Polímeros: Saiba tudo sobre esses Materiais.

Publicado por Materiais Júnior em fevereiro 9, 2022fevereiro 9, 2022

A importância dos polímeros nas nossas vidas é evidente quando observamos suas aplicações em todos os setores da indústria e em áreas totalmente diversas, mas muito presentes no nosso cotidiano. Mas o que são os polímeros? Quais as suas aplicações e por que são tão utilizados assim?

Nesta seção você vai saber como os polímeros são obtidos através da polimerização, sua fabricação e quais são os principais representantes de cada classe. Vai conhecer também a diversidade de polímeros existentes atualmente e suas principais propriedades químicas e físicas.

O que são polímeros?

A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetição ou partes). Dessa forma, um polímero é uma macromolécula composta por milhares de unidades de repetição. Essas unidades são os meros e fazem ligação covalente entre si. O monômero (uma molécula com uma unidade de repetição) é a matéria-prima para a produção de um polímero. Os polímeros são, na maioria das vezes, partes de um composto orgânico, com alta massa molar (mais de dez mil chegando até dez milhões).

Os polímeros não foram inventados pelo homem, há muito tempo já existiam essas macromoléculas presentes na natureza e na vida da humanidade, como a lã, o couro, a madeira, entre outros exemplos. Contudo, com o avanço da ciência e tecnologia, tem-se os polímeros artificiais ou sintéticos. Com isso, tem-se uma primeira divisão desse material em dois grupos classificados quanto a sua ocorrência, sendo eles os polímeros naturais e os polímeros sintéticos.

Polímeros Naturais

Os polímeros naturais são aqueles encontrados na natureza (que derivam de animais e plantas) e também são chamados de biopolímeros. São grandes exemplos dessa classe: as proteínas, os polissacarídeos (amidos, celulose e glicogênio), a borracha (extraída da seringueira – látex), entre outros. São úteis na fabricação de diversos materiais como papel e pneus, além das proteínas e polissacarídeos estarem presentes nos alimentos que ingerimos e serem fundamentais para o corpo humano.

Polímeros Sintéticos ou Artificiais

Esses polímeros são produzidos em laboratório e surgiram da necessidade de imitar os polímeros naturais. São produzidos através da síntese: processo que surgiu na segunda metade do século XIX, após a descoberta da Química Orgânica, e por envolver reações químicas em laboratório, requer tecnologia sofisticada.

São alguns exemplos: o polietileno (PEAD ou PEBD), que é o polímero de maior aplicação comercial, o polipropileno (PP), o poliestireno (PS), o policloreto de vinila (PVC), o teflon (PTFE), entre outros.

Como os polímeros são produzidos?

Os polímeros são produzidos por um processo químico conhecido por polimerização, sendo a reação que une quimicamente as moléculas de monômero, dando origem às macromoléculas. A polimerização pode ser realizada por:

• Adição: Os polímeros feitos por essas reações constituem o principal processo de produção de plástico. São os polímeros obtidos pela adição sucessiva de monômeros. Nas reações por adição, podem ser gerados dois tipos de polímeros: os homopolímeros, que é quando os meros são iguais, e os copolímeros, quando os meros são diferentes. Como exemplo desse tipo de polimerização tem-se o polietileno (polímero), que é produzido a partir da polimerização do etileno (monômero), os polissacarídeos, formados por monômeros de monossacarídeos e as proteínas, formadas por monômeros de aminoácidos.
• Condensação: também são chamados de polímeros de eliminação. São aqueles cujos seus monômeros, que podem ser iguais ou diferentes, juntam-se e simultaneamente ocorre a eliminação de moléculas de água ou outras pequenas moléculas de compostos que não farão parte do polímero, como cloreto de hidrogênio (HCl), amônia (NH3) e o cianeto de hidrogênio (HCN). Como exemplos desses polímeros tem-se baquelite, poliéster e nylon.
• Rearranjo: As reações de rearranjo são caracterizadas pela mudança da posição dos átomos na mesma molécula. São polímeros que seu(s) monômero(s) sofrem rearranjos em suas estruturas químicas conforme ocorre a polimerização. O mais importante desses polímeros é o poliuretano.

Ou seja, os polímeros são produzidos por um mesmo processo, porém cada um com suas especificidades. 

Além disso, a principal matéria prima para a produção dos polímeros é o petróleo, porém, por ser uma fonte esgotável, também são usados o gás natural e outras fontes renováveis, como o etanol (álcool etílico).

