Jairo José
Jairo José de Oliveira Andrade –
de Oliveira Andrade –
PUCRS
PUCRS
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o 38
o 38
•
•
PolímerosPolímeros →→materiais compostos de origem natural ou
materiais compostos de origem natural ou
sintética com massa molar elevada, formados pela
sintética com massa molar elevada, formados pela
repetição de um grande número de unidades estruturais
repetição de um grande número de unidades estruturais
básicas.
básicas.
•
•
Características principaisCaracterísticas principais•
•
boa resistência àboa resistência à corrosãocorrosão•
•
baixa massa específicabaixa massa específica•
•
boas características de isolamento térmico e elétrico.boas características de isolamento térmico e elétrico.Generalidades
Plástico
Plástico →→
nome popular empregado para os polímeros
nome popular empregado para os polímeros
pela propriedade de plasticidade que este material
pela propriedade de plasticidade que este material
apresenta, ou ainda, por ser uma das
apresenta, ou ainda, por ser uma das
fasesfasesdo polímero
do polímero
antes da sua conformação.
antes da sua conformação.
Generalidades
Generalidades
Plástico
Produtos petroquímicos
•
Os materiais poliméricos são
oriundos de hidrocarbonetos,
derivados de petróleo.
•
No Brasil, a Petrobrás detém a
tecnologia para a exploração do
petróleo, com 75% da produção
nacional na Bacia de Campos,
Rio de Janeiro.
•
Produtos gerados: as parafinas, as olefinas, o naftaleno
e os hidrocarbonetos aromáticos (metano, propano,
etano, etileno, propileno, butenos, ciclohexanos,
benzeno, tolueno).
•
Processo de produção: destilação, realizado em
refinarias de petróleo.
consiste em separar fluidos com pontos de ebulição diferentes através do aquecimento dos mesmos
Figura 2 - Refinaria de petróleo
•
Na destilação são extraídos inicialmente (fase primária)
as principais frações do petróleo
•
Gasolina•
óleo diesel•
nafta•
solvente•
querosene•
GLP (gás de cozinha). Produtos petroquímicos•
•
Tipos de indústria petroquímica
Tipos de indústria petroquímica
•
•
Indústria primária (1Indústria primária (1aa geração)geração) →→ transforma a nafta emtransforma a nafta emprodutos petroquímicos básicos produtos petroquímicos básicos
•
•
OlefinasOlefinas (eteno, propeno e butadieno);(eteno, propeno e butadieno);•
•
Aromáticos Aromáticos (xileno(xileno e tolueno).e tolueno).•
•
Indústria secundária (2Indústria secundária (2aa geração)geração) →→ transforma ostransforma osprodutos petroquímicos básicos em polímeros produtos petroquímicos básicos em polímeros
•
•
Ex.: polipropileno e polietileno.Ex.: polipropileno e polietileno.•
•
Indústria terciária (3Indústria terciária (3aa geração ou de transformação)geração ou de transformação) →→ osospolímeros são modificados por meio de aditivos e polímeros são modificados por meio de aditivos e conformados nos produtos de consumo
conformados nos produtos de consumo P
•
•
Materiais introduzidos intencionalmente para tornar um
Materiais introduzidos intencionalmente para tornar um
polímero mais adequado para uma dada condição de
polímero mais adequado para uma dada condição de
aplicação.
aplicação.
•
•
Plastificantes
Plastificantes
•
•
São geralmente líquidos de baixas pressões de vapor e pesosSão geralmente líquidos de baixas pressões de vapor e pesos moleculares reduzidos, com moléculas de pequeno tamanho;moleculares reduzidos, com moléculas de pequeno tamanho;
•
•
Proporciona flexibilidade, ductilidade e tenacidade aos polímeros.Proporciona flexibilidade, ductilidade e tenacidade aos polímeros.•
•
Empregados em materiais frágeis àEmpregados em materiais frágeis à temperatura ambientetemperatura ambiente →→ PVCPVCe os copolímeros de acetato
e os copolímeros de acetato,, na fabricação de lâminas finasna fabricação de lâminas finas ou
ou pepelículas, lículas, tubtubos, cortos, cortinasinas, entre outros., entre outros.
