Polímeros 2017.1 atual

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Universidade Federal Rural do Semi-Árido 
Centro de Engenharias 
Polímeros 
 
 
Química aplicada a engenharia 
 
 
 
 
Mossoró, outubro de 2017 
 
 
 
O que são polímeros? 
 Materiais formados por estruturas moleculares que apresentam cadeias 
grandes; 
 
 "Mero” - grego (parte) 
 Um único mero – monômero Muitos meros – polímero 
 
 A maioria dos polímeros são compostos formados por carbono, hidrogênio e 
outros elementos não metálicos (O2, N2). 
Figura 1. Macromolécula 
• Materiais poliméricos encontrados na natureza, derivados de plantas e 
animais, têm sido usados durante muitos séculos. 
 
Exemplos: madeira, borracha, algodão, lã, couro e seda. 
 
• Com os avanços da tecnologia, foi possível determinar as estruturas 
moleculares dos polímeros, permitindo o desenvolvimento de polímeros 
sintéticos. 
 
• Polímeros sintéticos – propriedades são projetadas de acordo com as 
necessidades particulares. 
 
 
Introdução 
 
• Muitos objetos de plásticos, borrachas e fibras, são fabricados por polímeros 
sintéticos; 
 
 
• Em algumas situações, peças de metal e de madeira foram substituídas por 
plásticos, que têm propriedades satisfatórias e podem ser produzidos a um 
custo mais baixo. 
 
Introdução 
• Os polímeros, em sua maioria, são formados por hidrocarbonetos; 
 
 
• Cada átomo de carbono tem 4 elétrons que podem participar em ligação 
covalente, enquanto que cada átomo de hidrogênio tem apenas 1 elétron de 
ligação. 
 
Tipos de ligações entre o carbono: 
• Ligações simples 
 
• Ligações duplas 
 
• Ligações triplas 
 
Moléculas de hidrocarbonetos 
• Ligações simples – cada átomo de C e H que se ligam contribui com um 
elétron. 
Moléculas de hidrocarbonetos 
 C 
H 
H 
H H 
• Ligações duplas – envolve uma ligação entre 2 átomos de carbono, os quais 
compartilham dois pares de elétrons. 
Exemplo: etileno (gás à 
temperatura e pressão ambientes) 
• Ligações triplas – envolve uma ligação entre 2 átomos de carbono, os quais 
compartilham três pares de elétrons; 
 
Moléculas de hidrocarbonetos 
Exemplo: acetileno 
• Moléculas com ligações simples - o átomo de carbono está ligado ao 
número máximo de átomos são denominadas saturadas; 
 
 
• Moléculas com duplas ou triplas ligações covalentes - denominadas 
insaturadas. 
Características físicas de um polímero dependem: 
 
a) Massa molecular; 
 
 
b) Diferenças na estrutura das cadeias moleculares. 
 
 
• Técnicas de síntese de polímeros permitem considerável controle sobre várias 
possibilidades estruturais. 
 
 
 Estrutura molecular 
 Estrutura molecular 
 Classificação de polímeros 
Polímeros 
Origem 
Estrutura 
química 
Método de 
preparação 
Comportamento 
térmico e mecânico 
Devido ao grande número de polímeros existentes para atender as mais 
diversas áreas de aplicações, sentiu-se a necessidade de classificá-los. 
Quanto a origem 
 
• Polímeros naturais - foram utilizados como padrões para a busca de 
polímeros similares sintéticos, durante o desenvolvimento da química 
de polímeros, no início da década de 50. 
 
 
• Polímeros sintéticos - desenvolvidos de acordo com a necessidade 
do mercado, sempre buscando obter propriedades desejáveis. 
 
 Classificação de polímeros 
Estruturas 
moleculares 
Linear 
Ramificada 
Ligação 
cruzada 
Em rede 
Estrutura molecular 
Classificação de polímeros 
Os polímeros podem ter 
mais de um tipo de 
estrutura molecular. 
Polímeros Lineares - os meros encontram-se 
ligados entre si em cadeias únicas e flexíveis; 
 
Exemplos: 
Polietileno (PEBD) – sacolas de supermercado 
Polietileno (PEAD) – frascos para shampoo; 
Cloreto de polivinila; 
Poliestireno (copos descartáveis); 
Poliamidas - nailon 
 
Estrutura molecular 
Polímeros Ramificados – possuem cadeias 
principais ligadas a ramificações laterais; 
 
• As ramificações, consideradas como 
parte da molécula da cadeia principal, 
resultam a partir de reações que ocorrem 
durante a síntese do polímero; 
 
• A formação de cadeias laterais, diminui a 
eficiência de empacotamento da cadeia, 
resultando numa diminuição da densidade 
do polímero. 
Estrutura molecular 
 
Polímeros com Ligações Cruzadas - as 
cadeias lineares adjacentes se juntam, em 
várias posições, por ligações covalentes; 
 
• As ligações cruzadas são originadas 
durante a síntese do polímero. 
 
