Materiais Poliméricos

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MATERIAIS POLIMÉRICOS
Allan Gomes, Andressa Dutra, Leonardo Martins, Márcio Barreto, Paulo Miranda, Raphael Porto e Thayane Rocha.
Universidade Federal do
Rio de Janeiro 
Sumário 
 
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Contextualização
Características
Classificação
Propriedades Mecânicas 
Propriedades Térmicas 
Propriedades Elétricas
Produção
Aplicações
Referência Bibliográfica
1. CONTEXTUALIZAÇÃO
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Os polímeros são macromoléculas compostas por muitas unidades de repetição denominadas meros, ligadas por ligações covalentes. 
1. CONTEXTUALIZAÇÃO
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Desde a antiguidade existe a utilização de polímeros naturais (couro, lã, madeira, algodão).
No século XIX, se deu o desenvolvimento do processo de vulcanização da borracha natural.
Início do século XX, desenvolvimento do baquelite (resina fenólica).
Em 1920, conceito de macromoléculas proposto por Staudinger (prêmio Nobel de química, 1953).
Leo Baekeland (1863-1944)
2. CARACTERÍSTICAS
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Moléculas dos polímeros: nos polímeros, as moléculas (macromoléculas) são constituídas por muitas unidades ou segmentos repetidos, que são chamadas 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.
2. CARACTERÍSTICAS
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Meros: São as unidades de repetição da cadeia polimérica.
Macromoléculas: São moléculas de elevada massa molar
Grau de Polimerização: O grau de polimerização consiste no número de meros que compõem uma macromolécula polimérica. Os polímeros comerciais possuem valores entre 700 e 800 de grau de polimerização.
2. CARACTERÍSTICAS
3. CLASSIFICAÇÃO
Origem do polímero
Natural
Normalmente apresentam estruturas de maior complexidade
Elastômeros
Podem ser naturais ou obtidos sinteticamente. 
 
3. CLASSIFICAÇÃO
Origem do polímero
Sintéticos
PET
Reação de polimerização: método de preparação do polímero 
Polímeros de condensação (polimerização em etapas)
Polímeros de adição (polimerização em cadeia)
Poliuretanos
3. CLASSIFICAÇÃO
3. CLASSIFICAÇÃO
Forma da cadeia 
Polímeros lineares: cadeias sem ramificações;;
Polímeros ramificados: cadeias apresentam ramificações com maior ou menor complexidade;
Polímeros reticulados: cadeias apresentam ligações cruzadas
Polímeros em rede: possuem três ligações covalentes ativas ou muitas ligações cruzadas, propriedades mecânicas e térmicas distintas.
 
 
linear
ramificado
3. CLASSIFICAÇÃO
reticulado
em rede
3. CLASSIFICAÇÃO
Variedade de meros da cadeia polimérica
Homopolímeros: apresentam apenas um tipo de mero;
Copolímeros: apresentam mais de um tipo de mero
Alternado -> unidades mero alternam posições na cadeia
Em bloco -> mero idênticos aglomerados em blocos ao longo da cadeia
Por enxerto -> blocos de um tipo de monômero encontram-se “pendurados” no bloco formado pelo outro tipo de monômero
 
 
3. CLASSIFICAÇÃO
3. CLASSIFICAÇÃO
Configuração molecular
Encadeamento das unidades monoméricas
Cabeça-cauda;
Cabeça-cabeça;
Cauda-cauda;
Mista.
 
 
3. CLASSIFICAÇÃO
Configuração molecular
Estereoisomerismo Isomerismo geométrico
 
 
isotático
Sidiotático
Atático
cis-poli-isopropeno
trans-poli-isopropeno
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Propriedades mecânicas especificadas através dos mesmos parâmetros usados nos metais:
Módulo de elasticidade;
Limite de resistência à tração;
Resistência ao impacto;
Resistência à fadiga.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Principal forma de avaliação das propriedades mecânicas: ensaio de tração.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Características mecânicas são sensíveis à:
Taxa de deformação;
Temperatura do ambiente;
Natureza química do ambiente:
Presença de água;
Oxigênio;
Solventes orgânicos;
Etc.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Curva tensão versus deformação e os principais grupos de materiais poliméricos de acordo com o seu comportamento mecânico até a ruptura.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Plásticos rígidos: PS, PMMA, PC, PET, PA, POM, PVC rígido.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Plásticos flexíveis: PEAD, PEBD, PP;
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
‹#›
Elastômeros: borracha natural, neoprene, polibutadieno, NBR, SBR.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Ductibilidade e Módulo de elasticidade (no caso de polímeros, módulo de tração ou somente módulo):
determinados da mesma maneira que para os metais.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Polímeros plásticos (curva B):
Limite de escoamento: tomado como um valor máximo na curva, ocorre imediatamente após o término da região elástica linear.
A tensão nesse ponto máximo é o limite de escoamento (σ1).
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Limite de resistência à tração (LRT): nível de tensão no qual a fratura ocorre.
LRT pode ser maior ou menor do que σ1.
Resistência desses polímeros plásticos: limite de resistência à tração.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
‹#›
‹#›
POLÍMEROS
METAIS
MÓDULO
Variam desde7 MPa(altamente elásticos) até4 GPa(polímeros muito rígidos)
De48 a 410 GPa
LRT
Daordem de100 MPa
Algumas ligas metálicas alcançam4100 MPa
ALONGAMENTO
podem experimentar alongamentos deaté 1000%(polímeros muito elásticos)
raramente se alongam alémde 100%
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
“
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Características mecânicas dos polímeros são muito mais sensíveis a mudanças de temperatura na vizinhança.
Comportamento tensão deformação para o polimetil metacrilato (Plexiglas) a várias temperaturas.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Aumento da temperatura produz:
Diminuição do módulo de elasticidade;
Redução do limite de resistência à tração;
Melhora da ductilidade:
Em 4oC o material é totalmente frágil, enquanto uma deformação plástica considerável é obtida a partir de 50oC.
Comportamento tensão deformação para o polimetil metacrilato (Plexiglas) a várias temperaturas.
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Diminuição na taxa de deformação → material se torna mais mole e mais dúctil (mesma influência que o aumento na temperatura);
LRT → aumenta em função do aumento do peso molecular:
Aumento no número de embaraços e entrelaces na cadeia.
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Termorrígidos:
Cadeias com ligações cruzadas;
Não podem ser fundidos;
Rígidos e frágeis, estáveis a variação de temperatura.
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Termoplásticos:
Cadeias predominantemente lineares;
Podem ser fundidos diversas vezes;
Capacidade de escoamento.
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Transições Térmicas:
Transição vítrea;
Fusão cristalina;
Cristalização.
Sólido
C r i s t a l i z a ç ã o 
Tg
Borrachoso
Tf
Fluidoviscoso
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Transição Vítrea:
Ocorre nos polímeros amorfos;
Grande influência no comportamento mecânico.
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Transição Vítrea:
Forças intermoleculares “seguram” as cadeias, impedindo seu deslocamento 
Forças intermoleculares enfraquecem quando o material é aquecido; translação das moléculas. 
Força agindo sobre o material
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Fusão Cristalina:
Elevada energia do sistema;
Alteração da estrutura regular.
CRISTAIS/ ESFERULITOS
CRISTAIS FUNDIDOS
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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TRANSIÇÃO VÍTREA
Polímero amorfo rígido torna-se flexível e elástico ao ser aquecido acima da Tg
Material torna -se gradativamente mais viscoso, até passar a se comportar como uma borracha
FUSÃO
Estrutura cristalina se desmancha e se torna amorfa
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Cristalização:
Isotérmica;
Dinâmica.
Tempo
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Influência da Estrutura Química:
Polietileno adipato – PEA
Tg= - 46ºC 
Tm= 50ºC
Polietileno Tereftalato – PET
Tg= 69ºC
Tm=265ºC
comprimento do grupo lateral
Temperatura de transição vítrea
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Dilataçãotérmica:
Grandes coeficientes de dilatação térmica;
Polímeros termorrígidos expandem-se menos que os termoplásticos.
5. PROPRIEDADES TÉRMICAS
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Condutividade térmica:
Baixa condutividade térmica;
Vibrações atômicas;
Grau de cristalinidade;
Pequenos poros para melhor propriedades isolantes.
			
