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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
FACULDADE DE ENGENHARIA NAVAL
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
POLÍMEROS
BELÉM
2013
Ariel Victor Nascimento
Rosileide Marques das Mercês
Taiane Larissa Rodrigues Santana
POLÍMEROS
Trabalho acadêmico apresentado como requisito parcial para obtenção de nota para aprovação na disciplina de Materiais de Construção Mecânica, no curso de Engenharia Naval, na Universidade Federal do Pará. Orientador: Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes.
BELÉM
2013
Ariel Victor Nascimento
Rosileide Marques das Mercês
Taiane Larissa Rodrigues Santana
POLÍMEROS
Trabalho acadêmico apresentado como requisito parcial para obtenção de nota para aprovação na disciplina de Materiais de Construção Mecânica, no curso de Engenharia Naval, na Universidade Federal do Pará.
Aprovada em:
_________________________________________
Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes
(Orientador)
(UFPA)
BELÉM
2013
"Não sabendo que era impossível, foi lá e fez".
Jean Cocteau
RESUMO
Polímeros são materiais orgânicos ou inorgânicos, naturais ou sintéticos, de
alto peso molecular, cuja estrutura molecular consiste na repetição de pequenas
unidades, chamadas meros, que compõe as macromoléculas. Estão altamente
presentes em nosso dia a dia, sob a forma de garrafas plásticas, cadeiras,
tubulações, alimentos, dentre outros. Os materiais poliméricos constituem o único
grupo de materiais não-metálicos utilizados em equipamentos de processo, no qual,
alguns polímeros mostram-se mais vantajosos em relação à materiais metálicos, que
eram, até então utilizados, possibilitando assim, maior flexibilidade e economia.
Tendo em vista todas suas utilidades em nossas vidas, o estudo e conhecimento de
tais propriedades e materiais fazem-se extremamente necessários, assim,
aperfeiçoando suas funcionalidades e otimizando suas propriedades, a fim de
garantir melhor qualidade de vida, maior produção industrial a menor custo.
Palavras-chave: Polímeros. Materiais Poliméricos. Meros. Monômeros.
ABSTRACT
Polymers materials are inorganic or organic, natural or synthetic, high
molecular weight whose molecular structure consisting of the repetition of smaller
units called monomers, which comprises the macromolecules. It is highly present in
our daily lives, in the form of plastic bottles, chairs, tubing, food, among others.
Polymeric materials are the only group of non-metallic materials used in process
equipment, in which, some polymers are even more advantageous compared to
metallic materials, which were hitherto used, thus enabling greater flexibility and
economy. In view of all its utilities in our lives, study and knowledge of such
properties and materials make it extremely necessary, thus improving their
functionality and enhancing their properties.
Key-Words : Polymers, Polymeric Materials, Meros, Monomers,
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO............................................................................... 9
1.1 HISTÓRICO.................................................................................... 9
1.2 DEFINIÇÃO.................................................................................... 11
1.2.1 Polímeros naturais........................................................................ 12
1.2.2 Polímeros sintéticos..................................................................... 12
2 POLIMERIZAÇÃO.......................................................................... 13
2.1 OBTENÇÃO DO MONÔMERO...................................................... 13
2.1.1 Petróleo e gás natural................................................................... 13
2.1.2 Hulha, carvão mineral ou carvão de pedra................................. 14
2.2 POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO.................................................... 14
2.3 POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO..................................... 15
2.4 TÉCNICAS DE POLIMERIZAÇÃO.................................................. 17
2.4.1 Massa ............................................................................................ 17
2.4.2 Solução.......................................................................................... 18
2.4.3 Emulsão ......................................................................................... 18
2.4.4 Suspensão...................................................................................... 19
3 CLASSIFICAÇÃO........................................................................... 20
3.1 QUANTO AO MÉTODO DE PREPARAÇÃO................................... 20
3.1.1 Polímeros de adição...................................................................... 20
3.1.2 Polímeros de condensação.......................................................... 20
3.2 QUANTO À ESTRUTURA MOLECULAR........................................ 20
3.2.1 Polímeros lineares......................................................................... 20
3.2.2 Polímeros ramificados................................................................... 21
3.2.3 Polímeros com ligações cruzadas............................................... 21
3.2.4 Polímeros em rede......................................................................... 22
3.2.5 Homopolímeros ............................................................................ 22
3.2.6 Copolímero..................................................................................... 22
3.2.6.1 Aleatório ......................................................................................... 22
3.2.6.2 Alternado......................................................................................... 23
3.2.6.3 Em bloco ou blocado....................................................................... 23
3.2.6.4 Grafitizado ou enxertado................................................................ 24
3.3 QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO............................ 25
3.3.1 Plásticos......................................................................................... 25
3.3.1.1 Termoplásticos................................................................................ 25
3.3.1.2 Termorrígidos.................................................................................. 25
3.3.1.3 Baroplásticos................................................................................... 26
3.3.2 Elastômeros................................................................................... 26
3.3.3 Fibras.............................................................................................. 27
3.4 QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO.................................... 28
3.4.1 Termoplásticos convencionais (commodities)........................... 28
3.4.2 Termoplásticos de uso industrial................................................. 28
3.4.3 Termoplásticos de engenharia..................................................... 28
3.4.4 Termoplásticos de alta performance........................................... 29
4 PROPRIEDADES............................................................................ 29
4.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS...................................................... 29
4.1.1 Resistência ao impacto................................................................. 32
4.1.2 Fadiga............................................................................................. 32
4.1.3 Resistência à ruptura e dureza..................................................... 32
4.1.4 Fratura ............................................................................................ 33
4.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS......................................................... 34
4.2.1 Fluência e relaxação de tensão.................................................... 35
4.2.2 Fusão cristalina.............................................................................. 35
4.2.3 Transição vítrea.............................................................................. 35
5 PROCESSOS DE PRODUÇÃO...................................................... 36
5.1 MOLDAGEM POR COMPRESSÃO E POR TRANSFERÊNCIA..... 38
5.2 MOLDAGEM POR INJEÇÃO........................................................... 40
5.3 MOLDAGEM POR EXTRUSÃO....................................................... 41
5.4 MOLDAGEM POR INSUFLAÇÃO................................................... 42
5.5 FUNDIÇÃO E ROTOMOLDAGEM................................................... 43
5.6 MOLDAGEM POR FIAÇÃO............................................................. 44
5.7 PROCESSO DE TERMOFORMAGEM............................................ 46
5.8 PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO................................................. 46
6 VANTAGENS E DESVANTAGENS................................................ 49
7 APLICAÇÕES.................................................................................. 50
7.1 POLÍMEROS USADOS PARA O TRATAMENTO DE
EFLUENTES.................................................................................. 50
7.2 POLÍMEROS ENCONTRADOS NOS ALIMENTOS....................... 51
7.3 POLÍMEROS USADOS NOS PLÁSTICOS................................... 52
7.4 POLÍMEROS USADOS NOS VIDROS.......................................... 53
7.5 POLÍMEROS USADOS NAS BORRACHAS.................................. 54
7.6 POLÍMEROS USADOS NO SETOR DA SAÚDE............................ 55
7.7 APLICAÇÕES NA ENGENHARIA NAVAL...................................... 56
8 RECICLAGEM................................................................................ 57
9 CONCLUSÃO................................................................................. 62
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................... 63
9
1 INTRODUÇÃO
1.1 HISTÓRICO
Os polímeros são conhecidos desde a antiguidade e até o inicio do século XIX
acreditava-se na Teoria da Força Vital1 enunciada por Berzelius, ou seja, só era
possível utilizar os polímeros produzidos naturalmente, pois não havia tecnologia
disponível para promover reações entre os compostos de carbono.
A ciência e indústria dos polímeros só foi ter início após esta época, ainda no
século XIX, quando Hancock, na Inglaterra descobriu a ―mastigação‖ da borracha
natural, tendo sido em 1843 patenteada a vulcanização da borracha por meio de
enxofre. Em 1839, Charles Goodyear, na América do Norte, tinha apresentado
independentemente uma patente semelhante feita principalmente com enxofre,
conferindo à borracha as características de elasticidade, não pegajosidade e
durabilidade tão comuns nas aplicações dos dias atuais e, mais tarde, em 1851, viria
a descobrir a ebonite, iniciando assim o desenvolvimento dos plásticos
termoendurecíveis.
Em 1846, Christian Schónbien, químico alemão, tratou o algodão com ácido
nítrico, dando origem à nitrocelulose, primeiro polímero semi-sintético. Em 1862, o
inglês Alexander Parker dominou completamente essa técnica, patenteando a
nitrocelulose (ainda é comum a cera Parquetina, nome derivado de Parker). O
primeiro polímero sintético foi produzido por Leo Baekeland (1863-1944), em 1912,
obtido através da reação entre feno1 e formaldeído. Esta reação gerava um produto
sólido (resina fenólica), hoje conhecido por baquelite, termo derivado do nome de
seu inventor.
A primeira experiência comercial de alta relevância em relação aos polímeros
deve-se a Hyatt, que em 1870, nos Estados Unidos, utilizando cânfora, como
plastificador de nitrato de celulose produziu a Celulóide. A celulóide rapidamente
tornou-se um sucesso comercial e dominou o mercado durante cerca de 30 anos,
embora, devido à sua alta inflamabilidade, logo se procurassem materiais
alternativos mais estáveis.
No início do século XX começou a se desenvolver Os plásticos baseados em
acetato de celulose e caseína. Em 1917, a falta de matéria-prima estimulou o
desenvolvimento de uma borracha sintética a partir do dimetilbutadieno. O produto
serviu como ponto de partida para a difusão da grande indústria da borracha
sintética, mesmo tendo suas propriedades inferiores às borrachas naturais. Já em
10
1933 deu-se a descoberta do polietileno por Gibson, Fawcett e Swallow e em 1934,
W. H. Carothers, trabalhando para a Dupont descobriu o nylon e,
subsequentemente, desenvolveu um trabalho pioneiro sobre a teoria das reações de
polimerização por condensação. Em 1939 a ICI passou a produzir o polietileno de
alta pressão industrialmente.
A maioria dos polímeros modernos é resultado do trabalho de Natta que
desenvolveu catalisadores organometálicos de polimerização que permitiram obter,
na década de 50, o polietileno de alta densidade e o polipropileno isostático.
Muitos dos plásticos, borrachas e materiais fibrosos que nos são úteis nos
dias de hoje consistem em polímeros sintéticos. De fato, desde o fim da Segunda
Guerra Mundial, o campo dos materiais foi virtualmente revolucionado pelo advento
dos polímeros sintéticos. Os materiais sintéticos podem ser produzidos de maneira
barata, e as suas propriedades podem ser administradas num nível em que muitas
delas são superiores às suas contrapartes naturais (CALLISTER, 2002).
_________________________ 1
Teoria da força vital: Foi uma antiga teoria em que se acreditava que apenas seres vivos pudessem
produzir matéria orgânica.
11
1.2 DEFINIÇÃO
A palavra Polímeros é derivada do grego Poli, que quer dizer muitos, e Mero,
que quer dizer unidades de repetição.
