Polímeros I

Prof. Antonio José Felix de Carvalho (Toni)

Ponte sobre o rio Tay emAberfeldy construída emmateriais compósitos(GRP, Kevalr/LDPE

O Curso Polímeros I – SMM0303Prof. Antonio José Felix de Carvalho (Toni@sc.usp.br)Monitoria: Kelly Lucas Lizano (klucasl@usp.br)

Local: Aulas via Google Meet até o retorno presencialAulas de Laboratório: Departamento de Eng. de Materiais

Objetivos: Fornecer noções básicas sobre a estrutura, síntese, propriedades e asaplicações de materiais poliméricos termoplásticos. Inclui também introduçãosobre processamento.

1. Introdução Geral1. Importância atual , principais aplicações, questões ambientais2. Histórico do desenvolvimento dos polímeros3. Classificação, nomenclatura e abreviações4. Propriedades gerais5. Identificação

2. A indústria de polímeros1. O mercado dos plásticos2. Insumos para a indústria dos plásticos3. Perspectivas futuras - biorrefinaria4. Os polímeros e o meio ambiente

3. Estrutura Macromolecular dos Polímeros1. Ligação química e interações intra e intermoleculares2. Polímeros em Solução e massa molar

1. Polímeros em solução2. Massa molar média em número3. Massa molar média em massa4. Viscosimetria5. Distribuição de massa molar6. Cromatografia de alta eficiência de exclusão por tamanho (HPSEC)

3. Conformação e configuração dos polímeros4. Os polímeros no estado sólido

1. Polímeros amorfos termoplásticos2. Polímeros semi-cristalinos termoplásticos3. Polímeros termofixos e elastômeros

Programa Materiais Poliméricos I

4. Copolímeros e blendas5. Viscoelasticidade dos polímeros

4. As cinco regiões do comportamento viscoelástico5. Curvas equivalentes6. Ensaios dinâmico-mecânicos7. Ensaio de fluência

6. Síntese4. Polimerização por adição5. Polimerização por condensação6. Copolimerização

7. Técnicas de polimerização4. Polimerização em massa5. Polimerização em solução6. Polimerização em emulsão7. Polimerização em suspensão

Tópicos Avançados*•Polimerização por ATRP•Nanotecnologia via copolímeros em bloco•Dendrímeros•Polímeros Naturais•Polímeros para ótica não linear•Polímeros condutores e emissores de luz e eletrônica orgânica•Polímeros em fluído supercrítico•Nanocompósitos e nanoblendas•Evolução dos sistemas de catalisadores para síntese de poliolefinas* Oferecidos na forma de seminários durante o curso a serem ministrados por convidadosexternos

Bibliografia:

•Rabello, M.S., Estrutura e Propriedades de Polímeros, 2021. ISBN: 978-65-00-19354-1

•Billmeyer, F. W., Ciencia de los Polímeros, Editora: REVERTE, ISBN: 8429170480, 1ª Edição, 1975

•McCrum, N. G., Buckley, C. P.e Bucknall, C. B., Principles of Polymer Engineering, Oxford University Press, 2a Edição, 1997.

•Osswald, T. A., Menges, G., Materials Science of Polymers for Engineers, Hanser Editora, 2a Edição, 2003.

•F. Rodriguez, Principles of Polymer Systems, 5th Edition, Taylor and Francis, 2003. ISBN-1-56032-939-4

•Braun, D., Simple Methods of Identification of Plastics, 2a Edição, Hanser, Darmstadt, 1986.

•Mano, E. B., Introdução A Polímeros, Editora EDGARD BLUCHER, ISBN: 8521202474.

•Mano, E. B., Polímeros Como Materiais De Engenharia, Editora: EDGARD BLUCHER, ISBN: 8521200609, 2ª Edição - 1994

•Mano, E. B., Dias, M. L., Oliveira, C. M. F., Química Experimental de Polímeros, Editora EDGARD BLUCHER, ISBN: 8521203470, 1ª Edição - 2005

•Akcelrud, L., Fundamentos da Ciência dos Polímeros, Editora: MANOLE, ISBN: 852041561x, 1ª Edição – 2006.

