Materiais Poliméricos

Prévia do material em texto

AULA 10 – SIMULAÇÃO DE 
PROCESSAMENTOS DE MATERIAIS
Prof ª M.a. Camila Boldrini Nascimento 
Materiais Poliméricos
•CONCEITOS E REVISÃO - POLÍMEROS
2Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• HISTÓRICO
• Desde as civilizações primitivas há utilização de polímeros
naturais (couro, lã, algodão, madeira).
• Em 1849  processo de vulcanização da borracha natural por
Charles Goodyear.
• Início do século XX  desenvolvimento de celulose modificada,
poliestireno, baquelite.
• Em 1920  conceito de macromoléculas proposto por Staudinger
(prêmio Nobel de química, 1953).
3Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONCEITO
4Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONCEITO
• Moléculas dos polímeros: macromoléculas constituídas por muitos
segmentos/unidades repetidas meros.
• Monômero: molécula constituída por um único mero.
• Polímero: macromolécula constituída por vários meros.
• Polimerização: reações químicas intermoleculares pelas quais os
monômeros são ligados na forma de meros à estrutura molecular
da cadeia.
5Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONCEITO
6Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONCEITO
• Polímeros naturais: madeira, borracha, algodão, lã, couro e seda
 derivados de plantas e animais.
• Polímeros sintéticos: plásticos, borrachas e fibras  produção a
baixo custo e possibilidade de se alteração de suas propriedades
de modo que sejam superiores às dos polímeros naturais.
• Substituição de metais, madeira, cerâmicas por polímeros.
7Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
8Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Obtenção de materiais poliméricos. 
Materiais Poliméricos
• CONCEITO
Propriedades dependente da estrutura/composição química:
- Resistência a tração
- Alongamento
- Módulo de elasticidade
- Resistência térmica
- Resistência a compressão
- Degradação
9Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO
• Os monômeros reagem entre si formando uma longa sequência
de unidades repetitivas (meros). Os mecanismos de
polimerização podem ser classificados em: adição e
condensação.
10Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO (PE)
A polimerização por adição (em cadeia) envolve as seguintes
etapas:
1) Iniciação: formação de um sítio reativo a partir do iniciador (R)
e monômero:
R • + CH2=CH2 → R-CH2CH2• 
2) Propagação da reação a partir dos centros reativos:
R-CH2CH2• + n CH2=CH2 → R-(CH2CH2)nCH2CH2• 
3) Terminação da reação:
R- (CH2CH2)nCH2CH2• + R’• → R-(CH2CH2)nCH2CH2-R’ 
11Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO (PE)
12Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Polimerização do Polietileno (PE).
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO
13Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Unidades repetidas e
estruturas da cadeia para (a)
politetrafluoretileno, (b) cloreto
de polivinila e (c) polipropileno.
Materiais Poliméricos
14Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO (POLIESTER)
Polimerização por condensação (por etapas): neste processo as
reações químicas intermoleculares ocorrem por etapas e em geral
envolvem mais de um tipo de monômero.
Reação entre uma hidroxila e carboxila:
15Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO
Grupos funcionais obtidos na polimerização por condensação
16Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• FORMAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Os polímeros consistem em grandes números de cadeias
moleculares que podem dobrar, enrolar e contorcer.
Isso leva um extenso entrelace e embaralhamento entre cadeias
moleculares vizinhas.
17Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• FORMAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Essas espirais e entrelaces moleculares aleatórios são
responsáveis por uma grande quantidade de características
importantes alongamento elástico pelas borrachas.
18Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Representação esquemática de
uma única cadeia molecular de
um polímero que possui
numerosas dobras e
enovelamento aleatórios.
r é muito menor do que o
comprimento total da cadeia.
Materiais Poliméricos
• FORMAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
As ligações simples na cadeia são capazes de sofrer rotações e
torções em três dimensões.
19Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Influência do posicionamento dos átomos de carbono na forma
da cadeia polimérica. O átomo pode se localizar em qualquer
posição sobre o círculo tracejado e ainda manter o ângulo de 109º
com ligação entre os outros átomos.
Materiais Poliméricos
• FORMAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Características mecânicas e térmicas  habilidade de os
segmentos da cadeia apresentarem rotação em resposta a tensões
aplicadas ou vibrações térmicas.