A
•
•
Pigmentos
Pigmentos
•
•
FinalidadeFinalidade →→ colorir e dar opacidade a um polímero.colorir e dar opacidade a um polímero.•
•
Barreira aos ataques dos raios ultravioletaBarreira aos ataques dos raios ultravioleta•
•
estabilidade químicaestabilidade química•
•
Dióxido de titânio (TiODióxido de titânio (TiO22))•
•
Pigmento brancoPigmento branco•
•
bastante utilizadobastante utilizado →→ maior poder de cobertura, maior brilho emaior poder de cobertura, maior brilho emenor custo. menor custo.
A
• Estabilizadores
•
Evitam a degradação de polímeros quando expostos à radiação ultravioleta e oxidação.•
sais, fosfitos e cetonas.•
Estabilizantes térmicos utilizados para evitar uma série de reações iniciadas pelo HCl formado durante o próprio processo de formação do polímero, como no caso do PVC.•
carbonato básico de chumbo, os estearatos, entre outros.• Retardadores de chama
•
Aumentam a resistência à inflamabilidade dos polímeros através da diminuição da temperatura no local de queima•
Reação química,•
Compostos que interferem no processo de combustão.•
Polietileno, nylon e poliestireno → inflamáveis na sua formapura
•
empregados na fabricação de roupas e brinquedos.•
Compostos clorados ou bromados, os fosfatos orgânicos e o trióxido de antimônio.• Cargas
•
Objetivo: melhorar as propriedades dos polímeros com um custo reduzido•
As cargas de reforço tem como objetivo aumentar a resistência mecânica da peça fabricada.•
Fibras de vidro e o negro de fumo.•
Os materiais inertes são incorporados aos polímeros para diminuir o custo de produção.•
Talco e a serragem.Técnicas de conformação dos polímeros
• O método mais tradicional
→moldagem
•
Moldagem por injeção
•
Tempo do ciclo de moldagem: 10 a 30s para materiais termoplásticos, sendo superior para polímeros termofixos, pois a cura destes ocorre quando o material encontra-se sob pressão no molde.Técnicas de conformação dos polímeros
Figura 4 – Etapas do processo de injeção: (a) plastificação; (b) injeção propriamente dita; (c) extração (Ipiranga Petroquìmica, 2000)
a) O material polimérico é amolecido em um compartimento aquecido;
b) Em seguida o material é injetado sob alta pressão em um molde com temperatura mais baixa;
c) Após, o molde é aberto e o material é ejetado. Com o fechamento do molde há o recomeço do ciclo.
Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por extrusão
• Uma rosca mecânica ou um parafuso sem fim propele o material peletizado através de uma zona aquecida, onde o material aquecido é compactado, fundido e moldado na matriz.
• Na saída, o material é comprimido contra uma matriz com o perfil desejado, podendo ser resfriado, calibrado, cortado ou enrolado.
• Tal técnica é empregada para produzir materiais contínuos, como tubos, bastões, folhas finas e filamentos.
Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por extrusão
Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por compressão
•
O material é inserido dentro de um molde. Ambas as partes são aquecidas e o molde é fechado, com aplicação de calor e pressão no seu interior.•
Utilizada tanto para materiais termoplásticos quanto termofixos, porém despende maior tempo e custo para os termoplásticos.Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por compressão
Figura 6 – Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por compressão (Billmeyer Jr. citado por Callister Jr., 2002, p. 346)
Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por fundição
•
O material é aquecido e vertido em um molde e deixado em repouso para solidificar.•
Em polímeros termoplásticos a solidificação ocorre devido ao resfriamento do material dentro do molde•
Nos termofixos, o endurecimento é ocasionado pelas reações de polimerização do material em temperaturas elevadas.Técnicas de conformação dos polímeros
• Moldagem por insuflação
Figura 7 – Representação esquemática do processo de insuflação (Rodolfo Jr., Nunes e Ormanji, 2006, p. 246)
1. 2. Um pedaço de tubo feito com o polímero é extrudado; e
3. Inserido no molde com a forma desejada no estado semifundido; 4. 5. É injetado ar ou vapor sob
pressão no interior do tubo forçando as suas paredes a se conformarem de acordo com o contorno do molde;
Propriedades dos polímeros
• Massa específica
•
Os materiais poliméricos apresentam massa específica mais baixa que os metais e as cerâmicasMaterial Massa específica (g/cm3)
Polimérico 0,90 - 1,50
Metálico 7,85
Cerâmico 3,30
Propriedades dos polímeros
• Estabilidade dimensional
•
Propriedade importante para aplicações como engrenagens e peças de encaixe.•
A variação de umidade é um dos principais fatores que alteram tal propriedade, pois a água absorvida aumenta o volume e a massa específica da peça.•
A remoção da água → pode acarretar o aparecimento devazios e microfraturas que modificam as propriedades do material.
Propriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
•
As propriedades elásticas dos polímeros apresentam variação com o decorrer do tempo mesmo em condições normais.•
A resposta molecular de um polímero para atingir o equilíbrio com as forças externas é lenta•
material continua a deformar ou flui quase que indefinidamente com a aplicação da tensãoPropriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
Figura 8 – Principais grupos de materiais poliméricos de acordo com o seu comportamento mecânico até a ruptura (Callister Jr., 2002)
Propriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
Figura 9 – (a) Corpo-de-prova de material polimérico (b) ensaio de tração: alongamento do
Propriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
Propriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
Propriedades dos polímeros • Comportamento mecânico Polímero Tg (oC) Policarbonato 150 Poliestireno 100 PVC 87 Náilon 6,6 57 Polipropileno -10 Policloropreno (neoprene) -50 Polietileno de alta densidade -90 Polidimetil siloxano (silicone) -123
Propriedades dos polímeros
• Comportamento mecânico
•
O peso molecular também influencia nas propriedades dos polímeros•
100 g/mol → gases•
1.000 g/mol → sólidos pastosos, resinas moles•
10.000 g/mol → polímeros sólidos de interesse na Engenharia.•
Polímeros com elevada cristalinidade ou que apresentem estrutura rígida aromática, possuem altos valores de módulo de elasticidadePropriedades dos polímeros
• Resistência ao impacto
•
Polímeros cristalinos e amorfos → frágeis à baixastemperaturas.
•
Fratura de polímeros termofixos → frágil.•
Fratura de polímeros termoplásticos → dúctil ou frágil.•
Fatores que influenciam → temperatura, taxa de deformação ePropriedades dos polímeros
• Permeabilidade a gases e vapores
•
Importância → materiais que serão empregados emembalagens.
•
De uma forma geral → baixa permeabilidade.•
A borracha butílica (copolímero de isobutileno e isopreno) é empregada em pneus pela impermeabilidade a gases, propriedade que é devida à cristalinidade imposta ao material quando sujeito à tração.Propriedades dos polímeros • Inflamabilidade
•
Aquecimento de um polímero orgânico → modificaçõesfísico-químicas,
•
Decompõe em produtos voláteis.•
Polímeros de fácil decomposição entram em combustão rapidamente•
Nitrato de celulose•
Polímeros termofixos → maior dificuldade de combustãoPropriedades dos polímeros • Propriedades térmicas e elétricas
•
Elevados valores para o coeficiente de dilatação térmica linear dos polímeros•
α = 2,3.10-4/oC.•
Borracha de silicone → o dobro•
Apresentam baixa condutividade térmica•
0,12 W/m.K (polipropileno)•
0,48 W/m.K (polietileno alta densidade)Propriedades dos polímeros • Propriedades térmicas e elétricas
• São isolantes elétricos
• Resistividade igual a 1014 Ω.m (PVC) e 1016 Ω.m (polietileno de
alta densidade).
