C 60 e novos materiais

Disciplina de Didáctica
da Química I
Texto de Apoio
Novos Materiais
Adaptado de:
V. Gil, J. C. Paiva, A. Ferreira, J. Vale, 12 Q - Química 12º Ano, Texto Editores, Lisboa.
2005.
3.5 Os novos materiais
3.5 OS NOVOS MATERIAIS
Biomateriais poliméricos artificiais e sintéticos
Compósitos
A expressão novos materiais refere-se a materiais recém-descobertos ou desenvolvidos, mas também a materiais já há mais tempo conhecidos mas que hoje são objecto de uma
produção de maior qualidade e elevado desempenho funcional, graças a melhores condições de
controlo dos processos de fabrico alcançadas nas últimas décadas. Eis as principais categorias
destes novos materiais:
• Polímeros condutores;
• Materiais nano-estruturados;
• Materiais inteligentes;
• Novos cerâmicos;
• Biomateriais;
• Compósitos.
Os polímeros condutores são materiais que, além de possuirem propriedades ópticas,
magnéticas, eléctricas e electrónicas equiparadas aos metais, possuem propriedades mecânicas semelhantes aos polímeros. Um exemplo é o do poliacetileno, obtido por polimerização do
acetileno (etino) em reacção de adição:
(3.13)
n (HC
CH)
…
HC
CH CH CH
…
Outro exemplo é o polifenileno:
…
…
Os materiais nano-estruturados utilizados no desenvolvimento de memórias lógicas
incluem os nanotubos de carbono (Fig. 3.36), nanofios de ouro, nanofios e nanofitas de semicondutores. Os nanotubos de carbono surgiram na sequência da descoberta de uma nova forma
de carbono (além de diamante e grafite): os fulerenos, de que C60 é o exemplo mais conhecido.
Fig. 3.36
Estrutura do fulereno
C 60 (vísivel em 3D
com óculos azul-vermelho).
Os chamados materiais inteligentes, que estão entre os dez produtos mais inovadores
até 2006, são estruturas que se modificam como reacção a mudanças que ocorram no
ambiente.
341
Unidade III – Plásticos, Vidros e Novos Materiais
Entre os novos cerâmicos estão materiais superconduotores a que se aludiu na Unidade I.
O primeiro desses materiais foi um óxido de lantânio, bário e cobre: LaBa2Cu3Ox (x = 6 ou
7). Reconhecendo-se que La e Y (ítrio) pertencem ao mesmo grupo da Tabela Periódica, logo se
tentou YBa2Cu3Ox , que se revelaria um supercondutor a temperatura menos negativa.
Os biomateriais são materiais – metais, cerâmicos, polímeros e compósitos – que implicam interacção com sistemas biológicos, com relevo para biomateriais poliméricos aplicados
em várias áreas da Medicina: cardiologia, ortopedia, oftalmologia, libertação controlada de
medicamentos nos locais apropriados do organismo. Uma das características exigidas é a da
biocompatiblidade.
Os compósitos são materiais resultantes da mistura de, pelo menos, dois materiais
quimicamente distintos, como metais, produtos cerâmicos e polímeros, com uma interface
de contacto.
Dar-se-á aqui especial atenção a biomateriais poliméricos e a compósitos, quer com aplicação biológica quer industrial.
Biomateriais poliméricos artificiais e sintéticos
Quanto a novos polímeros, realçam-se neste contexto os que sejam biodegradáveis. O
conceito de biodegradação está longe de reunir consenso, considerando a ponderação da natureza do processo (com ou sem ruptura de ligações químicas), o tipo de produto ou produtos finais
e o tempo de reintegração desses produtos no Ambiente. Em particular, a defesa da biodegradação não pode ignorar os eventuais efeitos dos produtos finais na qualidade do Ambiente.
