Os Polímeros

Os polímeros sempre fizeram parte do quotidiano humano. Desde os tempos mais remotos, o homem tem usado polímeros (naturais) como amido, celulose, seda, leca, ceras, entre outros. A partir da primeira metade do século XX, quando o químico alemão Hermann Staudinger (1881-1963), pioneiro no estudo da química dos polímeros, agraciado com o PreÌ‚mio Nobel da Química em 1953, descobriu o processo de polimerização, a síntese de polímeros deixou de ser apenas um fenoÌ‚meno natural. Desde então, o estudo dos polímeros naturais e principalmente dos sintéticos desenvolveu-se rapidamente. 
Seria difícil imaginar o nosso mundo sem a existeÌ‚ncia dos polímeros. Hoje eles são parte integrante do estilo de vida de todos, com aplicações que variam de artigos domésticos comuns, instrumentos científicos e médicos sofisticados, partes componentes de nave espaciais, próteses humanas e muitas outras aplicações. Hoje em dia, os designers e os engenheiros facilmente escolhem os polímeros nas suas aplicações, porque eles oferecem combinações de propriedades e facilidade de processamento que não estão disponíveis em qualquer outro material. 
Os polímeros oferecem vantagens, tais como leveza, resisteÌ‚ncia mecaÌ‚nica, resisteÌ‚ncia aÌ€ corrosão, solidez na cor, transpareÌ‚ncia, facilidade de processamento, dentre outras, de forma que se pode dizer que, apesar de algumas restrições do seu uso em temperaturas muito elevadas, a sua exploração é limitado apenas pela criatividade do designer. 
De maneira generalizada, um sinoÌ‚nimo comum para polímeros é “plástico”. Este nome é derivado da associação com a facilidade de fabricação (plástico = fácil de moldar) da maioria dos produ- tos poliméricos. 
O termo polímero refere-se a uma família de materiais que inclui o náilon, o polietileno e teflon, o zinco, o alumínio e o aço, que fazem parte da família de metais. Este é um ponto importante porque, assim como se aceita que o zinco tem propriedades muito diferentes das do aço, de modo semelhante o náilon tem propriedades bastante diferentes das do teflon. Esta analogia é usada para se entender que da mesma forma que existem diferentes tipos de aços também há diferentes tipos de polietilenos. 
A diferença entre macromolécula e polímero consiste no fato de que no polímero a elevada massa molecular é resultado da soma da massa molecular das unidades formadoras (meros) que se repetem formando as cadeias, enquanto que a elevada massa molecular da macromolécula é con- sequeÌ‚ncia da complexidade molecular, como as macromoléculas presentes nos seres vivos (por exemplo, os glicídios, os lipídios, as proteínas e os ácidos nucleicos). Desta forma, os polímeros são considerados macromoléculas, porém a recíproca não é obrigatoriamente verdadeira. 
Após essa observação, veÌ‚-se que os materiais poliméricos, antes de sua formação, são constituídos por uma molécula química simples e estável (momoÌ‚mero), que após ser submetida a uma reação química torna-se instável e sob condições especiais de temperatura e pressão reagem entre si formando cadeias, em que estas moléculas químicas instáveis (meros) se repetem continuamente. Assim, as substaÌ‚ncias químicas que dão origem aos polímeros por reação química são chamadas de monoÌ‚meros, e as unidades que se repetem ao longo da cadeia polimérica e que caracterizam a composição química do polímero são chamadas de meros. 
Para a maioria dos fins práticos, um polímero pode ser definido como uma substaÌ‚ncia constituída por moléculas longas (macromoléculas) compostas de unidades químicas estruturais simples, denominadas meros. Estes meros são ligados uns aos outros por ligações covalentes e se repetem sucessivamente ao longo da cadeia. Os polímeros são compostos de origem natural ou sintética com massa molecular de ordem de 104 a 106. 