A cadeia Petroquímica e o Plástico

Essa produção está representada esquematicamente na imagem abaixo:

A cadeia petroquímica e o plástico. Disponível em: https://www.broliato.com/br/faq/9/como-funciona-a-cadeia-petroquimica

Após a extração do petróleo, tem-se a etapa de refinamento na qual são divididos os subprodutos desse recurso natural como mostrado acima. Em seguida, inicia-se o processo na cadeia da atividade petroquímica, separado em gerações (ou estágios). A primeira geração fornece os produtos petroquímicos básicos, como o eteno, propeno, butadieno, entre outros, que são os monômeros usados na polimerização citados anteriormente, por meio do craqueamento, no qual as moléculas são quebradas por aquecimento a altas temperaturas, transformando frações de cadeias carbônicas maiores em frações com cadeias carbônicas menores. A segunda geração transforma os petroquímicos básicos nos petroquímicos finais, como polietileno (PE), polipropileno (PP), polivinil cloreto (PVC), poliésteres, óxido de etileno etc, os quais são os polímeros gerados pela polimerização. A terceira geração é onde os produtos finais são quimicamente modificados ou conformados em produtos de consumo, ou seja, como de fato encontramos os produtos à venda. Além disso, a indústria do plástico é o setor que movimenta a maior quantidade de produtos fabricados com materiais petroquímicos.

Na figura abaixo é mostrado o esquema de quais insumos são gerados pelo petróleo e gás natural separadamente para a produção dos polímeros.

Figura 2: Fluxograma esquemático de insumos petroquímicos: a) obtidos a partir do petróleo; b) obtidos a partir do gás natural. Fonte: Antunes (2007, p. 94)

Principais formas de fabricação dos polímeros

Cada material tem sua forma de ser fabricado, dependendo do tipo de polímero, formato, tamanho, complexidade, etc. Para que seja possível a transformação da resina polimérica nos produtos finais, é necessário realizar o seu processamento de acordo com suas necessidades.

O processamento dos polímeros exige muito conhecimento da matéria prima e suas características, pois é necessário que o procedimento ocorra em altas temperaturas para que o polímero seja fundido. Além disso, a forma de processamento está diretamente relacionada com o que se é esperado obter no produto final.

Os processos de fabricação mais utilizados na produção de transformados plásticos são a extrusão e a moldagem por injeção. Porém, também podem ser fabricados a partir da termoformagem, por compressão, sopro ou rotomoldagem.

Para saber mais sobre o assunto, acesse nosso conteúdo sobre o Processamento de Polímeros.

Quais são as classes e seus representantes?

Os polímeros possuem diversas classes de acordo com alguma propriedade ou característica, como citado no início, uma delas é dividida entre naturais e sintéticos. Porém, também podem ser classificados conforme sua reação ao calor e por possuírem propriedades distintas devido às suas interações moleculares, os quais se dividem em termoplásticos, termofixos e elastômeros.

Os termoplásticos amolecem quando são aquecidos, processo que pode ser reversível. Em geral são bastante macios e flexíveis, apresentando um comportamento quando submetidos a uma tensão de tração semelhante ao dos metais. São exemplos dessa classe: polietileno (PE), poliestireno (PS), PET e cloreto de polivinila (PVC).

Os termofixos apresentam grande número de ligações cruzadas, o que faz com que eles não amoleçam quando aquecidos. São, em geral, mais duros, rígidos e resistentes quando comparados aos termoplásticos. Borrachas vulcanizadas, epóxis e resinas fenólicas compõem esse grupo.

Os elastômeros, classe das borrachas, apresentam um baixo módulo de elasticidade, o que permite que eles apresentem altas taxas de deformação a baixos valores de tensão. Esses materiais são amorfos, ou seja, sua estrutura não é ordenada e a rotação de suas ligações é facilitada. Um processo que altera as propriedades dos elastômeros é a vulcanização (adição de átomos de enxofre), o qual aumenta a resistência à tração, dureza e o módulo de elasticidade.

