- POLÍMEROS: MATERIAIS DE NOSSO DIA A DIA
Resposta: Baixo peso.
Para que carregar um pesado balde metálico se o plástico torna o balde leve e
estável o suficiente para transportar água?
E, o que é mais importante, em todos os casos acima, o plástico apresenta custo bastante compensador em relação
aos demais materiais. Este é um fator primordial para sua escolha!
Como nem tudo é perfeito no mundo, há algumas desvantagens inevitáveis decorrentes do
uso do plástico:
- O QUE SÃO POLÍMEROS?
Polímeros são materiais compostos por macromoléculas. Essas macromoléculas são cadeias compostas pela repetição de uma unidade básica, chamada mero. Daí o nome: poli (muitos) + mero.
Os meros estão dispostos um após o outro, como pérolas num colar. Uma macromolécula assume formato muito semelhante ao de um cordão.
Logo, pode-se fazer uma analogia: as moléculas de um polímero estão dispostas de uma maneira muito semelhantes a um novelo de lã. É difícil extrair um fio de um modelo de lã. Também é difícil remover uma molécula de uma porção de plástico, pois as cadeias “seguram-se” entre si.
Por exemplo, o polietileno (ou, abreviadamente, PE) - plástico extremamente comum usado, por exemplo, em saquinhos de leite - é composto pela repetição de milhares de unidades da molécula básica do etileno (ou eteno):
onde n normalmente é superior a 10.000. Ou seja, uma molécula de polietileno é constituída da repetição de 10.000 ou mais unidades de etileno.
O parâmetro n é definido como sendo o Grau de Polimerização do polímero, ou seja, o número de meros que constitui a macromolécula.
Vejamos agora a definição formal de polímero: materiais, cujo elemento essencial é constituído por ligações moleculares orgânicas, que resultam de síntese artificial ou transformação de produtos naturais.
Alguns polímeros podem ser constituídos da repetição de dois ou mais meros. Neste caso, eles são chamados copolímeros. Por exemplo, a macromolécula da borracha sintética SBR é formada pela repetição de dois meros: estireno e butadieno:
Para enfatizar que um polímero é formado pela repetição de um único mero, ele é denominado homopolímero.
- COMO SÃO PRODUZIDOS OS POLÍMEROS?
A matéria prima que dá origem ao polímero chama-se monômero. No caso do polietileno (PE) é o etileno (ou eteno).
Por sua vez, o monômero é obtido a partir do petróleo ou gás natural, pois é a rota mais barata.
É possível obter monômeros a partir da madeira, álcool, carvão e até do CO2, pois todas essas matérias primas são ricas em carbono, o átomo principal que constitui os materiais poliméricos. Todas essas rotas, contudo, aumentam o preço do monômero obtido, tornando-o não competitivo.
No passado, os monômeros eram obtidos de resíduos do refino do petróleo. Hoje o consumo de polímeros é tão elevado que esses “resíduos” de antigamente tem de ser produzidos intencionalmente nas refinarias para dar conta do consumo!
Há diversas maneiras de se dividir os polímeros. A classificação conforme as características mecânicas talvez seja a mais importante. Ela decorre, na verdade, da configuração específica das moléculas do polímero.
Sob este aspecto, os polímeros podem ser divididos em termoplásticos, termorrígidos (termofixos) e elastômeros (borrachas).
Termoplásticos:
São os chamados plásticos, constituindo a maior parte dos polímeros comerciais.
A principal característica desses polímeros é poder ser fundido diversas vezes. Dependendo do tipo do plástico, também podem dissolver-se em vários solventes. Logo, sua reciclagem é possível, uma característica bastante desejável nos dias dias de hoje.
As propriedades mecânicas variam conforme o plástico: sob temperatura ambiente, podem ser maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis.
Estrutura molecular: moléculas lineares dispostas na forma de cordões soltos, mas agregados, como num novelo de lã.
Exemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de vinila) (PVC), poli(metilmetacrilato) (PMMA)...
