Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer que ele possui plástico, borracha e ou metal em sua composição, mas não é bem assim que as coisas funcionam.
Plástico não é “tudo igual”, assim como a borracha e o metal também não são. É comum as pessoas classificarem a qualidade de um produto de acordo com essas terminologias, porém, devemos saber que há centenas de polímeros diferentes, que proporcionam milhares de combinações, isto é, compósitos, que permitem agregar características de diferentes materiais e criar produtos de alta qualidade. É o que ocorre com correias, que podem ser feitas de PA66-HNBR-GF-AF, de retentores que são feitos de PTFE ou FPM, de peças de motores e veículos feitas em PA66-GF ou PPGF, calços, coxins e batentes feitos em TPU, de dielétricos de capacitores feitos em PP, PE, PC e até polímeros semicondutores PPy e PEDT.
Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los. Também é necessário saber que há produtos iguais (que podem ser aplicados no mesmo sistema), todavia, feitos de materiais diferentes e com diferenças de preços gritantes, como é o caso de retentores. Um retentor de PTFE ou FPM possui uma durabilidade demasiadamente alta, entretanto, seus preços destoam das outras tecnologias mais defasadas, e essa falta de conhecimento do povo sobre as justificativas do preço alto fazem com que a maioria opte pelo mais barato achando que é “tudo a mesma coisa”.
Outra coisa fácil de se ver na população leiga e até entre profissionais desses ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errôneos). Um bom exemplo são as velhas juntas de vedação estáticas de cabeçotes de motores a combustão interna, que antigamente eram baseadas em Fibra de Amianto e que, pela legislação moderna, foram substituídas por Fibra de Vidro e ou Fibra de Aramida, porém, até hoje são conhecidas por todos como “juntas de amianto” ou “juntas de papelão de amianto”.
Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre Plásticos e Borrachas e exemplos de vários materiais compósitos que são utilizados amplamente pela indústria química, automobilística, eletrônica e diversas outras, porém, com enfoque na eletrônica e mecânica.
Em química e tecnologia, os plásticos são materiais orgânicos poliméricos sintéticos, de constituição macromolecular, com grande maleabilidade (que apresentam a propriedade de adaptar-se em distintas formas), facilmente transformável mediante o emprego de calor e pressão, e que serve de matéria-prima para a fabricação dos mais variados objetos, como por exemplo vasos, sacolas, embalagens, cortinas, bijuterias, auto-peças, roupas, sapatos, componentes eletrônicos, brinquedos e etc.
CURIOSIDADE: A designação "Plástico" origina-se do grego "πλαστικός" (plastikós) e exprime a característica dos materiais quanto a moldabilidade (mudança de forma física). Adota-se este termo para identificar materiais que podem ser moldados por intermédio de alterações de condições de pressão e calor ou por reações químicas.
A matéria-prima dos plásticos geralmente é o petróleo. O petróleo é formado por uma complexa mistura de compostos. Pelo fato de estes compostos possuírem diferentes temperaturas de ebulição, é possível separá-los através de um processo conhecido como destilação ou craqueamento.
Os polímeros são formados por macromoléculas, estruturas feitas de monômeros. Os monômeros são unidades que se repetem na estrutura do polímero, podendo ser iguais ou diferentes, formando longas cadeias.
Mas não é tão simples assim. Há muitos outros detalhes a serem explanados sobre esta classe de materiais, e alguns deles são mostrados nos próximos parágrafos...
Vamos começar num nível de abstração mais elevado para depois focar no motivo desta publicação!
Compostos Orgânicos
Podemos começar com o conceito de "composto orgânico".
A expressão “compostos orgânicos” surgiu há mais de 200 anos, inicialmente com o objetivo de identificar os compostos que eram produzidos por organismos vivos. Entretanto, hoje se sabe que os compostos orgânicos podem ser também sintetizados em laboratório e essa definição não é mais utilizada.
CURIOSIDADE: Um exemplo clássico que mostrou que os compostos orgânicos poderiam ser sintetizados em laboratório foi à síntese da uréia a partir do cianeto de amônio, realizada em 1828 pelo químico Friedrich Wöhler.
Atualmente, podemos dizer que compostos orgânicos são moléculas formadas por átomos de Carbono ligados por meio de ligações covalentes entre si e com outros elementos, que veremos mais abaixo. O termo “compostos orgânicos” é aplicado independente de terem sido feitos pela natureza ou sintetizados em laboratório.
Todas as moléculas orgânicas apresentam átomos de Carbono, além de, na grande maioria, átomos de Hidrogênio. Entretanto, outros elementos, chamados de heteroátomos, podem estar presentes ligados quimicamente entre dois átomos de Carbono da cadeia, tais como:
-> Oxigênio (O);
-> Nitrogênio (N);
-> Enxofre (S);
-> Fósforo (P);
-> e os halogênios, tais como Cloro (Cl), Bromo (Br) e iodo (I).
A ligação dos átomos de Carbono com os elementos citados acima forma estruturas chamadas de “cadeias carbônicas”, que são bastante estáveis, e que podem variar desde dois até centenas de átomos de Carbono.
É importante ressaltar que, para que seja considerado um heteroátomo o elemento deve estar localizado entre dois átomos de Carbono na cadeia. No caso dos elementos O, S, N e P, geralmente ocorrem duas ligações covalentes, já para F, Cl, Br e I, ocorre apenas uma.
As diferentes formas como os átomos das cadeias carbônicas se ligam dá origem a uma quantidade quase infinita de compostos orgânicos. Com isso, eles podem ser agrupados de acordo com as classes funcionais, que é um conjunto de substâncias que apresentam propriedades químicas parecidas.
As principais classes são:
Hidrocarbonetos
→ Alcanos;
→ Alcinos;
→ Alcenos;
→ Alcadienos;
→ Cicloalcanos;
→ Cicloalcenos;
→ Aromáticos.
Compostos Oxigenados
→ Alcoóis;
→ Aldeídos;
→ Ácidos carboxílicos;
→ Acetais;
→ Cetonas;
→ Éteres;
→ Ésteres;
→ Ortoésteres;
→ Haloformil (Haleto de ácidos);
→ Peróxido.
Compostos Nitrogenados
→ Aminas (primária, secundária, terciária e amônio quaternário);
→ Amidas;
→ Imina;
→ Imida;
→ Azida;
→ Azo composto (Diimida);
→ Cianatos (Cianato e Isocianato);
→ Nitrato;
→ Nitrila (Nitrila e Isonitrila);
→ Oximas;
→ Piridil;
→ Carbamato.
Compostos organometálicos
→ Alquil-Lítio;
→ Haleto de Alquil-Magnésio;
→ Alquil-Alumínio.
Haletos orgânicos
→ Haloalcano;
→ Fluoralcano;
→ Cloroalcano;
→ bromoalcano;
→ Iodoalcano.
Compostos Sulfonados
→ Ácidos sulfônicos;
→ Tiol;
→ Tial;
→ Sulfeto;
→ Disulfeto;
→ Sulfóxido;
→ Sulfona;
→ Tiocianato (Tiocianato e Isotiocianato);
→ Tiocetona.
Compostos Fosforados
→ Fosfina;
→ Fosfato;
→ Ácido fosfônico.
OBSERVAÇÃO: Cabe chamar atenção aqui também para o fato de que existem substâncias, que embora contenham Carbono não são consideradas orgânicas. Essas substâncias são chamadas de inorgânicas e entre alguns podemos citar o diamante, o gás carbônico (CO2), Carbonato de Sódio (Na2CO3), etc.
Além disso, podemos dividi-los em compostos orgânicos naturais ou sintéticos.
Em relação aos naturais temos, por exemplo:
→ Ácidos nucleicos (DNA e RNA);
→ Carboidratos;
→ Lipídios;
→ Proteínas;
→ Gás metano;
→ Petróleo.
Os carboidratos, os lipídios e as proteínas são os três grandes grupos de polímeros naturais. Os Amidos e a Celulose são exemplos de carboidratos. Já o Látex contém porções dos três!
Já em relação aos compostos orgânicos sintéticos podemos destacar:
→ Detergentes;
→ Medicamentos;
→ Agrotóxicos;
→ Plásticos;
→ Borrachas;
→ Combustíveis;
Polímeros sintéticos são feitos em laboratório a partir de materiais retirados do petróleo, cana-de-açucar ou do carvão mineral, ou seja, são criados a partir de compostos orgânicos.
Veja abaixo alguns materiais extraídos do petróleo:
Imagem 1 - O que há no nafta do petróleo
Passada esta introdução sobre os compostos orgânicos e onde os polímeros naturais e sintéticos se encaixam nesse sistema, vamos seguir detalhando um pouco da estrutura dos polímeros...
Polímeros
Quando o polímero possui em sua cadeia principal átomos de Carbono ele é considerado uma resina orgânica. Quando o Polímero NÃO possui átomos de Carbono na cadeia principal ele é considerado uma resina inorgânica (por exemplo o Silicone, uma borracha sintética). O Silício pertence à mesma família do Carbono na Tabela Periódica, sendo assim ele apresenta propriedades semelhantes às do Carbono e, portanto, pode se ligar a grupos orgânicos.
