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.
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.
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