fórmula empírica C 5 H 8 (M=68), a solução apresentava elevada viscosidade e quase não provocava abaixamento crioscópico do solvente, situação a qual só se justificaria por moléculas de muito mais elevada massa molecular. Contudo, esta ideia de moléculas gigantes não foi bem aceite entre os químicos, os quais acreditavam na existência de aglomerados de moléculas unidas por ligações intra moleculares. Estas dúvidas só chegaram a ser ultrapassadas graças ao trabalho de Hermann Standinger, (1881-1963, químico alemão – Prémio Nobel da Química em 1953), que demonstrou claramente, que em vez dos supostos agregados, o que existia era afinal enormes moléculas, onde milhares de átomos estão ligados covalentemente. A partir daí, o desenvolvimento dos polímeros tem sido estonteante. Hoje em dia, 90% dos químicos e bioquímicos trabalham com polímeros naturais ou artificias. Em que os polímeros naturais são o suporte dos processos biológicos. E os polímeros sintéticos dominam a indústria química. Polímeros não são apenas meros objectos de plástico (baldes, vasos, etc.), que utilizamos no dia-a-dia. Não são também apenas os objectos detestáveis que poluem as nossas ruas, os nossos campos e as nossas praias. Os polímeros são muito mais do que estes objectos, eles são elementos essenciais na bioquímica e fazem parte dos materiais de alta tecnologia que tantos avanços tecnológicos nos têm proporcionado. Ao olharmos em redor depressa nos apercebemos que os polímeros invadiram todos os diferentes domínios da nossa actividade. Eles influenciaram, influenciam e continuarão a influenciar decisivamente a vida das sociedades. Na medida em que, cada
mecânico, à disposição espacial dos seus monómeros, à sua morfologia e ao tipo de reacção que lhe deu origem. Em relação à sua ocorrência, os polímeros podem ser: naturais e sintéticos. Os naturais são aqueles que já existem normalmente na natureza. São exemplos destes polímeros, entre outros, a celulose, a borracha natural, o amido, as proteínas e os ácidos nucléicos. A maioria dos polímeros sintéticos são compostos orgânicos, produzidos pelo homem através da reacção de polimerização de moléculas simples, dos quais são exemplos: o Nylon, o Dacron, o PVC, o vidro acrílico, o polietileno, etc. Os polímeros sintéticos são obtidos pela união de monómeros à molécula em crescimento, um de cada vez, como o exemplo apresentado na figura 1, no qual o etileno (monómero) origina o polietileno (polímero sintético). A sua produção é feita através de um processo de polimerização, de modo a formarem-se as longas cadeias de moléculas orgânicas (Salvador; 2000 e BSPQ; 1986). Em relação a estrutura final do polímero, estes podem ser: lineares e tridimensionais. Os polímeros lineares possuem uma estrutura de uma cadeia linear (estrutura unidimensional), como a exemplificada na figura 2, a qual é produzida por monómeros bifuncionais, temos como exemplo o polietileno. De referir, mesmo que a cadeia apresente ramificações (não podendo esta ramificação ligar uma cadeia a outra próxima) o polímero continua a ser considerado linear, como caso da borracha sintética (Salvador; 2000 e Kroschwitz; 1982). Estes polímeros dão origem a materiais termoplásticos, ou seja plásticos que amaciam quando aquecidos e endurecem quando arrefecem, estes plásticos podem ser moldados sucessivamente (ex. polietileno). (Andrade, C; 1995). Os polímeros tridimensionais têm uma rede tridimensional, como se demonstra na figura 3, em que os monómeros são trifuncionais ou tetrafuncionais. Esta rede expande-se em todas as direcções, isto é, entre as cadeias adjacentes existem ligações através de átomos que estão localizados na cadeia (Salvador; 2000 e Vlack; 1970). Este tipo de polímeros são geralmente termoestaveis e dão origem a polímeros