A degradação de um material é um processo irreversível pelo qual ele sofre modificações físicas, químicas ou bioquímicas que ocorrem espontaneamente. Em processos de
biodegradação, estas alterações são catalisadas por actividade biológica. O resultado é ou
mineralização – isto é, conversão do material orgânico em gases e/ou compostos inorgânicos – ou formação de biomassa.
Fig. 3.37
Poluição ambiental
por plásticos.
342
Recordemos que em poliolefinas, como
o polietileno, por exemplo, as ligações C–H
e, por maioria de razão, as ligações C–C são
pouco polares, o que os torna insolúveis em
água. Por outro lado, embora certas bactérias
sejam capazes de digerir, por exemplo, o
polietileno, elas só o conseguem fazer a partir dos extremos das longas macromoléculas.
O processo é, por isso, muito lento. Por esta
razão, estes plásticos não são praticamente
biodegradáveis quando em contacto com o
solo. Daí o problema que constituem para o
Ambiente (Fig. 3.37).
3.5 Os novos materiais
Uma solução consiste em, por exemplo, intercalar na cadeia polimérica moléculas de
amido. Estas são rapidamente digeridas pelas bactérias o que quebra a cadeia em vários locais,
aumentando, assim, o número de extremos que as bactérias podem subsequentemente atacar.
Outra solução reside em copolímeros de etileno e pequenas quantidades de monóxido de carbono. Este último absorve abundantemente radiação ultravioleta que acelera a decomposição
dos polímeros: fotodegradação. De qualquer modo, é indispensável que os materiais não
estejam excessivamente distantes da superfície em aterros sanitários para que possam receber
as radiações necessárias à fotodegradação ou o oxigénio necessário à biodegradação.
O fabrico de plásticos biodegradáveis está naturalmente condicionado por razões de custo
e não só por razões técnicas ou científicas. É, o caso, por exemplo, do poli(ácido láctico):
O
O
n
O CH
HO CH C
OH
CH3
O
O CH
C
CH3
C
O CH …
CH3
CH3
Poli(ácido láctico)
Ácido láctico
(3.14)
que, apesar de se poder obter a partir do amido da batata (primeiro convertido em glicose e
depois em ácido láctico), ainda é um produto de fabrico dispendioso.
Outro exemplo é o poli(ácido glicólico) ou ácido poliglicólico, a partir de ácido
glicólico em concentrações relativamente elevadas, nos tecidos vegetais jovens e nos frutos
verdes (ex: groselhas, uvas, pêras e maçãs):
O
n
HO CH2 C
OH
O
O
…
O CH2
C
O CH2
C O CH2
O
…
(3.15)
Repare-se que estes polímeros são obtidos por reacção de condensação, com eliminação de água, a partir dos ácidos monoméricos correspondentes. Já o poli(álcool vinílico) que
difere do PVC por ter -OH em vez de -Cl
…
CH
CH2 CH
OH
OH
CH2
…
é um polímero solúvel em água obtido por uma reacção de adição.
A intervenção de microrganismos no campo dos plásticos não se limita às questões de
degradação. Assim, na década de 90 do século passado, teve início o estudo de polímeros
de origem biológica, produzidos por bactérias, em particular, o poli(hidroxibutirato) (PHB),
polímero biodegradável obtido a partir da sacarose (açúcar vulgar). Estes polímeros podem
ser sintetizados por fermentação, provocada por uma cultura de bactérias alimentada por
um substrato controlado, ou seja, numa primeira fase, a cultura é caracterizada por um
estágio de multiplicação. Numa segunda fase, é retirado o nutriente essencial para a multiplicação celular, mas mantém-se o fornecimento de hidratos de carbono que são acumulados pelas bactérias.
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Unidade III – Plásticos, Vidros e Novos Materiais
A expressão produtos de base sustentável tem uma clara aplicação no mundo dos
polímeros. Esta expressão deve ser tomada no sentido em que os polímeros devem conciliar:
• viabilidade económica;
• aceitabilidade no domínio ambiental;
• reconhecimento das limitações das matérias-primas.
