Ano Letivo 2013/2014 POLÍMEROS

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1 Ano Letivo 2013/2014 POLÍMEROS do grego muitas partes Os polímeros sempre fizeram parte do nosso quotidiano. Desde os tempos mais remotos o homem tem usado polímeroscomo, por exemplo, amido, celulose e seda, denominados polímeros naturais. Atualmenteé enorme a quantidade de bens materiais que nos cercam, produzidos a partir destas macromoléculas, uma vez que são utilizadas em quase todas as áreas da atividade humana (industria automóvel, têxtil, de embalagens, entre outras).além disso, cerca de 18% do nosso organismo é constituído por proteínas (polímero natural). Um polímero é uma macromolécula, natural ou artificial, constituída por um número não especificado de unidades moleculares (monómeros), ligadas entre si através de ligações covalentes. MONÓMERO (Etileno) POLÍMERO (Polietileno) Um polímero distingue-se de uma molécula muito grandepor ter uma unidade estruturalque se repete, formando grandes cadeias Poliéster (polímero de cadeia linear) poliméricas.em alguns casos, as ligações entre monómeros conduzem a cadeias lineares, com ou sem ramificações, e noutros, a cadeias ligadas entre si formando estruturas tridimensionais. Quando os polímeros são obtidos por reação entre monómeros da mesma natureza designam-se por homopolímeros. Contudo, se as cadeias forem constituídas por mais do que um tipo de monómeros, a macromolécula resultante é designada por copolímero. Fenol (polímero de cadeia tridimensional) 10

2 POLÍMEROS = PLÁSTICOS O termo polímero é atribuído a representações ideais de estruturas de longas cadeias. O termo plástico refere-se aos polímeros aplicados tecnologicamente. Os polímeros com impurezas resultantes do seu processamento, juntamente com aditivos para produzir efeitos específicos durante a transformação ou no produto acabado, resultam nos plásticos. Os aditivos são substâncias que se incorporam nos polímeros, de maneira a conferir-lhes propriedades específicas, quer durante a transformação, quer como produtos acabados. Esta incorporação é precisa, dado que os polímeros só excecionalmente podem ser utilizados isolados de outros materiais para produzir artigos e componentes, devido às suas características limitadas. Entre estas, citamse a instabilidade aos agentes atmosféricos, a baixa resistência mecânica e a inflamabilidade. Os aditivos, que permitem compensar essas limitações, são determinantes na tecnologia dos materiais plásticos. Neste contexto, uma operação importante é a mistura, na qual se juntam os polímeros e aditivos, tendo em consideração o processo de transformação a utilizar e as propriedades que exigem no produto final. Esta operação realiza-se na maior parte dos casos em equipamentos específicos designados misturadores. O objetivo da mistura é obter um contacto físico e uma dispersão uniforme dos aditivos. A eficiência desta, depende do material a ser processado, no entanto, pode dizer-se que algumas operações de mistura são sempre completadas durante o processamento do material. Exemplo da transformação de um polímero em plástico: POLICLORETO DE POLIVINILA PLASTIFICANTE (E IMPUREZAS) PVC A Química e o Desporto 11

3 APLICAÇÃO DE ADITIVOS Plastificantes: permitem a diminuição da temperatura de processabilidade do polímero para valores menores do que sua temperatura de decomposição. Os plastificantes modificamtambém as propriedades do produto final, garantindo maior deformabilidade e consequente menor fragilidade. Estabilizadores: evitam a degradação dos plásticos por agentes físicos e químicos (calor, radiação UV, etc); Corantes e pigmentos:coloramos polímeros por adição de partículas sólidas finamente dispersas ou por dissolução de compostos orgânicos adequados, uma vez que os polímeros são,na sua maioria, incolores ou têm uma cor entre o branco e o castanho-escuro. Retardantes de chama: alteram o comportamento de determinados plásticos quando expostos à chama. Estes aditivos atuam evitando que o material inflame, que se propague a chama ou que haja formação de fumo. Apesar da sua eficiência, estes retardantes produzem gases tóxicos prejudiciais à saúde. Cargas: podem ser divididas em cargas diluentes ou de reforço. As cargas de reforço, como as fibras de vidro ou carbono, melhoram a resistência mecânica das peças fabricadas. Já as cargas diluentes ou inertes são incorporadas ao polímero visando diminuir os custos de produção, pois estes aditivos são mais baratos que as resinas; Lubrificantes: são compostos orgânicos de baixo peso molecular, e relativamente insolúveis nos polímeros, tendo por issoa propriedade de migrar para a superfície formando um revestimento, que inibe a aderência dos plásticos às superfícies metálicas. A Química e o Desporto 12

