Polímeros IPT Tipos de polimerização Por adição Por condensação Química 3 Classificações do polímeros Classificações dos adesivos Polímeros Sumário Temperatura de transição vítrea Polímeros vinílicos PVA Acrílicos Cianoacrilatos Ceras vinílicas João Luís Farinha Antunes Escola Superior de Tecnologia de Tomar Departamento de Arte, Conservação e Restauro Polímeros epóxidos Mecanismo de reticulação Deterioração dos polímeros Marcas comerciais de polímeros usados em CR 1 2 Macromoléculas polímeros São compostos de massa molecular elevada, formados pela múltipla São compostos de massa molecular elevada que, à repetição de unidades estruturais mais pequenas – monómeros. temperatura ambiente, se encontram em estado sólido O número de monómeros em cada molécula chama-se grau de polimerização. ou pastoso, devido à sua elevada massa molecular, Homopolímeros – apenas um monómero As macromoléculas são, na sua maioria, polímeros, mas há muitas que não o são. Copolímeros – 2 ou mais monómeros Por exemolo, as resinas naturais (damar, elemi, …) são formadas por macromoléculas sem serem polímeros. As propriedades dos polímeros dependem do grau de polimerização, da Polímeros são compostos onde uma ou mais unidades são repetidas múltiplas. composição química dos monómeros e do arranjo da cadeia. 3 4 1 Polimerização por adição ou em cadeia A reacção dá-se em cadeia por adição de moléculas sucessivamente, por um mecanismo de radicais livres Polimerização por condensação Monómero estireno Ocorrem reacções entre 2 moléculas, sucessivamente, com eliminação de uma molécula mais pequena. Monómeros Ac. tereftálico e etileno glicol Exemplo Reacção de iniciação Poliestireno Exemplo PET - poli (etileno tereftalato) condensação … Os polímeros vinílicos são polímeros de adição … Poliestireno 5 Alguns exemplos de polímeros de condensação PET As epóxidas são polímeros de condensação 6 Classificações dos polímeros Estrutura Monomeros típicos … … Reformular Lineares Polímero Cadeias longas que não se ligam entre si poliester (spaghetti). Polímero linear ao microscópio Ex: PVA, acrílicos (PB72), polietileno, … poliamida (nylon) http://en.wikipedia.org/wiki/Polymer São adquiridos já polimerizados poliuretano Não lineares Podem ter diversa forma: ramificados, reticulados, policarbonato etc... À CR interessam sobretudo os reticuladosu). Ambos os monómeros têm de ser bifuncionais. 7 Polímero recticulado 9 2 Copolímeros lineares Polímeros não lineares Alternados Ramificados Os monómeros seguem-se alternadamente Têm cadeias laterais ligadas à cadeia principal, de composição semelhante à cadeia principal. Aleatórios Os monómeros seguem-se de forma aleatória De enxerto (graft) De bloco (block) São polímeros ramificados cujos grupos laterais são diferentes da cadeia principal Os co-monómeros estão agrupados em bloco Dendrímeros Produzem elastómeros termoplásticos As ramificações sucedem-se em cada ramificação Polielectrólitos Usados em farmacologia Polímeros com grupos ionizáveis que se dissociam em solução (muitas proteínas são polielectrólitos) Em estrela As cadeias iniciam-se num ponto comum (podem ser homopolímeros) Usados nos óleos de automóveis Ionómeros Reticulados Polímeros com alguns grupos laterais iónicos (<15%). As cadeias longas ligam-se entre si por pequenas moléculas Produzem elastómeros termoplásticos, porque reticulam parcialmente pelos grupos iónicos Usado em polímeros estruturais (epóxidas, pex.) linhina 10 Classificações dos polímeros (cont.) Classificações dos polímeros (cont.) Comportamento térmico Origem Muit o imp o r ta nte 11 em rest a Termoplásticos Naturais ur o Ao serem aquecidos amolecem continuamente até fundirem (quando a Proteínas (colas animais, ovo, caseína,…) temperatura é suficientemente alta). A maioria é linear (uma importante excepção: borracha vulcanizada, reticulada e Polissacarídeos (gomas, algodão, amido, …) termoplástica) Sintéticos São solúveis em algum solvente reversíveis Ex: Acrílicos Produzidos a partir de monómeros por síntese pura. Termoendurecíveis (termorrígidos) Ex: PVA, Acrílicos, Epóxidas (araldite), Nylon, … Ao serem aquecidos amolecem numa primeira fase mas, na continuação, do aquecimento endurecem irreversivelmente. (pão) Semi-sintéticos A maioria é reticulada. Produzidos a partir de produtos naturais que são modificados. São insolúveis irreversíveis Ex: Epóxidas. Ex: nitrocelulose, CMC (carboxi metil celulose), … 12 13 3 Consequências da cristalinidade Classificações dos polímeros (cont.) Cristalinidade O aumento da cristalinidade é responsável por Os polímeros são tendencialmente amorfos, desorganizados. Maior dureza, maior rigidez No entanto alguns apresentam alguma cristalinidade. Amorfos Cristalinos Maior índice de refracção Semicristalino s Maior tensão de ruptura Ponto de fusão mais elevado Menor solubilidade As moléculas estão desordenadas Menor velocidade de degradação As cadeias poliméricas orientam-se de forma regular Tg (temperatura de transição vítrea) mais elevada Partes do polímero são cristalinas e outras partes amorfas Para diminuir as interacções entre as cadeias e tornar o polímero mais plástico utilizam-se PLASTIFICANTES ou usam-se monómeros (na própria cadeia do polímero) que na sua composição tenham grupos que diminuam as interacções entre as cadeias (plastificação interna). Os polímeros cujas cadeias se podem “encostar” lateralmente com facilidade são os mais cristalinos: os grupos laterais grandes, p. ex., dificultam a cristalinidade. 14 15 de o a p Ti res p Classificações dos polímeros (cont.) Função • Adesivos Classificação dos adesivos de solvente É importante a viscosidade, e poder adesivo. Fazem presa por evaporação do solvente • Consolidantes Dissolvidos O adesivo é adquirido sólido, em grânulos ou placas, e dissolvido num solvente adequado, na concentração desejada. Ex: PB 72 em acetona Em dispersão Adesivos Importa a viscosidade e capacidade de penetração. • Revestimentos Importa a Tg , as propriedade ópticas, a resistência aos agentes exteriores. • Fibras Têm elevada tenacidade. As cadeias têm grupos laterais muito polares que provocam ligações secundárias intermoleculares muito elevadas de reacção Fazem presa por reacção entre dois componentes, que se misturam no momento da aplicação. Muito fortes. Irreversíveis. Ex. Araldite. de fusão O adesivo é aquecido, funde e é aplicado quando está líquido. Muito viscosos. Fraco poder adesivo. Ex. BEVA filme • Plásticos Têm Tg acima da temperatura ambiente. 16 O adesivo é adquirido disperso em água e aplica-se tal e qual (ou mais diluído). Ex. Cola Branca. As colas animais (de coelho, de peixe, …) formam presa por passagem a um gel no arrefecimento, depois de dissolvidas. (Transformação sol-gel) 17 4 Naturais solubilidade em água Colas de origem animal Cola de coelho Cola de peixe Grude Cola de caseína em ig or Solúveis em água Colas de origem animal Colas de origem vegetal (gomas) Colas de origem vegetal (gomas) Colas vinílicas Colas de PVA e EVA Cola branca, BEVA Acrílicas Supercolas (cianoacrilatos) Epóxidas