Plásticos

Os plásticos e os materiais poliméricos Os plásticos têm vindo a substituir os materiais tradicionais em cada vez mais aplicações e, além disso, têm permitido o fabrico de produtos inovadores, devido a um conjunto de propriedades que possuem, tais como: • têm baixa densidade; • são resistentes à corrosão; • são fáceis de colorir; • permitem a integração de vários componentes, permitindo uma maior flexibilidade aos designers; • têm propriedades autolubrificantes importantes, por exemplo, em engrenagens; • são bons isolantes térmicos; • podem ser transformados através de um grande número de processos de fabrico, o que permite obter uma grande variedade de produtos. As matérias-primas para a produção dos plásticos são, essencialmente, o gás natural e o petróleo. O plástico é um material que faz parte de uma família de materiais mais vasta, a dos polímeros. Um polímero é um material cujas moléculas são constituídas por um número muito elevado de átomos (dezenas de milhar) ligados através de ligações covalentes, organizados segundo conjuntos que se repetem. Devido ao seu tamanho, as moléculas são normalmente designadas por macromoléculas ou cadeias. Polímero, monómero e unidade estrutural As macromoléculas de um determinado polímero são caracterizadas por um conjunto de átomos que se repete n vezes para formar a molécula. Esse conjunto de átomos é designado por unidade estrutural, de repetição ou motivo. Os polímeros obtêm-se a partir de reações químicas em cadeia, denominadas reações de polimerização, em que participam espécies de baixa massa molecular. Essas espécies designam-se por monómeros.

O nome do polímero é geralmente dado pelo nome do monómero precedido do prefixo poli-. Grau de polimerização Chama-se grau de polimerização ao número de vezes que a unidade estrutural, ou motivo, se repete na cadeia. Quanto maior o grau de polimerização, maior será o comprimento da macromolécula e maior será a sua massa molecular. Os materiais poliméricos formados por cadeias que possuam um único tipo de unidade estrutural chama-se homopolímeros. Se, por exemplo, A for uma unidade estrutural, a cadeia de um homopolímero será: …AAAAAAAAA… Quando os materiais poliméricos são constituídos por duas ou mais unidades estruturais quimicamente diferentes, chamam-se copolímeros. Considerando B um segundo tipo de unidade estrutural, estas podem aparecer na cadeia de um modo aleatório, alternado ou formando blocos, dando origem a quatro tipos de copolímeros: • copolímero aleatório: … A B B A B B B A B A B … • copolímero alternado: … A B A B A B A B A B … • copolímero de blocos: … A A A B B B A A A … • copolímero de inserção (ou enxertado): …A A A A A A A… BB BB BB Polímeros sintéticos e a indústria de polímeros Reações de polimerização A polimerização é o processo pelo qual os monómeros se unem, originando polímeros. Há dois tipos de polimerização: por adição e por condensação.

Polimerização por adição Na polimerização por adição, as moléculas dos monómeros são todas iguais e têm ligações duplas ou triplas: são moléculas insaturadas. Os monómeros são adicionados, um a um, à cadeia polimérica. Na reação de polimerização por adição podem considerar-se três etapas: iniciação, propagação e finalização. Polimerização por adição Na etapa de iniciação, intervém um iniciador. O processo é iniciado por um catalisador, que induz a formação de uma espécie química reativa. O iniciador, que pode ser um radical livre, une-se ao monómero, originando a quebra de ligações. Na etapa de propagação ocorre o crescimento da cadeia polimérica por adição sucessiva das unidades do monómero. A espécie reativa atua sobre a ligação dupla do monómero, formando uma espécie reativa mais longa. A cadeia vai, assim, crescendo. Na polimerização por adição, as cadeias poliméricas continuam a crescer espontaneamente porque a energia do sistema químico vai diminuindo, isto é, a soma das energias das cadeias dos polímeros produzidos é inferior à soma das energias dos monómeros que as produzem. A finalização ocorre através da adição de um terminador, que se une à cadeia em formação, ou quando duas cadeias se combinam. Polimerização por condensação Uma reação de condensação consiste na união de duas moléculas grandes, idênticas ou não, com eliminação de uma molécula pequena, normalmente de água, H2O, ou de cloreto de hidrogénio, HCℓ. A–OH + H–B → A–B + H2O