Tipos de polímeros
• Polímeros termoplásticos
• Polímeros termofixos
Polímeros termoplásticos
•
Amolecem e fluem quando submetidos a uma dada
temperatura e pressão
•
Apresentam possibilidade de reciclegem
•
Não apresentam um reticulado cristalino preponderante,
podendo fundir somente em certas faixas de temperatura.
•
Materiais de baixo custo, alta produção, facilidade de
processamento e baixo nível de resistência mecânica
comparados a outros tipos de polímeros.
Polímeros termoplásticos
•
Polietileno (PE)• Pode-se produzir 5 tipos diferentes, de acordo com as condições da reação e do sistema catalítico empregado na polimerização:
1) Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE); 2) Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE);
3) Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE); 4) Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou
UHMWPE);
Polímeros termoplásticos
• Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE)
•
Apresenta estrutura ramificada•
Parcialmente cristalino (50-60%)•
Boa tenacidade•
Satisfatória resistência ao impacto e a algumas soluções aquosas (inclusive a elevadas temperaturas),•
Sofre com o ataque de solventes alifáticos, clorados e aromáticos;•
Empregos: filmes para embalagens industriais e agrícolas, brinquedos e utilidades domésticas, revestimentos de fios e cabos, dutos e mangueirasPolímeros termoplásticos
•
Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE)
•
É o quarto termoplástico mais vendido no mundo;•
Baixo numero de ramificações em sua cadeia → maiorcristalinidade e densidade;
•
Polímero de elevada rigidez e resistência à tração se comparado aos outros tipos de polietileno•
Usos: fios, cabos, malhas redes, tubos rígidos, isolamento de fios e cabos elétricos, entre outros.Polímeros termoplásticos
•
Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE)
•
É um material com grande capacidade de selagem a quente, desta forma podendo ser empregado emembalagens de gêneros de primeira necessidade,
substituindo o PEBD
•
São conformados por extrusão e por injeção•
Empregos: fraldas descartáveis, recipientes, artigos flexíveis, entre outros.• Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou
UHMWPE)
•
Elevada resistência à abrasão, ao impacto e à ação de alguns produtos químicos, como álcalis, ácidos, solventes, combustíveis, detergentes e oxidantes•
Emprego em diversos tipos de indústrias (mineração, têxtil, química, alimentícia, bebidas, papel e celulose)•
As moldagens por compressão ou prensagem adequadas. Polímeros termoplásticos•
Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE):
•
Características diferenciadas em relação ao PELDB•
Melhores propriedades ópticas•
Melhor resistência e flexibilidade•
O principal emprego → resina modificadora,principalmente para polietileno o PEAD, PEBD e o polipropileno
•
Poliestireno (PS)
•
Material de elevada dureza, rigidez e resistência à tração, amolecendo em temperaturas de 90-95 °C, com baixo custo.•
É inodoro, insípido e atóxico, possuindo pequena absorção de umidade. Apresenta resistência aos álcalis e é solúvel em ésteres, hidrocarbonetos aromáticos e clorados;•
Poliestireno expandido (EPS) → isopor ®•
Usos → isolamento térmico, em construções como câmarasfrigoríficas, no preenchimento de juntas de dilatação, nas lajes nervuradas e na fabricação de concreto leve.
