Polímeros condutores

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POLÍMEROS CONDUTORES
Autor: Thiago Vinicius Ferreira
Discente da disciplina de Química de Materiais
Acadêmico do Curso Superior de Licenciatura em Ciências da Natureza
Foz do Iguaçu
2014
1. INTRODUÇÃO
	A evolução da humanidade está intimamente ligada à capacidade do homem em criar alternativas para garantir a sua sobrevivência e melhorar o seu conforto de vida. O desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular os materiais para satisfazer as suas necessidades. [1]
	As civilizações antigas foram designadas de acordo com o seu nível de desenvolvimento em relação aos materiais (idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro). Neste último século grande parte das mudanças tecnológicas realizadas pelo homem se deve ao surgimento dos polímeros como material alternativo. Assim, borrachas sintéticas, plásticos e fibras sintéticas revolucionaram o desenvolvimento dos setores automotivos, eletroeletrônicos, têxteis, de embalagens e etc. [1]
	Apesar da grande importância dos polímeros na indústria contemporânea, seu surgimento, do ponto de vista científico, ocorreu na segunda metade do século passado. O termo polímero foi criado pelo químico alemão J. Berzelius em 1832, mas, na época o termo era utilizado para diferenciar moléculas orgânicas que possuíam os mesmos elementos químicos, mas não necessariamente as mesmas propriedades químicas, somente após 1922 o termo polímero veio a ser usado como é conhecido hoje. [2]
	Polímeros (do Grego, “polys” – muitos; “meros” – partes) são macromoléculas caracterizadas por seu tamanho, estrutura química e interações intra e intermoleculares. Possuem unidades químicas ligadas por covalências, repetidas regularmente ao longo da cadeia, denominadas meros. O número de meros da cadeia polimérica é denominado grau de polimerização, sendo geralmente simbolizado por n ou DP (“degree of polymerization”).[3]
	A literatura aponta que o uso formal de polímeros a partir da descoberta de um verniz extraído da seiva da árvore “Rhus vernicflua” pelos chineses, há aproximadamente 3000 anos. Na sequência destas descobertas, registra-se no século I a.C. o uso do âmbar, uma resina termoplástica moldável por compressão e proveniente de árvores fossilizadas. [4]
	Na América Central se desenvolve a borracha natural a partir do látex extraído da seringueira. Em 1839, Charles Goodyear por meio de estudos investigativos desenvolve uma borracha mais forte, resistente e resiliente, com a implementação do processo de vulcanização que agrega enxofre à estrutura molecular da borracha natural. Já em 1845, a invenção do pneu por Robert William Thompson, exigiu, além do melhoramento de suas propriedades, também a produção em maior escala, o que motivou o desenvolvimento da borracha sintética em meados do século XX. [4]
2. CLASSIFICAÇÃO DE POLÍMEROS
	Um polímero pode ser classificado de diversas maneiras; segundo a origem do polímero, aqui ele se divide em dois grupos (naturais e sintéticos), os polímeros naturais são aqueles que já existem normalmente na natureza. São exemplos de polímeros naturais, a celulose, a borracha natural, o amido, as proteínas e os ácidos nucléicos. Os polímeros sintéticos são normalmente compostos orgânicos produzidos pelo homem através da reação de polimerização de moléculas simples, dos quais são exemplos: nylon, o Dracon, o PVC, o vidro acrílico, o polietileno e etc.[3]
	Quanto ao número de monômeros envolvidos na formação da cadeia macromolecular, os polímeros podem ser classificados em homopolímeros e copolímeros. Quando o polímero tem apenas um tipo de mero, usa-se a expressão homopolímero e quando há mais de um tipo de mero é chamada copolímero, por exemplo, o elastômero SBR é um copolímero de butadieno e estireno. Os copolímeros cujas unidades químicas não seguem qualquer sequenciação, essas são chamadas copolímeros aleatórios, já quando há perfeita regularidade de sequenciação, dispondo-se as unidades químicas diferentes de modo alternado, são chamados de copolímeros alternados. Quando alternam-se as sequências de unidades químicas iguais, o produto é denominado copolímero em bloco, e caso esses blocos existirem como ramificações poliméricas, partindo do esqueleto principal da macromolécula, o copolímero é chamado graftizado ou enxertado.[3]