Todavia, ainda existem outras classificações dos polímeros, por exemplo, quanto ao seu comportamento mecânico, na qual podem ser classificados entre elastômeros, plásticos ou fibras. Sendo os elastômeros já citados anteriormente, os plásticos divididos em termoplásticos e termofixos (ou termorrígidos) e fibras, as quais podem ser naturais ou sintéticas. Sua  produção artificial é realizada pela transformação química de matérias-primas naturais. E as fibras naturais podem ser de origem vegetal, de caules, sementes, folhas e frutos, como o algodão e o linho; de origem animal, como as sedas do bicho-da-seda ou mineral como do basalto. As fibras sintéticas são representadas pela poliamida, o acrílico, o poliéster, as aramidas e o polipropileno.

Principais propriedades dos polímeros

De forma geral, os polímeros são resistentes à ruptura e desgastes, possuem elevada processabilidade, ou seja, são facilmente moldáveis para que se obtenha a forma necessária ou desejada, não são atacados por ácidos, bases ou agentes atmosféricos, podem ser altamente elásticos, são mais leves que os materiais metálicos e vidros (são de baixa densidade (em geral entre 0,9 g/cm³ e 1,5 g/cm³)), possuem baixo atrito, alta resistência elétrica, além de terem menores custos de material e processamento e ser possível fabricá-los de diversos tamanhos, formas e cores. Quanto à temperatura, reagem de forma variável dependendo de suas especificações.

Vale destacar que a temperatura desempenha um papel fundamental no comportamento dos materiais poliméricos. À medida que a temperatura varia, o polímero tem sua viscosidade modificada, a qual altera sua deformação e suas propriedades.

Além disso, a presença de aditivos na composição também alteram as propriedades dos polímeros, tais como estabilizantes, corantes, retardantes de chama, cargas e plastificantes. O processo de conformação desses materiais também pode ser impactante nas suas propriedades. Na indústria dos polímeros, os métodos mais utilizados são injeção, extrusão e moldagem por sopro, como já citado anteriormente.

Principais Aplicações

Os polímeros sintéticos ficaram popularmente conhecidos como plásticos e revolucionaram o século XX. A partir deles é possível fabricar objetos de maneira muito diversa, como sacolas plásticas, canos hidráulicos, para-choques de automóveis, materiais para construção civil, panelas antiaderentes, teflon, mantas, colas, isopor, tintas, pneus, embalagens plásticas, silicone, sendo esses apenas alguns exemplos.

Por terem uma gama variada em suas propriedades, os polímeros podem ter aplicações diversificadas, como essas citadas, de acordo com as características de cada um deles.

Polietileno (PE) – o rígido é muito usado na fabricação de recipientes, baldes e garrafas, enquanto o flexível é usado para produzir sacolas plásticas e embalagens para alimentos.

Polipropileno (PP)– Utilizado na confecção de capas, cordas, tubos, equipamentos médicos, além de peças com dobradiças, autopeças, embalagens no geral, fibras e monofilamentos.

Poliestirenos (PS) – Utilizado na produção de objetos que devem ser moldados, como copos, pratos e talheres descartáveis, brinquedos, produtos para escritório, entre outros. Também pode ser usado na área de iluminação, pois possui elevado índice de refração. Além disso, o poliestireno pode ser expandido, dando origem ao EPS (isopor), usado em isolamento acústico e térmico para construção civil, geladeiras portáteis, boias, lajes e bandejas descartáveis.

Policloreto de Vinila (PVC) – sua principal aplicação é em tubos para encanamento de água e esgoto, mas também é utilizado para embalagens de alimentos, cosméticos e medicamentos, conduítes, em mangueiras no geral, bolsas, toalhas, couros artificiais, entre outras mais variadas aplicações.

Polimetacrilato de Metila (PMMA) – Usualmente chamado de “acrílico”, é muito utilizado em anúncios luminosos, telhas transparentes, lustres, óculos, lanternas de automóveis, luzes de estacionamento, objetos transparentes, olhos artificiais, lentes de contato, dentaduras/próteses, peças decorativas e até em algumas tintas como impermeabilizante e para dar brilho à superfície.

Polietileno tereftalato (PET) – Usados em fios para tecelagem, fitas magnéticas, capas de chuva, filmes para radiografias, laminados para impressão, como fibra têxtil, embalagens para cozimento de alimentos, garrafas para bebidas carbonatadas, varas e linhas de pesca, frascos para alimentos, cosméticos e produtos de limpeza. 

Teflon (PTFE) – Muito usado em revestimento de panelas, mangueiras, cabos e até aeronaves, como mancais, isolante elétrico (em aparelhos eletrônicos), coletes à prova de balas e próteses odontológicas.

