Polímeros: Conceitos e Definições

Processos Químicos Industriais Professor Mostafa G Aboelkheir 1º semestre de 2023 POLÍMEROS CONCEITOS E DEFINIÇÕES A palavra polímero é originada do grego cujo significado é muitas partes poli muitas mero parte Usualmente o termo plástico é utilizado para designar os materiais poliméricos Todavia seu uso de maneira genérica não é apropriado Plástico significa capaz de ser moldado Os polímeros são capazes de adquirirem condições plásticas por ação de calor e pressão Quimicamente os POLÍMEROS são materiais naturais ou sintéticos geralmente de origem orgânica compostos por cadeias com altos pesos moleculares São obtidos através de reações químicas de polimerização que formam estruturas moleculares que consistem na repetição de pequenas unidades chamadas meros O tamanho e a estrutura da molécula do polímero determinam as propriedades do material MATÉRIAS PRIMAS FORMADORAS DOS POLÍMEROS Petróleo É formado por muitos compostos que possuem temperaturas de ebulição diferentes sendo assim possível separálos através de um processo conhecido como destilacao ou craqueamento Nafta produto incolor extraído do petróleo e matériaprima básica para a produção de plástico Exemplos de fontes de monomeros para obtencao de alguns polimeros sinteticos POLIMERIZAÇÃO Os polímeros são compostos por macromoléculas obtidos através de reações de polimerização de compostos simples denominados monomeros Sendo que a unidade repetidora mais simples dos polímeros denominase mero POLIMERIZAÇÃO HOMOPOLÍMEROS A repetição em longas cadeias de uma mesma unidade repetidora mero origina os homopolímeros A A A A AAA A Monômeros homopolímero Ex Polietileno PE polipropileno homopolímero PP poliestireno PS etc O parâmetro n é definido como sendo o Grau de Polimerizacao do polímero ou seja o número de meros que constitui a macromolécula GRAU DE POLIMERIZAÇÃO n Via de regra maiores graus de polimerização asseguram melhores propriedades físicas do produto e por isso o objetivo da produção de polímeros para materiais plásticos será em geral o de obter os chamados alto polímeros Nos polímeros o valor de n normalmente é superior a 10000 Ou seja uma molécula de polietileno é constituída da repetição de 10000 ou mais unidades de etileno Grau de Polimerização e seu efeito em polímeros Polímero Polimerização COPOLIMEROS São formados pela repetição de dois ou mais meros distintos na molécula A B A B A ABABA Meros copolímero Ex Polipropileno copolímeroPE ABS SAN acrílico PMMA etc Quatro Tipos de Copolímeros Processos de polimerização Existem diversos processos para unir moléculas pequenas com outras para formar moléculas grandes Sua classificação se baseia no mecanismo pelo qual se unem estruturas monômeras ou nas condições experimentais de reação Mecanismos de polimerização Polimerizacao por adição Polimerizacao por condensação Polimerizacao por Adição A partir de monômeros que contêm uma ou várias duplas ligações O resultado da polimerização de uma só classe de monômeros é um homopolímero No caso em que se polimerizam juntos dois monômeros distintos obtémse um copolímero Exemplos Polietileno Polipropileno PVC Neoprene Borracha natural Borracha fria Orlon Teflon etc Etapas polimerização por adição 1 Iniciação rompimento das ligações duplas 2 Propagação início do processo de formação das cadeias poliméricas pelos pontos reativos 3 Término eliminação dos pontos reativos encerrando a polimerização Polimerizacao por condensação Polímeros formados através de uma reação de condensação a partir de diferentes tipos de monômeros bi ou trifuncionais com eliminação de uma molécula pequena geralmente a água Monômeros bifuncionais cadeias lineares Monômeros trifuncionais cadeias tridimensionais Exemplos Poliamidas Poliésteres Poliuretanos etc Exemplo de condensação CLASSIFICACAO DOS POLIMEROS Quanto a ocorrência 1 Naturais São polímeros que já existem normalmente na natureza CELULOSE AMIDO LATEX NATURAL FIBRAS NATURAIS algodao seda juta etc 2 Sinteticos São polímeros fabricados pelo homem a partir de moléculas simples POLIETILENO FIBRAS SINTETICA nailon poliester rayon etc POLIPROPILENO POLIAMIDAS ACRíLICO De Acordo Com A Estrutura Molecular 1 Linear sem ramificações na cadeia principal 2 Ramificada na cadeia linear basica 3 Com ligacoes cruzadas 4 Reticulada tridimensionalmente ou em rede Polímeros de ligação cruzada De Acordo com a Configuração Molecular Estereoisomeria 1 Polímeros Isotáticos 2 Polimeros Sindiotaticos 3 Polimeros Ataticos Isomeria Geométrica 1 Polimeros Cis 2 Polimeros Trans Polímeros Táticos Polímero Atáctico De Acordo com o Comportamento Mecanico Analisado em relação à resistência à