Materiais Poliméricos
Prof. Dr. Clodoaldo Saron
Definições
Poli = muitos
Meros ou monômeros = unidades
Polímeros Plásticos
Polímeros
monômeros (meros)
reação depolimerização polímero
Histórico1000 A.C Os chineses descobrem o verniz extraído de uma árvore
(Rhus vernicflua), aplicado na forma de revestimentos impermeáveis e duráveis. Ele seria usado em móveis domésticos até a década de 1950.
0 A.C Descoberta do chifre como material conformável. Ele se comporta como uma chapa de material termoplástico, podendo ser cortado e moldado após ter sido aquecido em água quente.
1550 Primeira menção à borracha natural feita por Valdes após uma expedição à Central América. Os nativos usavam esse material como artigos esportivos e impermeáveis há milhares de anos.
1839 Charles Goodyear (E.U.A.) descobre a vulcanização- Descorberta em laboratório do poliestireno.
Histórico1840 Alexander Parkes (Inglaterra) desenvolve a Parkesina, um
resina moldável a base de nitrato de celulose, material extremamente inflamável.
1845 Robert William Thompson inventa o pneu de borracha
1876 Sementes de seringueiras do Brasil são contrabandeadas por Sir Henry Wickham e mandadas posteriormente à Ásia, onde constituíram a base da indústria mundial de borracha.
1880 Uma gravadora berlinense começou a usar goma-laca para a fabricação de discos fonográficos, devido à capacidade desse material em reproduzir detalhes finos de formato. De fato, a goma-laca foi usada até 1952 na fabricação de discos fonográficos, quando foi substituído pelo P.V.C.
Histórico1928 Ziegler inicia seus trabalhos sobre química organometálica e lança
os fundamentos para a catálise na polimerização do polietileno e polipropileno
1965 Surgem os copolímeros em bloco de estireno-butadieno, dando origem aos elastômeros termoplásticos.
1973 A produção mundial de plásticos supera a de aço, tomando como base o volume de material fabricado.
2000 Novas tendências no desenvolvimento de polímeros. O desenvolvimento de resinas a partir do zero se torna bem mais raro. A ênfase atual está na formulação de polímeros já existentes de forma a se obter materiais com propriedades otimizadas.
A preocupação com a reciclagem dos polímeros torna-se assunto de máxima importância, uma vez que seu desenvolvimento e uso serão inviáveis caso esse problema não seja adequadamente resolvido. Começa a reciclagem em larga escala de garrafas de poliéster e PEAD.
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Síntese de monômerosCH4
+
H2O
CO + H2
CH3OH
CO
Cl2
H2O
ClC
Cl
O
CO2
fosgenoH2
N2
COCH3OH
NH3
NH3
CO2
O2, CH4
HCN
H2NC
NH2
O
uréia
N
N
N
NH2
NH2H2N
melanina
H3CC
CH3
O
H3C C CN
OH
CH3
HO C C CH3
CH3
OH O
CCH2
C
CH3
O CH3
O
metil-metacrilato
CO , H2
CH3OH
- H2 HC
H
O
CH2CH3 OH
CO HO CH2 CH2 OH
etilenoglicol
-H2O CH2CH2
CCH3
O
OH
CHCH2O
C CH3
O
acetato de vinila
CCH3O
H3C
O
acetato de metila
Síntese de monômeros
Síntese de monômeros
Compostos orgânicosNúmero de
carbonos na cadeia
Estado de agregação
Aplicação
1-4 gás GNV e gás de cozinha
5-12 líquido gasolina12-16 líquido de média
viscosidade querosene
16-25 líquido viscoso óleos lubrificantes
