Plásticos: Composição, Aplicações e Processos

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PLÁSTICOS
	17 de julho
2009
	O Plástico e sua composição, aplicações, diversidade, procedimentos de união e processos de transformação.
	Um breve estudo
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIA MECÂNICA II
PROFESSOR: JOSINALDO PEREIRA
	ALUNOS:
	Cícero Wagner Alves de Oliveira
Dennis Robson Viana Fonseca
Emerson Viana
Frederico Cavalcante Borba 
Samara Barbosa Lima
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O que é Plástico?
O plástico é um composto sintético ou natural formado por uma substância orgânica de elevado peso molecular, comportando-se como fluido em determinada fase da fabricação e adquirindo forma sólida ao final. Em geral, são materiais sintéticos obtidos por meio de polimerização ou multiplicação artificial dos átomos de carbono nas grandes correntes moleculares dos compostos orgânicos, derivados do petróleo ou de outras substâncias naturais.
Polímeros
Os polímeros são moléculas básicas dos plásticos e estão presentes em estado natural em algumas substâncias vegetais e animais como a borracha, a madeira e o couro. Há substâncias, como a celulose, que apesar de terem propriedades plásticas não se enquadram nessa categoria.
Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas, monômeros, ligadas covalentemente. É chamado de homopolímero, quando apenas uma espécie de monômero está presente na estrutura do polímero, ou copolímero quando são empregadas diferentes espécies de monômeros.
Os polímeros naturais têm sido empregados pelo homem desde os mais remotos tempos: asfalto era utilizado em tempos pré-bíblicos, o âmbar já era conhecido pelos gregos e a goma pelos romanos.
Quanto à estrutura molecular, os polímeros podem apresentar:
Estrutura linear
O polietileno de alta densidade (HDPE) possui uma molécula de cadeia longa e linear, feita pela polimerização do etileno, um composto cuja fórmula estrutural é CH2=CH2.
Figura 1 – cadeia linear de polietileno
Estrutura ramificada
Outra variedade de polietileno é conhecido como polietileno de baixa densidade (LDPE). O impedimento espacial provocado pelas ramificações dificulta um "empilhamento" das cadeias poliméricas, mantendo-as unidas e tendendo a ser mais fracas, sendo assim bastante flexível.
Figura 2 - cadeia ramificada de polietileno
Estrutura em rede
O fenolformaldeído é uma resina cujas cadeias estão entrelaçadas numa complexa rede de ligações covalentes.
Figura 3 - cadeia em rede de fenolmormaldeído
Com relação à morfologia no estado sólido podem ser amorfos, onde as moléculas estão orientadas aleatoriamente e entrelaçadas, e geralmente são transparentes; ou semicristalinos, onde as moléculas exibem um empacotamento regular comum em polímeros lineares, sendo mais duros e resistentes, e como as regiões cristalinas espalham a luz estes polímeros são mais opacos.
A polimerização consiste na construção de grandes cadeias de carbono, cheias de ramificações, nas moléculas de certas substâncias orgânicas. A molécula fundamental do polímero, o monômero, se repete um número elevado de vezes por meio de processos de condensação ou adição aplicados sobre o composto. Os polímeros de condensação são obtidos através da síntese de um conjunto de unidades moleculares, feita pela eliminação de unidades moleculares, como a água. O mecanismo de adição forma macromoléculas pela união sucessiva de unidades químicas. 
Para ocorrer polimerização é necessário manter uma temperatura elevada. Esse desprendimento do calor produzido pela dinâmica interna da própria reação alimenta transformações em cadeia que diminuem, geralmente de modo espontâneo e gradual, até cessar por completo. Em algumas ocasiões se faz necessário o uso de elementos estabilizadores que impeçam reações descontroladas e explosivas. Uma vez formados, os polímeros se mantêm unidos por forças de dispersão, débeis atrações elétricas entre as moléculas e o próprio emaranhado das ramificações moleculares.
Classificação dos plásticos
De acordo com a classificação, os plásticos podem ser termofixos ou termoplásticos.
Termofixos
São os materiais que também podem ser moldados por meio de temperatura e pressão, porém, a operação é irreversível devido a formação de ligações cruzadas pelas ramificações das cadeias poliméricas.
Ex: o poliuretano, resinas epoxi, fenol + formaldeído (Baquelite – cabos de panelas) e fenol + uréia.
Termoplásticos
São materiais que podem ser moldados sob a influência de temperatura e pressão, conservando a sua nova forma, ao restabelecer as condições de ambiente. Este ciclo pode ser repetido diversas vezes, sendo, portanto, a forma final reversível.