Um Polímero, segundo a IUPAC – International Union of Pure and Applied
Chemistry, é uma substância caracterizada por uma repetição múltipla de um ou
mais espécies de átomos ou grupo de átomos unidos uns aos outros de maneira que
mudanças na massa molar por acréscimo ou remoção de unidades não altera as
propriedades gerais. Essas unidades que se repetem são conhecidas como meros
ou unidades monoméricas e são ligadas entre si por ligações covalentes do tipo sp3.
Entretanto, existem polímeros que não possuem massa molecular muito elevada,
sendo chamados de oligômeros. Para os polímeros que de fato possuem alta massa
molecular (da ordem de 103 a 106 g/mol), usa-se a expressão, alto polímero (high
polymer).
Os polímeros são produtos heterogêneos, pois possuem uma mistura de
moléculas de diferentes massas moleculares, apresentando, portanto,
polimolecularidade, diferentemente das substâncias químicas de baixa massa
molecular.
A matéria-prima para a produção de um polímero é o monômero, isto é, uma
molécula com uma (mono) unidade de repetição. Dependendo do tipo do monômero
(estrutura química), do número médio de meros por cadeia e do tipo de ligação
covalente, poderemos dividir os polímeros em três grandes classes: Plásticos,
Borrachas e Fibras (CANEVAROLO, 2006).
O DNA, a celulose (madeira) e os carboidratos são classificados como
polímeros naturais enquanto que os plásticos são denominados polímeros sintéticos.
Os polímeros podem ser classificados quanto à obtenção, função química,
resistência mecânica e aplicação tecnológica de acordo com a Tabela 1:
12
Tabela 1: Classificação dos polímeros
Obtenção
Naturais
Orgânicos: borracha, amido, etc
Inorgânicos: asbesto, sílica, etc
Sintéticos
Orgânicos: náilon, acrílico, etc
Inorgânicos: poli(cloreto de fosfonitrila), etc
Função química Polihidrocarbonetos, poliésteres, poliamidas, etc
Resistência mecânica Plásticos, fibras, borrachas e resinas
Aplicação tecnológica Termoplásticos e termorrígidos
Fonte: Elaboração própria, 2013.
1.2.1 Polímeros naturais
São aqueles que encontramos na natureza, por exemplo, borracha (extraída
da seringueira), celulose, proteínas, polissacarídeos, entre outros. São úteis na
fabricação de diversos materiais como papel, pneus, etc. Como se sabe, proteínas e
polissacarídeos estão presentes nos alimentos que ingerimos.
1.2.2 Polímeros sintéticos
Os materiais poliméricos produzidos artificialmente surgiram da necessidade
de imitar os polímeros naturais. São produzidos pela síntese: processo que surgiu
após a descoberta da Química Orgânica (segunda metade do século XIX), e requer
tecnologia sofisticada, pois envolve reações químicas em laboratório.
13
2 POLIMERIZAÇÃO
A síntese dos polímeros com grandes pesos moleculares é chamada de
polimerização (Fig. 1); este é simplesmente o processo segundo o qual as unidades
monoméricas se unem umas às outras para gerar cada uma das moléculas gigantes
constituintes. Na maioria das vezes, as matérias-primas para os polímeros sintéticos
são derivadas do carvão e de produtos da indústria do petróleo, os quais são
compostos por moléculas que possuem baixos pesos moleculares (CALLISTER,
2002).
Em termos gerais, podem ser considerados dois mecanismos fundamentais de
polimerização: polimerização com crescimento em cadeia (adição ou radicalar) e
polimerização com crescimento em etapas (passo-a-passo ou condensação), no
entanto, existem outros mecanismos de menor relevância como a polimerização por
coordenação, em que se utilizam catalisadores metálicos. Atualmente os polímeros
sintéticos, do ponto de vista prático e econômico, são considerados os mais
importantes. Entretanto, diferente dos polímeros naturais, eles não são encontrados
prontos para que possamos adaptá-los para o nosso uso, devem ser sintetizados.
Para que uma substância micromolecular possa dar origem a um polímero
(substância macromolecular) é necessário que ela possua funcionalidade igual a 2
ou mais. Ou seja, a molécula deve possuir, ao menos, dois sítios ativos que possam
permitir o crescimento da cadeia polimérica.
Figura 1: Processo de polimerização (simplificado). Fonte: Elaboração própria (2013).
2.1 OBTENÇÃO DO MONÔMERO
As fontes de obtenção do monômero podem ser dividias em três grupos:
petróleo, e gás natural; hulha e produtos naturais.
2.1.1 Petróleo e gás natural
Através da destilação fracionada onde se obtém: gás de petróleo, gasolina,
óleo diesel, óleo combustível, óleo lubrificante e asfalto. A polimerização destes
14
produtos assim obtidos origina uma grande variedade de materiais plásticos
conhecidos atualmente.
2.1.2 Hulha, carvão mineral ou carvão de pedra
Produto sólido encontrado no subsolo resultante da fossilização de tecidos
vegetais durante milhares de anos sob a ação de elevadas pressões e temperaturas
na ausência de oxigênio. Foi um dos primeiros materiais conhecidos como fonte de
matéria prima para a preparação de polímeros sintéticos. Através da destilação seca
é onde se obtém: gás de hulha, etileno, metano, amônia, alcatrão de hulha e coque.
Para fins químicos, é o alcatrão que é constituído por uma mistura complexa de
vários compostos orgânicos.
A destilação fracionada se faz necessária para a separação dos constituintes
desta mistura, o que origina as matérias-primas que se destinam à produção de
resinas plásticas.
2.2 POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO
Denominada também de polimerização em cadeia, consiste na adição de uma
molécula a outra através da utilização de ligações insaturadas. Segundo Callister
(2002) é um processo segundo o qual unidades monoméricas bifuncionais são
fixadas, uma de cada vez, conforme uma cadeia, para formar uma macromolécula
linear; a composição da molécula resultante é um múltiplo exato do monômero
reagente original.
A polimerização por adição é usada na síntese do polietileno, do polipropileno,
do cloreto de polivinila e do poliestireno, bem como de muitos copolímeros
(CALLISTER, 2002). Por exemplo, o polietileno é formado por sucessivas adições de
unidades CH2=CH2 (monômero) à cadeia polimérica em crescimento. O
desenvolvimento da cadeia pode ser iniciado pela introdução de um radical livre ou
íon que, adicionado a uma molécula de monômero insaturado, gera uma espécie
ativa, que por reações sucessivas com outras moléculas dos monômeros da origem
à cadeia polimérica. Essa fase de crescimento da polimerização ocorre a uma
velocidade muito grande. Finalmente ocorre a terminação da polimerização que
consiste na interrupção do crescimento da cadeia e pode ser por:
(a) Combinação bimolecular de cadeias em crescimento;
15
(b) Desproporcionamento, através de transferência de átomos de hidrogênio de uma
cadeia em crescimento para outra;
(c) Transferência de cadeia, através da transferência de átomos de hidrogênio ou
outro elemento, proveniente do solvente, monômero, iniciador, polímero acabado ou
de outra molécula estranha à cadeia em crescimento;
(d) Combinação de dois ou mais dos processos acima citados. Se duas espécies
diferentes de monômeros são utilizadas como materiais de partida, pode ocorrer
copolimerização, com possibilidade de formação de uma grande variedade,
dependendo das proporções dos monômeros no produto.
Abaixo de uma forma simplificada, o processo de polimerização por adição
(CALLISTER, 2002):
(1) Iniciação: formação de sítio reativo a partir de uma espécie iniciadora (ou
catalisadora) e monômero.
(1)
(2) Propagação da reação: crescimento linear da molécula.
(2)
(3) Terminação da reação: desativação do sítio reativo.
(3)
2.3 POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO
Consiste na formação de polímeros mediante reações químicas intermoleculares
etapa por etapa, que normalmente envolvem mais de um tipo de monômero;
geralmente existe um subproduto de pequeno peso molecular, como a água, que é
eliminado (CALLISTER, 2002). Nesse caso, como não existe diferença de
16
reatividade em relação aos monômeros dos grupos terminais da cadeia, em
qualquer fase do seu crescimento, tem-se uma evolução uniforme, sem as etapas
distintas que caracterizam as poliadições. A funcionalidade dos monômeros (número
de centros ativos) será responsável pela existência ou não de ramificações nas
cadeias poliméricas, assim, um glicol e um diácido darão um poliéster
essencialmente linear, enquanto que se o álcool for o glicerol, que contém três
hidroxilas, tem-se um polímero necessariamente ramificado e, provavelmente, com
ligações cruzadas formando um retículo.
Por exemplo, considere a formação de um poliéster a partir da reação entre o
etileno glicol e o ácido adípico; a reação intermolecular é a seguinte:
Figura 2: Polimerização por condensação Fonte: CALLISTER (2002).
Esse processo em etapas se repete sucessivamente, produzindo, neste caso,
uma molécula linear. A química da reação específica não é importante, mas sim o
mecanismo de polimerização por condensação. Ademais, os tempos de reação para
a condensação são geralmente mais longos do que para a polimerização por adição.
As reações de condensação produzem com frequência monômeros trifuncionais
capazes de formarem polímeros com ligações cruzadas e em rede (CALLISTER,
2002).
Na Tabela 2 apresentam-se um resumo das principais diferenças das reações
de polimerização por adição e por condensação.
17
Tabela 2: Principais diferenças das reações de polimerização por adição e por
condensação.
Polimerização por adição Polimerização por condensação
Não há a formação de subprodutos
durante a reação
Há a formação de subprodutos de baixa
massa molar
O centro ativo é uma insaturação Os centros ativos são radicais funcionais
Normalmente produz uma cadeia
carbônica
Normalmente produz uma cadeia
heterogênea
Apresenta um mecanismo de reação
com Iniciação, Propagação e Término
Não apresenta um mecanismo de reação
Cadeias completas são formadas desde
o inicio da reação, coexistindo polímero
e monômero durante toda a reação de
polimerização
Já no início da reação há a formação de
cadeias poliméricas de baixa massa molar,
com o consumo de todos os materiais
iniciais. A massa molar aumenta com o
tempo de reação
Há a necessidade do uso de um
iniciador
Não precisa iniciador
Fonte: CANEVAROLO (2006).
2.4 TÉCNICAS DE POLIMERIZAÇÃO
O desenvolvimento das técnicas é impulsionado pela necessidade de se obter
polímeros de composição ótima (isentos de impurezas) no menor tempo.
Industrialmente empregam-se quatro técnicas de polimerização: em massa, em
solução, em emulsão e em suspensão. As duas primeiras passam em sistema
homogêneo e as duas últimas em heterogêneo.
2.4.1 Massa
É grandemente aplicada em policondensações industriais em que as reações
são apenas moderadamente exotérmicas e o aumento da viscosidade do meio é
lento, permitindo agitação, transferência de calor e eliminação de bolhas.