Este último determina a procura de materiais e/ou processos alternativos. A aceitabilidade
ambiental implica a conjugação ponderada de três factores: materiais reutilizáveis, recicláveis, biodegradáveis.
Questão 3.15
É, também, neste contexto que a reciclagem assume uma importância especial,
podendo distinguir-se a reciclagem que visa a obtenção de novos produtos ou a produção de
energia. A reciclagem química e a reciclagem mecânica, apesar de diferirem, possuem
como característica comum a possibilidade de produzir novos produtos. Contudo, na reciclagem energética, dá-se relevo à recuperação de energia contida nos plásticos através de
processos térmicos. Em particular, os plásticos funcionam como combustível na obtenção de
energia eléctrica. A simples incineração não reaproveita a energia dos materiais. Cerca de
15% da reciclagem de plásticos na Europa Ocidental é realizada via reciclagem energética
como ilustrado na figura 3.38.
Resíduos
gasosos
Embalagem Embalagem
comprimida
nova
Queima
Filtros
Emissão
Resíduos sólidos
Fig. 3.38
Reciclagem energética de plásticos.
Energia
Aquecimento
de água
Electricidade
Compósitos
O polissacárido amido, reserva alimentar em plantas como o milho e o arroz, pode ser
convertido química, física e biologicamente em compostos úteis à indústria. Sob determinadas
condições de pressão e temperatura, e na presença de um agente plastificante, o amido pode
ser transformado num material denominado amido termoplástico. A sua utilização passa por
substituir o plástico convencional em situações como: sacos de lixo, plásticos para proteger alimentos, etc. Trata-se de mais um material obtido a partir de um recurso renovável que se propõe dispensar a utilização do petróleo como matéria-prima para fabrico de determinado tipo de
plásticos. É também uma ponte para a classe de materiais designados por compósitos.
Os compósitos são materiais que incorporam polímeros naturais e sintéticos com vista
a novas texturas e usos, designadamente com a capacidade de suportarem condições extremas de pressão e temperatura.
344
3.5 Os novos materiais
Os materiais compósitos plásticos, utilizados antes do Séc. XX, eram baseados em produtos resinosos naturais como a caseína e a albumina. No entanto, seria mais tarde, com a produção de poliéster reforçado com fibra de vidro, que se viria a identificar o início da era dos compósitos plásticos. Assim, o poliéster reforçado com fibra de vidro (fibras de SiO2 entrelaçadas
na matriz do polímero) é utilizado no fabrico de
barcos e na indústria aeroespacial, devido à
sua alta resistência, a sua durabilidade, baixa
densidade e facilidade de assumir formas complexas. Também polímeros reforçados com
fibras de carbono (grafite) são aplicados em
construção civil, em vez de chapas de aço, e em
muitos objectos, como sejam as raquetas de
ténis (Fig. 3.39).
Fig. 3.39
Raqueta de ténis:
aplicação das fibras
de carbono.
Num compósito, distinguem-se duas fases: a fase contínua – matriz – escolhida de
forma a conferir a maleabilidade e ductilidade desejadas, e a fase descontínua – fase dispersa ou fase de reforço – escolhida de modo a conferir resistência.
O vulgar MDF (do inglês Medium Density Fiberboard) pode ser considerado um compósito seminatural (Fig. 3.40). É uma chapa de média densidade, fabricada a partir da aglutinação de fibras de madeira com resinas sintéticas e acção continuada de pressão e aquecimento. Tem grande aplicação na indústria do mobiliário.
Fig. 3.40
Placa de MDF, um
compósito semi-natural.
A fibra do coco (Fig. 3.41) é um material multicelular constituído por celulose. A
utilização da fibra de coco para a obtenção
de biocompósitos é relevante por ser um
processo barato, natural e renovável. O teor
das fibras brutas do coco verde despertou o
interesse na formação de ligas com vários
polímeros e materiais na construção civil
como blocos de betão. A fibra do coco, quando associada ao aglomerado de cortiça expandido, é usada no isolamento térmico e acústico e na produção de fibro-cimento.