O termo polímero foi criado por Berzelius, em 1832, e significa “muitas partes”, visto que:
 » Mero – origina-se da palavra grega meros, que significa parte, elemento; 
» Poli – significa vários, muitas; 
Assim, um monoÌ‚mero é uma molécula química simples que, quando submetida ao calor e/ou aÌ€ pressão, é capaz de reagir dando origem aos meros, que se combinam originando longas cadeias denominadas polímeros. Para que um monoÌ‚mero possa ter a capacidade de formar polímeros, é necessário que estas moléculas sejam no mínimo, bifuncionais, isto é, possuem duplas ligações reativas, dissociadas com a formação de duas ligações simples. 
Na verdade, os materiais poliméricos não são novos, eles teÌ‚m sido usados desde a Antiguidade. Contudo, nessa época, somente eram usados materiais poliméricos naturais. A síntese artificial de materiais poliméricos é um processo que requer tecnologia sofisticada, pois envolve reações de química orgaÌ‚nica, cieÌ‚ncia que só começou a ser totalmente desenvolvida a partir da segunda metade do século XIX. Esses compostos surgiram para imitar os polímeros naturais e deram origem aos chamados polímeros sintéticos. 
O desenvolvimento de polímeros sintéticos e o crescimento da indústria de polímeros durante os últimos 80 anos tem sido impressionante. O sucesso comercial dos produtos à base de polímeros tem gerado uma procura de tal modo que a produção total de polímeros (em volume) superou a produção combinada de todos os metais de mais de 20 anos.

De onde veÌ‚m os polímeros? 
Para a formação dos polímeros sintéticos, os monoÌ‚meros são obtidos a partir do petróleo ou do gás natural, pois essa é a rota mais barata. Também é possível a obtenção de monoÌ‚meros a partir da madeira, do álcool, do carvão e até do CO2, pois todas essas matérias-primas são ricas em carbono, o átomo principal que constitui os materiais poliméricos. 
Essas últimas possibilidades, contudo, aumentam o preço do monoÌ‚mero obtido. No passado, os monoÌ‚meros eram obtidos de resíduos do refino do petróleo. Hoje, o consumo de polímeros é tão elevado que esses resíduos de antigamente teÌ‚m que ser produzidos intencionalmente nas refinarias para atender aÌ€ demanda. 
É cada vez mais comum em nosso cotidiano a busca por soluções mais sustentáveis em diversas áreas, e com os materiais poliméricos isso não é diferente. Nos últimos anos veÌ‚m se buscando novas rotas de obtenção de materiais poliméricos e, dentro deste contexto, surgiram novos materiais, os quais apresentam as mesmas características que os polímeros sintéticos; entretanto, como a sua síntese é feita a partir de matéria-prima renovável, como plantas terrestres e aquáticas, microrganismos, eles são classificados como biopolímeros, polímeros sustentáveis ou polímeros verdes. Neste caso, por exemplo, na nomenclatura dos polímeros é acrescentada a palavra “verde” seguido da sua nomenclatura original: PVC Verde, PP Verde, PE Verde.

Como é formado um polímero?
um polímero é formado de cadeias longas construídas a partir de unidades que se repetem. Desta forma para melhor assimilação faz-se uma analogia destas cadeias com a corrente…

Esta corrente é formada de elos ideÌ‚nticos que vão se repetindo até que se tenha uma longa corrente. De forma semelhante ocorre na formação dos polímeros, nos quais cada elo corresponde a um mero. Assim, o conjunto total dá uma ideia de cadeia polimérica. 
Assim, “mero” denota a unidade repetida numa cadeia polimérica, enquanto “monoÌ‚mero” é usado no contexto de uma molécula capaz de reagir para formar um único mero.