Ex: os polímeros polietileno, polipropileno, policloreto de vinila e etc.
Tipos de plásticos
Os plásticos são utilizados em vários setores da economia como no setor automobilístico, eletro-eletrônico, informática, saúde, construção civil, embalagens, aeronáutico, têxtil, telecomunicações, entre outros.
Os tipos mais comuns de plástico são:
Policarbonato (PC)
É um termoplástico composto de uma resina resultante da reação entre derivados do Ácido Carbônico e o Bisfenol A. Possui características de transparência, alta resistência mecânica e vantagens como peso menor que o vidro, excelente isolamento termo-acústico e maior resistência ao fogo, que o tem tornado muito conhecido e utilizado em aplicações diversas.
Devido à sua grande resistência ao impacto, o Policarbonato é utilizado em muitas aplicações:
Construção civil – coberturas, clarabóias lisas e curvas, portas, janelas e basculantes, entradas sociais
Indústria – proteção para máquinas, viseiras e capacetes, isolantes acústicos
Transportes – ônibus, trens, metrô, carros fortes, interior de aeronaves e embarcações, blindagem de veículos, lanternas, faróis, pára-choques, painéis e outras peças de automóveis
Escudos de proteção, lentes de óculos, letreiros em estradas, componentes elétricos e eletrônicos, CD’s, conectores, recipientes para fornos de microondas, artigos esportivos, artigos médicos, em misturas poliméricas com ABS, PET e PBT
Polietileno
É um polímero parcialmente cristalino, flexível, cujas propriedades são acentuadamente influenciadas pela quantidade relativa das fases amorfa e cristalina. Os polietilenos são inertes face à maioria dos produtos químicos comuns, devido à sua natureza parafínica, seu alto peso molecular e sua estrutura parcialmente cristalina. Em temperaturas abaixo de 60 °C, são parcialmente solúveis em todos os solventes.
Em condições normais, os polímeros etilênicos não são tóxicos, podendo inclusive ser usados em contato com produtos alimentícios e farmacêuticos, no entanto certos aditivos podem ser agressivos.
Dependendo das condições reacionais e do sistema catalítico empregado na polimerização, cinco tipos diferentes de polietileno podem ser produzidos:
Polietileno de Baixa Densidade (PEBD ou LDPE)
O processo de produção de PEBD utiliza pressões entre 1000atm e 3000atm e temperaturas entre 100°C e 300°C. Temperaturas acima de 300 ºC geralmente não são utilizadas, pois o polímero tende a se degradar.
O PEBD tem uma combinação única de propriedades: tenacidade, alta resistência ao impacto, alta flexibilidade, boa processabilidade, estabilidade e propriedades elétricas notáveis.
Apesar de ser altamente resistente à água e a algumas soluções aquosas, inclusive a altas temperaturas, o PEBD é atacado lentamente por agentes oxidantes. Além disso, solventes alifáticos, aromáticos e clorados, causam inchamento à temperatura ambiente. O PEBD é pouco solúvel em solventes polares como álcoois, ésteres e cetonas.
A permeabilidade à água do PEBD é baixa quando comparada a de outros polímeros. A permeabilidade a compostos orgânicos polares como álcool ou éster é muito mais baixa do que aos compostos orgânicos apolares como heptano ou éter dietílico.Aplicações
O PEBD pode ser processado por extrusão, moldagem por sopro e moldagem por injeção. Assim sendo, é aplicado como filmes para embalagens industriais e agrícolas, filmes destinados a embalagens de alimentos líquidos e sólidos, filmes laminados e plastificados para alimentos, embalagens para produtos farmacêuticos e hospitalares, brinquedos e utilidades domésticas, revestimento de fios e cabos, tubos e mangueiras.
Polietileno de Alta Densidade (PEAD ou HDPE)
A linearidade das cadeias e conseqüentemente a maior densidade do PEAD fazem com que a orientação, o alinhamento e o empacotamento das cadeias sejam mais eficientes; as forças intermoleculares (Van der Waals) possam agir mais intensamente, e, como conseqüência, a cristalinidade seja maior que no caso do PEBD. Sendo maior a cristalinidade, a fusão poderá ocorrer em temperatura mais alta.
Enquanto as propriedades elétricas são pouco afetadas pela densidade e pelo peso molecular do polímero, as propriedades mecânicas sofrem uma forte influência do peso molecular, do teor de ramificações, da estrutura morfológica e da orientação.
