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03/04/2012 1 Universidade de Brasília - UnB | Ciência dos Materiais | Prof. Claudio Henrique Pereira ENG AMBIENTAL – UnB Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Aula 07 1 Tipos de Materiais: Polímeros Introdução: Polímeros • Polímeros naturais já eram conhecidos desde a antiguidade – Oriundo de plantas e vegetais; • Madeira, borracha, algodão, lã, couro, seda. – Outros polímeros são importantes para processos biológicos e fisiológicos • Proteínas, amidos, celuloses. • A partir das pesquisas na área dos polímeros, tornou-se possível a realização da sintese dos polímeros. – Materiais sintéticos. 2 03/04/2012 2 Introdução • Após a Segunda Guerra Mundial, o campo dos materiais foi virtualmente revolucionado pelos polímeros sintéticos. – Plásticos, borrachas e as fibras • As propriedades dos polimeros estão relacionadas de maneira complexa a sua estrutura e interações químicas. 3 Origem e Composição química dos Polímeros • Origem – Matéria-prima que dá origem ao polímero: monômero • Obtido: do petróleo, gás natural, madeira, álcool, carvão, CO2 – Ricas em carbono. • Forma mais econômica e abundante de se obter matéria-prima para síntese de polímeros – Destilação dos componentes do petróleo • Nafta. 4 UnB Highlight 03/04/2012 3 Origem e Composição química dos Polímeros • Polímeros – Compostos da química orgânica, constituídos basicamente por hidrocarbonetos • Compostos formados por átomos de carbono e hidrogênio. • Cada átomo de carbono possui 4 elétrons na camada de valência – Ligações covalentes • Frequentemente com próprios átomos de carbono adjacentes; • Hidrogênio; • Heteroátomos – Halogêneos, oxigênio, enxofre. 5 Origem e Composição química dos Polímeros • Molécula saturada – Átomo de carbono realizou ligações simples • Metano – mais simples dos hidrocarbonetos. • Molécula insaturada – Moléculas com ligações duplas ou triplas; • Quando um átomo de carbono não estiver rodeado por outros quatro átomos – Ligações com carbonos adjacentes até que se tenha formado as 4 ligações – Estabilidade química. 6 Eteno e Acetileno UnB Highlight 03/04/2012 4 Estrutura e Classificação de Polímeros • Polimeros são materiais compostos por macromoléculas – Cadeia compostas pela repetição de uma unidade básica – monômero. • Grau de polimerização – Número de meros presentes na cadeia polimérica. • Ligação de monômeros é feita através de pontos reativos – Grupos de átomos do monômero capazes de efetuar uma nova ligação. 7 Listagem de estruturas de meros para os materiais poliméricos mais comuns 8 UnB Highlight 03/04/2012 5 Estrutura e Classificação de Polímeros • Estrutura das Macromoléculas – Polímero constituído de apenas um monômero • Homopolimero • Exemplo – Cloreto de Vinila – Policloreto de Vinila (PVC). – Mais de um tipo de mero na composição do poímero • Copolímero • Exemplo – Elastômero SBR – Copolimero de butadieno e estireno. 9 Cloreto de Vinila Policloreto de Vinila 10 03/04/2012 6 Estrutura das Macromoléculas • Nos polímeros são adicionados monômeros a fim de se obterem as propriedades desejadas a aplicações específicas dos polímeros. • Copolímeros estão classificados de acordo com a disposição de monômeros nas cadeias poliméricas. 11 Copolímeros clássicos e comonômeros que lhe deram origem 12 03/04/2012 7 Estrutura Molecular • Características físicas de um polímero dependem não apenas de seu peso molecular e sua forma, mas também das diferenças na estrutura das cadeias moleculares – Técnicas modernas de síntese de polímeros permitem um controle considerável sobre a estrutura. • Estruturas moleculares – Estruturas lineares; – Estruturas ramificadas; – Estruturas com ligações cruzadas; – Estruturas em Rede. 13 Estrutura Molecular • Polímeros Lineares – Aqueles em que as unidades mero estão unidas extremidade a extremidade em cadeias únicas; – Polietileno, Cloreto de polivinila, Poliestireno, Náilon, outros. • Polímeros Ramificados – Polímeros com cadeias de ramificações laterais conectadas às cadeias principais; • Ramificações resultam de reações paralelas que ocorrem durante a síntese do polímero. 14 03/04/2012 8 Estrutura Molecular • Polímeros com Ligações Cruzadas – Cadeias lineares adjacentes estão unidas umas às outras em várias posições por meio de ligações covalentes; • Muitas dos materiais elásticos apresentam ligações cruzadas – Borrachas. • Polímeros em Rede – Unidades mero trifuncionais, que possuem três ligações covalentes ativas, formam redes tridimensionais; • Materiais epoxi e à base de fenolformaldeído. 