Por: Matheus Italo de Oliveira Brito (Bacharel em Química-UFF), MSc. Noemi de Jesus Hiller (Doutoranda PPGQ-UFF), Dr. Marcos Antonio da Silva Costa (PPGQ-UERJ) e Drª. Daniela de Luna Martins (PPGQ-UFF)
Os polímeros estão presentes em praticamente todas as áreas da vida moderna, desde o simples saco plástico do mercado até às roupas mais sofisticadas que usamos. Mas, afinal, você sabe o que são estas estruturas misteriosas? Vamos investigar!!
MACROMOLÉCULAS
Os polímeros pertencem ao grupo das macromoléculas, isto é, moléculas com um número muito grande de átomos e massa molar bem alta! O termo polímero vem do grego e significa: composto por muitas partes (poli = muitos, meros = partes).[1]
Então, juntando tudo, podemos dizer que polímeros são macromoléculas com cadeias longas formadas pela união de unidades repetitivas (meros).[1] Pra você ter uma ideia, uma cadeia de polímero pode ser constituída de milhares a milhões de meros!!! Portanto, a massa molar dos polímeros é altíssima, conferindo a eles propriedades muito diferentes das moléculas pequenas.
Os polímeros são formados a partir de reagentes químicos chamados de monômeros, através de uma reação de polimerização (Esquema 1). Cada molécula do monômero vai contribuir para formar uma unidade repetitiva (MERO) no polímero.[1]
Esquema 1 - Reação de polimerização
Perceba que, embora o monômero dê origem ao mero, eles não possuem a mesma estrutura. A estrutura original do monômero é modificada para formar as novas ligações no polímero (Esquema 1): monômero com ligações duplas e meros com ligações simples.[2]
Imagine você que o etileno ou eteno é um gás na temperatura e pressão ambientes. Ele é um monômero usado em polimerizações para gerar o polietileno: um sólido! Nós utilizamos diariamente materiais feitos de polietileno no nosso dia a dia, sabia? Sim! Usamos com frequência sacos, sacolas, filmes e embalagens variadas de polietileno.[3]
Os polímeros são empregados nas mais diversas áreas: em tintas e vernizes, pisos, revestimentos, adesivos, roupas e sapatos de material sintético, colas, fibras, e por aí vai.[3]
POLÍMEROS
De acordo com sua origem, os polímeros podem ser classificados em polímeros naturais, sintéticos ou semissintéticos. Enquanto os naturais são produzidos no organismo de seres vivos como plantas ou animais, os polímeros sintéticos são produzidos pelo homem através de reações químicas no laboratório ou na indústria (Figuras 1 e 2).[1] Os semissintéticos, por sua vez, são obtidos pela modificação química de polímeros naturais.[4] Estes polímeros apresentam propriedades distintas dos polímeros naturais que os originaram. A borracha vulcanizada, por exemplo, é obtida pela interação da borracha natural com enxofre, resultando em cadeias poliméricas interligadas, com consequências sobre o material final: maior resistência com manutenção da elasticidade.[5] Outro polímero semissintético é a nitrocelulose, resultante do tratamento das fibras de algodão com os ácidos nítrico e sulfúrico.[6]
Figura 1 - Polímeros naturais
Figura 2 - Polímeros sintéticos
Números dentro de triângulos, ou ainda siglas, aparecem em muitas embalagens que usamos para indicar a partir de qual material polimérico foram feitos (Figura 2). Que tal passar a reparar, a partir de agora, esses símbolos nas embalagens? Você vai ficar craque! rsrs
Você, certamente, também perceberá que o nome do polímero é dado pela junção do prefixo POLI ao nome do monômero que o originou.[2] Por exemplo, o polímero resultante da polimerização do etileno chama-se polietileno, enquanto que o polipropileno veio da polimerização do propileno.
As cadeias poliméricas podem ser constituídas de apenas um tipo de mero ou de mais de um. Ou seja, podemos empregar mais de um tipo de monômero na polimerização e, a partir daí, construir um polímero cuja cadeia apresenta diferentes composições de meros.
Quando a cadeia do polímero é constituída por apenas um tipo de mero, o polímero resultante é chamado de HOMOPOLÍMERO. Já quando a cadeia polimérica apresenta mais de um tipo de mero, o polímero resultante é um COPOLÍMERO.[1] No esquema 2, representamos as cadeias poliméricas como se fossem cordões constituídos por várias contas (bolinhas). Cada conta representa um mero da cadeia. Para representar meros diferentes, que vieram de monômeros diferentes, usamos contas de cores diferentes. Assim, se temos apenas uma conta azul, temos um único tipo de mero dando origem a um homopolímero. Mas, se temos o cordão (cadeia polimérica) formada por contas de cores diferentes, temos copolímeros.