4 Classificação dos POLÍMEROS NATURAIS São aqueles que existem na natureza SINTÉTICOS São novos materiais obtidos industrialmente sem necessidade de precursores naturais ARTIFICIAIS (semi-sintéticos) Obtidos por transformação química de um polímero natural Classificação relativa ao comportamento perante aquecimento Termoplásticos Polímeros lineares ou ramificados que necessitam de calor para serem moldados por meios mecânicos. Após o arrefecimento, tomam a forma que lhes foi conferida pelo processo de fabrico e a rigidez inicial. Elastómeros São materiais que podem ser deformados a elevadas tensões e recuperam rapidamente quando a tensão é retirada. Termofixos Polímeros que se moldam numa determinada forma permanente e endurecem após uma determinada reação química (reticulação). Polietileno (PE) Cloreto de polivinila (PVC) Polipropileno (PP) Poliisopreno Polibutadieno Poliuretano Poliéster Resinas epóxi Capas de polipropileno Borracha de Poliisopreno A Química e o Desporto 13

5 Os polímeros sintéticos obtém-se por REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO reacções química que dão origem aos polímeros de ADIÇÃO Formam-se por união das moléculas de um monómero não saturado. CONDENSAÇÃO Formam-se por eliminação de água ou de outra molécula simples entre os monómeros. REAÇÕES DE ADIÇÃO A concentração de monómeros decresce progressivamente durante a reação. Há formação de polímeros com elevada massa molecular relativa logo nos instantes iniciais. O comprimento médio da cadeia polimérica não varia significativamente durante a polimerização. A velocidade da reação de polimerização é elevada. REAÇÕES DE CONDENSAÇÃO Praticamente todos os monómeros formam cadeias poliméricas no início da reação. Para se obterem polímeros de elevada massa molecular relativa é necessário um elevado tempo de reação. O comprimento médio da cadeia polimérica aumenta gradualmente ao longo da reacção. A velocidade da reação de polimerização é baixa. FAMÍLIAS DE POLÍMEROS POLIOLEFINAS POLIACRÍLICOS ELASTÓMEROS POLIAMIDAS POLIÉSTERES POLIUTERANOS A Química e o Desporto 14

6 PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS As propriedades dos polímeros são consequências principalmente das altas massas moleculares destes. Quanto maiores as macromoléculas, melhores as suas propriedades mecânicas (polímeros de interesse comercial apresentam geralmente massas moleculares médias superiores a ). São as propriedades de cada polímero que irão determinar como este será utilizado, tais como: resistência mecânica; resistência térmica; estabilidade perante substâncias químicas; resistência elétrica; permeabilidade a gases; (outras) Por serem muito longas, as cadeias poliméricas entrelaçam-se, formando um emaranhado que interage fortemente. Esta é uma das razões da grande resistência mecânica dos polímeros, o que possibilita que sejam utilizados na confeção de diversos objetos. Se as cadeias de macromoléculas estiverem não apenas entrelaçadas, mas unidas através de ligações químicas cruzadas, a resistência mecânica é aumentada, permitindo a confeção de peças bastante resistentes. Estes polímeros conseguem suportar condições relativamente rigorosas de uso, como choques ou atritos. Outras vantagens da presença de muitas ligações cruzadas entre as cadeias de macromoléculas são a estabilidade e a resistência térmica. Uma prática bastante comum na indústria de polímeros é a adição de substâncias (aditivos), o que também lhes confere propriedades especiais. ESTRUTURA CRISTALINA Além da natureza química dos monómeros e da massa molecular dos polímeros, outro importante fator que afeta as propriedades dos materiais poliméricos é a estrutura macromolecular (ou cristalina). Os polímeros podem existir em estado amorfo ou cristalino (na grande maioria dos casos, a estrutura do polímero apresenta-se parcialmente amorfa ou cristalina). A Química e o Desporto 15