•Rabello, M., Aditivação de Polímeros, Editora: ARTLIBER, ISBN: 8588098016, 1ª Edição - 2000

•Canevarolo Junior, S. V., Ciência dos Polímeros, Um Texto Básico Para Tecnólogos E Engenheiros, Editora ARTLIBER, ISBN: 8588098105, 2ª Edição - 2006

•Canevarolo Junior, S. V., Técnicas de Caracterização de Polímeros, Editora ARTLIBER, ISBN: 8588098199, 1ª Edição, 2004.

•Cowie, J.M.G., Arrighi, V., Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials, 3rd Ed., CRC Press, 2007.

•Sperling, L.H., Introduction to Polyer Science, Whiley, 4th Ed., 2005.

Sugestão de livros-texto

Download grátis do livro-texto “Estrutura e Propriedades de Polímeros” de Marcelo S. Rabello.

Link: https://sites.google.com/view/marcelorabello/home

Semana Atividade Obs1 Apresentação do curso2 Capítulos 01 e 023 Continuação Cap. 24 Capítulo 035 Continuação cap. 3 a Prática 16 Capitulo 47 Capítulo 58 Capítulo 5 e prática 210 Prova 01 11 Capítulo 612 Continuação cap. 6 e Práticas 315 Viscoeláticidade (cap. 6) e prática 414 Capítulo 715 Reações de Polimerização e prática 516 Prova 217 Prova substitutiva a definir data e forma

Programa das Atividades

Prática I: Identificação (Técnicos: Ricardo)Prática II: Cristalização de Polímeros (Ricardo)Prática III: Ensaios mecânicos (Técnico: Douglas)Prática IV: Viscoelasticidade (Técnico: Ricardo) Prática V: Síntese de poliestireno (Técnicos: Ricardo)

Práticas

O roteiro das práticas estão compilados na apostila do curso que pode ser baixada diretamente da biblioteca da EESC no link: (http://repositorio.eesc.usp.br/handle/RIEESC/6078?show=full)

Critério de Nota*: Nota final =

Provas:

Prova 1: Data: 6/10

Prova 2: Data: 14/12

Substitutiva: Janeiro de 202 em data a ser definida e somente para quem justificar a perda de uma das provas (atestado, etc...)

Recuperação: Definir dada da Recuperação

M Relatórios inclui as aulas práticas de laboratório.

*Somente haverá prova substitutiva para o caso de impossibilidade do aluno realizar uma das provas, desde que comprovada a impossibilidade por motivo médico ou semelhante.

Avaliação

Presença: Via E-disciplinas no Moodle

Elaboração de Relatório das aulas prática. (Máximo 2 páginas escritas a mão).

Título: Deve indicar qual a área à qual se relaciona o trabalho e qual o aspecto fundamental que foi abordado.

Resumo: Apresentar de forma clara e objetiva qual o problema abordado, como foi realizado o estudo, os principais resultados e conclusões. Os objetivos podem ser apresentados no resumo.

Introdução: A introdução fornece as bases tanto para o entendimento da importância, complexidade e importância do assunto como para as bases fundamentais para entender o trabalho. Os objetivos e uma última frase narrando o que foi feito é interessante. Um encadeamento interessante de ideais é o seguinte Campo ou assunto tratado qual o problema> As bases teóricas para tratar o problema> Uma indicação de como os resultados são interpretados.

Metodologia Experimental: Deve apresentar de forma objetiva e precisa o que exatamente foi feito e não o que deveria ter sido feito.

Resultados e discussões: Deve fornecer de forma clara e precisa o que foi observado. Discutir os resultados a luz da introdução fornecida.

Conclusões: Deve apresentar de forma claro o que se concluiu. Em geral a conclusão deve responder aos objetivos do trabalho.

