Matheus Vinícius Gregory Zimmermann

POLÍMEROS

Módulo I - Origem

O que é um POLÍMERO?

A ERA DO PLÁSTICO!

O que é um POLÍMERO?

Polímero é uma molécula de alto peso molecular

(macromolécula) obtida pelo encadeamento sucessivo de

pequenas unidades repetitivas de baixo peso molecular,

chamadas monômeros (meros).

POLI MEROS

MUITO

MUITAS

UNIDADE

QUÍMICA QUE SE

REPETE

+

O que é um POLÍMERO?

Consumidores de polímeros no mundo

ABIPLAT 2002

Polímeros podem ser:

Plástico

( Termoplástico )

Termofixo

(Termorrígido)

Borracha

(Elastômero)

Naturais

Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos: não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos.

Plástico

Termorrígido

Elastômero

Após o resfriamento e endurecimento, esses plásticos mantêm o

formato e não conseguem ser reprocessados. Não são recicláveis!

A principal característica desses polímeros é poder ser moldados diversas vezes pela ação do calor. Logo, sua reciclagem é possível!

Da onde vem os Plásticos?

Petróleo (95%)

GLP; 6,4 Gasolina;

20,3

Diesel; 26,6 Naftas; 5,6

Querosene; 4,8

Óleos; 27,1

Asfalto; 1,8

Lubrificantes; 7,4

Da onde vem os Plásticos:

Fontes

Renováveis

Reação de Polimerização

Como é produzido um polímero:

temperatura

pressão

ativadores

catalizadores

Monômero

(gás / líquido)

Polímero

(sólido)

Conversão da nafta para um monômero

Cadeia Polimérica

Polímero

Cadeias poliméricas:

Linear

Ramificada

Reticulada

Cadeias poliméricas:

Linear

Ramificada

Reticulada

Estrutura química de um polímero:

Polímerização

Ligações primárias

Covalentes

Ligações secundárias

Pontes de hidrogênio

Ligação Energia de ligação

(kcal/mol)

Estabilidade da

ligação em relação

ao C-C

Exemplo de

polímero

C=N 213 Mais estáveis PAN

C=C 194

C=O 171 POLIÉSTER

C=C 147 POLIDIENO

O-H 111 POLIÁIS

C-H 99 PE

N-H 93 PA

C-O 84 POLIÉSTER

C-C 83 PE, PP

C-Cl 79 Mais instáveis PVC

C-N 70 PA

S-S 51 Enxofre (borracha)

0-0 33 Reticulante peróxido

Estabilidade dos polímeros:

Polímero Abreviatura

Acrilonitrila – Butadieno -

Estireno

ABS

Etileno – Vinil Acetato EVA

Estireno - Acrilonitrila SAN

Poliamida PA

Policarbonato PC

Poli(cloreto de vinila) PVC

Polietileno de baixa

densidade

PEBD

LDPE

Polietileno de alta

densidade

PEAD

HDPE

Poli(tereftalato de etileno) PET

Poliestireno PS

Polipropileno PP

Abreviatura dos Plásticos:

Polímero Abreviatura

Poliacetal POM

Poli(metil metacrilato) PMMA

Poli(tetrafluor etileno) PTFE

Estireno-Butadieno

borracha

SBR

Borracha Natural NR

Poliuretano PU

Poli(acetato de vinila) PVA

Poli(éter éter cetona) PEEK

Poliestireno alto impacto PSAI

Resina Epoxi EP

Etileno propileno dieno

Borracha

EPDM

Produção de polímeros no mundo:

Aplicação dos Plásticos:

EVA

Estrutura química de um polímero:

PET

PP

PE

PVC

PS

PC

Polimerização:

Estrutura química de um polímero:

Homopolímero

É um polímero formada por apenas um tipo de monômero:

Copolímero

Alternado

Bloco

Aleatório

Grafitizado

Terpolímero

Alternado

Aleatório

Enxertado

Classificação dos Plásticos:

Commodities

(comuns)

Plásticos de

Engenharia

Plásticos de alta

performance (alto

desempenho)

• Produzido em grande escala;

• Baixo custo;

• Grande versatilidade;

• Fácil processamento;

• Propriedades mecânicas e térmicas limitadas

• Propriedades Mecânicas e térmicas superiores aos

commodites;

• Processamento médio

• Mais caros;

• Uso limitado a peças técnicas

•Características ainda mais superiores aos Plásticos de

Engenharia, são usados em peças altamente técnicas em

aplicações especiais

Pirâmide de Aplicação dos Plásticos :

São materiais que não possuem ordem estrutural nas cadeias, espaçamento ou distâncias regulares repetidoras entre as moléculas. Estes polímeros são geralmente compostos de moléculas cujo formato é irregular, e que não podem se acomodar de uma maneira regular.

Materiais Amorfos

Materiais Cristalinos

Cristalinidade:

São caracterizados pela capacidade das

moléculas formarem arranjos ordenados.

Região com alta cristalinidade Região Amorfa

Polímero semicristalino:

Não existe polímero 100% cristalino!!!