Termorrígidos (Termofixos):
São rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de temperatura.
Uma vez prontos, não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado a altas temperaturas promove decomposição do material antes de sua fusão. Logo, sua reciclagem é complicada.
Estrutura molecular: na verdade, os cordões estão ligados fisicamente entre si, formando uma rede ou reticulado. Eles estão presos entre si através de numerosas ligações, não se movimentando com alguma liberdade como no caso dos termoplásticos. Pode-se fazer uma analogia com uma rede de malha muito fina.
Exemplos: baquelite, usada em tomadas e no embutimento de amostras metalográficas; poliéster usado em carrocerias, caixas d'água, piscinas, etc., na forma de plástico reforçado (fiberglass).
Elastômeros (Borrachas):
Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos: não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos.
Reciclagem complicada pela incapacidade de fusão, de forma análoga aos termorrígidos.
Estrutura molecular: a estrutura é similar à do termorrígido mas, neste caso, há menor número de ligações entre os “cordões”. Ou seja, é como se fosse uma rede, mas com malhas bem mais largas que os termorrígidos. Exemplos: pneus, vedações, mangueiras de borracha.
. Leves
Mais leves que metais ou cerâmica. Ex: PE é 3 vezes mais leve que o alumínio e 8 vezes mais leve que o aço.
Motivação para uso na indústria de transportes, embalagens, equipamentos de esporte...
. Propriedades Mecânicas Interessantes
Alta flexibilidade, variável ao longo de faixa bastante ampla, conforme o tipo de polímero e os aditivos usados na sua formulação;
Alta resistência ao impacto. Tal propriedade, associada à transparência, permite substituição do vidro em várias aplicações. Quais seriam? lentes de óculos (em acrílico ou policarbonato), faróis de automóveis (policarbonato), janelas de trens de subúrbio, constantemente quebradas por vândalos (policarbonato);
Note-se, contudo, que a resistência à abrasão e a solventes não é tão boa quanto a do vidro. Lentes de acrílico riscam facilmente e são facilmente danificadas se entrarem em contato com solventes como, por exemplo, acetona!
. Baixas Temperaturas de Processamento
Conformação de peças requer aquecimento entre Tamb e 250oC. Alguns plásticos especiais requerem até 400oC.
Disso decorre baixo consumo de energia para conformação.
E também faz com que os equipamentos mais simples e não tão caros quanto para metais ou cerâmica.
. Ajuste Fino de Propriedades através de Aditivação
Cargas inorgânicas minerais inertes (ex. CaCO3) permitem reduzir custo da peça sem afetar propriedades. Exemplo: piso de vinil/cadeiras de jardim (PP), que contém até 60% de cargas.
Uso de fibras (vidro, carbono, boro) ou algumas cargas minerais (talco, mica, caolim, wolastonita) aumentam a resistência mecânica; As cargas fibrosas podem assumir forma de fibras curtas ou longas, redes, tecidos.
Negro de fumo em pneus (borracha) e filmes para agricultura (PE) aumentam resistência mecânica e a resistência ao ataque por ozônio e raios UV.
Aditivos conhecidos como plastificantes podem alterar completamente as características de plásticos como o PVC e borrachas, tornando-os mais flexíveis e tenazes.
A fabricação de espumas é feita através da adição de agentes expansores, que se transformam em gás no momento da transformação do polímero, quando ele se encontra no estado fundido.
. Baixa Condutividade Elétrica
Polímeros são altamente indicados para aplicações onde se requeira isolamento elétrico. Explicação: polímeros não contém elétrons livres, responsáveis pela condução de eletricidade nos metais.
A adição de cargas especiais condutoras (limalha de ferro, negro de fumo) pode tornar polímeros fracamente condutores, evitando acúmulo de eletricidade estática, que é perigoso em certas aplicações.
Há polímeros especiais, ainda a nível de curiosidades de laboratório, que são bons condutores. O Prêmio Nobel de Química do ano 2000 foi concedido a cientistas que sintetizaram polímeros com alta condutividade elétrica.
