Poliuretano: um polímero versátil

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1 Poliuretano: um polímero versátil CARLO MANTOVANI, CRISTIANE DOS REIS SILVA, ISMAEL TRINCA JUNIOR, LUIZ AUGUSTO BARROS ROCHA, MURILO FABRICIO DE SOUZA, RENAN VIANA DIAZ, VICTOR KENJI OSHIRO Professora: Maria Cristina Carlan da Silva Centro: CCNH Universidade Federal do ABC Santo André, SP Resumo Os poliuretanos são polímeros que apresentam uma enorme versatilidade e são aplicados em uma ampla gama de materiais com propriedades diversas. Esses polímeros podem ser encontrados sob a forma de elastômeros, fibras e espumas, podendo ainda apresentar biocompatibilidade. A grande variedade existente destes polímeros existe devido às diferentes classes de polióis que juntamente com o grupamento diisocianato formam o grupo uretano. As propriedades dos polímeros obtidos nestas reações estão diretamente relacionadas aos reagentes utilizados nas suas sínteses. Assim, é a escolha do tipo de isocianato e de poliol que leva à grande variedade de poliuretanos existentes. Este experimento teve como objetivo central, perceber e avaliar os conceitos teóricos através da prática experimental em laboratório, a fim de obter resultados intuitivos acerca do poliuretano e seus reagentes além de perceber, através da literatura existente, as suas utilizações típicas para o uso cotidiano e industrial. INTRODUÇÃO A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidades de repetição). Assim, um polímero é uma macromolécula composta por muitas (dezenas de milhares) de unidades de repetição denominadas meros, ligadas por ligação covalente. O desenvolvimento científico gerou até o momento um grande número de polímeros para atender às mais diversas áreas de aplicações. Muitos deles são variações e/ou desenvolvimentos sobre moléculas já conhecidas. Assim, é possível listar uma série deles agrupados de acordo com uma determinada classificação, dentre os quais está o poliuretano (uma classe razoavelmente versátil, caracterizada pela ligação -NH-CO-O-). Este polímero pode se apresentar tanto na forma de um

2 2 termoplástico, termofixo, elastômero ou fibra, na forma expandida ou não, dependendo da estrutura química e funcionalidade dos reagentes empregados na formulação do polímero. A formação desta ligação envolve a reação de um isocianato, como o diisocianato de difenilmetano (C15H10O2N2) e um poliol, cujas moléculas contêm grupos hidróxi (OH), como o éter butileno glicol (CH4H10O2). A presença de água no poliol reage com o isocianato, produzindo CO2, sendo o modo mais comum de expansão usado para a formação de espumas de poliuretano.(canevaroldos.v.jr., 2002). A grande variedade existente destes polímeros existe devido às diferentes classes de polióis que juntamente com o grupamento diisocianato formam o grupo uretano. (BILLMEYER, F. W., 1984). As propriedades dos polímeros obtidos nestas reações estão diretamente relacionadas aos reagentes utilizados nas suas sínteses. Assim, é a escolha do tipo de isocianato e de poliol que leva à grande variedade de poliuretanos existentes. (DODGE, J., 2003). A cadeia de um poliuretano consiste de uma seqüência alternada de segmentos flexíveis e segmentos rígidos. Assim as características de uma resina dependem diretamente da natureza do isocianato e do poliol utilizados na síntese, podendo ser preparados para aplicações específicas através da variação de parâmetros como: extensão, distribuição de segmentos flexíveis e rígidos, massa molar e grau de ramificação das cadeias. As propriedades mecânicas e adesivas destas resinas estão diretamente relacionadas à combinação dos constituintes das cadeias poliméricas, tamanho dos segmentos flexíveis, razão molar NCO/OH, tipo de extensor de cadeia e presença ou não de solventes na síntese. Na cadeia do poliuretano os segmentos flexíveis se devem ao poliol que confere características elastoméricas ao polímero, enquanto os segmentos rígidos que se devem ao isocianato e ao extensor da cadeia formam as ligações uretano altamente polares. Devido à ligação interuretana, os dois tipos de segmentos constituem microdomínios. Assim o grau de separação de fase entre segmentos flexíveis e rígidos influi diretamente nas propriedades físicas, mecânicas e adesivas da resina. Os segmentos rígidos conferem propriedades como dureza, resistência e tenacidade do filme, enquanto os segmentos flexíveis determinam a flexibilidade à baixa temperatura e temperatura de transição vítrea. (DELPECH, M. C.; COUTINHO, F. M. B., 2000). Os métodos de síntese dos poliuretanos podem ser classificados em função da ordem de adição dos reagentes e do meio físico no qual ocorre a reação. Dependendo do modo de adição dos reagentes, os processos podem ser classificados em uma ou duas etapas; este último envolvendo a síntese de um prépolímero. Quanto ao meio reacional, as reações podem ser conduzidas em solução (solventes orgânicos), em dispersão (sistemas aquosos) e em massa (ausência de meio dispersante), sendo estas, as mais utilizadas e as mais adequadas em termos ambientais. (Coutinho, F. M. B.; Delpech, M. C., 2002). O mercado para poliuretanos atingiu em 2005 um consumo mundial da ordem de 13,6 milhões de toneladas, com previsão de 16 milhões de toneladas em Atualmente, os PUs ocupam a sexta posição, com cerca de 5% do mercado, dos plásticos mais vendidos no mundo. Dados do ano de 2001 (Vilar, 2008) mostram que 32% do consumo mundial do PU correspondem a esse mercado, utilizado, sobretudo, na confecção de assentos e colchões. O segundo lugar é ocupado pela área de revestimentos, adesivos e selantes (18%), seguido pelo ramo da construção (17%) e espumas moldadas (15%). Os isolantes térmicos, elastômeros e calçados representam 6% de consumo cada um. (Cangemi J.M., dos Santos A.M., ET AL., 2009).