15 Representações esquemáticas das estruturas moleculares 16 03/04/2012 9 Polimerizações • Polimerização – Reação de formação dos polímeros a partir de seus monômeros. • Reações de Polimerização divide-se em duas classes – De adição; – De condensação. 17 Polimerizações • Polimerização por Adição – A unidade repetitiva da polimerização tem quase a mesma composição do monômero; – Polímero resultante é a soma dos reagentes • Sem perda de pequena molécula. – Formada pela reação sucessiva de monômeros contendo dupla ligação carbono-carbono • Produtos Vinílicos – Podem reagir com eles mesmos pela conversão da dupla ligação. 18 03/04/2012 10 Reação de polimerização Material Vinilico 19 Acetato de Polivinila (PVA) 20 03/04/2012 11 Politetrafluoretileno (Teflon) 21 Polimetil metacrilato (PMMA) 22 03/04/2012 12 Policloropreno (Neoprene) 23 Polimerizações • Polimerização por condensação – Formados por monômeros polifuncionais por meio de várias reações de condensação da química orgânica com eliminação de pequenas moléculas • Água, cloreto de hidrogênio, outras. • Obtidos: – Poliamidas, poliésteres, resinas alquídicas, fenol- formaldeído, entre outros. 24 03/04/2012 13 Baquelite 25 Polímeros formados por poliadição e policondensação 26 03/04/2012 14 Estrutura das Cadeias Poliméricas • Pode ser: – Cadeias sem ramificações • Lineares. – Apresentar ramificações • Grau e complexidade das ramificações. • Ramificações dificultam a aproximação das cadeias poliméricas e diminuem as interações moleculares – Formação de reticulados impede o deslizamento das cadeias umas sobre as outras. • De acordo com a fusibilidade – Polímeros termoplásticos; – Polímeros termorígidos. 27 Polímeros Termoplásticos • Ao serem aquecidos, sofrem amolecimento e, ao resfriarem, retornam a sua rigidez inicial – Viabiliza a produção em larga escala • Extrusão e moldagem por injeção; – Reciclados. • Caracterizados por terem ligações intermoleculares fracas (Van der Walls) – Quando aquecidos as ligações são rompidas, permitindo que haja maior facilidade de movimentação das cadeias poliméricas umas sobre as outras. 28 03/04/2012 15 Esquema de polímeros termoplásticos de cadeias lineares 29 Polímeros Termoplásticos e suas aplicações típícas 30 03/04/2012 16 Polímeros Termorígidos (Termofixos) • Não amolecem com o aumento da temperatura e, por isso, uma vez produzidos, não podem retornar ao processamento – Elevação contínua da temperatura leva à degradação do material antes que qualquer alteração mais dramática nas propriedades mecânicas. • Apresentam cadeias conectadas umas as outras através da formação de ligações cruzadas – Só são rompidas com elevadas quantidades de energia que usualmente levam também ao rompimento das ligações das cadeias poliméricas e degradação do material. 31 Cadeias polimericas unidas por ligações cruzadas 32 03/04/2012 17 Polimeros Termorígidos e suas aplicações típicas 33 Tipos de Materiais Polimericos • Ponto de Vista Tecnológico – Elastômeros; – Plásticos (Rígidos e Flexíveis) – Fibras. • Plásticos rígidos e fibras – Alta resistência à deformação, alto módulo e baixa porcentagem de alongamento. • Elastômero – Baixa resistência à deformação, grandes deformações reversíveis sob tensões e baixo módulo; • Plásticos flexíveis – Propriedades intermediárias. 34 03/04/2012 18 Classificação dos polímeros quanto ao tipo de aplicação 35 Elastômeros • Material macromolecular que exibe elasticidade em longa faixa, à temperatura ambiente – Estrutura molecular contém ligações cruzadas • Vulcanização – Enxofre – Previne o deslizamento de uma cadeia polimérica sobre a outra e ao mesmo tempo permite sua movimentação, o que confere flexibilidade. • Estrutura molecular similar ao termorígido mas com menor número de ligações cruzadas. 36 03/04/2012 19 Elastômeros, propriedades e aplicações 37 Plásticos • Termo “Plástico” – Grego – Adequado a moldagem; • Embora sólidos à temperatura ambiente em seu estado final, em alguns estágios de seu processamento, os plásticos tornam-se fluídos e possíveis de serem moldados, por ação conjunta de calor e pressão. • Plásticos para engenharia apresentam maior módulo de elasticidade e substituem materiais tradicionais. 38 03/04/2012 20 Plásticos de uso geral, de engenharia de uso geral e de uso especial 39 Fibras • Macromoléculas orientadas longitudinalmente, compostas principalmente por moléculas lineares, capazes de serem estiradas, formando longos filamentos (L/D = 100); – Quando em uso podem estar sujeitas a uma série de deformações mecânicas; – Devem possuir resistência à tração elevada e alto módulo de elasticidade; – Propriedades controladas pela química dos polímeros e pelo processo de estiramento da fibra; – Podem incrementar as propriedades dos compósitos. 40
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