DSC: o que é essa análise e para que ela serve?

O que é DSC?

A técnica difundida como DSC (Differential Scanning Calorimetry), em português Calorimetria Exploratório Diferencial, pode ser definida como uma técnica que mede as temperaturas e o fluxo de calor associado com as transições dos materiais em função da temperatura e do tempo. Tais medidas fornecem informações qualitativas e quantitativas sobre mudanças físicas e químicas que envolvem processos endotérmicos (absorção de calor), exotérmicos (liberação de calor) ou mudanças de capacidade calorífica.

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O método de ensaio consiste em aquecer ou arrefecer uma amostra a uma taxa controlada, sob ação de um gás de purga especifico com fluxo controlado, e monitoramento contínuo com dispositivo de detecção adequado para observar a diferença de entrada de calor entre o material de referência e um material de ensaio.

Para que serve?

Se trata de uma das técnicas mais importantes, utilizadas e difundidas para caracterização e identificação de Polímeros. Numa análise de DSC podem ser obtidas propriedades como:

Temperatura de transição vítrea (Tg)

Calor de fusão e de reação

Temperatura de fusão (Tm)

Capacidade calorífica (Cp)

Temperatura de ebulição (Te)

Estabilidade térmica e oxidativa

Temperatura (Tk) e tempo de cristalização

Grau de reticulação

Grau de cristalinidade

Cinética de reações

A técnica de DSC também pode ser utilizada para detecção de tensões congeladas em peças acabadas, contaminação e ou mistura de material, tempo de oxidação (OIT e OOT), algumas quantificações para mistura de materiais, etc.

Alguns fatores podem interferir diretamente no resultado final da análise são: taxa de aquecimento e resfriamento, gás utilizado, tipo de porta amostra, massa e forma da amostra, etc.

Uma curva típica de DSC pode ser observada a seguir:

Gráfico de uma análise DSC

Figura: Gráfico de uma análise DSC

 

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Nossas referências:

  • Análise térmica de materiais – Cheila Gonçalves Mothé e Aline Damico de Azevedo
  • ASTM D3418 -2105: “Standard Test Method for Transition Temperatures and Enthalpies of Fusion and Crystallization of Polymers by Differential Scanning Calorimetry”

Bioplásticos: Entenda de uma vez por todas!

Plásticos verdes, biopolímeros, bioplásticos, polímeros biodegradáveis e biobasedos… Entenda de uma vez por todas!

Tecnologias recentes têm sido direcionadas para a produção de materiais poliméricos menos agressivos ao meio ambiente. Hoje em dia o mercado de polímeros encontra uma situação de pleno crescimento, impulsionado pelas evoluções no mercado de “bioplásticos”. Todavia esta terminologia é um tanto quanto subjetiva, podendo ser interpretada muitas vezes de forma ambígua, sendo atrelada a duas classes de materiais com características distintas sendo:

  1.  Polímeros biodegradáveis;
  2.  Polímeros biobaseados, plásticos “verdes” ou mesmo bioplásticos.

Para garantir uma utilização correta destes termos, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) publicou uma recomendação de terminologias para a área, sendo as mais importantes para a compressão deste tema destacadas na tabela abaixo.

Tabela – Recomendação da IUPAC sobre terminologias relacionadas a polímeros e suas aplicações.

Termo

Significado

Macromolécula

Molécula de alta massa molar feita com múltiplas repetições de pequenas moléculas

Biomacromolécula

Macromoléculas produzidas por organismos vivos

Polímero

Substância composta de macromoléculas

Biopolímero

Substância composta de biomacromoléculas

Biopolímero Sintético

Cópia de um biopolímero, feita pelo homem por rotas abióticas

Polímero Artificial

Polímero feito pelo homem que não seja um biopolímero

Biomassa

Sistemas vivos e coleções de substâncias orgânicas produzidas por sistemas vivos, exploráveis como materiais aplicados

Polímero Biobaseado

Composto ou derivado, total ou em parte, de produtos biotecnológicos derivados de biomassa