À temperatura ambiente, PEAD não é solúvel em nenhum solvente conhecido e sob altas temperaturas se dissolve em alguns hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos. O PEAD é relativamente resistente ao calor e processos químicos sob alta temperatura, em meio inerte ou no vácuo, resultam em ruptura e formação de ligações cruzadas nas cadeias poliméricas.
O PEAD e o PEBD têm muitas aplicações em comum, mas em geral, o PEAD é mais duro e resistente e o PEBD é mais flexível e transparente. Um exemplo da relação de dureza e flexibilidade está no fato de que o PEAD é utilizado na fabricação de tampas com rosca (rígidas) e o PEBD na de tampas sem rosca (flexíveis).
Aplicações
O PEAD é utilizado em diferentes segmentos da indústria de transformação de plásticos, abrangendo os processamentos de moldagem por sopro, extrusão e moldagem por injeção.
Pelo processo de injeção, o PEAD é utilizado para a confecção de baldes e bacias, bandejas para pintura, banheiras infantis, brinquedos, conta-gotas para bebidas, jarros d'água, potes para alimentos, assentos sanitários, bandejas, tampas para garrafas e potes, engradados, bóias para raias de piscina, caixas d'água, entre outros. 
Enquanto que pelo processo de sopro, destaca-se a utilização na confecção de frascos que requeiram resistência ao fendilhamento por tensão ambiental, como: embalagens para detergentes, cosméticos e defensivos agrícolas, tanques para fluido de freio e outros utilizados em veículos e na confecção de peças onde é exigido um produto atóxico, como brinquedos. Por extrusão, é aplicado em isolamento de fios telefônicos, sacos para congelados, revestimento de tubulações metálicas, polidutos, tubos para redes de saneamento e de distribuição de gás, emissários de efluentes sanitários e químicos, dutos para mineração e dragagem, barbantes de costura, redes para embalagem de frutas, fitas decorativas, sacos para lixo e sacolas de supermercados.
Polietileno Linear de Baixa Densidade (PELBD ou LLDPE)
É um copolímero de etileno que apresenta estrutura molecular de cadeias lineares com ramificações curtas e distribuição de peso molecular menor que a do polietileno de baixa densidade (PEBD), melhores propriedades mecânicas e maior temperatura de fusão.
A maior resistência ao cisalhamento e a maior suscetibilidade à fratura fazem com que o processamento do PELBD seja mais difícil em comparação com o do PEBD. No entanto, as ótimas propriedades mecânicas de filmes de PELBD , aliadas às suas boas características ópticas, mostram que vale a pena tentar vencer as dificuldades encontradas no processamento desse polímero.
Aplicações
O PELBD é um termoplástico com elevada capacidade de selagem a quente, sendo muito utilizado em embalagens de gêneros de primeira necessidade, substituindo o PEBD em várias aplicações.
É utilizado em filmes para uso industrial, fraldas descartáveis e absorventes, lonas em geral, brinquedos, artigos farmacêuticos e hospitalares, revestimento de fios e cabos.
A extrusão de filmes tubulares fornece materiais para embalagem de aves e de pão. Em misturas com PEAD ou com PEBD, o PELBD é utilizado em sacaria industrial, embalagem para ração animal e filme agrícola. A extrusão de filmes planos fornece produtos para serem utilizados em plástico bolha.
Polietileno Tereftalato – PET
O poli (tereftalato de etileno) – PET é um polímero termoplástico formado pela reação entre o ácido tereftálico e o etileno glicol. Tem como características básicas a leveza, a resistência e a transparência, propriedades ideais para satisfazer a demanda do consumo doméstico de bebidas carbonatadas (refrigerantes) e produtos que necessitem de embalagens transparentes e resistentes. 
Poliestireno
O poliestireno é um homopolímero resultante da polimerização do monômero de estireno, é um termoplástico duro e quebradiço com transparência cristalina, semelhante ao vidro. Possui fácil processamento por moldagem a quente, baixo custo, elevada resistência a álcalis e ácidos, fácil coloração, baixa densidade e absorção de umidade, baixa resistência a solventes orgânicos, calor e intempéries.
Estas resinas somente adquiriram grande importância industrial no início da segunda guerra mundial e, atualmente, é um dos termoplásticos mais consumidos e utilizados em processos de moldagem por injeção, sopro, laminados, modificados com cargas minerais e fibras de vidro adquirindo característica de plásticos de engenharia.
