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Polímeros e elasticidade

Uma molécula polimérica consiste em vários milhares de unidades de repetição química, ou monómeros, ligados entre si por ligações covalentes. A montagem de unidades ligadas é frequentemente referida como a “cadeia”, e diz-se que os átomos entre os quais a ligação química se realiza constituem a “espinha dorsal” da cadeia. Na maioria dos casos os polímeros são constituídos por espinha dorsal de carbono, ou seja, cadeias de átomos de carbono (C) ligados entre si por ligações simples (C-C) ou duplas (C=C). Em teoria, as cadeias de carbono são altamente flexíveis, porque a rotação em torno de ligações simples de carbono permite que as moléculas assumam muitas configurações diferentes. Na prática, contudo, muitos polímeros são bastante rígidos e inflexíveis. As moléculas de poliestireno (PS) e polimetilmetacrilato (PMMA), por exemplo, são constituídas por unidades relativamente volumosas, de modo que, à temperatura ambiente, o movimento livre é dificultado por uma forte aglomeração. De facto, as moléculas de PS e PMMA não se movem de todo à temperatura ambiente: diz-se que se encontram num estado vítreo, em que a disposição aleatória, “amorfa” das suas moléculas é congelada no lugar. Todos os polímeros são vítreos abaixo de uma temperatura de transição vítrea característica (Tg), que varia de -125 °C (-195 °F) para uma molécula extremamente flexível como o polidimetil siloxano (borracha de silicone) a temperaturas extremamente altas para moléculas rígidas e volumosas. Tanto para PS como para PMMA, Tg é aproximadamente 100 °C (212 °F).

alguns outros polímeros têm moléculas que se encaixam tão bem que tendem a encaixar num arranjo cristalino ordenado. Em polietileno de alta densidade, por exemplo, as longas sequências de unidades de etileno que compõem o polímero cristalizam espontaneamente a temperaturas inferiores a cerca de 130 °C (265 °F), de modo que, a temperaturas normais, o polietileno é um sólido plástico parcialmente cristalino. O polipropileno é outro material “semicristalino”: os seus cristais, ou regiões cristalizadas, não derretem até serem aquecidos a cerca de 175 °C (350 °F).

Assim, nem todos os polímeros têm a flexibilidade interna necessária para serem extensíveis e altamente elásticos. Para terem estas propriedades, os polímeros devem ter poucos impedimentos internos ao movimento aleatório das suas subunidades monómeras (por outras palavras, não devem ser vítreos), e não devem cristalizar espontaneamente (pelo menos a temperaturas normais). Ao serem libertados, devem poder regressar espontaneamente a um estado desordenado por movimentos aleatórios das suas unidades de repetição em resultado de rotações em torno da ligação carbono-carbono. Os polímeros que o podem fazer são chamados de elastómeros. Todos os outros são denominados plásticos ou resinas; as propriedades e aplicações destes materiais são descritas em comprimento separadamente no plástico do artigo (resinas termoplásticas e termoendurecíveis).

Quatro elastómeros comuns são cis-poli-isopreno (borracha natural, NR), cis-polibutadieno (borracha de butadieno, BR), borracha de estireno-butadieno (SBR), e etileno-propileno monómero (EPM). SBR é um polímero misto, ou copolímero, constituído por duas unidades diferentes de monómero, estireno e butadieno, dispostos aleatoriamente ao longo da cadeia molecular. (A estrutura de SBR é ilustrada na figura.) EPM também consiste numa disposição aleatória de dois monómeros – neste caso, o etileno e o propileno. Em SBR e EPM, a embalagem fechada e a cristalinidade das unidades monómeras são evitadas pela sua disposição irregular ao longo de cada molécula. Nos polímeros regulares NR e BR, a cristalinidade é evitada por temperaturas de fusão de cristais bastante baixas de cerca de 25 e 5 °C (aproximadamente 75 e 40 °F), respectivamente. Além disso, as temperaturas de transição vítrea de todos estes polímeros são bastante baixas, bem abaixo da temperatura ambiente, de modo que todos eles são macios, altamente flexíveis, e elásticos. Os principais elastómeros comerciais estão listados na tabela, que também indica algumas das suas propriedades e aplicações importantes.