Fig. 3.41
Coco: utilizado na obtenção de biocompósitos.
Os compósitos de matriz metálica (MMC) desenvolveram-se nas últimas duas décadas.
Os metais mais utilizados como matriz são o alumínio e o magnésio devido, em parte à sua
baixa densidade. O titânio também pode ser opção, especialmente para aplicações a elevadas temperaturas. A maneira mais fácil e barata de obter o reforço nos MMC é em forma de
partículas, sendo o óxido de alumínio (Al2O3) e o carbeto de silício (SiC) as substâncias mais
utilizadas. O tamanho típico para uma partícula de reforço é 10-20 micrómetros.
345
Unidade III – Plásticos, Vidros e Novos Materiais
Mais alguns materiais importantes no nosso quotidiano
A multiplicidade de materiais produzidos nos nossos dias tem influenciado decisivamente
a qualidade de vida das sociedades. Ao longo deste livro (e da Unidade 3, em particular)
foram referidos muitos materiais importantes, aplicados em áreas como a medicina, a
electrónica, a aeronáutica, a construção civil, etc. Na figura seguinte estão imagens de
mais alguns materiais.
Fig. 3.42
Alguns materiais:
jantes de liga leve, lã
de vidro, lã de rocha
e roofmate.
Cada um destes materiais possui características próprias:
Jantes de liga leve: As jantes de liga leve possuem na sua composição cerca de 80% de
alumínio e 20% de outros metais tais como cobre ou o magnésio. Este tipo de jantes,
como algumas outras, contribui para um melhor arrefecimento dos travões quando comparadas com as de aço.
Lã de vidro: A lã de vidro é obtida a partir de um vitrificante (sílica em forma de areia),
um fundente (carbonato de sódio, sulfato de sódio e potássio) e um estabilizante (carbonato de cálcio e magnésio), para conferir ao vidro grande resistência à humidade. Este
material é desenvolvido especificamente para melhorar o isolamento termo-acústico das
habitações. É um produto incombustível.
Lã de rocha: A lã de rocha é fabricada a partir de rochas basálticas especiais e outros
minerais. Estes são aquecidos a cerca de 1500 °C e transformados em filamentos que,
aglomerados com soluções de resinas orgânicas, permitem a obtenção de variados produtos, que podem ser leves e flexíveis ou muito rígidos. A lã de rocha apresenta maior
densidade que a lã de vidro e tem maior aplicação industrial, por suportar temperaturas
superiores.
Roofmate: O roofmatePT é uma placa de isolamento térmico para coberturas inclinadas
(debaixo de telha). É uma placa rígida de espuma de poliestireno extrudido com estrutura
de célula fechada, fabricada mediante um processo original.
Questão 3.16
Fig. 3.43
Cermet: compósito
usado em ferramentas
de corte.
Fig. 3.44
Lava-loiças. Muitos
são feitos de materiais
compósitos. São muito
resistentes química e
mecanicamente.
346
O cermet é um exemplo de um compósito, utilizado
em ferramentas de corte (Fig. 3.43). É constituído por uma
matriz metálica maleável de cobalto a que se adicionam partículas finas de um material cerâmico de elevada dureza, o
carbeto de tungsténio (WC2), como fase de reforço. É um
exemplo de compósito particulado. Os materiais cerâmicos
utilizados nos compósitos particulados podem ser muito
variados: carbeto de tungsténio, carbeto de silício e cerâmicos naturais como pó de granito,
quartzo, alumina. O pó de granito também é usado como fase de reforço associada a uma
matriz polimérica de resina epóxi.
Além da sua aplicação em ferramentas de
corte e em electrónica, os compósitos são, como
já se referiu, crescentemente aplicados nas
indústrias naval, aeroespacial, automóvel e de
materiais de construção (Fig. 3.44).