Introdução aos Polímeros Módulo I

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1 Introdução aos Polímeros Módulo I Maria da Conceição Paiva, Guimarães Outubro 2006 Maria da Conceição Paiva 1

2 A utilização de polímeros data de há milhares de anos. Um grande número dos materiais naturais de grande utilidade são polímeros: - Borracha natural -Seda - Celulose -Amido - DNA, proteínas Maria da Conceição Paiva 2

3 enquadramento histórico Os polímeros naturais são usados há milénios. A borracha natural era usada pelos índios sul-americanos antes da chegada dos espanhóis Maria da Conceição Paiva 3

4 1823 Mackintosh (Inglaterra) descobriu que a dissolução da borracha em nafta de carvão permitia utilizá-la, após evaporação do solvente, no revestimento de tecidos impermeáveis Entre 1820 e 1824, Thomas Hancock, que introduziu a borracha em Inglaterra desenvolveu um misturador, que permitiu produzir as primeiras misturas de polímeros 1839 Charles Goodyear (USA) descobriu que a borracha natural se tornava elástica quando misturada com enxofre e aquecida: descobriu a vulacanização Maria da Conceição Paiva 4

5 Em 1846 foi apresentada uma patente para a produção de cabos condutores isolados com trans-guta percha (termoplástico natural proveniente da árvore Balata), que vieram a ser utilizados em comunicações telegráficas trans-oceânicas Entre 1870 e 1872, os irmãos Isaiah e John Hyatt patentearam, nos Estados Unidos, um material com características inovadoras, o nitrato de celulose plasticizado com cânfora, designado por celulóide (possivelmente o primeiro termoplástico sintético) e uma máquina para moldar por injecção este material Maria da Conceição Paiva 5

6 Em 1888, quando se produziam já em série artigos de grande consumo feitos em borracha, celulose ou guta-percha, Dunlop desenvolveu o primeiro pneu comercial insuflável, constituído por um tubo com ar, coberto com um pano e preso a um disco de madeira Em 1907 (USA) Leo Baekeland (origem Belga) desenvolveu o primeiro polímero sintético através da condensação do fenol e do formaldeído: a bakelite, um polímero termoendurecível Maria da Conceição Paiva 6

7 Entre 1917 e 1930 os químicos alemães desenvolveram a indústria da borracha sintética, com a polimerização do 2,3-dimetil-butadieno e, posteriormente, da borracha de butadieno-estireno Em 1924, Herman Staudinger propôs o conceito de um polímero ser constituído por uma cadeia molecular de grandes dimensões; este conceito demorou muitos anos a ser aceite, conduziu à atribuição do prémio Nobel da química em 1953 Maria da Conceição Paiva 7

8 Em 1927 foram produzidos o acetato de celulose e o poliacetato de vinilo, que passou a ser o material usado na indústria fonográfica para produção de discos 1912: PVC foi sintetizado pelo Russo Ostromislensky. Só 25 anos mais tarde é que foi comercializado (B. F. Goodrich, USA) 1933: três investigadores da ICI descobriram o polietileno 1934: W. M. Carothers patenteou o nylon, uma poliamida Maria da Conceição Paiva 8

9 1954: Karl Ziegler (Alemanha) e Guilio Natta (Itália) descobriram que a polimerização na presença de certos catalizadores organo-metálicos produzia polímeros com regularidade estereoquímica, recebendo o Prémio Nobel da química em 1963 C. Ziegler G. Natta Maria da Conceição Paiva 9

10 Na década de 70 surgiram polímeros de engenharia com propriedades especiais, como o poli(sulfureto de fenileno) e o kevlar e, nos anos 80, os polímeros cristalinos líquidos. 1984: síntese de dendrímeros por Donald Tomalia e colaboradores (USA). Anos mais tarde, a DuPont Experimental Station (USA) produziu polímeros hiper-ramificados. Presentemente, a produção e comercialização de novos polímeros é extremamente difícil e cara; o desenvolvimento de novos materiais de engenharia pela mistura de 2 ou mais polímeros ou a modificação de plásticos já existentes é, a alternativa mais promissora. Maria da Conceição Paiva 10

11 conceito de polímero Um polímero do grego poli (vários) + meros (partes) é um material constituído por moléculas de grandes dimensões, macromoléculas, que contêm uma cadeia central de átomos unidos por ligações covalentes Estas macromoléculas são produzidas através de um processo chamado polimerização, no qual moléculas simples, os monómeros, reagem quimicamente entre si Maria da Conceição Paiva 11

12 polímeros e plásticos Os polímeros resultam da combinação de milhares de moléculas dos monómeros de base. Os plásticos para além de conterem uma matriz composta por macromoléculas, contêm aditivos. Os aditivos são substâncias que se adicionam ao polímero para obter propriedades específicas ou para facilitar a sua transformação. Plástico = Polímero + Aditivos Maria da Conceição Paiva 12

13 classificação Classificação dos plásticos de acordo com a sua estrutura química e propriedades: plásticos termoplásticos termoendurecíveis elastómeros LCP semicristalinos amorfos misturas Maria da Conceição Paiva 13