	Quanto ao método de preparação do polímero, polímero de adição, polímero de condensação ou modificação de outro polímero. Conforme a estrutura química da cadeia polimérica, isto é, conforme os grupos funcionais presentes na macromolécula, os polímeros podem ser arbitrariamente distribuídos em inúmeros grupos, como poli-hidrocarbonetos, poliamidas, poliésteres, poliéteres, poliacetais, poliuretanos, etc.[3]
	Quanto ao encadeamento da cadeia polimérica, os meros podem ser incorporados à cadeia em crescimento de modo regular, do tipo cabeça – cauda, que é a mais comum, ou do tipo cabeça – cabeça, cauda – cauda. Também quanto à configuração dos átomos da cadeia polimérica, podem existir no polímero as sequências com a configuração cis ou trans.[3]
	Através das características de fusibilidade e/ou solubilidade, esse grupo se divide em dois grupos os termoplásticos e termorrígidos. Os polímeros termoplásticos fundem-se por aquecimento e solidificam por resfriamento, em um processo reversível. Já os polímeros termorrígidos por aquecimento ou outra forma de tratamento, assumem estrutura reticulada, com ligações cruzadas, tornando-se infusíveis.[3]
	De acordo com o comportamento mecânico dos polímeros, os materiais macromoleculares podem ser divididos em três grandes grupos: borrachas, plásticos e fibras.[3]
	Na estrutura molecular, os polímeros podem apresentar diversas estruturas, os polímeros lineares são aqueles em que as unidades mero estão unidas extremidade a extremidade em cadeias únicas. Nos polímeros lineares pode existir grande quantidade de ligações de Van der Waals e de hidrogênio entre as cadeias. Podem ser sintetizados polímeros com cadeias de ramificações laterais conectados às cadeias principais, esses polímeros são chamados de polímeros ramificados. Nos polímeros com ligações cruzadas, as cadeias lineares adjacentes estão unidas umas às outras em várias posições por meio de ligações covalentes. As unidades mero trifuncionais, que possuem três ligações covalentes ativas, formam redes tridimensionais e são chamadas de polímeros em rede. Como consequência, surgem propriedades diferentes no polímero, decorrentes de cada tipo de cadeia, especialmente em relação à fusibilidade e solubilidade.[1,3]
3. APLICAÇÕES DE POLÍMEROS
	Os polimeros, sobretudo os de natureza termoplástica, impuseram-se na nossa época adquirindo o estatus de materiais mais utilizados em termos volumétricos. A indústria dos plásticos veio revolucionar o nosso cotidiano, a grande facilidade de converter os polímeros à forma que se deseja, faciltou a penetração dos plásticos nas mais diversas aplicações e permitiu as populações obterem a baixo custo bens de grande consumo.[1]
	Frequentemente os polímeros são usados como revestimentos, os objetivos desta aplicação são: proteger o item em questão contra um ambiente que possa produzir reações corrosivas ou de deterioração; melhorar a aparência do item em questão e proporcionar isolamento elétrico. Esses revestimentos orgânicos se enquadram dentro de várias classificações diferentes, sejam: tintas, vernizes, esmaltes, lacas e gomas.[1]
	Outra aplicação é como adesivos, um adesivo é uma substância que é usada para colar as substâncias de dois materiais sólidos com o objetivo de produzir uma junta que possui elevada resistência ao cisalhamento e ao atrito.[1]
	Os materiaispoliméricos encontraram uma grande aplicação na forma de finas películas com espessuras de 0,025 e 0,125 mm, tem aplicações como sacos plásticos para embalagens de produtos alimentícios.[1]
	As espumas são mais uma forma de aplicação industrial de polímeros, as espumas são materiais plásticos que contêm uma porcentagem volumétrica relativamente alta de pequenos poros, essas tem aplicações como almofadas em automóveis e mobílias e como isolante térmico.[1]
	Além dessas aplicações gerais temos também aplicações mais especificas que variam de acordo com o tipo de polímero ou ao grupo do método em que foi preparado (adição e condensação). Entre os polímeros de adição se destacam o polietileno (aplicações como sacos e objetos plásticos), o PVC (tubos para encanamento hidraúlico), isopor (isolante térmico), orlon (lâ sintética, agasalhos), teflon (revestimento) e a borracha natural (pneus e objetos de borracha em geral). Para copolímeros de condensação se destacam o nylon (cordas, escovas, peças de maquinaria), o poliuretano (colchões e travesseiros, isolantes térmico e acústico).[5]
