Aula sobre polímeros (PQB, 1º SEM., EQ - UFRJ)

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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS 
QUÍMICOS E BIOQUÍMICOS – EQW 112
INTRODUÇÃO AOS POLÍMEROS
Profªs: Ana Lúcia Nazareth da Silva
IMA/UFRJ
ananazareth@ima.ufrj.br
NOÇÕES BÁSICAS SOBRE POLÍMEROS - INTRODUÇÃO
Macromolécula  Polímero
?
Molécula grande, de elevada 
MM
Também é uma molécula grande, porém 
seu alto peso origina-se da repetição 
de segmentos ao longo da cadeia
Poli=muitos Mero=partes
Ex.: Propileno (ou propeno) Polipropilenopolimerização
nCH2= CH
CH3
polimerização CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
CH3 CH3 CH3
CH2CH
n
CH3
Representação
33
Termos Gerais:
Monômero – Composto químico que reage para formar os polímeros. No
exemplo, o monômero foi o propileno
Mero – É a parte que se repete na cadeia do polímero. No exemplo, a
porção
CH2-CH-(CH3) é a unidade repetitiva
Oligômero ( poucas partes) – É um polímero de baixa MM, com
aproximadamente 10 unidades repetidas
Polimerização – É a reação pela qual os monômeros combinam-se para
formar os polímeros
Copolímeros – polímeros que apresentam mais de um mero diferente
na cadeia polimérica.
55Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental
As cadeias poliméricas podem se apresentar na forma de:
a) Cadeias lineares ou polímeros lineares
b) Cadeias com ramificações longas
c) Cadeias com ramificações curtas
d) Cadeias com ligações cruzadas ou polímeros reticulados ou em rede
Figura 1: Representação das cadeias poliméricas: (a) cadeia linear; (b) cadeia ramificada; 
(c) cadeia reticulada
Propriedades 
Mecânicas
66Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental
Em função da quantidade de ligações cruzadas, os polímeros reticulados podem ser
subdivididos em polímeros com baixa densidade de ligações cruzadas (ex.: borrachas
vulcanizadas), ou polímeros com alta densidade de ligações cruzadas (ex.:
termorrígidos)
Os diferentes tipos de cadeia levam ao aparecimento de propriedades diferentes nos
polímeros, especialmente em relação à fusibilidade e solubilidade.
As cadeias laterais dificultam a aproximação das cadeias poliméricas, diminuindo,
assim, as interações moleculares e acarretando prejuízos nas propriedades mecânicas.
A formação de cadeias reticuladas , devido à presença de ligações cruzadas entre
moléculas, “amarra” as cadeias, impedindo o seu deslizamento umas sobre as outras,
aumentando muito a resistência mecânica e tornando o polímero insolúvel e infusível.
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 7
CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS
 Quanto à presença de grupos funcionais
- Poliamidas
- Poliésteres
- Poliéteres
Quanto ao método de preparação
Poliadição Policondensação
Presença de três diferentes etapas reacionais:
iniciação; propagação e terminação
Não há distinção reacional entre o início da formação
do polímero, crescimento ou interrupção deste
crescimento
Uma vez iniciada a cadeia, o seu crescimento é
rápido, com altos graus de polimerização sendo
obtidos logo no início da reação (MM ~ 105)
O crescimento da cadeia é lento
(MM ~1-2 X 104)
Uso de um iniciador Não precisa de iniciador
Não há subprodutos durante a reação Há subprodutos – o crescimento da cadeia depende
da eliminação de moléculas pequenas, tais como,
H2O, HCl e NH3
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 8
Quanto ao comportamento mecânico
Plásticos – caracterizam-se por serem sólidos à temperatura ambiente em
seu estado final, mas em algum estágio de seu processamento, tornam-se
fluidos e possíveis de serem moldados, por ação de calor e/ou pressão.
Borrachas ou Elastômeros – material que exibe elasticidade à
temperatura ambiente.
Termoplásticos Termorrígidos
Polímeros que permitem fusão por 
aquecimento e solidificação por 
resfriamento
São polímeros que por aquecimento, ou outra 
forma de tratamento, assumem a estrutura 
tridimensional, reticulada, com ligações 
cruzadas, tornando-se insolúveis e infusíveis
Fibra – um termoplástico orientado (com um sentido longitudinal
dito eixo principal da fibra). A orientação das cadeias e dos
cristais, feita de modo forçado durante a fiação, aumenta a
resistência mecânica desta classe de materiais.
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 9
T
e
ns
ã
o,
 
