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Tecnologia dos MateriaisIntrodução aos Polímeros

Prof. Henrique Cezar Pavanati

E-mail: pavanati@ifsc.edu.br

Módulo II – Mecânica

Instituto Federal de Santa Catarina

Campus Florianópolis

Departamento Acadêmico de Metal-Mecânica

Curso Técnico em Mecânica

www.pavanati.com.br

Introdução aos Polímeros

2/68Materiais e Processos de Fabricação

Etimologia da palavra “polímero”

“muitas partes”

A palavra polímero origina-se do grego poli

(muitos) e mero (unidade de repetição).

monômero mono (um)

oligômero oligo (poucos)

mero (unidade de repetição).

C C C C C C

HH H H H H

H H H H H H

etileno polietileno

Vantagens dos Polímeros

• Facilidade de fabricação;

• Economia em peso;

• Resistência à corrosão;

• Isolação elétrica;

• Baixa permeabilidade a vapores;

• Transparência;

• Características de amortecimento.

• Baixa resistência mecânica;

• Instabilidade dimensional;

• Termicamente instáveis;

• Sujeitos à deterioração;

• Odor;

• Dificuldade de reparação.

Desvantagens dos Polímeros

Propriedades variadas conforme o tipo de polímero

Poliestireno (isopor) e Nomex® (poliamida)

História dos polímeros

1500 – Bolas de látex natural - civilização Maia;

1839 – Vulcanização da borracha com enxofre, a 270 ºC –

C. Goodyear;

1907 – Sintetização do primeiro polímero (baquelite, isolante

eléctrico) - L. Bakeland;

1917 – Descoberta da estrutura da celulose por M. Polani;

1920 – Teoria da polimerização por Staudinger (prémio Nobel

da química);

1927 – Produção em larga escala de PVC (policloreto de

vinila);

1930 – Invenção de PS (poliestireno, utilizado em emba-

lagens);

1938 – Invenção do nylon (W. Carothers DuPont);

1941 – Invenção do polietileno (embalagens, etc);

1970 – Desenvolvimento de polímeros moldados a tempera-

tura mais elevada;

1976 – Indústria dos plásticos supera a do aço.

Hoje em dia utiliza-se mais plástico que aço,

alumínio e cobre juntos.

História dos polímeros (cont.)

Mercado dos polímeros

Polímeros e polimerização

Polimerização – produtos simples (monômeros)

reagem entre si, combinando suas moléculas,

formando macromoléculas, caracterizadas pela

repetição de uma unidade básica (meros).

C C C C C C

HH H H H H

H H H H H H

etileno polietileno

Como é obtido o Monômero?

- Petróleo e Gás Natural;

- Hulha e carvão mineral;

- Produtos Naturais.

Classificação dos polímeros

Classificação quanto ao comportamento mecânico

“Plásticos”

Elastômeros

Materiais Poliméricos

Plásticos Se deformam plasticamente

Elastômeros Se deformam elasticamente

Classificação quanto a estrutura

Termoplásticos

Deformáveis por calor;

Menos rígidos;

Estabilidade térmica e dimensional limitada;

Podem ser reciclados.

Termorrígidos (termofixos ou termoestáveis)

Forma sólida por calor + cura;

Mais rígidos;

Melhor estabilidade térmica e dimensional;

Degradam com o calor.

Classificação quanto à aplicação

de alto desempe-

nho ou especiais

de uso específico

ou de engenharia

Polímeros...

de uso geral

Classificação quanto a ocorrência

Naturais

Encontrados na natureza;

ex. celulose, algodão, lã de carneiro...

Sintéticos

Obtidos artificialmente;

ex. acrílico, isopor®, teflon...

Classificação quanto ao número de diferentes

meros presentes no polímero

COPOLÍMEROS

diferentes

aleatório alternado bloco grafitizado

Cristalinidade dos polímeros

Polímeros são

cadeias longas...

Polímero 100%

Cristalino???

Variação das propriedades

com a cristalinidade

Cristalino Amorfo

Propriedades térmicas

• Temperatura de Transição Vítrea (Tg) – as cadeias

que formam os cristais se desprendem tornando-se

amorfas. Na prática o polímero se torna mais flexível;

• Temperatura de Fusão (Tm) – as cadeias adquirem

mobilidade e o polímero torna-se viscoso. A partir desse

ponto o material pode ser moldado;

• Alguns materiais (polietileno, polipropileno) apresentam

Tg bem abaixo da Tamb, por isso, são flexíveis;

• Policarbonatos e poliestireno, por exemplo, são frágeis e

quebradiços por que suas temperaturas de transição

vítrea se situam bem acima da Tamb.

Propriedades mecânicas

O aumento da temp. reduz a σrup e aumenta a ductilidade.

ADITIVOS

• São substâncias adicionadas (misturadas) ao

polímero para produção de peças;

• Normalmente fazem parte do “segredo industrial”

do responsável pelo processamento do polímero;

• Geralmente são adicionados para:

• Alterar as propriedades do material, por

exemplo, para torná-lo mais duro, flexível ou

reduzir o custo;

• Prevenir/minimizar a degradação durante o uso

ou mesmo durante o processamento;

• Os mais comuns são:

ADITIVOS

1. Plastificantes – melhoram a flexibilidade e a ductilida-

de, mas reduzem a rigidez e dureza do produto;

2. Carga – ou enchimento, tem a função de alterar pro-

priedades mecânicas (fibras de vidro, carbono, etc) ou

reduzir custo (serragem, cinza e pós-metálicos);

3. Catalisadores – aumentam ou retardam a velocidade

das reações químicas;

4. Corantes e pigmentos – conferem cor ao material;

5. Estabilizadores – tem a função de interferir no processo

de degradação do polímero. Reduzindo a degradação

do material sob efeito de luz ou temperatura;

ADITIVOS

6. Lubrificantes – auxiliam nos processos de fabricação,

reduzindo o atrito do material com as paredes dos

moldes e máquinas e, também, melhorando as proprie-

dades de escomento;

7. Agentes de cura – são adicionados para desencadear

a reação de cura, fazendo parte da molécula do

polímero formado;

8. Retardadores de chama – para evitar/reduzir a

flamabilidade dos polímeros (por segurança);

9. Agentes de esponjamento – provocam a expansão do

polímero através da geração de um gás. São utilizados

para produção das espumas expandidas.

Polímeros mais comuns

Consumo brasileiro de resinas

Polímeros

mais comuns

Identificação - Reciclagem

Polímeros mais comuns

Polimerização

Polietileno (PE)

1. Baixo custo;

2. Elevada resistência química;

3. Boa resistência a impacto, mesmo em baixas tem-

peraturas;

4. Excelente isolante térmico;

5. Pode ser usinado e soldado;

6. Naturalmente é branco;

7. Baixo índice de absorção de água;

8. Inodoro;

9. Atóxico.

Polietileno (PE)

Vantagens:

1. Baixa resistência mecânica;

2. Sofre ação de raios ultravioleta e ozônio;

3. Pouca resistência ao corte;

4. Oxida em altas temperaturas (degrada-se).

Limitações:

Polietileno (PE)

Há quatro tipos básicos:

- Polietileno de Baixa Densidade (PEBD);

- Polietileno de Alta Densidade (PEAD);

- Polietileno de Baixa Densidade Linear (PEBDL);

- Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM).

Mais resistentes e mais rígidos

Mais flexíveis e tenazes

Polietileno (PE)

• Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) – Sacolas

plásticas, sacos de lixo, filmes, laminados, embalagens,

brinquedos, isolamento de fios;

• Polietileno de Alta Densidade (PEAD) – garrafas,

brinquedos, materiais hospitalares, tubos, tanques de

combustível automotivos, etc;

• Polietileno de Baixa Densidade Linear (PEBDL) – Em

balagens de alimentos, utensílios domésticos, etc;

• Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM) –

Engrenagens, componentes para bombas de líquidos

corrosivos, implantes de ossos, etc;

Algumas aplicações:

Polietileno (PE)

Densidade = 0,92 g/cm3Densidade = 0,98 g/cm3

Polietileno (PE)

Possui propriedades semelhantes ao PE com

menor densidade e maior resistência ao calor.

Além de maior dureza e resistência a tração.

Polipropileno (PP)

1. Baixo custo;

2. Elevada resistência química e a solventes;

3. Fácil moldagem;

4. Fácil coloração;

5. Alta resistência à fratura por flexão ou fadiga;

6. Boa resistência ao impacto acima de 15oC;

7. Boa estabilidade térmica.

Vantagens:

Polipropileno (PP)

1. Baixa resistência mecânica, mas é maior do que o

polietileno;

2. Sofre ação de raios UV e agente oxidante;

3. Resistência limitada à temperatura;

4. Oxidação em temperaturas elevadas;

5. Perda da resistência em baixas temperaturas.

Limitações:

Polipropileno (PP)

Fibras para tapetes, tecidos, embalagens, pás de ventilado-

res, cabos de ferramentas, tubos de canetas, cadeiras, se-

ringas de injeção, componentes automotivos (pedais, car-

caças de baterias, ventoinhas, peças diversas do interior),

Há uma tendência no sentido de se utilizar exclusivamente o

PP no interior dos automóveis. Isso facilitaria a reciclagem

do material por ocasião do sucateamento veículo.

Polipropileno (PP)

- Principais propriedades:

• Baixo custo;

• Elevada resistência a chama, pela presença do cloro;

• Elevada dureza.

Poli(cloreto de vinila) (PVC)

1. O processamento requer cuidado, mas com a adição de

plastificantes o processamento por injeção, extrusão e

termoformagem tornam-se viáveis;

2. O monômero e o plastificante pode ser cancerígeno, de-

vido a presença do cloro !?!?!?!?

Limitações:

O PVC está no topo da

lista dos polímeros mais

prejudiciais a saúde hu-

mana, segundo o:

Perfis de PVC garantem

isolamento termoacústicoTubulação de água

Poliestireno (PS)

PROPRIEDADES

• Baixo custo;

• Fácil processamento;

• Fácil coloração;

• Elevada resistência a ácidos;

• Semelhante ao vidro;

• Baixa densidade e absorção de umidade;

• Baixa resistência a solventes orgânicos, calor e

intempéries.

Poliestireno (PS)

Há 4 tipos básicos, com as seguintes aplicações:

- PS cristal – usado em copos e pratos descartáveis, etc;

- PS resistente ao calor – peças de máquinas ou automó-veis, gabinetes de rádios e TV, grades de ar condicio-nado, peças internas e externas de eletrodomésticos eaparelhos eletrônicos, exaustores, etc;

- PS de alto impacto – Muito usado na fabricação de uten-sílios domésticos (gavetas de geladeira) e brinquedos;

- PS expandido – é utilizado como protetor de equipamen-tos, isolantes térmicos, forros. O Isopor® (material comdensidade de 2 a 3 % da original) é o produto mais utili-zado desse tipo de poliestireno.

Poliestireno (PS)

Polietileno tereftalato (PET)

PROPRIEDADES

• Transparente, quando amorfo, ou translúcido

quando semi-cristalino;

• Baixíssima permeabilidade ao CO2 (gás das bebi-

• Boa resistência mecânica (muito boa ao impacto).

Polietileno tereftalato (PET)

Acrílicos

PoliacrilonitriloPoli(metacrilato de

metila)

VÍDEO

Acrílicos

Poliacrilonitrilo PANPoli(metacrilato de

metila) PMMA

+ amorfo + cristalino

Poliuretano - PU

Poliuretanos lineares (termoplásticos)

Poliuretanos Termorrígidos

Elevada resistência química, tenazes, resistentes a

abrasão.

Ampla faixa de propriedades dependendo do grau de

ligações cruzadas entre as moléculas.

Poliuretano

termorrígido

Poliuretano linear

(termoplástico)

Poliuretano - PU

Poliamida (PA) – (nylon®)

PROPRIEDADES

• Elevada resistência à tração;

• Resistência ao impacto;

• Resistência à abrasão;

• Resistem a ação de óleo;

• São amolecidos por álcoois e água.

Poliamidas – (nylon®)

Fluoroplásticos

Politetrafluoretileno (PTFE) – Teflon®

Policlorotrifluoretileno (PCTFE)

É resistente à umidade, intempéries,

ataques de solventes e à inflamação.

É altamente cristalino com elevada resis-

tência ao calor, antiaderente e com baixís-

simo coeficiente de atrito.

Fluoroplásticos – Teflon PTFE

Teflon® - PTFE PCTFE

Polioxibenzimetilenglicolanidrido

Polímeros fenólicos – Baquelite (termofixo)

Sua resina pura resulta da reação do formaldeído com

o fenol e tem a fórmula estrutural como segue:

Principal propriedade: Ótimo isolamento elétrico e térmico.

Terminais para lâmpadas fluorescentes, equipamentos

elétricos e mecânicos, cabos de panelas e talheres.

Polímeros fenólicos – Baquelite (termofixo)

Silicones

Cadeia principal formada por ligações contendo Si.

Esta estrutura confere a maior resistência ao calor.

Silicones

Borrachas de silicone, graxas, colas, vernizes, implantes

dentários, cirurgias plásticas...

Elastômeros

Principal propriedade: Campo de deformação elástica bas-

tante grande.

Tipos e características:

- Borracha – o polímero mais comum é composto por 75%de butadieno e 25% de estireno. É resistente à abrasão,eletricidade e à água. A borracha natural (látex) e a sintéti-ca tem essas mesmas propriedades, mas as últimas cus-tam menos e tem melhor resistência a óleos, calor e luz;

- Copolímero de etileno acetato de vinil – EVA – materialmuito aplicado em viseiras, chinelos e solados de tênis;

- Policloroprene – Neoprene – muito utilizado em roupasimpermeáveis de mergulho e surf e também como isolanteelétrico.

Para refletir....

1. Muitos produtos são armazenados em embalagens

plásticas;

2. Muitas roupas contém nylon e poliester;

3. Tênis e sapatos são feitos de materiais sintéticos;

4. O leite é vendido em caixinhas e garrafas plásticas;

5. Os encanamentos e eletrodutos são de PVC e PP;

6. Os colchões são de poliuretanos expandidos, as

caixas de isopor de poliestireno também expandido;

Como seria nossas vidas sem o “plástico”

Para refletir....

7. Olhe para si mesmo, seus óculos devem ser de

policarbonato ou outro polímero mais recente, com

filmes poliméricos (anti-reflexo e anti-risco);

8. Nossas roupas têm materiais que não existiam há

60 anos;

9. A garrafa de refrigerante nem sempre pode ser

polimérica...

10. Pense na natureza: Onde todo este “plástico” irá

parar?

11. Os polímeros demoram para se decompor na natu-

reza e muitos não se decompõem nunca;

Para refletir....

12. Saiba também que a maioria dos polímeros são

provenientes do petróleo, uma fonte natural não

renovável.

Prefira consumir produtos armazenados em

embalagens de material reciclável, assim

você estará garantindo um futuro melhor para

as próximas gerações...

Afinal como nós viveríamos sem os

polímeros?

ANEXOS

Tabela de Propriedades e Aplicações

Tabela (continuação)

Fonte: Cadore, S., Matoso, E. e Santos, M. C.. A espectrometria atômica e a determinação de elementos metálicos

em material polimérico. Quím. Nova, vol. 31, nº 6, São Paulo, 2008.

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