Autoria: Monique Guhur
Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente. Se somente uma espécie de monômero está presente na estrutura do polímero, este é chamado de homopolímero. Se espécies diferentes de monômeros são empregadas, o polímero recebe a denominação de copolímero.
Polímeros biológicos fundamentam a existência da vida, e existem desde o surgimento da primeira célula na superfície da terra. Os polímeros naturais têm sido empregados pelo homem desde os mais remotos tempos: asfalto era utilizado em tempos pré-bíblicos; âmbar já era conhecido pelos gregos e a goma pelos romanos. Os polímeros sintéticos, porém, somente surgiram no último século.
Um grande marco na história da indústria de plásticos foi a descoberta do processo de vulcanização da borracha em 1839 (a partir do látex, um polímero natural, que já era largamente empregado) pela Goodyear. O próximo grande passo foi a nitração da celulose, resultando na nitrocelulose, produto comercializado primeiramente por Hyatt, em 1870. De seu produto foi obtido o celulóide, alavancando a indústria cinematográfica. Em 1865 foi descoberto o processo de acetilação da celulose, resultando em produtos comerciais de grande uso no início deste século, como fibras de rayon, celofane, entre outros. Entretanto, o primeiro polímero puramente sintético somente surgiu em 1907; resinas de fenol-formaldeído foram produzidas por Baekeland – entre elas, o primeiro polímero sintético de uso comercial: o “Bakelite”. Desde então, a indústria e o uso de polímeros não para de crescer.
Hoje, mesmo roupas e demais vestimentas são feitas com fibras poliméricas sintéticas. Roupas especiais, como o uniforme de astronautas, vestes dos corredores de fórmula 1, e roupas de mergulho submarino também são produzidas com polímeros especiais, que possuem as propriedades desejadas, em cada caso.
Estrutura Molecular dos Polímeros
Dependendo da natureza química dos monômeros e da técnica empregada para a polimerização, os polímeros podem exibir diferentes tipos de arquiteturas. Os mais comuns são os de estrutura linear, ramificada ou em rede. A primeira figura, ilustra o polietileno de alta densidade (HDPE): uma molécula de cadeia longa elinear, feita pela polimerização do etileno, um composto cuja fórmula estrutural é CH2=CH2.
A indústria também produz uma outra variedade de polietileno, que possui cadeias ramificadas. Este é conhecido como polietileno de baixa densidade (LDPE), e esta ilustrado na figura abaixo. O impedimento espacial provocado pelas ramificações dificulta um “empilhamento” das cadeias poliméricas. Por esta razão, as forças intermoleculares que mantém as cadeias poliméricas unidas tendem a ser mais fracas em polímeros ramificados. Por isso o LDPE é bastante flexível e pode ser utilizado como filme plástico para embalagens, enquanto que o HDPE é bastante duro e resistente, sendo utilizado em garrafas, brinquedos, etc..
A figura seguinte mostra um polímero cujas cadeias estão entrelaçadas numa complexa rede de ligações covalentes. O exemplo da figura é a resina fenolformaldeído, onde moléculas de fenol são unidas pelo formaldeído.
Alguns polímeros foram verdadeiros salva-vidas. A polimerização do N-vinilpirrolidona foi recebida com grande ímpeto durante a Segunda Guerra Mundial, quando os alemães usaram soluções salinas do polímero como um substituto do plasma sangüíneo nos soldados feridos de suas tropas. O PVP – poli(vinilpirrolidona), possui um baixo grau de toxidade e tem sido utilizado também em cosméticos, adesivos, indústria têxtil, lentes de contato, e numa variedade de fármacos, incluindo a manufaturação de materiais micro-encapsulados. Um complexo de PVP com iodeto é um dos anti-sépticos mais utilizados.