			Ex.: Poliestireno.
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Classe dos polímeros conjugados;
Ligações simples e duplas alternadas;
Eletróns π da dupla ligação formam íons poliméricos
Polímeros Condutores
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Condução
Condução Intrínseca 
-> Semicondutores intrínsecos são aqueles encontrados na natureza na sua forma mais pura, ou seja a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa.
Condução Extrínseca
-> Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor.
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Processo de Oxidação / Redução;
Transforma um polimero isolante em condutor ou semicondutor;
Impurezas inseridas nas vizinhanças formam deformações e defeitos de carga que aumentam a condutividade;
Tipo p: retirada de elétrons;
Tipo n: doador de elétrons;
Dopagem em polímeros condutores
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Condutividade elétrica
Baseada no modelo de bandas
Interação da cela unitária com seus vizinhos forma as bandas eletrônicas;
Polarons e Bipolarons são defeitos de carga localizada;
a) polaron
b) bipolaron
Para polímeros que apresentam estados fundamentais não degenerados, como o polipirrol, o modelo utilizado envolve a formação de polarons e bipolarons, formando assim níveis de energia entre a banda de condução e a banda de valência. Neste modelo, os polarons e bipolarons estão livres para se movimentarem ao longo da cadeia polimérica, resultando na condutividade eletrônica [17]. Quando um elétron é removido do topo da banda de valência do polímero condutor, originando uma vaga, ocorre a formação de um cátion radical também chamado de polaron. Um polaron é definido como um íon radical que 28 carrega tanto um elétron desemparelhado de spin ½ e uma carga positiva sem spin [15], e que está associado a uma distorção do retículo (da forma aromática para a forma quinóide) e à presença de estados localizados no gap. Na formação do polaron, a banda de valência permanece cheia e a de condução vazia (vide figura 9) não ocorrendo o aparecimento do caráter metálico, uma vez que, o nível parcialmente ocupado se encontra no gap
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Condutividade elétrica
Densidade do elétron em polímeros condutores é maior do que os semicondutores inorgânicos;
Porém a mobilidade de portadores de carga é menor devido às deformações;
Massa do dopante pode chegar até 50% da massa total do
composto;
Aplicações: Dispositivos
eletrocrômicos,supercapacitores, OLEDs, célular solares, etc.
6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
Alguns polímeros condutores e suas condutividades máximas e o tipo de dopagem. 
7. PRODUÇÃO
EXTRAÇÃO:
Petróleo e Gás Natural
REFINO
PETROQUÍMICA: 1ª GERAÇÃO
PETROQUÍMICA: 2ª GERAÇÃO
POLIMERIZAÇÃO
CRAQUEAMENTO
7. PRODUÇÃO
Reação de polimerização
Aditivos
Moldagem
7. PRODUÇÃO
Reações de polimerização
Adição:
Condensação:
7. PRODUÇÃO
Aditivos 
Enchimentos
 Plastificantes
Estabilizantes
Melhoram a resistência à tensão, compressão e abrasão. Também oferecem estabilidade termal e dimensional 
Concedem flexibilidade, ductilidade e tenacidade ao polímero
Evitam a oxidação e/ou deterioração pela exposição à luz
7. PRODUÇÃO
Aditivos 
Colorantes
Retardadores de chamas
A maioria dos polímeros são inflamáveis em sua forma pura, exceto pelos que contêm cloro e flúor
Adicionam pigmentação e/ou opacidade ao material
7. PRODUÇÃO
Moldagem
Injeção
7. PRODUÇÃO
Moldagem
Extrusão
7. PRODUÇÃO
Moldagem
Compressão e Transferência
7. PRODUÇÃO
Moldagem
Sopro
8. APLICAÇÕES
8. APLICAÇÕES
Polipropileno Densidade específica da ordem de 0,9 g/cm3 
 
 Ponto de fusão cristalina em torno de 140 a 150 ºC
 Boa barreira ao vapor d’água, média barreira a gases, boa resistência a óleos e gorduras e a produtos químicos, boa resistência à abrasão, boa estabilidade térmica e não é suscetível ao fissuramento sob tensão
 É suscetível à degradação oxidativa a altas temperaturas, requerendo aditivos antioxidantes para seu processamento.
 Caso não seja protegido, esse polímero degrada-se pela ação da luz ultravioleta (UV) e pela irradiação. 
 