26-35 sólido ceras1000-3000 sólido polietileno
Síntese de Polímeros
Polímeros de adição:
HC
H
CH
H
HC
H
CH
H
R
etileno molécula excitada
espécie radicalar
luz UV
Síntese de Polímeros
Polímeros de adição:C
O
O O C
Ocalor ou luz UV
2 C
O
O
C
O
O C CHH
HC
O
O C C
HH
H
C C
HH
H
C
O
O C CHH
HC C
HH
H
C C
HH
H
C
O
O
C C
HH
H
C C
HH
H
C
O
O C CHH
HC C
HH
H
C C
HH
H
C
O
O C C
HH
H
C C
HH
H
C C
HH
H
C
O
O C C
HH
H
C CHH
Hm C C
HH
H
C
O
O
n
ou
n
C C
HH
H
Peróxido de Benzoíla (iniciador)
Radical Peroxílico
Radical Peroxílico
Estireno (monômero) Iniciador + Estireno
Iniciador + Estireno Estireno
Estireno
Dímero
Trímero Poliestireno (polímero)
Síntese de PolímerosPolímeros de condensação:
C COO
OO CH3H3CO CH2 CH2 O HH
OHCH3
O CH2 CH2 OHC C
OO
O CH3
O CH2 CH2 OHC C
OO
O CH3 O CH2 CH2 O HH
OHCH3
O CH2 CH2 O HO CH2 CH2 OHC C
OO
O CH2 CH2 O HO CH2 CH2 OHC C
OO
C COO
OO CH3H3C
OHCH3
O CH2 CH2 OO CH2 CH2 OHC C
OOC C
OO
O CH3
C COO
O CH3O CH2 CH2 OO CH2 CH2 OHC C
OO
O CH2 CH2 O HHC C
OO
OO CH3H3Cm m
reação 1
reação 2
reação 3
m reações
OHCH3 OHCH3
O CH3O CH2 CH2 OHC C
OO
n
Polietilenotereftalato (PET)
Síntese de PolímerosPolímeros de condensação:
HO C
CH3
CH3
OH
Bisfenol A
ClC
Cl
O
Fosgeno
OC
O
O
Difenilcarbonato
C
CH3
CH3
OC
O
O
n
n
C
CH3
CH3
OC
O
O
Policarbonato
Policarbonato
HCl (Ácido clorídrico)
OH
(Fenol)
Síntese de PolímerosPolímeros de condensação:
CH2 CH CH2 OHHO
OHCC
OOO
CC OH
OO
OCH2 CH CH2
OH
HO CH2 CH CH2 OHHO
OH
H2O
CC
OO
OCH2 CH CH2
OH
HO CH2 CH CH2 OH
OH
O
CC
OOO
CC
OOO
CC
OOO
CC
OOO
CH2 CH CH2 OHHO
OH
CH2 CH CH2 OHHO
OH
CH2 CH CH2 OHHO
OH
CH2 CH CH2 OHHO
OH
H2O
H2O
H2O
H2O
O CH2 CH
O
CH2
CC
OO
OCH2 CH CH2
O
O CH2 CH CH2 O
O
O
C
C
C
C
O
COO
CH2
CH
CH2
O
O
OC
OOCH2CHCH2
O
O
O
C OOCH2
CHCH2
O
O
O CO
O
Resina ftálica
Síntese de PolímerosBiossíntese:
OC
CH3H
CH2C
O
n3HBPHB
H C COH
H
H H
H
H+
CC
H
H
H
H
H2O
Etanol Etileno
Síntese de Polímeros
Polímeros de condensação:
O CH C
H
H
O
OH
Ácido glicólico
+ O CH C
H
H
O
OH
H2O
O CH C
H
H
O
O C C
H
H
O
OH
O CH C
H
H
O
O C C
H
H
O
OH + O CH C
H
H
O
OH
H2O
O CH C
H
H
O
O C C
H
H
O
O C C
H
H
O
OH
O CH C
H
H
O
O C C
H
H
O
O C C
H
H
O
OH + O CH C
H
H
O
OH
m H2O
m
O CH C
H
H
O
OH
n
Poliácido glicólico (PGA)
Reação 1
Reação 2
m Reações
Classificação dos Polímeros
• Termoplásticos (passíveis de conformação com aquecimento)
Estrutura
Classificação dos Polímeros
• Termofixos (não são conformáveis pela ação do calor)
Estrutura ExemploOH
Fenol
HC
H
O
Formaldeído
OH
CH2
CH2
OH
OH
OH
CH2
OH
OHCH2H2C OHHO
OH
CH2
OH
OH
CH2
OH
CH2
HO
OH
CH2
HO
OHOH
CH2
OH
CH2
CH2 CH2
OH
H2C
HO
CH2
OH
Resina Fenólica
Classificação dos Polímeros
• Elastômeros (apresentam alta capacidade elástica)
Estrutura
Na maioria dos casos.
Vulcanização
Classificação dos Polímeros
• Compósitos poliméricos (são compostos por uma matriz polimérica e cargas do tipo particuladas ou fibrosas)
• Blendas Poliméricas (mistura física de um ou mais polímeros)
• Biopolímeros ou Polímeros Biocompatíveis (utilizados em organismos vivos para corrigir funções, substituir órgãos, com função estética, etc. EX: PMMA, PTFE, Silicone, policaprolactona, etc.)