Bioplástico

Polímero biobasedo que pode ser moldado em alguma parte do processo

Polímero Biodegradável

Polímero que pode ser degradado pela ação do ambiente, como ar, luz, calor ou micro-organismos

Polímeros Biodegradáveis

Os polímeros biodegradáveis podem ser produzidos a partir de monômeros derivados tanto da indústria petroquímica como de materiais renováveis. Porém, apresentam uma estrutura passível de biodegradação, que pode ocorrer de maneira abiótica através da exposição à luz, umidade, vento e calor. Além disso, também pode ocorrer por rotas bióticas por ação de enzimas e micro-organismos, ou ambas. Esses materiais possuem uma estrutura química que permite uma rápida assimilação do material pelo meio ambiente, minimizando o impacto causado pelo descarte de plásticos.

Quando exposto a agentes físicos e/ou comunidades microbianas de um determinado ambiente como, por exemplo, solo, lodo ou água, polímeros biodegradáveis e biopolímeros são biotransformados, podendo ser completamente mineralizados a CO2, H2O e outros compostos. Enzimas secretadas extracelularmente e/ou fenômenos como luz, calor e umidade atacam o esqueleto químico dos polímeros, levando a produtos de degradação de baixa massa molecular, que podem ser assimilados por células microbianas para serem usadas como fonte de carbono e energia.

Pode-se correlacionar a capacidade de biodegradação com a existência de certos grupos funcionais de maior labilidade frente a hidrólise. Assim, de uma maneira geral poliésteres, poliamidas, poliuretanas, polianidridos, poliacetais e polímero com substituintes polares podem ser susceptíveis a processos de degradação, em diferentes faixas de tempo.

Bioplásticos

Os polímeros biobaseados, bioplásticos ou ainda “plásticos verdes” são aqueles que apresentam estrutura química similar aos compostos derivados de petróleo. Porém a matéria-prima utilizada para a fabricação deste material é total ou parcialmente proveniente de fontes renováveis, sendo o principal substrato a biomassa derivada de resíduos agroindustriais. A biomassa oferece uma fonte de carbono proveniente da biosfera como uma alternativa para o carbono fossilizado.

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Qualquer material biológico que cresça e esteja disponível pode ser classificado como biomassa, incluindo plantações, árvores, subprodutos animais e humanos, resíduos industriais e qualquer outro material biológico com capacidade de ser reabastecido em um curto espaço de tempo. Este material passa por uma ou mais etapas de transformação para a obtenção de pequenas “moléculas de plataforma”, que podem ser inseridas em processos industriais existentes sem necessidade de modificação da rota.

O uso deste substrato como fonte de matéria-prima reduz a pegada de carbono e a emissão de gases nocivos, quando se considera que o material vegetal utilizado para obtenção do material de partida utilizou parte destes componentes, especialmente CO2, para seu desenvolvimento enquanto viva.

Entretanto, é importante salientar que uma vez produzido o polímeroverde”, eles apresentam os mesmos problemas relacionados com os polímeros petroquímicos convencionais no que tange a geração de resíduos e outros problemas. A própria definição de “biobaseado” (bio-based) da IUPAC ressalta que “um polímero biobaseado ou dispositivo polimérico não é necessariamente ambientalmente amigável, nem biocompatível, nem biodegradável, especialmente se possuir estrutura que remeta a polímeros baseados em petroquímicos”. Inclusive, o órgão recomenda a não utilização do termo bioplástico e sim o uso do termo biobaseado, uma vez que o nome bioplástico é uma terminologia enganosa pois sugere que qualquer polímero derivado de biomassa é ambientalmente amigável.

A figura abaixo ilustra as diferenças encontradas entre cada tipo de polímero, e seus principais representantes dentre os materiais conhecidos atualmente.

Diagrama para biopolímeros. Destaque para bioplásticos

Figura: Tipos de polímeros produzidos industrialmente

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Os Plásticos no século XX: Uma breve história

A história dos plásticos começa substituindo materiais como marfim e a madeira.