. Baixa Condutividade Térmica
A condutividade térmica dos polímeros é cerca de mil vezes menor que a dos metais. Logo, são altamente recomendados em aplicações que requeiram isolamento térmico, particularmente na forma de espumas.
Mesmo explicação do caso anterior: ausência de elétrons livres dificulta a condução de calor nos polímeros.
. Maior Resistência a Corrosão
As ligações químicas presentes nos plásticos (covalentes/Van der Walls) lhes conferem maior resistência à corrosão por oxigênio ou produtos químicos do que no caso dos metais (ligação metálica).
Isso, contudo, não quer dizer que os plásticos sejam completamente invulneráveis ao problema. Ex: um CD não pode ser limpo com terebentina, que danificaria a sua superfície.
De maneira geral, os polímeros são atacados por solventes orgânicos que apresentam estrutura similar a eles. Ou seja: similares diluem similares.
. Porosidade
O espaço entre as macromoléculas do polímero é relativamente grande. Isso confere baixa densidade ao polímero, o que é uma vantagem em certos aspectos.
Esse largo espaçamento entre moléculas faz com que a difusão de gases através dos plásticos seja alta. Em outras palavras: esses materiais apresentam alta permeabilidade a gases, que varia conforme o tipo de plástico.
A principal conseqüência deste fato é a limitação dos plásticos como material de embalagem, que fica patente no prazo de validade mais curto de bebidas acondicionadas em garrafas de PET. Por exemplo, o caso da cerveja é o mais crítico.
Essa permeabilidade, contudo, pode ser muito interessante, como no caso de membranas poliméricas para remoção de sal da água do mar.
. Reciclabilidade
Alguns polímeros, como termorrígidos e borrachas, não podem ser reciclados de forma direta: não há como refundí-los ou depolimerizá-los.
A reciclagem de polímeros termoplásticos, apesar de tecnicamente possível, muitas vezes não é economicamente viável devido ao seu baixo preço e baixa densidade. Compare com o caso do alumínio... Somente plásticos consumidos em massa (PE, PET, ...) apresentam bom potencial econômico para reciclagem.
Problema adicional: o plástico reciclado é encarado como material de segunda classe, ao contrário do que ocorre com aço ou mesmo o alumínio.
Nos casos em que a reciclagem do polímero não for possível, sempre é possível queimá-lo, transformando-o em energia, em incineradores ou alto-fornos. Esta última saída é mais favorável, pois o carbono do polímero seria usado na redução do minério.
Contudo, plásticos que contém halogêneos (PVC e PTFE, por exemplo) geram gases tóxicos durante a queima. Solução: identificação desse material, que deve ser encaminhado para dehalogenação antes da queima.
. 1ª Fase: Polímeros, Materiais Naturais
Por que os polímeros demoraram tanto a surgir, viabilizando-se comercialmente apenas nos últimos 50 anos?
Polímeros são compostos orgânicos, ou seja, baseados em átomos de carbono. Suas reações químicas, portanto, são regidas pela Química Orgânica.
São reações de difícil execução em laboratório, tanto que, até a primeira metade do século XIX, acreditava-se na chamada Teoria da Força Vital, enunciada por Berzelius, célebre alquimista da época: “Reações orgânicas só são possíveis no interior de seres vivos, através da ação de uma força vital”.
Por isso, até o século passado, somente era possível utilizar polímeros produzidos naturalmente, pois não havia tecnologia disponível para promover reações entre os compostos de carbono.
Principais materiais estudados: borracha, goma-laca, gutta-percha, extraídos de vegetais.
Por volta de 1860, já havia a moldagem industrial de plásticos naturais reforçados com fibras, como a goma-laca e a gutta-percha. Eles eram usados, por exemplo, em daguerreótipos (máquinas fotográficas antigas).
. 2ª Fase: Polímeros Naturais e Modificados
. 3ª Fase: Polímeros Sintéticos
O avanço da tecnologia e da Química Orgânica já permite a síntese de polímeros nessa época.