Imagem 2
Fórmula estrutural 1
Os Polímeros são produzidos por meio de um processo químico conhecido como polimerização, a união química de monômeros que forma polímeros. O tamanho e estrutura da molécula do polímero determinam as propriedades do material plástico.
Existem os homopolímeros, os copolímeros e os terpolímeros. Veja as imagens abaixo para entender melhor:
Imagem 3
Imagem 4
Os copolímeros são formados por dois ou mais monômeros diferentes, já os terpolímeros são formados por três monômeros diferentes. Com isso, fica subentendido que, por exemplo, o plástico ABS e o EPM podem ser classificados tanto como copolímeros quanto como terpolímeros. Já o plástico EPDM pode ser classificado como copolímero, pois é formado por quatro monômeros diferentes.
Dentro da classe dos polímeros com dois ou mais monômeros há quatro tipos de copolímeros, que podem ser vistos abaixo:
Complemento 1 - Sobre o grau de polimerização de um polímero:
Complemento 2
Agora, vamos para o processo de criação dos polímeros e, consequentemente, a classificação deles...
O primeiro processo de polimerização, em 1909, originou a primeira resina Sintética (ou resina Orgânica), que é o famoso Baquelite (PF - polifenol), criado por Leo Baekeland, químico americano de origem belga.
Existem dois processos de polimerização amplamente utilizados pela indústria: a Poliadição e a Policondensação.
POLIADIÇÃO
A Poliadição (ou polimerização em cadeia) é o processo de polimerização pelo qual se obtém grandes polímeros a partir de monômeros com dupla ligação. Como é uma reação em cadeia, a transformação é rápida e exotérmica. O processo possui três etapas: iniciação, propagação e término.
Na poliadição se utilizam unidades de repetição iguais. Estas unidades são colocadas em um reator juntamente com um catalizador que quebra as ligações duplas dos monômeros numa reação em cadeia.
Os polímeros de Poliadição mais comuns são:
Polietileno (PE)
Obtido a partir da repetição de monômeros de Etileno, que é oriundo do gás eteno, de fórmula C2H4, sendo da família das olefinas. O Eteno é um Hidrocarboneto Alceno que ao ser processado gera o polímero Polietileno, cujas variantes mais comuns são:
-> Polietileno de Alta Densidade (PEHD);
-> Polietileno de Média Densidade (PEMD);
-> Polietileno de Baixa Densidade (PELD);
-> Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PE UHMW);
-> Polietileno Espumado (FPE);
-> Polietileno Reticulado (PEX; XPE; XLPE).
Agregando mais conhecimento: O PE-UHMW é sintetizado a partir do monômero de etileno, que é ligado para formar o produto de polietileno base. Essas moléculas são várias ordens de magnitude mais longas do que as de HDPE devido a um processo de síntese baseado em catalisadores metalloceno, resultando em 100.000 a 250.000 unidades de monômero por molécula cada, em comparação com os 700 a 1.800 monômeros da HDPE.
CURIOSIDADE: A polimerização do Polietileno de ultra alto peso molecular foi iniciada na década de 1950 utilizando catalisador do tipo Ziegler-Natta numa polimerização à baixa pressão feita pela empresa alemã Ruhrchemie AG. Hoje, os materiais em pó UHMWPE, que podem ser diretamente moldados na forma final de um produto, são produzidos pela Ticona, Braskem, DSM, Teijin, Celanese e Mitsui.
No Brasil é produzido exclusivamente pela Braskem S.A, cuja linha de produtos se apresenta com o nome comercial UTEC®, e representa 26% da produção mundial do material.
O PE-UHMW incorpora todas as características do Polietileno de alta densidade (HDPE) com os traços adicionados de ser resistente a ácidos concentrados e álcalis, bem como numerosos solventes orgânicos, ser altamente resistente a produtos químicos corrosivos (exceto ácidos oxidantes), absorção de umidade extremamente baixa e um coeficiente muito baixo de atrito, é autolubrificante e altamente resistente à abrasão.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o coeficiente de atrito de alguns polímeros em comparação com o PE-UHMW, CLIQUE AQUI!
O PE-UHMW tem uma superior resistência à abrasão em relação ao PTFE e a Poliamida. Quando se trata de temperatura, ele perde para o Teflon, tendo ponto de fusão na casa dos 130 °C tal como o PEAD.
O peso molecular do PE UHMW, estabelecido por viscosimetria, fica na faixa de 3.9 até 10.5 milhões g/mol, algo extremamente alto quando comparado aos 50.000 ~ 500.000 g/mol do Polietileno de Alta Densidade e aos 100.000 ~ 1.000.000 g/mol do Polipropileno, que também é do grupo das olefinas.
A massa molar extremamente alta restringe as formas de processamento para essa matéria-prima dada sua altíssima viscosidade quando fundido, sendo geralmente processos especiais de extrusão e moldagem por compressão.
Na sequência, dois PDFs com especificações do PEAD e do PE-UHMW, cuja função aqui é comparação de algumas de suas principais características:
CURIOSIDADE: Fugindo um pouco do assunto principal do tópico, o diciclopentadieno (abreviado DCPD) é um dímero do ciclopentadieno (CPD, de fórmula C5H6), um químico coproduzido em grandes quantidades no craqueamento a vapor do nafta, sendo um Hidrocarboneto Cicloalceno. Pode ser preparado em uma reação de Diels-Alder de duas moléculas de ciclopentadieno. Em estado puro, o DCPD é um sólido volátil com um odor característico.
A maioria dos diciclopentadienos é usada como comonômero na produção de resinas sintéticas, em particular Poliésteres Insaturados (abreviados por UP) e borrachas sintéticas, como por exemplo, o EPDM.
Já o FPE (Foamed Polyethylene, ou Polietileno Espumado) é um nome para o EPE (Expanded Poliethylene, ou Polietileno Expandido), produzido de forma análoga ao Poliestireno Expandido e ao Polipropileno Expandido (EPS e EPP, respectivamente, e ambos vendidos com o nome comercial Isopor). As espumas EPE podem ser feitas a partir de granulos de PEHD ou PELD, sendo semi-rígidas e de células fechadas, e geralmente estão em algum lugar na rigidez / conformidade entre o EPS, EPP e o PUR.
CURIOSIDADE: Espumas EPE feitas de PELD podem ser bem mais maleáveis e aplicadas em forramento interno de embalagens para produtos mais sensíveis, enquanto o EPE feito a partir de PEHD tem uma textura que lembra o papel EVA e pode até ser aplicado em isolamento acústico e reforço de cabos elétricos...
Imagem 5 - Observe-as bem
Na parte de cima temos a caixa de uma placa-mãe AsRock forrada com pedaços de EPE super macios, enquanto, na parte de baixo da imagem a forração interna da tampa do maleiro de um caminhão Scania R440, sendo um EPE um tanto mais rígido. Enquanto a embalagem não possui descrição de materiais, o forro da tampa tem a genérica descrição ">PE<".
Para finalizar este tópico temos o Vinil. Mas o que ele tem a ver com o Etileno?
O Etenil(a) ou Vinil é um radical derivado do Hidrocarboneto Alceno Eteno (C2H4) pela retirada de um átomo de Hidrogênio, tendo fórmula C2H3. Os polímeros vinílicos são uma subclasse muito importante, e alguns deles são apresentados na sequência...
Polivinil Acetal (PVA)
Polímero de adição obtido pela reação de polimerização do acetato de vinila (ou acetato de eteno - também chamado de etileno, da família das olefinas). o Acetato de vinila é obtido através da reação do eteno com ácido acético na presença de Oxigênio, que é acelerada por um catalisador.
OBSERVAÇÃO: Não confundir o Polivinl Acetal (PVA) com o Polivinil Álcool (que também possui a sigla PVA, mas pode ser nomeado PVOH). O PVOH pode ser gerado através da polimerização do Vinil Acetal seguido de hidrólise, ou...
CURIOSIDADE: O EVA (Copolímero de Acetato-Vinilo e Etileno), um material termofixo elastomérico, suave e flexível e com resistência a baixas temperaturas (trabalha bem até cerca de 80 °C) é feito com base no PELD (Polietileno de baixa densidade). Quando se tratam de resinas espumadas, podem ser produzidas de forma análoga ao EPS, EPP e EPE, isto é, em geral em autoclave e utilizando agentes expansívos, porém, neste caso, com a adição de diferentes porcentagens de VAM (Monômero de Acetato-Vinilico), desde 12% até 40% em massa.
Nas aplicações em forma de filme de EVA, apresentam um teor de VAM entre 3% e 12% e possuem características muito semelhantes ao PELD, todavia, mais flexível, mais resistente ao estiramento e com maior coeficiente de atrito.
Com teor de VAM acima de 12% são encontrados as espumas e borrachas de EVA, que também podem possuir propriedades adesivas. O aumento da porcentagem de VAM torna o EVA menos cristalino e pioram sua barreira à gases, umidade e gorduras, mas também aumenta a flexibilidade do material e a sua faixa de selagem.
