Polímeros / Elastômeros
Polímeros
Podemos definir um polímero como sendo uma molécula formada por um conjunto de várias repetições. Sendo que, cada repetição é definida como um monômero (do grego “mono = um” e “meros = parte”) tem-se então que um polímero (do grego “poli = muitos” e “meros = parte”). Em resumos temos que um polímero nada mais é do que uma grande molécula ou macromolécula, composto por muitas subunidades repetidas. Atualmente, é consenso no meio científico, o conceito de polímero, como sendo estruturas macromoleculares formadas por ligações covalentes entre seus átomos constituintes.
Polímeros sintéticos e naturais desempenham um papel essencial e onipresente na vida cotidiana, devido à sua ampla gama de propriedades físicas e químicas. Nesse contexto, podemos encontrar exemplos de polímeros que vai desde plásticos sintéticos familiares, tais como poliestireno (isopor = poliestireno expandido), politereftalato de etileno (garrafas de refrigerante – garrafas PET), e biopolímeros naturais, tais como o DNA e as proteínas que são fundamentais para estrutura e função biológica. Tanto os polímeros naturais quanto os sintéticos, são criados através da polimerização de várias moléculas pequenas (monômeros).
De certa forma podemos dividir os polímeros em dois grandes grupos, naturais e sintéticos, dentro desses ainda podem aparecer diferentes subgrupos. Destacamos três subgrupos, que podem estar compreendidos tanto para os sintéticos quanto para os naturais (ver Tabela 1).
Tabela 1: Tabela comparativa entre três subgrupos comuns de polímeros encontrados em nosso cotidiano.
| Termoplásticos | Termoestáveis | Elastômeros | |
| Calor | Funde | Não funde | Não funde |
| Solventes | Solúveis | Insolúvel | Insolúvel ou baixa solubilidade, inchamento |
| Cadeias | Linear | Entrecruzadas | Pouco entrecruzadas |
| Estrutura | Amorfa ou Cristalina | Amorfa | Amorfa |
| Prop. Mecânica | Rígidos a T<TgE ≈ 103 MPa | Rígidos,E ≈ 104 MPa | Estiráveis de 100-1000 %Baixos E ≈ 2-10 MPa |
| Exemplos | PE, PVC, Poliamidas, Poliésteres,… | Resinas Epoxi, Resinas fenol-formaldeído… | Borracha, Polibutadieno… |
Desta forma, os elastômeros ou elásticos são um subgrupo de polímeros e podem ser tanto sintético quanto ou natural. Vamos adentrar um pouco nas características desse subgrupo.
Elastômeros
Como já mencionado, os polímeros elastoméricos podem ser tanto naturais (borracha Natural) quanto sintético (polibutadieno). Em resumo, o que difere os elastômeros dos outros polímeros é sua capacidade de deformação e retorno ao tamanho original.
De maneira simplificada, podemos assumir que o látex natural extraído da Hevea brasiliensis é uma emulsão de partículas coloidais polidispersas suspensas em um meio aquoso [1]. Contudo, por se tratar de um produto natural, tal simplificação não é muito adequada, pois o látex se apresenta como um sistema bastante complexo formado principalmente de polihidrocarbonetos, proteínas, fosfolipídios e lutóides. De forma mais cuidadosa, temos que o hidrocarboneto presente no látex é o 2-metil-1,3-butadieno, ou simplesmente isopreno – C5H8, principalmente na configuração 1,4-cis (mas é possível ter pequenas frações de poliisopreno na configuração 1,4-trans), isto é, 1,4-cis-poliisopreno, com um alto peso molecular de 1.200 kDa e seu valor de n é de cerca de 18.000 [2]. A Figura 1 apresenta as estruturas químicas da molécula do monômero isopreno e as duas configurações de maior ocorrência (cis e trans) do poliisopreno encontradas no látex.
Figura 1: Estrutura molecular do monômero isopreno (a) e das configurações poliméricas do poliisopreno cis (b) e trans (c) que constituem a borracha natural.
O sistema coloidal é formado por partículas de borracha (ver Figura 2) suspensas em meio aquoso, cerca de 50-60% do látex é água, o restante (50-40 %) é composto por aproximadamente 96% de hidrocarbonetos (poliisopreno), 1-2% de proteínas, 0,4-1% lipídios neutros, 0,5-0,6 % lipídios polares e 0,4-0,6 % de componentes inorgânicos (incluindo vestígios de metais, tais como magnésio, ferro, potássio, zinco, cobre, entre outros) [3, 4].
Figura 2: Modelos representativos de partículas de borracha (a) estrutura de camadas e (b) formação de pseudomicela formado por cadeias poliméricas hidrofóbicas ligadas a moléculas “cabeças” hidrofílicas, imagens adaptadas da Ref. [5].
O poliisopreno, formador da borracha natural, pode ser encontrado no látex de árvores leitosas, sendo a principal fonte a seringueira (Hevea Brasiliensis), mas também pode ser encontrado em Figueiras, entre outros (ver Tabela 2).
Tabela 2: Tabela de fontes alternativas de produção de látex. Extraída da referência [2].
A Figura 3 apresenta alguns exemplos de plantas que produzem o poliisopreno e são possibilidades para a produção de látex para a indústria. Atualmente, algumas pesquisas estão sendo realizadas no intuito tanto de obter látex (poliisopreno) de fontes alternativas quanto se obter látex com propriedades distintas, ou seja, livres de agentes alergênicos por exemplo.
Atualmente a utilização da borracha pela indústria é bastante vasta e vai desde a fabricação de pneus diversos a cateteres e outras aplicações médicas e biomédicas.
Outra possibilidade de obtenção de elastômeros é via a síntese química combinando a polimerização e ligações cruzadas, como é o caso do elastômero sintético formado por Poliuretano/Polibutadienodiol (PU/PBDO). Este elastômero é baseado em ligações cruzadas do tipo uretano/uréia e pode ser sintetizado a partir da reação entre os grupos de poli(propileno) baseados em óxido de pré-polímeros com três grupos terminais isocianato (como o poliuretano – PU) e polibutadieno com terminação hidroxila (polibutadienodiol – PBDO). A nomenclatura uretano/ureia é devido aos grupos uretano (originados da reação entre o isocianato do PU e o hidroxil do PBDO) e grupos uréia (reação entre os isocianatos do PU) presentes no produto final da síntese [6, 7]. A reação química se dá de forma espontânea entre os grupos terminais isocianatos do PU e os grupos terminais OH do PBDO. A Figura 4 apresenta um esquema da estrutura química dos polímeros precursores e da matriz eslastomérica final.
Figura 4: Estrutura química molecular dos polímeros precursores (a) poliuretano – PU e (b) polibutadienodiol – PBDO. (c) representa a estrutura da matriz elastomérica após a síntese e suas respectivas ligações uretano e uréia. n e x se referem aos números de repetições dos monômeros constituintes dos respectivos polímeros. Figura adaptada da ref. [6].
Faita et al. demonstraram que com elastômeros de PU/PBDO é possível produzir esferas dopadas com diferentes compostos luminescentes [8, 9]. A Figura 5 apresenta esferas luminescentes de PU/PBDO dopadas com Alq3 (molécula luminescente comercial) sob luz branca e ultravioleta (365 nm). Este trabalho de pesquisa foi desenvolvido no LOOSA/UFSC, sob orientação do Prof. Ivan H. Bechtold, bem como em colaboração com pesquisadores portugueses da Universidade Nova de Lisboa – Faculdade de Ciência e Tecnologia.
Figura 5: Parte superior, fotografias de esferas dopadas com Alq3 sob luz branca e irradiação UV. Parte inferior, micrografias ópticas, de uma esfera dopada cortada ao meio, coletadas nos modos de transmitância e fluorescência. Imagem retirada da ref. [9].
Além disso, é possível criar um padrão rugoso em uma das faces das esferas produzindo assim o que é comumente chamado de esferas Janus ou partículas Janus (Janus particles). Esse termo é derivado do Deus romano Janus que possuía duas faces distintas e opostas (ver Figura 6).
Figura 6: (a) e (b) Fotografias das esferas produzidas com diferentes concentrações de Alq3. Em (a), no topo irradiação sob luz branca e na parte inferior respectiva fotoluminescência sob luz UV. Imagens de microscopia eletrônica de varredura (c) e (d) de uma esfera após processo de criação das rugas. Imagem retirada da ref. [9].
Referências:
[1] M.R. Sethuraj, N.M. Mathew, Natural rubber : biology, cultivation, and technology, Elsevier, Amsterdam ; New York, 1992.
[2] J.B. van Beilen, Y. Poirier, Trends in biotechnology, 25 (2007) 522-529.
[3] F.C. Cabrera, D.L.S. Agostini, R.J. dos Santos, S.R. Teixeira, M.A. Rodríguez-Pérez, A.E. Job, Journal of Applied Polymer Science, 130 (2013) 186-192.
[4] D.L.S. Agostini, C.J.L. Constantino, A.E. Job, J Therm Anal Calorim, 91 (2008) 703-707.
[5] D. Threadingham, W. Obrecht, W. Wieder, G. Wachholz, R. Engehausen, Rubber, 3. Synthetic Rubbers, Introduction and Overview, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.
[6] C.T. Zhao, M.N.d. Pinho, Polymer, 40 (1999) 6089-6097.
[7] M.H. Godinho, A.C. Trindade, J.L. Figueirinhas, L.V. Melo, P. Brogueira, A.M. Deus, P.I. Teixeira, The European physical journal. E, Soft matter, 21 (2006) 319-330.
[8] F.L. Faita; A.C. Trindade; M.H. Godinho;, I.H. Bechtold. Journal of Colloid and Interface Science 410 (2013) 124-130.
[9] Faita, Fabrício Luiz – Estudo de matrizes elastoméricas de borracha natural e PU/PBDO para aplicações tecnológicas – Tese (doutorado) – Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2014.