termoendurecíveis. De referir que estes polímeros são permanentemente duros, não podendo ser reaproveitados industrialmente na moldagem de novos objectos. Devendo assim, pelo menos, a ultima fase de produção destes ser feita simultaneamente com a moldagem do objecto desejado (ex. apóxidos) (Salvador; 2000,Andrade; 1995 e Kroschwitz; 1982). No que diz respeito à natureza da cadeia dos polímeros, estes podem ser: de cadeia homogénea ou de cadeia heterogénea. Os de cadeia homogénea são aqueles em que o esqueleto da cadeia é apenas formado por átomos de carbono. Os de cadeia heterogénea são aqueles em que no esqueleto da cadeia possuem átomos diferentes de carbono (Heteroátomos) (Salvador; 2000 e Kroschwitz; 1982). Quanto ao comportamento mecânico os polímeros podem classificar-se em: elastómeros, plásticos e fibras. Os elastómeros incluem todas as borrachas sintéticas ou naturais. Por exemplo o látex é uma emulsão que contem polímeros de isopreno. A borracha natural é um material mole e alterável com o tempo. Este problema resolve-se fazendo a sua vulcanização isto é, aquecendo-a com derivados do enxofre. Esta descoberta que permitiu que a borracha seja utilizada para muitos fins, nomeadamente, em pneus de automóveis e em dentaduras. Os plásticos são polímeros que se apresentam no estado sólido mais ou menos rígidos. São exemplos o PVC e o polietileno. Quando a polimerização não é tão elevada, muitos plásticos servem para a produção de tintas e vernizes, como é o caso do poliacetanto de vinila (PVA). As fibras são polímeros que apresentam grande resistência à tracção mecânica, são corpos em que a razão entre comprimento e as dimensões laterais são muito elevadas e por isso são utilizadas para a fabricação de fios. Temos como exemplo o nylon e o poliéster. Actualmente, roupas e
Em relação à sua morfologia, os polímeros podem ser considerados em amorfos e semi-cristalinos (figura 5).
Os amorfos são aqueles que não possuem capacidade de cristalização, neles existe uma completa desordem de moléculas. Os semi-cristalinos, geralmente denominados de polímeros cristalinos, são constituídos por regiões cristalinas e regiões amorfas. Nas regiões cristalinas as cadeias moleculares estão perfeitamente ordenadas, formando um empacotamento regular, denominado o cristalito. Geralmente os polímeros nunca são totalmente cristalinos. Como exemplo de um polímero deste tipo temos o PET (Kroschwitz; 1982). Os polímeros podem também ser classificados em relação ao tipo de reacção que os originou. Esta trata-se da classificação mais importante.
3- Reacções de polimerização
Os polímeros são produzidos sinteticamente através da reacção de polimerização dos seus monómeros. A polimerização é a reacção na qual pequenas moléculas de uma substancia se combinam entre si formando um composto de peso molecular elevado com ou sem formação de subprodutos de baixo peso molecular. A formação do plástico polietileno, a partir do etileno é um exemplo de reacção de polimerização (Russel; 2000).
Neste domínio podemos agrupar os polímeros em dois grandes grupos: polímeros de adição, formados por sucessivas adições de unidades moleculares que se encontram repetidas, e polímeros de condensação, formados por eliminação de pequenas moléculas como a água.
3.1. Polímeros de adição
Os polímeros de adição obtêm-se a partir da adição de uma molécula a outra, estas moléculas são constituídas por um só monómero (Andrade; 1995). A fórmula geral dos polímeros de adição está representada na figura 6. Estas reacções dão-se com compostos insaturados, os quais contem ligações duplas ou triplas, em especial C=C e C≡C (Clark;1971). Estas ligações vão-se romper e originar ligações simples, portanto, a polimerização ocorrer sem formação de subprodutos. A polimerização do cloreto de vinila (PVC) constitui um exemplo de polimerização por adição.
- Estes polímeros são termoplásticos.