7 No primeiro caso, estado amorfo, ocorre uma disposição desordenada das moléculas. No segundo caso,estado cristalino, há uma ordenação tridimensional. DENSIDADE DOS POLÍMEROS Os polímeros apresentam uma densidade relativamente baixa se comparados a outros materiais. A faixa de variação de densidade destes materiais estende-se de aproximadamente 0,9 g/cm 3 ate 2,3 g/cm 3 (mais leves que metais ou cerâmica). Ex: O Polietileno é 3 vezes mais leve que o alumínio e 8 vezes mais leve que o aço. CONDUTIBILIDADE TÉRMICA A condutibilidade térmica dos polímeros situa-se na faixa de 0,15 a 0,5 W/mK. Um motivo para baixa condutibilidade térmica destes materiais é a falta de eletrões livres no material. Uma desvantagem da baixa condutibilidade térmica aparece no processamento dos polímeros. O calor necessário para o processamento só pode ser introduzido lentamente, e no final do processamento, também é novamente de difícil remoção. A condutividade térmica dos polímeros é cerca de mil vezes menor que a dos metais. Por esta razão, são altamente recomendados em aplicações que requeiram isolamento térmico, particularmente na forma de espumas. CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA Em geral os polímeros são maus condutores de energia elétrica. Têm elevada resistência e por isso, baixa condutibilidade em comparação a outros materiais. A resistência elétrica dos polímeros é dependente da temperatura, e diminui com o aumento da temperatura. A razão para a baixa condutibilidade elétrica é a mesma para a térmica, a falta de eletrões livres. Observando esta propriedade os polímeros são altamenteindicados para aplicações onde se requeira isolamento elétrico. A Química e o Desporto 16

8 É possível melhorar a condutibilidade elétrica dos polímeros introduzindose pós metálicos nesses materiais. A adição de cargas especiais condutoras (limalha de ferro, negro de fumo) pode tornar polímeros maus condutores, evitando a acumulação de eletricidade estática (perigosa em certas aplicações). PERMEABILIDADE À LUZ Os termoplásticoscomo o policarbonato, o acrílico, o cloreto de polivinilo bem como a resina de poliéster, apresentam uma transparência que não se diferencia consideravelmente da transparência do vidro que chega a 90% (que corresponde a um nível de transmissão de 0,9). Alterações das condições do meio ambiente (ex: a variação de temperatura),podem causar turgidez e por isso alterar a transparência dos RESISTÊNCIA À CORROSÃO As ligações químicas presentes nos polímeros sintéticos conferem-lhes maior resistência à corrosão (por oxigénio ou produtos químicos) do que no caso dos metais (ligação metálica). Contudo, estes polímeros não são completamente invulneráveis ao problema (por exemplo: um CD não pode ser limpo com terebintina porque esta danificaria a sua superfície). POROSIDADE O facto de as macromoléculas de um polímero apresentarem espaços, relativamente grandes entre si, confere baixa densidade a este, o que é uma vantagem em certos aspetos. Este espaço entre moléculas faz com que a difusão de gases através dos polímeros sintéticosseja alta. Por outras palavras, estes materiais apresentam alta permeabilidade a gases (propriedade que varia de polímero para polímero). A Química e o Desporto 17

9 SIMBOLOGIA E RECICLAGEM DOS POLÍMEROS SIMBOLOGIA Existe uma simbologia gravada nas embalagens ou nas peças de plástico que as classifica e que facilita a identificação do tipo de reciclagem efetuada. Os plásticos são representados por um triângulo equilátero, composto por três setas e o número de identificação ao centro. C ó d i g o d e r e c i c l a g e m D e s i g n a ç ã o d o p o l í m e r o PET Poli(teraftalato de etileno) HDPE Polietileno de alta densidade PVC Policloreto de vinilo LPPE Polietileno de baixa densidade LDPE Polietileno de baixa densidade PP Polipropileno OUTROS Outros tipos de plásticos A reciclagem do plástico exige cerca de 10% de energia utilizada no processo primário (processo de fabrico original do plástico). RECICLAGEM De uma forma genérica, a reciclagem tem como finalidade a valorização dos desperdícios domésticos e industriais, através da produção de novos objetos para os mesmos ou outros usos. Antes de qualquer tipo de reciclagem, a densidade é um dos métodos mais simples e prático de separação e identificação dos diferentes polímeros uma vez que os mais utilizados têm densidades diferentes. POLÍMEROS Densidade (g/cm 3 ) Poli(tereftalato de etileno) PET 1,29 1,40 Poli(etileno) de alta densidade PEAD 0,952 0,965 Poli(cloreto de vinilo) (rígido) PVC 1,30 1,58 Poli(cloreto de vinilo) (flexível) PVC 1,16 1,35 Poli(etileno) de baixa densidade PEBD 0,017 0,940 Polipropileno PP 0,900 0,910 Poliestireno (sólido) PS 1,04 1,05 Poliestireno (espuma) PS Menor que 1,00 A Química e o Desporto 18