18
Segundo Canevarolo (2006), o mais simples arranjo físico é o da
polimerização em massa, em que ao monômero é adicionado ao iniciador. A reação
se inicia com o aquecimento, podendo ser verificada pelo aumento da viscosidade
do meio. Sendo a grande vantagem deste arranjo é a qualidade do produto final, que
é livre de qualquer impureza. Por outro lado, sua desvantagem é a dificuldade de se
controlar a temperatura, pois sendo a reação de polimerização exotérmica, tem-se
uma grande geração de calor (20 Kcal/mol). O que pode gerar pontos quentes
dentro do reator, que instabilizará o crescimento da cadeia, aumentando a
velocidade de término. A morte prematura das cadeias leva a formação de um
polímero com uma distribuição larga de massa molar. Chapas de acrílico são obtidas
comercialmente por este arranjo.
2.4.2 Solução
Usa-se nesse caso um solvente para os monômeros, que poderá ou não
dissolver também o polímero. A homogeneização de temperatura, obtida pela
facilidade de transferência de calor, é a principal vantagem dessa técnica. O
retardamento da reação pelo solvente e a dificuldade de sua remoção do polímero,
que pode provocar bolhas e rachaduras nos artefatos acabados, são as principais
limitações.
No início, todos os componentes (monômero, iniciador e solvente) devem ser
solúveis entre si. Com o decorrer da reação, tem-se a formação do polímero, que
pode ou não ser solúvel no meio. Caso seja solúvel, o produto final é uma solução
do polímero no solvente, normalmente sendo empregada como tal. Caso o polímero
seja insolúvel no solvente, tem-se a polimerização em lama ou com precipitação.
Neste caso, o polímero é separado, seco, granulado e utilizado. Com isso, a escolha
do solvente é muito importante. Industrialmente este é o arranjo físico usado para a
polimerização das poliolefinas, podendo ser utilizado o próprio monômero com
solvente (CANEVAROLO, 2006). Essa técnica pode ser empregada tanto em
policondensação como em poliadições.
2.4.3 Emulsão
Nessa técnica é adicionado um sabão (agente emulsificante) para manter
dispersos os monômeros (líquido orgânico) em um não solvente, que geralmente é a
19
água. Promove-se uma forte agitação; as moléculas de sabão vão formar miscelas
com as pontas hidrófobas viradas para dentro e as pontas hidrófilas para fora. Ao se
adicionar o monômero, parte dele fica na forma de gotas, mas parte irá penetrar nas
miscelas (região hidrófoba). Adicionando-se um iniciador solúvel em água, a
polimerização nas gotas é evitada, mas esta vai ocorrer nas rniscelas. Com a
formação de polímero nas miscelas e conseqüente redução da concentração de
monômero, aparecerá uma pressão osmótica forçando mais monômero a sair das
gotas e imigrar para as miscelas, dando continuidade a polimerização
(CANEVAROLO, 2006).
A polimerização em emulsão é grandemente empregada para poliadições,
pois apresenta vantagens de fácil controle de temperatura, e de rápida e alta
conversão com fácil agitação, por não haver aumento de viscosidade. Tem como
desvantagem a dificuldade de remoção completa do emulsificante, o que restringe
as aplicações do material. Segundo Canevarolo (2006), o produto final é um pó fino,
com granulometria da ordem de 0,05 a 1 mícron. Industrialmente, esta técnica é
empregada para fazer látex, para, por exemplo, tintas residenciais à base de PVA.
2.4.4 Suspensão
Com aplicação industrial, sendo o meio de reação constituído de monômeros,
um iniciador neles solúvel e água. Agitação vigorosa faz com que se formem
gotículas do monômero, onde ocorre a polimerização. É comum o uso de
estabilizadores de emulsão, que podem ser eletrólitos, para aumentar a tensão
interfacial entre as fases.
O iniciador é previamente dissolvido no monômero (para tanto este deve ser
solúvel no monômero), e esta mistura adicionada à água. Um agente de suspensão
também é adicionado e inicia-se a agitação. Esta dispersará o monômero na forma
de pequenas gotas por todo o volume, mantendo-as estáveis pela ação do agente
de suspensão que envolve cada gota, evitando a coalescência delas entre si. Com o
aumento da temperatura, tem-se o início da polimerização de modo individualizado,
em cada uma das gotas. O calor gerado é facilmente retirado pela água, mantendo
todo o sistema com uma temperatura controlada. O produto final são pérolas (ou
contas) na dimensão de 0,01 a 1 mm (10 a 1 000 mícrons), que são separadas,
lavadas, secas e empregadas. Exemplo de polímeros obtidos industrialmente por
este arranjo: PS, PVC, PbíbM, etc. (CANEVAROLO, 2006).
20
3 CLASSIFICAÇÃO
Dependendo do tipo de monômero (estrutura química), do número de meros por
cadeia e do tipo de ligação covalente, poderemos dividir os polímeros em três
grandes classes: Plásticos, Borrachas (ou Elastômeros) e Fibras
(CANEVAROLO, 2002).
É possível listar os polímeros de acordo com determinadas classificações, e
aqui, serão abordadas quatro delas, que são: quanto à estrutura molecular, ao seu
método de preparação, às suas características tecnológicas, e quanto ao seu
comportamento mecânico.
3.1 QUANTO AO MÉTODO DE PREPARAÇÃO
Com relação a esta classificação os polímeros podem ser subdivididos em
duas grandes classes:
3.1.1 Polímeros de adição
São aqueles em que durante a sua formação (reação dos monômeros) não há
perda de massa na forma de compostos de baixo peso molecular. Ex: Polietilenos,
Policloreto de Vinila (PVC).
3.1.2 Polímeros de condensação
São aqueles originados da reação de dois grupos funcionais reativos com
eliminação de moléculas de baixo peso molecular (água, amônio, HCl, etc.) Ex:
Náilons e Poliésteres.
3.2 QUANTO À ESTRUTURA MOLECULAR
3.2.1 Polímeros lineares
São aqueles em que as unidades meros estão unidas ponta a ponta em
cadeias únicas. Essas longas cadeias são flexíveis. Nos polímeros lineares, podem
existir grandes quantidades de ligações de van der Waals entre as cadeias. Ex:
polietileno, o cloreto de polivinila, o poliestireno, o polimetil metacrilato, o náilon e os
fluorocarbonos.
21
Figura 3: Cadeia linear. Fonte: Elaboração própria (2013).
3.2.2 Polímeros ramificados
Cadeias de ramificações laterais encontram-se ligadas às cadeias principais,
o que possibilita a sintetização de polímeros. Tais polímeros são chamados de
polímeros ramificados. A eficiência de compactação da cadeia principal caba sendo
diminuída devido às ramificações laterais, o que ocasionará a diminuição da
densidade polimérica. Polímeros lineares também podem ser ramificados.
Figura 4: Cadeia de ramificações Fonte: Elaboração própria (2013).
3.2.3 Polímeros com ligações cruzadas
Nestes polímeros, as cadeias lineares próximas, estão unidas e arrumadas
em posições diferentes, umas às outras, por ligações covalentes. O Processo de
formação dessas ligações é obtido através de duas maneiras: durante a síntese do
polímero, ou através de uma reação química irreversível, praticada à altas
temperaturas. Muitos dos materiais elásticos com características de borracha
apresentam ligações cruzadas, nas borrachas isso é conhecido por vulcanização.
Figura 5: Cadeia cruzada. Fonte: Elaboração própria (2013).
22
3.2.4 Polímeros em rede
São polímeros no qual as unidades mero tri funcionais, possuem três ligações
covalentes ativas, formando redes tridimensionais. De qualquer forma, um polímero
com muitas ligações cruzadas pode ser classificado como de rede. Ex: materiais
epóxi e a base de fenol-formaldeído.
Figura 6: Rede tridimensional Fonte: Polímeros e Materiais Poliméricos - Manual do Professor.
3.2.5 Homopolímeros
São polímeros onde a cadeia principal é formada por um único mero. Ex:
Polietileno, Polipropileno, Policloreto de vinila
Figura 7: Cadeia de homopolímero Fonte: Polímeros e Materiais Poliméricos. Manual do Professor.
3.2.6 Copolímero
É um polímero que apresenta mais de um mero diferente na cadeia. São
conhecidos como comonômeros cada um dos monômeros utilizados na
copolimerização. Os meros podem distribuir-se de diferentes formas dentro da
cadeia e por esta razão, dividimos os copolímeros da seguinte forma:
3.2.6.1 Aleatório
Não há uma sequência definida de ordenação dos diferentes meros. Ex:
Estireno acrilonitrica- SAN;Copolímero de etileno acetato de vinila (EVA).
23
Figura 8: Copolímero aleatório. Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
Figura 9: Cadeia de Estireno acrilonitrica- SAN Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
3.2.6.2 Alternado
Os diferentes meros se dispõem de maneira alternada. Um dos poucos
exemplos é o anidrido maleico – estireno, utilizado na produção de plastificantes.
Figura 10: Copolímero alternado. Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
3.2.6.3 Em bloco ou blocado
Há a formação de grandes sequências (blocos) de um dado mero se
alternando com outras grandes sequências do outro mero. Ex: borracha
termoplástica tribloco de estireno e butadieno (SBS) ou isopreno (SIS).
24
Figura 11: Copolímero em bloco Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
Figura 12: Cadeia de poliestireno e polibutadieno (SBS) Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
3.2.6.4 Grafitizado ou enxertado
Polímero composto de macromoléculas enxertadas, que são macromoléculas
com uma ou mais espécies químicas conectadas à cadeia principal como cadeias
laterais. Essas cadeias laterais possuem aspectos constitucionais ou
configuracionais que diferem daqueles da cadeia principal. Ex: copolímero de
Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (ABS)
Figura 13: Homopolímero ligado covalentemente á outra cadeia polimérica. Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
25
Figura 14: Estrutura do copolímero de Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (ABS). Fonte: Slide SENAI/SIMATEC, 2010.
3.3 QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO
Segundo Canevarolo (2006), os polímeros podem ser classificados quanto ao
comportamento mecânico em:
3.3.1 Plásticos
Um material polimérico sólido na temperatura de utilização, normalmente a
ambiente ou próxima dela. Eles podem ser subdivididos em:
3.3.1.1 Termoplásticos
Plásticos que, quando sob um aumento substancial da temperatura e
marginal da pressão, amolecem e fluem, podendo ser moldados nestas condições.
Retirada a solicitação (T e P) se solidificam adquirindo a forma do molde. Novas
aplicações de temperatura e pressão reiniciam o processo, portanto são recicláveis.
São solúveis e possuem cadeia linear ou ramificada. Exemplos: PE, PP, PVC, etc.
3.3.1.2 Termorrígidos
Também conhecidos por termofixos, termoendurecidos, polímero em rede ou
em retículo, são plásticos que, quando sujeitos a um aumento substancial da
temperatura e marginal da pressão, amolecem e fluem, adquirindo a forma do
molde, reagem quimicamente, formando ligações cruzadas entre cadeias e se
26
solidificam. Subsequentes aumentos de temperatura e pressão não têm mais
influência, tornando-os materiais insolúveis, infusíveis e não-recicláveis, Assim, os
termorrígidos são moldados quando ainda na forma de pré-polimero (antes da cura,
sem ligações cruzadas). Exemplos: resina de fenol-formaldeído (baquelite), epóxi
(araldite), etc.