Referências bibliográficas: Atenção,elas devem ajudar os leitores e não desviar a atenção deles.

Elaboração de Projeto Opcional. (Máximo 8 páginas escritas com espaço 2).

Título: Deve indicar qual a área à qual se relaciona o trabalho e qual o aspecto fundamental que foiabordado.

Resumo: Apresentar de forma clara e objetiva qual o problema abordado, como foi realizado oestudo, os principais resultados e conclusões. Os objetivos podem ser apresentados no resumo.

Introdução: A introdução fornece as bases tanto para o entendimento da importância,complexidade e importância do assunto como para as bases fundamentais para entender otrabalho. Os objetivos e uma última frase narrando o que foi feito é interessante. Um encadeamentointeressante de ideais é o seguinte: : Campo ou assunto tratado qual o problema está inserido>uma descrição ou revisão bibliográfica critica do que tem sido feito> As bases teóricas para tratar oproblema> Descrever como pretende avançar ou inovar > Uma descrição de como ira atingir osresultados.

Metodologia Experimental: Deve apresentar de forma objetiva e precisa o que exatamente foi feitoe não o que deveria ter sido feito.

Resultados e discussões: Deve fornecer de forma clara e precisa o que foi observado. Discutir osresultados a luz da introdução fornecida.

Conclusões: Deve apresentar de forma claro o que se concluiu. Em geral a conclusão deveresponder aos objetivos do trabalho.

Referências: Devem fornecer aquilo que é imprescindível para a total compreensão do trabalho.

Introdução

Polímeros

Macromoléculas

Lignina

Polietileno

Os materiais poliméricos sempre foram utilizados para a confecção de roupas e

utensílios e construção de moradias•Madeira•Fibras•Lã•Fibras vegetais•Âmbar

•Couro e peles•Betumem•Borracha Natural•Goma laca•Colágeno

Sobre as macromoléculas e sua importância

Seria a versatilidade a principal característica dos polímeros?

Material de construção da natureza

Estrutural

Armazenagem de energia

Codificação

Histórico do Desenvolvimento dos Polímeros

Prof. Antonio José Felix de CarvalhoDepartamento de Engenharia de Materiais

Escola de Engenharia de São Carlos/USP

Histórico do desenvolvimento dos Polímeros

Até Graham, 1861 a compreensão sobre as diferençasexistentes entre os materiais orgânicos cristalinos debaixa massa molar e uma classe de materiaisdenominada no século IX de colóides era muitoprecária. A idéia de que algumas substâncias poderiamapresentar elevada massa molar evoluiu muitolentamente e ocorreu a partir do desenvolvimento detécnicas par a determinação da massa molar, taiscomo:

- Raoult, método de crioscopia,- Van’t Hoff, enunciação das leis das soluções

Histórico do desenvolvimento dos PolímerosConceito de Polímero se inicia de fato, em 1920 comStaudinger que o amplia em 1929 com a idéia deestruturas tridimensionais para explicar a existência depolímeros insolúveis (reticulados).

Hermann Staudinger, 23/03/1881 –8/09/1965 em Freiburg, Al. Nobel em 1953.

Universidade de Estrasburgo, Universidade de Karlsruhe, Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, Universidade de Freiburg

Hermann Staudinger in his laboratory at ETH Zurich in 1917. (Foto: ETH - Bibliothek Zürich, Bildarchiv)

Histórico do desenvolvimento dos Polímeros

Exemplo de materiais poliméricos usados desdea antiguidade:

•Madeira•Fibras vegetais•Couro•Resinas vegetais e animais•Borracha natural•Gutta percha

O início: Modificação de polímeros Naturais

Shellac, borracha natural, gutta percha e celulose.

