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Introdução aos Polímeros Disciplina COEQ0062 – Química de Polímeros Prof. Dr. Paulo Henrique S. L. Coelho Engenharia Química Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Universidade Federal do Maranhão A matéria-prima para a produção dos plásticos são produtos naturais. Ex.: Celulose, carvão, petróleo, gás natural e sal. São compostos de Carbono [ C ] e Hidrogênio [ H ] Celulose Borracha natural Introdução ao estudo dos polímeros Introdução Podendo também estar presente: Oxigênio [ O ] , Nitrogênio [ N ] , Cloro [ Cl ] , Flúor [ F ] e Enxofre [ S ] Introdução ao estudo dos polímeros Introdução O petróleo e o gás natural são as mais importantes matérias primas para a produção de plásticos. O petróleo é dividido em frações por destilação. O processo é baseado nos diferentes pontos de ebulição dos componentes líquidos da mistura. Gás, gasolina, parafina e nafta são as frações mais leves e os óleos as mais pesadas, sendo usadas como combustíveis de aquecimento. Os resíduos da destilação são os betumes, usados na pavimentação de estradas. Introdução ao estudo dos polímeros Introdução As grandes moléculas são quebradas em menores, como: etileno (eteno) C2H4 propileno (propeno) C3H6 buteno C4H8 Todas as frações consistem de hidrocarbonetos e diferem somente na forma e tamanho de suas moléculas. A nafta é a fração mais importante na produção dos plásticos. A nafta após ser separada do petróleo é submetida ao processo de cracking (craqueamento), às vezes na presença de uma catalisador. Introdução ao estudo dos polímeros Introdução 18,7 tonelada de petróleo 3,7tonelada de nafta 1tonelada de polietileno. Introdução ao estudo dos polímeros Introdução A energia para produzir 1 m3 de polietileno equivale a : - 1/3 daquela para produzir 1m³ aço; - 1/6 para produzir 1m³ cobre; - 1/10 para produzir 1m³ alumínio. O rendimento do etileno é controlado pela temperatura de craqueamento, cerca de 30% a 850 °C. A partir deste produto podem ser produzidos estirenos e cloretos de vinila em reações subsequentes, que dão origem a diversos materiais plásticos. Introdução ao estudo dos polímeros Introdução A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetição). Macromolécula composta por muitas (dezenas de milhares) de unidades de repetição denominadas meros, ligadas por ligação covalente. Introdução ao estudo dos polímeros Definição Monômero Polímero Monômero Polímero O conjunto de gêmeos representam modelos para a síntese de polímeros. Cada par de Mickey representa uma molécula de etileno. Na segunda fila, abaixo, eles se unem produzindo uma longa cadeia: o polietileno. Em uma reação química os pares de Mickeys são chamados de monômeros e as cadeias seriam os polímeros. Introdução ao estudo dos polímeros Exemplo Os diferentes tipos de polímeros se adequam ao: - tipo do monômero (estrutura química); - número médio de meros por cadeia; - tipo de ligação covalente. Os polímeros em três grandes classes: - plásticos; - termoplásticos e termofíxos. - borrachas (elastômeros); - fibras (naturais). Introdução ao estudo dos polímeros Definição A estrutura das cadeias dos polímeros é definida de dois modos: A configuração das cadeias é principalmente determinada durante a polimerização, quando as unidades de monômeros são ligadas para formar a cadeia polimérica. - pela forma individual das cadeias no espaço, conformação; - pelo modo que cada cadeia é construída a partir dos átomos com ligações covalentes, configuração. Introdução ao estudo dos polímeros Classificação dos Polímeros Homopolímero: uma cadeia composta de unidades repetitivas idênticas (meros). Monômero A ......A-A-A-A-A-A-A-A....... Monômero B .......B-B-B-B-B-B-B-B...... Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de conformação Copolímero É uma cadeia composta de duas ou mais diferentes unidades repetitivas, que podem ter sequência: - regular; - ao acaso; - enxertados. Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de conformação Polímero Ramificado: cadeia principal linear com cadeias laterais ligadas covalentemente. Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração Polímero Linear: cadeia principal predominantemente linear, sem cadeias laterais extensas. Polímero Reticulado (ligações cruzadas): ligações covalentes entre as cadeias formando uma rede tridimensional. Estrutura reticulada da resina fenólica (termofixo). Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração Introdução ao estudo dos polímeros Classificação dos Polímeros Termoplásticos : estes materiais amolecem (fundem) quando aquecidos. Termofixos/Termorrígidos: estes materiais não amolecem e mantem-se rígidos mesmo a altas temperaturas. Introdução ao estudo dos polímeros Classificação dos Polímeros Elastômeros (borrachas): estes materiais são elásticos e quando distorcidos voltam a apresentar a mesma forma anterior. Podem inchar em solventes. Introdução ao estudo dos polímeros Classificação dos Polímeros Taticidade: É o arranjo de átomos com ligações covalentes em torno de átomos de carbono assimétricos (com quatro grupos laterais distintos): - isotático; - sindiotático; - atático. Stereoisômeros: Diferentes arranjos espaciais dos mesmos átomos em torno de uma ligação dupla numa unidade repetitiva. Há dois tipos importantes: cis e trans. Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração CIS polibutadieno TRANS polibutadieno Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração A disposição ordenada dos grupos laterais na estrutura da cadeia polimérica pode diferenciar as propriedades de polímeros com idêntica composição química. Os grupos metila podem estar: - sempre do mesmo lado da cadeia (no alto); - em lados alternados (no centro) >>> esta regularidade confere um caráter semi-cristalino ao polímero. Quando os grupos metila estão dispostos ao acaso então o polímero é amorfo. Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração PP Isotático PP Sindiotático PP Atático As estruturas sindiotáticas e isotáticas são regulares e podem cristalizar, enquanto o polímero atático não pode fazê-lo normalmente. Introdução ao estudo dos polímeros Diferentes tipos de configuração Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Etileno CH2=CH2 Polietileno (PE) Objetos moldados, tubos, filmes (sacaria), isolantes elétricos (fios, cabos), recipientes p/ embalagens (alimentos, farmacêuticos). Alkathene, Hostalen, Petrothene Polythene Propileno CH2=CH-(CH3) Polipropileno (PP) Usos similares ao PE, seringas descartáveis, carpetes, mais leve e mais rígido. Propathene, Profax, Moplen Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Tetrafluor etileno CF2=CF2 Politetrafluoro-etileno (PTFE) Moldados ou filmes, polímero de alta resistência à temperatura, ótimo isolante elétrico, baixo coeficiente de atrito, caro. Teflon, Fluon, PTFE Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Estireno CH2=CH- (C6H5) Poliestireno (PS) Objeto moldado baratos, polimerizado com butadieno obtém- se poliestireno de alto impacto (HIPS), expandido com pentano obtém-se espumaplástica. Lustrex, Styropor, Isopor Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Metacrilato de metila CH2=C(CH3)C OOCH3 Poli[metacrilato de metila] (PMMA) Chapas e tubos transparente. Mais caro do que PS. Janelas de aviões, fibras ópticas plásticas, banheiras. Moldados transparentes Perspex, Lucite, Plexiglas, Diakon. Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Cloreto de vinila CH2=CHCl Poli[cloreto de vinila] (PVC) Rígidos: discos de música, tubulações para água, calhas. Plastificados: capas, sapatos, mangueiras, isolantes de fios elétricos, garrafas (água mineral). Darvic, Welvic, Geon, Elvic Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Acrilonitrila CH2=CHCN Poliacrilonitrila (PAN) Fibras têxteis, fibras substituindo a lã. Orlon, Acrilan, Dralon Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Acetato de vinila CH3COOCH= CH2 Poli[acetato de vinila] (PVA) Goma de mascar, adesivos de papel, revestimento de superfícies, tintas de parede. Elvacet, Mowilith, Vinamul. Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Etileno glicol HOCH2- CH2OH e ácido tereftálico HOOC-(C6H4)- COOH Poli[tereftalato de etileno] (PET) Fibras têxteis fortes, filmes finos resistentes, monofilamentos, estampagem metálica em plásticos. Terylene, Tergal, Dracon, Mylar, Melinex, Introdução ao estudo dos polímeros Principais polímeros MONÔMERO POLÍMERO COMENTÁRIOS MARCAS Hexametileno diamina H2N-(CH2)6- NH2 e ácido sebácico HOOC-(CH2)8- COOH Poliamidas (Nylon 6.10) Fibras têxteis, objetos moldados. Engrenagens, peças mecânicas e elétricas, fios de pesca, meias, tapetes, cerdas de escova. Nylon, Grilon, Perlon, Zytel, Rilsan. CARACTERÍSTICA VANTAGENS DESVANTAGENS Baixo ponto de fusão Fácil processamento Baixa resistência térmica Baixa densidade Produtos leves Baixa resistência estrutural Baixa condutividade térmica Bons isolantes térmicos Baixa dissipação de calor Resistência elétrica Bons isolantes elétricos Baixa condutividade Boa transparência Bons para fabricação de materiais claros Degradação UV Facilmente coloridos Uso sem necessidade de pintura Dificuldade em igualar cor Sensíveis a solventes Podem ser aplicados como solução Afetados por solventes Inflamáveis Resíduos podem ser queimados Podem causar incêndios Alongamento elevado Baixa fragilidade Alta deformação Introdução ao estudo dos polímeros Plásticos comparados a metais e cerâmicas
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