A flexibilidade rotacional depende da estrutura e da origem química
do mero.
Exemplo: região de um segmento de cadeia que possui uma ligação
dupla (C=C) é rígida para rotações.
Inserção de grupo lateral de átomos grandes/volumosos  restrição
de movimento de rotação.
20Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
As características físicas de um polímero depende não apenas de
seu peso molecular e forma, como também das estruturas das
cadeias moleculares.
- Polímero lineares
- Polímeros ramificados
- Polímeros com ligações cruzadas
- Polímeros em rede
.
21Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Polímeros Lineares
- Unidades repetidas unidas entre si por suas extremidades em
uma única cadeia.
- Cadeias flexíveis.
- Maior empacotamento.
- Exibe menor resistência do fundido durante o processamento.
- Ligações de van der Walls e hidrogênio entre as cadeias.
- Polietileno, cloreto de polivinila, poliestireno, PMMA, náilon.
22Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Polímeros Ramificados
- Polímeros onde cadeias de ramificações laterais encontram-se
conectadas às cadeias principais.
- Menor empacotamento.
- As ramificações ficam “enroscadas” no fundido, aumentando a
viscosidade (indicados para processo a sopro).
- Compactação reduzida  redução da massa específica.
- Polietileno de alta massa específica (HDPE – High Density
Polyethylene) apresenta cadeia linear, enquanto o LDPE
apresenta pequenas cadeias de ramificações.
23Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Polímeros com Ligações Cruzadas
- Cadeias lineares adjacentes unidas umas às outras em várias
posições por meio de ligações covalentes.
- Formação de ligações cruzadas obtida através de átomos ou
moléculas adicionais ligados por ligações covalentes às cadeias.
- Materiais elásticos borrachosos processo de vulcanização.
24Simulação de Processamentos de Materiais – ProfªCamila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
Polímeros em Rede
- Os monômeros que apresentam três ou mais ligações covalentes
ativas formam redes tridimensionais.
- Polímero com muitas ligações cruzadas polímero em redes.
- Propriedades mecânicas e térmicas distintas: epóxis, PU.
25Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• ESTRUTURAMOLECULAR DOS POLÍMEROS
26Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONFIGURAÇÕES MOLECULARES
Para polímeros que apresentam mais de um átomo ou grupo de
átomos lateral ligado à sua cadeia principal, a regularidade e a
simetria do arranjo do grupo lateral podem influenciar nas
propriedades do material.
Estereoisomerismo: situação na qual os átomos estão ligados uns
aos outros na mesma ordem, mas diferem em seus arranjos
espaciais.
Isomerismo geométrico: presente em unidades repetidas que
possuem uma ligação dupla entre átomos de carbono na cadeia.
Presença de grupos laterais ligados aos átomos de carbono.
27Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CONFIGURAÇÕES MOLECULARES
Estereoisomerismo
28Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Padrão em ziguezague dos
átomos de carbono na
cadeia.
Os grupos R se encontram
em lados alternados da
cadeia.
Materiais Poliméricos
• CONFIGURAÇÕES MOLECULARES
29Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Posicionamento aleatório
dos grupos R.
Isômeros geométricos.
Materiais Poliméricos
• RESUMINDO...
30Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Tamanho molecular
Peso molecular
Grau de polimerização
Forma molecular 
Grau de torção
Enovelamento
Dobra da cadeia
Estrutura molecular 
Linear
Ramificada 
Ligações cruzadas 
Em rede
Propriedades mecânicas
Propriedades térmicas
Propriedades óticas 
Degradação
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
A resposta de um polímero à aplicação de forças mecânicas em
temperaturas elevadas está relacionada à sua estrutura molecular
dominante.
31Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Termoplásticos: polímeros capazes de “amolecer” e fluir quando
aquecidos e endurecer quando resfriados processo reversível.
Na medida que a temperatura é elevada, as forças de ligação
secundárias diminuem, de tal maneira que o movimento relativo de
outras cadeias adjacentes é facilitado quando uma tensão é
aplicada.
Degradação temperatura é aumentada excessivamente.
Processamentos por aplicação simultânea de calor e pressão.