 
• Alguns materiais de borracha possuem 
ligações cruzadas. 
Estrutura molecular 
Polímeros em Rede - possuem unidades 
de mero, formando redes tridimensionais; 
 
• Estes materiais têm distintivas 
propriedades mecânicas e térmicas; 
 
• Exemplos: epóxis e fenolformaldeídos. 
Estrutura molecular 
• Copolímero - composto de 2 unidades de meros diferentes representados 
por: 
 
 
• Materiais que podem ser sintetizados com o objetivo de obter melhorias nas 
suas propriedades; 
 
 
• Dependendo do processo de polimerização e das frações destes tipos de 
meros, diferentes arranjos de sequência ao longo das cadeias de polímeros 
são possíveis. 
 
Copolímeros 
• Copolímero randômico - as 2 
diferentes unidades de meros 
estão randomicamente dispersas 
ao longo da cadeia; 
 
 
• Copolímero alternante -- as 2 
diferentes unidades de meros se 
alternam nas posições da 
cadeia. 
 
 
Copolímeros 
• Copolímero em bloco - os meros 
idênticos estão na forma de blocos 
ao longo da cadeia. 
 
 
 
• Copolímero enxertado - ramos 
laterais de homopolímeros podem 
ser enxertados às cadeias 
principais de homopolímeros 
compostas de um diferente mero. 
 Copolímeros 
Quanto ao comportamento térmico 
Termoplásticos 
 
 Considerados fusíveis e solúveis. Amolecem quando aquecidos e endurecem 
quando resfriados, podendo ser fundidos várias vezes e solubilizados por 
vários solventes; 
 
 À temperatura ambiente, podem ser de maleáveis a rígidos; 
 
 
 Podem ser: termoplásticos amorfos e termoplásticos semi-cristalinos. 
Classificação de polímeros 
 Termoplásticos - representam a maior parcela dos polímeros e são 
normalmente fabricados pela aplicação simultânea de calor e pressão; 
 
 
 Polímeros lineares e com estrutura um pouco ramificada pertencem a 
esse grupo. 
 
 Exemplos: 
 polietileno, polipropileno, poli (cloreto de vinila), etileno-acetato de vinila 
(EVA). 
Classificação de polímeros 
Classificação de polímeros 
Termorrígidos 
• Possuem, através do aquecimento, 
estrutura reticulada, com ligações 
covalentes cruzadas, tornando-se 
infusíveis e totalmente insolúveis em 
quaisquer solventes; 
 
• São, em todas as direções, 
estreitamente encadeados, resistindo 
aos movimentos vibracional e rotacional 
da cadeia a altas temperaturas. 
 
 
Classificação de polímeros 
Com o aumento da 
reticulação, a estrutura torna-
se mais rígida. 
• Uma vez moldados e curados, os termorrígidos não são mais reutilizados, 
pois, quando aquecidos, as ligações covalentes se quebram e o polímero é 
destruído sem atingir o estágio de amolecimento. 
 
Exemplos: 
• resina fenólica; 
• resina melamínica; 
• poliéster insaturado; 
• resina epóxi 
 
Classificação de polímeros 
Classificação de polímeros 
Ao ser descoberta, a baquelite foi 
bastante utilizada na produção de 
discos musicais, tomadas, 
interruptores,cabos de panelas, 
telefones, bolas de bilhar, câmeras 
fotográficas, carapaças de 
eletrodomésticos, peças de 
automóveis entre outros. 
Baquelite (polifenol) 
Classificação de polímeros 
Quanto ao comportamento mecânico 
Plásticos 
Elastômeros 
Fibras 
Plásticos 
 
• Materiais orgânicos poliméricos 
sintéticos, que apresentam grande 
maleabilidade, são facilmente 
transformáveis mediante o emprego de 
calor e pressão. 
 