deformação sob a ação de esforços mecânicos os polímeros dividemse em Borrachas apresentam módulos de elasticidade de 10 a 100 psi Plasticos com módulos de elasticidade de 1000 a 10000 psi Fibras com módulos de elasticidade de 100000 a 1000000 psi Borrachas ou Elastomeros Polímeros que à temperatura ambiente podem ser deformados repetidamente a pelo menos duas vezes o seu comprimento original Retirado o esforço deve voltar rapidamente ao tamanho original Possuem cadeias flexíveis amarradas umas às outras com uma baixa densidade de ligação cruzada Não vulcanizada Plásticos São materiais que contém como componente principal um polímero orgânico sintético Embora sólidos à temperatura ambiente em seu estado final em alguns estágios a de seu processamento tornamse fluídos e possíveis de serem moldados por ação isolada ou conjunta de calor e pressão Podem ser classificados em 1 Termoplásticos e 2 Termorrígidos termofixos Fibras Termoplástico orientado com a direção principal das cadeias poliméricas posicionadas paralelas ao sentido longitudinal Deve satisfazer a condição geométrica do comprimento ser no mínimo cem vezes maior que o diâmetro LD 100 Usados na forma fios finos Exfibras de PAN nylons Poliésteres PET etc De Acordo com o Comportamento Termico Termoplasticos Termofixos Os termoplásticos caracterizamse por ao completarse a polimerização possuírem moléculas constituídas de cadeias predominantemente lineares eventualmente apresentando ramificações Polímeros que podem ser fundidos diversas vezes São os chamados plásticos constituindo a maior parte dos polímeros comerciais As propriedades mecânicas variam conforme o plástico sob temperatura ambiente podem ser maleáveis rígidos ou mesmo frágeis De Acordo com o Comportamento Termico Termoplasticos Termofixos Os termofixos também chamados de termoestáveis termorrígidos ou duroplastos são materiais onde a polimerização ocorre em dois estágios 1 No fabricante das resinas onde se produz um composto cujas cadeias são lineares ou ramificadas que ainda não é um polímero 2 No transformador onde a polimerização se completa em um segundo estágio por ocasião da moldagem consequência da ação de calor e de um agente de cura formando então as ligações cruzadas nas cadeias poliméricas São rígidos e frágeis sendo muito estáveis a variações de temperatura Uma vez prontos não mais se fundem O aquecimento do polímero acabado a altas temperaturas promove decomposição do material antes de sua fusão Logo sua reciclagem é complicada TERMOSTÁVEIS De Acordo Com As Familias 1 Plasticos Comuns são aqueles produzidos e consumidos em larga escala suas matérias primas são baratas e seu custo de fabricação é baixo Termoplásticos convencionais commodities Representam 90 da produção mundial Ex PEBD PEAD PP ABS PS PVC etc 2 Plasticos de Engenharia resinas com propriedades físicas e químicas diferenciadas e melhores Como consequencia têm um custo consideravelmente mais alto em relação aos plásticos comuns Ex Poliamidas ou náilons PPA 6 66 610 11 e 612 poliésteres PBT e PET poliacetal POM policarbonato PC etc 3 Plasticos Especiais materiais desenvolvidos recentemente normalmente pesquisados para fins específicos apresentando desta forma altos custos de fabricação Ex polisulfeto de fenileno poliéter imida etc POLÍMEROS Polímero de estructura amorfa Água Cristalina Lustre Cristalina Jarra Cristalina Copo Cristalino ou de luxo Polímero de estructura cristalina Diamante Estrutura organizada cristalina Carvão Estrutura desordenada amorfa De Acordo com o Grau de Organização Molecular Amorfos Os materiais amorfos são caracterizados por um arranjo molecular desordenado ou seja não possuem uma organização estrutural entre as cadeias poliméricas Cristalinos Já os materiais cristalinos são caracterizados pela capacidade das moléculas ou de forma mais correta dos segmentos das moléculas formarem uma ordenação tridimensional dando origem aos cristais Microestrutura Estas diferentes configurações afetam certas propriedades dos polímeros especialmente a fusibilidade e a solubilidade Os materiais cristalinos possuem um ponto de fusão muito bem definido sendo que abaixo deste ele seja um material impossível de ser injetado e acima tornese um material fluído Já os materiais amorfos apresentam uma faixa de fusão mais ampla e não fundem tão facilmente quanto os cristalinos no inicio do processo de amolecimento Comportamento no aquecimento Comparação entre amorfo e cristalino Classificação tradicional dos polímeros Processamento de polímeros Tecnologias de Moldagem 1 Extrusão 2 Injeção 3 Sopro 4 Termoformação 5 Compressão 6 Por Transferência Borracha Image showing various rubber