Como um polímero é obtido? 
Um polímero é obtido a partir de um conjunto das reações químicas que provocam a forma ção dos meros e a união destes, por ligações covalentes, para a formação de cadeias macromoleculares que compõem o material polimérico. Esta reação é denominada polimerização. 
Como visto anteriormente, os monoÌ‚meros (moléculas insaturadas estáveis) podem ser obtidos por meio de diferentes rotas, e quando estes são submetidos a condições específicas de tempera- tura, pressão e meio, tornam-se disponíveis para novas ligações, que ao se ligarem formam cadeias poliméricas. Desta forma, os polímeros apresentam uma massa molecular de ordem de centenas de milhares de unidades de massa atoÌ‚mica (acima de 103 moléculas grama). 
O número das uniões entre os meros é que determina o grau de polimerização, que quase sempre excede vários milhares, influenciando diretamente nas propriedades físicas do produto. Geralmente, os polímeros com maior grau de polimerização apresentam melhora nas propriedades físicas destes. 
Exemplos muito simples de monoÌ‚meros são as moléculas do etileno, do estireno e do cloreto de vinila, que se combinam por meio de uma reação de polimerização para dar origem aos polímeros polietileno, poliestireno e poli(cloreto de vinila) o PVC. 
Os traços localizados entre cada átomo configuram as ligações covalentes, características dos hidrocarbonetos; os raios vermelhos representam a quebra da ligação, e o elemento dentro da caixa de texto tracejada indica o mero que se repete ao longo da cadeia polimérica. 
As ligações podem ser simples (entre H e C e Cl), duplas (como entre os dois átomos de carbono no etileno) ou, mais raramente, triplas (como entre os átomos de carbono no acetileno). As moléculas que apresentam ligações duplas ou triplas são ditas insaturadas, pois os átomos assim ligados ainda podem fazer mais uma ou duas ligações (no caso de ligações triplas) com outros átomos. Quando uma molécula insaturada tem a possibilidade de fazer mais duas ligações covalentes com outras moléculas, ela é dita bifuncional. No caso de ter treÌ‚s ligações ativas, a molécula é chamada trifuncional. Com a efetivação destas duas ou treÌ‚s ligações com outros radicais, tais moléculas tornam-se saturadas e nenhum outro átomo pode ser ligado aÌ€ estrutura sem que se remova algum outro já ligado. 
Mesmo para os experientes, nem sempre é fácil decifrar o significado dos nomes dados aos polímeros. Isto é porque, para um dado polímero, pode-se ter até quatro diferentes tipos de nomes atribuídos a ele: um nome sistemático, um nome de uma substaÌ‚ncia química, um nome habitual e um comercial. Também é bastante comum a abreviação do nome dos polímeros. Esta abreviação segue normas internacionais, como, por exemplo: a norma ASTM D 4000. 
Portanto, de maneira geral, a nomenclatura de um polímero é derivada do nome do monoÌ‚mero que o originou, e não do nome químico de sua unidade de repetição, juntamente com a palavra poli aÌ€ frente. Por exemplo, o etileno (monoÌ‚mero) dará origem ao poli(etileno) – PE; o cloreto de vinila (monoÌ‚mero) dará origem ao poli(cloreto de vinila) – PVC. 

Quais os tipos de polímeros? 
Existe uma variedade muito grande de classificação dos polímeros, mas de forma geral a indústria de transformação classifica-os subdividindo em treÌ‚s categorias principais: termoplásticos, termofixos ou termoestáveis e elastoÌ‚meros (borrachas). 
A classificação de um polímero em termofixo ou termoplástico determina também qual o pro- cesso mais adequado para moldar o material. Em geral, os materiais termofixos possuem propriedades melhores que os termoplásticos, tais como: maior resisteÌ‚ncia ao calor, menor suscetibilidade aÌ€ flueÌ‚ncia (creep), maior resisteÌ‚ncia química, dentre outras. No entanto, eles normalmente requerem processos de fabricação mais complexos para serem produzidos. 

Termoplásticos 
Os polímeros classificados como termoplásticos são aqueles compostos por moléculas de cadeias longas individuais (lineares ou ramificadas), sem apresentar ligação cruzada entre elas. É por isso que peças produzidas a partir deste material amolecem quando são aquecidas. Este amolecimento é devido ao fato de as ligações secundárias (forças de Van der Walls) que ligam as cadeias umas aÌ€s outras se afastarem (acasionando o amolecimento) e romperem, promovendo a fusão do material, de modo que ele flui como um líquido viscoso, o que permite seu reprocesso. Isto é, os produtos feitos a partir de termoplásticos podem ser granulados e alimentados de volta para a máquina apropriada. Assim, diz-se que um polímero termoplástico pode ser mecanicamente reciclado ou pode passar por um processo de reciclagem primária. O PVC é um dos termoplásticos juntamente com o polietileno e polipropileno. 

