Ciência dos Materiais : Polímeros

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1º SEMESTRE 2014
“Tenho o maior desprezo por pessoas que, para afirmar a sua duvidosa superioridade, pisam nos mais fracos.” 
Rubem Alves
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ESTRUTURAS DOS POLÍMEROS
Prof. Ruy Ernesto Nóbrega Schwantes
Livro texto:
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr, (sétima edição); LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Capítulo 14 (págs 355 a 379)
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr e David G Rethwisch, (oitava edição); Gen LTC
Capítulo 14 (págs 454 a 485)
Livros de apoio:
Princípios de Ciência dos Materiais; Lawrence H Van Vlack; Editora Edgard Blücher
Capítulo 7 (págs 164 a 198)
Ciência dos Materiais; James F. Shakelford; Pearson Prentice Hall
Capítulo 13 (págs 292 a 314)
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Polímeros são macromoléculas formadas a partir de moléculas menores - os monômeros. 
O processo de transformação desses monômeros, formando o polímero, é chamado polimerização. 
A massa molecular de um polímero varia muito, sendo que em uma porção de material polimerizado existem moléculas maiores e menores; daí falamos sempre em massa molecular média. 
Ex:  Celulose: (C6H10O5)n  onde n varia de aproximadamente 1500 a 3000
        Polietileno: (CH2CH2)n  onde n varia de aproximadamente 2000 a 100 000
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Os polímeros naturais (derivados de plantas e animais) são utilizados há muito tempo: 
Exemplos: Madeira, Borracha, Seda, Lã, Algodão, etc...
Outros polímeros naturais são importantes em processos biológicos e fisiológicos
Exemplos: Proteínas, Enzimas, Amidos, Celulose, etc...
Hoje em dia se utilizam muito polímeros sintéticos, a partir de moléculas orgânicas pequenas (os monômeros)
Polietileno, PVC, Borracha sintética, Acrílicos, Nylon, etc ...
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Revendo um pouco de hidrocarbonetos:
Compostos formados por Carbono e Hidrogênio, exemplos:
Metano CH4 		Etano C2H6 
Eteno C2H4 			 	Etino C2H2 
Posso ter outros grupos de átomos formando algumas famílias de compostos as chamadas Funções.
R – OH (álcoois) Ex: 			 (Aldeídos) Ex: 		 
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Vamos ver um exemplo simples de polímero:
		etileno				polietileno
unidade repetida
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Na fabricação de um polímero, a substância inicial constitui o monômero, e sua repetição 2, 3, ..., n vezes dá origem ao dímero, trímero, ..., polímero. 
Teoricamente a reação de polimerização pode prosseguir infinitamente, dando origem a uma molécula de massa molecular infinita. Fatores práticos, no entanto, limitam a continuação da reação...
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Ângulo entre as ligações no carbono: 109º28’
Comprimento da ligação
C – C 
0,154 nm
Conformação
Dobras
Torções
Contorções
Espiralações
Podem ocorrer interações mesmo entre moléculas
C=C ligação rotacionalmente rígida
C-C ligação rotacionalmente livre (pode sofrer impedimentos de grupos volumosos em carbonos vizinhos)
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Quanto aos monômeros Homopolímero – Todas as unidades repetidas ao longo de uma cadeia são do mesmo tipo 
Copolímero – As cadeias são compostas por duas ou mais unidades repetidas diferentes
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Quanto a estrutura molecular
Linear 
Ramificada
Com ligações cruzadas
Em rede (tridimensional)
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Quanto a resposta do polímero à aplicação de uma força mecânica em temperaturas elevadas os polímeros podem ser:
Termoplásticos
Amolecem ou eventualmente se liquefazem quando são aquecidos e endurecem quando são resfriados. Processo reversível que pode ser repetido. (normalmente os polímeros lineares e os pouco ramificados são termoplásticos).
Termofixos
Normalmente os polímeros em rede são termofixos, se tornam permanentemente duros durante a sua formação e não amolecem com um aquecimento subsequente.
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Estereoisomerismo
“polímero” com a configuração “isotática”
“polímero” com a configuração “sindiotática”
“polímero” com a configuração “atática”
Um mesmo polímero pode apresentar as 3 configurações, depende das condições de polimerização
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configuração “isotática”
configuração “sindiotática”
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Isomerismo geométrico
Cis poliisopreno (borracha natural)
Trans poliisopreno (guta-percha)
Quando os grupos são volumosos, podem ocorrer impedimentos espaciais, sendo que na forma trans os grupos estão em lados opostos da molécula ela é mais estável.
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Características dos polímeros dependem de:
Peso molecular
Forma do polímero
Estrutura das moléculas
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A ligação entre os monômeros é feita através de pontos reativos, isto é, átomos ou grupos de átomos do monômero, capazes de efetuar uma nova ligação química, seja pelo rompimento de insaturações ou pela eliminação de moléculas simples (H2O, NH3 etc). Se existirem três ou mais pontos reativos no monômero, o polímero será tridimensional
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Por ADIÇÃO
Por CONDENSAÇÃO
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Hoje em dia se utilizam muito polímeros sintéticos, a partir de moléculas orgânicas pequenas (os monômeros)
Polietileno
PVC
Borracha sintética
Acrílicos
Nylon
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Polietileno: É obtido a partir do etileno (eteno). Possui alta resistência à umidade e ao ataque químico, mas tem baixa resistência mecânica. O polietileno é um dos polímeros mais usados pela indústria, sendo muito empregado na fabricação de folhas (toalhas, cortinas, envólucros, embalagens etc), recipientes (sacos, garrafas, baldes etc), canos plásticos, brinquedos infantis, no isolamento de fios elétricos etc. 
