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Tecnologia dos materiais não metálicos

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Com linguagem simples e didática, esta obra aborda os materiais, suas características, propriedades e processos de fabricação.
Apresenta a cerâmica, suas definições e classificações mais importantes, incluindo as tradicionais e de engenharia, seus métodos de processamento e as estruturas cristalinas e amorfas.
Classifica os polímeros, incluindo elastômeros, termofixos e termoplásticos.
Descreve suas estruturas, as propriedades e as aplicações, bem como as temperaturas de transição e os principais processos de fabricação.
Analisa técnicas simples e aplicadas de identificação de polímeros e sua reciclagem, além das definições de adesivos poliméricos.
Detalha os materiais compósitos, com foco em compósitos de matriz não metálica.
Descreve ainda a função e as principais formas geométricas dos constituintes.
Por fim, traz equações simples capazes de estimar as propriedades dos produtos finais obtidos a partir desses materiais.
Pode ser usado nos cursos técnicos em Eletrônica, Eletrotécnica, Mecânica, Mecatrônica, Órteses e Próteses, Plásticos, Próteses Dentárias, Química, entre outros.
Possui material de apoio ao professor.

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1.1 Cerâmica: o que é isso?

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Materiais Cerâmicos e Vidros

Para começar

Os materiais cerâmicos e vidros representam uma classe de material da qual fazem parte alguns dos materiais mais antigos e mais ambientalmente duráveis para aplicações tecnológicas. Representam ainda alguns dos materiais mais avançados, tendo seu uso desde o setor de construção civil até os setores aeroespacial e eletrônico. Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos a respeito destes materiais, incluindo seus principais tipos de estrutura cristalina, a partir da qual tem-se um detalhamento das classificações e propriedades gerais destas em relação a outras classes de materiais, tais como os polímeros e os metais. Além disso, são apresentadas algumas de suas características mecânicas, elétricas, ópticas e de aplicações específicas. Encontra-se também uma esplanação das principais técnicas de fabricação para esta classe de materiais.

1.1 Cerâmica: o que é isso?

Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, formados pela combinação de elementos químicos metálicos e não metálicos, como, por exemplo, óxidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nessa classificação inclui minerais argilosos, cimento e vidro. Esses materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor (não possuem elétrons livres para condução), apresentam boa resistência a altas temperaturas e a ambientes adversos (alta estabilidade química) e abrasivos. Em relação à abrasão, são mais resistentes do que os metais e os polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito quebradiços.

 

1.2 Como é formada uma cerâmica?

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1.2 Como é formada uma cerâmica?

Para se entender a formação estrutural de uma cerâmica, é necessário que se faça inicialmente uma distinção fundamental desses materiais levando em consideração a predominância do tipo de ligação química que ocorre na formação deles, visto que, assim como outros materiais, a estrutura

é determinada pela natureza das ligações atômicas presentes, bem como das características dos átomos envolvidos nessas ligações.

Como definido anteriormente, esses materiais podem ser formados a partir de ligações iônicas e/ou covalentes, de forma que, em geral, algumas cerâmicas são formadas predominantemente por ligações iônicas (cerâmica iônicas), enquanto outras apresentam predominância de ligações covalentes (cerâmica covalente).

As cerâmicas iônicas são, tipicamente, compostas da combinação de um elemento químico pertencente ao conjunto dos metais com outro elemento químico pertencente aos elementos não metálicos. Os íons metálicos, ou cátions, são carregados positivamente, visto que eles doam os seus elétrons de valência (elétrons localizados na camada mais externa) aos íons não metálicos, ou

 

1.3 Quais os tipos de cerâmicas?

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1.2.3 Estruturas cristalinas do tipo AmBnXp

Nos materiais cerâmicos cristalinos também é possível encontrar mais de um tipo de cátion; por exemplo, pode-se ter dois tipos de cátions (representados por A e B). Assim, suas fórmulas químicas podem ser designadas por AmBnXp. Geralmente, esta estrutura é resultado da combinação de cátions e ânions grandes, de tamanho semelhante, empacotados formando uma estrutura chamada perovskita. Na perovskita, os cátions menores, de maior carga, ocupam os sítios octaédricos, e os cátions maiores, de menor carga, fazem rede com o oxigênio.

Callister, 2001.

Um exemplo de um material cerâmico que apresenta esse tipo de estrutura é o titanato de bário (BaTiO3). Esse material tem uma estrutura cristalina de perovskita e propriedades eletromecânicas bastante interessantes. Em temperaturas superiores a 120 °C (248 °F), a estrutura cristalina é cúbica. Os íons Ba2+ estão localizados em todos os 8 vértices do cubo, enquanto um único íon Ti4+ encontra-se posicionado no centro do cubo, com os íons de O2- localizados no centro de cada uma das 6 faces. O material é muito utilizado na produção de captador piezoelétrico. Uma célula unitária dessa estrutura é mostrada na Figura 1.10, em que os círculos localizados nos vértices representam os íons de O2-, círculos das faces representam os íons Ba2+ e o círculo no centro do cubo representa o íon Ti4+.

 

1.4 Propriedades

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1.3.5.3 Materiais refratários

Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e em função de sua natureza, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir de diferentes matérias-primas ou mistura destas.

Dessa forma, podemos classificar os produtos refratários quanto a matéria-prima ou componente químico principal em: sílica, sílico-aluminoso, aluminoso, mulita, magnesianocromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros.

1.3.5.4 Isolantes térmicos

Os produtos deste segmento podem ser classificados em: (a) refratários isolantes que se enquadram no segmento de refratários; (b) isolantes térmicos não refratários, compreendendo produtos como vermiculita expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro e lã de rocha, que são obtidos por processos distintos ao do item (a) e que podem ser utilizados, dependendo do tipo de produto, até 10 ºC, e (c) fibras ou lãs cerâmicas que apresentam características físicas semelhantes às citadas no item (b), porém apresentam composições tais como sílica, sílica-alumina, alumina e zircônia, que, dependendo do tipo, podem chegar a temperaturas de utilização de 2.000 ºC ou mais.

 

1.5 Processamento

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Materiais com reflexão especial de luz, transmissão ou outras propriedades ópticas incluem uma vasta gama de composições de vidro, vitrocerâmicos e cerâmicas especiais. Esses materiais são encontrados em literalmente centenas de produtos em quase todos os setores: aeroespacial, telecomunicações, eletrônica, industrial, médico, militar e de segurança interna.

A Tabela 1.9 apresenta um resumo de algumas propriedades de materiais cerâmicos e algumas de suas aplicações.

Tabela 1.9 – Propriedades e aplicações de algumas cerâmicas

Propriedades

Exemplo

Bi2Ru2O7

ZrO2 dopado

Elétricas

SiC

YBaCuO7

SnO2

α-Al2O3

Dielétricas

SiO2

(Ba, Sr)TiO3

γ-Fe2O3

Magnéticas

Mn0,4Zn0,6Fe2O4

BaFe12O12

SiO2 dopado

Ópticas

α-Al2O3

(ZnCd)S dopado

Mecânicas

Térmicas

Aplicação

Componente condutivo em resistores espessos

Eletrólitos em células de combustível de óxido sólido

 

1.5.3 Fundição em fita

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Ashby, 1998.

(a) (b)

Figura 1.18 – (a) Prensagem a quente e (b) prensagem isostática.

1.5.3 Fundição em fita

A fundição em fita é usada na produção de lençóis flexíveis de cerâmica. Isso consiste em vazar a suspensão em um suporte (metal/papel/vidro/polímero) uniformemente por meio de espalhamento, que depois é seco e finalmente cozido. As lâminas são preparadas a partir de suspensões

(barbotina), as quais consistem em uma suspensão de partículas cerâmicas em um líquido orgânico que contém elementos aglutinantes e agentes plastificantes, incorporados para introduzir resistência e flexibilidade à fita fundida. Neste processo, geralmente é necessária a desaeração em vácuo para remover bolhas de ar ou de vapor de solvente que tenham sido aprisionadas no material, os quais podem atuar como sítios iniciadores de trincas na peça acabada.

Este é um processo amplamente utilizado na produção de substratos cerâmicos destinados à fabricação de circuitos integrados e de capacitores com camadas múltiplas.

 

1.5.4 Processamento de vidros

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Ashby, 1998.

(a) (b)

Figura 1.18 – (a) Prensagem a quente e (b) prensagem isostática.

1.5.3 Fundição em fita

A fundição em fita é usada na produção de lençóis flexíveis de cerâmica. Isso consiste em vazar a suspensão em um suporte (metal/papel/vidro/polímero) uniformemente por meio de espalhamento, que depois é seco e finalmente cozido. As lâminas são preparadas a partir de suspensões

(barbotina), as quais consistem em uma suspensão de partículas cerâmicas em um líquido orgânico que contém elementos aglutinantes e agentes plastificantes, incorporados para introduzir resistência e flexibilidade à fita fundida. Neste processo, geralmente é necessária a desaeração em vácuo para remover bolhas de ar ou de vapor de solvente que tenham sido aprisionadas no material, os quais podem atuar como sítios iniciadores de trincas na peça acabada.

Este é um processo amplamente utilizado na produção de substratos cerâmicos destinados à fabricação de circuitos integrados e de capacitores com camadas múltiplas.

 

1.6 Destaque para algumas cerâmicas

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1.6 Destaque para algumas cerâmicas

Ao longo dos últimos anos, várias tecnologias foram desenvolvidas para a produção de pós cerâmicos ultrapuros e submícron, com uma distribuição de tamanhos muito estreita. Um destes materiais é o óxido de zircônia estabilizado com óxido de ítrio. Este é capaz de oferecer alta resistência mecânica e também apresenta a vantagem de ter coloração branca, levemente permeável à luz.

Além disso, apresenta excelente biocompatibilidade e baixa condutividade térmica, o que o torna um material ideal para próteses humanas. O dióxido de zircônia é usado na fabricação de facas especiais com lâmina que ficam afiadas por muito mais tempo em comparação com uma faca de aço, embora seja mais frágil.

O diboreto de titânio (TiB2) é um material cerâmico que apresenta elevada dureza, alto ponto de fusão e elevada inércia química. A preparação de pós finos desta cerâmica pode ser feita por uma variedade de métodos a alta temperatura. Devido a isso, o TiB2 é candidato para uma série de aplicações, dentre elas: (a) aplicações balísticas, que se aproveitam da combinação de alta dureza e resistência moderada, porém este material cerâmico apresenta densidade relativamente alta e dificuldade da formação de componentes com formatos especiais (com detalhes); (b) utilização como catodo em células para fundição de alumínio primário, tirando proveito de sua inércia química e boa condutividade elétrica. Ele também encontra uso como cadinhos para a manipulação de metais fundidos e uso em peças de desgaste, e em compósitos com outros materiais e ferramentas de corte devido a sua alta dureza, resistência moderada e boa resistência ao desgaste.

 

Agora é com você!

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Agora é com você!

1) Explique o motivo pelo qual é feita a queima de uma cerâmica.

2) Quais as principais modificações que ocorrem numa argila durante um processo de queima?

3) O que são argilominerais? Dê exemplos.

4) Explique o processo de sinterização de uma cerâmica, relacionando-o com as suas propriedades mecânicas.

5) Qual a vantagem da utilização dos fundentes CaCO3 e NaOH na produção do vidro soda-cal?

6) Como ocorre a produção de garrafas pelo método de insuflação?

7) Quais as principais fases de fabricação do vidro float?

8) Explique por que alguns materias cerâmicos podem ser usados como biocompatíveis.

9) A seguinte definição foi proposta: “Todas as cerâmicas são transparentes à luz visível”. Isso é uma boa maneira de definir uma cerâmica? Explique seu raciocínio.

10) A indústria do aço é o principal consumidor de refratários. Que outras indústrias podem ser usuárias deste produto cerâmico?

11) Identificamos ReO3 como uma cerâmica com alta condutividade elétrica. Onde se encontra o elemento Re na tabela periódica? Você acha que a posição dele está relacionada com a sua condutividade elétrica?

 

2.1 Polímeros: o que é isso?

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2

Materiais Polímeros

Para começar

Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos a respeito dos materiais polímeros. Eles formam a base de uma série de grandes indústrias, entre elas as de pinturas, adesivos, borrachas e plásticos de maneira geral. Será apresentada também a forma como estes materiais são obtidos e como eles se formam, isto é, como estão estruturados quimicamente. Além disso, será feito uma abordagem a respeito de sua principal classificação dentro dos setores de transformação de polímeros, e também se apresentarão formas de identificação simplificadas destes, principalmente quando se pretende fazer uma separação pós-consumo de algumas peças produzidas a partir destes materiais.

Será apresentado ainda, de forma resumida, o conceito sobre adesivo, classificação e aplicação destes, dando foco aos adesivos mais importantes para aplicações em engenharia, tais como anaeróbicos; resinas epóxi; acrílicos reativos; poliuretanas; poliuretanas reativas fundidas a quente e formulações especiais de cianoacrilatos.

 

2.2 De onde vêm os polímeros?

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O termo polímero foi criado por Berzelius, em 1832, e significa “muitas partes”, visto que:

»»

Mero – origina-se da palavra grega meros, que significa parte, elemento;

»»

Poli – significa vários, muitas;

Assim, um monômero é uma molécula química simples que, quando submetida ao calor e/ou

à pressão, é capaz de reagir dando origem aos meros, que se combinam originando longas cadeias denominadas polímeros. Para que um monômero possa ter a capacidade de formar polímeros, é necessário que estas moléculas sejam no mínimo, bifuncionais, isto é, possuem duplas ligações reativas, dissociadas com a formação de duas ligações simples.

Na verdade, os materiais poliméricos não são novos, eles têm sido usados desde a Antiguidade.

Contudo, nessa época, somente eram usados materiais poliméricos naturais. A síntese artificial de materiais poliméricos é um processo que requer tecnologia sofisticada, pois envolve reações de química orgânica, ciência que só começou a ser totalmente desenvolvida a partir da segunda metade do século XIX. Esses compostos surgiram para imitar os polímeros naturais e deram origem aos chamados polímeros sintéticos.

 

2.3 Como é formado um polímero?

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microrganismos, eles são classificados como biopolímeros, polímeros sustentáveis ou polímeros verdes. Neste caso, por exemplo, na nomenclatura dos polímeros é acrescentada a palavra “verde” seguido da sua nomenclatura original: PVC Verde, PP Verde, PE Verde.

2.3 Como é formado um polímero?

Fine Art/Shutterstock.com

Como visto no item anterior, um polímero é formado de cadeias longas construídas a partir de unidades que se repetem. Desta forma para melhor assimilação deste conteúdo, faz-se uma analogia destas cadeias com a corrente mostra na Figura 2.2. Esta corrente é formada de elos idênticos que vão se repetindo até que se tenha uma longa corrente. De forma semelhante ocorre na formação dos polímeros, nos quais cada elo corresponde a um mero. Assim, o conjunto total dá uma ideia de cadeia polimérica.

Figura 2.2 – Corrente esquemática que representa uma cadeia polimérica; cada elo representa um mero.

Assim, “mero” denota a unidade repetida numa cadeia polimérica, enquanto “monômero” é usado no contexto de uma molécula capaz de reagir para formar um único mero.