Colas de PVAL (poli vinil alcool) não naturais Estes adesivos são solúveis em água porque as suas moléculas têm uma elevada quantidade de grupos funcionais hidrofílicos, –OH nos 3 últimos e – CO nas colas animais. Insolúveis em água Semi-sintéticos (derivados da celulose) Celuloses modificadas As restantes (a maioria dos adesivos sintéticos) CMC – carboximetilcelulose HMC – Hidroximetilcelulose (Klucel®) Nitrato de celulose naturais Metilceluloses Sintéticos Adesivos Adesivos Cola de amido Goma arábica As resinas naturais foram, por vezes, usadas como adesivos, e são hidrofóbicas. 18 19 Tg - Temperatura de transição vítrea Curvas tensão – elongamento de polímeros glass temperature Temperatura de transição à qual um sólido amorfo (como vidro ou um polímero) se torna frágil, como sólido, no arrefecimento, ou mole, como borracha, no aquecimento. Polímero líquido Apenas nos polímeros termoplásticos. Os termoendurecíveis queimam-se a altas temperaturas. σ T. fusão T Polímero deformável (como borracha) Tg Polímero sólido rígido ε Acima da Tg as cadeias poliméricas ajustam-se à tensão aplicada Abaixo da Tg as cadeias estão “congeladas” e o polímero parte se sujeito a uma tensão20 21 5 Efeito da reticulação no módulo de elasticidade dos polímeros e no comportamento ao calor Temperatura de transição vítrea de alguns materiais polímero Tg (°C) Poli (vinil acetato) (PVAc) 28 Poli (vinil cloreto) (PVC) 81 Poli (vinil alcool) (PVAL) 85 Poli (metil metacrilato) (PMMA) 105 Paraloid B-72 37 * Paraloid B-67 50 * Goma-laca 49 * Dammar 54 * Vidro comum (soda-cal) 520-600 Vidro de quartzo 1175 In STEVENS, Malcolm P. -- Polymer Chemistry: an Introduction. Oxford: Oxford University Press, 1999. In STEVENS,Malcon – Polymer Chemistry: an introduction. N.York: Oxford Univ. Press, 3ªa ed., 1999. pag 109 Excepto * SCHILLING, M. R. -- Studies in Conservation 34, 1989, 110-116 22 25 Polímeros vinílicos Adesivos de PVA Todos derivam do grupo vinilo CH2=CHR. Apenas mudam os grupos R ligados ao grupo em ex s plo Monómero Polímero etileno polietileno propileno polipropileno cloreto de vinilo Metil metacrilato (Metacrilato de metilo) Colas brancas Dispersões aquosas de PVA. Forte capacidade adesiva. Dificilmente reversível. Muito bom adesivo de madeira. Muito baratas e acessíveis Usadas em situações alternativas ao grude (este é mais reversível). Poli (vinil cloreto) (PVC) Poli (cloreto de vinilo) Mowillith®, Vinamul®, … Poli (metil metacrilato) (PMMA) São colas brancas mais refinadas, com propriedades mais bem definidas. Existem vários tipos, com composições e viscosidades diferentes. Poli (metacrilato de metilo) Ex: Mowilith 50 (em grânulos, solúvel em acetona, Tg 40ºC) (Produzido por hidrólise do PVA) Mowilith DMC2 (dispersão aquosa), copolímero de PVA. Poli (vinil alcool) (PVAL) Poli (alcool vinílico) 28 30 6 BEVA Variantes de BEVA Copolímero de Etileno e Acetato de Vinilo criado por G. Berger em 1970 BEVA Original Formula ® 371 (BEVA® 371) Gel com a seguinte composição: Elvax e A-C 400 (copolímeros de EVA), Laropal K80 (resina cetónica), Cellolyn 21 (Ester ftalato do alcool hidroabietilico) e parafina diluidos em tolueno e nafta (40 % conteúdo sólido). T. de reactivação: 65 ºC. T. fusão: 50-55ºC Solúvel em white spirit, tolueno acetona, e etanol. BEVA O.F. D-8-S Usado para consolidação de pinturas, cabedal, têxteis e de ouro em talha dourada e para reentelagens. Dispersão aquosa composta principalmente por EVA. 55% de resíduo sólido. Solúvel em água. Forte adesividade. Revertível