Termofixos
Os termofixos, também chamados de termoestáveis, termorrígidos ou termoendurescíveis, são aqueles polímeros que apresentam cadeias ligadas covalentemente (presença de ligações covalentes que ligam as cadeias entre si, as chamadas ligações cruzadas) na forma de uma rede tridimensional infinita. Devido aÌ€ formação desta rede tridimensional, no qual as cadeias estão ligadas fortemente entre si por ligações covalentes (ligação de mesma força que da cadeia principal), os produtos produzidos a partir destes polímeros não amolecem e nem fundem após serem aquecidos. Além disso, o aquecimento excessivo faz com que ele se decomponha. 
Ao se analisar o tipo de ligação que une as cadeias (intra e intermolecular), fica evidente que os termofixos não podem ser reprocessados e realimentados em uma máquina específica de processa- mento. Assim, diz-se que os termofixos são infusíveis e não recicláveis mecanicamente. Porém, eles podem ser reciclados quimicamente e energeticamente. As resinas epóxi e poliésteres são os polímeros termofixos amplamente usados como matrizes na produção de peças reforçadas com fibras, como pranchas de surf, orelhões, skates e outros. 
Um termofixo de uso comum é o cianoacrilato, também conhecido popularmente por super-cola e pelo nome não genérico Super Bonder, é um tipo de adesivo criado acidentalmente em 1942 por Harry Coover durante experiências visando à criação de um polímero transparente. Produtos contendo basicamente cianocrialato são comercializados como colas instantâneas de ampla utilidade, sendo o Super Bonder, da Henkel, um dos pioneiros no Brasil e, portanto, um sinônimo popular para este tipo de produto. O mesmo acontece em Portugal, com a Super Cola 3.

ElastoÌ‚meros 
Os elastoÌ‚meros, popularmente conhecidos como borrachas, são polímeros que apresentem cadeias ligadas na forma de redes tridimensionais mais fracas que os termofixos, isto é, tem-se uma menor densidade de ligações cruzadas, deixando as cadeias mais livres, proporcionando que as estas se estendam quando submetidas a forças de tração e retornem aÌ€s dimensões originais quando essas forças são removidas, isto é, as ligações cruzadas fornecerem a “memória” do material para que ele retorne aÌ€ sua forma original. De forma semelhante aos termofixos, os elastoÌ‚meros (borrachas) não podem ser reprocessados e sua reciclagem mecaÌ‚nica não é possível, podendo ser recicladas quimicamente e energeticamente.
A propriedade predominante dos elastoÌ‚meros é o comportamento elástico após deformação em compressão ou tração. É possível, por exemplo, esticar um elastoÌ‚mero até dez vezes o seu comprimento inicial e, após remoção da tensão aplicada, verificar que ele voltará, sob circunstaÌ‚ncias ideais, aÌ€ forma e ao comprimento originais. 
O perfil das propriedades que pode ser obtido depende fundamentalmente do elastoÌ‚mero escolhido, da formulação do composto utilizado, do processo de produção e da forma e desenho do produto. As propriedades que definem um elastoÌ‚mero só podem ser obtidas usando compostos adequada- mente formulados e após vulcanização subsequente. 
ElastoÌ‚meros, ou borrachas, são classes de materiais que, como os metais, as fibras, as madeiras, os plásticos ou o vidro são imprescindíveis aÌ€ tecnologia moderna. 
Relativamente ao termo borracha, que abrange um grande número de compostos macromoleculares que podem ser reticuláveis para formar estrutu- ras tridimensionais, deve referir-se que é usual dizer-se que “a borracha, matéria-prima, está para os compostos de borracha assim como a farinha está para o pão”, pretendendo-se assim frisar que, apesar de a escolha dos aditivos utilizados e a quantidade usada de cada um deles num composto poderem originar variações consideráveis nas propriedades do produto final, a característica determinante é dada pela borracha utilizada nesse composto. 
O termo “borracha” tinha inicialmente por significado somente borracha natural, e o termo “vulcanização”, somente reticulação com enxofre. Face ao aparecimento de muitas borrachas sintéti- cas e de novos sistemas de reticulação, o alcance daqueles termos foi alargado, para que passem a ser termos genéricos. 
A borracha deve ser predominantemente amorfa aÌ€ temperatura ambiente, para que a flexibilidade da cadeia não seja inibida pela cristalização. Isto conduz aos requisitos adicionais: 

1. A temperatura de transição vítrea, Tg, deve ser inferior a -50 °C; 
2. Deve haver uma interação entre cadeias moleculares, para que não se possam mover de uma forma inteiramente livre e independente. Nas borrachas vulcanizadas, há uma interação adicional devida aÌ€ formação de pontes intermoleculares (ligação química que reduz a mobilidade das cadeias), as quais melhoram a resisteÌ‚ncia aÌ€ tração e a elasticidade; 
    
3. Devem ter uma distribuição do peso molecular tão larga quanto possível, para que possam ser processadas utilizando as máquinas convencionais. 