14 termoplásticos Os termoplásticos, são materiais constituídos por cadeias lineares ou ramificadas. Maria da Conceição Paiva 14

15 termoplásticos polimerização Maria da Conceição Paiva 15

16 termoplásticos polimerização radicalar Na polimerização radicalar existe um centro activo no extremo da cadeia em crescimento. Os monómeros adicionam-se sequencialmente, um a um. Maria da Conceição Paiva 16

17 termoplásticos polimerização por poliadição A reacção de dois monómeros que possuem grupos funcionais diferentes e dão origem a uma espécie com um novo grupo funcional. Os monómeros combinam-se entre si dando origem a dímeros e trímeros, os quais por sua vez reagem dando origem oligomeros e assim sucessivamente. Como resultado polímeros de elevada massa molecular são só produzidos ao fim de muito tempo de polimerização. Maria da Conceição Paiva 17

18 termoplásticos polimerização por poliadição Maria da Conceição Paiva 18

19 termoplásticos homopolímeros e copolímeros homopolímero Se a unidade básica que se repete for sempre a mesma, a macromolécula resultante designa-se por homopolímero. copolímero Se existir mais do que uma unidade básica na macromolécula, esta designa-se por copolímero. Maria da Conceição Paiva 19

20 classificação dos copolímeros i) copolímeros aleatórios as unidades repetitivas não têm qualquer ordem ii) copolímeros alternados as unidades repetitivas inserem-se de forma ordenada, mas alternada na cadeia iii) copolímeros de blocos as unidades repetitivas inserem-se em blocos na cadeia principal Maria da Conceição Paiva 20

21 classificação dos copolímeros iv) copolímeros de inserção os blocos de um dos monómeros formam ramificações na cadeia principal constituída pela combinação de unidades de outro monómero Maria da Conceição Paiva 21

22 termoplásticos Podem ser fundidos repetidamente sem perda significativa das suas propriedades, são solúveis ou incham em vários solventes. Maria da Conceição Paiva 22

23 termoendurecíveis Os termoendurecíveis são plásticos rígidos, as ligações químicas covalentes entre as cadeias poliméricas, reticulações, fazem com que não sejam deformáveis, não fundam e tenham boa resistência térmica. Devido à sua estrutura química são insolúveis e dificilmente incham. Maria da Conceição Paiva 23

24 Formação do polímero reticulado Maria da Conceição Paiva 24

25 elastómeros Os elastómeros ou borrachas não fundem nem dissolvem mas podem inchar quando colocados em solventes. São pouco reticulados e as suas propriedades dependem do número de reticulações. São caracterizados por possuírem um grau de elasticidade elevado, o que significa que possuem uma elevada capacidade de deformação, mesmo para pequenas tensões. Maria da Conceição Paiva 25

26 Vulcanização do isopreno: CH 3 ~~~~ CH 2 CH C CH ~~~~ ~~~~ CH 2 CH C(CH 3 ) CH 2 CH CH C(CH 3 ) CH ~~~~ ~~~~ CH 2 CH C(CH 3 ) CH CH CH C(CH 3 ) CH ~~~~ Maria da Conceição Paiva 26

27 nome e estrutura de polímeros comuns Designação Estrutura Nome Comum poli(metileno) ( CH 2 CH 2 ) n polietileno poli(propileno) ( CH CH 2 ) n CH 3 polipropileno CH 3 poli(1,1 di-metiletileno) ( C CH 2 ) n poliisobutileno CH 3 poli(1-metilbutileno) ( C CHCH 2 CH 2 ) n CH 3 poliisopreno poli(1-butileno) ( CH CHCH 2 CH 2 ) n polibutadieno Maria da Conceição Paiva 27

28 Designação Estrutura Nome Comum poli(1-feniletileno) ( CH CH 2 ) n poliestireno poli(acrilonitrilo) ( CH CH 2 ) n CN poliacrilonitrilo poli(1-hidroxietileno) ( CH CH 2 ) n OH poli(álcool vinílico) poli(1-cloroetileno) ( CH CH 2 ) n CI poli(cloreto de vinílo) poli(1-acetoxietileno) ( CH CH 2 ) n OOCCH 3 poli(acetato de vinílo) poli(1,1 difluoretileno) F ( C CH 2 ) n F Poli(fluoreto de vinilo) Maria da Conceição Paiva 28

29 Designação poli(1-metoxicarbonil etileno) Estrutura ( CH CH 2 ) n COOCH 3 Nome Comum poli(acrilato de metilo) poli(1-metoxicarbonil- -1-metiletileno) poli(oximetileno) poli(oxietileno) poli(oxifenileno) poli(tereftalato de etileno) CH 3 ( C CH 2 ) n COOCH 3 (OCH 2 ) n (OCH 2 CH 2 ) n ( O ) n (OCH 2 CH 2 OOC CO) n (NH(CH 2 ) 6 NHCO(CH 2 ) 4 CO) n poli(metacrilato de metilo) poliformaldeído poli(óxido de etileno) ou polietileno glicol poli(óxido de fenilo) terylene Nylon-6,6 poli(difluormetileno) F F (C C ) n F F poli(hexametilenoadipamida) Poli(tetrafluoretileno Maria da Conceição Paiva 29