3.3.1.3 Baroplásticos
Plásticos que, com um aumento substancial da pressão e marginal da
temperatura, fluem através de rearranjos em sua conformação. Seu estado físico
deve ser borrachoso, ou seja, a temperatura de solicitação (T) deve estar entre Tg <
T < Tm.
Figura 15: Plásticos Fonte: Otro sitio más de WordPress.com. (2011)
3.3.2 Elastômeros
Polímeros que na temperatura ambiente podem deformar-se no mínimo duas
vezes o seu comprimento inicial, retomando ao comprimento original rapidamente
depois de retirado o esforço. Para apresentar estas características, os elastômeros
normalmente possuem cadeias flexíveis amarradas uma às outras, com uma baixa
densidade de ligação cruzada. Isso define as seguintes propriedades básicas:
a) aceitar grandes deformações (> 200°/n), mantendo boa resistência
mecânica e módulo de elasticidade quando deformado,
b) recuperar rapidamente a deformação, após retirado o esforço,
c) ter recuperação total da deformação.
27
Como principal exemplo, tem-se a BV (borracha vulcanizada), termo genérico
utilizado para qualquer elastômero ou mistura de elastômeros após a formação de
ligações cruzadas (vulcanização). Tais características podem ser apreciadas na
principal aplicação da borracha vulcanizada, qual seja: o pneu. Nele, a deformação
sofrida devido ao peso do carro deve ser totalmente recuperada durante o intervalo
de tempo em que a roda leva para dar uma volta. Considerando-se de forma
simplificada que o perímetro da roda seja de um metro e que o carro esteja viajando
a uma velocidade de 120 km/h, um mesmo ponto na banda de rodagem tocará o
solo a cada 30 milissegundos (30 kHz). Pilotos de corrida de carro nunca
reclamaram de rodas quadradas, apesar de atingirem velocidades acima de 300
km/h.
Figura 16: Exemplos de elastômeros Fonte: Elaboração própria (2013).
3.3.3 Fibras
Termoplástico orientado (com um sentido longitudinal dito eixo principal da
fibra) satisfazendo a condição geométrica de L/D 1100. A orientação das cadeias e
dos cristais, feita de modo forçado durante a fiação, aumenta a resistência mecânica
desta classe de materiais, tornando-os possíveis de serem usados na forma de fios
finos. Como exemplos, têm-se as fibras de poliacrilonitrila, os náilons, o poliéster
(PET), etc.
28
Figura 17: Fibras Fonte: http://askstekno.wordpress.com/category/tipos-de-polimeros/
3.4 QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO
Esta classificação leva em conta o desempenho mecânico do polímero na sua
aplicação ou uso. Neste tipo de classificação os materiais poliméricos podem ser
subdivididos em:
3.4.1 Termoplásticos convencionais (commodities)
São polímeros de baixo custo, baixo nível de exigência mecânica, alta
produção, facilidade de processamento, etc. A produção destes termoplásticos
corresponde em torno de 70% da produção mundial de polímeros. Ex: poliolefinas
(LDPE, HDPE, PP), o poliestireno (PS) e o policloreto de vinila (PVC).
3.4.2 Termoplásticos de uso industrial
Têm custo maior que os polímeros convencionais, porém, com algumas
propriedades um pouco superiores. Nesta classe encontram-se os copolímeros,
homopolímeros. Ex: Etileno-acetato de vinila (EVA), estireno-acrilonitrila (SAN),
politetrafluoreto de etila (PTFE) e acrílico (PMMA).
3.4.3 Termoplásticos de engenharia
São polímeros usados em situações onde são exigidas resistência mecânica,
tenacidade e estabilidade dimensional. São utilizados em peças técnicas
(engrenagens, componentes eletrônicos e automobilísticos, etc). Ex: Náilon, PET,
PBT, POM, PC, ABS.
29
3.4.4 Termoplásticos de alta performance
São polímeros que resistem a temperaturas de uso contínuo superiores a
150°C e caracterizados pela presença de grande quantidade de anéis aromáticos na
cadeia principal. Ex: (polissulfonas, polissulfeto de fenileno (PPS), poliimidas
(poliimidapoliamida), poliéter-éter-cetona poliéter-éter-cetona (PEEK).
4 PROPRIEDADES
A compreensão dos mecanismos segundo os quais os polímeros se deformam
elasticamente e plasticamente permitem que se altere e controle seus módulos de
elasticidade e resistências. A seguir serão citadas as principais propriedades dos
polímeros.
As principais propriedades dos polímeros são:
Elevada processabilidade – facilmente moldável isto é, a facilidade de
converter o material numa determinada forma;
Resistentes à fissura e ao desgaste;
Resistente à ação dos agentes atmosféricos, não quebra, não formam pontes
e não estilhaçam;
Elásticos;
Peso reduzido – é mais leve que os metais, o vidro; e mais leve que alumínio;
Lubrificação – são materiais de baixo atrito;
Isolação – tem excelentes propriedades de isolamento elétrico e acústico;
Baixo custo de produção;
Possibilidade de serem usados na fabricação de peças nas mais variadas
formas, tamanho e cores;
A maioria é reciclável;
Estas propriedades, juntamente com a sua fácil obtenção a baixa temperatura,
justificam a sua fabricação em grande escala.
4.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS
As propriedades mecânicas dos polímeros são especificadas através de muitos
dos mesmos parâmetros usados para os metais, isto é, o módulo de elasticidade, o
limite de resistência à tração e as resistências ao impacto e à fadiga. Para muitos
30
materiais poliméricos, o ensaio simples tensão-deformação é empregado para a
caracterização de alguns desses parâmetros mecânicos (CALLISTER, 2002). É
usado como base a ASTM D 638 "Standard Test Method for Tensile Properties of
Plastics" (Método Padronizado para Ensaio das Propriedades de Tração dos
Plásticos).
No entanto, são necessárias para os polímeros algumas modificações em
relação às técnicas de ensaio e às configurações dos corpos de provas que são
usados para os metais, especialmente no caso dos materiais muito elásticos, como
as borrachas.
Segundo Callister (2002), são encontrados três tipos de comportamento tensão-
deformação tipicamente diferentes nos materiais poliméricos, como está
representado na Fig. 17. A curva A ilustra o comportamento tensão-deformação
apresentado por um polímero frágil, mostrando que este sofre fratura enquanto se
deforma elasticamente. O comportamento apresentado pelo material plástico, curva
B, é semelhante àquele encontrado para muitos materiais metálicos; a deformação
inicial é elástica, a qual é seguida por escoamento e por uma região de deformação
plástica. Finalmente, a deformação apresentada pela curva C é totalmente elástica;
essa elasticidade, típica da borracha (grandes deformações recuperáveis são
produzidas, mesmo sob pequenos níveis de tensão), é apresentada por uma classe
de polímeros conhecida como elastômeros.
Figura 17 : Comportamento tensão-deformação para polímeros Fonte: CALLISTER (2002).
31
Apesar do comportamento mecânico parecido, os polímeros podem ser, em
alguns aspectos, mecanicamente diferentes dos metais, como por exemplo, em
relação ao módulo de elasticidade, limite de resistência à tração e alongamento,
sendo que as diferenças encontram-se expressas na Tabela 3, a seguir.
Tabela 3: Comportamento mecânico – Metais x Polímeros
Propriedade Metais Polímeros
Módulo de Elasticidade 7 MPa a 4 GPa 48 a 410 GPa
Limite de resistência à tração 100 MPa 4,1 GPa
Alongamento 100% 1000%
Fonte: CALLISTER (2002).
As características mecânicas dos polímeros são muito mais sensíveis a
mudanças de temperatura na vizinhança da temperatura ambiente. Considere o
comportamento tensão-deformação para o polimetil metacrilato (Plexiglas) a várias
temperaturas entre 4 e 60°C (40 e 140°F) (Fig. 18). Várias características dessa
figura são dignas de observação, como sejam: o aumento da temperatura produz (1)
uma diminuição do módulo de elasticidade, (2) uma redução do limite de resistência
à tração e (3) uma melhoria da ductilidade — a 4°C (40°F) o material é totalmente
frágil, enquanto uma deformação plástica considerável é obtida tanto a 50 como a
60°C (122 e 140°F, respectivamente).
Figura 18: A influência da temperatura sobre as características tensão-deformação do polimetil metacrilato Fonte: CALLISTER (2002).
32
A influência da taxa de deformação sobre o comportamento mecânico também
pode ser importante. Em geral, uma diminuição da taxa de deformação apresenta a
mesma influência sobre as características tensão-deformação que um aumento da
temperatura; isto é, o material se torna mais mole e mais dúctil.
4.1.1 Resistência ao impacto
O grau de resistência de um material polimérico a uma carga de impacto de
uma peça com entalhe pode ser importante para algumas aplicações. Tanto os
polímeros cristalinos como os polímeros amorfos são frágeis a baixas temperaturas,
e ambos possuem resistências ao impacto relativamente baixas. Entretanto, eles
experimentam uma transição dúctil-frágil ao longo de uma faixa de temperaturas
relativamente estreita, semelhante àquela que foi mostrada para um aço.
Obviamente, a resistência ao impacto sofre uma diminuição gradual a temperaturas
ainda mais altas à medida que o polímero começa a amolecer. Normalmente, as
duas características de impacto mais desejáveis são uma elevada resistência ao
impacto à temperatura ambiente e uma temperatura de transição dúctil-frágil que se
encontre abaixo da temperatura ambiente (CALLISTER, 2002).
4.1.2 Fadiga
Segundo Callister (2002), os polímeros podem experimentar falha por fadiga
sob condições de carregamento cíclicas. Como ocorre com os metais, a fadiga
ocorre em níveis de tensão que são baixos em comparação com o limite de
escoamento. Os ensaios de fadiga realizados com os polímeros foram muito menos
intensos do que os ensaios realizados com metais; entretanto, os dados de fadiga
para ambos os materiais são plotados da mesma maneira, e as curvas resultantes
possuem a mesma forma geral.
O comportamento de fadiga dos polímeros é muito mais sensível à frequência
de carregamento do que o dos metais. Quando os polímeros são submetidos a
ciclos com alta freqüência e/ou tensões relativamente grandes, pode ocorrer um
aquecimento localizado; conseqüentemente, as falhas podem ser devidas a um
amolecimento do material, e não um resultado de processos típicos de fadiga.
4.1.3 Resistência à ruptura e dureza
A habilidade para resistir à ruptura é uma propriedade importante de alguns
plásticos, especialmente aqueles usados como finas películas em embalagens. A
33
resistência à ruptura, o parâmetro mecânico que é medido, é a energia exigida para
rasgar ou romper uma amostra cortada que possua uma geometria padrão. As
magnitudes do limite de resistência à tração e da resistência à ruptura estão
relacionadas.
Como ocorre com os metais, a dureza representa a resistência de um material
ao risco, à penetração, à marcação, e assim por diante. Os polímeros são mais
moles do que os metais e as cerâmicas, e a maioria dos ensaios de dureza é
conduzida de acordo com técnicas de penetração semelhantes àquelas descritas
para os metais. Os ensaios Rockwell são usados com frequência para os polímeros,
a NORMA ASTM D 785. Outras técnicas de impressão empregadas são o
Durômetro e o Barcol, a NORMA ASTM D2240 e ASTM D 2583 (CALLISTER, 2002).
4.1.4 Fratura
As resistências à fratura dos materiais poliméricos são baixas quando
comparadas com aquelas para os metais e as cerâmicas. Como regra geral, o modo
de fratura em polímeros termofixos é frágil. Em termos simples, associada com o
processo de fratura está a formação de trincas nas regiões onde existe uma
concentração localizada de tensões (isto é, riscos, entalhes e falhas afiladas). No
caso de polímeros termoplásticos, tanto a fratura dúctil como a fratura frágil são
possíveis, e muitos desses materiais são capazes de experimentar uma transição
dúctil-frágil. Os fatores que favorecem uma fratura frágil são redução na
temperatura, aumento na taxa de deformação, presença de um entalhe afilado,
maior espessura da amostra, e, adicionalmente, modificação da estrutura do
polímero (química, molecular e/ou microestrutural) (CALLISTER, 2002).
Os termoplásticos vítreos são frágeis a temperaturas relativamente baixas; à
medida que a temperatura aumenta, eles se tornam dúcteis na vizinhança das suas
temperaturas de transição vítrea e experimentam um escoamento plástico antes da
fratura. Um fenômeno que precede com freqüência a fratura em alguns polímeros
termoplásticos vítreos é o fendilhamento, ou formação de pequenas trincas (Fig. 19).
34
Figura 19: Desenho de (a) um fendilhamento mostrando microvazios e pontes
fibrilares, e (b) um fendilhamento seguido por uma trinca.
Fonte: CALLISTER (2002)
4.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS
A mobilidade de uma cadeia polimérica determina as características físicas do
produto, seja este um plástico duro e frágil, borrachoso e tenaz ou um fluido viscoso.
A mobilidade é função da agitação dos átomos nas moléculas, sendo esta
diretamente proporcional à temperatura. Portanto, o conhecimento das
características físico-químicas inerentes de um polímero é fundamental para a
compreensão de seu desempenho termomecânico: normalmente, o polímero é
processado em temperaturas altas quando apresenta o comportamento de um fluido
viscoso, e é utilizado em aplicações práticas com característica flexível ou rígida. Tal
variabilidade de comportamento é uma característica sabiamente usada na indústria
para a seleção do melhor material para uma determinada aplicação
(CANEVAROLO, 2006).
O tratamento térmico (ou recozimento) de polímeros semicristalinos leva a
modificações no tamanho e na perfeição dos cristalitos, bem como na estrutura
esferulita. Para materiais que não tenham sido estirados e que são submetidos a
tratamentos térmicos com tempo constante, o aumento da temperatura de
recozimento leva ao seguinte: (1) um aumento do módulo de tração, (2) um aumento
do limite de escoamento e (3) uma redução da ductilidade. Deve ser observado que
esses efeitos do recozimento são opostos àqueles tipicamente observados para os
materiais metálicos, quais sejam, enfraquecimento, amolecimento e melhoria da
ductilidade. Ao contrário dos metais, os polímeros são típicos maus condutores de
calor, tendo uma condutividade térmica baixa.
35
4.2.1 Fluência e relaxação de tensão
Segundo Canevarolo (2006), uma das características mais marcante dos
polímeros é a extrema dependência de suas propriedades mecânicas com o tempo.
Esta dependência pode ser observada sob várias maneiras:
i) se uma amostra polimérica é submetida a um peso constante; seja sob tração,
compressão ou flexão, ela se deformará continuamente com o tempo. Este
fenômeno é denominado fluência;
ii) se uma amostra polimérica é deformada rapidamente e mantida sob deformação
constante, a tensão aplicada para manter esta deformação diminui com o tempo.
Este fenômeno é conhecido como relaxação de tensão;
iii) se uma amostra polimérica é estirada sob tração a uma velocidade baixa, seu
módulo será baixo, no entanto, se a velocidade de deformação aumentar, o módulo
também aumentará.
No ensaio de fluência, a amostra é submetida a uma tensão constante, e a
deformação é registrada com o tempo. Para relaxar a tensão aplicada, as moléculas,
quando solicitadas, escoam umas sobre as outras devido à sua mobilidade natural,
resultando em um aumento contínuo da deformação com o tempo (CANEVAROLO,
2006).
4.2.2 Fusão cristalina
A fusão de um cristal de polímero corresponde à transformação de um
material sólido, contendo uma estrutura ordenada de cadeias moleculares alinhadas,
em um líquido viscoso, onde a estrutura é altamente aleatória; esse fenômeno
ocorre, através do aquecimento, à temperatura de fusão, Tf.
Segundo Callister (2002), existem várias características que distinguem a
fusão dos polímeros que não são normalmente observadas nos metais e nas
cerâmicas; essas características são conseqüência das estruturas moleculares dos
polímeros e de sua morfologia cristalina lamelar.
4.2.3 Transição vítrea
A transição vítrea ocorre em polímeros amorfos (ou vítreos) e semicristalinos
e é devida a uma redução no movimento de grandes segmentos de cadeias
moleculares pela diminuição da temperatura. Com o resfriamento, a transição vítrea
corresponde a uma transformação gradual de um líquido em um material com as
36
características de uma borracha e, finalmente, em um sólido rígido. A temperatura
na qual o polímero experimenta a transição do estado no qual apresenta
características de uma borracha para o estado rígido é chamada de temperatura de
transição vítrea, Tv (CALLISTER, 2002).
5 PROCESSOS DE PRODUÇÃO
Uma grande variedade de técnicas diferentes é empregada na conformação de
materiais poliméricos. O método usado para um polímero específico depende de
diversos fatores:
(1) se o material é termoplástico ou termofixo;
(2) se termoplástico, a temperatura na qual ele amolece;
(3) a estabilidade atmosférica do material que está sendo conformado;
(4) a geometria e o tamanho do produto acabado.
Existem numerosas semelhanças entre algumas dessas técnicas e aquelas que
são utilizadas para a fabricação dos materiais metálicos e cerâmicos. A moldagem é
o método mais comum para a conformação de polímeros plásticos. As várias
técnicas de moldagem usadas incluem a moldagem por compressão, transferência,
insuflação, injeção e extrusão. Para cada uma, um plástico finamente peletizado ou
granulado é forçado, a uma temperatura elevada e com pressão, a escoar para o
interior, preencher e assumir a forma da cavidade de um molde (CALLISTER, 2002).
A produção mundial em 2011 alcançou 280 milhões de toneladas, um
crescimento de 4% em relação a 2010 (Gráfico 3). Sendo que, o Brasil produz o
equivalente a 2% da produção mundial de plástico (Gráfico 4) (ABIPLAST, 2012).
37
Gráfico 3: Produção mundial de plástico (2011)
Fonte: Plastics Europe (2012)
Gráfico 4: Principais produtores mundiais de plástico (2011)
Fonte: Plastics Europe (2012)
A grande maioria das empresas do setor de transformados plásticos é
classificada como micro e pequenas empresas (que possuem até 100 empregados)
e estão localizadas nas regiões sul e sudeste do país, agregando juntas mais de
85% das empresas do setor (Tabela 4) (ABIPLAST, 2012).
38
Tabela 4: Localização das empresas de transformados Plásticos, por Estado
(2011)
Empresas
Participação no
Brasil
Empresas
Participação no
Brasil
BRASIL 11.690 100,0% Mato Grosso
82 0,7%
São Paulo 5.157 44,1%
Rio Grande do
Norte 61 0,5%
Rio Grande do
Sul 1.316 11,3% Alagoas
61 0,5%
Paraná 967 8,3%
Mato Grosso
do Sul 54 0,5%
Santa Catarina 952 8,1%
Pará 46 0,4%
Minas Gerais 807 6,9%
Distrito
Federal 41 0,4%
Rio de Janeiro 662 5,7%
Sergipe 38 0,3%
Bahia 284 2,4%
Maranhão 34 0,3%
Pernambuco 279 2,4%
Piauí 31 0,3%
Goiás 231 2,0%
Rondônia 24 0,2%
Ceará 206 1,8%
Tocantins 14 0,1%
Amazonas 120 1,0%
Acre 8 0,1%
Paraíba 107 0,9%
Roraima 3 0,03%
Espírito Santo 104 0,9% Amapá 1 0,01%
Fonte: RAIS (2011) – MTE.
5.1 MOLDAGEM POR COMPRESSÃO E POR TRANSFERÊNCIA
Para uma moldagem por compressão, as quantidades apropriadas do polímero e
dos aditivos necessários, completamente misturados, são colocadas entre os
membros macho e fêmea do molde, como está ilustrado na Figura 20.
39
Figura 20: Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por compressão Fonte: MIRANDA (2011).
Etapas:
(1) Polímeros aditivos são misturados na parte inferior do molde;
(2) O molde superior e inferior são aquecidos;
(3) O molde é fechado, calor e pressão são aplicados;
(4) O material se torna viscoso e se ajusta à forma do molde.
Ambas as peças do molde são aquecidas; entretanto, somente uma dessas
peças é móvel. O molde é fechado, e calor e pressão são aplicados, fazendo com
que o material plástico se torne viscoso e se ajuste à forma do molde.
Figura 21: Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por transferência Fonte: MIRANDA (2011).
Essa técnica de moldagem se aplica à fabricação de polímeros tanto
termoplásticos quanto termofixos; entretanto, o seu uso com polímeros
termoplásticos consome maior tempo e é mais caro. Na moldagem por transferência,
que é uma variação da moldagem por compressão, os ingredientes sólidos são, em
40
primeiro lugar, derretidos em uma câmara de transferência aquecida (Fig. 21). A
medida que o material fundido é injetado no interior da câmara do molde, a pressão
é distribuída mais uniformemente sobre todas as superfícies. Esse processo é usado
com polímeros termofixos e para peças que possuem geometrias complexas
(CALLISTER, 2002).
5.2 MOLDAGEM POR INJEÇÃO
A moldagem por injeção, o análogo dos polímeros à fundição em matriz para os
metais, é a técnica mais amplamente difundida para a fabricação de materiais
termoplásticos. Um diagrama esquemático mostrando a seção reta do equipamento
utilizado neste processo está ilustrado na Figura 22.
Figura 22: Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por injeção
Fonte: MIRANDA (2011).
Etapas:
(1) Molde é fechado;
(2) Êmbolo avança injetando o material no molde;
(3) Êmbolo retrai e a carga do próximo ciclo de injeção é alimentada, enquanto o
molde permanece fechado até que o moldado tenha atingido temperatura que
permita sua remoção sem distorções;
(4) Molde é aberto e moldado é extraído.
41
A quantidade correta de material peletizado é alimentada a partir de uma moega
de carregamento para o interior de um cilindro, através do movimento de um embolo
ou pistão. Essa carga é empurrada para frente para o interior de uma câmara de
aquecimento, em cujo ponto o material termoplástico se funde para formar um
líquido viscoso. Em seguida, o plástico fundido é impelido, novamente pelo
movimento de um pistão, através de um bico injetor, para o interior da cavidade
fechada do molde; a pressão é mantida até que o material moldado tenha
solidificado. Finalmente, o molde é aberto, a peça é ejetada, o molde é fechado, e
todo o ciclo é repetido. Provavelmente, a característica mais excepcional desta
técnica seja a velocidade com que as peças podem ser produzidas. No caso de
termoplásticos, a solidificação da carga injetada é quase imediata;
conseqüentemente, os tempos do ciclo para esse processo são curtos (comumente
dentro do intervalo de 10 a 30 s). Os polímeros termofixos também podem ser
processados através de moldagem por injeção; a cura tem lugar enquanto o material
se encontra sob pressão em um molde aquecido, o que resulta em tempos do ciclo
mais longos do que para os polímeros termoplásticos. Esse processo é algumas
vezes chamado de moldagem por injeção com reação (RIM — Reaction Injection
Molding) (CALLISTER, 2002).
5.3 MOLDAGEM POR EXTRUSÃO
Segundo Callister (2002), o processo de extrusão é simplesmente a moldagem
por injeção de um termoplástico viscoso através de uma matriz com extremidade
aberta, semelhante à extrusão de metais (Fig. 22). Uma rosca mecânica ou parafuso
sem fim propele o material peletizado, o qual é sucessivamente compactado, fundido
e conformado na forma de uma carga contínua de fluido viscoso. A extrusão tem
lugar à medida que essa massa fundida é forçada através de um orifício de uma
matriz. A solidificação do segmento extrudado é acelerada por sopradores ou por um
borrifador de água imediatamente antes de sua passagem para um transportador
móvel. A técnica está especialmente adaptada para produzir comprimentos
contínuos que possuem geometrias de seção retas constantes como, por exemplo,
bastões, tubos, canais de mangueira, folhas finas e filamentos.
42
Figura 22: Ilustração da estrutura de uma extrusora de polímeros Fonte: SCARPIN; BETTONI, (2006).
5.4 MOLDAGEM POR INSUFLAÇÃO
O processo de moldagem por insuflação para a fabricação de recipientes de
plástico é semelhante àquele usado para a insuflação de garrafas de vidro, conforme
representado na Figura 23.
Figura 23: Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por insuflação Fonte: MIRANDA, (2011).
43
Em primeiro lugar, um parison, ou pedaço de tubo feito de polímero é extrudado.
Enquanto este ainda se encontra em seu estado semifundido, o parison é colocado
em um molde em duas peças que possui a configuração desejada para o recipiente.
A peça oca é moldada pela insuflação de ar ou vapor sob pressão para o interior do
parison, forçando as paredes do tubo a se conformarem com os contornos do molde.
Obviamente, tanto a temperatura como a viscosidade do parison devem ser
reguladas cuidadosamente (CALLISTER, 2002).
5.5 FUNDIÇÃO E ROTOMOLDAGEM
Segundo Callister (2002), os metais e os materiais cerâmicos, os materiais
poliméricos podem ser fundidos, como quando um material plástico fundido é
derramado no interior de um molde e deixado em repouso para solidificar. Tanto os
plásticos termoplásticos como os termofixos podem ser fundidos. No caso dos
termoplásticos, a solidificação ocorre mediante o resfriamento a partir do estado
fundido; entretanto, no caso dos plásticos termofixos, o endurecimento é uma
conseqüência do verdadeiro processo de polimerização ou cura, o qual é geralmente
realizado a uma temperatura elevada.
Também existe a fundição rotacional, ou mais conhecida como a rotomoldagem
(Fig. 24); o processo se dá por meio do aquecimento de materiais poliméricos no
qual a fusão e a transformação de uma determinada peça acontecem pela ação
conjunta de temperatura e rotação, pelo ponto de vista processual, não há limites
quanto às dimensões dessas peças (ROTOMIX BRASIL, 2013).
É um processo altamente versátil que possibilita uma vasta gama de produção a
partir da transformação de termoplásticos. Por meio dele é possível idealizar e
viabilizar os mais variados projetos para demandas, preferências e necessidades
com as vantagens de personalização e do baixo custo.
44
Figura 24: Processo de Rotomoldagem
Fonte: Rototherm (2013)
Etapas:
(1) Colocado no molde o polímero que será utilizado, pré-medido.
(2) O molde é levado ao aquecimento, e aquecido de uma forma uniforme no
interior.
(3) O resfriamento. O molde é resfriado, para que o material ganhe a forma final.
(4) Desmontagem, a peça é retirada cuidadosamente do molde.
5.6 MOLDAGEM POR FIAÇÃO
Os polímeros em fibra são capazes de serem estirados na forma de longos
filamentos com pelo menos uma relação comprimento-diâmetro de 100:1. A maioria
dos polímeros em fibra comerciais é usada na indústria têxtil, sendo tecidos ou
costurados em panos ou tecidos.
O processo segundo o qual as fibras são modeladas a partir do material
polimérico bruto é conhecido por fiação. Na maioria das vezes, as fibras são
submetidas a fiação a partir de seu estado fundido, em um processo conhecido por
fiação do material fundido. O material que vai ser submetido a fiação é primeiro
aquecido, até que se forme um líquido relativamente viscoso. Em seguida, esse
45
líquido é bombeado através de uma placa conhecida por fiadora (spinnerette), que
contém numerosos orifícios redondos e pequenos. À medida que o material fundido
passa através de cada um desses orifícios, uma única fibra se forma e se solidifica
quase imediatamente ao passar através do ar (CALLISTER, 2002).
Durante esse processo, as cadeias moleculares ficam orientadas na direção do
estiramento (Fig. 25), de modo tal que o limite de resistência à tração, o módulo de
elasticidade e a tenacidade são melhorados.
Figura 25: Cadeia molecular
Fonte: CALLISTER (2002)
Figura 26: Processo de Fiação Fonte: Adaptada do Yarn Manufacturing (2013).
46
5.7 PROCESSO DE TERMOFORMAGEM
É um processo que consiste em moldar chapas plásticas dando forma ao
produto através da utilização de calor e pressão tanto positivas como a vácuo (IBT
PLÁSTICOS, 2013) (Fig. 27).
Figura 27: Processo de Termoformagem Fonte: Dinieper (2013).
Etapas:
(1) Fixação da chapa;
(2) Aquecimento;
(3) Moldagem;
(4) Resfriamento;
(5) Extração.
Na termoformagem, uma lâmina seca é aquecida a uma temperatura pré-
determinada na qual o material plástico amolece. A mesma é esticada para cobrir o
contorno do molde e logo é refrigerada na temperatura na qual o termoplástico
passa a ser rígido, retendo assim a forma do molde. A peça termoformada pode ser
cortada para eliminar bordas desnecessárias, decorada e/ou convertida em produto
para diferentes aplicações (IBT PLÁSTICOS, 2013).
5.8 PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO
O processo de formação de ligações cruzadas nos elastômeros é conhecido por
vulcanização, o qual é realizado através de uma reação química irreversível,
normalmente conduzida a uma temperatura elevada. Na maioria das reações de
vulcanização, compostos de enxofre são adicionados ao elastômero aquecido;
cadeias de átomos de enxofre se ligam com as cadeias principais do polímero que
47
se encontram adjacentes, formando ligações cruzadas entre elas, o que é obtido de
acordo com a seguinte reação (Fig. 28):
Figura 28: Esquema de formação de cadeias cruzadas Fonte: CALLISTER (2002).
A borracha não vulcanizada é mole e pegajosa, e possui uma resistência ruim
à abrasão. O módulo de elasticidade, o limite de resistência à tração e a resistência
à degradação por oxidação são melhorados pela vulcanização. A magnitude do
módulo de elasticidade é diretamente proporcional à densidade das ligações
cruzadas. As curvas tensão-deformação para a borracha natural vulcanizada e sem
vulcanização estão apresentadas na Figura 29. Para produzir uma borracha capaz
de ser submetida a grandes deformações sem que ocorra a ruptura das ligações da
cadeia primária devem existir relativamente poucas ligações cruzadas, e estas
devem estar bastante separadas na cadeia.
Figura 29: Curvas tensão-deformação até um alongamento de 600% para as borrachas naturais vulcanizadas e não vulcanizadas Fonte: CALLISTER (2002).
48
No Gráfico 5, estão os principais processos de produção de transformados
plásticos, como pode-ser perceber, o mais utilizado é o processo de extrusão, pois
em comparação com o de injeção é mais econômico.
Gráfico 5: Processos produtivos utilizados na produção de transformados plásticos (2010) Fonte: PIA Produto (2010) – IBGE
Os principais produtos exportados pelo Brasil são: laminados de polietileno
não reforçado, caixas e engradados, laminados de polipropileno, tubos umbilicais,
laminados reforçados de resina melamina e baldes para transporte. Já os principais
produtos importados pelo Brasil são: garrafas e frascos, laminados de polietileno não
reforçados, laminados de polipropileno, fitas autoadesivas grossas, revestimento de
piso de PVC e utensílios de cozinha (ABIPLAST, 2012).
49
6 VANTAGENS E DESVANTAGENS
O que determina as vantagens da utilização dos polímeros são as características
básicas desse tipo de material. Seu peso é consideravelmente baixo, o que permite
seu manuseio mais fácil e facilita o processo produtivo de materiais baseados em
polímero; baixa temperatura de processamento permitindo também uma facilidade
de manuseio; o custo relacionado a sua produção também é baixo permitindo um
custo de fabricação de materiais menor quando estes se baseiam em polímeros; tais
características são vistas como vantajosas uma vez que acaba por permitir seu uso
na produção de materiais baseados em diversas formas, cores e tamanhos.
A principal desvantagem associada à utilização dos materiais poliméricos é o fato
de demorarem muito tempo para se degradarem no meio ambiente. A degradação é
qualquer reação química que seja destrutiva aos polímeros, sendo este tema
abordado em outro tópico mais especifico.
O que isso acarreta é a necessidade de reciclagem dos materiais. Porém, alguns
polímeros não podem ser reciclados de forma direta, pois não existe uma forma de
refundi-los ou despolimerizá-los. Quando não é possível reciclar o material é
possível queimá-lo, o que também acarreta numa desvantagem quando a queima
proporciona gases tóxicos devendo ser tratado antes da queima. Alguns desses
polímeros são termorrígidos e borrachas. Já quanto à maioria dos termoplásticos a
reciclagem não é economicamente viável devido ao seu baixo preço. O PET, ao
contrario, por ser amplamente consumido passa a ter um bom potencial econômico,
mesmo sendo um produto barato.
50
7 APLICAÇÕES
Polímeros são utilizados em diversos setores, em algumas áreas ainda não são
muito reconhecidos, mas possuem grande potencial. Polímeros são usados para
melhorar a capacidade de diversos materiais ou processos, como produção de fibras
para a indústria têxtil, embalagens para alimentos, cosméticos, na indústria
farmacêutica, automobilística, construção civil.
As empresas de tratamento de águas e efluentes também descobriram o
potencial dos polímeros e estão investindo cada vez mais na sua utilização para
aumentar a velocidade do processo de clarificação e tornar o tratamento mais eficaz.
O uso de polímeros, também acarreta um baixo custo, ou seja, uma melhor
economia tendo os mesmos resultados se usasse outros produtos mais caros, como
no caso dos efluentes que além dessas características de baixo custo, favorecem na
agilização do processo de clarificação.
A seguir, será exemplificado e explicado com mais detalhes o uso dos
polímeros em alguns setores que atuam e os seus desempenhos.
7.1 POLÍMEROS USADOS PARA O TRATAMENTO DE EFLUENTES
Visto que atualmente a contaminação por efluentes é alta e a escolha de um
melhor método ou tecnologia exige muito estudo. Atualmente os efluentes, no seu
processo final, são despejados nas águas e outra parte em forma de gases.
Os efluentes passam por quatro etapas de tratamento até que as partículas e
os microrganismos presentes, que possam prejudicar a saúde ou equipamentos da
Estação de Tratamento de Esgoto (ETE), sejam completamente eliminados.
O processo utilizado consiste na remoção dos materiais grossos, flutuantes e
pesados, através de gradeamento, caixas de areia e tanques de equalização. Logo
em seguida, a remoção da matéria orgânica decantável e da escuma (materiais de
densidade menor que a água, de difícil degradação) flutuante em conjunto com
óleos e graxas.
A biomassa (matéria orgânica) é degradada pela ação de micro-organismos
(bactérias). Processos anaeróbios produzem biogás como resíduo, que pode ser
utilizado como combustível ou fonte de energia elétrica. E por fim, para se remover
por completo os microrganismos que possam vir a prejudicar a saúde, utiliza-se o
51
processo químico ou físico, que podem ser o uso do Cloro , Ozônio e até
radiação ultravioleta.
Onde o polímero entra no processo?
Para o tratamento da água são usados os polímeros naturais e/ou
sintéticos. Os polímeros naturais como celulose, amido, colágeno, quitosana entre
outros, tem como característica a sorção (capacidade de retenção) de poluentes
aquáticos, em destaque a quitosana que possui uma alta capacidade de sorção de
vários poluentes aquáticos e é um dos polissacarídeos mais utilizados. A quitosana,
produzido através da deacetilação da quitina, é um copolímero obtido do
exoesqueleto de crustáceos, insetos e parede celular de fungos.
Os polímeros sintéticos (polieletrólitos, constituídos de poliacrilamida)
continuam sendo os mais utilizados para o tratamento de efluentes. Eles promovem
a coagulação ou floculação das partículas em suspensão transformando-as em
partículas maiores posteriormente removidas por decantação, flotação ou filtração.
São chamados de polieletrólitos, polímeros com grupos ionizáveis ao longo da
cadeia e são classificados em aniônicos, catiônicos e não-iônicos. Aniônicos são
capazes de atrair as cargas positivas como é o caso de sais e hidróxidos metálicos.
Sendo catiônico se ligará a cargas negativas como o silicone ou substâncias
orgânicas.
O objetivo desse uso de polímeros, deve-se a questão da reciclagem da água
ou para a disposição do meio ambiente, sem causar danos a saúde ou ambiental.
7.2 POLÍMEROS ENCONTRADOS NOS ALIMENTOS
Ao contrário dos outros exemplos, esses polímeros naturais são encontrados
em alimentos, a reação de polimerização que ocorre neles é por condensação.
Segue abaixo uma Tabela 5 de Biopolímeros:
52
Tabela 5: Principais biopolímeros
Biopolímeros Origem Estrutura Efeito Aplicações
Amido Amilose e
Amilopectina Glicose Gelificante
Farinhas,
féculas, cereais,
bolachas
Gelana
Bactéria
Sphingomonas
elodea
Glicose, ácido
glicorônico e
raminose
Gelificante,
Espessante
Doces, geléias,
gelatinas,
bebidas lácteas
Xantana
Bactéria
Xanthomonas
campestris
Glicose,
aranose,
resíduos de
ácido
glucorônico
Espessante
Molhos e
xaropes, pasta
de dentes, pães,
cosméticos
Quitina Carapaça de
crustáceos
N-acetil-2-dioxi-
D-glicopiranose Gelificante Crustáceos
Quitosina
Copolímero
biodegradável,
obtido da quitina
D-glucosamina
que contém um
grupo amino
livre
Gelificante Suplementos
Fonte: PRADELLA (2006)
Biopolímeros são polímeros produzidos por seres vivos. Celulose, amido,
quitina, proteínas, peptídeos, ADN e ARN são exemplos de biopolímeros, nos quais
as unidades monoméricas são, respectivamente, açúcares, aminoácidos e
nucleotídeos.
7.3 POLÍMEROS USADOS NOS PLÁSTICOS
Atualmente no mercado, existem grandes quantidades de plásticos que vem
sendo utilizado cada vez mais pelas empresas. Os fios elétricos, que antes eram
revestidos de porcelana e/ou tecido isolante, passaram a ser revestidos de plástico,
pois eles são mais flexíveis do que a porcelana e mais robusto e resistente às
53
intempéries do que os tecidos, sem comprometer o isolamento elétrico. O interior de
uma geladeira é feita de plástico devido apresentar um bom nível de isolamento
térmico. Sacolas, bacias, são feitas de plásticos, devido serem mais leves e
possuírem uma boa estabilidade para suportar pesos. Podemos citar também os
brinquedos, como exemplo. Atualmente o plástico é mais utilizado também por ser
de baixo custo, um fator que torna o plástico ―atraente‖.
Os polímeros chamados termoplásticos possuem propriedades mecânicas
que variam conforme a temperatura ambiente, podendo os plásticos ser flexíveis,
rígidos ou mesmo frágeis, como: garrafas PET que constituem politereftalato (PET);
CD’s, óculos de sol, blindagem de veículos, lanternas e faróis, possuem
policarbonato (PC); tubulações e telhas, que constituem policloreto de vinila (PVC);
Sacolas plásticas, mangueiras para água constituem Polietileno (PE).
Os termorrígidos são rígidos e frágeis, que uma vez prontos, não se pode
mais moldar como: baquelite, encontrados em cabos de panela, televisores,
telefones e tomadas, e é formado pela combinação de polimerização de fenol
(C6H5OH) e formaldeído ou aldeído fórmico (HCHO). Carrocerias, caixas d'água,
piscinas, camisas, pode-se encontrar o poliéster.
7.4 POLÍMEROS USADOS NOS VIDROS
É comum atualmente a presença de vidros no cotidiano, como em
automóveis, apartamentos, casas, em navios, óculos, garrafas. Esses vidros são
considerados ―vidros de segurança‖, pois são eles que garantem segurança para as
pessoas. O motivo da criação do vidro foi para melhorar o conforto das pessoas,
tendo como utilidade o isolamento acústico, a proteção contra chuva, sol (vidro
peliculado), fornece visibilidade para o motorista, sem interferência de poeira e entre
outros.
Porém, com o uso desse material visando conforto e segurança, dependendo
do tipo de vidro, pode colocar a pessoa em risco. Atualmente, existe diversos tipo de
vidros, mas será destacado quatro tipos: o cristal, o temperado, o laminado e o
blindado.
O vidro do tipo cristal é o vidro quebradiço, do mais comum que tem. Ele pode
trazer riscos a pessoa quando é quebrado devido deixar pedaços grandes cortantes
e pontiagudos.
54
O vidro do tipo temperado possui elevada resistência, comparado com o vidro
comum, e passa por um processo de têmpera, em que o material é aquecido a altas
temperaturas, em torno de 600°C, e depois resfriado rapidamente. O vidro
temperado estilhaça, ou seja, ao se quebrar, estoura em inúmeros pedaços
pequenos e não-cortantes, o que é uma de suas mais conhecidas vantagens.
O vidro laminado (Figura 30) possui entre duas lâminas de vidro, uma película
de plástico, geralmente um material chamado de polivinil butiral, ou PVB. Ao se
quebrar, ele impede que o vidro se espalhe, como no caso do motorista, impede que
o vidro vá para cima dele.
O vidro blindado (Figura 31), conhecido também como vidro a prova de balas,
é um vidro do tipo multilaminado. Utiliza, intercaladamente, duas ou mais lâminas de
vidro, polivinil butiral (PVB) ou resina, poliuretano e lâminas de policarbonato (PC).
Figura 30: Composição do vidro laminado. Figura 31: Composição vidro blindado.
Fonte: VICAR transformação de vidro (2012). Fonte: ABRAVIDRO (2012).
7.5 POLÍMEROS USADOS NAS BORRACHAS
Um exemplo de polímeros são as borrachas naturais, pode-se citar os pneus
(Figura 32) que são elastômeros, uma classe intermediária entre termorrígidos e
termoplásticos. São materiais dúcteis e flexíveis, possuem uma dificuldade de
reciclagem, devido o material ter uma incapacidade de fusão. O seu processo de
formação foi aperfeiçoado por Goodyear, que usou o método de vulcanização. Esse
método consiste em colocar a borracha natural mais uma quantidade de enxofre em
alta temperatura, fazendo com que o pneu ―absorva‖ ou crie mais pontes que ligam
ao enxofre, tornando-o menos flexível e mais duro, passando a ser chamado
também de borracha sintética.
55
Quanto maior a quantidade de enxofre adicionada no processo de
vulcanização, maior será a dureza e menor será a sua flexibilidade. Não só como o
pneu, mas como protetores de máquinas e aparelhos de indústrias químicas, podem
ser citados como exemplos de uso de elastômeros, ou borrachas.
Atualmente o termo borracha, é usado genericamente para os elastômeros,
porém quando se refere à borracha, estamos mencionando a borracha natural que
em sua composição contém o poliisopreno.
Figura 32: Pneu feito de borracha sintética.
Fonte: Site de carros (2013).
7.6 POLÍMEROS USADOS NO SETOR DA SAÚDE
Medicamentos sólidos convencionais, como pós, comprimidos e cápsulas
(Figura 33), contêm polímeros exercendo funções variadas. O amido, a lactose, o
sorbitol, o manitol e a celulose microcristalina são os principais diluentes
farmacêuticos. A polivinil pirrolidona (PVP), copolímeros do acetato de vinila e vinil
pirrolidona (copovidona), polímeros baseados no ácido acrílico, polissacarídeos e
inúmeros derivados da celulose, são utilizados como aglutinantes, que aumenta a
coesão entre os pós e facilita o processo de granulação e compressão de
comprimidos, ou como desintegrantes, cuja função é facilitar a desintegração de
comprimidos e cápsulas nos fluidos do estômago.
Polimetacrilatos podem ser usados como aglutinantes e a poliacrilina
potássica é um agente desintegrante para cápsulas e comprimidos. A
carboximetilcelulose (CMC) sódica reticulada é um desintegrante para a fabricação
de cápsulas, comprimidos e grânulos de desintegração rápida.
56
Figura 33: Comprimidos e cápsulas usadas na indústria farmacêutica.
Fonte: UOL - Gastos com a saúde (2013).
7.7 APLICAÇÕES NA ENGENHARIA NAVAL
O uso de polímeros na indústria naval dá-se de forma bem diversificada,
relacionando-se desde o a estrutura do casco até a tintura de uma embarcação, seu
uso em embarcações é muito comum no que diz respeito ao acabamento. Pisos,
tintas, papéis de parede, entre outros, também são constituídos por resinas
termofixas de alto desempenho que são polímeros sintéticos desenvolvidos nos
últimos 60 anos que, aliadas a materiais de reforço como fibra de vidro e de
carbono, tornam as estruturas leves e resistentes aumentando a performance das
embarcações, como por exemplo Iates e lanchas. A calafetagem do casco do navio
e a impermeabilização de seu convés também estão entre os ramos dos polímeros
na indústria naval. Nessa área são utilizados produtos constituídos por elastômeros
à base de polímero híbrido que atuam na colagem e selagem elástica na construção
naval, juntas de parquet, juntas horizontais e verticais.
Figura 34: Estrutura molecular Do Bisfenol A (Componete da Resina epóxi)
Fonte: http://www.otaodoconsumo.com.br/bisfenol/
57
8 RECICLAGEM
As tecnologias de transformação de polímeros – plásticos ou borrachas –
formam o grupo mais expressivo na fabricação de produtos industrializados.
Segundo dados da OMC (2006), a quantidade de plásticos transformados já
ultrapassa a transformação do aço. Esta demanda deve-se as suas propriedades,
aos custos de fabricação, a logística empregada e as possibilidades em design. Para
os elastômeros (borrachas), não se têm dados consolidados referentes à sua
transformação, mas considerando a produção automotiva nas últimas décadas,
percebe-se que houve grande demanda, pois os principais produtos fabricados com
esses materiais são pneumáticos, em torno de 40% e calçados, com 26%.
A reciclagem é um assunto muito debatido nos tempos atuais, visto que parte
dos polímeros são um dos que causam grandes impactos ambientais. Os polímeros
naturais são biodegradáveis, enquanto os polímeros sintéticos não são. O tempo em
que os plásticos se degradam por completo leva anos, décadas e até mesmo
séculos, como indica na Tabela 6.
Tabela 6: Tempo de degradação de alguns polímeros.
Material Tempo de degradação
Chicletes 5 anos
Cordas de nylon 30 anos
Embalagens PET Mais de 100 anos
Isopor Indeterminado
Luvas de borrachas Indeterminado
Plásticos (embalagens, equipamentos) Até 450 anos
Pneus Indeterminado
Sacos e sacolas plásticas Mais de 100 anos
Fonte: Scielo (2002)
58
Muitos produtos feitos de materiais plásticos apresentam um código de
identificação da resina, normalmente um número de 1 a 7 dentro de um triângulo de
três setas e sob o mesmo uma abreviatura, cujo objetivo é indicar o tipo particular de
plástico do qual o produto é feito. Os códigos de identificação têm por objetivo
facilitar a recuperação dos recipientes plásticos descartados com o resíduo sólido
urbano, uma vez que auxiliam sua separação e posterior reciclagem e revalorização.
Este sistema de código de identificação de resinas foi introduzido em 1988 pela
Sociedade das Indústrias de Plásticos – Society of Plastics Indutry, Inc. (SPI) devido
a uma solicitação dos recicladores. Portanto, o sistema de códigos do SPI foi
desenvolvido para atender as necessidades dos recicladores e, ao mesmo tempo,
forneceu aos fabricantes um sistema consistente e uniforme que passou a ser
aplicado em todo o território americano.
O sistema de código de identificação de resinas do SPI serviu como base
para a norma da ABNT NBR 13230 (1994) – ―Simbologia indicativa de reciclabilidade
e identificação de materiais plásticos‖ que atualmente está em processo de revisão.
Esses polímeros sintéticos precisam ser separados inicialmente entre termoplásticos
e termorrígidos. Como existem vários tipos de polímeros termoplásticos, no Brasil foi
adotada uma simbologia para identificar cada um, como indica a Figura 34, os seis
materiais identificados pelos símbolos são os plásticos que predominam no
mercado, e suas aplicações e reciclagem, como indica na Tabela 7:
.
59
Figura 34: Símbolos de identificação dos materiais plásticos
Fonte: ABNT NBR 13230.
Tabela 7: Exemplos de aplicação e de reciclagem das resinas plásticas.
Resina Aplicação Reciclagem
Garrafas para refrigerante, água, óleo
comestível, molho para salada, anti-
séptico bucal, xampu
Fibra para carpete, tecido,
vassoura, embalagem de
produtos de limpeza,
acessórios diversos
Garrafas para iogurte, suco, leite,
produtos de limpeza, potes para
sorvete, frascos para xampu
Frascos para produtos de
limpeza, óleo para motor,
tubulação de esgoto,
conduite
Filmes estiráveis, berços para
biscoitos, frascos para anti-séptico
bucal, xampu, produtos de higiene
pessoal, blister
Mangueira para jardim,
tubulação de esgoto, cones
de tráfego, cabos
60
Filme encolhível, embalagem flexível
para leite, iogurte, saquinhos de
compras, frascos squeezable
Envelopes, filmes, sacos,
sacos para lixo, tubulação
para irrigação
Potes para margarina, sorvete,
tampas, rótulos, copos descartáveis,
embalagem para biscoitos, xampu
Caixas e cabos para bateria
de carro, vassouras,
escovas, funil para óleo,
caixas, bandejas
Copos descartáveis, pratos
descartáveis, pote para iogurte,
bandejas, embalagem para ovos,
acolchoamento
Placas para isolamento
térmico, acessórios para
escritório, bandejas
Embalagem multicamada para
biscoitos e salgadinhos, mamadeiras,
CD, DVD, utilidades domésticas
Madeira plástica, reciclagem
energética
Fonte: Adaptado de EPIC (2013).
No caso de produtos fabricados com polietileno linear de baixa densidade
(PELBD), deve-se adotar o mesmo símbolo do PEBD (número 4) uma vez que estes
materiais podem ser reciclados em um mesmo processo, sem separação prévia dos
mesmos.
No caso de produtos fabricados com uma mistura de resinas, coextrusão e/ou
coinjeção, os dois componentes principais da mistura devem ser indicados, por
exemplo PEAD/PEBD (sob o triângulo) e 2/4 (dentro do triângulo). O símbolo ―7 –
Outros‖ normalmente é empregado para produtos plásticos fabricados com
policarbonato, ABS, poliamida, acrílicos ou uma combinação de diversas resinas
e/ou materiais. Neste caso, sugere-se também o uso da sigla do polímero abaixo do
símbolo. De acordo com a norma em referência, os caracteres indicativos da resina
abaixo dos símbolos podem ser gravados em português, inglês ou ambos. Por este
motivo, a norma apresenta a grafia de identificação das resinas nos dois idiomas.
A princípio todos os plásticos podem tecnicamente ser submetidos à reciclagem
mecânica, mas os plásticos que de fato são reciclados variam dependendo da área
61
de utilização. Esta ―seleção‖ dos materiais está relacionada com o valor econômico e
o volume de material disponível para reciclagem.
Após separar de acordo com a classificação, os polímeros podem ser
reciclados de quatro formas: reciclagem primária, secundária, terciária e quaternária.
A reciclagem primária é o reaproveitamento do material para outras
finalidades. A reciclagem secundária, também conhecida como reciclagem
mecânica, é a transformação de produtos de plásticos, que são produtos rejeitados
no lixo, em pedacinhos para reutilizar e fabricar outros produtos de menor qualidade.
Esta reciclagem é feita em Unidades de Reciclagem.
A reciclagem terciária, também chamada de reciclagem química, decompõe o
polímero em monômeros ou misturas hidrocarbonetos que poderão ser reutilizados
para a produção de outros materiais plásticos com boa qualidade ou produtos
químicos. A reciclagem quaternária, também conhecida como reciclagem energética,
é o processo em que há a queima de plásticos em incineradoras especiais que
geram energia elétrica ou térmica a partir do calor gerado pela queima dos plásticos.
A IPCC (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas da ONU)
recomenda que esse processo de reciclagem energética para lixos não-recicláveis
seja adotado pelos países, porém esse processo possui alguns contras. Ao queimar
os plásticos, gera gases de grande toxidade, para poder desintoxicar, é necessário
um alto investimento em filtros especiais para as incineradoras.
62
9 CONCLUSÃO
Desde que se tem o conhecimento dos polímeros, com o passar do tempo
buscou-se aperfeiçoar as técnicas para sua obtenção, fato que fez com as
pesquisas avançassem junto à tecnologia e proporcionassem o emprego dos
polímeros nas diversas áreas e segmentos das ciências e das indústrias.
Conforme ia descobrindo-se suas características e utilidades, o emprego dos
polímeros tornou-se cada vez mais abrangente e permitiu que estes fossem
divididos de acordo com suas propriedades físicas, mecânicas e térmicas, fato que
só veio a contribuir para a otimização de seu uso.
Hoje é possível deparar-se com este tipo de material em qualquer lugar ao
redor, sendo aplicado desde o extrativismo até à medicina, passando pelas diversas
áreas da engenharia e principalmente servindo como produto das mais diversas
áreas da indústria. Essa abrangência de setores e aplicações contribui
consideravelmente para que os polímeros possam ser um material de maior difusão
no mercado e menor custo, se comparado a metais e aços, por exemplo. Porém,
nem só de benefícios se faz um polímero, tendo sua problemática focada no que diz
respeito ao meio ambiente devido ser um material de degradação demorada e no
que seria a solução, nem sempre está ao alcance de todos os materiais, haja vista
que a reciclagem se faz como a melhor solução, porém, alguns desses materiais
possuem dificuldade em serem polimerizados diretamente, tendo que serem
queimados e assim acarretando a liberação de alguns gases tóxicos.
Mesmo assim, demonstra-se que é completamente possível a reciclagem de
boa parte destes resíduos sem perda das características iniciais dos materiais
poliméricos, ressaltando a possibilidade de total reaproveitamento dos mesmos,
entretanto, o processo de reciclagem dos polímeros é o mais caro, pois envolve
seleção do material. Assim, conclui-se que o conhecimento e principalmente a
utilização de polímeros faz-se como uma grande via para que setores das ciências e
da indústria possam crescer cada vez mais, percebendo o material como grande
alternativa de problemas de projetos, industriais, da saúde, etc., buscando sempre o
uso sustentável e alternativo para que meio ambiente e polímeros possam coexistir
de forma conjunta e coesa.
63
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DO PLÁSTICO. Perfil 2012 – Indústria brasileira de transformação de material plástico. São Paulo, SP, 2012.
CALLISTER, William D.. Ciência e engenharia de materiais. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.
CANEVAROLO JR, Sebastião V. Ciência dos Polímeros – um texto básico para tecnólogos e engenheiros. 2 ed. São Paulo: Artliber Editora, 2006.
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