Polivinil Butiral (PVB)
Tudo começa pela alcoólise básica do Polivinil Acetal com metanol, gerando álcool polivinílico (também conhecido pela sigla PVAI), que posteriormente reage em água quente com butiradeído na presença de ácido sulfúrico, criando assim um pó branco denominado Polivinil Butiral, que fica rígido quando na forma de filme, não possuindo suficiente elasticidade para ser utilizada com adesivo. Por isso, são adicionados nesta resina outros elementos, como plastificantes (assim como são adicionados ao PVC, tornando-o mais flexível), aditivos e corantes, para dar forma e garantir o desempenho desejado, dependendo da aplicação para a qual se destina.
A adição destes outros elementos é precisamente controlada para que não ocorram alterações na mecânica e na óptica do produto. A mistura também é filtrada, com o objetivo de eliminar possíveis contaminantes.
Cloreto de Polivinil (PVC)
Este é uma mistura de um componente do petróleo com Cloro. O PVC contém, em peso, 57% de Cloro (obtido através da eletrólise do sal marinho) e 43% de eteno, derivado do petróleo.
Para a obtenção do eteno, o óleo 'cru' passa por uma destilação na qual é obtida a chamada "nafta leve". O eteno é gerado a partir do processo de craqueamento catalítico (quebra de moléculas grandes em moléculas menores com a ação de catalisadores para aceleração do processo) da nafta. Tanto o Cloro como o eteno estão na fase gasosa e da reação dos dois é produzido o DCE (dicloro etano).
A partir do DCE, obtém-se o MVC (monômero cloreto de vinila). As moléculas de MVC são submetidas ao processo de polimerização, ou seja, elas se ligam formando uma molécula muito maior (polímero), conhecida como PVC, que é um pó muito fino, de cor branca e totalmente inerte que sozinho não tem nenhuma aplicação industrial, pois não é processável devido às suas características físicas e químicas.
Para a fabricação de produtos em PVC, é necessária a adição de produtos químicos (aditivos) à resina. A esta mistura dá-se o nome de "composto de PVC". O composto é, então, inserido em máquinas específicas (a depender do produto a ser fabricado) como extrusoras, injetoras, sopradoras, etc. onde serão transformados ou processados na forma desejada.
Após processamento, forma um objeto rígido, que derrete com temperaturas por volta de 100 ~ 130 °C. Quando adicionado plastificantes, torna-se flexível e também com uma certa limitada elasticidade, no entanto, sua temperatura de derretimento permanece inalterada.
O PVC, no momento de sua incineração, libera ácido clorídrico (HCl) que, além de ser tóxico, também reduz as propriedades mecânicas de outros polímeros durante o processo de reciclagem.
Polipropileno (PP)
O Propileno, também chamado de Propeno, é um Hidrocarboneto Alceno olefínico insaturado (C3H6), apresentando-se normalmente como um gás incolor e altamente inflamável, sendo obtido através do craqueamento da nafta ou por separação do gás natural. Ele possui propriedades muito semelhantes às do polietileno, mas a adição do radical orgânico metil, no geral, melhora propriedades mecânicas, porém, diminui sua resistência térmica.
É considerado um homopolímero quando a unidade de repetição é apenas o propileno, ou então um copolímero quando polimerizados por dois ou mais monômeros (utilizando o propeno e o etileno).
São utilizados três principais processos de produção para o PP: Extrusão, sopro e injeção, podendo ser combinados entre si.
CURIOSIDADE: Existe um tipo de Polipropileno chamado BOPP (Polipropileno Orientado Biaxialmente), que nada mais é que um processo de produção diferente para criação de filmes poliméricos.
A oxidação parcial catalítica do Propileno gera o Ácido Acrílico (também chamado de Ácido Propenóico), cuja fórmula é C3H4O2. O Propenoato, ou Acrilato, que forma o Ácido Acrílico possui um grupo vinil lígado à um grupo Carboxila. É o Propenoato que gera o próximo importante polímero desta lista...
Polimetilmetacrilato (PMMA)
O PMMA é um polímero termoplástico transparente, e devido a isso, bem como sua estética e relativa resistência à riscos, pode ser considerado alternativa ao vidro (quando se requer um custo de produção menor) e ao Policarbonato (que tende a ser mais caro). O PMMA não é tão resistente ao impacto, sendo inferior ao PC neste aspecto e trincando facilmente.
O PMMA também é conhecido pelo nome comercial "Acrílico", ou então por "acrylic glass". As maiores marcas de PMMA são Altuglas, Plexiglas e Diakon. o processo de produção de Acrílico é realizado a partir do monômero metacrilato de metila via poliadição na presença de peróxido orgânico (processo conduzido aproximadamente a 40 ºC). A polimerização se inicia geralmente através do uso de agentes capazes de formar radicais livres.
Este pode ser encontrado em forma de resina (para fabricação de lentes de lanternas, por exemplo) e soluções ou emulsões (utilizados na indústria das tintas, colas / adesivos). Quando utilizados para o segundo fim descrito na frase anterior, pode contar com a adição de plastificantes, que alteram a flexibilidade da resina PMMA, permitindo-a ser utilizada como adesivo.
Poliestireno (PS)
O estireno é um Hidrocarboneto Aromático insaturado, monômero precursor do poliestireno.
CURIOSIDADE: A nomenclatura oficial utilizada pela IUPAC é estireno, no entanto, podem-se encontrar outros sinônimos, tais quais: vinilbenzeno, estirol, etenilbenzeno, fenetileno, fenileteno.
Um dos processos mais comuns para a obtenção de estireno é a desidrogenação catalítica do etilbenzeno em presença de vapor de água. Os processos de desidrogenação são utilizados, em geral, na conversão de Hidrocarbonetos saturados em compostos aromáticos através de plantas com reatores em série do tipo 'leito catalítico', que operam na faixa de 430 ~ 530 ºC e com pressões que podem atingir os 3,5 MPa.
CURIOSIDADE: O Isopor (Marca registrada da Knauf) pode ser composto de Poliestireno (o material mais comum) e ser encontrado principalmente na cor branca. Já o Isopor de Polipropileno (EPP) é mais incomum, sendo utilizado mais no setor industrial ou automotivo, quase sempre apresentando-se na cor preta para se diferenciar do outro.
Um dos maiores usos do estireno é na produção de ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno) e ASA (Acrilonitrila de Estireno Acrílico), dois materiais amorfos super comuns na indústria.
O próximo PDF lista as principais características do ABS:
O ASA é um copolímero de Estireno Acrilonitrila modificado com Acrilato (ao invés de borracha de Butadieno), sendo um "primo" melhorado do ABS, pois tende a ter alta resistência a intempéries, tende a manter o brilho, a cor e as propriedades mecânicas quando exposto ao ar livre, coisas que ocorrem em menor grau com o ABS.
Como o plástico ABS possui dois componentes 'borrachosos', resolvi o colocar no Capítulo 2 desta série, dedicado as borrachas. Para acessar, CLIQUE AQUI!
Tanto o ASA quanto a ABS se misturam muito bem com o PC e o PVC, podendo formar compósitos para aplicações específicas muito bons!
CURIOSIDADE: O Poliestireno foi utilizado em um dos experimentos que originou o primeiro transistor funcional, na segunda metade dos anos 1940! Para saber mais sobre a invenção do transistor e seu funcionamento, CLIQUE AQUI!
Politetrafluoretileno (PTFE)
O PTFE é uma descoberta acidental americana ocorrida na década de 1930 nos laboratórios da Du Pont, resultante de uma tentativa de produzir o refrigerante tetrafluordicloroetano a partir de ácido hidroclórico e do gás tetrafluoretileno (TFE, com fórmula C2F4). A síntese do gás TFE tem como reagente o fluorspar, hydrofluoric acid e o clorofórmio, ocorrendo numa gama de temperaturas elevada (590 a 900 ºC). O gás é purificado por destilação.
Obtido a partir da repetição de monômeros de tetrafluoretileno, pode ser feito através de 'suspensão', que é quando a reação de polimerização ocorre em meio aquoso contendo um iniciador, alimentando o reator com TFE no estado líquido. À medida que a polimerização ocorre, grãos sólidos começam a flutuar na água com uma certa turbulência, motivada pela agitação mecânica intensa do reator. Controles automáticos interrompem a reação assim que uma massa pré-determinada é atingida. A água então é drenada, restando uma pasta de PTFE. Quando é feita a partir de 'dispersão', a agitação mecânica do líquido é mais suave, gerando um material leitoso rico em PTFE.
Agora, um PDF com algumas das principais características do PTFE:
Policloropreno (CR)
Obtido a partir da repetição do monômero 2-cloro-1,3-butadieno, o elastômero Policloropreno é criado a partir da mistura do Ácido Clorídrico com Vinil Acetileno. O Acetileno, também conhecido como Etino, é um Hidrocarboneto da classe dos Alcinos. É o alcino mais simples, constituido por dois átomos de Carbono e dois de Hidrogênio (C2H2).
Caso queira saber mais sobre esta borracha, veja o Capítulo 2 desta série, sobre borrachas Orgânicas e Inorgânicas, e que já foi linkado aqui anteriormente.