a quente ou com misturas de aromáticos e álcoois. Principais vantagens: T. de reactivação: 85 ºC. Poder adesivo equilibrado para consolidar e colar telas. BEVA O.F. ® Gel Fortemente reversível: por pequeno aquecimento e por solventes. É BEVA O.F. D-8-S espessado com polímeros acrílicos. Especialmente apto para reentelagens a frio. Depois de seco comporta-se como um adesivo de fusão. É revertível em tolueno. Compatível com antigos restauros de cera+resina Modos de aplicação: BEVA 371 Filme Por aquecimento. Por pincelagem. Por aspersão Beva 371 puro ensanduichado entre duas folhas. Aplicável por aquecimento. BEVA 371 (mistura seca) G. Berger mudou o nome do produto para “BEVA Original Formula” por questões de autenticidade. Livro recomendado:BERGER, Gustav A. – Conservation of Paintings. London: Archetype Publications, 2000. 31 Cópia do BEVA® 371 sem os solventes. Solúvel em Tolueno e White Spirit. 32 Adesivos Acrílicos Acrílicos Paraloid B72 São polímeros vinílicos. Tem sido o polímero mais usado em restauro, quer como adesivo quer como São derivados de esteres do ácido acrílico verniz ou consolidante (em concentrações diferentes). Ácido acrílico CH2=CH2COOH • Sempre reversível, mesmo ao fim de muito tempo. Ester do ácido acrílico CH2=CH2COOR • Muito resistente aos U.V. (não amarelece) Se R = CH3 (metilo) o monómero chama-se acrilato de metilo e o homopolímero correspondente poli(acrilato de metilo) ou poli(metilacrilato) PMA. Se o ácido tem um grupo CH3 lateral, no carbono α, chama-se metacrílico • Excelentes qualidades ópticas (importante quando usado como verniz). • Solúvel em acetona, aromáticos e etanol. Insolúvel em White Spirit. • Capacidade adesiva média, adequada para a maioria dos pequenos objectos, mas insuficiente para colagens estruturais. Ácido metacrílico CH2=CH(CH3)COOH • Tg 40 ºC; T. fusão 70 ºC. (www.RohmHaas.com) Paraloid B67 exemplos Metacrilato de metilo (Metil metacrilato) Tem propriedades semelhantes às do Paraloid B72, mas é mais duro (Tg = 50 ºC) Poli (metacrilato de metilo) Poli (metil metacrilato) Primal AC 33 PMMA Dispersão aquosa. Usado em situações onde é mais conveniente usar um meio aquoso. 33 34 7 Cianoacrilatos Polimerização dos cianoacrilatos A polimerização é iniciada por bases aniónicas fracas, como a água e o álcool (devido ao grupo hidroxilo OH) e aminas (grupo NH2). Os poli (cianoacrilatos) são polímeros acrílicos que derivam do monómero C N H2C O passo de iniciação consiste no ataque pela base (OH-, p.ex.) à dupla ligação no grupo CH2, R = CH3, C2H5, C4H9, … C C N C O O R - OH H2C + C N C HO CH2 C C O O R - C O O R O mais comum é o poli(cianoacrilato) de etilo (R = C2H5) A propagação ocorre pelo ataque do anião resultante a outro monómero e assim sucessivamente São as chamadas supercolas. Ao contrário de todos os outros polímeros vinílicos, a polimerização ocorre no momento da sua aplicação HO CH2 C N - C + C N H2C HO C C O O R C O O R CH2 C N CH2 C C N - C C O O R C O O R 35 36 Ceras vinílicas Ceras de Polietileno Ceras de parafina e ceras microcristalinas São misturas de hidrocarbonetos saturados de cadeias longas de C20 a C40 aprox (C35 a C60 microcr.) São polímeros de polietileno de baixa massa molecular. Extremamente estáveis. P. Fusão 75 – 105 ºC Pontos de fusão: C. parafinas entre 47 e 70 ºC; C. microc. entre 54 e 95ºC. Têm massa molecular dupla das ceras de parafina e microcristalinas, por isso, são mais duras e têm ponto de fusão superior. As c. de parafina são constituídas por alcanos não