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Polímeros

Pedro Miguel Martins da Costa Almeida (CIV) Nº 12149 Victor Hugo da Silva Magalhães (INF) Nº 12470

Universidade Fernando Pessoa (UFP) Faculdade de Ciências e Tecnologia Disciplina de Ciências dos Materiais Porto, 2004

Sumário:

Polímeros são macromoléculas constituídas por monómeros. Os polímeros podem ser agrupados segundo várias classificações, nomeadamente: quanto à natureza da sua cadeia, à sua estrutura, à morfologia, à reacção que os originou. Sendo esta última a mais importante de todas. Neste campo os polímeros dividem-se em polímeros de adição e polímeros de condensação. De referir que existem diferentes tipos de materias poliméricos, os quais têm inúmeras propriedades atribuindo-lhes diversas aplicações nos mais variados ramos do nosso quotidiano.

Abstract:

attributing them diverse application in the more varied branches of ours daily

Polymers they are macromolecules constituted by monomers. The polymers they can be grouped second you vary classifications, namely: as regards the nature from its chain, to the its structure, to the morphologic, to the reaction that originated them. Being this finalizes to more important thing of everybody. In this field the polymers they divide themselves in polymers of addition and of condensation. Of it refer that they peculiar kinds of stuff exist polymeric, which they have countless estates

Abreviaturas:

ABS – Acrilonitrila – Butadieno – Estireno BSPQ – Boletim da Sociedade Portuguesa de Química C – Carbono

C5H8 – Isopreno

CH2 – Etileno Cl – Cloro

H – Hidrogénio

H2O – Água M – Massa Molecular

O – Oxigénio PET – Polietilenotereftalato PPO – Polioxido de fenileno PVC – Policloreto de Vinila

2 Palavras-chave: Polímeros, Monómeros, Classificação, Polimerização, Aplicações

1. Introdução

Nas primeiras décadas do século X, alguns investigadores começaram a manifestar curiosidade e interesse em relação ao comportamento anormal de certas substâncias, o que os levou a orientar a sua investigação na área dos materiais poliméricos. Por exemplo, ao solubilizar borracha com fórmula empírica C5H8 (M=68), a solução apresentava elevada viscosidade e quase não provocava abaixamento crioscópico do solvente, situação a qual só se justificaria por moléculas de muito mais elevada massa molecular.

Contudo, esta ideia de moléculas gigantes não foi bem aceite entre os químicos, os quais acreditavam na existência de aglomerados de moléculas unidas por ligações intra moleculares.

Estas dúvidas só chegaram a ser ultrapassadas graças ao trabalho de Hermann

Standinger, (1881-1963, químico alemão – Prémio Nobel da Química em 1953), que demonstrou claramente, que em vez dos supostos agregados, o que existia era afinal enormes moléculas, onde milhares de átomos estão ligados covalentemente. A partir daí, o desenvolvimento dos polímeros tem sido estonteante.

Hoje em dia, 90% dos químicos e bioquímicos trabalham com polímeros naturais ou artificias. Em que os polímeros naturais são o suporte dos processos biológicos. E os polímeros sintéticos dominam a indústria química.

Polímeros não são apenas meros objectos de plástico (baldes, vasos, etc.), que utilizamos no dia-a-dia. Não são também apenas os objectos detestáveis que poluem as nossas ruas, os nossos campos e as nossas praias. Os polímeros são muito mais do que estes objectos, eles são elementos essenciais na bioquímica e fazem parte dos materiais de alta tecnologia que tantos avanços tecnológicos nos têm proporcionado.

Ao olharmos em redor depressa nos apercebemos que os polímeros invadiram todos os diferentes domínios da nossa actividade. Eles influenciaram, influenciam e continuarão a influenciar decisivamente a vida das sociedades. Na medida em que, cada vez mais assistimos, à substituição das matérias-primas tradicionais por mais aplicações poliméricas.

Os materiais orgânicos são uma das três categorias mais importantes de materiais. Estes têm sido desde sempre utilizados na construção civil, tendo por conseguinte que acompanhar a evolução do tempo e da tecnologia.

A exigência crescente por materiais de melhor desempenho, mais resistentes a temperaturas elevadas, grande poder de isolamento, etc. faz com que os materiais poliméricos ganhem mais espaço na corrida tecnológica, se vulgarizem e se desenvolvam constantemente.