Exemplo: polietileno, poliestireno e cloreto de polivinila.
32Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Termoplásticos
33Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
PE PS PVC
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Termofixos: polímeros permanentemente rígidos quando aquecidos,
curados e resfriados processo irreversível.
Se tornam permanentemente “duros” durante a sua formação e não
amolecem com um aquecimento subsequente.
Ligações cruzadas covalente entre cadeias moleculares adjacentes.
Em temperaturas elevadas, estas ligações prendem as cadeias
umas às outras para resistir aos movimentos de vibração e rotação.
Rompimento das ligações e degradação do polímero apenas em
elevadas temperaturas.
Melhor estabilidade dimensional e maior rigidez.
Exemplo: epóxis, resinas fenólicas e resinas poliéster.
34Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Termofixos
35Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Polímero ramificado ao
extremo  torna-se uma
matriz polimérica reticulada.
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Termofixos
36Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Resina epóxi Resina fenólica Resina poliéster
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Alguns polímeros, tais como os poliésteres, podem ser tanto
termoplásticos quanto termofixos. Sugira uma razão para isso.
37Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Homolímeros
Polímero derivado de apenas uma espécie de monômero.
Copolímero
Polímero derivado de duas ou mais espécies de monômero.
38Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Distribuição dos diferentes
monômeros de
copolímeros: a) aleatória,
b) alternada, c) em bloco e
d) ramificada
(copolímero enxertado).
Materiais Poliméricos
39Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Copolímeros
Exemplos:
- Borracha estireno-butadieno (SBR – Styrene-Butadiene Rubber) –
copolímero aleatório
- Borracha nitrílica (NBR – Nitrile Rubber) – copolímeros aleatório
composto por acrilonitrila e butadieno.
- Poliestireno modificado – copolímero em bloco que consiste em
blocos alternados de estireno e butadieno.
40Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
41Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
42Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
O estado cristalino de polímeros envolve moléculas ao invés de
apenas átomos ou íons, como nos metais e nas cerâmicas, os
arranjos atômicos são mais complexos para os polímeros.
Cristalinidade dos polímeros  empacotamento de cadeias
moleculares para produzir um arranjo atômico ordenado.
43Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
44Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Arranjo das cadeias
moleculares em uma
célula unitária
ortorrômbica para o
polietileno (PE).
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Como consequência de seus tamanhos e da sua frequente
complexidade, as moléculas dos polímeros são em geral
semicristalina ou amorfa.
Torções e enovelamentos das cadeias evitam a ordenação das
cadeias.
45Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
46Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Massa específica de um polímero cristalino  maior que de um
polímero amorfo mesmo material por quê?
47Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
O grau de cristalinidade depende da taxa de resfriamento durante
a solidificação, assim como a configuração das cadeias.
No resfriamento, com a passagem pela temperatura de fusão, as
cadeias as quais estão altamente aleatórias e entrelaçadas no
líquido viscoso assumem uma condição ordenada tempo.
Polímeros compostos por unidades repetidas complexas  baixa
cristalinidade.
48Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Polímeros lineares  poucas restrições para alinhamento das
cadeias cristalinidade favorecida.
Ramificações ou grupos laterais baixa cristalização.
Polímerosem rede/ligações cruzadas amorfos.
Polímeros isotáticos e sindiotáticos  cristalização favorecida 
regularidade da geometria dos grupos laterais facilita o ajuste das
cadeias adjacentes.
49Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Propriedades polímeros amorfos:
- Ampla faixa de amolecimento
- Baixa contração
- Menor resistência química
- Moderada resistência ao calor
- Exemplos: ABS, ABS PC, PC, PS, PVC, PMMA.
50Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Propriedades polímeros cristalinos:
- Estreita faixa de amolecimento
- Alta contração
- Menor resistência ao impacto (mais frágil)
- Boa resistência química
- Alta resistência ao calor
- Boa resposta à fadiga
- Alta resistência ao desgaste
- Exemplos: PBT, POM, PTFE, PPS, PP, PEAD.
51Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
52Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Materiais Poliméricos
• CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS
Exercício
a) Compare o estado cristalino nos metais e nos polímeros.
b) Compare o estado não-cristalino na medida em que este se
aplica aos polímeros e aos vidros cerâmicos.
53Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini