Materiais PlsticosSENAI/CIMATEC
Prof. Josiane Dantas
Materiais PlsticosO que veremos na disciplina?
Conceitos e caractersticas gerais:Classificao dos termoplsticos Principais fatores que influenciam as propriedades de termoplsticos
Principais plsticos convencionaisPolietileno de baixa densidade Polietileno de alta densidade PolipropilenoJosiane Dantas Senai/Cimatec
Para que possamos entender a importncia da nossa disciplina, vamos primeiro falar sobre a importncia dos materiais plsticos e sobre a histria destes materiais.
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Qual a importncia dos materiais?
Praticamente cada segmento da nossa vida cotidiana influenciado em maior ou menor grau pelos materiais.Exemplos: transportes, nossas roupas, alimentao, e construo civil.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Qual a importncia dos materiais Plsticos?Substituio de outros materiais Vantagens Desvantagens
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Breve histrico dos materiais Plsticos
Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um nmero limitado de materiais. Pedra, madeira, argila e peles.
Os materiais esto relacionados com o homem, surgiram com o seu aparecimento e deram nomes s eras da civilizao. Ex: Idade da Pedra, Idade do Bronze.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Desenvolvimento dos materiais plsticos
Bblia (xodo) a me de Moiss, usou Betumen para impermeabilizar o cesto.Babilnia usaram Betumen como agente aglutinante na preparao de ladrilhos Sculo XVI: marinheiros de Colombo descobriram que os ndios da Amrica jogavam com borracha natural obtida a partir do ltex coagulado Em 1731, uma expedio francesa encontrou na Amazonas um pano revestido de borracha usado na fabricao de sapatos impermeveis e de garrafas de ltex pelas tribos locais. Entretanto a borracha era um material difcil de moldar por ser muito elstico
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Desenvolvimento dos materiais plsticos
Em 1839, um americano Charles Goodyear, ao esquentar a borracha natural com enxofre, obteve um material que tinha a elasticidade e resistncia mecnica, trmica e a solventes.Na perodo de 1930 1939 que surgiram: Poliestireno, PVC, Poliolefinas, Polimetacrilato de Metila e o Poliuretano.
Em 1930, a Dow Chemical e Igfarben produziram o PoliestirenoO PVC obteve interesse comercial, embora mas apresentava alta taxa de desclorinao.
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Conceitos Fundamentais
Polmero So cadeias longas, de alto pesomolecular constitudas por unidades repetidas (mero) ligados atravs de ligao covalente, podendo ser de natureza orgnica, inorgnica, natural ou sinttica. Polmero muitas partes monmero uma parte Oligmero poucas partes
Monmero Unidade qumica que origina opolmero.Este deve ser bifuncional.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Conceitos Fundamentais
Funcionalidade o numero de posies avaliveis para ligaes com outras molculas (pontos reativos ou de ligao). Grau de Polimerizao (DP-N) o numero de unidades de repetio na unidade polimrica. Polimerizao o conjunto das reaes qumicas que provocam a unio de pequenas molculas por ligaes covalentes, para a formao de cadeias macromoleculares que Josiane Dantas compem o material polimrico.Senai/Cimatec
ExemplosMnomeros
Polmeros
EtilenoH2C = CH2
Polietileno (PE)H H C C H H n
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ExemplosMnomeros
Polmeros
Propileno
Polipropileno (PP)
H2C = CH - CH3
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ExemplosMnomeros
Polmeros
Cloreto de Vinila
Policloreto de Vinila (PVC)
H2C = CH - CL
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Polimerizao
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Ilustrao de um PolmeroSegmentos da cadeia polimrica
H HMacromolcula polimrica
C CUnidade repetitiva (mero)
H H
n
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Influncia da Massa Molecular
Polmeros
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Forca Moleculares em Polmeros
So ligaes primrias fortes (dizem respeito a ligaes dentro de uma mesma molcula).
Intramoleculares
Inica ou Eletrovalente Coordenada Metlica CovalenteJosiane Dantas Senai/Cimatec
Ligaes covalentes Resultam no compartilhamento de eltrons entre tomos adjacentes. H Ocorre entre tomos com pequenas diferenas de eletronegatividade e que esto prximos uns dos outros na tabela peridica.
H
C
H
Eltron compartilhado do C
H
Eltron compartilhado do H Josiane Dantas Senai/Cimatec
Forca Moleculares em Polmeros
So ligaes secundrias fracas entre os segmentos de cadeias polimricas.
Intermoleculares
Forcas de Van der Waals
Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo induzido Foras de disperso
Pontes de HidrognioJosiane Dantas Senai/Cimatec
Ligaes de van der Waals So ligaes fracas, com energia de ligao de apenas 4 a 40 kJ/mol.
Ocorre pela atrao entre dipolos eltricos que existem nos tomos e molculas. Um dipolo eltrico existir
+Dipolo atmico
-
+Dipolo atmico
-
sempre que houver alguma separao entre as fraes positiva e negativa de um tomo ou molcula. A ligao resulta da atrao coulombiana entre a extremidade positiva de um dipolo e a regio negativa de um Josiane Dantas dipolo adjacente. Senai/Cimatec
Exemplo: Molcula da gua H2O O H105o
H
+ +
Ligaes de hidrognio
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Tabela 1- Energia de Ligao
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Tipos de cadeias
Cadeias Lineares
onde a cadeia polimrica constituda apenas de uma cadeia principal (monmeros bifuncionais).
Ex: PE, PP,PVC,PS,PMMA, etc...
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Tipos de cadeias
Cadeias Ramificadas
neste caso, da cadeia principal partem prolongamentos (que podem ser longos quanto curtos).
Ex: LDPE, ABS.
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Tipos de cadeias
Cadeias com Ligaes Cruzadas (reticulado)
neste caso, as cadeias polimricas esto ligadas entre si, atravs de segmentos de cadeias ligados por foras primrias fortes.
Ex: Fenolformaldedo
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Os Polmeros podem ser:
So polmeros que s possuem uma nica unidade de repetio (mero) na cadeia. Ex.: Polietileno, Poliestireno, poliacrilonitrila, poli (acetato de vinila).
Homopolmero
AAAAAAAAAJosiane Dantas Senai/Cimatec
So polmeros que apresentam duas ou mais unidades de repetio (mero) na cadeia.Ex.: SAN, NBR, SBR, EVA.
Copolmero
Classificao
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Os Copolmeros podem ser:
Os meros esto ordenados de forma alternada na cadeia.
Alternado -
ABABABABA Aleatrio Os meros esto dispostos de forma desordenada na cadeia do polmero.
AABABBBAAJosiane Dantas Senai/Cimatec
principal do copolmero formada por um tipo de unidade repetida, enquanto o outro mero forma a cadeia lateral (enxertada).AA AAAA A | | B B | | B B
Grafitizados (ou enxertados) A cadeia
Bloco
Os meros esto agrupado em bloco ou grupos homogneos .AA AAAA AABBB BBBBAA Josiane Dantas Senai/Cimatec
Todos os polmeros so iguais?
Classificaes
Estrutura qumica Mtodo de preparao Comportamento Mecnico Desempenho mecnico
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Quanto a estrutura qumicaPolmeros de cadeia carbnica1) Poliolefinas PP, PE2) Polmeros dienos BR, NBR 3) Polmeros estirnicos SAN, ABS 4) Polmeros clorados PVC, PVDC
5) Polmeros fluorados PTFE6) Polmeros acrlicos so polmeros derivados do ac. Acrlico 7) Polivinil steres PVA 8) Poli (fenol-formaldedo) resinas de fenol formaldedo. Josiane Dantas Senai/Cimatec
Polmeros de cadeia heterognea1) Politeres ligao ter (C-O-C) na cadeia principal2) Polisteres ligao ster (CO-C) na cadeia principal, PET. 3) Policarbonato ligao O-CO-O-, PC. 4) Poliamidas - -NH-CO-, nylon 6, 6,6;6,10;11;12.
5) Poliuretano - -NH-CO-O-.6) Aminoplsticos - -C-NH2- (resina reia-formaldedo) 7) Derivados da celulose CMC. 8) Siliconas ligao Si-O- (silicone) Josiane Dantas Senai/Cimatec
Quanto ao mtodo de preparaoPolmeros de adio
So aqueles em que durante a sua formao no h perda de massa na forma de compostos de baixo peso molecular. Assumindo-se converso total o peso de polmero formado igual ao peso do monmero adicionado.Ex:PE, PP, PVC, PMMA.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Polmeros de condensao
So aqueles originrios da reao de dois grupos funcionais reativos, com a eliminao de molculas de baixo peso molecular (H2O, amnio, HCl).Ex:PET, Nylon 6,6.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Quanto ao comportamento mecnico
Os polmeros podem ser classificados, quanto ao comportamento mecnico em:
Plsticos Fibras ElastmerosJosiane Dantas Senai/Cimatec
Plsticos um material slido na
temperatura ambiente. Podem ser:
Termoplsticos so polmeros que, sob o
efeito de (T e P), amolecem e fluem, podendo ser moldados nestas condies. Retirada a (T e P), se solidifica, adquirindo a forma do molde. Novas aplicase de (T e P) reiniciam o processo, portanto so reciclveis. So solveis e possuem cadeia linear ou ramificada. Ex: PE, PP, PVC. Josiane DantasSenai/Cimatec
RESUMO
Termoplsticos
- so polmeros lineares ou ramificados, que permitem fuso por aquecimento e solidificao por resfriamento.
Precisam de calor para conformao Aps resfriamento, retm a forma Podem ser reaquecidos e reformados Ligaes fortes na cadeia e fracas entre cadeias.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Termorrgidos
tambm conhecidos por termofixos, polmero em rede ou em retculo, so polmeros que, quando sujeitos a aplicaes de (T e P), amolecem e fluem adquirindo a forma do molde, reagem quimicamente formando ligaes cruzadas entre as cadeia e se solidificam. Subseqentes aplicaes de (T e P) no tem mais influencia tornando-os infusveis, insolveis e no reciclveis.
Ex: baquelite, poxi (araldite)Josiane Dantas Senai/Cimatec
RESUMO
Termorrgidos
so polmeros que, por aquecimento ou outra forma de tratamento, assumem estrutura tridimensional, reticulada, com ligaes cruzadas, tornando-se insolveis e infusveis.
ou
termofixos
-
Curados por reao qumica Degradam ou decompem quando aquecidos No podem ser reciclados Redes tridimensionais de ligaes fortesJosiane Dantas Senai/Cimatec
Elastmeros so polmeros que na
temperatura ambiente, podem deformar-se no mnimo 2 vezes o seu comprimento inicial, retornando ao comprimento original rapidamente aps retirado o esforo. Por isso, os elastmeros normalmente possuem cadeias flexveis amarradas umas as outras, com uma baixa densidade de ligaes cruzadas.Ex: NR, BR, IR.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Fibras -
um termoplstico orientado (com sentido longitudianal dito eixo principal de fibra). A orientao das cadeias e dos cristais, feita de modo forado durante a fiao, aumenta a resistncia mecnica, tornando-os possveis de serem usados na forma de fios finos.
Ex: PAN, Nylons, Polister.
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Quanto ao desempenho mecnico
Esta classificao leva em conta o desempenho mecnico do polmero na sua aplicao ou uso. Neste tipo de classificao os materiais polimricos podem ser subdivididos em:Termoplsticos convencionais (commodities); Termoplsticos de uso industrial; Termoplsticos de engenharia e Termoplsticos de alta performanceJosiane Dantas Senai/Cimatec
Convencionais (commodities) - so
polmeros de baixo custo, baixo nvel de exigncia mecnica, alta produo, facilidade de processamento, etc. A produo destes termoplsticos corresponde em torno de 70% da produo mundial de polmeros. Ex:Poliolefinas (PE, LDPE, HDPE, PP, PS e o PVC).Josiane Dantas Senai/Cimatec
Uso industrial - tm custo maior que os
polmeros convencionais, porm, com algumas propriedades um pouco superiores. Nesta classe encontram-se os copolmeros, homopolmeros.Ex: Etileno-acetato de vinila (EVA), estirenoacrilonitrila (SAN), politetrafluoreto de etila (PTFE) e acrlico (PMMA)Josiane Dantas Senai/Cimatec
situaes onde so exigidos resistncia mecnica, tenacidade e estabilidade dimensional. So utilizados em peas tcnicas (engrenagens, componentes eletrnicos e automobilsticos, etc).
Engenharia - so polmeros usados em
Ex:Nylon, PET, PBT, POM, PC, ABS.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Alto desempenho (uso especial) - so polmeros que resistem a temperaturas de uso contnuo superiores a 150C e caracterizados pela presena de grande quantidade de anis aromticos na cadeia principalEx: (polissulfonas, polissulfeto de fenileno PPS), poliimidas (poliimida-poliamida), politer-ter-cetona (PEEK).Josiane Dantas Senai/Cimatec
Variveis que determinam as propriedades dos polmeros
composio qumica; massa molar e distribuio de massa molar; conformao da cadeia polimrica; configurao da cadeia polimrica e morfologiaJosiane Dantas Senai/Cimatec
Os elementos qumicos presentes na cadeia polimrica afetam os polmeros com relao estabilidade trmica, ou seja, resistncia ao calor, resistncia a solventes, absoro de umidade, estabilidade oxidao por calor e propriedades mecnicas e eltricas em geral
Composio Qumica -
(PE)
(PS)Josiane Dantas Senai/Cimatec
Massa molar e distribuio de massa molar Uma propriedade fundamental importante
a massa molecular (MM) ou peso molecular do polmero (PM). Define-se MM como: MM = GPxMMmero, onde MMmero a massa molar do mero. As propriedades especiais dos polmeros surgem quando o peso molecular superior a 1000-1500 e tornam-se mais evidentes medida que o peso molecular aumentaJosiane Dantas Senai/Cimatec
Resistncia Trao em funo do Peso MolecularJosiane Dantas Senai/Cimatec
Clculo do Peso Molecular
Peso molecular Numrico Mdio: (Mn)Mn = ( ni * Mi ) / Ni
Peso molecular Ponderal Mdio: (Mw)Mw = ( niMi2 ) / ( ni * Mi)
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Exemplo:
Suponhamos que uma amostra de um polmero possua em cada 100 molculas:60 molculas com peso molecular 20.000 40 molculas com peso molecular 300.000 Determinar Mn, Mw.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Conformao da cadeia polimricaA maneira como uma cadeia polimrica vai se empacotar depende de suas caractersticas particulares (estrutura qumica) e do meio em que ela est imersa. Trs tipos de conformao podem ser encontradas em polmeros: enrodilhada ou em novelo; zig-zag planar e hlice ou helicoidal ou espiral.Josiane Dantas Senai/Cimatec
A enrodilhada uma conformao aleatria sem periodicidade onde a macromolcula tende a se enrodilhar na forma de um novelo. Os polmeros no estado fundido ou num solvente se apresentam desta forma.
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A conformao tipo zig-zag planar tpica em polmeros sem grupos laterais e se empacotam de uma maneira regular, conformando-se na forma de zig-zag. Os tomos de carbono da cadeia principal se dispem espacialmente, definindo um plano nico, mantendo os ngulos e distncias de ligao constantes e caractersicos para cada tipo de ligao. Exemplos de polmeros que apresentam esse tipo de conformao: LDPE, HDPE, Nylons, PC, PET. Josiane DantasSenai/Cimatec
A conformao tipo hlice ou helicoidal em polmeros ocorre devido a presena de grupos laterais na cadeia polimrica que foram a cadeia a se distorcer de forma gradativaJosiane Dantas Senai/Cimatec
Configurao da cadeia polimrica O Arranjo configuracional da cadeia polimrica se refere ao modo como os tomos esto organizados (encadeamento) ao longo da cadeia polimrica e sua mudana configuracional s possvel com a quebra de ligaes qumicas primrias.Josiane Dantas Senai/Cimatec
H R H R H R C C C C C C H H H H H H H n H C C H R H R R H H R C C C C C C H H H H H H H R R H R H C C C C C C H H H H H H Misto Cabea-cabea, cauda-cauda Cabea-cauda
Trs tipos principais de isomerismo de seqncia: cabeacauda; cabea-cabea ou cauda-cauda; ou mistaJosiane Dantas Senai/Cimatec
Estado dos polmerosSegmentos da molcula conseguem empacotar-se de forma regular e suficiente para formar uma zona altamente ordenada. Estas regies ordenadas chamam de cristal e possui propriedades muito diferentes daquelas da regio amorfa. Cristalino Semi-cristalino AmorfoJosiane Dantas Senai/Cimatec
Estado dos polmerosSegmentos da molcula conseguem empacotar-se de forma regular e suficiente para formar uma zona altamente ordenada. Estas regies ordenadas chamam de cristal e possui propriedades muito diferentes daquelas da regio amorfa.
Cristalino Semi-cristalino AmorfoJosiane Dantas Senai/Cimatec
Estado Cristalino - so regies ordenadas .
O polmero cristalino rgido, duro, opaco e tem melhores propriedades fsicas.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Estado Semi-cristalino - so regies ordenadas e desordenadas .
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possuem ordem nas cadeias. As molculas encontram-se enroladas e entrelaadas. Um exemplo so as borrachas. Normalmente so moles e possveis de esticar at em 10 vezes seu comprimento original.
Estado Amorfo - os polmeros amorfos no
O polmero amorfo pode ser rgido, transpararente e tem baixas propriedades fsicas. Josiane DantasSenai/Cimatec
IMPORTANTE!!!
Quanto maior a cristalinidade maior ser: Densidade Rigidez Estabilidade dimensional Resistncia qumica Resistncia abraso Temperatura de fuso (Tm) Temperatura de transio vtrea (Tg) Temperatura de utilizaoJosiane Dantas Senai/Cimatec
Comportamento Trmico dos Polmeros
Os substancias simples tem trs estados : slido, lquido e gasoso
Nos plsticos isso no acontece. Em temperaturas elevadas, os plsticos ficam fluidos, com aspecto de borracha. A mobilidade de uma cadeia polimrica determina as caractersticas fsicas do produto, seja este um plstico duro e frgil, borrachoso e tenaz ou um fluido viscoso.Josiane Dantas Senai/Cimatec
Temperaturas que caracterizam um polmero
Existem trs temperaturas que caracterizam um polmero:
Temperatura de transio vtrea Tg Temperatura de fuso cristalina Tm Temperatura de cristalizao - Tc
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Temperatura de transio vtrea TgA Tg o valor mdio da faixa de temperatura que durante o aquecimento de um material polimrico, de uma temperatura muito baixa para valores mais altos, permite que as cadeias da fase amorfa adquiram mobilidade, isto , a passagem do estado vtreo para um estado malevel, sem ocorrncia de uma mudana estrutural.Forma de medidas de TgDSC (Calorimetria Exploratria Diferencial) DMA (Anlise Dinmico-Mecnica) TMA (Anlise Termomecnica) Josiane Dantas Senai/Cimatec
Temperatura de fuso cristalina TmRepresenta o valor mdio da faixa de temperatura em que durante o aquecimento, desaparecem as regies cristalinas com a fuso dos cristais. Polmero slido cristalino T Vibraes atmicas FUSO Tm CRISTALINA
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Temperatura cristalizao TcRepresenta uma temperatura baixa o suficiente para que em um dado ponto dentro da massa polimrica fundida, um nmero grande de cadeias polimricas se organizem de forma regular.
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IMPORTANTE !!!!Polmero PE PP PVC PS X H CH3 Cl Tm(0C) Tg(0C) 120 165175 273 235 -20 -8 81 100Josiane Dantas Senai/Cimatec
(
CH2 CH X
)