Graças às suas propriedades diferenciadas, conseguem substituir com vantagem o metal, a cerâmica e outros materiais, permitindo além de projectar peças de maior complexidade com menor peso, melhorar a aparência, reduzindo significativamente os custos.

O presente trabalho sobre polímeros tem como principal objectivo, familiarizarnos e adquirir conhecimentos sobre este tipo de materiais.

Assim, de uma forma sistematizada e sintetizada, começamos por descrever o que se entende por polímeros, seguidamente passamos a referir as suas classificações e características e por fim as suas aplicações.

2. Conceito de Polímeros

Os polímeros1 são moléculas muito grandes constituídas pela repetição de pequenas e simples unidades químicas, denominadas por monómeros2 (meros), ligadas covalentemente (Andrade; 1995).

O Homem tem-se servido dos polímeros desde a Pré-historia, embora só no século XIX é que os começou a sintetizar deliberadamente.

Os materiais poliméricos, os quais incluem os plásticos, a borracha e alguns adesivos, são uma das três grandes classes de materiais utilizados em engenharia.

Os polímeros podem ser classificados de diversas formas, entre elas, em relação: à sua ocorrência, à sua estrutura, à natureza da sua cadeia, ao seu comportamento

1 Do grego “Polys” – muitos; “Meros” – partes 2 Do grego “Mono” – um mecânico, à disposição espacial dos seus monómeros, à sua morfologia e ao tipo de reacção que lhe deu origem.

Em relação à sua ocorrência, os polímeros podem ser: naturais e sintéticos. Os naturais são aqueles que já existem normalmente na natureza. São exemplos destes polímeros, entre outros, a celulose, a borracha natural, o amido, as proteínas e os ácidos nucléicos. A maioria dos polímeros sintéticos são compostos orgânicos, produzidos pelo homem através da reacção de polimerização de moléculas simples, dos quais são exemplos: o Nylon, o Dacron, o PVC, o vidro acrílico, o polietileno, etc. Os polímeros sintéticos são obtidos pela união de monómeros à molécula em crescimento, um de cada vez, como o exemplo apresentado na figura 1, no qual o etileno (monómero) origina o polietileno (polímero sintético). A sua produção é feita através de um processo de polimerização, de modo a formarem-se as longas cadeias de moléculas orgânicas (Salvador; 2000 e BSPQ; 1986).

Em relação a estrutura final do polímero, estes podem ser: lineares e tridimensionais. Os polímeros lineares possuem uma estrutura de uma cadeia linear (estrutura unidimensional), como a exemplificada na figura 2, a qual é produzida por monómeros bifuncionais, temos como exemplo o polietileno. De referir, mesmo que a cadeia apresente ramificações (não podendo esta ramificação ligar uma cadeia a outra próxima) o polímero continua a ser considerado linear, como caso da borracha sintética (Salvador; 2000 e Kroschwitz; 1982). Estes polímeros dão origem a materiais termoplásticos, ou seja plásticos que amaciam quando aquecidos e endurecem quando arrefecem, estes plásticos podem ser moldados sucessivamente (ex. polietileno). (Andrade, C; 1995).

Os polímeros tridimensionais têm uma rede tridimensional, como se demonstra na figura 3, em que os monómeros são trifuncionais ou tetrafuncionais. Esta rede expande-se em todas as direcções, isto é, entre as cadeias adjacentes existem ligações através de átomos que estão localizados na cadeia (Salvador; 2000 e Vlack; 1970). Este tipo de polímeros são geralmente termoestaveis e dão origem a polímeros

termoendurecíveis. De referir que estes polímeros são permanentemente duros, não podendo ser reaproveitados industrialmente na moldagem de novos objectos. Devendo assim, pelo menos, a ultima fase de produção destes ser feita simultaneamente com a moldagem do objecto desejado (ex. apóxidos) (Salvador; 2000,Andrade; 1995 e Kroschwitz; 1982).

No que diz respeito à natureza da cadeia dos polímeros, estes podem ser: de cadeia homogénea ou de cadeia heterogénea. Os de cadeia homogénea são aqueles em que o esqueleto da cadeia é apenas formado por átomos de carbono. Os de cadeia heterogénea são aqueles em que no esqueleto da cadeia possuem átomos diferentes de carbono (Heteroátomos) (Salvador; 2000 e Kroschwitz; 1982).