8. APLICAÇÕES
Polipropileno Devido a suas características favoráveis de preço, densidade e versatilidade este polímero vem gradualmente substituindo outros materiais na produção de embalagens, carros, celulares, DVDs e eletrodomésticos de pequeno porte.
8. APLICAÇÕES
Polietileno 
 É o termoplástico mais empregado na fabricação de embalagens por se tratar de um material com boa resistência mecânica, química e térmica.
Porém, esse polímero não é ideal para aplicações que requerem impermeabilidade a gases, como oxigênio, nitrogênio e gás carbônico. 
Os polietilenos são resistentes à maioria dos produtos químicos exceto aos ácidos oxidantes, halogênios livres e certas cetonas. À temperatura ambiente o polietileno é insolúvel em todos os solventes. 
8. APLICAÇÕES
8. APLICAÇÕES
Polietileno - PE Alta Densidade X PE Baixa Densidade 
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. 
 O PEBD é utilizado como filme, na fabricação de tampas flexíveis ou em frascos colapsáveis como ampolas de soro. O PEBD serve para fabricar sacolas, filmes, sacos de lixo etc. Ele é leve, transparente e flexível.
O PEAD, por sua vez, tem aplicação expressiva nas embalagens plásticas rígidas pela maior rigidez e resistência mecânica, a exemplo de frascos, garrafas, bombonas, baldes, paletes, caixas e engradados. 
8. APLICAÇÕES
Policloreto de Vinila - PVC
O PVC é a segunda resina plástica mais vendida, sendo a indústria de construção civil seu mercado mais significativo. Esse termoplástico pode ser transformado em grande variedade de embalagens devido à sua adaptabilidade à plastificação, por ser praticamente inquebrável, e por causa da sua resistência aos produtos químicos e à penetração de água. 
8. APLICAÇÕES
Policloreto de Vinila - PVC
O poli(cloreto de vinila) rígido apresenta taxa de permeabilidade ao vapor d’água superior à das poliolefinas, porém sua permeabilidade a gases é melhor.
Como embalagem rígida, o PVC é empregado como chapa para termoformação de bandejas, blisters para comprimidos, assim como para fabricação de frascos e garrafas por extrusão/ sopro. Os frascos e garrafas de PVC tem grande aplicação para o acondicionamento de água mineral, óleo vegetal comestível, cosméticos e produtos de limpeza e higiene pessoal, devido a sua transferência, brilho, e resistência a óleos e gorduras. 
8. APLICAÇÕES
Politereftalato de etileno - PET
O poli(tereftalato de etileno) (PET) é um material muito utilizado no segmento de embalagens, com aplicações em embalagens rígidas (garrafas e frascos) e filmes biorientados.
O PET é o polímero formado pela reação do ácido tereftálico e o etilenoglicol, possuindo a estrutura química mostrada na Figura 5
8. APLICAÇÕES
9. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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CALLISTER, Jr., W.D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ª edição. LTC Editora, 2008, 704 pp. ODIAN, G. Processos de Polimerização. 4ª edição. John Wiley & Sons, 2004.
LENCINA, D., CAVALHEIRO, A. INTRODUÇÃO AOS POLÍMEROS. [online], CEFET-RS.
CANEVAROLO Jr., S.V. Ciência dos Polímeros – Um texto básico para tecnólogos e engenheiros. 2ª edição. Editora Artliber. São Paulo, 2006; pág. 203-208.
COSTA, T.H.S., FONTANA,J.A.C., kOSSAKA J., TARASZKIEWICZ, T. Estudo do Comportamento Mecânico de Alguns Termoplásticos; Departamento de Engenharia Mecânica/DEMEC; Universidade Federal do Paraná; Curitiba – PR; 1998.
http://www.blowmolding-machine.com/info/about-extrusion-blow-moulding-blow-molding-m-28283214.html. Acesso em: 22/05/2019.
BARBOSA, L.A., DREGER, A.A, SCHNEIDER, E.L., MORISSO, F.D.P., SANTANA, R.M.C. Polietileno de baixa densidade - PEBD: mercado, produção, principais propriedades e aplicações. Revista Espacios. Disponível em:<http://www.revistaespacios.com/a17v38n17/17381710.html>. Acesso em: 22/05/2019. 
Spinacé, M.A.S; Paoli, M.A. A TECNOLOGIA DA RECICLAGEM DE POLÍMEROS. Quimica Nova,Vol. 28, N. 1, 65-72, 2005.
SARANTÓPOULOS, et al. Embalagens Plásticas Flexíveis, CETEA/ITAL, 2002.
http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a03.pdf
https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/18472/18472_3.PDF
http://www2.iq.usp.br/pos-graduacao/images/documentos_pae/1sem2009/quimica_organica/quimica_analitica/tatiana.pdf
RODRIGUES, T.T. Polímeros nas Indústrias de Embalagens. 2018. 57f. Trabalho de Conclusão de Curso - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.