Deformação, 
Pl
á
st
ic
o 
rí
gi
d
o
Figura 2: Curvas de Tensão X Deformação de diferentes polímeros 
CURVA DE TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 10
Processamento de Termoplástico por Extrusão
Quanto aos tipos de morfologia no estado sólido
Polímero amorfo – as cadeias do polímero estão em estado desorganizado,
arranjadas aleatoriamente e entrelaçadas, lembrando um prato de espaguete
cozido. Os polímeros amorfos são geralmente polímeros transparentes.
Polímero cristalino – as cadeias do polímero estão em estado ordenado, com uma
forma definida. Os polímeros cristalinos são geralmente opacos.
Polímero semicristalino – em geral, os polímeros não são totalmente amorfos,
nem totalmente cristalinos, apresentando-se em um estado intermediário. As
moléculas exibem um empacotamento regular, ordenado, em determinadas
regiões. Quanto maior o grau de cristalinidade, maior é a organização das
cadeias poliméricas. Devido às fortes interações intermoleculares, os polímeros
semicristalinos são mais rígidos e resistentes. Estes polímeros também são mais
opacos devido à presença das regiões cristalinas.
Representação de um polímero semicristalino. Teor de cristalinidade crescendo da 
esquerda para direita
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 11
Processamento de Termoplástico por Extrusão
Micrografias óticas de cristais de Polipropileno
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 12
Processamento de Termoplástico por Extrusão
Massa Molecular e sua distribuição em polímeros
Polímeros Não são produtos homogêneos; contêm mistura de moléculas, de
massas variadas, apresentando o que se chama de polimolecularidade.
Os polímeros possuem longos segmentos moleculares, que vão influenciar nas
propriedades dos produtos finais, sendo assim, é de grande importância seu
conhecimento e controle.
Representação esquemática de um polímero linear
13
 As fortes interações entre cadeias resultam nas propriedades especiais das
macromoléculas.
 A partir de MM entre 1000-1500 estas propriedades começam a surgir e
vão se tornando mais significativas à medida que o MM aumenta.
Polímeros – MM > 10.000
Oligômeros – 1000 < MM < 10.000
Cadeias poliméricas com MM acima de 250.000 são consideradas de elevada massa molecular
Variação de uma dada propriedade em função de sua massa molecular
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 14
Tipos de massas moleculares médias
Massa Molecular Numérica Média (Mn) - é a maneira de calcular a massa
molecular onde o número de cadeias poliméricas é o mais importante.
Massa Molecular Ponderal Média (Mw) – é a maneira de calcular a massa
molecular onde a massa das cadeias poliméricas é o mais importante.







1
1
____
i
i
i
i
i
n
Mn
Mn







1
2
1
____
i
ii
i
i
i
Mn
Mn
Mw
Mi é o peso molecular de moléculas de classe i; ni é o número de moléculas de classe i
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 15
 Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) – se baseia na propriedade
característica dos polímeros de produzirem soluções viscosas, mesmo a
grandes diluições. Depende do espaço ocupado pelas macromoléculas,
causando resistência ao escoamento e são fatores importantes não apenas o
n°e o peso das moléculas, mas também a sua forma na solução. As
interações polímero-solvente afetam os resultados obtidos.
 Na prática, os valores de Mv são obtidos através da equação:
[] = K Mv a, 
onde K e a são constantes que dependem do sistema polímero-solvente e da 
temperatura














1
/1
1
1
____
i
ii
a
a
i
i
i
Mn
Mn
Mv
Poliestireno (metil-etil-cetona, 25°C) - K=3,9 x 10-4; a = 0,58
Poli(metacrilato de metila) (metil-etil-cetona, 25°C) - K=0,68 x 10-4; a = 0,72
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 16
Métodos experimentais para a determinação da massa molecular de 
polímeros
• Osmometria, Ebuliometria e Crioscopia – Mn
• Espalhamento de Luz – Mw
• Viscosimetria – Mv
• Cromatografia de Exclusão por Tamanho (GPC ou SEC) – Mn, Mw e Mv
Conceito sobre Polidispersão
Será tanto maior quanto mais heterogêneo forem as massas molar
DMM = Mw/Mn
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 17
Polímeros podem existir em estado amorfo, caracterizado por um arranjo desordenado das 
moléculas, ou em estado cristalino, em que há uma ordenação tridimensional
Temperatura de
transição vítrea (Tg)
Temperatura de 
fusão cristalina (Tm)
Análise de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
“Differential Scanning Calorimetry”
Além das temperaturas Tg e Tm, obtém-se, através desta técnica, a entalpia de
fusão, Hf, usada para o cálculo do grau de cristalinidade, c. Outras medidas são o
calor de cristalização, Hc, e o calor de reação, Hr.
Temperatura de 
cristalização (Tc)
PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS POLÍMEROS
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 18
Influência da presença de grupamentos no comportamento térmico 
do polímero 
Influência da polaridade (presença de grupos polares) na Tg e Tm:
-C-O- -N-C-O- -N-C- -N-C-N-
H H H H
Polaridade Crescente
Tg e Tm crescentes
Éster Uretano Amida Uréia
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 19
PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
 Viscoelasticidade
o Os polímeros não são nem perfeitamente elásticos e nem perfeitamente
viscosos;
o Apresentam um comportamento intermediário entre sólido e líquido: parte da
energia é armazenada e parte é dissipada sob a forma de calor;
Por isso, a resposta dos polímeros frente a esforços mecânicos pode variar 
com a duração deste esforço
o A medida de viscoelasticidade é uma técnica disponível em equipamentos
conhecidos como reômetros e este parâmetro revela características sobre a
natureza viscoelástica do material.
o Ciência que estuda o comportamento viscoelástico dos materiais: REOLOGIA
(estudo do escoamento e deformação da matéria).
Importância dos dados reológicos na indústria:
• Determinar a funcionalidade da incorporação de aditivos no desenvolvimento de produtos;
• Controle de qualidade do produto final ou intermediário;
• Determinação da vida durante estoque;
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 20
PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
 Permeabilidade
Durante o transporte de óleo e gás por dutos flexíveis, os materiais estão em
contato com gases a elevadas T e P e, possivelmente, em contato com a água
do mar.
Blistering
(absorção de gás no polímero seguida de uma 
descompressão explosiva)
Corrosão dos arames das 
armaduras de pressão 