Poliepóxido
Neste caso, opto por explicar com uma imagem:
Imagem 6 - Note a composição da parte branca
O que devemos pegar da imagem acima é a mistura de Difenol com Epiclorohidrina. Dentre os Difenóis, o que é utilizado na produção de epóxi é o derivado do difenilmetano "Bisfenol A", um composto orgânico sintético cuja fórmula química é (CH₃)₂C(C₆H₄OH)₂. O Bisfenol A também é utilizado na produção de Policarbonato.
São poliéteres constituídos a partir de monômeros nos quais o grupo éter toma a forma de um anel de três compostos, que é conhecido como "anel epóxido", que faz parte da epicloridrina, um composto bastante reativo.
Fórmula estrutural 2
Acima, a forma mais comum de se produzir poliepóxido, que é a partir da epicloridrina (cloreto de 2,3-epoxipropil) e do bisfenol A, que são dois monômeros que criam primeiro um pré-polímero que retém dois anéis epóxidos terminais (os anéis das pontas na fórmula acima).
É aqui que entra outro detalhe importante: O epóxi não cura da mesma forma que outros polímeros, mas sim com um agente endurecedor (também chamado de agente de cura). Perceba que no rótulo da embalagem de Durepoxi há um composto a base de Amina (uma função orgânica nitrogenada) que forma o agente endurecedor.
Em uma reação epóxi, os pré-polímeros são polimerizados através da abertura dos anéis de epóxido terminais por Aminas ou Anidridos em um processo de cura. Nesse processo ocorre a produção de polímeros complexos termoendurecíveis, nos quais as unidades de repetição são ligadas por grupos lineares de éter.
A cura é um processo de varias etapas onde inicialmente ocorre uma reação entre grupos reativos epóxi e grupos reativos do polímero endurecedor para que moléculas um pouco maiores sejam formadas.
Poliuretano (PU)
A formação do grupo uretano tem por base a reatividade do grupo isocianato, -N=C=O, com compostos que contenham átomos de Hidrogénio ativo, como por exemplo, o álcool, ou seja, os isocianatos reagem com o grupo hidroxila para formarem as ligações em cadeia de uretano.
Fórmula estrutural 3
Os uretanos são, portanto, uma classe de compostos que têm em comum o grupo carbamidato, isto é, R -NH-C(=O)-O-R' e são, por este fato, formalmente derivados do ácido carbâmico. Formam-se facilmente na reação do cianato (R-N=C=O) correspondente com o álcool R'-OH.
Resumindo tudo até aqui, utilizando cianatos (um dos tipos de compostos Nitrogenados vistos lá no início) e álcoois bifuncionais ou polifuncionais obtêm-se os Poliuretanos. Você verá o termo "poliol" em alguns casos, mais saiba que se trata apenas de mais uma nomenclatura para polialcoois, isto é, compostos que possuem multiplos grupos hidroxila. Entre os poliois estão o Polipropileno glicol (PPG), Polietileno glicol (PEG), politetrametileno glicol (PTMEG), todos classificados como glicóis Poliésteres (alifáticos e aromáticos) OU glicóis Poliéteres.
Para exemplificar, veja este fragmento da FISPQ de um spray de espuma de PU:
Complemento 3 - Observe destacado em verde e azul os dois compostos orgânicos que formam o PU
Agora, um fragmento da FISPQ de uma cola a base de PU:
Complemento 4 - Observe destacado em verde e azul os dois compostos orgânicos que formam o PU, bem como a grande porcentagem de aditivo Carbonato de Cálcio
OBSERVAÇÃO: A FISPQ não tem a intenção de mostrar todos os químicos que compõem um produto, mas sim apenas aqueles que são considerados perigosos, ou muito perigosos, enfim, algo bastante vago e arbitrário, tanto que é comum encontrar documentos deste tipo onde o fabricante omite todos os componentes da mistura, alegando simplesmente que nenhum é perigoso "desde que utilizado da forma correta".
Para a produção do PU utiliza-se, principalmente, diisocianato, um diol de cadeia comprida ou poliol e agentes para o alongamento da cadeia. Estes são compostos de baixa massa molecular que contêm átomos de Hidrogénio ativo, como por exemplo o glicol, a água e a amina. Para as características do PU são determinantes as relações com que entram na reação os polióis, os diisocianatos e os agentes de alongamento da cadeia. A multiplicidade de combinações possíveis é enorme, derivando daqui diferenças particulares no processamento e nas características físicas desses mesmos produtos
O poliol que é um dos componentes dos elastômeros de PUR, é normalmente um macroglicol, de massa molecular entre 500 e 4000 (normalmente entre 1000 e 2000) que permite a formação de cadeias lineares longas e fortes. Em algumas formulações de elastómero de Poliuretano, o poliol pode ser um triol.
O componente que provoca o aumento da cadeia dos elastómeros de PU é, normalmente uma molécula difuncional, relativamente pequena, com um tamanho semelhante ao diisocianato.
O elastómero de uretano mais conhecido que é produzido por uma mistura líquida de matérias primas é conhecido comercialmente como Vulkollan, o qual se destingue pelas excelentes propriedades mecânicas. É produzido pela reação de vários tipos de poliésteres com diisocianato de 1,5 naftaleno. Outros sistemas “castable” (moldáveis) são baseados no uso de diisocianato de 4,4' difenilmetano (MDI) ou, para a produção de produtos macios são baseados no uso de diisocianato de tolueno (TDI). Além disto, os sistemas “castable” para as mais variadas aplicações podem ser produzidos a partir de poliéter “pre-adducts” combinado com misturas especiais de agentes de reticulação.
CURIOSIDADE: As propriedades do Poliuretano podem ser alteradas através da variação do tipo ou da quantidade das três substâncias básicas de sua produção: di-isocianato, glicol de cadeia curta e glicol de cadeia longa.
Alterando estas características o PU pode ser um elastômero ou um plástico. Via de regra, quanto maior a quantidade de isocianato, mais rígido, podendo formar o Poliisocianurato (PIR) ou a versão híbrida "PUIR". Entre os di-isocianatos, são destaques os “famosos” difenilmetano diisocianato (MDI) e hexametileno diisocianato (HDI).
CURIOSIDADE: Assim como em outros compostos poliméricos, para se obter um efeito específico ou para melhorar alguma característica particular é necessária a utilização de uma dose limitada de aditivo, como por exemplo, óleo de silicone, grafite ou dissulfureto de molibedénio para melhorar a característica de lubrificação, agente antihidrólise para melhorar a resistência à hidrólise, antiestático para obter características de dissipação eletrostática. Também pode ser adicionado corante, anti-UV, além de vários outros produtos.
Os objetos, após solidificação, são extraídos dos moldes e têm uma pós-vulcanização de 10 a 20 horas de 90 a 110 ºC, em estufa, para completarem a reticulação.
Para processamento em máquinas de injeção ou em extrusoras, encontra-se disponível uma grande variedade de graus de poliuretano granulado. Em geral, os tipos de PUR baseados em perpolímeros de Poliester Poliuretano (abreviados por "AU" de acordo com a ASTM) contêm um grau de insaturação que permite a vulcanização por Enxofre ou por Peróxidos.
Os elastómeros de poliuretano (PUR) têm as características das borrachas, ou seja, boas propriedades de tensão a elevados alongamentos, elevada dureza, e normalmente elevada resistência ao calor. Em regra, os PUR tem como principal papel serem formulados e processados praticamenbte do mesmo modo que os outros compostos de borracha de dieno. Estes também apresentam muitas das propriedades do poliuretano líquido, tais como boa resistência à abrasão, ao corte, ao rasgamento, ao óleo e a solventes.
CURIOSIDADE: Comumente o Poliuretano é abreviado pela sigla “PU”, entretanto, a sigla “PUR” é o padrão adotado pela IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada).
Os PUR AU são graus compostos e processados pelos métodos convencionais, podendo ser reticulados com isocianatos ou Peróxidos. Os graus AU que têm ligações duplas podem, também, ser reticulados com Enxofre e aceleradores, desempenhando este um pequeno papel.
Existem também os perpolímeros de polieter poliuretano (abreviados por "AU" de acordo com a ASTM) são plásticos duros e todos disponíveis como “millable gums”, ou seja, são processadas assim como borracha convencional, isto é, nos mesmos equipamentos e curadas pelo processo de vulcanização com Peróxidos ou, em alguns casos, com Enxofre.
Em suma, com a introdução dos PUR, tornou-se possível acabar com a lacuna então existente entre os polímeros tipo borracha e os polímeros plásticos.
Indo mais a fundo no tema, para além das borrachas de PUR, existem os Termoplásticos Elastômeros de Poliuretanto (TPE-U), que possuem uma proporção maior de Polióis, com a vantagem de estender a versatilidade, isto é, uma gama maior de densidades, durezas, flexibilidade, coef. de atrito, e vários outros fatores, tornando ainda mais ampla as aplicações destes materiais. Você pode se aprofundar nesse assunto lendo o Capítulo 3 desta série.