Na polimerização por condensação tem lugar uma reação de condensação entre dois monómeros diferentes. H–X–H + HO–Y–OH + H–X–H + HO–Y–OH → H–X–Y–X–Y–OH + 3 H2O A cadeia desenvolve-se por blocos e não por adições unitárias. As cadeias que se vão formando podem reagir umas com as outras para formar outras cadeias mais longas. São exemplos de polímeros de condensação: • a celulose, as proteínas e o ADN – polímeros naturais; • os poliésteres e as poliamidas – polímeros sintéticos. Famílias de polímeros De acordo com as características da unidade estrutural que os constitui, os polímeros podem ser agrupados em poliolefinas, poliacrílicos, poliuretanos, poliésteres e poliamidas. As poliolefinas são polímeros que têm apenas átomos de carbono e hidrogénio nas suas macromoléculas. Os mais importantes são o polietileno e o polipropileno. O poliacrílico mais conhecido, vulgarmente designado acrílico, é o PMMA – poli(metacrilato de metilo) –, obtido a partir da polimerização do metacrilato de metilo. Poli(metacrilato de metilo) Os poliuretanos, designados genericamente por PU, são caracterizados por possuírem grupos uretano na unidade estrutural, que resultam da reação entre álcoois e isocianatos. Poliuretano Os poliésteres, que podem ser utilizados como fibras sintéticas para substituir o algodão e a lã, são formados a partir da condensação de diácidos e diálcoois. Poliéster As poliamidas, ou nylon, incorporam na sua cadeia a função amida.

Poliamida Existem diversos tipos de nylon com unidades estruturais diferentes, mas todos têm em comum a função amida. Os nylon podem obter-se por reações de polimerização por condensação, fazendo reagir uma diamida com um diácido carboxílico, com eliminação de água. Propriedades dos polímeros As propriedades dos polímeros dependem: • da constituição da unidade estrutural, ou seja, do tipo de átomos que a constituem e das ligações entre eles; • do tamanho das cadeias; • das ramificações das cadeias; • do tipo de ligações que se estabelecem entre as cadeias. Constituição da unidade estrutural É o fator principal de que dependem as propriedades de um polímero. A existência de átomos de oxigénio e nitrogénio num polímero promove uma ligação mais forte entre as cadeias. É por isso que a poliamida, por exemplo, apresenta uma rigidez superior à do polietileno, que tem apenas átomos de carbono e hidrogénio na sua constituição. Tamanho das cadeias Algumas propriedades dos polímeros dependem do tamanho das cadeias poliméricas. Por exemplo, a temperatura de fusão de um polímero é tanto mais elevada quanto maior o tamanho da cadeia. Ramificações das cadeias A estrutura de uma cadeia polimérica assume um papel determinante para as propriedades físicas dos polímeros.

As cadeias poliméricas podem ser: • lineares; • ramificadas. Ramificações da cadeia Um polímero com cadeias sem ramificações é mais resistente à tração, é mais denso e tem uma temperatura de fusão maior do que a do polímero com cadeias ramificadas. Ligações entre as cadeias Podem estabelecer-se ligações covalentes entre diferentes cadeias poliméricas, quer estas sejam lineares quer sejam ramificadas. Este processo, denominado reticulação, conduz a um aumento da rigidez da estrutura, tornando-se o polímero mais duro e frágil. Após a sua síntese, é necessário adicionar aos polímeros diversos aditivos, tais como estabilizadores, plastificantes, fibras, corantes, etc., para facilitar o processamento e melhorar o desempenho dos produtos finais. Classificação dos polímeros Os polímeros podem ser classificados quanto à origem, podendo ser ainda classificados quanto às propriedades físicas que evidenciam. Origem Os polímeros podem ser classificados quanto à origem em polímeros naturais, artificiais e sintéticos. Deformabilidade Considerando a deformabilidade, os polímeros dividem-se em elastómeros, plásticos e fibras. Classificação dos polímeros Os elastómeros são polímeros muito deformáveis que depois de deformados por ação de uma força voltam à sua forma original.

A borracha é um elastómero Os plásticos quando são deformados mantêm a forma recém-adquirida, experimentando uma deformação permanente (ou plástica). O polietileno e um plástico. As fibras são resistentes e não se deformam com facilidade, podendo ser usadas para fabricar têxteis. O nylon é uma fibra. Comportamento quando sujeitos a aquecimento Os plásticos podem classificar-se em termoplásticos e termoendurecíveis (ou termofixos), de acordo com o comportamento que apresentam quando são sujeitos a aquecimento. A maior parte dos termoplásticos são moldáveis de forma reversível por ação do calor. São constituídos por cadeias muito longas de átomos de carbono ligados de modo covalente; a cadeia principal pode conter átomos de nitrogénio, oxigénio ou enxofre. As cadeias moleculares longas dos termoplásticos estão ligadas entre si por forças de Van der Waals e por ligações de hidrogénio (ligações fracas). Durante a enformação, estas ligações fracas são destruídas por aquecimento, passando o plástico ao estado fundido. Nos termoplásticos o estado sólido é restabelecido por arrefecimento. Como não há quebra de ligações covalentes, mas apenas de ligações fracas entre as cadeias, este processo de enformação pode ser repetido várias vezes, o que torna estes materiais recicláveis. Os termoendurecíveis são amorfos, não fundem, sendo moldáveis de forma irreversível por ação do calor.

