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

Desafios

• Reciclagem

Linhas de Pesquisa

• Degradação, reciclagem e envelhecimento acelerado de polímeros.

• Aditivação de polímeros

• Biomateriais

• Compósitos poliméricos