Poliamidas (PA) – Sua aplicação pode ser em indústria alimentícia, automobilística, eletroeletrônica, têxtil, eletrodomésticos e química, como confecção de roupas, cordas, engrenagens e até paraquedas.

Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) – Utilizado em autopeças, eletroeletrônicos e eletrodomésticos, como capacetes, impressoras, ar-condicionado, painéis de controle da linha branca, computadores, aspirador de pó, entre outros.

Acrilonitrila (SAN) – Utilizado em eletrodomésticos nos utensílios de cozinha, como tigelas para batedeiras e processadores, copos de liquidificador, embalagens para cosméticos, divisores de prateleiras e em alguns tipos de autopeças.

Esses são alguns dos principais polímeros utilizados e como são aplicados na indústria, contudo, existem muitos outros presentes nos materiais que conhecemos. De forma geral e mais simplificada, os polímeros se apresentam como:

• REVESTIMENTOS – Tintas, vernizes, gomas-lacas e látex são utilizados para revestir superfícies, com o intuito de proteger o item de deterioração, proporcionar isolamento elétrico, além de melhorar a aparência.
• ADESIVOS – Caracterizada por mecanismos mecânicos e químicos, a adesão é a união de dois materiais. Silicones, epóxis e acrílicos são os principais materiais poliméricos utilizados para cumprir essa função.
• FILMES – Muito presentes em nosso cotidiano, em sacos de embalagens e produtos têxteis, filmes finos são feitos a partir de polímeros como polietileno, polipropileno, celofane e acetato de celulose. É importante que o material seja leve, flexível, resistente à tração e ao rasgo, além de resistente ao ataque por umidade e baixa permeabilidade a alguns gases, como vapor d’água. Inclusive, o desenvolvimento de filmes biodegradáveis a partir de polímeros naturais é uma área de pesquisa muito importante devido às questões ambientais. 
• ESPUMAS – Poliuretano, poliestireno e PVC são geralmente empregados para estofamentos e isolamento termo acústico.

As diversas aplicações dos polímeros são graças a versatilidade desse material, como foi citado de acordo com suas propriedades e características, deixando evidente a importância do estudo dos polímeros, pois a variedade de objetos a que temos acesso hoje se deve à existência de polímeros sintéticos e a constante evolução da pesquisa na área desse material.

Polímeros biodegradáveis

Esse mesmo material polimérico com todas essas vantagens representa, aproximadamente, 150 milhões de toneladas de resíduos não biodegradáveis a cada ano, o que é muito prejudicial. Com isso, tem-se a necessidade de polímeros que reduzam essas desvantagens, sendo eles, os polímeros biodegradáveis.

Os polímeros biodegradáveis são aqueles que ao término de seu ciclo de vida sofrem processo de compostagem em até 180 dias. São materiais que se degradam em dióxido de carbono, água e biomassa, como resultado da ação de organismos vivos (bactérias, fungos ou algas) ou enzimas, associada a uma alteração significativa da estrutura química do material, sob condições  específicas de calor, umidade, luz, oxigênio e nutrientes orgânicos.

Esse material biodegradável pode ser natural ou sintético e pode derivar de fonte renovável, como o amido; de origem microbiana, como o Polihidroxialcanoato (PHA); de origem biotecnológica, como Poli(ácido lático) (PLA) ou de origem petroquímica, como o Policaprolactona (PCL).

Os polímeros biodegradáveis são usados para produção de embalagens de alimentos, impressões dentárias, sacolas, talas ortopédicas, adesivos, produtos para a agricultura e produtos de consumo, entre outros. E através do processo de biodegradação, eles evitam o acúmulo de lixo e por conseguinte de poluição, encaixando-se no conceito de sustentabilidade.

Dessa forma, a versatilidade do plástico, tanto do ponto de vista de suas variadas aplicações, quanto pela diversidade de matérias-primas, possibilita sua adaptação para a saúde do meio ambiente. Para isso é fundamental que se trabalhe a viabilidade econômica dessas matérias-primas, principalmente dos materiais reciclados, para que os polímeros retornem à cadeia produtiva e otimizem a utilização de recursos naturais e eficiência energética.

Agora que você chegou até aqui, que tal ler esse texto do nosso blog sobre Ensaios em Materiais?

Quer saber como a Engenharia de Materiais pode impulsionar seu negócio? Entre em contato conosco e agende um diagnóstico gratuito!