• Constittuem a maior diversidade dentre 
os materiais poliméricos 
 
 
Plásticos 
 
Características: 
 
• Podem ser rígidos e frágeis; 
 
• Flexíveis, exibindo deformações plásticas quando tensionados; 
 
• Podem ter estruturas moleculares (linear, ramificada, cruzada, em rede); 
 
• Quanto ao comportamento térmico, podem ser termoplásticos ou 
termorrígidos. 
 
Plásticos 
polietileno, polipropileno 
Cloreto de polivinila, poliestireno 
fluorocarbonos, poliésteres 
epóxis, fenólicos 
Plásticos 
Moldagem por compressão e transferência 
Moldagem por injeção 
Moldagem por sopro 
Extrusão 
Fundição 
Técnicas de conformação 
Plásticos 
Vantagens na utilização dos plásticos 
Menor consumo de energia na sua produção 
 
Leves quando comparados a outros materiais 
 
Duráveis (resistentes a corrosão) 
 
Baixa densidade 
 
Bons isolantes térmicos 
 
Preço baixo 
 
Recicláveis numa quantidade elevada 
 
Projetados para um tempo de vida limitado 
(biodegradáveis) 
Plásticos 
Polímeros com cadeias e cristais 
orientados, de maneira forçada, durante o 
processo de fiação, aumentando a 
resistência mecânica desses materiais, 
tornando possível sua utilização na forma 
de fios. 
Fibras 
 
Características e aplicações 
 
• Os polímeros em fibras são capazes de ser estirados em longos filamentos 
tendo pelo menos uma razão 100:1 (comprimento:diâmetro); 
 
 
• Muitas fibras comerciais são utilizados na indústria têxtil, sendo trançadas 
em forma de tecido; 
 
 
• Para ser útil como um material têxtil, a fibra deve atender a um conjunto de 
características físicas e químicas bastante restritivas. 
Fibras 
 
• Quando em uso, as fibras podem ser submetidas a uma variedade de 
deformações mecânicas - estiramento, retorcimento, cizalhamento e abrasão; 
 
 
 
• As fibras devem ter estabilidade química a presença de ácidos, bases, 
alvejantes, solventes de lavagem a seco e à luz do sol. 
 
 
Fibras 
Técnicas de Conformação 
 
• Conformadas num processo denominado de fiação ("spinning"); 
 
 
• A resistência mecânica de fibras é melhorada por um processo de 
estiramento, que tem por objetivo o alongamento mecânico da fibra; 
 
 
• Durante o estiramento, as cadeias moleculares tornam-se orientadas de 
maneira que há uma melhoria da resistência à tração, módulo de elasticidade. 
 
Fibras 
• Polímeros que na temperatura 
ambiente, podem sofrer 
deformações de no mínimo duas 
vezes o seu comprimento inicial, 
retornando ao comprimento 
original após retirado o esforço. 
 
 Possuem cadeias reticuladas, porém com uma baixa densidade de ligação 
cruzada, tornando possível sua elasticidade. 
Elastômeros 
Borracha de Estireno-Butadieno (SBR) 
Copolímero randômico 
Vulcanização 
 
• Processo que consiste na formação de ligação cruzada na estrutura 
molecular, sendo tais ligações, um requisito para o comportamento do 
elastômero; 
 
 
• Na vulcanização, compostos de enxofre são adicionados ao elastômero 
aquecido, onde os átomos de enxofre se ligam com as cadeias adjacentes 
formando ligações cruzadas. 
Elastômeros 
• Borracha não-vulcanizada - caracteriza-se por ser macia, pegajosa e com 
baixa resistência à abrasão; 
 
• Borracha vulcanizada – caracteriza-se pelo aumento da resistência à tração 
e resistência à degradação por oxidação; 
 
• Na vulcanização, as borrachas devem conter de 1 a 5 % de enxofre. O 
aumento do teor de enxofre além desta proporção endurece a borracha; 
 
 
• As propriedades de um elastômero depende do grau de vulcanização e de ter 
sido usado algum reforço neste elastômero. 
 
