CONCEITOS SOBRE POLÍMEROS

CONCEITOS SOBRE POLÍMEROS

1. O que são polímeros? Como estes materiais se distinguem de outros (metais e cerâmicas) em termos de propriedades, ligações químicas, estrutura, processamento e comportamento?

Os materiais poliméricos são macromoléculas formadas pela reunião de unidades fundamentais (os “meros”) repetidamente que dão origem a longas cadeias. O tamanho das cadeias formadas principalmente por átomos de carbono, ou seja a massa molar, é o aspecto principal que confere à este grupo de materiais uma série de características à eles associadas. Materiais poliméricos apresentam usualmente baixa densidade, pequena resistência à temperatura, baixas condutividades elétrica e térmica, etc. Polímeros são sintetizadas por reações de polimerização a partir de dos reagentes monômeros. Vários polímeros se tornam fluidos viscosos a temperaturas elevadas (100-300°C) e são ainda processados através de procedimentos termomecânicos que permitem a fabricação de peças em grande quantidade e diversidade.

Materiais metálicos são aqueles que, em geral, apresentam altas condutividades térmica e elétrica, grande ductilidade, entre outras propriedades. Os metais são formados por átomos dotados de grande número elétrons suficientemente livres para se movimentarem a partir de baixos potenciais elétricos ou térmicos. Quando, em metais puros, são adicionados outros elementos, tem-se a formação das ligas. Assim, tem-se ligas de alumínio, de titânio, de magnésio, etc. O aço é formado pela introdução até 0,6% em peso de carbono no ferro. Os metais são produzidos basicamente através de fundição (vazamento do material líquido em moldes) e através de processos termomecânicos (forjamento, laminação, trefilação, etc.).

Já, materiais cerâmicos são geralmente carbonatos, óxidos, cloretos, fluoretos, carbetos, entre outros que apresentam propriedades como alta dureza, baixa ductilidade, baixas condutividades térmica e elétrica e elevada resistência à temperatura. Os materiais cerâmicos são usualmente formados pela associação de íons positivos (cátions) como íons negativos (ânions). Exemplos de cerâmicas incluem o cloreto de sódio, óxido de alumínio (ou alumina), óxido de silício (ou sílica), etc. Como apresentam em geral elevadas temperaturas de fusão, os materiais cerâmicos são usualmente produzidos via sinterização de pós.

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2. Mostre as diferenças entre polímeros termoplásticos e termorrígidos em termos do comportamento desses materiais frente à temperatura, tipos de ligações químicas intermoleculares, processamento e reciclagem? Como se comportam polímeros termoplásticos e termorrígidos frente a ação de um solvente?

Polímeros denominados termoplásticos podem ser amolecidos, o que permite a deformação desses a partir da aplicação de pressão. Quando resfriados, tais polímeros retomam a sua rigidez inicial. O comportamento desse tipo de polímero viabiliza a produção em larga escala de artefatos através de meios como a extrusão e a moldagem por injeção. Outro importante aspectos desses polímeros é que eles podem ser reciclados a partir de rejeitos e refugos, já que são facilmente remodelados através da aplicação combinada de pressão e temperatura. Exemplos desse tipo de polímero são o polietileno, polipropileno, PMMA [poli(metacrilato de metila)], politetrafluoretileno (Teflon®), Nylon®, etc.

Por outro lado, polímeros termorrígidos são aqueles que não amolecem com o aumento da temperatura e por isso, uma vez produzidos, não podem ser re-deformados ou re-processados. Para esse tipo de polímero, uma elevação contínua da temperatura leva à degradação do material (queima) antes de que qualquer alteração mais dramática nas propriedades mecânicas ocorra. Sendo assim, tais materiais são de difícil reciclagem e após terem adquirido sua forma final, apenas etapas de processamento via usinagem são possíveis. Exemplos desse tipo de material englobam as borrachas vulcanizadas, os hidrogéis, as resinas epoxidícas e fenólicas, entre outras.

Polímeros termoplástico são caracterizados por possuir ligações química fracas (van der Waals) entre as cadeias que assim podem ser facilmente rompidas com a introdução de energia. Dessa forma, quando tais materiais são aquecidos, as ligações de van der Waals são quebradas, permitindo que haja uma maior facilidade para a movimentação de cadeias poliméricas umas em relação às outras. A capacidade das cadeias de fluir com a aplicação de temperatura garante à esses materiais suas características fundamentais de fácil re-processabilidade.

Por outro lado, polímeros termorrígidos apresentam cadeias conectadas entre si por ramificações ou braços compartilhados. Assim, ligações químicas primárias (covalentes) são responsáveis pelas ligações cruzadas entre cadeias, as quais só são rompidas com a introdução de elevadas quantidades de energia que usualmente levam também ao rompimento das ligações constituidoras das cadeias poliméricas (com a conseqüente degradação - queima - do polímero). Assim sendo, percebe-se que o tipo de ligação entre cadeias, nesse caso, é responsável pelo comportamento característico dos termorrígidos de não serem facilmente conformados e reprocessados através apenas da ação conjunta de pressão e temperatura.

O comportamento dos polímeros frente a ação de solventes também pode ser explicado pelo tipo de interação entre cadeias existente. Assim, para polímeros termoplásticos, a solubilização do polímero por um determinado solvente é possível quando as interações entre as moléculas do solvente e as cadeias poliméricas apresentam uma magnitude superior à magnitude de interações entre as cadeias poliméricas. Nesse caso, as moléculas de solvente são capazes de romper as ligações fracas (van der Waals) que unem as cadeias poliméricas e substituí-las por ligações um pouco mais fortes (mas ainda do tipo van der Waals) solvente-polímero. Com a redução do grau de interação entre cadeias do polímero submetido à ação de um solvente efetivo, essas ganham maior liberdade de se moverem umas em relação às outras levando à desintegração e solubilização do material (Figura 1).

Já no caso de polímeros termorrígidos, as ligações entre cadeias são primárias, de alta energia e que não são passíveis de rompimento pela ação de solventes. Assim, polímeros termorrígidos são normalmente insolúveis. A introdução de fluidos quimicamente compatíveis com polímeros termorrígidos levam ao chamado