Universidade Federal do Amazonas UFAM Faculdade de Tecnologia FT Microestrutura dos Materiais Microestrutura dos Materiais Polimricos Manaus 2014 Geraldo da Silva Sabia Junior - 21202106 Rodrigo de Moura Fernandes - 21200970 Microestrutura dos Materiais Microestrutura dos Materiais Polimricos Trabalho solicitado pelo Professor Joo Almeida, da disciplina de Materiais de Construo I, para a obteno de nota parcial da disciplina do 5 perodo da graduao de Engenharia Civil. Manaus -2014 SUMRIO 1) Introduo42) Definio53) Caractersticas gerais:64) Estruturas Moleculares75) Classificao96) Propriedades Mecnicas136.1) Resistncia trao e mdulo de elasticidade136.2) Polmeros submetidos a diferentes temperaturas147) Tcnicas de Conformao (Plsticos)158) Polmeros na Construo Civil179) Concluso2010) Referncias Bibliogrficas21

Introduo Em 1920, Hermann Staudinger iniciou seus estudos tericos de estrutura e propriedade dos polmeros naturais (celulosa e isoprene) e sintticos. Staudinger mostrou que os polmeros so constitudos de molculas em forma de longas cadeias formadas a partir de molculas menores, por meio da polimerizao. No incio dos anos 60, F.H. Lambert desenvolveu o processo para moldagem de poliestireno expandido. O plstico substitui com vantagens uma srie de matrias-primas utilizadas pelo homem h milhares de anos, como vidro, madeira, algodo, celulose e metais. Alm disso, ao substituir matrias-primas de origem animal, como couro, l e marfim, possibilitou o acesso a bens de consumo pela populao de baixa renda. Depois da descoberta do poliestireno, polietileno, PVC, poliamidas (Nylon) e polister, o conhecimento dos mecanismos de polimerizao contribuiu, nos ltimos anos, para o nascimento de outros materiais plsticos com caractersticas fsico-mecnicas e de alta resistncia ao calor, os chamados tecnopolmeros ou polmeros para engenharia. A substituio progressiva dos materiais tradicionais pelas novas substncias sintticas mudou o conceito de forma, ergonomia e utilidade dos objetos que o homem estava acostumado a manusear em seu dia-a-dia. Com a introduo do plstico no mercado mundial, novas demandas foram surgindo, como produtos descartveis, artigos para o lazer, eletroeletrnicos, entre outros. O aperfeioamento das tecnologias de transformao viaja na mesma intensidade da histria dos polmeros. Definio Polmeros so materiais compostos por macromolculas. Essas macromolculas so cadeias compostas pela repetio de uma unidade bsica, chamada mero. Da o nome: poli (muitos) + mero. Os meros esto dispostos um aps o outro, como prolas num colar. Uma macromolcula assume formato muito semelhante ao de um cordo. Logo, pode-se fazer uma analogia: as molculas de um polmero esto dispostas de uma maneira muito semelhantes a um novelo de l. difcil extrair um fio de um modelo de l. Tambm difcil remover uma molcula de uma poro de plstico, pois as cadeias seguram-se entre si. Por exemplo, o polietileno (ou, abreviadamente, PE) - plstico extremamente comum usado, por exemplo, em saquinhos de leite - composto pela repetio de milhares de unidades da molcula bsica do etileno (ou eteno): onde n normalmente superior a 10.000. Ou seja, uma molcula de polietileno constituda da repetio de 10.000 ou mais unidades de etileno. O parmetro n definido como sendo o Grau de Polimerizao do polmero, ou seja, o nmero de meros que constitui a macromolcula. Vejamos agora a definio formal de polmero: materiais, cujo elemento essencial constitudo por ligaes moleculares orgnicas, que resultam de sntese artificial ou transformao de produtos naturais. Alguns polmeros podem ser constitudos da repetio de dois ou mais meros. Neste caso, eles so chamados copolmeros. Por exemplo, a macromolcula da borracha sinttica SBR formada pela repetio de dois meros: estireno e butadieno: Para enfatizar que um polmero formado pela repetio de um nico mero, ele denominado homopolmero. Caractersticas gerais: Baixa densidade; Baixo ponto de amolecimento e fuso; Grande deformabilidade (termoplsticos); Baixa resistncia; Baixa dureza; Isolantes trmicos; Resistem bem a degradao por produtos inorgnicos e pouco a produtos orgnicos. Quanto mais simples a cadeia maior a cristalinidade. Maior cristalinidade implica em maior densidade, maior resistncia mecnica, maior resistncia ao

calor (amolecimento) e maior resistncia degradao (dissoluo). Estruturas Moleculares Dependendo da natureza qumica dos monmeros e da tcnica empregada para a polimerizao, os polmeros podem exibir diferentes tipos de arquiteturas. Os mais comuns so os de estrutura linear, ramificada ou em rede. A primeira figura, ilustra o polietileno de alta densidade (HDPE): uma molcula de cadeia longa e linear, feita pela polimerizao do etileno, um composto cuja frmula estrutural CH2=CH2.