Esquema 2 - Homopolímeros x copolímeros
Só a partir daí, já percebemos que, como há diferentes combinações de meros possíveis, podemos preparar uma variedade de polímeros sintéticos com uma ampla gama de aplicações. É exatamente essa diversidade que a química dos polímeros nos oferece que faz com que eles estejam tão presentes em nosso cotidiano, oferecendo soluções de custo reduzido em muitas áreas da nossa vida. É fantástico! Na Figura 3, mostramos objetos feitos de ABS.
Figura 3 - O ABS é empregado na confecção de vários objetos do dia a dia
Vamos supor que tenhamos um copolímero dos comonômeros etileno e estireno. As propriedades do copolímero são diferentes das propriedades dos homopolímeros polietileno e poliestireno.
Os copolímeros podem formar cadeias diferentes dependendo da forma como os meros se organizam na estrutura. Cadeias diferentes dão origem a diferentes materiais com propriedades e aplicações variadas (Figura 4).[1]
Figura 4 - Copolímeros
Há copolímeros (Figura 4) cujos meros não seguem qualquer sequência, estes são chamados de copolímeros randômicos ou aleatórios. Mas os meros podem ser unidos uns aos outros de forma alternada, dando copolímeros alternados. Quando se tem a alternância de sequências de meros do mesmo tipo (blocos), forma-se um copolímero em bloco. O nome copolímero graftizado é dado quando os blocos formados pelo mesmo tipo de mero existem como ramificações poliméricas que partem de uma cadeia polimérica principal constituída de um outro tipo de mero.[1]
Você pode ter percebido, na Figura 2, que existem diferentes polietilenos, como polietileno de alta densidade (PEAD) e o polietileno de baixa densidade (PEBD). Se ainda não tinha reparado, que tal retornar lá na Figura 2 e deter-se um pouco mais? Bom, as cadeias poliméricas do PEAD são bastante lineares. No estado sólido, esses tipos de cadeias fazem um empacotamento, ou empilhamento muito eficiente, devido à sua simetria.[7] Elas ficam juntas umas às outras por interações moleculares do tipo van der Waals. Essas interações são fortes, porque o empacotamento eficiente permite uma boa aproximação entre as cadeias e, quanto mais próximas, mais intensas as interações moleculares entre elas.[8] No polietileno de baixa densidade, há ramificações da cadeia principal e a consequência disso é que essas ramificações dificultam a aproximação das cadeias. Como as cadeias não interagem tão bem entre si, as forças de van der Waals que as unem são menos intensas do que no PEAD.[8] Essas diferenças entre as cadeias do PEAD e do PEBD conferem aos materiais poliméricos resultantes propriedades e aplicações diferentes. O PEBD funde-se mais facilmente (em temperatura menor), pois é necessária uma energia menor para distanciar as cadeias de tal forma a caracterizar o estado líquido. Consequentemente, o polietileno de baixa densidade é mais leve e maleável que o polietileno de alta densidade.[7]
Então... Os polímeros podem ser classificados, quanto ao tipo de cadeia polimérica com a qual são constituídos em: polímeros lineares, ramificados e reticulados (Figura 5).[7] Os polímeros lineares apresentam cadeias lineares, enquanto que os ramificados possuem um alto teor de ramificações da cadeia principal.[7] Os reticulados, por sua vez, apresentam-se como redes, daí o termo reticulado! Nestes polímeros, as ramificações ligam covalentemente uma cadeia à outra. Como consequência desta estrutura, esses materiais são insolúveis e infusíveis (não passam do estado sólido para o estado líquido).[9] Vale lembrar que, na solubilização, as moléculas do solvente circundam as moléculas do soluto que, no estado sólido, estão unidas entre si. Assim, o solvente passa a interagir com cada molécula do soluto separando-as umas das outras.[2] Entretanto, as cadeias de polímeros reticulados não podem ser separadas umas das outras porque estão ligadas covalentemente entre si. Portanto, a separação entre as cadeias somente seria possível através de reações químicas para quebrar ligações covalentes.