O PVC

O PVC (poli cloreto de polivinila) é uma combinação química (polimerização) de carbono, hidrogênio e cloro. Os seus componentes provêm do petróleo (43%) e do sal (57%). Obtém-se por polimerização do cloreto de vinila cuja obtenção é realizada a partir do cloro e do etileno. É um material termoplástico, ou seja, sob a ação do calor (140 a 205ºC) amolece, podendo facilmente moldar-se; quando esfria, recupera a consistência inicial conservando a nova forma. Devido a essa característica é possível realizar com ele o processo de extrusão.

O esquema a seguir mostra o processo de fabricação do PVC a partir das matérias-primas utilizadas.

O que é polimerização?

É o nome dado a reação química que dá origem aos polímeros, significa dizer que os monômeros, que são as unidades estruturais, ao se unirem em grande quantidade dão origem a macromoléculas que chamamos de polímeros. A polimerização pode ocorrer de três formas: Polímeros de Adição, Polímeros de Condensação, quando se une os mesmos monômeros ou os Copolímeros, obtidos por adição ou condensação, porém de monômeros diferentes.

O que é extrusão?

Trata-se de um processo mecânico de produção de componentes (neste caso perfis) de forma contínua, onde o material é forçado através de uma matriz, adquirindo assim a forma planejada previamente para a peça. O PVC, por se tratar de um polímero termoplástico, isso é que amolece ao ser aquecido é extrusado pelo método hidrostático fluído a fluído, dando origem a tubo ou perfis.

 

 

Controle de Qualidade

Os produtos fabricados a partir do PVC devem obedecer padrões de qualidade técnica, para manter sua estabilidade e conformidade dimensional. Muito devido a este trabalho se deve a motivação para seu constante crescimento no mercado. Entre as caracteristicas alcançadas pelo PVC, e comuns do material vale mencionar:

- Isolante térmico e elétrico

- Estabilidade dimensional

- Estabilidade de cor

- Resistência aos agentes atmosféricos, biológicos e químicos

- Perante ao fogo é auto-extinguível, e não propaga chamas

- Reciclável a baixo custo

Nenhum outro grupo de materiais se desenvolveu em tão pouco tempo e com tanta força como os materiais plásticos. A indústria da construção civil já não é mais capaz de abrir mão deles, fazendo uso de suas propriedades de isolamento até sua resistência à corrosão, aproveitando o seu peso reduzido, e ainda sua insensibilidade à umidade e durabilidade quase etaerna. Estas duas últimas qualidades são particularmente importantes quando falamos em fachadas (parte externa dos imóveis), propriedade que só é atingida de forma semelhante por outros materiais, quando estes recebem tratamentos eséciais, sejam químicos ou de contato, e é importante lembrar que estes tratamentos (pintura, anodizção...) necessitam de manutenção periódica em mais ou menos tempo.

O PVC ao chegar ao mercado de janelas, trouxe de sua origem suas propriedades já descritas, um diferencial de eficiência à parte mais frágil da construção, o fechamento dos vãos. Sendo assim, ele conquistou mercado mundialmente calçado no fornecimento de qualidade e desempenho superiores com valor compatível aos benefícios.

 

Exemplos de materiais produzidos com PVC:

Móveis, canos, roupas, brinquedos, cartões de crédito, caixa dágua, telhas, material escolar, embalagens, sapatos...

Propriedades físicas do PVC

PVC, PE, PP e PS são plásticos de uso geral. As características do plástico são determinadas pela sua composição química e tipo de estrutura molecular (formação molecular: estrutura cristalina / amorfa)

 

O PVC tem uma estrutura amorfa com átomos de cloro polares na estrutura molecular. Tendo átomos de cloro e a estrutura molecular amorfa são inseparáveis. Embora os plásticos parecerem muito semelhantes no contexto do uso diário, o PVC possui características completamente diferentes em termos de desempenho e funções em comparação com os plásticos que possuem apenas átomos de carbono e hidrogênio em suas estruturas moleculares.