A indstria tambm produz uma outra variedade de polietileno, que possui cadeias ramificadas. Este conhecido como polietileno de baixa densidade (LDPE), e est ilustrado na figura abaixo. O impedimento espacial provocado pelas ramificaes dificulta um "empilhamento" das cadeias polimricas. Por esta razo, as foras intermoleculares que mantm as cadeias polimricas unidas tendem a ser mais fracas em polmeros ramificados. Por isso o LDPE bastante flexvel e pode ser utilizado como filme plstico para embalagens, enquanto que o HDPE bastante duro e resistente, sendo utilizado em garrafas, brinquedos, etc. A figura seguinte mostra um polmero cujas cadeias esto entrelaadas numa complexa rede de ligaes covalentes. O exemplo da figura a resina fenol formaldedo, onde molculas de fenol so unidas pelo formaldedo. Embora o primeiro polmero sinttico s tenha sido obtido em 1907, hoje os plsticos j esto onipresentes em nosso cotidiano. Muitos dos utenslios domsticos, automveis, embalagens e at mesmo roupas, so feitas com polmeros. Polmeros biolgicos fundamentam a existncia da vida, e existem desde o surgimento da primeira clula na superfcie da terra.

Os polmeros naturais tm sido empregados pelo homem desde os mais remotos tempos: asfalto era utilizado em tempos pr-bblicos; mbar j era conhecido pelos gregos e a goma pelos romanos. Os polmeros sintticos, porm, somente surgiram no ltimo sculo. Um grande marco na histria da indstria de plsticos foi a descoberta do processo de vulcanizao da borracha em 1839 (a partir do ltex, um polmero natural, que j era largamente empregado) pela Goodyear. O prximo grande passo foi a nitrao da celulose, resultando na nitrocelulose, produto comercializado primeiramente por Hyatt, em 1870. Classificao Quanto ao comportamento trmico: Termoplsticos: So os chamados plsticos, constituindo a maior parte dos polmeros comerciais. Caracterizam-se por, ao completar-se a polimerizao, possurem molculas constitudas de cadeias predominantemente lineares, eventualmente apresentando ramificaes. A principal caracterstica desses polmeros poder ser fundido diversas vezes. Exemplos: polietileno (PE), poli(tereftalato de etileno) (PET), poli(cloreto de vinila) (PVC). Termorrgidos (Termofixos): So rgidos e frgeis, sendo muito estveis a variaes de temperatura. Uma vez prontos, no mais se fundem. O aquecimento do polmero acabado a altas temperaturas promove decomposio do material antes de sua fuso. Exemplos: baquelite, usada em tomadas e no embutimento de amostras metalogrficas; polister usado em carrocerias, caixas d'gua, piscinas, etc. Elastmeros (Borrachas): Classe intermediria entre os termoplsticos e os termorrgidos: no so fusveis, mas apresentam alta elasticidade, no sendo rgidos como os termofixos. Reciclagem complicada pela incapacidade de fuso, de forma anloga aos termorrgidos. Exemplos: pneus, vedaes, mangueiras de borracha. Quanto ao grau de organizao molecular. Amorfos: Caracterizados por um arranjo molecular desordenado, ou seja, no possuem uma organizao estrutural entre as cadeias polimricas. Cristalinos: Caracterizados pela capacidade das molculas, ou de forma mais correta, dos segmentos das molculas, formarem uma ordenao tridimensional, dando origem aos cristais. Na prtica, no existem materiais 100% amorfos, nem 100% cristalinos, isto devido, ao longo comprimento das molculas. As caractersticas fsicas de um polmero dependem das diferenas na estrutura das cadeias moleculares, podendo ser divididas em: Linear, ramificada, com ligaes cruzadas e de rede. Linear (a): As unidades mero so unidas ponta a ponta em cadeias nicas. Ramificada (b): Cadeias de ramificaes laterais ficam conectadas as cadeias principais. Ligaes cruzadas (c): As cadeias lineares ficam unidas umas s outras em vrias posies atravs de ligaes covalentes. De rede (d): Possuem trs ligaes covalentes ativas formando redes tridimensionais. a) b) d)

c) So classificados, tambm, quanto sua origem. Naturais: foram produzidos pela natureza. Ex.: madeira, couro, l, celulose, etc. Sintticos: fabricados pelo Homem. Ex.: plstico, nylon, isopor, acrlico, etc. Quanto ao nmero de monmeros. Homopolmero: Quando todos meros so iguais. Copolmero: Quando duas ou mais unidades de diferentes meros participam das molculas a) Copolmero alternado d) Copolmero enxertado b) Copolmero em bloco c) Copolmero randmico