Figura 6 - Representações de cadeias poliméricas
Alguns materiais poliméricos, ao interagirem com solventes, têm suas cadeias reticuladas afastadas umas das outras, sem que haja solubilização. Esse fenômeno de admitir as moléculas de solvente em sua estrutura é chamado de inchamento do polímero.[2] Isso é muito importante! Há materiais poliméricos reticulados hidrofílicos, ou seja, com alta afinidade à água, que são polímeros superabsorventes. Tais materiais não somente absorvem, mas também retém líquidos. Polímeros superabsorventes são empregados, por exemplo, em fraldas descartáveis e absorventes femininos. São muito utilizados na agricultura como géis de cultivo para reter água e conter nutrientes (Figura 6).[10] Imagine a importância disso para a agricultura em regiões secas, já que o emprego destes géis poliméricos diminui a infiltração de água e nutrientes pelo solo e a evaporação, diminuindo também a demanda por irrigação.
Os polímeros são formados a partir de reações de polimerização e essas podem ser de dois tipos principais: poliadição e policondensação. Os polímeros formados por poliadições são classificados como polímeros de adição e, aqueles formados por reações de policondensação são classificados como polímeros de condensação. Nas poliadições os monômeros possuem ligações duplas ou triplas que sofrem reações de adição sucessivas de forma a proporcionar o crescimento da cadeia (Esquema 3). Já nas policondensações, dois tipos diferentes de monômeros bi ou trifuncionais unem-se para formar uma ligação com eliminação simultânea de uma molécula pequena, como água, álcool, HCl, dentre outras.[1] Fique de olho nas nossas postagens, pois faremos um aprofundamento nas reações de polimerizações e vamos aprender muito mais!
Esquema 3 - Tipos de polimerização
Na Tabela 1, você vai encontrar vários exemplos de polímeros e suas aplicações.
Tabela 1 - Exemplos de polímeros e aplicações
Como se não bastasse a diversidade de materiais poliméricos em si, os polímeros ainda podem entrar na formação de materiais compósitos. Calma! A gente te explica do que se trata. Materiais compósitos são resultantes da combinação de, no mínimo, dois materiais com propriedades diferentes. [23] Essas combinações são feitas a fim de gerar novos materiais que "juntem o melhor dos mundos" com respeito aos constituintes. Traduzindo: a busca é por obter materiais com a melhor combinação de propriedades. Materiais poliméricos, por exemplo, costumam poder assumir várias formas (serem conformados), mas não costumam ser bons condutores. Mas, e se pudéssemos unir a capacidade de conformação dos polímeros com a condutibilidade de um outro material? Obteríamos um novo material com uma combinação incrível de propriedades! Pegou a ideia? Então, pra dar exemplos, podemos falar no uso de resinas poliésteres para reforço de fibra de vidro, a fim se empregar em estruturas industriais, automotivas, ferrovias, aeronaves, componentes eletrônicos e até equipamentos esportivos.[25] O kevlar, por exemplo, pode formar materiais compósitos com fibra de vidro e fibras de carbono para produzir materiais com aplicações na construção de rotores e pás de helicópteros, em equipamentos para esportes, na indústria de automóveis e aeroespacial.[26]
Acredito que você, como nós do Blog, tenha ficado impressionado com o "mundo dos polímeros" e suas potencialidades. Continue nos acompanhando para aprender cada vez mais desse tema riquíssimo.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] M. I. O. Brito, Trabalho de conclusão de curso, Universidade Federal Fluminense, 2021.
[2] E. B. Mano, L. C. Mendes, Introdução a polímeros, 2ª ed., Editora Edgard: São Paulo, 1999.
[3] P. Y. Bruice, Química Orgânica, 4ª ed., v. 2, Pearson Prentice Hall: São Paulo, 2006.
[4] Sítio da Expert Minds. Disponível em: <http://www.expertsmind.com/learning/semi-synthetic-polymers-assignment-help-7342871803.aspx>. Acesso em: 13 janeiro 2022.
[5] A. Y. Coran, Chemistry of the vulcanization and protection of elastomers: A review of the achievements, Journal of Applied Polymer Science 2003, 87, 24.
[6] F. Sullivan, L. Simon, N. Ioannidis, S. Patel, Z. Ophir, C. Gogos, M. Jaffe, S.Tirmizi, P. Bonnett, P. Abbate. Nitration Kinetics of Cellulose Fibers Derived from Wood Pulp in Mixed Acids, Industrial & Engineering Chemistry Research 2018, 57, 1883.
[7] F. A. Carey, Química orgânica, 7ª ed., v. 2, AMGH Editora: Porto Alegre, 2011.