•
Polipropileno (PP)
•
Polímero termoplástico derivado do gás propeno de moderada resistência mecânica•
Boa resistência química,•
Atacado por certos compostos halogenados, ácido nítrico, hidrocarbonetos aromáticos e clorados;•
Usos → fabricação de tubos e conexões rosqueáveis esoldáveis para condução de água, bem como em fibras empregadas no concreto,
•
Minimizar as fissuras de retração plástica em pavimentos e aumentar a resistência à tração do concreto projetado•
Policloreto de vinila (PVC)
•
57% de cloro (NaCl) e 43% do eteno (petróleo)•
Principais características: bom isolante elétrico, térmico e acústico, baixa permeabilidade a gases e líquidos, baixo consumo de energia para sua fabricação, boa resistência à oxidação e à corrosão e baixa combustibilidade (é auto-extinguível);•
Boa resistência à degradação química, sendo vulnerável a alguns compostos: solventes clorados, aromáticos, cetônicos e tetrahidrofurânicos•
Presentes em colas, mastiques, tintas e vernizes;•
Policloreto de vinila (PVC)
•
Na Engenharia Civil, o PVC extrudado é utilizado para a fabricação de tubulações, perfis de janelas, revestimentos de cabo•
Produtos em PVC flexível → isolamento elétrico devido àbaixa condutividade.
•
Policarbonato (PC)•
Ácido carbônico + bisfenol•
Material com boa estabilidade dimensional, resistência ao escoamento e às intempéries, apresentando uma boa transparência. Possui baixa resistência à abrasão, podendo ser facilmente riscado•
Na Engenharia Civil → substituição do vidro em coberturas efechamentos que exigem iluminação natural, principalmente devido às suas características de alta resistência ao impacto
•
250 vezes maior que o vidro e 50 vezes maior que o acrílico•
Politetrafluoretileno (PTFE)•
Teflon® → plástico com maior resistência à agentesquímicos;
•
Principais características: baixo coeficiente de atrito, bom isolamento elétrico, baixa condutividade térmica, excelente resistência química (solventes e reagentes), propriedades mecânicas satisfatórias mesmo a baixas temperaturas.•
Usos → fabricação de mantas (fibra de vidro inseridas emuma matriz de PFTE) empregadas na construção de tensoestruturas
•
Polimetil metacrilato (PMMA)•
Conhecido como acrílico.•
Apresenta certa semelhança ao vidro;•
Apresenta características ópticas e mecânicas superiores ao poliestireno, mas apresenta um custo mais elevado•
Poliacetato de vinila (PVA ou PVAc)•
Material formado pela polimerização do acetato de vinila;•
Fracas propriedades mecânicas, não sendo adequado para a moldagem de materiais;•
Apresenta uma elevada adesividade → emprego sob aforma de emulsão em tintas de interiores e na fabricação
de adesivos do tipo cola branca.
•
São também chamados de termorrígidos
•
Amolecem e fluem sob dada temperatura e pressão
adquirindo a forma do molde, com subseqüente
solidificação.
•
Novas aplicações de temperatura e pressão não
exercem influência no material, tornando os materiais
infusíveis, insolúveis e
não recicláveis.•
Normalmente, apresentam maior resistência ao calor
que os materiais termoplásticos
•
São amorfos
•
Resinas epóxi (ER)
•
As resinas não são aplicadas isoladamente, mas necessitam da presença de um catalisador para polimerizar o material e ocorrer o endurecimento. O conjunto resina + catalisador é denominado sistema epóxi.•
Principais tipos de catalisadores → fenóis, álcoois, aminas,amidas e ácidos carboxílicos.
•
Usos na Engenharia Civil•
injeção de fissuras e trincas, união de aço e concreto em reforços, união de concretos com diferentes idades, argamassas para preenchimento de descontinuidades nos elementos e como adesivos para união de argamassas e concretos em reparos.•
Polidimetil-siloxano
•
São os silicones.•
termofixos (quando vulcanizados com peróxido orgânico) ou elastoméricos.•
Principais propriedades → boa resistência elétrica,antiaderência, elevadas resistências químicas e térmicas, resistência ao intemperismo, baixa tensão superficial e repelência à água.
•
Usos → juntas de dilatação em concreto, na vedação deesquadrias de alumínio, louças sanitárias e janelas.