Quanto ao comportamento mecânico os polímeros podem classificar-se em: elastómeros, plásticos e fibras. Os elastómeros incluem todas as borrachas sintéticas ou naturais. Por exemplo o látex é uma emulsão que contem polímeros de isopreno. A borracha natural é um material mole e alterável com o tempo. Este problema resolve-se fazendo a sua vulcanização isto é, aquecendo-a com derivados do enxofre. Esta descoberta que permitiu que a borracha seja utilizada para muitos fins, nomeadamente, em pneus de automóveis e em dentaduras. Os plásticos são polímeros que se apresentam no estado sólido mais ou menos rígidos. São exemplos o PVC e o polietileno. Quando a polimerização não é tão elevada, muitos plásticos servem para a produção de tintas e vernizes, como é o caso do poliacetanto de vinila (PVA). As fibras são polímeros que apresentam grande resistência à tracção mecânica, são corpos em que a razão entre comprimento e as dimensões laterais são muito elevadas e por isso são utilizadas para a fabricação de fios. Temos como exemplo o nylon e o poliéster. Actualmente, roupas e demais vestimentas são executadas com fibras poliméricas sintéticas. Roupas especiais, como roupas de mergulho submarino, fatos para corredores de fórmula um, e de astronautas espaciais também são feitas com polímeros especiais que possuem as propriedades e qualidades exigidas para cada situação (Smith;1998, Branco;1994, Bauer; 1988 e Kroschwitz; 1982).

Quanto a disposição espacial dos monómeros temos: polímeros tácticos e polímeros atácticos. Nos polímeros tácticos os monómeros ao longo da cadeia polimérica dispõem-se de uma maneira organizada, como se pode ver no esquema da figura 4. Estes podem ainda ser divididos em isotácticos e sindiotácticos. Nos primeiros os monómeros distribuem-se ao longo da cadeia de tal forma que unidades sucessivas podem ser exactamente superpostas, após rotação e translação. Nos polímeros sindiotácticos, a rotação e translação de uma unidade monomérica, em relação à seguinte, reproduz a imagem especular desta última.

Dizem-se polímeros atácticos quando os monómeros se dispõem ao longo da cadeia polimérica ao acaso, ou seja, desordenadamente, tal como exemplifica o esquema da figura 4. Estes polímeros tem a consistência de borracha, são amorfos e pouco resistentes. Exemplo polipropileno (Salvador; 2000 e Kroschwitz; 1982).

Em relação à sua morfologia, os polímeros podem ser considerados em amorfos e semi-cristalinos (figura 5).

Os amorfos são aqueles que não possuem capacidade de cristalização, neles existe uma completa desordem de moléculas. Os semi-cristalinos, geralmente denominados de polímeros cristalinos, são constituídos por regiões cristalinas e regiões amorfas. Nas regiões cristalinas as cadeias moleculares estão perfeitamente ordenadas, formando um empacotamento regular, denominado o cristalito. Geralmente os polímeros nunca são totalmente cristalinos. Como exemplo de um polímero deste tipo temos o PET (Kroschwitz; 1982).

Os polímeros podem também ser classificados em relação ao tipo de reacção que os originou. Esta trata-se da classificação mais importante.

3- Reacções de polimerização

Os polímeros são produzidos sinteticamente através da reacção de polimerização dos seus monómeros. A polimerização é a reacção na qual pequenas moléculas de uma substancia se combinam entre si formando um composto de peso molecular elevado com ou sem formação de subprodutos de baixo peso molecular. A formação do plástico polietileno, a partir do etileno é um exemplo de reacção de polimerização (Russel; 2000).

Neste domínio podemos agrupar os polímeros em dois grandes grupos: polímeros de adição, formados por sucessivas adições de unidades moleculares que se encontram repetidas, e polímeros de condensação, formados por eliminação de pequenas moléculas como a água.

3.1. Polímeros de adição

Os polímeros de adição obtêm-se a partir da adição de uma molécula a outra, estas moléculas são constituídas por um só monómero (Andrade; 1995). A fórmula geral dos polímeros de adição está representada na figura 6. Estas reacções dão-se com compostos insaturados, os quais contem ligações duplas ou triplas, em especial C=C e C≡C (Clark;1971). Estas ligações vão-se romper e originar ligações simples, portanto, a polimerização ocorrer sem formação de subprodutos. A polimerização do cloreto de vinila (PVC) constitui um exemplo de polimerização por adição. - Estes polímeros são termoplásticos.

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