Ciências dos Materiais - Aula 10 - Materiais Poliméricos e suas aplicações

Ciências dos Materiais – Aula 10 Prof. Felipe D. Machado
Polímeros
Ciência dos Materiais

Processamento, estrutura e propriedades
processamento
estrutura propriedades

Materiais: estrutura e propriedades
Material Estrutura Propriedades
Ligação Cristali-
nidade
Estabilidade Conduti-
bilidade
Mecânica
Cerâmico Iônica,
covalente
Amorfa,
cristalina Alta Média Média
Metálico Metálica
Cristalina Média Alta Alta
Polimérico Covalente,
van der Waals
Amorfa,
semicristalina Baixa Baixa Baixa
[VanVlack,1984]

Estabilidade térmica e química
Suscetível a corrosão, oxidaçãoMetal
Resistente a corrosão, oxidação,
altas temperaturas
Cerâmica
Degrada com solventes
(orgânicos), altas temperaturas
Polímero
CaracterísticaMaterial

Condutividade elétrica
[Callister,2000]
10-8 a 10-7Metal
10-6 a 1018Cerâmica
108 a 1017Polímero
Resistividade elétrica (ohm-m)Material

Condutividade térmica
[Callister,2000]
10 a 400Metal
1 a 500Cerâmica
0,01 a 0,5Polímero
Condutividade térmica (W/m.K)Material

Módulos de elasticidade
10 a 400Metal
10 a 1200Cerâmica
0,002 a 5Polímero
Módulo de elasticidade (GPa)Material
[Callister,2000]

Resistência mecânica
100 a 2400Metal
10 a 1500Cerâmica
10 a 90Polímero
Resistência sob tensão (MPa)Material
[Callister,2000]

Deformação
1 a 60Metal
-Cerâmica
1 a 1400Polímero
Deformação (%)Material
[Callister,2000]

Tenacidade à fratura
20 a 90Metal
0,3 a 12Cerâmica
0,5 a 6Polímero
Tenacidade a fratura (MPa.m-1/2)Material
[Callister,2000]

TIPO DE
MATERIAL
CARACTERÍSTICAS CONSTITUINTES
METÁLICO Média - alta resistência mecânica
Alta ductilidade
Bom condutor térmico e elétrico
baixa - alta temperatura de fusão
Baixa - alta dureza
Elementos metálicos
e não-metálicos
POLIMÉRICO Bom isolante térmico e elétrico
Alta ductilidade
Baixa resistência mecânica
Baixa dureza
Baixa estabilidade térmica
Cadeias moleculares
orgânicas
CERÂMICO Alta resistência mecânica
Alta fragilidade
Bom isolante térmico e elétrico
Alta temperatura de fusão
Alta dureza
Óxidos
silicatos
nitretos

Um conceito
Plástico (comportamento) refere-se a
materiais que se deformam plasticamente,
ou seja, não retornam a forma original
após moldados.
Este material, conhecido tecnicamente como
polímero, são moléculas muito grandes
compostas por micropartes que se repetem
unidas ao longo da cadeia molecular.

Polímeros
• MONÔMEROS
• MACROMOLÉCULAS
• Monômeros com:
• Ligações são simples - saturada
• CnH2n+2 são denominadas parafinas
– Etano: C2H6
• Ligações duplas ou triplas – insaturadas
– p.ex.:
• Etileno (eteno): C2H4
• Acetileno (etino): C2H2

•Etano
•Etileno
Eteno
•Acetileno
Etino
saturada
insaturada
insaturada

CnH2n+2
CnH2n

• Polímeros – macromoléculas orgânicas,
sintéticas ou naturais;
• Naturais – couro, seda, chifre, algodão, lã,
madeira, borracha, etc;
• Baseados em átomos de carbono,
hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e
outros não metálicos;
• Ligação química entre átomos da cadeia é
covalente
• Ligação entre as cadeias é fraca, geralmente
dipolar (van der Waals).

Bicho-da-seda e casulo

Borracha natural - látex

CARACTERÍSTICAS POLÍMEROS
• São geralmente leves, isolantes elétricos e
térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência a
corrosão e baixa resistência ao calor;
• Os desenvolvimento dos plásticos modernos
ocorreu principalmente após 1930, depois que a
química orgânica foi criada.