- Podem ser repetidamente amolecidos pelo calor e endurecidos pelo frio (Salvador; 2000). O resultado da polimerização de uma só classe de monómeros (como se demonstra na figura 7) é um homopolímero^3 (Andrade; 1995). Este é um polímero no sentido mais puro, restrito, exacto e concordante com a etimologia. Como nas reacções de adição, os reagentes somam-se não havendo perda de matéria, todos os átomos do monómero estão na molécula do polímero. Tendo assim monómero e polímero a mesma composição centesimal e igual fórmula mínima, e o peso molecular do polímero é a soma do peso molecular de todos os monómeros (Vlack;1970).
(^3) Do grego “homo” – iguais
São termoestaveis (termoendurecidos), depois da cura transformam-se num produto praticamente insolúvel (Vlack; 1970).
Para terminar este capítulo mostramos na figura 11 o esquema de polímeros de adição e de condensação.
4. Propriedades de polímeros
Como temos vindo a falar ao longo do trabalho, existem diferentes tipos de materiais poliméricos (plásticos, borrachas, fibras, adesivos, espumas e filmes), os quais tem propriedades específicas e enumeras aplicações.
Desde que se começou a usar esses materiais, enumeras tentativas foram efectuadas para melhorar as suas propriedades. De referir que a engenhosidade dos tecnologistas, não se limitou a melhorar os materiais orgânicos naturais, pelo contrario, muitas substancias sintéticas foram criadas (Kroschwitz; 1985). No campo dos plásticos as criações são espantosas, o que tem proporcionado, não só, à construção civil mas também a vários domínios uma variedade cada vez maior de materiais para sua aplicação. Os polímeros possuem propriedades químicas e físicas muito diferentes das que tem os corpos formados por moléculas simples. As principais propriedades dos polímeros são:
- Elevada processabilidade – facilmente moldáveis isto é, a facilidade de converter o material numa determinada forma;
- Resistentes à rotura e ao desgaste;
- Resistente a acção dos agentes atmosféricos, não quebram, não formam pontes e não estilhaçam;
- Elásticos;
- Peso reduzido – são mais leves que os metais e que o vidro (3* mais leves que o alumínio);
- Lubrificação – são materiais de baixo atrito;
- Isolação – tem excelentes propriedades de isolamento eléctrico e acústico;
- Baixo custo de produção;
- Possibilidade de serem usados no fabrico de peças nas mais variadas formas, tamanhos e cores;
- A maioria são recicláveis.
Estas propriedades, juntamente com a sua fácil obtenção a baixas temperaturas, justifica a sua fabricação a grande escala (Kroschwitz; 1985 e Salvador; 2000). Porém os polímeros não apresentam só vantagens, eles também apresentam algumas, embora poucas desvantagens. Eles causam um problema ecológico. Os objectos plásticos não se decompõem por si só na natureza, visto não serem atacáveis pelos microorganismos, pelo que a sua decomposição pode levar dezenas de anos. De igual modo quando lançados à água (mar, rios ou lagos), podem causar diversos acidentes. Estes e demais problemas só serão solucionados com uma correcta recolha de
Actualmente os polímeros são empregados maioritariamente em sectores como: na construção civil, indústria de automóveis, indústria eléctrica e electrónica, no desporto, no campo da medicina, no calçado, em embalagens, entre outros.
No que diz respeito a construção civil, a aplicação de polímeros tem vindo dia-a- dia a aumentar gradualmente. Como exemplo apontamos o caso do PVC (policloreto de vinila) (figura 13). Este polímero, há décadas começou por ser utilizado no fabrico de canos, tubos e juntas de ligações. Ao longo do tempo foi adquirindo novas aplicações e nos nossos dias é utilizado em inúmeras situações como: janelas, divisórias, portas, forros, coberturas, pisos, como decoração e na própria construção de paredes externas e internas das casas (Aguiar; 2000). Esta versatilidade é devida por um lado ao desempenho técnico do material, que em alguns aspectos é superior ao da madeira e alumínio e por outro lado à exigência estética dos projectos contemporâneos. De referir que devido a sua composição (etileno e cloro), o PVC é totalmente inócuo, resistente a corrosão e humidade, não absorve fungos, e impede a propagação do fogo. Perante estas características é o material polimérico mais recomendado na construção civil (Bouer; 1988).
