Sobre difusão em polímeros, responda as questões abaixo (item 14.14 do capítulo 14 do Callister):
2. Relacione a difusão em polímeros com a deterioração destes materiais.
2. Relacione a difusão em polímeros com a deterioração destes materiais.
Passo 1
O enunciado pede para relacionar o fenômeno de difusão em polímeros com a deterioração desses materiais. O conteúdo envolve entender como moléculas (água, oxigênio, solventes, plastificantes etc.) penetram no interior do polímero segundo as leis de Fick e, uma vez lá dentro, desencadeiam reações químicas ou físicas que levam à degradação (hydrolysis, oxidação, extração de aditivos, embrittlement).
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar as leis de Fick que regem a difusão em meios sólidos:
é a lei de Fick–1ª, onde
é o fluxo de moléculas,
o coeficiente de difusão e
a concentração. Em regime transiente, a lei de Fick–2ª é
Em polímeros,
depende da temperatura, do grau de cristalinidade e do volume livre entre cadeias.
Passo 3
Quando uma molécula agressora (por ex.,
ou
) difunde-se no polímero, ela pode:
- Promover hidrólise de grupos polares (como em poliamidas e poliésteres), rompendo ligações e reduzindo massa molar.
- Gerar oxidação de cadeias (especialmente em polímeros saturados como polietileno), formando radicais livres que levam a scission (quebra de cadeias) ou crosslinking indesejado.
- Extrair plastificantes ou aditivos, alterando a flexibilidade e as propriedades mecânicas.
Passo 4
Esses processos produzem efeitos de deterioração, tais como:
– Embrittlement (endurecimento) por perda de plastificante ou por produção de grupos carbonila que tornam o material quebradiço.
– Amarelamento e formação de trincas superficiais devido à oxidação.
– Fragilização por hidrólise em ambientes úmidos, reduzindo a tenacidade.
– Perda de integridade dimensional se houver inchaço por absorção de solventes ou água.
– Embrittlement (endurecimento) por perda de plastificante ou por produção de grupos carbonila que tornam o material quebradiço.
– Amarelamento e formação de trincas superficiais devido à oxidação.
– Fragilização por hidrólise em ambientes úmidos, reduzindo a tenacidade.
– Perda de integridade dimensional se houver inchaço por absorção de solventes ou água.
Passo 5
Portanto, a difusão controla o ritmo de entrada dessas espécies agressoras no interior do polímero. Quanto maior for o coeficiente de difusão
ou maior o gradiente de concentração na superfície, mais rápida será a penetração e mais acelerada a deterioração. O projeto de polímeros de engenharia muitas vezes visa reduzir
(aumentando cristalinidade, barreiras de revestimento ou usando copolímeros) para retardar o envelhecimento e melhorar a vida útil.
Resposta
A difusão em polímeros permite que moléculas agressoras (água, oxigênio, solventes, plastificantes) penetrem no interior do material segundo as leis de Fick; lá dentro, essas moléculas promovem reações de hidrólise, oxidação ou extração de aditivos. Esses processos químico-físicos quebram ou modificam as cadeias poliméricas, resultando em embrittlement, amarelamento, fragilização e perda de propriedades mecânicas. Assim, quanto maior o coeficiente de difusão no polímero, mais rápida será sua deterioração.