Shellac: Usada na índia para envernizar a madeira ou como material para moldarobjetitos de diversos tipos. Dissolvida em álcool para a aplicação como verniz.Sinon. Schellack, Lacca, Candy glaze, Lac resin, Gum lac, Shellac. Goma Laca (pt),Molecular Formula: C30H50O11 Molecular Weight: 586.7114,

A Borracha Natural

Introduzida por Colombo em sua segunda viagem em 1496 da América espanhola. Poli(cis-1,4-isopreno).

Em 1820 Thomas Hancock descreveu o processo de Masticação(“mastication”) que torna a borracha mas moldável. Esse processo provocaa redução da massa molar das moléculas de borracha por meio de cisão viaação mecânica. A borracha coagulada é extremamente elástica e não podeser moldada ou extrudada.

(8/5/1786 (Marlborough, UK) -26/03/1865 com 78 anos em Londres)

1851 Ebonite: composto rígido produzido pela reticulação de 100 partes de borracha natural e pelo menos 50 partes de enxofre.

Pneus fabricados em borracha natural vulcanizada com enxofre

Em 1830 Charles Goodyer descobriu o processo de vulcanização da borrachacom enxofre. Maior resistência aos solventes e elástica em uma grande faixa detemperatura.

Charles Goodyer, 1800 – 1860

Introduzido por John Tradescant na segunda metade do século 17. Trata-se de um de um polímero de isopreno (poliisopreno): poli(trans-1,4-isopreno). Uma característica interessante é a sua inércia comrelação aos organismos visos.

Gutta Percha

Celulose e derivados: O primeiro plástico feito pelo homem. Foi descoberto por Braconnot em 1833.

Invenção dos plásticos de celulose (Nitrato de celulose), conhecidos como celulóide, Parkesine, Xylonite ou nIvoride. O nitrato de celulose foi o primeiro polímero preparado pelo homem.Christian Schönbein (Suíço) - 1845Alexander Parkes (Inglês) - 1847John Wesley Hyatt (Norte Americano) - 1869

Desenvolvimento do algodão pólvora

O acetato de celulose foi introduzido em 1869 por Schutzenberger.

Derivados de Celulose

•Alexander Parkes 1850 – Parkesine. Nitrato de celulose

•Parkesine Co., Ltd 1866

•Xylonite Company 1869. Produto similar a Parkesine.

•1869 Collodion para a produção de bolas de bilhar (J.W. Hyatt).

•1870 (J.W. Hyatt) US Pat 105338 Nitrato de celulose e canfora, mais

estável. – Celulóide (nitrato de celulose plastificado com canfora).

•American Celluloid and Chemical Corporation que ao final foi adquirida pela

Celanese Corporation.

O primeiro polímero comercial totalmente sintético produzido foi a resina fenol-formaldeído, patenteada por A.V. Baeyer, e comercializada por Leo Baekeland em 1910 .

Síntese de uma resina fenol-formaldeído pela policondensação do fenol em excesso de formaldeído.

Caseina reticulada com formaldeído foi descoberta em 1885 e patenteada por Kritsche e Spitteler (Galatith®) – Substituto do marfin e da porcelana.

Resinas de formaldeído

a) Novolcab) Resolc) Novola com adição de EG

O desenvolvimento de métodos de processamento dos polímeros

Referência: L.A. Ultracki. History of Commercial Polymer Alloys and Blends (From a Perspective of the Patent Literature). Polym. Eng. Sci., 35, 2-17, 1995.

FuturoNatureza

macromolecular dos polímeros

Descoberta de novos materiais

Caracterização/ determinação

das propriedades e aplicações

Blendas e compósitos

Novos métodos de

processamento

Staudinger1920

PA, PE, PP, PET, PMMA, PVC1930-1960

Viscoelasticidade, mecânico, mec. Fratura, anal. Térmica, degradação.1945-1980McCrum 67, van Krevrlun 1972Castiff & Tobolsky, 1955Fox & Flory 1951Ferry 1980WLF 1955Nielsen, 1962

Blendas, compósitos, copolímeros em bloco1980-1990Matheus & Rawlings 94

REX, compatibilização (copolímeros), nanocompósitos, polím condutores,1990-AtualKojima, 1993, Okada, 1988, Brydson, 1981, Shirakawa 1977, MAcDiarmid 1984.

