Introdução à Ciência de Materiais

1. Introdução à Ciência de Materiais

2. Biomateriais Biomateriais são materiais (sintéticos ou naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos) utilizados em dispositivos médicos ou em contacto com sistemas biológicos, ou ainda, segundo a definição clássica, estes seriam parte de um sistema que trata, aumenta ou substitua qualquer tecido, órgão ou função do corpo

3. Biomateriais • Biocompatibilidade; • Funcionalidade; • Aplicação industrial; • Custo; • Viabilidade industrial. Excipientes são biomateriais????

4. Biomateriais

5. Biomateriais/excipientes • Propriedades físicas, imuno-compatibilidade, rugosidade, carga, inércia química entre outras propriedades. • Metais: titânio, aço, platina; • Silicatos e vitro cerâmicas; • Polímeros – grande maioria dos materiais atuais.

6. – Berzelius, 1827 (Polí)(meros) NATURAL ou SINTÉTICO - elastômeros - proteínas - termoplásticos - polissacarídeos - termorrígidos - gomas amorfos cristalinos • Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu comprimento • Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos, podendo ser moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam uma nova forma. Esse processo pode ser repetido várias vezes. Correspondem a 80% dos plásticos consumidos. • Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que apesar de não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e aproveitados como carga ou serem incinerados para recuperação de energia.

7. – Classificações (Polí)(meros)  Monômero  Oligômero  Polímero

8. – Classificações (Polí)(meros) Forma molecular:

9. (Polí)(meros) Comportamento mecânico:

10. (Polí)(meros) Estrutura química: # Poliolefinas - polipropileno, polibutadieno, poliestireno # Poliésteres - poli(tereftalato de etileno), policarbonato # Poliéteres - poli(óxido de etileno), poli(óxido de fenileno) # Poliamidas - nylon, poliimida # Polímeros celulósicos - nitrato de celulose, acetato de celulose # Polímeros acrílicos - poli(metacrilato de metila), poliacrilonitrila # Polímeros vinílicos - poli(acetato de vinila), poli(álcool vinílico) # Poliuretano # Resinas formaldeídicas - resina fenol-formol, resina uréia-formol

11. (Polí)(meros) Variedade de meros: - homopolímeros - copolímeros estatístico/aleatório/randômico alternado em bloco graftizado

12. – Nomenclatura (Polí)(meros) - baseada no(s) monômero(s) de origem – polietileno - baseada na estrutura do polímero - nylon - nomes comerciais(*) - isopor

13. – Nomenclatura (Polí)(meros) *para copolímeros; -co- = estatístico -alt- = alternado -b- = bloco -g- = graftizado

14. – Peso molecular e distribuição de peso molecular (Polí)(meros) - Em compostos simples = cte! - Em sistemas poliméricos  distribuição de peso molecular e peso molecular médio – Massa molar em g/mol -1 PESO MOLECULAR NUMÉRICO MÉDIO – Mn PESO MOLECULAR PONDERAL MÉDIO – Mw PESO MOLECULAR VISCOSÍMETRICO MÉDIO – Mv Mw > Mv > Mn

15. – Peso molecular e distribuição de peso molecular (Polí)(meros) - Se: cadeias iguais  Mn = Mw Mw/Mn = 1  monodisperso - Se: cadeias diferentes  Mw > Mn Mw/Mn > 1  polidisperso - Distribuição estreita: 1,0 < Mw/Mn < 2,0 - Distribuição larga: Mw/Mn > 2,0

16. Polímeros em solução - Para polímeros lineares e ramificados: normalmente são encontrados líquidos que dissolvem o polímero completamente para formar uma solução homogênea - Para polímeros reticulados: quando em contato com líquidos compatíveis irão apenas inchar Em um bom solvente (altamente compatível com o polímero) as interações líquido-polímero expandem novelo polimérico. Em um mau solvente há pouca interação líquido-polímero e a expansão do novelo polimérico ou perturbação é restrita.