Ano de introdução de alguns polímeros no mercado
1930
Borracha estireno-butadieno
1943
Silicones
1936
Poli(cloreto de vinila) (PVC)
1944
Poli(etileno teraftalato)
1936
Policloropreno (neopreno)
1947
Epóxis
1936
Poli(metil metacrilato)
1948
Resinas ABS
1936
Poli(acetado de vinila)
1955
Polietileno linear
1937
Poliestireno
1956
Poli(oximetileno)
1939
Nylon 66
1957
Polipropileno
1941
Poli(tetrafluoroetileno) (teflon)
1957
Policarbonato
1942
Poliesteres insaturados
1964
Resinas ionoméricas
1943
Polietileno ramificado
1965
Poli(imidas)
1943
Borracha butilada
1970
Elastômeros termoplásticos
1943
Nylon 6
1974
Poliamidas aromáticas
Os polímeros são produzidos sinteticamente através da reação de polimerização de seus monômeros. Um dos métodos mais utilizados, nas indústrias, para a produção de polímeros de vinilas é a polimerização em emulsão. Este processo envolve uma emulsão estável de água, monômeros do polímeros, e um surfactante (sabão ou detergente) como o agente emulsificante. Os surfactantes formam micelas, que dissolvem os monômeros, geralmente hidrofóbicos. Os iniciadores de radicais livres, quando jogados na fase aquosa, também migram para a fase micelar, iniciando a polimerização. As vantagens deste método incluem o baixo consumo de energia (a reação pode ser feita mesmo na temperatura ambiente) e a obtenção de polímeros com grande massa molar. A maior desvantagem é que a formulação é relativamente complexa se comparada com os outros métodos, e requer uma etapa de purificação do polímero que, algumas vezes, pode ser problemática.
Os polímeros exibem 2 tipos de morfologia no estado sólido: amorfo e semicristalino. Em um polímero amorfo, as moléculas estão orientadas aleatoriamente e estão entrelaçadas – lembram um prato de spaghetti cozido. Os polímeros amorfos são, geralmente, transparentes. Nos polímeros semicristalinos, as moléculas exibem um empacotamento regular, ordenado, em determinadas regiões. Como pode ser esperado, este comportamento é mais comum em polímeros lineares, devido a sua estrutura regular. Devido às fortes interações intermoleculares, os polímeros semicristalinos são mais duros e resistentes; como as regiões cristalinas espalham a luz, estes polímeros são mais opacos. O surgimento de regiões cristalinas pode, ainda, ser induzido por um “esticamento” das fibras, no sentido de alinhar as moléculas.
A figura acima ilustra um diagrama de Volume vs. Temperatura para dois polímeros: um amorfo e um semicristalino. Em baixas temperaturas, as moléculas de ambos os polímeros vibram com baixa energia; eles estão “congelados” em uma situação do estado sólido conhecida como “estado vítreo”. Na medida em que o polímero é aquecido, entretanto, as moléculas vibram com mais energia e uma transição ocorre: do estado vítreo para o estado rubbery. Neste estado, o polímero possui um maior volume e uma maior dilatação térmica e maior elasticidade. O ponto onde esta transição ocorre é conhecido como temperatura de transição vítrea, e está denotado no gráfico como Tg.
Quando aquecidos, os polímeros podem vir a derreter. A temperatura de fusão dos polímeros é indicada, no diagrama, como Tm. No estado líquido, os polímeros podem ser moldados ou divididos em micro-fibras, por exemplo. Somente alguns polímeros podem ser derretidos, e são chamados de termoplásticos.
Muitas vezes, o polímero é formado pela união de dois ou mais monômeros diferentes. Estes polímeros são chamados de copolímeros, em contraste aos homopolímeros, que são formados pela repetição de somente um monômero.
Os Copolímeros, por outro lado, são produzidos com dois ou mais monômeros, cujas unidades podem ser distribuídas randomicamente, em uma maneira alternada ou em blocos. As figuras abaixo ilustram estas situações.
Nestas figuras, a estrutura molecular de cada polímero é demonstrada, esquematicamente, com as unidades de repetição de cada polímero.Tais combinações permitem aos químicos criar polímeros com diferentes propriedades, baseados nas estruturas obtidas.
Nas indústrias, os polímeros e/ou copolímeros podem ser misturados, obtendo-se Blendas Poliméricas. Quando miscíveis, as propriedades das blendas derivam das propriedades dos polímeros individuais, embora uma ação sinérgica pode vir a ocorrer. De acordo com a aplicação, podem-se preparar diferentes blendas, de distintas composições, resultando em polímeros com diferentes propriedades físico-químicas.
Produtos industriais incluem homopolímeros, copolímeros, blendas homogêneas e blendas heterogêneas.