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Poliisobuteno: 
É obtido a partir do isobuteno (isobutileno). Constitui um tipo de borracha sintética denominada borracha butílica, muito usada na fabricação de "câmaras de ar" para pneus. 
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Cloreto de Polivinila (PVC):
 É obtido a partir do cloreto de vinila. O PVC é duro e tem boa resistência térmica e elétrica. Com ele são fabricadas caixas, telhas etc. Com plastificantes, o PVC torna-se mais mole, prestando-se então para a fabricação de tubos flexíveis, luvas, sapatos, "couro-plástico" (usado no revestimento de estofados, automóveis etc), fitas de vedação etc. 
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Acetato de Polivinila (PVA):
 É obtido a partir do acetato de vinila. É muito usado na produção de tintas à base de água (tintas vinílicas), de adesivos e de gomas de mascar. 
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Politetrafluoretileno ou Teflon: É obtido a partir do tetrafluoretileno. É o plástico que melhor resiste ao calor e à corrosão por agentes químicos; por isso, apesar de ser caro, ele é muito utilizado em encanamentos, válvulas, registros, panelas domésticas, próteses, isolamentos elétricos, antenas parabólicas, revestimentos para equipamentos químicos etc. A pressão necessária para produzir o teflon é de cerca de 50 000 atmosferas. 
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Polimetacrilato: É obtido a partir do metacrilato de metila (metil-acrilato de metila). Este plástico é muito resistente e possui ótimas qualidades óticas, e por isso é muito usado como "vidro plástico", conhecido como plexiglas ou lucite. É muito empregado na fabricação de lentes para óculos infantis, frente às telas dos televisores, em parabrisas de aviões, etc..  
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Poliacrilonitrila: É obtido a partir da nitrila do ácido acrílico (acrilonitrila). É usado essencialmente como fibra têxtil - sua fiação com algodão, lã ou seda produz vários tecidos conhecidos comercialmente como orlon, acrilan e dralon, respectivamente, muito empregados especialmente para roupas de inverno. 
 
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Poliésteres: Resultam da condensação de poliácidos (ou também seus anidridos e ésteres) com poliálcoois. Um dos poliésteres mais simples e mais importantes é obtido pela reação do éster metílico do ácido tereftálico com etileno-glicol. É usado como fibra têxtil e recebe os nomes de terilene ou dacron. Em mistura com outras fibras (algodão, lã, seda etc) constitui o tergal. 
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Poliamidas ou Nylons: Estes polímeros são obtidos pela polimerização de diaminas com ácidos dicarboxílicos. Os nylons são plásticos duros e têm grande
resistência mecânica. São moldados em forma de engrenagens e outras peças de máquinas, em forma de fios e também se prestam à fabricação de cordas, tecidos, garrafas, linhas de pesca etc. O mais comum é o nylon-66, resultante da reação entre a hexametilenodiamina (1,6-diamino-hexano) com o ácido adípico (ácido hexanodióico). 
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Poliestireno: É obtido a partir do estireno (vinil-benzeno). Esse polímero também se presta muito bem à fabricação de artigos moldados como pratos, copos, xícaras etc. É bastante transparente, bom isolante elétrico e resistente a ataques químicos, embora amoleça pela ação de hidrocarbonetos. Com a injeção de gases no sistema, a quente, durante a produção do polímero, ele se expande e dá origem ao isopor.
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Polipropileno É obtido a partir do propileno (propeno), sendo mais duro e resistente ao calor, quando comparado com o polietileno. 
Aplicações: brinquedos, recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos, carcaças para eletrodomésticos, fibras, sacarias (ráfia), filmes orientados, tubos para cargas de canetas esferográficas, carpetes, seringas de injeção, material hospitalar esterilizável, autopeças (pára-choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas, ventiladores)
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Aplicações: Embalagens para bebidas, refrigerantes, água mineral, alimentos, produtos de limpeza, condimentos; reciclado, presta-se a inúmeras finalidades: tecidos, fios, sacarias, vassouras.
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As substâncias moleculares com moléculas pequenas (por exemplo água e metano) são normalmente totalmente cristalinas (como sólidos) ou totalmente amorfas (como líquidos).
Como consequencia de seus tamanhos e complexidade, as moléculas de polímeros são, em geral, apenas parcialmente cristalinas (ou semicristalinas) possuindo regiões cristalinas dispersas no material amorfo restante. 
Qualquer desordem ou falta de alinhamento na cadeia irá resultar em uma região amorfa, condição muito comum, uma vez que torções contorções e os enovelamentos previnem a correta ordenação das moléculas.
Para polímeros lineares, a cristalização é obtida com facilidade, pois existem poucas restrições para prevenir o alinhamento da cadeia. Quaisquer ramificações laterais interferem na cristalização, de modo que polímeros ramificados nunca são altamente cristalinos. Polímeros estereoisômeros atáticos são difíceis de cristalizar, os isotáticos e sindiotáticos cristalizam muito mais facilmente.
Para os copolímeros quanto mais irregulares e aleatórios forem os arranjos das unidades repetidas, maior será a tendência para o desenvolvimento de material não cristalino.
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Lista 11