10 Para além da separação por densidades, a reciclagem pode ter várias vertentes: RECICLAGEM MECÂNICA RECICLAGEM ENERGÉTICA_ Recuperação da energia contida nos plásticos através de processo térmicos e distingue-se da incineração por utilizar os resíduos plásticos como combustível na produção de energia elétrica. RECICLAGEM QUÍMICA_Reprocesso dos plásticos transformando-os em monómeros ou misturas de hidrocarbonetos que vão servir de matéria-prima em refinarias para a obtenção de produtos nobres. Atualmente, este tipo de reciclagem, para além de permitir a mistura de plásticos, eduzindo assim os custos de pré-tratamento, de recolha e de seleção, permite aceitar plásticos com determinado grau de contaminação. A Química e o Desporto 19

11 PROCESSOS DE MODIFICAÇÃO DE POLÍMEROS DEGRADAÇÃO - provoca a modificação estrutural do material, alterando as suas qualidades e desempenhos através de um conjunto de reações possíveis num determinado polímero. Biodegradação O problema do lixo derivado dos plásticos tornou-se crucial nos últimos anos, especialmente em relação aos problemas ambientais, o que levou a um aumento no interesse do desenvolvimento depolímeros BIODEGRADÁVEIS. Polímeros cuja degradação deve originar produtos biológicos (biogás, húmus, biomassa, ) e deve ser efetivada num intervalo de tempo próximo do tempo de biodegradação de materiais naturais. A biodegradação é o resultado da ação enzimática de microrganismos e das condições nas quais eles atuam, já que estão relacionadas com todas as características do meio. Um polímero biodegradável pode ter origens naturais ou sintéticas. Existem três elementos indispensáveis para o processo de biodegradação de polímeros no estado sólido: AMBIENTE SUBSTRATO MICRORGANISMOS Biodegradação de polímeros A Química e o Desporto 20

12 Quimiodegradação A quimiodegradação modifica a estrutura do material através de uma oxidação, de uma digestão ou de uma hidrólise, transformando-o em substâncias assimiláveis ao meio natural. Os polímeros que são solúveis em água durante a compostagem chamam-se polímeros hidrossolúveis e, são geralmente derivados de álcool polivinílico. Conjunto de técnicas aplicadas para controlar a decomposição de materiais orgânicos. Hidrólise de um polímero (PLA) Fotodegradação A fotodegradação de um polímero consiste na degradação desse material, por ação da luz,através de radiação mais energética, principalmente da luz ultravioleta. Todos os polímeros são sensíveis à luz, razão pela qual todos os plásticos possuem aditivos que retardam este efeito. Da mesma forma, eles podem conter aceleradores de fotodegradação, que entram em ação assim que os retardadores forem consumidos. A fotodegradação não provoca problemas ambientais. Fatores mais importantes no processo de fotodegradação: AÇÃO DA LUZ PRESENÇA DE PROMOTORES (os mais vulgares são compostos com grupo carbonilo e sais de complexos metálicos) A Química e o Desporto 21

13 APLICAÇÕES DE POLÍMEROS NO DESPORTO BOLA DE FUTEBOL Um exemplo bastante popular da aplicação da química de polímeros no desporto é- nos dado pela bola de futebol. As modernas bolas de futebol são constituídas por 3 camadas essenciais. Câmara-de-ar A mais interior, logo sobre a câmara-de-ar, é formada por películas de poliéster e algodão. É esta camada que determina a forma como a bola salta. A segunda camada é constituída por painéis de poliuretano ou polietileno vinil-acetato. Estes painéis já não apresentam costuras cosidas, pois são soldados quimicamente entre si, contribuindo assim para uma total impermeabilidade à água. A última camada é muito importante para a qualidade final da bola, pois define a resistência à deslocação no ar e sobre a relva. É também a camada mais sujeita ao desgaste e, portanto, a mais exigente na qualidade dos materiais, utilizando-se normalmente no seu fabrico uma solução de poliuretano. Poliéster e algodão Painéis de poliuretano/ polietileno vinil acetato Solução de poliuretano OUTRAS APLICAÇÕES POLIURETANO POLIAMIDA (NYLON) POLIAMIDA (KEVLAR) POLIBUTADIENO E SURLYN A Química e o Desporto 22