Durante a enformação há formação de ligações covalentes entre as cadeias, obtendo- se uma estrutura reticulada difícil de quebrar. Os plásticos termoendurecíveis são rígidos e quando aquecidos acima de determinada temperatura decompõem-se, ou carbonizam. Por esta razão, não são recicláveis. Os elastómeros possuem uma estrutura na qual as macromoléculas estão ligadas por reticulações (ligações fortes), tal como sucede nos plásticos termoendurecíveis. Tal como acontece com os plásticos termoendurecíveis, as reticulações dos elastómeros formam-se depois da enformação do produto, o que impede a sua reciclagem. termoplásticos elastómeros termoendurecíveis Reciclagem dos plásticos Quando devidamente recolhidos e processados, os plásticos podem ser tratados de acordo com a sua especificidade, resultando daí ganhos ambientais, económicos e sociais. Para que a reciclagem dos lixos plásticos seja eficaz, é necessário que estes sejam recolhidos e colocados em contentores adequados. As principais vantagens da reciclagem do plástico são a poupança de matérias-primas não renováveis e a diminuição de resíduos urbanos. A diminuição destes resíduos evita a respetiva incineração ou que sejam guardados em aterros, necessários para outro tipo de materiais não recicláveis. A reciclagem, a nível energético: • reduz o consumo de petróleo; • reduz o consumo de energia; • evita o abate de árvores; • reduz o consumo de água.

Os plásticos como substituintes do vidro Nos últimos anos, o plástico tem vindo a substituir o vidro em vários sectores, como, por exemplo, em embalagens e em material corrente na área da saúde. Os materiais sintéticos poliméricos, como o policarbonato e o acrílico (polimetacrilato de metilo), por terem índices de refração semelhantes ao do vidro podem substituí-lo em janelas. Possuem uma grande resistência e são muito mais leves do que o vidro, mas apresentam os inconvenientes de terem menor resistência à abrasão e de serem «atacados» por alguns agentes químicos. As garrafas de vidro têm sido substituídas pelas garrafas de plástico, principalmente pelas de PET. Novos materiais No século XXI continua a busca por novos materiais. A designação de novos materiais refere-se não só a materiais descobertos recentemente, como também a outros que resultam da transformação de materiais antigos em novos produtos, por manipulação física e química. Biomateriais Biomateriais são materiais utilizados em aplicações biomédicas que interagem com os sistemas biológicos, podendo ser usados para os tratar ou mesmo para os substituir. Há biomateriais metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos. Os biomateriais são aplicados em várias áreas da medicina, como a cardiologia, a oftalmologia e a ortopedia. Uma característica essencial destes materiais, que podem ter origem natural ou não, é, portanto, a elevada compatibilidade com as estruturas biológicas. O objetivo dos investigadores é encontrar soluções de qualidade e de baixo custo para produzir esses materiais. Quando se investigam novos materiais são feitas análises físicas e químicas para testar as suas propriedades, tais como a resistência mecânica. Para verificar a toxicidade do material é feito um teste que permite identificar se há efeitos sobre a proliferação de células animais.

Materiais compósitos Um compósito é um material heterogéneo formado por dois ou mais componentes distintos macroscopicamente, com propriedades mecânicas e físicas diferentes. A fibra de carbono e a fibra de vidro são exemplos de compósitos. Os compósitos representam uma classe de materiais diversificada e da qual muito se espera para a resolução quer de problemas complexos relacionados com as tecnologias de ponta dos domínios aeroespacial, militar, desportivo e biomédico, quer de outros relacionados com a tecnologia das indústrias de transportes (automóvel, aviação civil e ferroviária), de componentes elétricos e eletrónicos e de máquinas - ferramentas. Na maioria dos materiais compósitos existe uma fase contínua, a matriz, que por incorporação do elemento reforçador (material de reforço ou de enchimento) melhora as suas propriedades, tornando-se mais resistente. Geralmente, os componentes não se dissolvem uns nos outros e podem ser facilmente identificados pelas interfaces que os separam. Matriz Material de reforço Os diferentes compósitos existentes dependem da matriz que os constitui: • compósitos de matriz polimérica; • compósitos de matriz metálica; • compósitos de matriz cerâmica. Compósitos de matriz polimérica Os materiais mais utilizados como matriz são os polímeros, pois podem ser processados a temperaturas e pressões relativamente baixas. Nos compósitos de matriz polimérica, a rigidez do elemento de reforço é muitíssimo maior do que o da matriz. Os compósitos de matriz polimérica podem ter: • matriz termoendurecível; • matriz termoplástica. Dois compósitos de matriz termoendurecível que se destacam pelas suas aplicações em engenharia são constituídos por fibras de vidro numa matriz de poliéster ou numa resina epoxídica e por fibras de carbono numa matriz de resina epoxídica. As aplicações mais importantes dos compósitos de matriz polimérica destes materiais são: quadros de bicicletas, tacos de golfe, raquetas de ténis, canas de pesca, veios de transmissão, carros de competição, pranchas de surf, barcos de recreio, etc.