Polióxido de Metileno (POM)
O POM, genericamente conhecido como Poliacetal ou Acetal, quimicamente conhecido como Polioxido de Metileno e também chamado de PoliFormaldeído, foi descoberto em 1922 por Herman Staudinger, entretanto, só obteve reconhecimento em 1953, quando o químico recebeu prêmio Nobel de Química. Se trata de um termoplástico semi-cristalino (possui uma cristalinidade de até 80% em sua estrutura), com alta resistência mecânica e rigidez, possuindo também boas características de deslizamento e excelente resistência ao desgaste, bem como baixa absorção de umidade e estabilidade dimensional grande.
É feita uma distinção entre poliacetal homopolímero (POM-H) e poliacetal copolímero (POM-C) em relação às suas propriedades.
As propriedades do POM-H incluem densidade, dureza e resistência levemente mais altas. O material POM-C, no entanto, possui resistência química mais alta e um ponto de fusão mais baixo do que o POM H. Sua temperatura de distorção térmica é de 85 °C para o homopolímero (em uso contínuo) e entre 105 °C e 135 °C para o copolímero (em uso intermitente). Mantém grande parte da tenacidade em ampla faixa de temperatura e está entre os plásticos semi-cristalinos de maior resistência a deformações.
Tanto o POM-H quanto o POM-C são produzidos por poliadição. O tipo homopolímero é produzido a partir de formaldeído monomérico anidro que é polimerizado por catálise aniônica em um meio de reação líquida orgânica. O polímero resultante é estabilizado pela reação com anidrido acético. Já o copolímero requer a conversão de formaldeído em trioxano usando catálise ácida e polimerização catiônica. A reação é seguida pela purificação do trioxano por destilação ou extração para remover água e outras impurezas ativas contendo Hidrogênio, sendo similar ao processo de policondensação, onde há a remoção de subprodutos indesejados, todavia, a polimerização do trioxano no POM-C é considerada uma forma de poliadição, pois a formação do polímero ocorre através da adição dos monômeros, sem a geração de subprodutos maiores.
CURIOSIDADE: O formaldeído também é utilizado na produção do Polifenol, também conhecido como "Baquelite", como veremos adiante neste texto.
POM-H: É muito suscetível à degradação devido a sua cadeia polimérica, que consiste na repetição múltipla de ligações carbono-oxigênio. Tem a tendência de ter maiores níveis de cristalinidade e com isso tem melhores condições mecânicas de curto prazo (rigidez, resistência à tração, resistência ao impacto).
POM-C: Tem a tendência de ter menores níveis de cristalinidade em comparação ao homopolímero e com isso obtêm-se melhor estabilidade dimensional, além de diminuir o atrito. O copolímero também tem a repetição de múltiplas articulações carbono-oxigênio, entretanto, há a inclusão das ligações carbono-carbono inseridas ao longo da cadeia, que quebram as ligações uniformes de carbono-oxigênio da cadeia polimérica.
POLICONDENSAÇÃO
Também chamada de eliminação, neste processo, monômeros diferentes são adicionados ao reator, onde ocorre a eliminação de moléculas de baixa massa molecular, possibilitando que o restante dos monômeros se unam e formem um polímero específico sem a quebra de duplas ligações. Ao contrário da Poliadição, a Policondensação é um processo lento e que produz polímeros na faixa de 10.000 g/mol, contra 20.000 g/mol da Poliadição.
Resumidamente, Polímeros de Condensação são aqueles em que seus monômeros iguais ou diferentes se unem com a eliminação simultânea de moléculas de água ou outras pequenas moléculas de compostos que não farão parte do polímero. Os principais compostos liberados além da água são: Cloreto de Hidrogênio (HCl), Amônia (NH3) e o Cianeto de Hidrogênio (HCN). Sempre os polímeros de condensação terão uma estrutura regular, uniforme, isto é, os polímeros sempre virão alternados e não de forma aleatória. Só poderão ser formados copolímeros (cuja estrutura é irregular) quando mais de dois monômeros se unirem para formar o Polímero de Condensação.
Os polímeros de condensação mais comuns são:
Polifenol (PF)
O Baquelite é polioxibenzimetilenglicolanidrido, ou seja, é a junção do fenol com o metanal (nome oficial para o formaldeído, o tipo mais comum de aldeído fórmico), formando um polímero chamado polifenol.
As principais características das resinas fenólicas e os motivos pelos quais a indústria a usa são o excelente comportamento térmico, alto nível de força e resistência, longas estabilidades térmica e mecânica e a excelente capacidade de agir como isolante elétrico e térmico.
O ponto de decomposição das resinas fenólicas está na zona de temperatura de 220 °C e acima.
CURIOSIDADE: O Baquelite é muito empregado em sistemas elétricos devido a sua excepcional rigidez dielétrica e sua capacidade de suportar altas temperaturas. Quando se utiliza celulose impregnada com resinas de baquelite, forma-se o comum "Fenolite", um tipo de compósito excelente para ser aplicado como isolador elétrico. O principal porém dessa mistura é a hidrólise, já que a celulose tende a absorver umidade.
Indo mais a fundo no tema, para além do Baquelite o Polifenol é utilizado como aglutinante / aglomerante para diversos compósitos com base em fibras, e até mesmo na composição de colas para vedação de sistemas mecânicos.
Durante a síntese dessas resinas, diversos fatores são levados em consideração, como a proporção de fenol para aldeído na mistura, a temperatura de reação e a escolha do catalisador. Dessa forma, dependendo do processo de fabricação adotado, as resinas fenólicas podem ser divididas em duas grandes classes principais, e são elas:
→ Resinas "novolac": Estas são sintetizadas em meios ácidos e com o formaldeído em menor proporção do que o fenol na sua composição. Elas não são, só por si, reativas ao calor. Para se tornarem reativas deve adicionar-se um gerador de formaldeído (por exemplo, hexametileno tetramina, abreviado HMTA). Quando aditivadas com formaldeído tornam-se reativas pela ação do calor e transformam-se em resinas termoestáveis;
→ Resinas "resole": Estas são obtidas por meio do uso de altas temperaturas, com o auxílio de catalisadores alcalinos (em geral NaOH ou amônia) e contam com uma maior proporção de formaldeído do que fenol na mistura. A variação de relação de reagentes, do pH, da temperatura e do tempo de reação permite obter uma grande variedade de resinas.
Por serem reativas ao calor naturalmente - visto possuírem um excesso de formaldeído - grupos metilol e éter dibenzílico se mantém reativos e prosseguem com reações de polimerização e cura da resina, sem que seja necessária a adição de outras substâncias (por exemplo, o HMTA). Por tal razão, no fabrico deste material, quando atingido um certo grau de polimerização, ele é submetido a um rápido arrefecimento, para parar as reações.
Contudo, mesmo sob temperatura ambiente estas reações prosseguem, razão pela qual este tipo de material apresenta uma duração limitada, fortemente dependente de suas características e das condições de armazenagem.
Além disso, enquanto as resinas fenólicas da classe "resole" normalmente se apresentam em estado líquido, as da classe "novolac" se apresentam em estado sólido (obtidas sob efeito de temperatura e pressão, moldadas e endurecem quando resfriam) possibilitando grande utilidade e a aplicação das resinas fenólicas em diversos setores.
A diferença entre as duas classes de resinas fenólicas é que a "resole" é 'de um estágio', ou seja, é preparada com excesso de formaldeído em relação ao fenol em condições alcalinas, e não necessita de um agende de cura, o oposto da "novalac", que é considerada 'de dois estágios'.
CURIOSIDADE: Na reação do fenol com o formaldeído para a produção de Baquelite, emprega-se um catalisador ácido, como o ácido sulfúrico, e um excesso de fenol. Esta mistura é aquecida num reator durante 3 a 6 horas, a uma temperatura que varia entre 140 e 165 °C. Durante a reação de condensação, há formação de água, a qual é retirada a vácuo.
Poliéster
São Polímeros formados por vários Ésteres. O Éster é uma das funções orgânicas da classe dos Compostos Oxigenados.
As resinas poliésteres podem ser classificadas em Poliéster Insaturado ou Poliéster Saturado, e como o próprio nome menciona, a diferença está na cadeia molecular do polímero, que pode ou não apresentar insaturações entre os átomos de Carbono. Além disso, a presença da saturação ou não na cadeia polimérica é o que confere algumas das propriedades e características de cada tipo de resina poliéster.
→ Poliésteres insaturados (UP - Unsaturated Polyester): São resinas que possuem insaturações vinílicas dissolvidas normalmente em monômeros de estireno, formando sua cadeia polimérica. Trata-se de um polímero obtido pela reação química entre ácidos insaturados e saturados e biálcoóis, formando um polímero termorrígido, que possui simples e duplas ligações ao longo de sua cadeia.
CURIOSIDADE: Esta resina é comercializada no estado líquido, e para que ocorra sua cura (formação das reticulações), adiciona-se agentes iniciadores (como por exemplo o Octanoato de Cobalto) que geram o processo de cura, e catalizadores (Metil Etil Cetona) que aceleram a reação. Veja abaixo o pequeno frasco de MEK que acompanha a lata de massa Poliéster aplicada em funilaria automotiva:
Imagem 7 - O líquido que permite acelerar a cura da massa Poliéster
Existem alguns tipos de resinas poliésteres insaturadas disponíveis no mercado, tais como:
-> Resina Poliéster Ortoftálica;
-> Resina Poliéster Tereftálica;
-> Resina Poliéster Isoftálica;
-> Resina Poliéster Isoftálica com NPG;
-> Resina Poliéster Bisfenólica.