3 3 OBJETIVO No contexto deste trabalho os objetivos especícos foram: Obter a variação volumétrica e a mudança do estado físico do Poliol e do Isocianato e verificar o grau de expansão e rigidez do material formado. Através de cálculos, obter a variação do volume e densidade do produto (esses cálculos realizados com os reagentes em estado líquido e posteriormente com o produto em estado sólido). Perceber, através de estudos complementares, as suas utilizações típicas para o uso cotidiano e industrial. METODOLOGIA Para o cálculo do volume do corpo de prova por deslocamento de água foi importante que o mesmo não tivesse dimensões muito grandes. Portanto a amostra foi preparada com mínima quantidade. Para que isso fosse possível sem grandes percas de produto adotou-se o seguinte método para medição dos regentes: 1- Utilizando um conta-gotas contou-se, através da proveta, quantas gotas equivaleriam 2 ml de isocianato e 2ml de poliol. 2- Observou-se que 2 ml é equivalente a 39 gotas de isocianato, já para o poliol 2ml é equivalente a 37 gotas. Para a polimerização seguiu-se os seguintes passos: 1- Em um copo descartável adicionouse 39 gotas de isocianato e 37 gotas de poliol. (Figura 1) Materiais e Reagentes 2 conta-gotas 1 béquer grande (capacidade de no mín. 1000ml) 2 provetas 1 balança analítica Peça de aço (preferencialmente com volume conhecido) Copos descartáveis Bastão de Vidro Fio de Nylon Isocianato Poliol Figura 1: Medição dos reagentes 2- Com auxilio do bastão de vidro, misturou se os dois componentes até apresentar uma mistura homogênea. (Figura 2) Métodos Parte A Polimerização

4 4 4- O corpo de prova foi extraído cuidadosamente e reservado. Parte B calculando o grau de expansão e densidade Figura 2: Mistura dos reagentes 3- Aguardou-se até a expansão e resfriamento total do poliuretano. (Figura 3) Para os cálculos foram necessárias as seguintes informações: volume inicial, volume final, massa do corpo de prova. O método utilizado para a obtenção das informações necessárias foi o de deslocamento do volume de água. Como era previsto que a densidade do poliuretano fosse inferior a da água, e, portanto não afundaria, foi utilizada uma peça em aço para anular esta densidade mínima do corpo de prova fazendo-o afundar. 1- Pesou-se o corpo de prova na balança analítica (Figura 4). Figura 4: Massa do corpo de prova Figura 3: Expansão do Poliuretano 2- O corpo de prova foi preso com o fio de nylon a peça de aço (Figura 5).

