Materiais plásticos

Definição de plástico

Enquadramento histórico

As macromoléculas do polímero são criadas através de um processo químico chamado de polimerização, onde os monómeros reagem entre si e formam ligações covalentes.

        Figura 1 - Reação de polimerização do eteno para formar o poli(etileno) - PE.

Existem duas formas de criar ligações entre as moléculas do plástico, a poliadição e a policondensação, são explicadas de seguida:

Poliadição

Dois monómeros que têm grupos funcionais diferentes e reagem entre si. Os monómeros reagem entre si formando dímeros e trímeros, que por sua vez também reagem e formam oligómeros. Como resultado, estes polímeros só são produzidos passado algum tempo, com elevada massa molecular.

                        Figura 2 - Reação de polimerização por adição.

Policondensação

Existe um centro ativo numa cadeia em crescimento que reage entre si. Os monómeros adicionam-se sequencialmente.

                         Figura 3 - Reação de polimerização por condensação.

Classificação dos plásticos

Os materiais plásticos podem ser dividos em 3 grandes grupos:

Termoplásticos, amolecem e fluem com a aplicação de temperatura, podem ser reciclados e processados várias vezes;

Termoendurecíveis, quando processados formam ligações cruzadas, impossíveis de serem processados novamente;

Elastómeros, apresentam ligações flexíveis com baixa viscosidade e altamente fluidos.

Os plásticos que vemos e mais usuais são os termoplásticos, onde se utlizam em equipamentos eletrónicos, componentes para automóveis, embalagens, logo, será sobre esta categoria de materiais que iremos aprofundar mais este estudo de materiais plásticos. Na figura 4, está presente uma classificação mais usual para esta matéria-prima.

Figura 4 - Classificação mais usual dos plásticos e dos termoplásticos.

Dentro dos termoplásticos existem os:

Grande consumo: são caracterizados por terem um grande consumo de matéria-prima, tipicamente são processados em todas as formas como extrusão (filamentar, tubolar, filme e folha), moldação-sopro (baseada na extrusão e na injeção), termoformação (molde macho ou fêmea) e moldação por injeção (para embalagens). Estes apresentam baixas propriedades mecânicas, são pouco resistentes a elevadas temperaturas de serviço e têm baixa estabilidade dimensional. Esta categoria enquadra os seguintes polímeros: poliolefinas (PE, PP (homo e copolímero)), estirénicos (PS, HIPS), PVC (plasticisado e não-plasticisado);

De engenharia: materiais que se distinguem dos de grande consumo por terem melhores propriedades mecânicas, e melhor resistência a elevadas temperaturas de serviço, mas são mais caros do que os materiais de grande consumo. Tipicamente são processados por moldação por injeção e além disso apresentam grande estabilidade dimensional, aparte dos Nylon's (absorvem muita humidade). Dentro destes apresentam-se os Nylon's (poli(amida)), Acetal (POM - poli(óxido de metileno)), poli(carbonato), copolímeros de estireno (ABS, SAN, ASA), polímeros poliésteres (PBT e PET), PTFE (poli(tetrafluor de etileno)) e PMMA - poli(metil metacrilato);

Para aplicações especiais: para aplicações onde alta resistência mecânica e elevadas temperaturas e ambiente agressivo como químicos estão muito presentes. Dentro desta categoria incluem-se: PI (poli(imida)), PEEK (poli(éterétercetona)), PAR (poli(arilato)), PPO (poli(óxido de fenileno)), PSU (poli(sulfona)), LCP (polímeros de cristais líquidos).

Estrutura das moléculas - amorfo ou semi-cristalino

Os materiais plásticos podem ser classificados nas duas seguintes formas de estruturais das moléculas, amorfo ou semi-cristalino. É  o aspeto mais importante num material plástico  - a sua estrutura molecular, se é amorfo ou semi-cristalino, ou seja, o primeiro aspeto é pensar para um material plástico é se é amorfo ou semi-cristalino – fica aqui na tabela seguinte as diferenças de características. A título de importância, no arrefecimento na moldação por injeção, um Nylon necessita de maior tempo de arrefecimento do que um PC, pois um é semi-cristalino (Nylon) e o outro é amorfo (PC), isto para o mesmo molde de injeção (a mesma espessura de peça). Vamos também ver que só alguns polímeros termoplásticos podem cristalizar, e que mesmo estes nunca geram formas lamelares perfeitas. Por esta razão estes polímeros são designados de semi-cristalinos: eles são constituídos por zonas cristalinas (as lamelas) e por zonas amorfas interlamelares.

                       Figura 5 - Estrutura molecular, amorfo e semi-cristalino.

                    Figura 6 - Classificação dos plásticos, amorfo e semi-cristalino.

        Tabela 2 - Principais características dos plásticos amorfos e semi-cristalinos.

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De seguida expõe-se de forma sistemática, todos os diferentes polímeros, estes estão divididos por características principais, características relevantes, propriedades mecânicas e exemplos de aplicações. Para um bom entender do processo é necessário ter-se grande conhecimento de materiais e este separador tem como objetivo diferenciar cada um e conhecer-se as suas especificidades. Para o projeto de uma peça, a escolha correta do material, mediante um exaustivo levantamento de especificações, é importantíssimo.

Materiais de grande consumo [Poliolefinas (PE e PP); PVC; PS e HIPS; EVA]

Poliolefina (Poli(etileno))

Características principais - Poli(etileno) é um termoplástico que amolece entre as temperaturas de 80 a 130ºC com uma densidade menor que a água. É rígido mas tem uma moderada resistência mecânica, é um excelente isolante elétrico e tem muito boas propriedades de resistência química. Para certas aplicações é translúcido ou opaco mas em filmes finos, extrudido, pode ser transparente, arrefecimento rápido, não tem assim, tempo de cristalizar.

Figura 6 - Estrutura química do PE.

Existe um melhoramento na resistência ao environmental stress cracking quando se aumenta o peso molecular. A oxidação do polietileno leva a mudanças estruturais que podem ocorrer a temperaturas tão baixas como 50ºC. A exposição do polietileno à radiação ultra-violeta pode causar embraquecimento do polímero. Esta tendência para oxidar, leva a que seja exposto ao ambiente, muito pouco enquanto estão fluidos. O alto grau de cristalinidade, leva a que, seja atingido altos graus de contração na fase de arrefecimento, levando a grande necessidade de tempo de arrefecimento, é um material semi-cristalino. Aproximadante ¾ do polietileno consumido é processado por extrusão, filme e sacos plásticos.

                            Figura 7 - Exemplos de aplicações de PEBD.

                            Figura 8 - Exemplos de aplicações de PEAD.

Poliolefina (poli(propileno))

Características principais - O poli(propileno) é um hidrocarboneto linear contendo pouca ou nenhuma insaturação. Portanto não é de surpreender que o polietileno e o polipropileno tenham muitas semelhanças nas suas propriedades, particularmente no comportamento em solução e nas propriedades elétricas.

Figura 9 - Estrutura química do PP.

• Polímero aleatório: 1-7% etileno; Menor ponto de fusão; Maior flexibilidade; Brilho e transparência melhorados

Características relevantes - Por exemplo o uso de átomos de carbono terciários providencia oxidação que leva a uma menor estabilidade ao oxigénio, comparando com o polietileno; Ao passo que o polipropileno atático é amorfo e parecido com borracha, o polipropileno isotático é rígido, altamente cristalino e com um alto ponto de fusão. Dentro de um intervalo de polímeros comerciais, existe um grande prevalência de material isotático o que leva a uma grande cristalinidade e um maior ponto de fusão, rigidez, tensão de rotura, módulo e dureza; Em geral, quanto menores as estruturas cristalinas maior é a transparência e a resistência à flexibilidade mas menor é a rigidez e a resistência à temperatura.

Estudos de propriedades de fluidos do polipropileno indicam que é mais não-newtoniano que o polietileno e a sua viscosidade diminui mais rapidamente com o aumento da taxa de deformação; Devido à sua tendência para oxidar, o tempo de residência deve ser mantido no mínimo, pode-se usar no processamento o chamado atraso na plasticização.

Propriedades mecânicas - embora um aumento no peso molecular leve a um aumento da viscosidade de fluido e na resistência ao impacto, em consonância com a maioria dos outros polímeros, leva a um baixar de resistência à cedência, baixa a dureza e a rigidez e também o ponto de fusão, como curiosidade se baixarmos a densidade 1% o módulo de elasticidade baixa em 4%.

                                Tabela 4 - Propriedades mecânicas do PP.

Exemplos de aplicações

                        Tabela 5 - Exemplos de aplicações de diferentes PPs.

                                    Figura 10 - Exemplos de aplicações do PP.

Acetato de etileno-vinil (EVA)

Características principais - É um copolímero de etileno e acetato de vinil. Com percentagens de acetato de vinil que variam de 10 a 40%, com o restante de etileno. É um polímero que se assemelha a um elastómero na fluidez e flexibilidade, no entanto pode ser processado como um termoplástico. É uma borracha termoplástica.

• O material possui boa claridade e brilho;

• Boas propriedades mecânicas mesma a baixas temperaturas;

• Resistente ao environmental stress cracking;

• Boas propriedades de adesivo e resistente à água;

• Resistente aos raios UV;

• Este material tem um odor distintivo e é comparável aos produtos de borracha em muitas aplicações da indústria elétrica;

• Neste material, aumentando a percentagem de acetato de vinil até 50% torna o material menos cristalino e progressivamente mais borrachoso.

Figura 11 - Estrutura química do EVA.

Características relevantes - A presença de acetato de vinil reside no facto de as cadeias reduzirem a regularidade e levando a um controlo mais efetivo da regularidade da cristalinidade; Tanto os copolímeros reforçados com filamentos ou não reforçados, apresentam uma boa flexibilidade, mesmo a baixas temperaturas, e apresentam boas propriedades mecânicas e na ausência de plasticisador providencia uma clara vantagem sob o PVC plasticisado em algumas aplicações; Este material é considerado uma modificação do polietileno de baixa densidade, onde o custo do monómero introduz uma irregularidade na estrutura, reduzindo a cristalinidade e aumentando a flexibilidade, a processabilidade e nos casos de filme, o brilho superficial.

Propriedades mecânicas

                    Tabela 6 - Propriedades mecânicas do EVA.

                    Tabela 7 - Propriedades mecânicas do EVA [continuação].

                        Figura 12 - Exemplos de aplicações do EVA.

PVC (plasticisado e não-plasticisado)

Características principais - É um interessante paradoxo que um dos últimos polímeros sintetizados e disponíveis comercialmente, seja, em termos de consumo um dos mais importantes hoje em dia.  É um material que conseguiu este sucesso devido à descoberta de estabilizadores de processamento e outros aditivos que o tornou num termoplástico processável.

• É mais vulgarmente processado por extrusão, porque é mais difícil jogar com as temperaturas de processamento na injeção e a decomposição térmica liberta ácido clorídrico corrosivo;

• Utilizado para componentes que têm de ser resistentes à chama e auto-extinguíveis, ou com requisitos de resistência química (soluções salinas, muitos ácidos, bases, gasolina, óleos minerais, gorduras e álcool);

• PVC rígido: duro e rígido como o PS, ligeiramente menos frágil;

• PVC plasticisado: a rigidez depende do tipo e quantidade de plasticisador;
• Geralmente é frágil a baixas temperaturas;

• Mesmo o PVC rígido não pode ser utilizado acima de 60-70 ºC;

• Ligeira tendência para fissurar sob tensão;

 

Exemplos de aplicações

                            Figura 18 - Exemplos de aplicações do PS.

Materiais de engenharia (PC; acetal – POM; Nylon – PA; PBT/PET; PTFE; PMMA)

Poli(carbonato) - PC

Características principais - Pela reação de polihidróxido e de compostos carbónicos e derivados de ácido, uma série de polímeros relacionados podem ser produzidos com carbonato, estes são referidos como policarbonatos. Como resultado de uma intensa investigação, a GE produziu policarbonatos derivados do bisfenol-A e então em 1958 a produção de bisfenol-A foi começada tanto na Alemanha como nos EUA. A GE e a Bayer controlam cerca de 75% do mercado com os seus produtos Lexan e Makrolon. Os graus de policarbonato podem divergir em termos de peso molecular, na presença de um composto secundário de polihidróxido e na presença de aditivos. Devido à sua complicada estrutura química, que envolve grandes custos de produção, o policarbonato baseado no bisfenol-A atingiu uma papel muito especial nos materiais plásticos.

• Rígido até temperatura de 140ºC;

• Resistente até temperatura de 140ºC;

• Alta transparência;

• Muito boas características de isolamento elétrico;

• Virtualmente auto-extinguível;

• Fisiologicamente inerte;

• Excelente estabilidade térmica;

• Excelente acabamento superficial.

Tem como principais desvantagens:

Características relevantes

                                    Figura 17 - Exemplos de aplicações do PC.

 Copolímeros baseados no estireno (ABS, ASA, SAN)

 ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno)

Características principais - São adequados para muitas utilizações de equipamentos elétrico-eletrónico. Como consequência, um leque alargado de materiais referidos como ABS ficou disponível nos anos de 1950. Desde esse tempo, este polímero ficou bem estabelecido, com uma produção na ordem de 3x10^3 toneladas por ano, apenas superado pelos quatro mais populares, PE; PP; PVC e PS. Em particular, o material ficou indicado para aplicações de housings de equipamento eletrónico e elétrico. Vai derivar as boas propriedades mecânicas e tenacidade ao acrilonitrilo, o bom acabamento superficial à borracha de butadieno e a facilidade de processamento e rigidez ao estireno.

Poli(metil metacrilato) - PMMA

Características principais - Poli(metacrilato de metileno) é, comercialmente, o membro mais importante do leque de polímeros de acrílico que podem ser considerados como derivados do ácido acrílico. Em 1901, Otto Rohm reportou no seu estudo os polímeros acrílicos na sua tese doutoral. O seu interesse nestes materiais, no entanto, não acabou nesta fase e eventualmente em 1927 o Rohm e Hass fizeram em Darmstadt, Alemanha a produção limitada de polimetil acrilato sob o nome comercial de Acryloid e Plexigum.

• Transparente;

• Frágil;

• Duro;

• Boas propriedades mecânicas.

 

 

Figura 20 - Estrutura química do PMMA.

 

 

Este é muitas vezes comparado ao vidro, fica aqui as principais diferenças:

• PMMA é menos denso; a sua densidade varia entre 1150 e 1190 kg/m³. Isso é menos que metade da densidade do vidro, que varia entre 2400 e 2800 kg/m³;

• PMMA tem uma maior resistência ao impacto que o vidro e não se estilhaça, mas pode quebrar em grandes pedaços;

• PMMA é mais macio e tem menor proteção ao risco que o vidro. Isso pode ser contornado por filmes anti-risco;

• PMMA é produzido e processado a temperaturas mais baixas que o vidro: somente 240-250 °C sob pressão atmosférica; Ao contrário do vidro, o PMMA não filtra a luz ultravioleta. PMMA transmite luz UV abaixo dos 300 nm. As moléculas do PMMA têm uma grande estabilidade comparado, por exemplo, com o poli(carbonato);

• PMMA transmite luz na frequência do infravermelho acima dos 2800 nm. Luz infravermelha de grande comprimento de onda, acima dos 25 000 nm, é bloqueada. Fórmulas especiais de acrílicos coloridos existem para permitir a transmissão de comprimentos de onda específicos no espectro do infravermelho, enquanto bloqueia luz visível (380 a 750 nm) para serem utilizadas por exemplo em controlos remotos.

Características relevantes

• Substitutos no átomo de carbono-a é restrito à cadeia de flexibilidade mas, relativamente pequeno leva a uma maior Tg do que o poli(etileno);

• Em consequência de uma Tg de 10´ºC com a sua natureza amorfa, PMMA comercial é então duro e transparente em condições normais de uso.

• Dificuldades podem, no entanto, ocorrer na dissolução de folha de PMMA devido ao alto peso molecular;

• É também uma boa aplicação para aplicações onde boa aparência, boa rigidez e boas propriedades mecânicas são requisitos a considerar-se para justificar o custo extra quando comparado com os materiaks de grande consumo;

• A folha extrudida é mais barata que a folha individual mas devido à existência de alguma orientação molecular, é menos satisfatório oticamente e mais difícil de maquinar.

Propriedades mecânicas

                            Tabela 13 - Propriedades mecânicas do PMMA.

Figura 21 - Propriedades mecânicas do PMMA em ordem à temperatura.

Exemplos de aplicações