Contudo, ainda haviam grandes dúvidas sobre a real natureza desses materiais. A idéia de macromoléculas ainda parecia estranha e muito pouco aceitável. Muitos acreditavam que os polímeros eram colóides, ou seja, associações físicas de moléculas pequenas.
Essa dúvida atravancou por muito tempo o avanço do estudo sobre esses materiais, sendo resolvida plenamente apenas na década de 1920, quando STAULDINGER (Alemanha) sedimentou os conceitos sobre as macromoléculas.
O período entre 1920 e 1950 foi decisivo para o surgimento dos polímeros modernos. Uma série de fatores alavancou esse desenvolvimento:
A década de 1950 se notabilizou principalmente pela popularização de toda a tecnologia de polímeros desenvolvida durante a guerra. Porém, os desenvolvimentos continuaram: polipropileno, espumas de poliuretano, PE linear, poliacetais, policarbonatos...
Durante a década de 1960 surgem os plásticos de engenharia, materiais de alto desempenho (e custo equivalente...) que começam a desafiar materiais tradicionais, como o aço, em diversos tipos de aplicações: poliimidas, poli(óxido de fenileno), polisulfonas, ABS, poliamidas, polisulfonas, policarbonatos (PC), poli(tereftalato de butila) (PBT), poli(tereftalato de etileno) (PET), etc. Surgem ainda os elastômeros termoplásticos, plásticos com comportamento de borrachas, desenvolvidos a partir da engenharia de macromoléculas. Começam a aparecer os tanques de combustível feitos em PEAD, lentes de contato flexíveis, garrafas de PET, sacos de supermercado em PEAD...
Na década de 1980 observa-se um certo amadurecimento da Tecnologia dos Polímeros: o ritmo dos desenvolvimentos diminui, enquanto se procura aumentar a escala comercial dos avanços conseguidos. Ainda assim, pode-se ressaltar as seguintes inovações: polímeros de cristal líquido, polímeros condutores de eletricidade, polisilanos, novos polímeros de engenharia como poli(eter-imida), poli(éter-éter-cetona)...
Finalmente, na década de 1990: catalisadores de metaloceno, reciclagem em grande escala de garrafas de PE e PET, biopolímeros, uso em larga escala dos elastômeros termoplásticos e plásticos de engenharia. A preocupação com a reciclagem torna-se quase uma obsessão, pois dela depende a viabilização comercial dos polímeros.
Certos plásticos se destacam por seu baixo preço e grande facilidade de processamento, o que incentiva seu uso em larga escala. São os chamados plásticos ou resinas commodities, materiais baratos e usados em aplicações de baixo custo. São o equivalente aos aços de baixo carbono na siderurgia.
Os principais plásticos commodities são: polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS) e o policloreto de vinila (PVC). A distribuição da produção desses plásticos no Brasil, em 1998, pode ser vista no gráfico abaixo:
. Polietileno (PE)
. Polipropileno (PP)
. Poliestireno (PS)
. Poli(cloreto de vinila) (PVC)
Há também os chamados plásticos de engenharia, que são resinas que apresentam propriedades superiores às
chamadas resinas commodities. Seu preço, porém, é bem mais elevado. Seriam os equivalentes aos
aços-liga da siderurgia.
A seguir estão listados os mais comuns.
. Poli(tereftalato de etileno)
. Policarbonato
Que tal vermos a cotação desses materiais? Em dezembro de 1998, o preço por quilo em reais era
Contudo, a crise cambial ocorrida no início de 1999 provocou acréscimo de preços de até 50% no preço das resinas, de acordo com manifesto da Abiplast em fevereiro daquele ano.
A figura abaixo mostra, de forma aproximada, como se distribuem as aplicações dos plásticos. Note-se que aqui não estão incluídos alguns polímeros importantes, como as borrachas.
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Última Atualização: 10.09.2003 | |
| © Antonio Augusto Gorni |