O grau de polimerização, ou tamanho das cadeias

macromoleculares do polímero, indica o número de unidades

repeditoras ou meros, que se combinam para formar a cadeia

macromolecular.

Exemplo:

Peso molecular:

n = 12

n = 19

n = 6

Elevação da viscosidade;

Aumento da rigidez;

Melhores propriedades mecânicas;

Maior dificuldade de processamento;

Aumento de resistência ao stress cracking (quebra por tensão);

Aumento da resistência ao risco;

Aumento do ponto de amolecimento ( temperatura de fusão)

Aumento da resistência química;

Redução do brilho e transparência.

Peso molecular:

O aumento do peso molecular, pode gerar como consequência:

Índice de Fluidez:

O IF é inversamente proporcional a viscosidade

( ou pelo peso molecular )

Peso Molecular alto

Indice de fluidez baixo

Viscosidade alta

( Extrusão / sopro )

Peso Molecular Baixo

Indice de fluidez alto

Viscosidade baixa

( Injeção )

Densidade:

Material Densidade (g/cm3)

PEAD 0,94

PEBD 0,92

PP 0,92

PS 1,00

PVC 1,39

PMMA 1,18

PC 1,20

Material Densidade (g/cm3)

ABS 0,98

PET 1,35

PA 6 1,15

PA 66 1,44

PVC 1,39

CERÂMICA 2,82 / 5,50

AÇO 8,00

EVA (0,92)

Estrutura química de um polímero:

PET (1,35)

PP (0,92)

PE (0,92)

PVC (1,39)

PS (1,00)

PC (1,2)

Temperaturas de Transições dos polímeros:

Temperatura de transição

vítrea (Tg)

Temperatura de fusão (Tm)

Semicristalinos

Temperatura de cristalização

(Tc)

Temperatura abaixo da qual a cadeia

principal do polímero não possui

mobilidade

Ponto em que o sistema atinge a energia

necessária para vencer as forçar

intermoleculares secundárias entre as

cadeias da fase cristalina, mudando para

o estado viscoso

Temperatura, que durante o resfriamento

começa a formar cristais.

Temperatura de fluxo livre

Amorfos

Temperaturas de Transições dos polímeros:

Material Tg

(oC)

Tm

(oC)

Cristalinidad

e (%)

PEAD -120 135 95

PEBD -20 120 60

PP 4 a 12 165 a

175

60 a 70

PVC 81 Amorfo

PS 100 - Amorfo

HIPS -60 120 baixa

SBR -45 - amorfo

Material Tg

(oC)

Tm

(oC)

Cristalinidade

(%)

ABS -40 110 Baixa

PET 70 250

270

Variável

PA 6 40 223 80

PA 66 52 265 75,9

POM 82 180 75

PEEK 143 334 Alta

PC 150 - Amorfo

PET

PA

Poliéster

Policarbonato

Etc.

Higroscopia

Higroscopia é a propriedade que certos materiais possuem

de absorver água.

CUIDADO!!!

Degradação do polímero por

hidrólise (quebra de ligação na cadeia

princial com a entrada da água)

Materiais apolares:

PE PS

PP PVC

Estabilizantes / Antioxidantes

Pigmentos ( masterbaches )

Lubrificantes

Plastificantes

Antiestático

Retardante de chamas

Stretch (adesividade)

Aromatizante

Reticulante

Fotodegradante

Nucleantes

Cargas de reforço / enchimento

Modificadores de impacto

Agente expansor

Aditivos:

Aditivos são substâncias

químicas que são

adicionados aos plásticos

com a finalidade de

melhorar o processamento

e o desempenho do

material, e

frequentemente, tem

atividades funcionais que se

sobrepõem.

Misturas poliméricas:

Um dos conceitos mais utilizados para mistura polimérica

define esta como o sistema originário da mistura física de

dois ou mais polímeros, sem que haja um elevado grau de

reação química entre eles.

+ =

Combinação de Propriedades

Porém....

Do ponto de vista termodinâmico, misturas poliméricas

podem ser classificadas como miscíveis e imiscíveis. O termo

miscibilidade poderia ter como sinônimo a expressão

solubilidade.

A maioria dos

plásticos são

incompatíveis!!!

Compatibilidade entre os plásticos:

Não misturar os plásticos se necessário

Utilizar agentes compatibilizantes

O que fazer então???

Polímero A

Polímero B

Compatibilizante

O que fazer então???

ATENÇÃO!

Cuidado na escolha do

compatibilizante

Existem vários tipos;

Nem todos são quimicamente

compatíveis com alguns polímeros;

Geralmente são produtos caros

Propriedades:

As propriedades dos polímeros

implicam diretamente em seu

desempenho, e podem ser

divididas em propriedades físicas,

químicas e fisico-químicas.

São aquelas relacionadas com possíveis modificações estruturais

nas moléculas dos polímeros, sendo divididas em:

Propriedades físicas:

Determinam a resposta dos polímeros

às influências mecânicas externas

Propriedades mecânicas:

Propriedades térmicas:

Propriedades óticas:

Propriedades elétricas:

Quanta energia (calor) é fornecida

ou retirada do material

Condução elétrica (bons isoladores)

Estrutura e ordenação molecular.

Regiões tensionadas

Propriedades mecânicas:

Em baixas temperaturas (e em

baixas taxas de deformação),

uma

deformação praticamente só

depende da tensão.

Em temperaturas altas (e em

baixas taxas de deformação), uma

deformação depende não

somente da tensão , mas

também do tempo e da

temperatura.

Deformação percentual

Tensão

de

ruptura

Fibra Plástico

Borracha

Comportamento Mecânico X Transição Vítrea

PS plástico rígido

duro e quebradiço (vítreo)

Tg acima da ambiente

borracha elástica e flexível

Tg abaixo da ambiente

PE plástico flexível elasticidade muito pequena Tg abaixo da ambiente, MAS é semicristalino

Parte amorfa flexível Parte cristalina rígida

PS

SBR

PE

Comportamento Mecânico

Plásticos flexíveis:

PEAD, PEBD, PP

Plásticos rígidos:

PS, PMMA, PC,

PET, PA, POM,

PVC rígido;

Elastômeros:

borracha natural,

neoprene,

polibutadieno,

NBR, SBR;

Fibras: PA, PAN,

PET, kevlar, fibra

de carbono

Plásticos rígidos: deformam-se pouco, mas são mais

quebradiços

Plásticos flexíveis: deformam-se facilmente, mas não

tendem a romper-se; deformação irreversível

Elastômeros: deformam-se facilmente, mas com

reversibilidade

Fibras: muita resistência e pequena deformação

Tensão e deformação na ruptura, resistência

ao impacto, número de ciclos de vida sob

fadiga, são exemplos de propriedades

mecânicas determinadas no limite da

resistência destrutiva do polímero.

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

Comportamento plástico – tração:

Há vários fatores estruturais que determinam a

natureza das propriedades mecânicas destes

materiais tais como:

1. Massa molecular,

2. Ligações cruzadas e ramificações,

3. Cristalinidade e morfologia,

4. Orientação molecular.

Propriedades de alguns materiais:

A Fluência (Creep) é a deformação

do material durante o tempo devido

a aplicação de uma tensão contínua.

Materiais poliméricos apresentam

excessiva deformação por fluência,

sendo esta afetada por três fatores:

tensão, tempo e temperatura.

Fluência:

Estrutura química

Força das ligações químicas

Peso molecular

Cristalinidade

Espessura da peça

Cargas e aditivos

Processo

Propriedades térmicas

Do que depende a temperatura de um polímero??

Uma das mais interessantes características dos

polímeros é que eles exibem propriedades

intermediárias de sólidos elásticos e de líquidos

viscosos, dependendo da temperatura e da

freqüência de aplicação da força.

Esta forma de resposta a qual combina ambas

características é chamada viscoelasticidade.

Viscoelasticidade:

Térmica

Mecânica

Fotoquímica

Biológica

Degradação:

Qualquer reação química que altera a qualidade de interesse de

um material polimérico ou de um composto orgânico (reações

químicas de diversos tipos intra e intermoleculares)

Pode ser causada por eventos diferentes, dependendo do material,

da forma de processamento e do seu uso/ambiente

Degradação no processamento:

Quais são as dimensões globais (diâmetro, largura, densidade) ?

Que esforços a peça terá que suportar?

O projeto suporta cargas elevadas?

Qual a tensão máxima da peça?

Que tipo de tensão sofrerá (elástica, flexão, compressão)?

Quanto tempo a carga será aplicada?

A carga será contínua ou intermitente?

A peça terá que reter sua forma dimensional?

Qual a vida útil projetada da peça ou do projeto (desenho)?

Quais as condições de abrasão que o material será exposto?

Seleção de Materiais:

Considerações Físicas - Mecânicas

Quais temperaturas a peça trabalhará e por quanto tempo?

Qual a temperatura máxima que a peça pode suportar?

Qual a temperatura mínima que a peça pode suportar?

Por quanto tempo o material ficará nesta temperatura?

O material terá que resistir ao impacto a baixa temperatura?

Que tipo de estabilidade dimensional é requirido (expansão

térmica, contração)?

Seleção de Materiais:

Consideraçõs Térmicas

O material será submetido a substâncias químicas ou umidade?

O material será exposto a umidade relativa normal?

O material será submerso em água? Por quanto tempo e a que

temperatura?

O material será exposto ao vapor?

O material será pintado? E qual tipo de pintura?

O material será colado? Qual cola ou adesivo usar?

O material terá contato com solventes?

Seleção de Materiais:

Consideraçõs Químicas

Cor

Brilho

Antichama

Densidade (peso específico)

Degradaçao ao UV

Biodegradação

Geometria da peça

Condutividade elétrica / Isolador

Seleção de Materiais:

Outras Considerações

Perguntas!