• Polímeros Biodegradáveis (se degradam no meio ambiente sob a ação de fungos, bactérias, algas).
Polímeros Termoplásticos
Polietilenos
PEBD PEAD
PELBD PEUAMM
Polietilenos
Ramificações do polietileno
Principais polímeros termoplásticos
CC
H
H
H
H
n
nEtileno Polietileno (PE)
C C
H
H
H
H
Polipropileno (PP)Propileno
n CC
H
CH3
H
H n
C C
H
H
H
CH3
n
CC
H
Cl
H
H
n
Cloreto de Vinila
Policloreto deVinila (PVC)
C C
H
H
H
Cl
Principais polímeros termoplásticos
Poliestireno (PS)Estireno
n CC
HH
H
n
C C
H
H
H
HO C C OH
H H
HH
HO C C OH
O OO C C O
H H
HH
C C O
O O
n
Etileno glicol ácido tereftálico Polietilenotereftalato (PET)
Classificação dos polímeros quanto à cadeia
Em relação ao número de diferentes meros
• Cadeia homogêneaapenas um único tipo de mero(homopolímero)
• Cadeia heterogênea dois ou mais meros(copolímero)
Tipos de Copolímeros• Aleatórios (ou estatísticos) os meros estão dispostos de forma
desordenada
• Alternadosos meros estão dispostos de forma alternada
• Em blocoo copolímero é formado por sequênicia de meros iguais de comprimentos variáveis
Ex: ~A-A-A-A-A-B-B-B-A-A-A-B-B-B-B~
Tipos de Copolímeros• Grafitizados a cadeia principal do copolímero é formada por um
tipo de unidade repetida, enquanto o outro mero forma a cadeia lateral.
Ex:~A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A~B B BB B B
ConsumoProdução mundial em 2011: 280 milhões de ton.
Propriedades Térmicas
Polímeros semicristalinos
Tg Tf
2 fases 2 fases 1 fase
rígido flexível fluido
Polímeros amorfos
Tg
1 fase 1 fase
rígido fluido
Propriedades Térmicas
SBR -100
Temperatura de decomposição
400 ºC
Condução de
calor
baixa
Propriedades Reológicas
Efeito Weisenberg
a) Fluido Newtoniano
b) Polímero fundido
Propriedades Reológicas
Efeito Sifão
a) Fluido Newtoniano
b) Solução Polimérica
Processamento (termoplásticos)
Extrusão:
Propriedades Reológicas
Inchamento do Extrudado
Propriedades Reológicas
Inchamento do Extrudado
Propriedades Reológicas
Inchamento do Extrudado (Razão L/D)
Propriedades Reológicas
Inchamento do Extrudado (Perfis)
Propriedades Reológicas
Fratura do Fundido
Pele de Tubarão
Roscas de ExtrusãoRosca Padrão
monorosca
Dispersão e Distribuição
Elementos de misturacisalhante
Elementos de mistura
Roscas de Extrusão
Roscas de Extrusão
Roscas de Extrusão
Tipo Barr
Tipo Maillefer
Roscas de Extrusão
Roscas para o PVC
n
CC
H
Cl
H
H
n
Cloreto de Vinila
Policloreto deVinila (PVC)
C C
H
H
H
Cl
Característica: fácil degradação
Roscas para PE e PP
Característica: alta viscoelasticidade
CC
H
H
H
H
n
nEtileno Polietileno (PE)
C C
H
H
H
H
Roscas para o PS
Característica: fácil processamento
Poliestireno (PS)Estireno
n CC
HH
H
n
C C
H
H
H
Roscas para o Náilon
Característica: baixa viscosidade e difícil controle de fluxo no estado fundido
Roscas para o PET (reciclado)
Característica: baixa viscosidade e difícil controle de fluxo no estado fundido
Precauções: controle rigoroso de umidade antes do processamento
Aditivos para polímeros• Estabilizantes• Plastificantes • Retardantes de Chama• Colorantes• Antiestáticos• Nucleantes• Cargas• Fungicidas, bactericidas e algicidas• ETC
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Separação
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Moagem
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Lavagem
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Secagem
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Aglutinação
Reciclagem de Polímeroshttp://www.demar.eel.usp.br/reciclagem/
Extrusão
Linhas de Pesquisa
• Degradação, reciclagem e envelhecimento acelerado de polímeros.
• Aditivação de polímeros
• Biomateriais
• Compósitos poliméricos