 
 
 
 
Elastômeros 
Tipos elastoméricos 
 
• Borracha natural 
 
 
• Borracha de estireno-butadieno (SBR) 
 
 
• Borrachas de silicone 
Elastômeros 
 
• Para muitas aplicações, as propriedades mecânicas de borrachas 
vulcanizadas ainda não são satisfatórias em termos de resistência à 
tração, abrasão e resistência ao rasgamento, e rigidez, sendo necessário 
a inclusão de aditivos. 
Elastômeros 
 
• Os polímeros comercialmente utilizados são sintetizados a partir de um 
processo denominado de polimerização; 
 
 
• Durante o processamento de polímeros, suas propriedades podem ser 
modificadas e melhoradas pela inclusão de materiais aditivos. 
Processamento de polímeros 
 
Polimerização 
 
Processo pelo qual unidades monoméricas são unidas entre si e sobre o 
produto da junção anterior, formando grandes moléculas. 
Polimerização 
Polimerização 
Polimerização 
Adição 
Iniciação Propagação Terminação 
Condensação 
 
Processo pelo qual unidades monoméricas são adicionadas 
uma de cada vez para formar uma macromolécula linear. 
 
 
 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
• Iniciação - durante a etapa inicial, um centro ativo capaz de propagação é 
formado pela reação entre uma espécie iniciadora (ou catalisadora) e a 
unidade monomérica. 
 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
R - representa o iniciador ativo; 
. representa um elétron não empareado. 
• Propagação - envolve o crescimento linear da molécula à medida em 
que unidades monoméricas vão sendo anexadas umas às outras em 
sucessão para produzir a molécula de cadeia. 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
Molécula do polietileno 
Terminação 
A propagação pode terminar de diferentes maneiras: 
 
a) As extremidades ativas de duas cadeias em propagação podem reagir entre 
si formando uma molécula não reativa, como se segue: 
 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
Término do crescimento da cadeia 
Terminação 
b) Uma extremidade ativa de cadeia pode reagir com um iniciador ou 
outras espécies químicas que tem uma única ligação ativa, como segue: 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
Finalização do crescimento da cadeia. 
• A massa molecular do polímero dependerá das etapas de iniciação, 
propagação e terminação; 
 
Exemplos de polimerização por adição: 
 
a) polietileno; 
b) polipropileno; 
c) poliestireno. 
Polimerização por adição (reação de cadeia) 
 
• Compreende a formação de polímeros por reações químicas em etapas 
que normalmente envolvem mais de uma espécie monomérica; 
 
 
 
• Geralmente há eliminação de um sub-produto de pequena massa 
molecular, como a água. 
Polimerização por condensação (Reação em etapas) 
Etileno-glicol Ácido tereftálico 
Polimerização por condensação (Reação em etapas) 
Formação do poliéster a partir da reação entre etileno-glicol e o ácido tereftálico. 
Poliéster 
• Os tempos de reação por condensação são geralmente mais longos. 
 
• Para produzir polímeros com grandes massas moleculares, é essencial que 
os tempos de reação sejam longos e a conversão dos monômeros reagentes 
seja completa. 
 
• Na polimerização por condensação também são produzidos vários 
comprimentos de cadeia, fornecendo uma distribuição de massa molecular. 
Exemplos: 
a) poliésterestermorrígidos e fenolformaldeídos; 
b) Nailons e policarbonatos 
Polimerização por condensação (Reação em etapas) 
• Quando há necessidade de modificar as propriedades mecânicas, químicas 
e físicas de um polímero, num grau muito maior do que é possível pela 
simples alteração da estrutura molecular fundamental, pode-se utilizar 
aditivos na formulação desse polímero. 
Aditivos de polimeros 
 
Substâncias intencionalmente introduzidas para melhorar ou 
modificar as propriedades mecânicas, químicas e físicas de um 
polímero conferindo ao mesmo uma maior utilidade. 
 
 
Aditivos de polimeros 
Aditivos 
A
d
it
iv
o
s
 
Enchedores 
Plastificantes 
Estabilizadores 
Corantes 
Retardantes 
de chama 
Aditivos de polímeros 
Enchedores 
 
• Adicionados aos polímeros para 
melhorar a resistência à tração e à 
compressão, tenacidade, 
estabilidade dimensional e térmica. 
 
 
• Os enchedores reduzem o custo 
do produto final, uma vez que 
substituem parcialmente o volume 
do polímero e são considerados de 
baixo preço. 
Aditivos de polímeros 
Enchedores 
 
 
Pó de serra 
 
Vidro 
Sílica 
 
Talco 
Alguns polímeros 
sintéticos 
calcário 
Pó de serra e argila 
Talco – mineral filossilicatos 
 (silicatos em folha) 
Aditivos de polímeros 
Plastificantes 
 
• Objetivo - melhorar a flexibilidade e a ductilidade de polímeros, reduzindo a 
dureza e rigidez do material polimérico; 
 
 
• São geralmente líquidos e apresentam pequenas massas moleculares; 
 
 
• São comumente adicionados em polímeros que são frágeis à temperatura 
ambiente. 
 