[8] F. M. B. Coutinho, I. L. Mello, L. C. S. Maria, Polietileno: Principais Tipos, Propriedades e Aplicações. Polímeros: Ciência e Tecnologia 2003, 13, 1.
[9] S. V. Canevarolo Júnior, Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros, 2ª ed., Artliber Editora Ltda: São Paulo, 2006.
[10] R. O. Nasser, G. K. Lopes, C. T. Andrade, S. C. S. Teixeira, Resumos do 9º Congresso Brasileiro de Polímeros, Campina Grande, Brasil, 2007.
[11] Sítio da IHS Markit. Disponível em: <https://ihsmarkit.com/products/polyisoprene-elastomers-chemical-economics-handbook.html >. Acesso em: 13 setembro 2021.
[12] Sítio da Our Education. Disponível em: <https://blog.oureducation.in/proporties-and-uses-of-buna-s/>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[13] Wei-Fang Su, Principles of Polymer Design and Synthesis, Springer: Berlin, 2013.
[14] Sítio da Thomas for Industry. Disponível em: <https://www.thomasnet.com/articles/plastics-rubber/traits-applications-neoprene/>. Acesso em: 13 setembro 2021
[15] T. S. Gaaz, A. B. Sulong, M. N. Akhtar, A. A. H. Kadhum, A. B. Mohamad, A. A. Al-Amiery, Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites. Molecules 2015, 20, 22833.
[16] Sítio da AgroPós. Disponível em: <https://agropos.com.br/celulose/>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[17] Sítio da Science Truck. Disponível em: <https://sciencestruck.com/bakelite-plastic-properties-uses>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[18] Sítio da Polymer Database. Disponível em: <http://polymerdatabase.com/Polymer%20Brands/PBT.html>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[19] Sítio da Building with Chemistry. Disponível em: <https://www.buildingwithchemistry.org/building-future/materials-science/epoxies/>. Acesso em 13 setembro 2021.
[20] Sítio da Polymer Database. Disponível em: <https://polymerdatabase.com/polymer%20classes/MelamineFormaldehyde%20type.html>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[21] Sítio da Plástico Industrial. Disponível em: <https://www.arandanet.com.br/revista/pi/noticia/278-Poliamida-6-(PA-6).html>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[22] Sítio da Our Education. Disponível em: <https://blog.oureducation.in/properties-and-uses-of-nylon-66/>. Acesso em: 13 setembro 2021.
[23] S. M. M. Amir, M. T. H. Sultan, M. Jawaid, A. H. Ariffin, S. Mohd, K. A. M. Salleh, M. R. Ishak, A. U. M. Shah, em Durability and Life Prediction in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites; M. Jawaid, M. Thariq, N. Saba, eds.; Woodhead Publishing: Duxford, 2019, cap. 16.
[24] P. Wexler, Encyclopedia of Toxicology, Academic Press: New York, 2005.
[25] Sítio da Polser. Disponível em: <https://polser.com/en/frp/fiber-reinforced-polyester-composites>. Acesso: 19 agosto 2021.
[26] Sítio da Química Nova Interativa. Disponível em: <http://qnint.sbq.org.br/qni/popup_visualizarMolecula.php? id=i5zO2hEZMYJ3rMRrkE10LR8QScdwY79UMR6xjT62T9m88_SNFvpevytjy-bFRAA63DUZy1iAnVMfjBfg3cw9zQ==>. Acesso: 19 agosto 2021.
CRÉDITOS DAS IMAGENS
*Mala de viagem em ABS: https://www.amazon.com.br/Mala-Bordo-ABS-Com-Rodas/dp/B08L5SFS39/ref=asc_df_B08L5SFS39/?tag=googleshopp00-20&linkCode=df0&hvadid=396684290332&hvpos=&hvnetw=g&hvrand=15219142899034187060&hvpone=&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hvdvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=1001650&hvtargid=pla-993215062553&psc=1
* Painel de automóvel com partes em ABS: http://www.maispolimeros.com.br/2018/09/24/plastico-abs-e-suas-principais-caracteristicas-e-aplicacoes/
* Muda florestal em hidrogel: https://imagens.mfrural.com.br/mfrural-produtos-us/85707-122606-489529-hidrogel-hydroplan-gel-agricola-para-mudas-florestais.jpg.
Amei essa parte do uso dos polímeros na agricultura.
Ótimo post! Bem explicativo... gostei! =)