5 5 Figura 5: Corpo de prova preso a de aço peça 3- Imersão de ambos no béquer (Figura 6). 4- Este conjunto deslocou um determinado volume de água, subtraindo-se o volume da peça em aço (50ml), soube-se o volume do corpo de prova. 5- Comparando o volume inicial (4 cm³) com o volume final obtevese o grau (%) de expansão. 6- Sabendo o volume e o peso do corpo de prova, pôde-se calcular a densidade. Para uma maior confiabilidade nos resultados, as etapas acima, foram repetidas dez vezes. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Espuma de Poliuretano criada nesse experimento, pela mistura entre 50-50% dos reagentes Poliol e Isocianato, apresentou características específicas, como o seu alto grau de expansão e baixíssima densidade (análise realizada através do peso do corpo final e volume de água deslocado no béquer). Não foi possível realizar análises detalhadas com relação aos reagentes utilizados, mas através da espuma de poliuretano criada, é possível realizar análises básicas sobre eles. Pelo fato da espuma possuir coloração amarelada sem perder sua propriedade mecânica (expansão, densidade, ruptura, resistência), é possível supor que o reagente Isocianato era de ordem aromática, a base de MDI polimérico. Tabela de resultados (Tabela 1): Figura 6: Imersão do Conjunto (corpo de prova e peça metálica)

6 6 Densidade(g/cm³) Grau de expansão(%) Volume Final(cm³) Volume Inicial(cm³) Peso (g) Corpo de Prova 1 2, ,05 2 2, ,08 3 3, ,06 4 2, ,07 5 3, ,06 6 3, ,07 7 3, ,05 8 3, ,07 9 3, , , ,05 Média 3, , ,06 Desvio Padrão 0, , ,131 0,010 2.Na medição e coleta de dados (deslocamento de água): cuidados na medição para evitar a perda de água e adaptação específica para submersão da espuma. Este experimento, portanto, é a base de estudos de uma imensa área, caracteristicamente detalhada e inovadora, que é o universo dos polímeros. A pesquisa de estudos complementares dentro da literatura sobre polimerização do poliuretano é importante para a busca de novas informações e experiências sobre o assunto, por sugestão: em qual proporção se obtém um melhor grau de expansão; qual é a expansão máxima e mínima; quais formulações apresentam melhores propriedades; quais outros métodos de produção; quais catalisadores podem influenciar positivamente na reação; quais serão as propriedades da espuma se forem utilizados outras composições de polióis e isocianatos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Tabela 1: Resultados obtidos no experimento CONCLUSÕES Através da mistura 50:50 de isocianato e poliol, obteve-se uma espuma de poliuretano na qual foi possível calcular a sua densidade aparente e o seu grau de expansão. Alguns fatores foram decisivos para a realização do experimento e análise dos resultados: 1.Na polimerização: processo de mistura, tempo de mistura, medida exata de cada reagente, temperatura ambiente e cuidados específicos com os materiais utilizados. CANEVAROLDO S.V.Jr. In: Ciência dos Polímeros Um texto básico para tecnólogos e engenheiros. Brasil, São Carlos-SP. Artliber Editora LTDA. p. 21;51., Coutinho, F. M. B.; Delpech, M. C.; Alves T. L.; Gomes, A. S.; Polím.: Ciên. Tecnol p.12, 248., Coutinho, F. M. B.; Delpech, M. C.; Alves, L. S.; Polím.: Ciên. Tecnol. p. 10, 49., DODGE, J. Polyurethanes and Polyureas. In: Rogers, M. E.; Long, T. E. (Ed.).

7 7 Synthetic Methods in Step-Growth Polymers. United States of America: John Wiley & Sons. p , José Marcelo Cangemi, Antonia Marli dos Santos, Salvador Claro Neto. Poliuretano: De Travesseiros a Preservativos, um Polímero Versátil. In: QUÍMICA NOVA NA ESCOLA ; Vol. 31, N 3, AGOSTO, Vilar, WALTER. Química e tecnologia dos Poliuretanos, Rio de Janeiro, Dezembro, AGRADECIMENTOS Nossos sinceros agradecimentos à professora Dra. Maria Cristina Carlan, que nos acompanhou durante este início de curso e teve a paciência e a competência em nos orientar, além de nos propor o princípio de uma base concreta na área experimental das Ciências, possibilitando a nós, uma sequência mais segura em nossa vida acadêmica e profissional.