De referir que é complicado este tipo de construção concorrer com o tradicional, porém a relação custo benefício somada às vantagens técnicas e estéticas deste material talvez possibilitem em muitos casos a opção deste tipo de construção ou utilização para determinados fins. Como temos vindo a descrever este material apresenta vantagens em relação aos materiais tradicionais, as quais, para melhor elucidação passo a resumir. Principais vantagens da casa em PVC:
- Baixo custo;
- Resistência a humidade;
- Isolamento térmico-acustico;
- Alta resistência e durabilidade;
- Imunidade a fungos e corrosão;
- Não propaga fogo;
- Fácil limpeza;
- Conforto e tecnologia;
- Indicada para qualquer tipo de clima e terreno;
- Rapidez na montagem;
- Adaptável a qualquer projecto;
- Possibilidade de ampliação.
POLÍMERO MONÓMERO APLICAÇÃO
Nylon 1,6-diaminoexanoAcido adipico Rodas dentadas de engrenagens, peças de maquinaria emgeral, tecidos, cordas, escovas Terilene ou Dacron
Etilenoglicol Acido tereftálico Tecidos em geral (tergal) Baquelite (fórmica)
Aldeído fórmico Fenol comum
Revestimento de moveis (fórmico), material eléctrico (tomada e interruptores)
Poliuretano
Poliéster ou poliéter Isocianato de p. Fenileno
Colchões e travesseiros (poliuretano esponjoso), isolante térmico e acústico, poliuretano rígido das rodas dos carrinhos de supermercados
6. Conclusão
Em termos de conclusão, é referir que, o primeiro polímero puramente sintético de uso comercial, somente surgiu em 1907 (Baquelite). Desde então a industria e a utilização de polímeros não parou de se desenvolver e crescer. Os plásticos fazem parte do nosso quotidiano. Grande parte das nossas casas dos utensílios domésticos, dos nossos automóveis, das roupas que vestimos e embalagens que utilizamos são feitas de materiais poliméricos. No futuro, é provável que, os nossos descendentes se reportem à nossa época como sendo a era do plástico. No entanto, questionamo-nos; seria possível manter os actuais padrões de conforto sem a existência dos plásticos? Uma coisa podemos garantir, eles tem vindo a contribuir nos mais variados domínios, para a melhoria da qualidade de vida.
Estamos certos também que, certamente os polímeros e os plásticos neles baseados serão os materiais determinantes para vencer alguns desafios do desenvolvimento sustentado no presente século.
7. Bibliografia
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- Aguiar, J, “Apontamentos de Materiais de Construção 2”, Universidade do Minho, Guimarães, Volume 5, 2000;
- Bauer, L, “Materiais de Construção”, Livros Técnicos e Científicos, Lisboa, 1988;
- “Boletim da Sociedade Portuguesa da Química, nº 24, série II”;
- Branco, C, “Mecânica dos Materiais”, Fundação Calouste Gulbenkian, 2ª Edição, Lisboa, 1994;
- Clark, J, “Química”, Editora da USP, São Paulo, 1981;
- Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.institutodopvc.org, em linha em 21 de Novembro de 2003;
- Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.qmc.ufc.br, em linha em 21 de Novembro de 2003;
- Kroschwitz, J, “Enciclopédia de los polímeros e ingeniería”, John Willey & Sons, Nova York, Volume 17, 1985;
- Rocha, W, “Química 2000”, Editora Cientifica Nacional, Brasil, 2ª Edição, 1999;
- Russel, J, “Química Geral”, MacGraw Hill, São Paulo, 1981;
- Salvador, U, “Química Orgânica 3”, Editora Saraiva, 2000;
- Smith, W, “Princípios de Ciências dos Materiais e Engenharia”, MacGraw Hill, Lisboa, 1998;
- Vlack, L, “Princípios de Ciências dos Materiais”, Editora Edgard Blucher Ltda, São Paulo, 1970.