Os compósitos de matriz termoplástica utilizam como matéria-prima polímeros termoplásticos como a poliamida (PA) e o polipropileno (PP). O reforço é normalmente constituído por fibras curtas, sendo as de vidro as mais utilizadas. Compósitos de matriz metálica Os materiais compósitos de matriz metálica, designados internacionalmente por MMC, têm sido investigados durante os últimos anos de modo a obter uma elevada razão resistência/peso. Estes compósitos combinam, geralmente, uma matriz metálica e um reforço cerâmico. As diferentes morfologias do elemento de reforço cerâmico e a sua organização espacial originam a seguinte classificação: • metais reforçados com partículas (PRM); • metais reforçados com fibras curtas (SFRM); • metais reforçados com fibras contínuas (CFRM); • metais reforçados com monofilamentos (MRM). Compósitos de matriz cerâmica Os compósitos de matriz cerâmica (CMC) têm uma proporção considerável (> 5 %) de uma fase química ou fisicamente distinta dispersa numa matriz contínua. Nestes compósitos a matriz é, por definição, um material cerâmico, normalmente um material cerâmico «avançado» ou «técnico», ou seja, fabricado por processos complexos a partir de matérias-primas de elevada pureza com características mecânicas, térmicas, elétricas ou de resistência química muito superiores aos materiais cerâmicos tradicionais. Os CMC são materiais leves, rígidos e mecanicamente resistentes, ideais para aplicações nos setores aeronáutico, aeroespacial, automóvel, da construção civil, do desporto e da produção de energia. Nanomateriais Os nanomateriais são materiais cujos principais constituintes têm dimensões entre 1 e 100 nm (1 nm = 10−9m). São utilizados em centenas de aplicações e produtos de consumo, tais como baterias, vestuário, tintas, vernizes, etc. A nanotecnologia consiste na manipulação da matéria à escala atómica, com o objetivo de desenvolver novos materiais com características diferentes dos materiais comuns. A nanotecnologia está associada a diversas áreas tais como: a eletrónica, a química, a física, a biologia, a medicina e a engenharia de materiais, entre outras. Têm sido desenvolvidos no nosso país muitos trabalhos de investigação nesta área, sendo de referir, pelo seu pioneirismo, a «eletrónica transparente» – que permitirá, num futuro próximo, incorporar dispositivos eletrónicos em materiais têxteis. Materiais de base sustentável O conceito de desenvolvimento sustentável implica a preservação do meio ambiente e a utilização inteligente dos recursos, de modo a não comprometer a qualidade de vida das gerações futuras.

Os materiais de base sustentável contribuem para esse desenvolvimento sustentável, uma vez que são renováveis, biodegradáveis e/ou recicláveis. Poucos polímeros são biodegradáveis, isto é, degradáveis por ação de microrganismos naturais, como as bactérias e os fungos. No sentido de modificar este cenário, muita investigação centra-se, hoje em dia, na obtenção de polímeros biodegradáveis que sejam produzidos por fontes naturais renováveis (ou por síntese química a partir dessas fontes) — também chamados biopolímeros. Um exemplo de polímeros biodegradáveis obtidos por síntese química são os poliésteres alifáticos, os quais se obtêm através da reação de policondensação de glicol e ácidos carboxílicos alifáticos. Um outro tipo de polímero biodegradável é o copolímero de poliéster alifático e aromático. Este copolímero combina as propriedades do poliéster aromático com a biodegradabilidade dos poliésteres alifáticos. Também se obtêm polímeros biodegradáveis através da adição de polímeros naturais biodegradáveis aos polímeros derivados do petróleo. Um exemplo são as misturas de amido com plásticos, como, por exemplo, o polietileno.