items and products Borracha A borracha é um produto amplamente usado em uma escala muito grande A sua flexibilidade permite que seja moldável em todos os formatos para atender todas as necessidades Nos estudos da ciência dos materiais podemos classificar as borrachas elastômeros como materiais com características viscoelásticas que tem um comportamento intermediário entre os sólidos rígidos e os fluídos líquidos As borrachas oferecem propriedades mecânicas químicas e térmicas muito interessantes à Engenharia Borracha Só existem dois tipos de borracha As borrachas natural As borrachas sintéticas Só se apresentam em um de dois estados Como Borracha crua Como Borracha Vulcanizada Sob duas características estruturais típicas Cadeias insaturadas Cadeias saturadas CONSUMO MUNDIAL DE BORRACHA O consumo de borracha aumentou 12015 162016 3382017 até chegou a totalizar 2918 milhões de toneladas em 2018 Compostos de Borracha Basicamente os ingredientes de composição são Polímero Elastômero principal Ativadores Antidegradantes Cargas Plastificantes Agentes de Cura Aceleradores Como escolher uma borracha O primeiro passo para escolha da borracha a ser usada em determinado artefato é saber com máxima precisão as condições de aplicação e trabalho de tal artefato Em seguida tomando como parâmetro a Resistência Química e Térmica que o material deverá oferecer baseado nas normas ASTM D2000 SAE J 200 e ABNT EB 362 que mostram as famílias elastoméricas mais adequadas para cada aplicação Definido o polímero Elastômero dáse sequência ao projeto da formulação Famílias de Elastômeros NOME BORRACHA NATURAL POLISOPRENO POLI BUTADIENO POLIESTIRENOBUTADIENO POLIETILENOPROPILENODIENO POLIISOBUTILENOISOPRENO POLISULFETOS THIOKOL POLIACRILONITRILABUTADIENONITRÍLICAS POLICLOROPRENO NEOPRENE POLIURETANOS EPICLORIDRINAS SILICONES HYPALON POLIACRILATOS BORRACHAS FLUORADAS 56 Unvulcanized Rubber Molecules Crosslinks Vulcanized Network 57 Poluição Ar Solo Água Vulcanização Histórico Primeiras notícias da descoberta da borracha natural Na época da descoberta das Américas por Cristóvão Colombo Marinheiros de Colombo observaram nativos da América Central confeccionaram bolas e outros artigos com a seiva de látex O látex foi usado pela humanidade na espalmação sobre tecidos de algodão para melhor resistência a água e ao intemperismo porém em épocas frias o tecido espalmado se tornava rígido e no calor ficava mole ou pegajoso Por Charles Goodyear em 1839 Observou que adicionando enxofre ao látex natural e submetendo a elevadas temperaturas o material mudava suas características tornandose elástico estável nas mudanças climáticas e não mais era pegajoso Vulcanização Histórico A borracha usada por Goodyear mais tarde recebe o nome de Borracha Natural A experiência de Goodyear continha 100 partes de borracha natural 8 partes de enxofre Tempo de vulcanização 5 horas à 150C Comportamento térmico da borracha Má condutora de calor e de som Adição de óxidos metálicos reduz tempo de vulcanização em 50 Vulcanização Reação de vulcanização provoca mudança de estado de plástico para elástico Ocorre através da reação química entre um agente de cura Ex Enxofre e pontos específicos insaturações nas cadeias poliméricas Resulta em ligação entre duas ou mais cadeias da massa polimérica A borracha tem que passar pelo processo de vulcanização para adquirir maiores propriedades mecânicas que permitem a sua utilidade em diversas aplicações CONSUMO MUNDIAL DE BORRACHA O consumo de borracha aumentou 12015 162016 3382017 até chegou a totalizar 2918 milhões de toneladas em 2018 Somente no Brasil em 2015 cerca de 470 mil toneladas de pneus foram descartadas IMPACTO AMBIENTAL Indústria Pneumática Quase toda a quantidade de borracha dos pneus gastos é descartada inadequadamente Isto possui dois grandes problemas o desperdício de borracha valiosa e o descarte de resíduos de pneus levando à poluição ambiental e riscos à saúde IMPACTO AMBIENTAL Indústria Pneumática No Kuwait encontrase o maior aterro de pneus no mundo com um aumento Taxa lenta de degradação estrutura reticulada e uso de estabilizadores e aditivos IMPACTO À SAÚDE Problemas de saúde insetos que causam doenças como zika dengue e chikungunya Em 2007 Associação Nacional da Indústria de Pneumáticos ANIP Reciclanip criou 834 ecopontos de coleta de pneus baseado no modo europeu POSSÍVEIS SOLUÇÕES Técnicas de recuperação Recuperação químicabiológica onde o elastômero é desvulcanizado através da ação de microorganismos POSSÍVEIS SOLUÇÕES Recuperação Termooxidativa onde a estrutura da rede tridimensional é devulcanizada e devido à exposição a fonte de calor Vulcanization Devulcanization Cycle