Muitos brinquedos de plástico são feitos de polipropileno. Crédito:MIPT
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Materiais Poliméricos Sintéticos da Academia Russa de Ciências, O MIPT e outros determinaram como a regularidade das moléculas de polipropileno e o tratamento térmico afetam as propriedades mecânicas do produto final. Seus novos conhecimentos tornam possível sintetizar um material com propriedades pré-determinadas, como elasticidade ou dureza. O artigo que detalha o estudo foi publicado em Polímero .
Em termos de volume de produção, polipropileno só perde para o polietileno. Ajustando sua estrutura molecular, o polipropileno pode ser usado para fabricar materiais com uma ampla gama de recursos, de elásticos a plásticos de alto impacto. Contudo, a relação entre a estrutura química do polímero e suas propriedades mecânicas não é totalmente compreendida.
O que torna as propriedades dos materiais poliméricos tão variáveis é sua composição. Uma molécula de polímero é uma longa cadeia de unidades repetidas de comprimento desigual. Se essas moléculas estão misturadas mais ou menos aleatoriamente em um material, diz-se que é amorfo. Esses polímeros são macios. Em outros materiais, as cadeias de polímero formam interconexões chamadas de ligações cruzadas. Isso dá origem a regiões de estrutura atômica altamente regular (fig. 1), semelhante ao dos cristais, daí o nome cristalitos. Eles mantêm toda a rede molecular unida, e quanto mais cristalitos houver em um material, mais difícil é. Para formar links cruzados, as cadeias moleculares precisam possuir uma certa regularidade estrutural chamada isotacticidade.
Fig. 1. Cadeias de polímero com os cristalitos circulados. Crédito:MIPT
Uma cadeia de polipropileno consiste em uma estrutura de átomos de carbono com átomos de hidrogênio anexados. Todos os outros átomos de carbono da cadeia possuem um grupo metil ligado a ele. Dois átomos de carbono adjacentes na cadeia com os átomos de hidrogênio e o grupo metil ligado a eles constituem uma unidade de repetição chamada propileno, ou propeno. A configuração espacial da macromolécula - a cadeia de polímero - é determinada pela orientação mútua dos grupos metil na cadeia (fig. 2):Se eles estão todos em um lado, a molécula é considerada isotática. Se eles alternam entre ficar de frente para um lado e para o outro, o arranjo é conhecido como sindiotático. A ausência de qualquer padrão consistente é chamada de atacticidade. Os segmentos de cadeia isotática são muito eficazes na formação de ligações cruzadas. Portanto, um maior grau de isotaticidade do polipropileno resulta em um material mais resistente. Os químicos podem sintetizar polipropileno com isotacticidade predeterminada. Os autores se propuseram a estabelecer a relação precisa entre as propriedades mecânicas do material e a isotacticidade.
Pentad. A abundância relativa de pêntades - segmentos isotáticos de cinco unidades em uma cadeia polimérica - é uma boa medida da isotaticidade geral do polímero. Crédito:MIPT
O que o torna forte
O grau de isotacticidade de um polímero é expresso em termos do conteúdo de pêntades nele. Um pentad é um segmento de molécula perfeitamente isotático com cinco unidades repetidas de comprimento. Os pesquisadores examinaram polipropilenos caracterizados por vários graus de isotacticidade:especificamente, 25, 29, 50, 72, 78, 82, e mais de 95 por cento. Amostras de cada tipo de polipropileno foram obtidas na forma de filmes, 0,5-0,7 milímetros de espessura, usando duas técnicas distintas:a saber, resfriamento do material fundido em água gelada e resfriamento a uma taxa de 3 graus por minuto. Os filmes foram então submetidos a alongamento a 10 milímetros por minuto em uma máquina de teste.
A dependência do módulo de elasticidade E na cristalinidade:etiquetas Q e S extintas e amostras resfriadas lentamente, M e ZN correspondem a diferentes catalisadores, e os números de 25 a 95 indicam o percentual de isotacticidade da amostra. Crédito:MIPT
Usando os resultados dos testes mecânicos, os autores traçaram uma curva tensão-deformação para cada uma das amostras. Eles descobriram que o comportamento das amostras sob tensão estava relacionado à sua isotacticidade e pré-história térmica, ou seja, se eles foram resfriados lentamente ou rapidamente. Os pesquisadores descreveram essa relação como uma dependência do módulo de elasticidade do grau de cristalinidade (fig. 4). Módulos elásticos mais altos correspondem a materiais mais resistentes. O grau de cristalinidade é a porcentagem dos cristalitos - em oposição às regiões amorfas - no volume do material. A equipe também mostrou que os cristalitos em amostras resfriadas lentamente e resfriadas diferiam em sua forma.
As três configurações moleculares - isotáticas, sindiotático, e atático - diferem pela orientação mútua do grupo metil (laranja) e hidrogênio (verde). Crédito:MIPT
“Muitas pessoas tentam melhorar as propriedades do polipropileno, pois o retorno do esforço investido é grande. É produzido por milhões de toneladas, e é necessário apenas ajustar ligeiramente a estrutura da cadeia ou as condições de preparação para obter um material com as propriedades desejadas, "diz o autor Maxim Shcherbina, que leciona no MIPT e é um cientista de pesquisa líder no Laboratório de Estruturas Poliméricas Funcionais do Instituto de Materiais Poliméricos Sintéticos, RAS. "Durante a síntese, você determina a estrutura da molécula. Mas quando você faz isso, você também determina as propriedades da rede e, portanto, as propriedades do material. Esta é a principal conclusão que tiramos no artigo. Agora mesmo, estamos fazendo coisas semelhantes com polietileno - outro polímero bastante popular. "