22 22 12 Propriedades Mecnicas Pelo fato de a maioria dos materiais polimricos serem altamente sensveis taxa de deformao, temperatura e natureza qumica do ambiente, as propriedades mecnicas que se necessitam saber desse material deve ser principalmente o mdulo de elasticidade e resistncias trao, impacto e fadiga dos mesmos, para se conhecer at qual ponto deve ser aplicado. 6.1) Resistncia trao e mdulo de elasticidade O primeiro teste aplicado para se conhecer a propriedade dos polmeros o o mdulo de elasticidade. Nesse teste, aplicada uma fora no polmero, onde se verificar a deformao do material de acordo com a tenso aplicada. Submetidos a esse teste, os polmeros so classificados em 3: Frgeis: so aqueles que no sofrem muita deformao, apesar de precisar que uma tenso alta para chegar ao ponto de ruptura, exemplo: polimetilmetacrilato- acrlico; Plsticos/dcteis: j permitem uma deformao maior, mas com uma dimunuio nos valores de tenso para alcanar seu ponto de ruptura, exemplo: teflon, pvc; Elsticos, so o inverso dos frgeis, so materiais que com pouca tenso aplicada produzem altos valores de deformao, exemplo: elastmeros borrachas. Os mais comumente usados so os polmeros dcteis, que no so altamente deformveis nem to frgeis, e que quando trabalham dentro da sua margem de deformao linear, pouco se desgasta o material. No entanto, deve-se observar para esses polmeros no trabalharem dentro da fase plstica, pois assim o acrscimo de tenso pode provocar a ruptura. Polmeros submetidos a diferentes temperaturas Outra propriedade ligada aos polmeros so descobertas quando submetidos a diferentes temperaturas, pois o material pode alterar suas caractersticas de acordo com o impacto que altas ou baixas temperaturas provocam. Acima se encontra o grfico tenso x deformao de polimetilmetacrilato, que em temperaturas ambiente, ele se comporta como um material frgil, mais medida que se aumenta a temperatura, ele adquire caractersticas de um polmero elstico. Tcnicas de Conformao (Plsticos) Para o processo de conformao de polmeros plsticos, a moldagem o processo mais tradicional utilizado. Nesse processo, o plstico forado, seja por altas temperaturas ou presso, a escoar, preencher e assumir uma cavidade de um molde. Esse processo pode ser feito em diferente tipos de moldagem: Compresso O material inserido dentro de um molde. Ambas as partes so aquecidas e o molde fechado, com aplicao de calor e presso no seu interior. Insuflao - Esse processo segue os seguintes passos. Primeiro, um pedao de tubo feito com polmero extrudado e inserido num molde com forma desejada. Em seguida, injetado ar ou vapor no interior do tubo forando as paredes a se conformarem de acordo com o contorno do molde, logo depois ejetado. Injeo Esse processo segue a figura abaixo. Primeiramente, o material polimrico amolecido no compartimento instalado na parte superior (a), em seguida ele empurrado sob alta presso at um molde (b), depois de esfriado o molde aberto e o material pronto. Extruso - Moldagem por injeo de um termoplstico viscoso atravs de uma matriz com extremidade aberta. Uma rosca sem fim empurra o material peletizado compactando fundindo e conformando pelo orifcio da matriz. Bastes, tubos, filamentos, mangueiras, etc.

Polmeros na Construo Civil Os polmeros, assim como metais e cermicos, so um dos materiais mais utilizados dentro da Engenharia Civil assim como na construo, pois abrange madeira, plsticos, entre outros. Suas principais aplicaes so: Tintas e vernizes; Impermeabilizao;

Isolamento Trmico; Fios e fibras polimricas; Aditivos Qumicos; Selantes; Eletrodutos e materiais eltricos;

Tubulaes e conexes Hidrosanitrias;

Espumas. Concluso Portanto, conclumos que os polmeros so compostos formados por unidades orgnicas conhecidas como meros, que tem o carbono como base de sua constituio e compreendem materiais bastante conhecidos, entre eles madeira, plsticos, l, borracha, algodo, couro, entre outros materiais. Os polmeros so classificados, principalmente: quanto sua origem: natural, produzidos pela natureza; sinttico, produzidos pelo homem. quanto temperatura: termoplsticos, amolecem quando aquecidos; termofixos, permanentemente duros. Suas principais caractersticas so de materiais de baixa densidade, boa resistncia corroso e apresentam boas caractersticas de isolamento trmico e eltrico, que os fazem de ampla aplicao, no que tange a engenharia civil, temos ele como principal composto na fabricao de tintas, tubulaes, eletrodutos, fios polimricos, e alm do mais tem grande contribuio no processo de impermeabilizao, que impede a entrada de gua em construes, assim como tambm em isolao trmica, que ganha destaque quanto sensao trmica e conforto dentro de edificaes. E para a confeco desses materiais o processo mais tradicional e eficaz o moldagem, onde o composto ou aquecido ou submetido a altas presses levado a preencher o espao reservado por um molde pr-estabelecido do formato desejado. Referncias Bibliogrficas Acesso em 06/01/15, s 15:30 Acesso em 06/01/15, s 15:40 Acesso em 06/01/15, s 15:40 Acesso em 05/01/15, s 20:15 Notas de Aula 22 22 21