17. Polímeros no estado sólido O estado sólido dos materiais poliméricos pode ser dividido, quanto ao estado ordenado das cadeias: • estado cristalino • estado amorfo

18. Polímeros no estado sólido Estado cristalino A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo ordenado e uma repetição regular de estruturas atômicas ou moleculares, no espaço. Os tipos de cadeias as quais esperam que recristalizem são: • cadeias simétricas, as quais permitem o empacotamento regular; • cadeias possuindo grupos que estimulam fortes atrações intermoleculares.

19. Polímeros no estado sólido Estado cristalino *Tm = temperatura de fusão cristalina Fatores que afetam a cristalinidade e a Tm: • um arranjo empacotado das cadeias possa ser alcançado em 3 dimensões ; • uma variação favorável na energia interna seja obtida durante este processo.

20. Polímeros no estado sólido Estado amorfo Uma cadeia polimérica linear pode ser tratada como um “sistema cooperativo uni-dimensional” no qual a rotação de um segmento de cadeia é limitado ou auxiliado por segmentos vizinhos. Qualquer movimento significativo de uma cadeia como tal é gerado por rotação em torno das ligações simples que conectam os átomos na cadeia. À medida que o movimento molecular em um polímero amorfo aumenta, a amostra passa de um estado vítreo para um borrachoso e até, finalmente, tornar-se fundido.

21. Polímeros no estado sólido Estado amorfo *Tg = temperatura de transição vítrea Quando um polímero está a uma temperatura abaixo da sua Tg, o movimento de cadeia está congelado (~ sólido). À medida que a temperatura vai aumentando, um número maior de cadeias começa a se mover com maior liberdade. A transição do estado vítreo para o borrachoso é uma característica importante do comportamento do polímero. As mudanças são completamente reversíveis, entretanto a transição de um vidro para uma borracha é função do movimento molecular, NÃO da estrutura do polímero.

22. Polímeros no estado sólido Estado amorfo Fatores que afetam a Tg: • flexibilidade da cadeia • estrutura molecular (efeitos estéricos) • peso molecular • ramificação e ligações cruzadas

23. Polímeros no estado sólido Flexibilidade da cadeia

24. Polímeros no estado sólido Estrutura molecular Os fatores estéricos que afetam a flexibilidade da cadeia são, simplesmente, contribuições adicionais aos efeitos da cadeia principal. *grupos laterais: tamanho, flexibilidade e polaridade

25. Polímeros no estado sólido Peso molecular (massa molar) A massas molares elevadas, a temperatura de transição vítrea é essencialmente cte quando medida por qualquer método, mas diminui à medida que a massa molar da amostra diminui.

26. Massa Molecular Numérica Média (Mn): • pelo número de cadeias • massa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeias Mn = NiMi / Ni Ni = número de cadeias Mi = massa molecular das cadeias Massa Molecular Ponderal Média (Mw): • pela massa das cadeias • massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o cálculo da média. Mw = Ni(Mi)2 / NiMi Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) e Massa Molecular Média Z (Mz):

27. Polímeros no estado sólido Ligações cruzadas Quando ligações cruzadas são introduzidas no polímero, a densidade da amostra é aumentada proporcionalmente. À medida que a densidade aumenta, o movimento molecular na amostra é restringido e a Tg aumenta. Para uma alta densidade de ligações cruzadas, a transição é larga e mal definida, mas para valores mais baixos, a Tg aumenta linearmente com o número de ligações cruzadas.

28. Propriedades mecânicas • Tração (E) • Cisalhamento (G) • Compressão (K)

29. Propriedades mecânicas Curvas tensão-deformação:

30. Transições térmicas A Tm é uma transição de 1a ordem e é a temperatura de fusão dos domínios cristalinos de uma amostra de polímero. A Tg é uma transição de 2a ordem e é a temperatura na qual o domínio amorfo de um polímero readquire progressivamente a sua mobilidade.  Determinam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser empregado O fato de uma amostra de polímero exibir as duas transições ou apenas uma delas depende da sua morfologia: polímeros completamente amorfos apresentam apenas Tg; polímeros completamente cristalinos apresentam apenas Tm.

31. Aplicações • Nanocompósitos

32. Aplicações • Nanopartículas = Relaciona-se com a pesquisa, o desenvolvimento e a produção de materiais e sistemas cujas propriedades físicas, químicas e biológicas são novas devido ao tamanho nanométrico.