A Era dos Plásticos e a Química dos Polímeros

Prévia do material em texto

A Era dos Plásticos 
Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e 
simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente. Se somente 
uma espécie de monômero está presente na estrutura do polímero, este é 
chamado de homopolímero. Se espécies diferentes de monômeros são 
empregadas, o polímero recebe a denominação de copolímero. 
Polímeros biológicos fundamentam a existência da vida, e existem desde o 
surgimento da primeira célula na superfície da terra. Os polímeros naturais têm 
sido empregados pelo homem desde os mais remotos tempos: asfalto era utilizado 
em tempos pré-bíblicos; âmbar já era conhecido pelos gregos e a goma pelos 
romanos. Os polímeros sintéticos, porém, somente surgiram no último século. 
Um grande marco na história da indústria de plásticos foi a descoberta do 
processo de vulcanização da borracha em 1839 (a partir do látex, um polímero 
natural, que já era largamente empregado) pela Goodyear. O próximo grande 
passo foi a nitração da celulose, resultando na nitrocelulose, produto 
comercializado primeiramente por Hyatt, em 1870. De seu produto foi obtido o 
celulóide, alavancando a indústria cinematográfica. Em 1865 foi descoberto o 
processo de acetilação da celulose, resultando em produtos comerciais de grande 
uso no início deste século, como fibras de rayon, celofane, entre outros. 
Entretanto, o primeiro polímero puramente sintético somente surgiu em 1907; 
resinas de fenol-formaldeído foram produzidas por Baekeland - entre elas, o 
primeiro polímero sintético de uso comercial: o "Bakelite". Desde então, a indústria 
e o uso de polímeros não para de crescer. 
Hoje, mesmo roupas e demais vestimentas são feitas com fibras poliméricas 
sintéticas. Roupas especiais, como o uniforme de astronautas, vestes dos 
corredores de fórmula 1, e roupas de mergulho submarino também são produzidas 
com polímeros especiais, que possuem as propriedades desejadas, em cada 
caso. 
 
Estrutura Molecular dos Polímeros 
Dependendo da natureza química dos monômeros e da técnica empregada para a 
polimerização, os polímeros podem exibir diferentes tipos de arquiteturas. Os mais 
comuns são os de estrutura linear, ramificada ou em rede. A primeira figura, ilustra o 
polietileno de alta densidade (HDPE): uma molécula de cadeia longa elinear, feita pela 
polimerização do etileno, um composto cuja fórmula estrutural é CH2=CH2. 
 
A indústria também produz uma outra variedade de polietileno, que possui cadeias 
ramificadas. Este é conhecido como polietileno de baixa densidade (LDPE), e esta 
ilustrado na figura abaixo. O impedimento espacial provocado pelas ramificações 
dificulta um "empilhamento" das cadeias poliméricas. Por esta razão, as forças 
intermoleculares que mantém as cadeias poliméricas unidas tendem a ser mais fracas 
em polímeros ramificados. Por isso o LDPE é bastante flexível e pode ser utilizado 
como filme plástico para embalagens, enquanto que o HDPE é bastante duro e 
resistente, sendo utilizado em garrafas, brinquedos, etc.. 
 
A figura seguinte mostra um polímero cujas cadeias estão entrelaçadas numa 
complexa rede de ligações covalentes. O exemplo da figura é a resina 
fenolformaldeído, onde moléculas de fenol são unidas pelo formaldeído. 
 
 Alguns polímeros foram verdadeiros salva-vidas. A polimerização do N-
vinilpirrolidona foi recebida com grande ímpeto durante a Segunda Guerra 
Mundial, quando os alemães usaram soluções salinas do polímero como um 
substituto do plasma sangüíneo nos soldados feridos de suas tropas. O PVP - 
poli(vinilpirrolidona), possui um baixo grau de toxidade e tem sido utilizado 
também em cosméticos, adesivos, indústria têxtil, lentes de contato, e numa 
variedade de fármacos, incluindo a manufaturação de materiais micro-
encapsulados. Um complexo de PVP com iodeto é um dos anti-sépticos mais 
utilizados. 
 
 
 
 
 
 
Os polímeros são 
produzidos 
sinteticamente 
através da reação de 
polimerização de 
seus monômeros. Um 
dos métodos mais 
utilizados, nas 
indústrias, para a 
produção de 
polímeros de vinilas é 
a polimerização em 
emulsão. Este 
processo envolve 
uma emulsão estável 
de água, monômeros do polímeros, e um surfactante (sabão ou detergente) como 
o agente emulsificante. Os surfactantes formam micelas, que dissolvem os 
monômeros, geralmente hidrofóbicos. Os iniciadores de radicais livres, quando 
jogados na fase aquosa, também migram para a fase micelar, iniciando a 
polimerização. As vantagens deste método incluem o baixo consumo de energia 
(a reação pode ser feita mesmo na temperatura ambiente) e a obtenção de 
polímeros com grande massa molar. A maior desvantagem é que a formulação é 
relativamente complexa se comparada com os outros métodos, e requer uma 
etapa de purificação do polímero que, algumas vezes, pode ser problemática. 
 