 

2.4 Como um polímero é obtido?

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Para a maioria dos polímeros, as moléculas estão na forma de cadeias longas e flexíveis, cuja

“coluna vertebral” é constituída por uma sequência de átomos de carbono; na grande maioria, cada

átomo de carbono está ligado, por ligação simples, a dois outros átomos de carbono vizinhos de cada lado. Esta formação está representada esquematicamente em duas dimensões na Figura 2.4.

Figura 2.4 – Representação esquematicamente, em duas dimensões, de uma cadeia polimérica.

2.4 Como um polímero é obtido?

Um polímero é obtido a partir de um conjunto das reações químicas que provocam a formação dos meros e a união destes, por ligações covalentes, para a formação de cadeias macromoleculares que compõem o material polimérico. Esta reação é denominada polimerização.

Como visto anteriormente, os monômeros (moléculas insaturadas estáveis) podem ser obtidos por meio de diferentes rotas, e quando estes são submetidos a condições específicas de temperatura, pressão e meio, tornam-se disponíveis para novas ligações, que ao se ligarem formam cadeias poliméricas. Desta forma, os polímeros apresentam uma massa molecular de ordem de centenas de milhares de unidades de massa atômica (acima de 103 moléculas grama).

 

2.5 Estrutura dos polímeros

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A polimerização por condensação é caracterizado pela condensação de uma molécula pequena, tal como a molécula de água, durante a reação química (polimerização). Este processo em particular é utilizado para obtenção das poliamidas (náilons). Um dos principais inconvenientes de polimerização por condensação é a tendência que a reacção tem em terminar antes de as cadeias crescerem até um comprimento suficiente. Isto é devido à diminuição da mobilidade das cadeias à medida que a polimerização progride. Resulta em cadeias curtas.

A polimerização por adição é conseguida por meio de uma reorganização das ligações no interior de cada monômero em que cada mero tem que compartilhar pelo menos dois elétrons covalentes com outros meros; assim, o monômero deve ter pelo menos uma ligação dupla. A ruptura da ligação dupla pode ser feita com o auxílio de um iniciador. O início da reação pode ser promovido por calor, luz ultravioleta e outros produtos químicos. Os radicais livres (iniciadores) podem reagir com os monômeros, e este radical livre pode reagir com outro monômero e a reação se propaga. O processo de propagação pode ser encerrado pela combinação de dois radicais livres, por transferência ou por processos desproporcionais.

 

2.6 Quais os tipos de polímeros?

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Além das estruturas citadas anteriormente, existe um grupo de materiais poliméricos que exibem ordem de longo alcance parcial em uma ou duas dimensões (1D e 2D), mas não em três dimensões, sendo intermediários entre a ordem tridimensional do estado cristalino e o estado desordenado dos líquidos isotrópicos. Estes materiais são chamados cristais líquidos poliméricos. Eles foram descobertos quase simultaneamente por Reinitzer (1888) e Lehmann (1889).

Essas substâncias podem existir em um estado peculiar que é líquido e sólido. Quando estão nesse estado peculiar, suas moléculas tendem a manter sua orientação, como no estado sólido, mas também se movem para posições diferentes, como no estado líquido. Isso significa que cristais líquidos não são nem sólidos nem líquidos.

Esses materiais fazem parte do nosso dia a dia, estando presentes em vários produtos tecnológicos, tais como telefones celulares, tablets, notebooks, fornos de micro-ondas, tela de mostradores, relógios, termômetros e muitas outras aplicações. Nos últimos anos, têm possibilitado a obtenção de telas (de tv, por exemplo) com um tempo de resposta muito rápido e geração de contrastes mais definidos, além de possibilitar baixo consumo de energia, elevada definição de imagem e tela de espessura muito baixa.