 

Estruturas moleculares dos plásticos comuns

A estabilidade química é uma característica comum entre substâncias que contêm halogênios, como cloro e flúor. Isto aplica-se a resinas de PVC, que, além disso, possuem propriedades retardadoras de fogo, durabilidade e resistência química.

 

Propriedades retardadoras de fogo

O PVC possui inerentemente propriedades superiores de retardamento de fogo devido ao seu teor de cloro, mesmo na ausência de retardadores de fogo. A temperatura de ignição do PVC é alta (455° C), tornando-o um material com menos risco para incidentes de incêndio, uma vez que não é inflamado facilmente.

Temperatura de ignição do PVC

Além disso, o calor liberado na queima é consideravelmente menor com PVC quando comparado com PE e PP por exemplo. O PVC, portanto, contribui muito menos para espalhar o fogo para materiais próximos, mesmo ao queimar.

gráfico de liberação de calor máximo

Portanto, o PVC é muito adequado por razões de segurança em produtos próximos ao cotidiano das pessoas, principalmente na construção civil.

 

gráfico de vida útil/durabilidade do PVC

Durabilidade

Em condições normais de uso, o fator que mais influencia a durabilidade de um material é a resistência à oxidação pelo oxigênio atmosférico. O PVC, com a estrutura molecular onde o átomo de cloro está ligado a todas as outras cadeias de carbono, é altamente resistente às reações oxidativas e mantém seu desempenho por um longo período de tempo. Outros plásticos de uso geral com estruturas constituídas apenas por carbono e hidrogênio são mais suscetíveis à deterioração por oxidação em condições de uso prolongado (como, por exemplo, através de reciclagem repetida). As medições em tubos subterrâneos de PVC de 35 anos de idade, tomadas pela Japan PVC Pipe & Fittings Association, não apresentaram deterioração e tinham mesma força que os novos tubos

A pesquisa na Alemanha (60 Jahre Erfahrungen mit Rohrleitungen aus Weichmachfreiem PVC, 1995, KRV) mostrou que os tubos enterrados no solo desenterrados após 60 anos de uso ativo quando analisados ​​foram comprovadamente adequados e propícios a uma expectativa de vida adicional de 50 anos. Quase nenhuma deterioração foi observada após a recuperação de três tipos de acessórios de automóveis (produtos de PVC flexíveis que utilizam proteção) após 13 anos de uso em comparação de propriedades físicas com novos produtos.

gráfico da propriedades físicas em estudo com peças de automóveis.

 

Resistência a química

O PVC é resistente a ácidos, alcalinos e quase todos inorgânicos. Embora o PVC inche ou se dissolva em hidrocarbonetos aromáticos, cetonas e éteres cíclicos, o PVC é difícil de dissolver em outros solventes orgânicos. Aproveitando esta característica, o PVC é usado em dutos de gases de escape, folhas usadas em construção, garrafas, tubos e mangueiras.

 

Estabilidade mecânica

O PVC é um material quimicamente estável, que mostra pouca mudança na estrutura molecular, e também exibe pouca mudança em sua resistência mecânica. No entanto, os polímeros de cadeia longa são materiais viscoelásticos e podem ser deformados por aplicação contínua da força exterior, mesmo que a força aplicada esteja bem abaixo do seu ponto de cedência. Isso é chamado de deformação de fluência. Embora o PVC seja um material viscoelástico, a sua deformação é muito baixa em comparação com outros plásticos devido ao movimento molecular limitado à temperatura normal, em comparação com o PE e o PP, que apresentam maior movimento molecular em suas seções amorfas.

 

Um estudo europeu sobre tubos de PVC muito antigos - produzido entre os anos 1930 e 1950 - mostrou uma vida útil de 50 anos e excelentes características de durabilidade (T Hulsmann, European Vinyls Corporation e R Novak ALPHACAN Omniplast GmbH). É esperado que os tubos de PVC mais modernos durem significativamente mais - provavelmente até mais que 100 anos.