 

Plásticos na primeira metade do século XX

Em 1900 surge a baquelite, o primeiro dos plásticos sintéticos comerciais, com o intuito de substituir o marfim dos elefantes, os cascos e os chifres bovinos. A baquelite está em uso até hoje, devido sua versatilidade e modernidade.

Durante os anos 30 houve dois desenvolvimentos impactantes para a indústria do plástico:

  • produção do Poliestireno (PS), polímeros acrílicos e o poli (cloreto de vinila) a partir do petróleo;
  • Moldagem por injeção tornou-se automática;

Com isso, os valores dos produtos foram reduzidos, tornando-os mais acessíveis para os consumidores e produtores. Um exemplo é o PMMA – Poli (metil metacrilato) (Acrílico) que começou a ser utilizado na produção de cabines de aeronaves e outras proteções.

Aeronave americana de 1940

Aeronave americana de 1940

Ainda nos anos 30, mais precisamente em 1938, o Nylon ® (Poliamida) foi inventado pelo químico Wallace Hume Carothers. Este foi a primeira fibra têxtil sintética produzida pelo homem de forma que, assim, o plástico entrava também no âmbito da moda, do estilo, da vaidade e da elegância na fabricação das meias-calças. Para se ter uma ideia, 64 milhões de meias-calças vendidas em apenas um ano.

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Os plásticos foram pouco a pouco virando tendência na indústria têxtil. Nos anos 50, tecidos como poliéster, Nylon® e Lycra®, que eram fáceis de lavar, dispensavam a necessidade de passar roupa e tinham baixo custo, tornaram-se muito populares. Além disso, nos mesmos anos, houve um crescimento dos laminados decorativos, conhecidos como Formica®, muito populares em lanchonetes e restaurantes norte-americanos, somado a fabricação de utensílios domésticos a partir da resina melamina-formaldeído.

Plásticos na segunda metade do século XX

No início segunda metade do século XX, o plástico atinge seu ápice em móveis, lustres, utensílios, tecidos, acessórios, entre outros, ao ponto que tudo deveria ser de plástico colorido, chamativo, de formato exótico e acabamento perfeito. Por muitos anos, o plástico foi referência em estética, visual e bom gosto, devido ao seu apelo futurista e arrojado.

Concomitantemente ocorria a corrida especial em que os plásticos tornaram-se fundamentais na produção de componentes para naves espaciais, devido ao seu baixo peso e versatilidade.

Nos anos 70 e 80, os plásticos se inseriram mais ainda no dia a dia das pessoas. Passaram a ser utilizados em produtos como fitas k7 e VHS, máquinas fotográficas e aparelhos de som. Além disso, em 1988, os automóveis já contavam com 11% de plásticos na sua totalidade.

Fita VHS e aparelho de vídeo, produtos confeccionados com plásticos

Fita VHS e aparelho de vídeo

Embora os plásticos já fossem produtos um tanto quanto “maduros”, houve importantes desenvolvimentos na década de 90. Um exemplo é a criação de sofisticados filmes multicamadas extremamente finos e eficientes, proporcionando mais tempo de prateleira e frescor aos produtos. Somado a isso, com o aumento do engajamento no assunto de proteção ambiental, novas técnicas para reciclar e recuperar produtos plásticos foram desenvolvidas.

Em breve lançaremos uma pequena história do plástico no século XXI, seus avanços e perspectivas para o futuro.

Quer saber mais sobre plásticos e polímeros?

 

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O que são polímeros?

Polímeros: do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetição). Entenda como esse material é obtido e o quanto é importante para a indústria e para diversos outros setores. Conheça abaixo suas 3 grandes classes.

Assim, um polímero é uma macromolécula composta por muitas (dezenas de milhares) de unidades de repetição denominadas meros, ligadas por ligação covalente.