Tipos de Macromoléculas
• Macromoléculas sintéticas orgânicas: polietileno,
policloreto de vinila, náilon e outros;
• Macromoléculas naturais orgânicas: couro, seda, chifre,
algodão, lã, madeira, borracha natural, cabelo, unha;
• Macromoléculas naturais inorgânicas: diamante, grafite,
sílica e asbesto;
• Macromoléculas sintéticas inorgânicas: ácido
polifosfórico e policloreto de fosfonitrila.
• Compostos orgânicos são os compostos do elemento carbono com
propriedades características. Além do carbono, os principais elementos que
compõem a grande maioria das substâncias orgânicas são: hidrogênio (H),
oxigênio (O), nitrogênio (N), enxofre (S) e halogênios (Cl, Br e I).

Fontes de polímeros sintéticos
• Petróleo e Gás natural.
• Destilação do petróleo  nafta
• Álcool de cana de açúcar

Classificação:
Termoplásticos:
Geralmente de cadeias lineares, podem ser
amolecidos sob ação de calor, deformados sob
ação de tensões e após o resfriamento,
recuperam a natureza sólida.
Este processo pode ser repetido. Podem ser
conformados novamente. Reciclagem de peças
e aparas de processo. Muitos são parcialmente
cristalinos e outros totalmente amorfos. Ex.:
polietileno, PVC, PP, PS.

Termorrígidos / Termofixos:
Cadeias mais complexas são conformáveis
plasticamente em apenas um estágio intermediário
de sua fabricação. O produto final é duro e não
amolece mais com aplicação de calor. Não são
atualmente recicláveis. Os termorrígidos são
totalmente amorfos. Ex.: baquelite, resinas epoxi,
poliésteres, PU, etc.

Elastômeros:
São materiais conformáveis plasticamente, que se
alongam elasticamente de maneira acentuada até a
temperatura de decomposição e mantém estas
características em baixas temperaturas.
Os elastômeros são estruturalmente similares aos
termoplásticos, são parcialmente cristalinos. Ex.:
borracha natural, neopreno, borracha de estireno,
de butila, de nitrila.

Do gás ao Plástico
3 Geração
Injeção / Sopro / Extrusão
Indústrias Transformadoras
2 Geração
Polimerização
OPP / Bayer /DOW
1 Geração
Refino da Nafta
Copesul
Refinaria
Petrobrás
Extração da Nafta
Nafta
Etileno
Propileno
PP PEBD
PEAD PS
Utilidades Domésticas
Peças de Automóveis

Polimerização
• adição – Iniciação, Propagação e Término
• condensação - reação de duas ou mais
substâncias diferentes com a eliminação de
água e HCl, geralmente.

Polimerização
Gás-monômero
Pressão
Temperatura
Catalisadores
Reator

Polimerização por adição

Polimerização
por adição
A molécula de peróxido
de hidrogênio (H2O2)
fornece dois radicais de
hidroxila, OH, que
servem para iniciar e
finalizar a polimerização
do eteno em polietileno.
iniciação
propagação
terminação

Diagrama esquemático do processo de polimerização por adição

Polimerização por condensação
fenol
formaldeído
Um único primeiro estágio na formação de fenol-
formaldeído por um processo de crescimento em
estágios (polimerização por condensação). Uma
molécula de água é o produto da condensação.

Diagrama esquemático do processo de polimerização por condensação:
(a) cadeias lineares e (b) cadeias não-lineares

Polimerização por condensação
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Dimetil Tereftalato Etileno Glicol
Poli Tereftalato de Etila Álcool Metílico

Estrutura dos Molecular
• Cadeias:
• lineares são formadas por monômeros bifuncionais,
possuem alta plasticidade a quente.
• ramificadas são obtidos quando cadeias lineares
formam ligações paralelas no corpo do monômero, o
que limita o seu movimento.
• ligações cruzadas são formados quando uma ligação
ocorre entre duas cadeias lineares, típico das
borrachas.
• em rede são formados por monômeros com 3 ou mais
ligações covalentes, ou por muitas ligações cruzadas.

Arranjo tridimensional da baquelite (em rede).