ramificados, formando cristais grandes. As c. de parafina constituídas por alcanos ramificados e cicloalcanos, formando cristais muito pequenos. As c. microcristalinas são mais densas, mais duras e mais flexíveis que as c. de parafina. As ceras de polietileno são obtidas por síntese. As ceras de parafina e microcristalinas são obtidas por extracção do petróleo e seus derivados. Podem ser aplicadas dissolvidas em white spirit quente. Cosmolloid® 80 H – cera microcristalina p.f. 75 ºC Em restauro usam-se adicionadas às outras ceras para as endurecerem e as tornarem mais impermeáveis. A Vaselina (marca comercial) é uma mistura de hidrocarbonetos (C>25) cujos componentes mais densos são ceras microcristalinas. A parafina líquida, ou óleo mineral, é um subproduto da produção de gasolina utilizado, entre outras funções, como óleo para crianças (depois de refinado). Quimicamente são muito semelhantes às ceras de parafina e às ceras microcristalinas. Cosmolloid + C. polietileno 37 Algumas formulações de ceras microcristalinas têm cera de polietileno (p.ex. C. Renaissance). 38 8 Ceras de PEG Epóxidos São polímeros termorrígidos que formam presa (polimerizam e reticulam) por reacção entre dois componentes. Os PEG (Poli etilenoglicois) são polímeros de fórmula geral Um dos componentes é um polímero de baixo peso molecular com um grupo epóxido em cada extremo. A este componente chama-se geralmente prepolímero porque é o precursor do polímero final. H2OCH (CH2OCH2)n CH2OH Ao outro componente chama-se endurecedor, catalizador ou acelerador. Não são ceras, no sentido comum, porque são solúveis em água e álcoois. Os PEG mais pequenos são líquidos, os intermédios são pastosos (tipo Vaselina) e os maiores (de massa molecular entre 3000 e 6000) são sólidos tipo cera. Prepolímero epóxido de Bisfenol A (n = 0 a 25) O PEG 3000 tem ponto de fusão 50 ºC. Quanto mais baixo for o valor de n mais fluído é o prépolímero. Se n = 25 o prépolímero é um plástico muito duro. Grupos epóxido Não podem ser usadas sobre metais sobre os quais têm uma forte acção corrosiva. ≡ Devem ser evitados pois há muitas referências de maus resultados. Di epóxido 39 Epóxidos (cont.) Produção do prépolímero (em fábrica) + n 44 Cont. Epóxidas (cont.) Reticulação Ocorre quando se juntam os dois componentes finais dos epóxidos n Epicloridrina Formas diferentes de escrever o mesmo composto (n = 0) Bisfenol A Os agentes reticulantes, diaminas R(NH2)2, reagem com os grupos epóxido que estão nos extremos dos prepolímeros e reticulam ≡ Este prépolímero é um dos dois componentes da epóxida. Tem um grupo epóxido em cada extremo Prepolímeros epóxidos de Bisfenol A O grau de polimerização (n) vai de 0 a 25 (Cont.) 45 Estrutura de uma epóxida As epóxidas têm muitos grupos OH laterais que lhe dão grandes propriedades adesivas Resíduo do prépolímero Resíduo do reticulante Para maior desenvolvimento ler “Making epoxyde resins”http://pslc.ws/macrog/eposyn.htm 46 9 Adesivos epóxidos Epóxidas (cont.) Mecanismo da reticulação A reticulação procede através da reacção de um agente reticulante (frequentemente uma diamina) com os grupos epóxidos do prépolímero. diamina São usados em situações onde se pretenda uma colagem muito forte (colagens estruturais) 1 2 Um grupo amina ataca um grupo epóxido, ligando-se à respectiva molécula São os adesivos mais fortes existentes. Os átomos rearranjam-se e forma-se um grupo alcool (OH). Termoendurecíveis e reticulados. O primeiro grupo amina fica ligado a duas moléculas. Irreversíveis. Insolúveis em qualquer solvente. O segundo grupo amina vai ligar- A maioria das epóxidas amarelece fortemente com o tempo. se a outras duas moléculas pelo Devido à sua elevada resistência, o seu uso deve ser evitado em materiais frágeis. mesmo mecanismo Ex em pl os O grupo amina (da diamina) ainda pode reagir com outro grupo epóxido. São de adesivos de 2 componentes. 