A matéria-prima para a produção dos polímeros é o monômero, isto é, uma molécula com uma (mono) unidade de repetição. Dependendo do tipo do monômero (estrutura química), do número médio de meros por cadeia e do tipo de ligação covalente, poderemos dividir esse tipo de material em três grandes classes: Plásticos, Borrachas e Fibras. Assim, podem ser divididos em muitas subclasses, pela utilização de critérios como origem, estrutura química, comportamento mecânico, etc. Por exemplo, podemos classificá-los dividindo-os em polímeros naturais e sintéticos.

Os que são classificados como naturais ou biopolímeros, são aqueles sintetizados por organismos vivos, como lã, ceda, celulose, e etc. Até mesmo nosso DNA é um biopolímero, pois tem sua estrutura composta por dois polinucleotídeos dispostos no formato de dupla hélice que conhecemos.

Polímeros - Estrutura do DNA: polinucleotídeos dispostos no formato de dupla hélice.

Figura1 – Estrutura do DNA: polinucleotídeos dispostos no formato de dupla hélice.

Já os que são classificados como sintéticos são aqueles sintetizados pelo homem a partir de matérias-primas obtidas da natureza. Geralmente são subdivididos em Termoplásticos, Termofixos, Elastômeros (borrachas) e Fibras. Tal subdivisão não é exclusividade da classe dos sintéticos, sendo que os naturais também podem ser divididos nesses grupos. Os polímeros sintéticos podem ser encontrados numa ampla variedade de produtos.

Entre os polímeros mais comuns estão o Polipropileno (cadeiras, mesas, embalagens, utensílios domésticos, para-choques e outras peças automotivas), Polietileno (embalagens e frascos, bombonas, caixas d’água, tubos, etc), e PVC (tubos e outras peças para construção civil, brinquedos, embalagens, etc).

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Além destes, podemos mencionar as Poliamidas, que possuem importante papel no segmento têxtil e de peças técnicas, em especial para o setor automotivo, o PET, muito utilizado em frascos e embalagens e o Teflon, utilizado como revestimento de panelas antiaderentes. Também podemos citar os polímeros de alto desempenho como as Poliaramidas, utilizadas em coletes a prova de balas. As Polisulfonas, em aplicações que requeiram boas propriedades em temperaturas elevadas. E o PEEK, utilizado em próteses ortopédicas.

Onde encontram-se os polímeros no nosso dia-dia?

É quase impossível imaginar alguma atividade realizada em nosso planeta que não envolva o uso de polímeros comerciais. Nossas roupas, embalagens, artefatos esportivos, utensílios domésticos e móveis possuem diversos tipos dessa classe de material em sua constituição. Próteses ortopédicas, medicamentos e dispositivos médicos também.

Além destes, máquinas agrícolas, automóveis, instrumentos musicais, aparelhos eletrônicos (computadores, celulares, máquinas fotográficas), e vários outros exemplos, são constituídos de materiais desse tipo.

De acordo com a American Chemistry Council, hoje os polímeros, bem como seus compósitos, representam cerca de 50% do volume de um veículo leve, porém apenas 10% de seu peso. Isso torna os carros mais leves e mais energeticamente eficientes, resultando em menores emissões de gases do efeito estufa.

Além disso, os polímeros de alto desempenho permitem melhorar a segurança dos passageiros e uma maior versatilidade para a criação de novos designs. Por fim, muitos deles poder ser recicláveis, causando menos impactos ambientais uma vez que retornam à cadeia produtiva.

Dessa forma, a tendência é que no futuro produtos dessa classe de materiais sejam  cada vez mais fabricados e estejam ainda mais presentes no nosso cotidiano. Ademais, as novas tecnologias de materiais e de processos, como por exemplo, polímeros biodegradáveis, reciclagem e impressão 3D, permitirão a fabricação de peças cada vez mais leves, de elevado desempenho e que não prejudiquem o meio-ambiente.

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Leitura Recomendada:
“Ciência dos Polímeros – Um Texto Básico Para Tecnólogos e Engenheiros.” Autor: Sebastião Vicente Canevarolo Júnior.