Quanto aos tipos, podem ser:
PS de alto impacto – contém de 5 a 10% de elastômero (borracha), que é incorporado através de mistura mecânica ou diretamente no processo de polimerização através de enxerto na cadeia polimérica. Obtém-se desse modo uma blenda. Muito usado na fabricação de utensílios domésticos (gavetas de geladeira) e brinquedos
PS cristal – homopolímero amorfo, duro, com brilho e elevado índice de refração. Pode receber aditivos lubrificantes para facilitar processamento. Usado em artigos de baixo custo, notadamente peças descartáveis tais como copos
PS expandido – espuma semi-rígida com marca comercial Isopor®. O plástico é polimerizado na presença do agente expansor ou então o mesmo pode ser absorvido posteriormente. Durante o processamento do material aquecido ele se volatiliza, gerando as células no material. Baixa densidade e bom isolamento térmico. Aplicações: bandejas para embalagem de hortifruti, protetor de equipamentos, isolantes térmicos, pranchas para flutuação, geladeiras isotérmicas, etc
Policloreto de Vinilo (PVC)
Termoplástico de massa de uso e forma de apresentação diversificada. É o único material plástico que não é 100% originário do petróleo. O PVC contém, em peso, 57% de cloro (derivado do cloreto de sódio) e 43% de eteno (derivado do petróleo).
São poucas as aplicações em que o PVC é utilizado sem que haja necessidade de adicionar compostos ao material base, de modo a permitir seu processamento e conversão em produtos finais. Os componentes a adicionar podem ser plastificantes, estabilizadores de temperatura, lubrificantes, materiais de enchimento, corantes orgânicos e inorgânicos.
É um material de elevada resistência química e grande capacidade de se misturar com aditivos, possui versatilidade, leveza, solidez, impermeabilidade, boa resistência à abrasão, bom isolamento térmico, elétrico e acústico.
As aplicações vão desde isoladores elétricos, mangueiras, sapatos, discos de áudio, em redes de distribuição de água potável, rede de saneamento básico, revestimentos de paredes, piscinas, esquadrias, portas e janelas, mantas de impermeabilização, persianas, acabamentos internos de automóveis, embalagens, em móveis estofados (couro sintético), capas de chuva
Poliamidas – Nylon (Náilon)
São polímeros sintéticos termoplásticos obtidos através da condensação do 1,6-diamino hexano com o ácido adípico – chamado de náilon 6,6 que deriva do número de átomos de carbonoiguais nos reagentes – ou preparadas pela condensação de certos tipos de aminoácidos – chamado de náilon 6, designadas com um único número, que deriva do número de átomos de carbono do aminoácido.
A produção da poliamida é feita a partir de uma polimerização por condensação de um grupo amina e um ácido carboxílico ou cloreto de acila. A reação tem como subproduto água ou ácido clorídrico.
Possuem ótima resistência ao desgaste e ao tracionamento, resiste a altas temperaturas, superior a 140°C, boa resistência a óleos e gorduras, boa resistência química, não solda com calor.
Pode-se ver a poliamida sendo usada para fabricação de carpetes, airbags, patins, calçados esportivos, uniformes de esqui, cordas para alpinismo, barracas. Também é possível notar que um automóvel tem hoje pelo menos dez quilos de seus materiais em poliamida, apresentando vantagens exclusivas e diminuindo o peso do carro e, em conseqüência, reduz o consumo de combustível.
Processos de Transformação
Após o processo de produção, os plásticos que são gerados em forma de grãos são enviados para as indústrias transformadoras, que irão transformar a resina em produtos através dos seguintes processos:
Extrusão
Consiste na colocação da matéria-prima numa tremonha, que a conduz a um parafuso de extrusão onde é sujeita à temperatura elevada. Logo após a matéria é fundida e comprimida, passando por uma cabeça extrusora dando-lhe a forma desejada.
Através desse processo são produzidos tubos, perfis, chapas, filmes, revestimentos de cabos elétricos, etc.
Figura 4 – extrusora
Injeção
O processo de moldagem por injeção consiste essencialmente no amolecimento do material num cilindro aquecido e sua conseqüente injeção em alta pressão para o interior de um molde relativamente frio, onde endurece e toma a forma final. O artigo moldado é então expelido do molde por meio dos pinos ejetores, ar comprimido, prato de arranque ou outros equipamentos auxiliares. Comparando-se com a extrusão, a moldagem por injeção apresenta-se como um processo cíclico. Um ciclo completo consiste das operações seguintes: 
Dosagem do material plástico granulado no cilindro de injeção.
Fusão do material até a consistência de injeção.
Injeção do material plástico fundido no molde fechado.
Resfriamento do material plástico até a solidificação.
Extração do produto com o molde aberto
Produtos sem defeito e propriedades otimizadas serão obtidos:
Utilizando-se máquinas injetoras com suficiente capacidade plástica. 