Estrutura dos Polímeros
Polímeros
Natural Sintético
Proteínas
Polinucleotídios
Elastômeros Termoplásticos
Polisacarídios Termofixos
Gomas e Resinas

Estrutura dos Polímeros
 Polímeros sintéticos
 Devido ao grande número de polímeros cobrindo
uma faixa ampla de propriedades, estes podem ser
divididos em 3 classes principais:
 Plásticos
 Fibras
 Elastômeros

Classificação do ponto de vista tecnológico
(Curvas de tensão-deformação)
 Plásticos rígidos e Fibras:
 Alta resistência a deformação.
 Alto módulo a baixos percentuais de alongamento.
 Elastômeros:
 Baixa resistência a deformação.
 Grandes deformações reversíveis sob baixas tensões e alta
elasticidade.
 Plásticos Flexíveis:
 Comportamento intermediário entre os acima.
• A linha de divisão entre as três classes não é muito clara.
• Plástico pode ser usado como tal ou sob forma de fibra.
• Plástico acima da sua Tg (Temperatura de Transição Vítrea) com
ligações cruzadas = elastômero

Características dos polímeros
Termoplásticos
 Amolece quando aquecido acima da temperatura de fusão (Tm),
moldável a quente e endurece quando resfriado. Este processo pode
ser feito repetidamente.
 Alta estabilidade térmica = esterilização - PP
 Transparência = qualidade ótica - PMMA, PS, PC
 Resistência química e baixo coeficiente de fricção - PTFE
 Resistência ao impacto e Flexibilidade - PE
 Flexibilidade, estabilidade - PVC plastificado

Características dos polímeros
Termofixos (termorrígido)
 Abrasão e estabilidade dimensional superior as dos termoplásticos
com melhor módulo de flexão e resistência ao impacto;
 Mudam irreversivelmente com o aquecimento: Produtos solúveis
 resinas com alto teor de ramificações cruzadas;
 Não moldáveis por fluxo;
 Artefatos devem ser fabricados durante o processo de cruzamento
de ligação “crosslinking”.

Morfologia dos Polímeros
• O termo técnico que designa o arranjo das macromoléculas
que definem o grau de cristalinidade é morfologia.
• Morfologias esquemáticas dos materiais poliméricos.
a) termoplástico amorfo,
b) termoplástico parcialmente cristalino,
c) elastômero e
d) termorrígido.

Amorfos
• As ligações químicas no interior da cadeia são geralmente
ligações covalentes muito fortes, por sua vez, as ligações
entre as cadeias são ligações secundárias fracas. Além
disso, as ligações covalentes são direcionais.
Arranjo tridimensional da baquelite

Grau de Cristalinidade
Tipos de arranjos especiais dos radicais méricos na
macromolécula (grau de taticidade).
Grau de cristalinidade
3
1
2

• Os polímeros isotáticos e sindiotáticos cristalizam
muito mais facilmente, pois a regularidade da
geometria dos grupos laterais facilita o processo
de encaixe das cadeias adjacentes;
• Nos copolímeros, como regra geral, quanto mais
irregulares e quanto maior for a aleatoriedade dos
arranjos das unidades mero, maior será a tendência
para o desenvolvimento de um material não-
cristalino, i.e., amorfo.
Grau de Cristalinidade

• Homopolímero - quando a macromolécula
do polímero é constituída de um único tipo
de mero.
• Copolímero - quando o polímero é uma
combinação de mais de um mero.
Homopolímeros e Copolímeros

(a) monômeros alternados, (b) monômeros randômicos, (c)
copolímeros em bloco, e (d) copolímero grafitizados.
Copolímeros

Blendas
• As blendas poliméricas são misturas físicas
de homopolímeros ou copolímeros,
combinando propriedades de diferentes
componentes e resultando em materiais com
propriedades especiais. A morfologia das
blendas depende de diversos fatores, como:
miscibilidade dos componentes e suas
propriedades reológicas, composição da
mistura e condições de processamento.

Uma blenda de polietileno e policloreto de vinila é
semelhante a uma liga metálica com solubilidade sólida
limitada.
Não apresentam ligação covalente entre elas.

Índice de Fluidez
O que é?
• Indicativo de quanto material flui num
determinado tempo, temperatura e pressão,
padrão, para servir como comparação entre os
polímeros (ASTM 1238);
• Fornece uma relação direta da facilidade de
processamento, do peso molecular, das
características do material e do tipo de processo
adequado;

Facilidade de Processamento
• Quanto mais alto o IF (Índice de Fluidez),
menos viscoso é o material fundido, logo,
o esforço realizado pela máquina é menor;
“ Mais fácil de processar ”
• O inverso é verdadeiro;

Peso Molecular
• O peso molecular é dado pela média dos
comprimentos das cadeias que formam o
polímero, tendo em vista que o crescimento
das cadeias ocorre aleatoriamente dentro do
reator.
Média moléculas curtas=PM pequeno=IF alto
Média moléculas compridas=PM grande=IF baixo

Peso Molecular
• Baixo peso – 100g/mol = líquido / gás;
• Médio peso – 1.000g/mol = pastoso / ceras;
• Alto peso – >10.000g/mol = sólido.

Características do Material
Propriedades IF
Resistência Tração
Rigidez
Dureza
Alongamento
Resistência Impacto
Contração
Temp. Amolecimento
Material
menos
viscoso

Tipo de Processo Adequado
Processo Exigência
Processo
Exigência
Aplicação
Característica
Material
Injeção Alta Fluidez Resist.Impacto PM Baixo
Baixa contração Rigidez DPM Estreita
Parede Grossa DensidadeMaior
Sopro Resist. Fundido Resistência
Empilhamento
PM Médio / Alto
Boa Produtiv. Resist.
Tensofissuramento
DPM Média
Parede Fina Densidade Maior ou
Menor
Filme Resist. Fundido Rigidez PM Alto
Boa Produtividade Resist. Perfuração DPM Larga
Parede Muito Fina Resist. Prop. Rasgo Densidade Maior ou
Menor

Densidade
• É o maior ou menor grau de “organização ” das moléculas
do polímero;
• As variações na disposição das moléculas dentro do
plástico conferem alterações nas propriedades como, por
exemplo, transparência, flexibilidade, dureza ...
- organizadas = + amorfo = - densidade
+ organizadas = +cristalino = +densidade

Densidade x Propriedades
Propriedades Densidade
(cristalinidade)
Resistência Tração
Elasticidade
Dureza
Resist. Química
Impermeabilidade Gás
Resist. Impacto
Transparência

Distribuição do Peso Molecular
DPM
O polímero é composto por moléculas de diferentes
tamanhos que se agrupadas concentram-se
próximo a um tamanho ou se dispersam da média.
Estreita Larga
Moléculas diferentes tamanhosMoléculas tamanhos próximos

DPM x Processamento
• A DPM exerce influência direta nas propriedades do
polímero no estado fundido, no que se refere a viscosidade,
pois as moléculas de tamanho menor servem como
lubrificantes para as maiores, nos casos onde a distribuição
é larga;
• Com relação ao ponto de fusão, o plástico com DPM
estreita terá o ponto mais definido que o material com
DPM maior;
• O processo de injeção necessita de uma DPM mais estreita
enquanto os demais processos uma DPM mais larga
(Processos onde ocorram estiramento).

Peso Molecular Médio e Distribuições
(DPM)
• Uma das características mais importante que distingue os
polímeros sintéticos de uma simples molécula orgânica é a
inabilidade deste em apresentar uma massa molecular
exata;
• Determinado por eventos puramente estatísticos;
• Comprimento da cadeia  depende do tempo de
crescimento da molécula antes de ser terminada
(aleatório).

©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.
Efeito da temperatura de resfriamento na estrutura e
comportamento dos termoplásticos

Resumo das Propriedades
Propriedades Alta Cristalinidade Alto PM Estreita DPM
Viscosidade à fusão aumenta aumenta aumenta levemente
Temp. amolecimento aumenta muito aumenta levemente aumenta levemente
Tensão a deformação aumenta muito aumenta levemente -
Tensão a ruptura diminui levemente aumenta aumenta levemente
Alongamento a ruptura diminui diminui aumenta
Flexibilidade diminui - -
Dureza aumenta muito aumenta levemente -
Resistência a abrasão aumenta aumenta levemente -
Contração maior maior -
Empenamento levemente maior maior maior
Resistência impacto diminui aumenta -
Fragilidade baixa temp. diminui aumenta aumenta
Impermeabilidade gás / liq. aumenta muito aumenta levemente -
Resist. graxas e óleos aumenta aumenta levemente -
Transparência diminui diminui -
Brilho aumenta diminui -
Estiramento aumenta levemente diminui muito diminui
Constante dielétrica levemente maior - -

Propriedades Físicas e Mecânicas
Plástico Aspecto
Visual
Temperatura
de Fusão (C)
Outras
Propriedades
Aplicações Principais Comportamento
Quanto à
Inflamabilidade
PEAD incolor,
opaco
130-135 alta rigidez e
resistência
tampas, vasilhames
frascos em geral
queima lenta, chama
amarela, com odor de
vela
PEBD incolor,
translúcido
a opaco
109-125 alta flexibilidade
e boa resistência
mecânica
utensílios domésticos
sacos, frascos flexíveis
queima lenta, chama
vela
PP incolor,
opaco
160-170 boa resistência a
choques alta
resistência
química
pára-choques de carro
garrafas, pacotes
queima lenta, chama
vela
PS incolor,
transparente
235 grande rigidez;
baixa resistência
a choques ou
riscos;
transparência
utensílios domésticos
rígidos, brinquedos,
industria eletrônica
queima rápida, chama
amarela/laranja, com
odor de estireno
PVC incolor,
transparente
273 flexibilidade com
adição de
modificadores;
alta resistência à
chama
tubos rígidos
água/esgoto tubos
flexíveis, cortinas
queima difícil, com
carbonização e chama
amarelada com toques
verdes
PET incolor,
transparente
opaco
250-270 alta resistência
mecânica e
química,
transparência e
brilho
fibras têxteis, frascos
de refrigerante, mantas
de impermeabilização
queima razoavelmente
rápida, com chama
amarela fuliginosa

Modificação das Propriedades dos Polímeros
 Misturas de polímeros
(blendas)
- Maior resistência ao impacto e a
deformação permanente
 Compósitos
(compostos - polímeros
com cargas)
- Aumento do módulo de elasticidade e
resistência mecânica e ao calor
 Copolimerização
(modificação do
polímero “in situ”)
- Melhoria de diversas propriedades
químicas, físicas e mecânicas
 Modificação química de polímeros - Melhoria de diversas propriedades
químicas, físicas e mecânicas
ex: hidrólise de acetato de celulose, cloração
de borracha,etc..
 Envelhecimento e despolimerização - Redução de peso molecular (modificação
involuntária sob efeito de vários agentes
como O2, O3, UV, calor, ácidos, etc.).
 Degradação - Modificação de peso molecular e
distribuição de pesos moleculares
(peróxidos, calor, etc.).

Sistema de identificação adotado no Brasil
1. PET (poli tereftalato de etila) – garrafas de refrigerante,
fibras sintéticas, etc.;
2. PEAD (polietileno de alta densidade) – engradado de
bebidas, baldes, garrafa de álcool e produtos químicos
domésticos, bombonas, tambores, tubos para líquidos e
gases, tubo para água quente, tanque de combustível,
etc.;
3. PVC (policloreto de vinila) – tubos e conexões,
cobertura de fio elétrico, garrafa de óleo comestível,
calçados, forros, portas, janelas e casas, etc.;

4. PEBD (polietileno de baixa densidade) – embalagens de
alimentos, sacolas, sacos para lixo, lona agrícola e filmes,
etc.;
5. PP (polipropileno) – embalagem para massas e biscoitos,
potes de margarina, seringas, utilidades domésticas,
autopeças, etc.;
6. PS (poliestireno) – eletrodomésticos, copos descartáveis,
componentes internos de refrigerador, etc.;
7. OUTROS – plásticos de engenharia e outras resinas.

Polietileno pode ser dividido em:
PEBD - 0,910 a 0,925 g/cm3
PEMD - 0,926 a 0,940 g/cm3
PEAD - 0,941 a 0,965 g/cm3

Processos de fabricação
Injeção

Extrusão de balão

Moldagem por Sopro

Vulcanização dos Elastômeros
• É o processo de formação de ligações cruzadas
(reticulação) entre as cadeias dos átomos de
enxofre com as cadeias principais do polímero
aquecido.
• Trata-se de uma reação química irreversível,
tornando o elastômero um termofixo.
• Usa-se de 1 a 5 partes (em peso) de enxofre
para 100 partes de borracha. Excesso de
enxofre produz endurecimento da borracha e
reduz sua capacidade de se estender.

Técnicas de Modelação de Fibras
• O processo segundo o qual as fibras são
modeladas é chamado de FIAÇÃO.
• Na maioria das vezes, as fibras são
submetidas à fiação a partir de seu estado
fundido.
• O material é aquecido e, em seguida, o
líquido é bombeado através de uma placa
conhecida como FIADORA com numerosos
orifícios redondos e pequenos.

O PROCESSO DE METALIZAÇÃO

NOVOS MATERIAIS POLIMÉRICOS
• Biodegradáveis;
• Condutores de eletricidade;
• Plástico verde (polietileno a partir do etanol
de cana-de-açúcar).

Polímero
que auto
se
regenera

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