“Empolamento”
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 21
PERMEABILIDADE
Grau de Cristalinidade Presença de Aditivos
(Plastificante)
 O coeficiente de permeabilidade depende dos coeficientes de
difusão e solubilidade, que são funções da temperatura (e algumas
vezes da pressão dos gases) e afinidade do gás com o material
polimérico em questão.
 Quanto maior o grau de cristalinidade, menor é a permeabilidade do material
 A incorporação de plastificante leva ao aumento da permeabilidade do material
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 22
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
Principais métodos de processamento de polímeros
 Consiste em empurrar o material para fora de um compartimento
Ex.: tubo de pasta de dente; seringa, reômetro capilar
 O material líquido ou pastoso é forçado a adquirir o formato ao sair da
extrusora
No caso de polímeros, o processo pode ser em tubos, perfis, sacos plásticos,
recobrimentos de fios e cabos, chapas, etc.
Representação esquemática de 
uma extrusora
Extrusão
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 23
Representação esquemática das diferentes zonas de uma extrusora
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 24
Extrusora usada na fabricação de dutos de transporte de petróleo
 Para cada tipo de polímero processado, diferentes perfis de
temperatura são usados
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 25
TERMOPLÁSTICOS
 São alimentados no estado
“sólido”;
 São fundidos sob ação do
calor e ficção;
 São transportados e
bombeados;
 São forçados pela matriz
para adquirirem um formato
específico
 São resfriados Processo de extrusão de um material polimérico
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 26
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
Injeção
 Conformação pela aplicação de pressão e preenchimento de uma cavidade
 Descrição: Dois módulos: Unidades de Injeção e Fechamento e Molde
Representação esquemática de uma injetora
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 27Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 27
ROTOMOLDAGEM
Processo de alta temperatura e baixa pressão, ideal para a produção de peças plásticas
grandes, ocas e inteiras, caracterizando-se por não apresentar fluxo de plástico fundido e nem
esforço cisalhante. Quanto maior for a peça, maiores são as vantagens do processo, já que
podem ser produzidas peças sem emendas e sem rebarbas; porém os índices de produção são
relativamente baixos;
É recomendado tanto para a produção de peças ocas de grande porte (containers, tanques de
combustível, gabinetes de equipamentos), quanto para peças pequenas (vasos, brinquedos,
peças de decoração);
Também tem como vantagem o baixo custo e possibilidade de fabricação de pequenos lotes.
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 28Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 28
Introdução ao Processamento de Polímeros ExperimentalIntrodução ao Processamento de Polímeros Experimental 29Introdução ao Processamento de Polímeros ExperimentalIntrodução ao Processamento de Polímeros Experimental
TERMOFORMAGEM - ETAPAS DO PROCESSO
Fixação da chapa
Aquecimento
Moldagem
Resfriamento
Extração da peça
No processo de termoformagem, uma chapa ou lâmina termoplástica amolecida pelo
calor é forçada contra um molde por meio de pressão, adquirindo o seu formato, em
temperatura controlada.
Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 30Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 30Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 30Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 30Introdução ao Processamento de Polímeros Experimental 30
Processamento de Termoplástico por Extrusão 3131
PROPRIEDADES FINAIS DOS PRODUTOS
Propriedades mecânicas – baseadas em normas ASTM e ISO:
 Resistência à Tração
Parâmetros obtidos:
-Módulo de elasticidade (MPa)
- Tensão no escoamento (MPa) e Deformação no
escoamento (%)
- Tensão na ruptura (MPa) e Deformação na ruptura (%)
Processamento de Termoplástico por Extrusão 3232
PROPRIEDADES
Propriedades mecânicas – baseadas em normas ASTM e ISO:
 Resistência ao Impacto
ENSAIO IZOD
ENSAIO CHARPY
Principal parâmetro:
-Energia de impacto (J)
-Resistênciaao impacto (KJ/m2)
Processamento de Termoplástico por Extrusão 3333
PROPRIEDADES
Propriedades de escoamento – baseadas em normas ASTM e ISO:
 Índice de Fluidez (Melt Flow Index – MFI)
Principal parâmetro:
-Índice de fluidez (g/10 min)