3 Araldite HY 103 - das epóxidas mais usadas em restauro. EpoTek 301 – muito bom para porcelana. Hxtal NYL-1 – ideal para vidro e porcelana. Não amarelece. 47 48 Polímeros de silício Polisiloxanos Nomenclatura dos siloxanos Os polímeros de silício têm a sua cadeia formada por átomos de Silício ligados por átomos de Oxigénio Os compostos de silício são análogos dos alcanos, com substituição do C dos alcanos pelo Si nos silanos. Geralmente chamam-se Chamam-se siloxanos aos compostos com ligações Si-O-R silicones Silano SiH4 As regras de nomenclatura dos derivados do silano SiH4, seguem as do metano (CH4), e servem para nomearmos os monómeros de Silício. Exemplos Si (C2H5)2 (OCH3)2 Dietil dimetoxi silano Sílica amorfa Os silicones são hidrofóbicos e muito resistentes ao calor e ataque químico Cadeia curta – óleo; média – gordura; longa -- sólido Grupos alquilo: metilo -CH3, etilo -C2H5 Não é um silicone 49 Tetra etóxi silano TEOS Silicato de etilo Grupos alcoxi: metoxi -OCH3, etoxi -OC2H5 50 10 Polimerização dos polisiloxanos Deterioração dos polímeros Os grupos alcoxi (-OCH3, -OC2H5, …) sofrem hidrólise na presença de água, e condensam, com libertação de 2 moléculas de álcool (ROH). Agentes Calor Luz Atmosfera Humidade Seres vivos 1 Mecanismos 1. Despolimerização 2 2. Quebra de cadeias 3 3. Reticulação 4. Reacções dos grupos Os grupos alquilo (CH3, C2H5, …) directamente ligados ao Silício (sem o oxigénio) não se hidrolisam e, assim, não permitem a polimerização pelo seu lado. laterais 4 Polisiloxano linear 51 Algumas marcas de polímeros usados em restauro 53 Alguns polímeros sintéticos existentes nos lab. do DACR Nome mais comum Poli (acetatos de vinilo) PVA Bondit Mowilith, Vinamul, Rhodopas M, Vinalac, Texilac HGM Alcoóis polivinílicos – Poli (alcoois vinílicos) PVAL Composição ou categoria química Função Ciano acrilato Adesivo Polimero nitroceluloso Adesivo Primal AC33 Emulsão acrílica Adesivo Paraloid B72 Copolímero acrílico Adesivo, consolidante, protector Mowiol, Rhodoviol, Poliviol, Gelvat (são solúveis em água) Acrílicos Polímero acril silicónico Consolidante Akeogard CO Polímero perfluorado Consolidante Paraloid B-82: co-polímero de metacrilato de metilo (MMA) BEVA gel 371 Emulsão vinil acrílica Adesivo Paraloid B-67: co-polímero de metacrilato de isobutilo (PiBMA) Tegosivin V Silicato de etilo Consolidante Paraloid B-72: co-polímero de metacrilato de etilo e acrilato de metilo (PEMA, PMA) Epóxidas Wacker OH Silo 111 Araldit AY103, Devcon 5 min, Hxtal, Epotek, Milliput Icosit K 101 Resinas de silício Mowilith DMC Tegosivin, Tegovakon V, Tegovakon T, Wacker OH (usados em materiais inorgânicos) Derivados da celulose HGM, Tylose MH, Tylose C, Klucel G Acrisol 201 (são solúveis em água) 55 Silicato de Etilo Consolidante Metil etoxi siloxano Hidrorepelente Polímero epóxido Adesivo Copolímero vinílico Adesivo Epotek 301 Polímero epóxido Adesivo, Preenchedor Araldite AY103 Polímero epóxido Adesivo Devcon 5 min Polímero epóxido Adesivo Hxtal NYL1 Polímero epóxido Adesivo, Preenchedor Poliester Preenchedor Sintolit 56 11 fim Le jongleur, Chagall, 1943 Óleo sobre tela, 111 x 79 cm 57 12