 

2.7 Propriedades dos polímeros

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interação adicional devida à formação de pontes intermoleculares (ligação química que reduz a mobilidade das cadeias), as quais melhoram a resistência à tração e a elasticidade;

3) Devem ter uma distribuição do peso molecular tão larga quanto possível, para que possam ser processadas utilizando as máquinas convencionais.

A Tabela 2.4 mostra uma lista de alguns elastômeros.

Tabela 2.4 – Elastômeros genéricos (borrachas)

Elastômeros

Composição

Usos

Poliisopreno

Utilizada no fabrico de pneumáticos, bandas elásticas, tubos e mangueiras, molas elastoméricas, apoios e absorvedores de choques, componentes para calçado

(solas), artigos farmacêuticos (bicos para biberões, chupetas, rolhas etc.), artigos para contato com produtos alimentares e artigos de uso doméstico.

Polibutadieno

Produção de compostos para fabricação de correias transportadoras de alta resistência à abrasão, amortecedor de impactos em tênis, recapagem de fios condutores, compostos para bola de golfe, compostos para coxins e peças de alta resiliência etc.

 

2.8 Processamento

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2.8 Processamento

Existe uma vasta gama de processos possíveis de se produzir uma peça a partir de um material polimérico. Neste item, será feita uma explanação resumida dos principais processos de produção, especialmente dos termoplásticos. Os métodos de processamento de termofixo terão destaque no capítulo referente a processamento de compósitos de matriz polimérica. Assim, na produção de peças a partir de termoplásticos, pode-se citar: moldagem por injeção, moldagem por extrusão, moldagem por termoformagem, moldagem por sopro e moldagem por rotomoldagem.

Chanda e Roy, 2008.

Moldagem por injeção. O processo de moldagem por injeção consiste em fundir o material polimérico, geralmente na forma de pó ou pellets, por meio de uma máquina chamada injetora e no final desta preencher a cavidade de um molde que tem a forma do produto final. Este processo envolve basicamente as seguintes etapas: (a) alimentação do polímero por meio de um funil de alimentação localizado no ínicio da injetora; (b) fusão do material por aquecimento e cisalhamento deste, dentro de um cilindro aquecido por onde gira uma rosca sem fim; (c) injeção do polímero fundido dentro da cavidade de um molde que tenha a forma do produto final; (d) resfriamento e solidificação do polímero no molde e, finalmente, a ejeção ou remoção da peça moldada. Um esquema simplificado do processo está na Figura 2.22, em que se vê inicialmente uma injetora preparada para o processo em que o molde está vazio; na parte inferior da figura vê-se o polímero fundido preenchendo a cavidade do molde. Este é um tipo de processamento que apresenta um grande número de variantes e é o processo mais popular para a produção de peças poliméricas. Nele são produzidos desde para-choques de automóveis até minusculas peças como miniengrenagens para relógios de pulso. A Figura 2.23 mostra uma máquina injetora de termoplásticos.

 

2.9 Identificação dos polímeros

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2.9 Identificação dos polímeros

Pelo que se percebe no nosso dia a dia, os materiais poliméricos vêm substituindo os demais materiais nas mais variadas aplicações. Nota-se que garrafas de polímeros substituíram as garrafas de vidro usadas para embalar refrigerantes, leite, ketchup e muitas outras. Essa substituição se deu em todos os setores de embalagem e muitos outros setores em que anteriormente se tinha a predominância do vidro e dos metais. Sabe-se também que a grande maioria das peças poliméricas não

é constituída de polímeros puros e sim de combinações destes (blendas ou embalagens multicamadas), o que dificulta a identificação destes.

Porém, para um determinado grupo de embalagens poliméricas, ainda é possível usar procedimentos simples para sua identificação.

2.9.1 Por meio dos códigos de reciclagem no produto

Em geral, as embalagens poliméricas apresentam símbolos que permitem a identificação dos polímeros comuns usados para sua fabricação. Isso é visualizado por meio de codificação normatizada mundialmente, em que os triângulos formados por setas em sequências indicam que o produto

 

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