4. POLÍMEROS CONDUTORES
4.1 ABORDAGEM HISTÓRICA DOS POLÍMEROS CONDUTORES
	Inicialmente, a idéia de associar as propriedades condutoras dos metais às propriedades mêcanicas dos materiais poliméricos ocorreu por volta da década de 50, incorporando-se cargas condutoras tais como negro de fumo a este materiais, conseguiam produzir os “polímeros condutores extrínsecos”, assim chamados porque as cargas condutoras são adicionadas. Os polímeros intrinsicamente condutores foram descobertos acidentalmente em 1976 por Hideki Shirakawa, no Instituto de Tecnologia de Tóquio, na tentativa de sintetizar o poliacetileno (um pó preto), um estudante de Shirakawa produziu um lustroso filme prateado, parecido com uma de alumínio, ao rever a metodologia o estudante percebeu que havia utilizado uma quantidade de catalisador 1000 vezes maior que a necessária. Em 1977, Shirakawa, trabalhando em colaboração com MacDiarmid e Heeger na Universidade da Pensilvânia (EUA), verificaram que ápos dopagem do poliacetileno com iodo, o filme prateado flexível tornava-se uma folha metálica dourada cuja condutividade elétrica era sensivelmente aumentada. Já na década de 80, os pesquisadores Naarmann e Theophilou conseguiram incrementar ainda mais a condutividade do poliacetileno, usando um novo catalisador e orientando o filme por estiramento, conseguiram após dopagem uma condutividade semelhante à do cobre metálico à temperatura ambiente (106 S.cm-1). A descoberta no laboratório de Shirakawa mostrou ao mundo que que não existe uma razão para que polímeros orgânicos não pudessem ser bons condutores de eletricidade.[6]
4.2 MECANISMOS DE CONDUÇÃO
	Inicialmente foi proposto utilizar o modelo de bandas para explicar a condutividade de polímeros, esse modelo diz que a interação de entre celas unitárias (ou meros da cadeia) com todo o seus vizinhos, leva à formação de bandas eletrônicas. Os níveis ocupados de mais alta energia constituem a banda de condução (BC), e os níveis eletrônicos vazios de mais baixa energia constituem a banda de valência (BV). Estes dois níveis de energia estão separados por uma faixa de energia proibida, a qual se chama band-gap. A largura da band-gap determina as propriedades elétricas intrínsecas do material.[6]
	O processo no qual um polímero passa de isolante a condutor é chamado de dopagem. Através do modelo de bandas, a condutividade ocorre pela movimentação de elétrons na banda de condução (dopagem do tipo “n”, ou redução do polímero) ou pela movimentação de vacâncias na banda de valência (dopagem do tipo “p”, ou oxidação do polímero), quando as bandas estão completamente cheias ou vazias não existe condução. Esse modelo da condutividade para os polímeros não é completa pois não explica o fato de que a condutividade está associada a portadores de carga de spin zero e não a elétrons deslocalizados.[6]
	Os polímeros condutores são formados por cadeias contendo duplas ligações C=C conjungadas, permitindo o fluxo de elétrons em condições específicas. Os orbitais π podem, facilmente receber (redução) ou doar elétrons (oxidação) formando um íon. Nos polimeros conjugados, quando um elétron é removido por oxidação da banda de valência, uma vacância (ou cátion-radical) é gerada. Esta densidade de carga localizada que surge no polímero é chamada polaron, e faz com que ocorra uma deslocalização parcial sobre algumas unidades monoméricas, causando uma distorção estrutural local. Este processo causa a formação de bandas de energia localizadas no meio da band-gap. Este novo modelo foi originado a partir dos trabalhos dos pesquisadores Su, Schrieffer e Heeger, denominado modelo SSH, esse modelo propõe a existência de defeitos estruturais na cadeia originados durante a polimerização, com formação de radicais no estado não dopado.[6]
	
	Este defeito deslocalizado pode ser representado utilizando o trans-poliacetileno como exemplo, neste caso temos a existência de um defeito deslocalizado conhecido como “sóliton neutro”, onde a dopagem do mesmo leva ao aparecimento de um nível eletrônico semipreencido (1 elétron) no meio da band-gap. Um átomo doador (sódio) pode adicionar um elétron ao trans-poliacetileno (redução) e um grupo receptor (I2) pode remover um elétron de um sóliton neutro (oxidação), formando sólitons carregados com spin zero. Após a dopagem o sóliton se torna carregado positiva ou negativamente e o sistema passa a apresentar portadores de carga livres, que então respondem ao campo elétrico.[7]