Um breve histórico sobre o desenvolvimento tecnológico dos polímeros

Polímeros Condutores, Processamento novos materiais

como biopolímeros/ nanocompósitos

Grande salto da indústria petroquímica: A refinaria moderna

A Biorrefinaria como alternativas ao Petróleo

38

Os Polímeros e a Sustentabilidade

Consumo de energia para a produção de materiais

No caso dos veículos o uso de polímeros provoca uma diminuição do consumo de combustível devido a redução de peso. Uma regra geral é de que a energia consumida para movimentar um veículo de vida média de 160.000 km é 10 a 15 vezes a energia requerida para a sua fabricação.

Estratégias para a reciclagem: Reciclagem energética

•Reciclagem

•Reciclagem química

•Recuperação energética

Reciclagem

Índice de impacto para a produção de

alguns materiais.Ecoindicator 95

Índice de impacto para a produção de alguns materiais (Ecoindicator 95) - fonte: Manzini & Vezzoli, O desenvolvimento de produtos sustentáveis, Edusp, São Paulo,

2005

137

20,7

21,1

4,66

4

143

5,4

19,6

111

2,78

3,3

2,81

5,41

6,84

53,4

2,05

0,6

1,14

0,46

0,1

3,27

0,18

0,66

0 50 100 150 200

poliéster

algodão

cimento de construção

papelão

papelão branqueado

madeira (pinheiro)

madeira (acácia)

madeira (pinus)

porcelana

vidro (56% reciclado)

PA6

PUR

PC

PS

ABS

PP

LDPE

HDPE

latão (CuZn30)

cobre (G CuSn12)

Alumínio (AlMgSi 0,5)

aço inoxidável

ferro normal (Fe360)

material (1 kg)

Impacto ambiental

O ciclo de vida dos materiais e o seu impacto social e ambiental

Reciclagem química

Transformação por meio de processos químicos em outrospolímeros, nos monômeros ou outros insumos químicos incluindocombustíveis gasosos ou líquidos.

•Recuperação energética

Poder calorífico de alguns polímeros comuns e outros materiais

Material Valor calorífico(MJkg-1)

PE, PP 46Óleo de aquecimento 44PS 41Mistura de plásticos 37Carvão 30Madeira 16Resíduos domésticos 11

Os 6 Ps (Osswald T.A. & Menges, G. 3rd Ed. Pg. 4 - 6)

1. Polymer2. Process3. Product4. Performance5. Profit6. Post-consumer Life

Produtos químicos e materiais: 5%

Indústria do Petróleo

O modelo atual baseado na economia fóssil e Bioeconomia

BioEneria e BioCombustíveis

Bioprodutos

Combustíveis e energia: 95%

48

Sobre o capítulo 1 do nosso Livro Texto

Polímero base, produto, material, composto, compósito, plástico, polímeros, macromoléculas, borracha, elastômero

Aditivos, plastificantes, cargas, reforços (plastificantes x lubrificante)

ESTRUTURA INTERNA E PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS

SMM0303 - Materiais Poliméricos I 2021-2 52

Propriedades gerais que dependem da natureza orgânica:

Implicações da natureza macromolecular:

↓ densidade (0,9 - 1,5g/cm3);

↓ condutividades térmica e

elétrica;

↓ Temperatura limite de uso;

Deterioração ambiental.

Formação de novelos e emaranhados;

Ordenamento/Regiões:

Amorfos Tg

Semi-cristalinos Tg e Tm

Propriedades mecânicas: f(esforço+ tempo

aplicado).

Grandes deformações permanentes;

Formação de filmes e fibras;

Orientação molecular no processamento.

De um modo geral, as propriedades dos polímeros podem ser divididas em duas classes:

● PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS