O tema Polímeros tem sido assunto corriqueiro há tempos. Temos vários textos e episódios de podcast no Portal Deviante que abordam os aspectos químicos, tecnológicos, ambientais e econômicos desse material. Nessa série de dois textos, discutiremos o porquê de a nossa sociedade utilizar os polímeros como os utilizamos.

Por que desenvolvemos os polímeros? Uma breve história sobre demanda e meio ambiente.

Primeiramente, é importante salientar que os polímeros não são uma invenção humana e, sim, uma classe de materiais que existe em abundância na natureza em diferentes formas. Como foi observado no Scicast #601: Polímeros, esse material é constituído de longas cadeias de pequenas moléculas que se repetem; basicamente, inúmeros monômeros ligados que formam um polímero. Um exemplo disso é o eteno, de fórmula molecular C (carbono) com dupla ligação com outro C (carbono) e os demais sítios ocupados por hidrogênios, o famoso H2C=CH2. O eteno então é submetido a uma reação de polimerização, em que as duplas ligações quebram e fazem que o sítio em vacância se ligue a outro eteno que também sofreu o mesmo processo. Isso se repete milhares de vezes em que resulta no polieteno, mais conhecido como polietileno, e tem a fórmula [-CH2-CH2-]n. 

O processo acima descrito é típico para polímeros sintéticos, ou seja, aqueles polímeros que foram sintetizados em laboratórios e depois produzidos em larga escala na indústria. Sabe-se que muito termoplástico, um tipo de polímero que se costuma chamar de plástico, é produzido, mas o polímero mais abundante na Terra é justamente um polímero natural: a celulose.

Madeira, algodão, carne, gelatina: são todos exemplos de materiais, ou alimentos, nos quais se encontram polímeros naturais. A madeira, por exemplo, é um material extremamente versátil que é utilizado pela humanidade há muito tempo, antes mesmo de se ter compreensão do que é um polímero. E na atualidade, também é utilizada tanto como matéria-prima para objetos como para fonte de celulose.

Inclusive, a celulose foi isolada de uma fibra vegetal em 1838 e tem sido utilizada industrialmente pelo menos há 150 anos. Essa data é anterior à data do primeiro termoplástico a ser sintetizado, em 1855, em que se obteve o material que ficou conhecido como celulóide. Embora os polímeros sintéticos já fossem um material conhecido e o Ebonite ter sido o primeiro polímero e termofixo  comercialmente utilizado, a celulóide foi o primeiro termoplástico a ter o mesmo destino.

Sua primeira aplicação foi a substituição do marfim extraído de elefantes. Com propriedades semelhantes, vislumbrou-se a aplicação do celuloide para a produção de bolas de bilhar, até então produzidas com marfim. Essa substituição foi motivada, entre outras causas, justamente pela dificuldade de obter esse polímero de origem animal, visto que era necessário sacrificar o elefante, animal que claramente vinha diminuindo em número de exemplares na natureza.

Sejamos francos: é muito bizarro pensar que a primeira aplicação de um termoplástico tenha tido um lado tão nobre. Pensar, atualmente, em termoplásticos como um aliado do meio ambiente chega a ser estranho, contraditório, até contraproducente. Mas naquele momento histórico, em que se defrontou com uma nova alternativa tecnológica de potencial gigantesco e ainda inexplorado, criou-se uma solução para uma dor ambiental. 

No entanto, esse é um ponto na história. Quando se busca por alternativas sintéticas às naturais, provavelmente estão envolvidos interesses geopolíticos. Como exemplo, alguma nação domina a produção do material natural, ou dos recursos para a sua produção, e os países dependentes buscam alternativas que possam ser escaláveis e atender suas demandas internas. Exemplos desse movimento são o desenvolvimento, primeiro, da borracha sintética em substituição da borracha natural produzida a partir do látex extraído de seringueiras que somente crescem em determinado clima e, segundo, do Nylon que veio como alternativa à seda, cuja produção estava concentrada e dominada por países asiáticos e países ocidentais tinham acesso dificultado.

Polímeros em todos os lugares: por quê?

Parte dessa resposta já está no tópico anterior. A busca por substituir materiais naturais se deu por vários motivos, dentre eles os políticos/econômicos e os técnicos. Politicamente falando, estar na vanguarda de desenvolvimento de qualquer tecnologia, coloca um país ou uma empresa em um patamar de poder ampliar sua fatia de mercado e aumentar sua influência sobre outras nações e concorrentes.

Voltando à discussão do desenvolvimento de uma uma borracha sintética, sua importância também se dá por  características técnicas. A borracha sintética desenvolvida tinha desempenho semelhante à natural e totalmente aplicável às funções que as demandava. Além disso, ao alterar a composição e o processamento desse material, a borracha ganha uma nova gama de propriedades, a qual se torna viável para uma série de aplicações ainda não exploradas. 

A indústria dos polímeros (termoplásticos, termofixos e elastômeros) tinha encontrado, então, uma forma de atender novos mercados, sem comprometer a qualidade, com variações de cada lote, e a quantidade, visto a abundância de matéria-prima e que polímeros naturais são muito sensíveis a sazonalidades e fatores ambientais.

A partir desse ponto, sintetizar os polímeros a partir de fontes fósseis,  como o petróleo, e com o avanço de métodos de produção com o desenvolvimento de catalisadores e equipamentos, atingiu-se uma sofisticação tecnológica que é possível produzir muito polímero muito barato. Assim, os polímeros se tornaram uma matéria-prima de grande importância e interesse industrial, pois com ele se tornou possível construir uma vasta gama de produtos em que os principais custos de produção estão longe de ser a matéria-prima.

Soma-se a isso a relativa facilidade de produzir qualquer produto de polímero devido às características do seu processamento. De forma geral, a matéria-prima polímero, um material maleável, com baixo ponto de fusão, e com capacidade de fluir, preencher espaços vazios ou formar gigantes balões com facilidade, permitiu que fosse possível produzir em grandes quantidades um mesmo produto num curto período de tempo sem a necessidade de estruturas sofisticadas ou custosas. Em comparação com a fundição de metais, qualquer processo parte de 600°C, em que a fundição de ferro, a mais comum, é em torno de 1500°C. O processamento de cerâmicas pode ser superior a 2000°C. Os polímeros, por sua vez, são processados numa faixa de 90 a 500°C, em que a grande maioria está entre 200 e 300°C. Essa diferença de temperatura, dentro da realidade das indústrias, é gritante. Além do consumo energético, os equipamentos exigem uma estrutura que garanta a viabilidade do processamento e a segurança dos trabalhadores. 

Portanto, ao considerar todos os ganhos de trabalhar com polímero — alta capacidade de moldar,  baixas temperaturas de processamento e baixos custos das matérias-primas — , toda empresa sonha em trabalhar com polímeros.

E, todas essas características somente se tornam atraentes, porque os polímeros são viáveis tecnicamente ao entregar as propriedades exigidas para as aplicações dos produtos. Provavelmente, a principal propriedade de um polímero é a densidade. Se comparado aos metais e cerâmicas, eles são extremamente mais “leves”, em que algumas situações a diferença pode ser de até 8 x (densidade do polietileno é de 0,96 g/cm³ enquanto do aço inoxidável é de 8,00 g/cm³). Materiais leves são mais fáceis de produzir, operar e transportar,  e trazem benefícios, por exemplo, em aplicações em que exista movimentação, como a diminuição do consumo de combustível por automóveis.

Outra importante propriedade é a durabilidade. Os polímeros não sofrem com corrosão e ataques químicos. Alguns deles podem durar por centenas de anos expostos ao meio ambiente sem degradar, embora suas propriedades possam ser comprometidas. 

Essas propriedades, somadas com as técnicas de processamento, permitem que polímeros sejam capazes de substituir aço e cerâmica em algumas aplicações estruturais. Um exemplo disso são os suportes de tanques de combustíveis de caminhões. Esses suportes têm que resistir esforços mecânicos de um tanque com mais de mil litros de combustível, em um veículo que trafega em velocidades de até 100 km/h em estradas esburacadas que causam muita trepidação. Esses suportes também estão sujeitos a um ambiente severo, em que sofrem os efeitos da radiação ultravioleta e componentes químicos, do impacto de objetos que atingem o tanque e da falta de manutenção. A maioria desses suportes são feitos de alumínio, um material resistente à corrosão, à radiação ultravioleta, capaz de suportar impacto e esforços mecânicos. Mas algumas empresas estão substituindo esses suportes por polímeros, ou por compósitos a base de polímeros, pois esses materiais suportam todas as demandas da aplicação, mas são mais baratos de produzir e são mais leves, o que aumenta o desempenho do caminhão.

Assim, fica claro que os polímeros trazem vantagens competitivas enormes para a indústria no geral. A grande gama de produtos que possuem as mais variadas aplicações podem ser produzidas de forma rápida, barata e segura. É por isso que os polímeros estão por todas as partes.

Chegamos ao final da primeira parte dessa série de dois textos sobre polímeros. No próximo, discutiremos por que um material tão versátil se tornou um vilão no contexto de mudanças climáticas e se é possível falar dos problemas do uso de polímeros sem falar de política.

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