CURIOSIDADE: O aumento da resistência à hidrólise oferecida pelo NPG (sigla para “Neo Pentil Glicol”) protege as peças produzidas contra a absorção de água, fazendo com que este aditivo seja indicado para situações onde o produto a ser fabricado vai estar continuamente exposto a umidade.
CURIOSIDADE: Resinas poliéster utilizadas em funilaria automotiva são termofixas, ou seja, da classe insaturada.
→ Poliésteres saturados (SP - Saturated Polyester): Trata-se de um polímero obtido pela reação química entre biácidos saturados e biálcoóis, formando um polímero termoplástico e que possui apenas simples ligações ao longo de sua cadeia. Este polímero termoplástico é bastante versátil e possui diversas aplicações, podendo ser utilizado para fabricação de produtos de diversos segmentos de mercado, tais como, filmes (filtros para displays LCD e OLED, fitas cassete, VHS e disquetes), embalagens (garrafas de bebidas), fibras sintéticas (têxteis, tipo o tecido Tergal), peças de veículos e carcaças de conectores e componentes eletrônicos, além de plastificantes para outros polímeros. Trata-se de um polímero de alto peso molecular, que possui como monômeros grupos funcionais ésteres ligados aos hidrocarbonetos saturados. Abaixo, os principais tipos de poliésteres saturados:
-> PET - Polietileno Tereflato, sendo o mais comum do mercado, formado pela união do ácido tereftálico com etileno glicol (também referenciado como etanodiol, sendo um poliol);
-> PBT - Tereftalato de Polibutileno;
-> LCP - Polímero de Cristal Líquido (exceto os LCPs de Aramida);
-> PC - Policarbonato.
CURIOSIDADE: Existe um material chamado BOPET, sigla para Polietileno Tereftalato Orientado Biaxialmente, sendo apenas um processo de produção diferente do PET para criação de filmes poliméricos.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre os polímeros de cristal líquido e suas utilidades, CLIQUE AQUI!
Agregando mais conhecimento: O Policarbonato é um poliéster linear obtido através da reação entre o bisfenol A (mais especificamente p-isopropilenodifenol, também conhecido como difenilol-propano) e o fosgênio (cloreto de carbonila, um gás tóxico e corrosivo). A presença de grupos benzênicos na cadeia principal da molécula tornam o Policarbonato um polímero rígido, amorfo e com uma baixa contração na moldagem (tanto na transversal quanto paralela ao fluxo).
Poliamida (PA)
Um dos polímeros mais comuns. Geralmente as amidas não ocorrem na natureza, sendo sintetizadas através de reações de ácidos carboxílicos com a amônia (amida não substituída), reações de amônia, aminas primárias e secundárias (amidas substituídas) com haletos de ácidos carboxílicos e reação de ácido carboxílico com aminas primárias ou secundárias.
CURIOSIDADE: A ureia (CO(NH2)2) é uma carbamida que apresenta-se em forma de cristais brancos, sendo solúvel em água, álcool e benzeno. Pode ser obtida pelo aquecimento do cianato de amônio ou tratando-se a cianamida cálcica com ácidos diluídos. O ARLA 32, (sigla para "Agente Redutor Líquido Automotivo"), utilizado em veículos diesel para redução de poluentes, é uma solução aquosa com concentração de 32,5% em massa de ureia de alta pureza em água desmineralizada.
Entre as várias amidas sintetizadas atualmente, as principais alifáticas são:
-> PA66 (Exametilenodiamina e Ácido Adípico) - sendo os monômeros o ácido hexanodioico e a 1,6-hexanodiamina;
-> PA6 (Caprolactama);
-> PA11 (Ácido Amino 11-Undecanóico);
-> PA12 (Dodecalonactama 1,12);
-> PA66/610 (Exametilenodiamina com Ácido Adípico e Ácido Sebácico);
-> PA6/12 (Mistura do PA6 e PA12);
-> PA612 (Exametilenodiamina e Ácido Dodecanóico);
-> PA6-3-T (Trimetil-Exametilenodiamina e Ácido Tereftálico);
As propriedades variam desde o PA66 - duro e resistente -, ao PA 12 - macio e flexível. Dependendo do tipo, os produtos de Poliamida absorvem diferentes quantidades de umidade, o que, por sua vez, afetará as propriedades gerais, além da estabilidade dimensional da peça usinada acabada.
Além disso, há uma diferença marcante entre as formas produzidas por extrusão e as produzidas por fundição. A extrusão tipicamente fornece semiacabados de menor dimensional, de maior volume, enquanto a fundição comumente permite um volume baixo, peças maiores e que contêm níveis mais baixos de tensão interna.
Levando em conta as variedades mais comuns da indústria mundial, escolhi o seguinte PDF para listar as principais características da PA6 e PA66:
Outro material comum é a Poliftalamida (PPA), feita a partir da condensação do hexametileno diamina, ácido adípico e ácido tereftálico (ou isoftálico).
Fórmula estrutural 4 - Note que se trata de uma Poliamida semi-aromática
Ela também pode ser representada pela sigla PA4T, PA6T/X ou PA10T/X por se tratar de uma Poliamida semi-cristalina em que resíduos do ácido tereftálico ou do ácido isoftálico - ou uma combinação dos dois - compreendem pelo menos 55% da massa molar da parcela de ácido di-carboxílico das unidades repetitivas do polímero.
Aramida (Amida Aromática)
A para-aramida é formada pela união entre o ácido tereftálico e o p-benzenodiamina, sendo então uma amida aromática (daí o nome "Aramida"). Assim como a Poliamida, existem diversas variantes, como por exemplo a Poli Para-fenileno Tereftalamida (PPTA), conhecida mundialmente como Kevlar.
Já as meta-aramidas, que são mais conhecidas pelo nome comercial Nomex são feitas com base em Poli Meta-fenileno Isoftalamida (que pode ser abreviado por "PMIA"), produto da reação entre o m-fenilenodiamina e cloreto de isoftaloíla.
Caso queira saber mais sobre as aramidas, leia o texto sobre LCPs (Polímeros de Cristal Líquido), já linkado anteriormente neste artigo.
Poli-Imida (PI)
Outro da família dos compostos nitrogenados, a Poli-Imida é um polímero Termofixo capaz de aguentar altas temperaturas. Assim como ocorre com as Amidas, há as variantes alifáticas e as variantes aromáticas. O primeiro relatório sobre este material surgiu em 1908 por parte de Borget e Renzhaw, porém, apenas em meados da década de 1960 que a Du Pont lançou o primeiro produto comercial sob o nome Kapton.
O nome químico para Kapton K e HN é poli (4,4'-oxidifenileno-piromelitimida), e é produzido a partir da condensação de dianidrido piromelítico (PMDA) e 4,4'-oxidifenilamina (ODA).
Já o Kapton E é uma mistura de dois dianidridos, PMDA e dianidrido de ácido bifeniltetracarboxílico (BPDA), e duas diaminas, ODA e p-fenilenodiamina (PPD). O componente BPDA adiciona maior estabilidade dimensional e planicidade em aplicações de circuitos flexíveis. Kapton E oferece coeficiente reduzido de expansão térmica (CTE), absorção de umidade reduzida e coeficiente reduzido de expansão higroscópica (CHE) em comparação com Kapton H.
Poliamida-Imida (PAI)
As resinas de PoliAmida-Imida (PAI) possuem em sua cadeia principal
ligações do tipo Amida e Imida, e em sua terminação grupos carboxila ou anidrido
ácido. Esta composição lhes confere propriedades intermediárias entre as
Poli-Imidas e as Poliamidas, gerando grande importância comercial e industrial
devido à excelente estabilidade térmica e oxidativa. Além do mais, a PAI é um
termoplástico, diferente da Poli-Imida.
Ao longo dos estudos de sínteses das PAI diversas rotas sintéticas foram
desenvolvidas, sendo os dois principais métodos o caminho das diaminas e o caminho dos isocianatos, desenvolvidos em meados da década de 1960.
Na rota dos diisocianatos, a PAI é sintetizado pela condensação entre o anidrido trimelítico e diisocianatos derivados de diaminas aromáticas. Os polímeros obtidos por esta síntese apresentam característica mais homogênea que os esmaltes obtidos com diaminas aromáticas devido à ausência de grupos de ácido âmico. Também apresentam absorção mais intensa das Imidas e menos intensas nas Amidas quando comparadas aos produtos derivados de cloretos ácidos.
Fórmula estrutural 5 - Observe os reagentes TMA (Anidrido Trimetílico) e o MDI (Difenil Metileno Isocianato)
As PAI derivadas de reações de TMA com diaminas apresentam excelente
resistência a altas temperaturas, entretanto, são deficientes em propriedades elétricas e mecânicas, como por exemplo a aderência ao Cobre.