Os polímeros exibem 2 tipos de morfologia no estado sólido: amorfo e 
semicristalino. Em um polímero amorfo, as moléculas estão orientadas 
aleatoriamente e estão entrelaçadas - lembram um prato de spaghetti cozido. Os 
polímeros amorfos são, geralmente, transparentes. Nos polímeros semicristalinos, 
as moléculas exibem um empacotamento regular, ordenado, em determinadas 
regiões. Como pode ser esperado, este comportamento é mais comum em 
polímeros lineares, devido a sua estrutura regular. Devido às fortes interações 
Ano de introdução de alguns polímeros no mercado 
1930 Borracha estireno-
butadieno 
1943 Silicones 
1936 Poli(cloreto de vinila) 
(PVC) 
1944 Poli(etileno 
teraftalato) 
1936 Policloropreno 
(neopreno) 
1947 Epóxis 
1936 Poli(metil metacrilato) 1948 Resinas ABS 
1936 Poli(acetado de vinila) 1955 Polietileno linear 
1937 Poliestireno 1956 Poli(oximetileno) 
1939 Nylon 66 1957 Polipropileno 
1941 Poli(tetrafluoroetileno) 
(teflon) 
1957 Policarbonato 
1942 Poliesteres 
insaturados 
1964 Resinas 
ionoméricas 
1943 Polietileno ramificado 1965 Poli(imidas) 
1943 Borracha butilada 1970 Elastômeros 
termoplásticos 
1943 Nylon 6 1974 Poliamidas 
aromáticas 
 
intermoleculares, os polímeros semicristalinos são mais duros e resistentes; como 
as regiões cristalinas espalham a luz, estes polímeros são mais opacos. O 
surgimento de regiões cristalinas pode, ainda, ser induzido por um "esticamento" 
das fibras, no sentido de alinhar as moléculas. 
 
 A figura acima ilustra um diagrama de Volume vs. Temperatura para dois 
polímeros: um amorfo e um semicristalino. Em baixas temperaturas, as moléculas 
de ambos os polímeros vibram com baixa energia; eles estão "congelados" em 
uma situação do estado sólido conhecida como "estado vítreo". Na medida em 
que o polímero é aquecido, entretanto, as moléculas vibram com mais energia e 
uma transição ocorre: do estado vítreo para o estado rubbery. Neste estado, o 
polímero possui um maior volume e uma maior dilatação térmica e maior 
elasticidade. O ponto onde esta transição ocorre é conhecido como temperatura 
de transição vítrea, e está denotado no gráfico como Tg. 
 Quando aquecidos, os polímeros podem vir a derreter. A temperatura de 
fusão dos polímeros é indicada, no diagrama, como Tm. No estado líquido, os 
polímeros podem ser moldados ou divididos em micro-fibras, por exemplo. 
Somente alguns polímeros podem ser derretidos, e são chamados de 
termoplásticos. 
 Muitas vezes, o polímero é formado pela união de dois ou mais 
monômeros diferentes. Estes polímeros são chamados de copolímeros, em 
contraste aos homopolímeros, que são formados pela repetição de somente um 
monômero. 
 
Os Copolímeros, por outro lado, são produzidos com dois ou mais monômeros, 
cujas unidades podem ser distribuídas randomicamente, em uma maneira 
alternada ou em blocos. As figuras abaixoilustram estas situações. 
 Nestas figuras, a estrutura molecular de cada polímero é demonstrada, 
esquematicamente, com as unidades de repetição de cada polímero.Tais 
combinações permitem aos químicos criar polímeros com diferentes propriedades, 
baseados nas estruturas obtidas. 
 
 Nas indústrias, os polímeros e/ou copolímeros podem ser misturados, obtendo-
se Blendas Poliméricas. Quando miscíveis, as propriedades das blendas derivam 
das propriedades dos polímeros individuais, embora uma ação sinérgica pode vir a 
ocorrer. De acordo com a aplicação, podem-se preparar diferentes blendas, de 
distintas composições, resultando em polímeros com diferentes propriedades 
físico-químicas. 
Produtos industriais incluem homopolímeros, copolímeros, blendas homogêneas e 
blendas heterogêneas.