Aditivos de polímeros 
Plastificantes 
 
• Diminuem a temperatura de transição vítrea, permitindo que nas condições 
ambiente os polímeros sejam usados em aplicações que requerem algum 
grau de flexibilidade e ductilidade (filmes, capas de chuva e cortinas). 
 
Exemplo: 
 
Baseados em ftalatos (compostos químicos derivados do ácido ftalico) 
 
 
Aditivos de polímeros 
Corantes 
 
• Conferem cor específica ao polímero. 
Podem ser adicionados na forma de 
tinta ou pigmentos; 
 
 
• As moléculas constituintes de uma tinta 
se dissolvem e se tornam parte da 
estrutura molecular do polímero. 
 
Aditivos de polímeros 
Retardantes de chama 
 
• A flamabilidade de materiais poliméricos é uma grande preocupação, 
especialmente na fabricação de tecidos e brinquedos. 
 
• Os retardantes de chama, aumentam a resistência dos polímeros à 
inflamação; 
 
• Objetivo - interferem no processo de combustão iniciando uma reação 
química que causa um resfriamento da região de combustão e finalização 
da queima. 
 
 Exemplos: cloro e o bromo e compostos fosforados 
 
 
 
Aditivos de polímeros 
Retardantes de chama 
 
 Resíduos gerados na queima: 
 
 a) Gás (gera a chama); 
 
 b) Parte sólida carbonizada. 
 
 
• Quando se tenta criar um plástico que não queima, o objetivo é gerar a 
maior quantidade possível de resíduo carbonizado, obtendo menos chamas 
e menos volateis liberados na atmosfera. 
Aditivos de polímeros 
Aplicações miscelânias 
Revestimentos 
Adesivos 
Filmes 
Espumas 
Revestimentos 
 
• Aplicados às superfícies de materiais com os seguintes objetivos: 
 
1) Proteger o objeto contra reações corrosivas e deteriorativas; 
 
2) Melhorar a aparência dos objetos; 
 
3) Suprir isolamento elétrico. 
 
 
Exemplos: tintas, vernizes, esmaltes 
Aplicações miscelânias 
Adesivos 
 
• Substâncias usadas para unir superfícies de dois materiais sólidos, tais como: 
metal - metal, metal - plástico, metal - cerâmica; 
 
 
• Materiais poliméricos como termoplásticos, resinas termorrígidas, compostos 
elastoméricos e adesivos naturais (caseína, amido) podem ter funções 
adesivas. 
 
• Exemplo: poli (acetato de vinila) - vendido como uma emulsão, em água, como 
adesivo para materiais porosos como a madeira. 
 
Aplicações miscelânias 
Filmes 
 
• Materiais poliméricos têm sido utilizados na forma de filmes finos; 
 
• Filmes muito finos são fabricados e usados principalmente como sacolas 
para embalagens de produtos alimentares; 
 
 
Exemplos: 
• polietileno, polipropileno, celofane e acetato de celulose. 
 
 
Aplicações miscelânias 
Características dos filmes: 
 
 Alto grau de flexibilidade; 
 
 Alta resistência à tração e ao rasgamento; 
 
 Resistência ao ataque pela umidade e outros produtos químicos 
 
 Baixa permeabilidade a alguns gases, especialmente vapor de água. 
 
Aplicações miscelânias 
Espumas 
 
• Materiais plásticos muito porosos produzidos num processo chamado 
"espumação“; 
 
 
• No processo, bolhas de gás são geradas através da massa polimérica 
que surge como poros durante o resfriamento e dão origem a uma 
estrutura esponjosa. 
Aplicações miscelânias 
Exemplos de polímeros espumados 
 
• Poliuretano; 
 
• Poliestireno expandido - isopor 
 
 
 
• Espumas são comumente usadas na fabricação de colchões, em 
automóveis, móveis, bem como em embalagem e isolamento térmico. 
 
Aplicações miscelânias 
Poliuretano 
• CALLISTER, William D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma 
Introdução. 5a ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 612 p. 
 
 
 
• www.tudosobreplasticos.com. Acesso em: 02 de dezembro de 2015. 
Referências bibliográficas