A síntese da PAI pode ser conduzida na presença ou não de catalisadores, sendo comum o uso de Aminas terciárias como a trietilamina, tripropilamina, dietil propil amina, dentre outros. Os solventes utilizados nas reações são os mesmos empregados na preparação de fios esmaltados, isto é, em geral são solventes polares apróticos como N-metil-2-pirrolidona (NMP), N-etil-2-pirrolidona (NEP), N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil caprolactana, dentre outros, ou ainda misturas entre eles. O p-cresol, embora não seja um solvente polar, é largamente utilizado na produção de vernizes de PAI devido seu baixo custo quando comparado aos demais solventes.
A cor das misturas reagidas pode variar de acordo com o tipo de solvente
utilizado. As reações com NMP desenvolvem misturas com coloração vermelho
escuro ou acastanhado, as com DMF tornam-se amarelas e as com DMAC
amarelas escuras. O esmalte ou verniz produzido com o polímero parcialmente condensado é solúvel em solventes polares, mas deixará de ser após a cura entre 200 °C e 420 °C.
Se tratando de diluentes, são empregados hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, como por exemplo o tolueno, xileno e octano.
Polisulfeto de Fenileno (PPS)
O Polisulfeto de Fenileno, abreviado PPS (do inglês PolyPhenylene Sulfide) é um polímero termoplástico semi-cristalino consistindo de anéis aromáticos ligados com grupos sulfetos, caracterizando-se como um politioéter. Esta resina plástica é muito conhecida por ser resistente à alta temperatura e ao ataque químico. Se trata de um material de alta performance produzido em larga escala pela primeira vez em 1972 como uma alternativa ao Policarbonato e ao Poliacetal, que não atendiam aos requisitos de desempenho para aplicações em ambientes muito quente e com químicos diversos.
O PPS é uma das variedades com boa resistência ao calor entre os plásticos, pois aguenta até 240 ºC e sofre deformação térmica aos 260 °C, Já a resistência química perde apenas para o Politetrafluoroetileno e a fluidez perde apenas para a Poliamida. Além disso, também tem as vantagens de pequeno encolhimento de moldagem (cerca de 0,3 %), baixa absorção de água (cerca de 0,02 %), boa resistência ao fogo e boa resistência à fadiga por vibração.
Um resumo das principais características do PPS é mostrado abaixo:
CURIOSIDADE: Existem muitos métodos para sintetizar o PPS, como autocondensação de sais de halotiofenol, polimerização por fusão de P-halodifenil e Enxofre, reação eletrofílica de Enxofre e Benzeno, policondensação por solução de Sulfeto de metal alcalino e P-dihalobenzeno (método de Sulfeto de Sódio), policondensação por solução de Enxofre e P-diclorobenzeno (método de solução de Enxofre) e polimerização de Dissulfeto de Difenil na presença de ácido de Lewis. Atualmente, o método de Sulfeto de Sódio e o método de solução de Enxofre são usados na produção industrial.
As propriedades mecânicas do PPS puro não são altas, especialmente a resistência ao impacto é baixa. Depois de reforçada com fibra de vidro, a resistência ao impacto aumentará bastante, de 27 J/m para 76 J/m, em geral três vezes. A resistência à tração é duplicada, podendo saltar de 60 MPa para 137 MPa.
O PPS é muito rígido. O módulo de flexão do PPS puro pode atingir 3,8 GPa e 12,6 GPa após reforço com material inorgânico, um aumento de até quatro vezes. Para efeitos de comparação, seu 'primo' PPO, que é conhecido por sua rigidez, tem apenas 2,55 GPa e o PC tem apenas 2,1 GPa.
O retardamento de chama do PPS é bom e o desempenho pode atingir o nível UL-94V-0 em alguns casos, além da possibilidade de uso a 200 ~ 240 °C por um longo tempo. As propriedades elétricas do PPS são muito proeminentes. Em comparação com outros plásticos, a constante dielétrica é alta e há pouca mudança em uma grande faixa de frequência e temperatura.
Atualmente, não foi encontrado nenhum solvente que possa dissolver plástico PPS abaixo de 200 °C, sendo altamente resistente a ácidos, bases e sais inorgânicos, exceto bifenilos clorados, ácidos oxidantes, Água-régia, Peróxido de Hidrogênio e Hipoclorito de Sódio.
Em resumo, o PPS pode formar compósitos de alto desempenho através de reforço de fibra, enchimento mineral, reforço de PTFE, endurecimento e etc.
Silicone (Q)
Possui o Silício como elemento principal. Seus átomos estão alternados com os do elemento Oxigênio e o Silício se liga a radicais orgânicos. O silicone mais comum é o diclo-dimetil-silano. Caso queira saber mais sobre, veja o Capítulo 2 desta série, sobre borrachas Orgânicas e Inorgânicas.
Os Plásticos são divididos em dois grupos, de acordo com as suas características de fusão ou derretimento: Termoplásticos e Termorrígidos.
TERMOPLÁSTICOS
São plásticos que não sofrem alterações na sua estrutura química durante o aquecimento e que podem ser novamente fundidos após o resfriamento.
São polímeros que possuem suas cadeias poliméricas unidas por forças de atração intermolecular secundárias. Essas forças de atração são relativamente baixas, por esse motivo, com o emprego de temperatura são facilmente rompidas, possibilitando que esses materiais se fundam e sejam reprocessados diversas vezes, sem que haja total degradação dos mesmos.
A cada reprocessamento, os materiais termoplásticos perdem algumas de suas propriedades, pois, apesar de o emprego de temperatura sobre o material não degradar o mesmo no que se refere às forças intermoleculares, há a degradação de alguns dos monômeros das cadeias principais ou de aditivos e cargas presentes no Termoplástico. Por esse motivo, as empresas de transformação de plásticos utilizam material reciclado em frações, adicionados às resinas virgens, que possuem suas propriedades e características inalteradas, garantindo a qualidade dos produtos.
Os polímeros Termoplásticos são 100% recicláveis, por esse motivo, desde que sejam feitos os processos de descarte e coleta seletiva adequados, são ambientalmente corretos.
Principais características e propriedades
Os polímeros Termoplásticos possuem suas características variáveis, de acordo com a composição química que forma a cadeia polimérica de cada material, por esse motivo, são classificados em commodities, materiais de engenharia, materiais de alto desempenho e materiais de ultra desempenho.
Cada classificação caracteriza os materiais de acordo com suas propriedades, sendo os commodities, os que possuem propriedades mais simples e valor comercial reduzido, e os de ultra desempenho materiais com elevadas propriedades e alto custo. Em geral, as propriedades que todos os Polímeros Termoplásticos apresentam em comum é a propriedade de fusibilidade com emprego de temperatura, serem materiais 100% recicláveis, passíveis de pigmentação e de fácil processamento.
Exemplos:
→ Polipropileno (PP);
→ Polietilenos de Alta, Média e Baixa Densidade (PEHD, PEMD e PELD, respectivamente), bem como o PE-UHMW;
→ A classe de Poliésteres Saturados (SP);
→ Poliestireno (PS);
→ Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (ABS);
→ Acrilonitrila-Estireno-Acrilato (ASA);
→ Policloreto de Vinila (PVC);
→ Poliamida (PA);
→ Poliftalamida (PPA);
→ Poli P-Fenileno Tereftalamida (PPTA);
→ Poliamida-Imida (PAI);
→ Polimetilmetacrilato (PMMA);
→ Polióxido de Metileno (POM);
→ Politetrafluoretileno (PTFE);
→ Polisulfeto de Fenileno (PPS).
→ alguns tipos de Poliuretanos (PU);
TERMOFIXOS
São aqueles que não fundem com o reaquecimento. São polímeros que possuem suas cadeias poliméricas unidas através de reticulações ou ligações cruzadas, que são forças de atração intermoleculares primárias. Essas forças de atração são elevadas, por esse motivo, se há o emprego de temperatura, há o rompimento dessas ligações, degradando o material polimérico. Por esse motivo, os polímeros Termofixos não são recicláveis, contudo, podem ser reutilizados através de redução dos tamanhos de suas partículas através do processo de moagem, sendo utilizados como cargas em outros materiais, como por exemplo, a moagem de pneus velhos utilizados como cargas em asfalto e concreto.
Principais Características e propriedades
São materiais resistentes e duráveis, possuem elevada resistência à altas temperaturas de uso contínuo, boa resistência mecânica e química, podem ser rígidos ou flexíveis, podem formar compósitos com adição de cargas e reforços como fibras, por exemplo. Os Termorrígidos degradam-se termicamente em baixas temperaturas. São comumente resinas líquidas, que quando misturadas aos iniciadores ou catalisadores, iniciam sua reação de polimerização, formando as reticulações entre as cadeias durante o processo chamado cura da resina, tonando-se infusíveis.
Os polímeros termorrígidos podem ser moldados através de diversos processos de transformação, tais como, moldagem por compressão, injeção a frio, fundição, usinagem, entre outros.
Exemplos:
→ Resinas Fenólicas (PF);
→ Poliepóxido;
→ alguns tipos de Poliuretanos (PU);
→ Poli-Imida (PI);
→ Estireno Acrilonitrila (SAN);
→ Etileno Acetato de Vinil (EVA);
→ a classe de Poliésteres Insaturados (UP).