•
Fabricação de tintas → melhora a aderência e a resistência•
Poliamidas
•
Nome comercial → nylon®•
Fios de grande resistência•
Apresentam boa resistência à tração, resistência química e fácil moldagem.•
Desvantagem → materiais higroscópicos•
Diminuição das suas propriedades mecânicas devido ao aumento de volume quando da incorporação de água. Fibras de vidro incorporadas ao material minimizam esse efeito•
Também denominados de elastômeros ou
borrachas.
•
Na
temperatura
ambiente
podem
apresentar
deformações superiores ao seu comprimento original
•
Recuperação elástica total quando a tensão é retirada•
Presença de cadeias com baixa densidade de ligações
cruzadas na estrutura do material.
Polímeros elastoméricos
•
Borracha Natural (NR –
natural rubber)
•
Não é adequada para o emprego nas Engenharias•
Material mole e pegajoso•
Pequena resistência à abrasão.•
Vulcanização•
Aumento do módulo de elasticidade•
Acréscimo do limite de resistência à tração e da resistência à degradação por oxidação.Polímeros elastoméricos
•
Vulcanização: adição de moléculas de enxofre aoelastômero sob elevadas temperaturas
Polímeros elastoméricos
•
Estireno-butadieno (SBR –
styrene-butadiene rubber)
•
É um copolímero aleatório do butadieno estireno, considerado como uma borracha de uso geral.•
Possui boa resistência contra o inchamento na presença de ácidos e bases, mas não resiste quando em contato com óleos minerais, graxas de lubrificação, gasolina e hidrocarbonetos alifáticos.•
Na Engenharia Civil, o SBR pode ser empregado na fabricação de concreto polímero, que apresenta umaumento de resistência em relação ao concreto convencional de até 50%.
Polímeros elastoméricos
•
Policloropreno (CR)•
Nome comercial → neoprene.•
Possui boa resistência ao envelhecimento, às intempéries, ao ataque do ozônio e a determinados agentes químicos, sendo dificilmente inflamável.•
Pode ser atacado por hidrocarbonetos clorados, ésteres, éter e cetonas.•
Usos → aparelhos de apoio em pontes, viadutos e emPolímeros elastoméricos
•
Polietileno clorosulfonado
•
É uma borracha sintética obtida através da reação do polietileno com o cloro e o dióxido de enxofre.•
Nome comercial → hypalon®•
Principais características → resistência ao ataque dediversos compostos químicos, resistência a elevadas temperaturas de trabalho (~150°C), baixa inflamabilidade, boa resistência à abrasão e elevada resistência ao ozônio.
Polímeros elastoméricos
•
Isobutileno-isopreno
•
Conhecido como borracha butílica.•
Características → excelente resistência às intempéries eenvelhecimento e baixa permeabilidade, podendo ser utilizado em uma faixa que varia de -40ºC até +150ºC.
•
Após a vulcanização → torna-se termofixo, com baixapermeabilidade aos gases e elevada resistência ao intemperismo
•
Na Engenharia Civil → mantas poliméricas paraTipos de polímeros
•Quadro 4 – Valores de algumas propriedades de materiais poliméricos (Callister Jr., 2002) Massa específica (g/cm3) Módulo de elasticidade (GPa) Coeficiente de Poisson Limite de escoamento (MPa) Limite de resistência à tração (MPa) Alongamento (%) Cloreto de polivinila 1,30-1,58 2,41-4,14 0,38 40,7-44,8 40,7-51,7 40-80 Estireno-butadieno 0,94 0,002-0,01 - - 6,9-24,1 400-600 Silicone 1,10-1,60 - - - 10,3 100-800 Epóxi 1,11-1,40 2,41 - - 276-90,0 3-6 Náilon 1,14 1,59-3,79 0,39 55,1-82,8 94,5 15-80 Policarbonato 1,20 2,38 0,36 62,1 62,8-72,4 110-150