	Alguns polímeros condutores como o polipirrol, politiofeno e polianilina não apresentam sólitons livres, pois o estado fundamental não é degenerado. Neste caso, é necessário analisar a existência da dopagem tipo “p”, remoção inicial de um elétron da cadeia que leva à formação de um estado eletrônico denominado “polaron”, ao qual está associado uma distorção na cadeia. Quando um segundo elétron é retirado de um polímero já oxidado, podem ocorrer duas situações: o elétron pode ser retirado de segmentos diferentes da cadeia, criando outro polaron, ou o elétron pode ser retirado de um nível polarônico já existente, levando à formação de um dicátion radical ou bipolaron.[6,7]
	Tanto polarons como bipolarons podem mover-se pela cadeia polimérica através de um rearranjo das ligações duplas e simples que ocorrem em um sistema conjugado, quando exposto a um campo elétrico e esta movimentação que gera a condutividade elétrica nos polímeros condutores.[6]
	A condutividade ocorre devido ao salto dos portadores de carga (polaron e bipolaron) entre as cadeias poliméricas. Neste caso três elementos contribuiriam para a mobilidade dos portadores: o transporte ao longo da cadeia do polímero; o transporte entre duas cadeias adjacentes e o salto dos portadores entre duas partículas do polímero.[8]
	A energia necessária para criar um bipolaron é exatamente igual à energia necessária para a formação de dois polarons independentes. Entretanto, a formação de um bipolaron leva a uma diminuição da energia de ionização do polímero motivo pelo qual um bipolaron é termodinamicamente mais estavél que dois polarons.[7]
4.3 APLICAÇÃO DOS POLÍMEROS CONDUTORES NA INDÚSTRIA
	As principais aplicações dos polímeros condutores na indústria são como: eletrodos (transferência de carga) é usado em baterias recarregavéis, sensores e capacitores; em dispositivos eletrônicos (variação de cor com aplicação de potencial) usados em janelas inteligentes; músculos artificiais (moviementação mecânica de um filme pela aplicação de potencial) usado em transdutor mecânico para robótica; LEDs (emissão de luz) usados em monitores e mostradores; protetor antiestático (eliminação de carga estática) usado em microeletrônica; anticorrosivos (proteção contra corrosão) usados em tintas; células solares (transformação de energia luminosa em energia elétrica e blindagem eletromagnética (absorção de radiação). Também temosos biossensores, esses estão sendo muito usados na área da saúde, estes dispositivos permitem o diagnóstico do paciente em qualquer local do atendimento, um biossensor é definido como um dispositivo analítico que converte a concentração de um analito (sinal biólogico) em um sinal elétrico proporcional a esta concentração, através da integração de um elemento biólogico sensor com um tradutor.[1,6,7,9]
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
	Observa-se uma crescente tendência e esforços na utilização dos polímeros condutores como um produto indústrial, trata-se de um novo ramo de estudo que tem as suas limitações. Atualmente já existe produtos que incluem polímeros condutores e está sendo vendida ao consumidor final (LEDs e OLEDs). Outra preocupação da indústria que torna os polímeros condutores algo atrativos é uma possível crise do silício a longo prazo, este elemento é hoje o principal material utilizado em componentes eletrônicos, porém já se nota uma crescente redução desse material sendo extraído na forma bruta, a indústria de equipamentos elétronicos procura desde já um possível substituto e enxerga os polímeros condutores como os futuros materiais que serão utilizados em equipamentos elétronicos. Outra grande vantagem dos polímeros condutores é que se tratando de um produto orgânico o mesmo teria impactos ambientais menores do que os metais que são utilizados atualmente, além disso polímeros em geral podem ser facilmente reutilizados, pois os mesmos podem ser reciclados e remodelados várias vezes. O que realmente falta para que ocorra o boom dos polímeros condutores é a descoberta ou o melhoramento de um polímero com as propriedades chaves para a indústria, alinhado a características como baixo preço para produção, facilidade na produção, estabilidade química, longa duração do produto, alta capacidade de condutividade elétrica e facilidade de aplicações em eletrônicos.