Aqui vão algumas informações complementares e interessantes sobre o tema:
A Celulose
A celulose (C6H10O5) é um polímero de cadeia linear longa composto de um só monômero (β-D-anidroglicopiranose), unidas por ligação éter do tipo (1-4) com estrutura semi-cristalina, classificando-se como um polissacarídeo do grupo dos carboidratos.
É um dos principais constituintes das paredes celulares das plantas (entre 40 e 50%), em combinação com a lignina, com hemicelulose e pectina. Ela é encontrada na forma de microfibrilas que apresentam regiões cristalinas intercaladas com regiões amorfas. Cada microfibrila é formada por diversas unidades de monômeros de glicose e celobiose (dímeros de glicose), unidas umas às outras ao longo do seu comprimento por ligações de Hidrogênio.
Além da madeira, que possui diferentes proporções de celulose dependendo do tipo, há também o algodão, a juta, o cânhamo, o rami e o linho, que também possuem grande proporção desse polissacarídeo.
A polpa de celulose é obtida industrialmente a partir da madeira de árvores como o pinho, o eucalipto ou o abeto, e em menor proporção de plantas herbáceas com grande quantidade de celulose no talo, como a cana-de-açúcar, diversas gramíneas e juncos, e é usada pelas indústrias de papel e papelão ou pelas indústrias químicas, que convertem essa polpa em celulóide, celofane, acetato de celulose, carboximetilcelulose e outros.
O processo para obtenção de polpa de celulose é usado principalmente para fabricação de papel e papelão. A matéria-prima (troncos ou talos herbáceos) deve ser limpa e descascada e depois submetida à trituração mecânica em máquinas de lâminas múltiplas.
O material triturado pode sofrer diferentes tratamentos para separar a lignina, uma substância que une as fibras da celulose. Pode ser batida com água quente (processo mecânico), ou tratada com soda cáustica a quente (processo soda), ou com bissulfito de cálcio (processo ácido), ou com sulfeto de sódio (processo Kraft). A lignina pode provocar o amarelamento do papel ao longo do tempo por causa do contato com o ar atmosférico.
Posteriormente, o produto é lavado, depurado e embranquecido. Conforme o tipo de árvore ou herbácea, obtém-se a celulose de fibra curta (presente no Eucalipto, por exemplo) ou de fibra longa (presente no Pínus, por exemplo). Essa característica torna o papel resultante mais absorvente ou mais resistente, respectivamente.
CURIOSIDADE: Os compostos de celuloides são considerados os primeiros materiais termoplásticos. Em 1855, o inglês Alexander Parkes registrou a Parkesina, primeiro plástico fabricado, composto da mistura de nitrocelulose e cânfora na presença de álcool.
Ao contrário do que pode se pensar, a celulose não se dissolve em água, o que acontece quando ela é exposta a este líquido é o enfraquecimento das ligações fortes (feitas por Hidrogênio) que unem as fibras, que tornam a folha mais frágil. A absorção de umidade pode ser reduzida (porém, não anulada) com a adição de Polietileno ou outros aditivos ao material, como é o caso do fenolite, nome para a mistura de celulose com resina fenólica.
Sendo assim, a celulose pode ser utilizada para filtrar água, bem como os mais diversos líquidos, como por exemplo óleos, combustíveis e bebidas (como é o caso do filtro para café). A celulose também é eletricamente isolante e utilizada em aplicações eletrônicas com agente de reforço em compósitos.
Pra pensar: Enquanto a celulose das árvores e herbáceas passa por processos industriais para ser extraída e assumir características fibrosas específicas, o Algodão, fibra que envolve as sementes de sua planta, é composto quase que totalmente por celulose, sendo fornecido como fibra 'pronta pra uso' pela natureza.
A Cortiça
A cortiça é um produto vegetal com vasta utilização graças às suas propriedades. Tem grande elasticidade, é impermeável, oferece um excelente isolamento térmico e acústico, é um retardante de chamas natural e é extremamente resistente à abrasão. Todas estas características devem-se à suberina, um polímero natural que se encontra nas suas células.
Complemento 5 - Características da Cortiça. Por: Amorim Cork Composites
A cortiça é a casca do sobreiro (Quercus Suber L., da família dos Carvalhos) o que significa que é um tecido vegetal 100% natural. As células da cortiça, agrupadas numa estrutura alveolar caraterística idêntica à uma colméia, estão preenchidas com uma mistura de gases muito semelhante ao ar, sendo as suas paredes maioritariamente revestidas por suberina e lenhina (uma macrocélula tridimensional de resistência a ataques microbiológicos). Polissacáridos, ceroides e taninos, embora com menos expressão, são outros compostos que encontramos no sistema celular da cortiça.
Complemento 6 - A composição da cortiça. Por: Amorim Cork Composites
A fórmula química da Cortiça, C123H182O56N, foi registada pela primeira vez pelo químico italiano Brugnatelli, em 1787.
Se a celulose é um bom agente de reforço em compósitos de plástico e um bom filtro para líquidos diversos, a Cortiça pode ser utilizada como melhorador de elasticidade em compósitos de borracha e vedador para sistemas preenchidos com líquidos diversos.
Para fixar o conteúdo
Para saber mais sobre polímeros, baixe os PDFs aqui linkados:
No PDF abaixo, uma explicação ampliada do que foi abordado no tópico sobre polímeros:
No PDF abaixo há uma enorme lista de abreviações de nomes de compostos poliméricos:
Com a evolução de eletrônica, surgiram os semicondutores orgânicos, que são nada mais que polímeros condutores desenvolvidos em laboratório, e que já são amplamente utilizados pela indústria em telas OLED e capacitores CPA, por exemplo. Caso queira saber mais sobre este assunto, clique nos links abaixo:
Plástico x Borracha
CURIOSIDADE: Plásticos podem ter qualquer forma, bastando molda-los com calor e pressão. Plásticos são resinas sintéticas que podem admitir a forma de fibra. Tanto a borracha sintética ou orgânica quanto o plástico são resinas. Tanto a borracha quanto o plástico são feitos de polímeros. O que difere uma borracha de um plástico é seu comportamento mecânico, ou seja, a elasticidade.
Nos plásticos, as moléculas poliméricas são mantidas unidas apenas pelas forças eletrostáticas, enquanto nas borrachas há um processo chamado vulcanização que liga as moléculas entre si por meio de ligações químicas (geralmente pontes de Enxofre, porém a vulcanização sem enxofre também pode ser feita - podem ser utilizados óxidos metálicos, peróxidos orgânicos ou até resina de poliepóxido), o que faz com que a estrutura polimérica seja um pouco flexível, admitindo que a borracha se deforme e acumule energia, mas quando a força cessa essa energia é liberada e as moléculas retornam às suas posições.
Os plásticos, quando submetidos à uma força, se deformam de forma permanente (ou plástica) e a energia gasta na deformação se dissipa como calor, não havendo nada para recuperar a forma original do corpo quando a força cessa.
Para saber mais sobre borrachas, leia o segundo capítulo desta série. Basta CLICAR AQUI!
Temperatura de Transição Vítrea
O artigo sobre Cristais Líquidos traz uma breve explicação sobre a temperatura de transição vítrea (Tg) e a temperatura de isotropização (Tiso).
Apesar dele já ter sido linkado anteriormente, deixo o link novamente abaixo:
Outro conteúdo interessante para compreender a temperatura de transição vítrea é o artigo sobre vidros e cerâmicas:
Propriedades Mecânicas
Caso queira saber mais sobre resistência à tração, compressão e ao impacto em plásticos, borrachas, metais e cerâmicas, recomendo que CLIQUE AQUI! e aprecie este apanhado de informações relevantes sobre estes assuntos e com vários exemplos práticos!
E sobre a aplicabilidade dos plásticos e borrachas? Muitos exemplos de aplicação destes materias podem ser encontrados CLICANDO AQUI!, CLICANDO AQUI e CLICANDO AQUI!
Este foi o primeiro capítulo da série sobre Ciência e Tecnologia dos Materiais. O próximo capítulo é sobre a borracha. Não deixe de ler!
Caso tenha ficado algum "ponto solto", alguma discordância, erros de digitação e caso esteja faltando alguma coisa, ou você queira trazer sugestões ao blog, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com.
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, gráficos e desenhos: Google Imagens; Leonardo Ritter.
Fontes: Rubberpedia (Manuel Morato Gomes); Mundo Educação (Jennifer Fogaça); Brasil Escola (Jennifer Fogaça); SABÓ; ANIP (Associação Nacional da Indústria de Pneumáticos); Vedamotors; Fricwel; Fras Le; Akroplastic; DMI International Business; Amorim Cork Composites; Worker (FISPQ); Walsywa (FISPQ); Mitsuboshi Belting Ltd. (Datasheets de materiais); Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Alguns trechos desta publicação foram construídos através da concatenação / resumo de informações do site Rubberpedia, gerido pelo criador de conteúdo Manuel Morato Gomes. Os textos originais podem ser recuperados diretamente de http://www.rubberpedia.com/.
Última atualização: 01 de Novembro de 2024.
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