Usando-se moldes bem projetados e bem acabados. 
Controlando-se a uniformidade e constância da temperatura e da pressão de injeção. 
Enchendo rapidamente, de forma racional, as cavidades do molde. 
Resfriando a massa plástica das cavidades com os devidos cuidados, afim de  evitar-se produtos distorcidos ou com tensões internas. 
O material plástico, injetado, como todo qualquer outro material, (exceto a água) passando do estado líquido (ou pastoso) para o estado sólido, sofre uma contração volumétrica que pode gerar peças defeituosas.
Pode-se evitar este inconveniente, mantendo-se elevada pressão durante o resfriamento. Tal pressão de sustentação é produzida pelo parafuso da extrusora.
Desta maneira pode-se obter produtos sem defeitos comumente verificados, tais como bolhas e rechupes (defeitos na solidificação do material). 
Figura 5 - moldagem por injeção
Sopro
Processo em geral utilizado na obtenção de peças ocas através da insuflação de ar no interior do molde, de forma a permitir a expansão da massa plástica, até a obtenção da forma desejada. Aplicável geralmente à fabricação de frascos a partir de termoplásticos.
Os processos de moldagem por sopro podem ser separados em 2 tipos: moldagem por sopro via injeção (e injeção com estiramento)  e moldagem por sopro via extrusão.
O processo de moldagem por sopro via injeção  é constituído das seguintes etapas:
Produção de uma peça injetada via moldagem por injeção. 
Fechamento do molde sobre a peça oca. 
Introdução de ar comprimido para expandir a peça oca até a forma final. 
Resfriamento e extração da peça soprada. 
Figura 6 - moldagem por sopro via injeção
Na moldagem por sopro via extrusão, a pré-forma é produzida via extrusão, o qual é posteriormente inflado dentro de um molde. O processo pode ser contínuo, onde a pré-forma dentro do molde se move para longe da extrusora e uma nova pré-forma é instalada em um novo molde, ou descontínuo.
No caso de uma extrusão de tubo vertical (para baixo), as etapas usuais do processo envolvem:
Pré-forma desce
Molde fecha
Sopra-se ar por baixo; Resfria-se a peça em contato com a parede fria do molde
Abre-se o molde
Figura 7 - moldagem por sopro via extrusão
	  
	Vantagens 
	Desvantagens 
	Moldagem por sopro via injeção (e injeção com estiramento) 
	Moldados sem rebarba. 
Bom controle de espessura do gargalo e da parede. 
Mais fácil de produzir objetos não-simétricos. 
Não há necessidade de acabamento. 
	Processo lento. 
Mais restrito no que concerne à escolha dos moldados. 
São necessários dois moldes para cada objeto. 
	Moldagem por sopro via extrusão 
	Moldados com rebarbas. 
Deforma lentamente. 
Altas velocidades de produção. 
Maior versatilidade com respeito à produção. 
	Mais difícil de controlar  a espessura da parede. 
Necessária a operação de corte. 
Técnicas de União
Os materiais plásticos podem ser unidos entre si através de alguns processos ou pela combinação deles.
União por peças acessórias
Esse processo tem a vantagem de utilizar dispositivos desmontáveis, sendo a execução relativamente independente da instabilidade das condições atmosféricas.
União por colagem
A colagem é utilizada de preferência dentro de oficinas, onde existem melhores condições, sobretudo de caráter ambiental. No entanto, a colagem pode ser feita em estaleiros, onde os adesivos podem também ser utilizados na reparação de materiais além de uniões.
União por soldagem
Esse processo é reservado apenas para os materiais termoplásticos e pode ser feita por pressão, fricção ou ultra-som.
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Bibliografia
A Era dos Plásticos, Revista Eletrônica do Dpto de Química – UFSC.
SOARES, Nilda F. F. – Materiais Plásticos.
Diel, Jefferson Luís. – Policarbonato: Características e principais informações na sua utilização como material de construção, UFRGS (2000).
Coutinho, Fernanda M. B.; Mello, Ivana L.; Santa Maria, Luiz C. de. Polietileno: principais tipos, propriedades e aplicações, Instituto de Química, UERJ.
Nascimento, Silvio Ruper. Apostila: os plásticos, São Paulo (1997).
Plásticos Carone
Plásticos –Santos,Rui & Martins, João Guerra – Série Materiais, 1ª edição (2004).
Silva Jr., Paulo Edson da & Alex, Cristiano – PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS , Laboratório de Engenharia de Polímeros e Compósitos, UFMG.