Capitulo 4. materiales polímeros
- 1. CAPITULO 4. POLIMEROS (continuación) Son moléculas orgánicas gigantes, que tienen pesos moleculares de 1000 a 1000000 g/g-mol. Estos materiales se obtienen mediante un proceso denominado polimerización
- 3. Las moléculas internamente están constituidas por un esqueleto de átomos de carbono enlazados en forma covalente y otros átomos como el H, N, F, Cl, S, O y otros grupos unidos lateralmente a otros átomos de carbono A su vez las diferentes moléculas se encuentran unidas entre sí, por fuerzas de Van der Waals. A medida que las moléculas aumentan de tamaño, también aumenta el total de las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas. Ejemplo: El polietileno se obtiene a partir del etileno (C2H4) que es un gas. A medida que aumenta el número de átomos en la molécula, pasa de un gas a un líquido y finalmente llega a ser un plástico sólido.
- 4. Características de los polímeros: Son materiales ligeros Resistentes a la corrosión Aislantes eléctricos Baja resistencia a la tensión No adecuados para aplicaciones a altas temperaturas Las propiedades y comportamiento de los polímeros dependen del grado de polimerización, tipo de monómeros, ramificaciones y Copolimeros.
- 5. DEFINICIONES FUNDAMENTALES Polimerización. Es la reacción química que conduce a la formación de moléculas de peso molecular elevado a partir de monómeros. Monómero. Molécula sencilla a partir de la cual se produce un polímero cuando se enlaza de modo covalente para formar largas cadenas moleculares. Grado de polimerización. Cantidad de monómeros que tiene un polímero (peso molecular de un polímero dividido para el peso molecular del mero)
- 6. Mero (Unidad monomérica). Unidad que se repite en una cadena molecular polimérica ( Celda unitaria) Funcionalidad. Cantidad de lugares en un monómero donde ocurre la polimerización (número de enlaces activos localizados en un monómero) Copolimerización. La reacción química que conduce a la formación de una molécula de peso molecular elevado mediante la unión de monómeros de dos o más tipos.
- 17. POLIMERIZACIÓN Se llama polimerización a la forma de unión de unas moléculas con otras para dar lugar a la formación de un polímero. Existen dos tipos de polimerización: a. POR CONDENSACIÓN b. POR ADICIÓN
- 18. 1. Polimerización por adición. Unión entre monómeros semejantes y/o diferentes producida al unirlos en posiciones funcionales sin la formación de un subproducto de condensación. Etapas: a. Iniciación. Un radical libre actúa como catalizador iniciador para la polimerización. R-O-O-R→calor→2 (R+O*) b. Propagación. Nuevas unidades de monómeros se suman a la cadena por la apertura de sus dobles enlaces y esta crece. R-CH2-CH2+CH2=CH2 →R-CH2-CH2-CH2-CH2 c. Terminación. Se produce por la adición de un radical libre finalizador o cuando dos cadenas se combinan R-CH2-CH2-CH2-CH2-R
- 20. Los polímeros según el tipo de monómeros pueden ser: 1. Homopolimeros. Si están formados por un solo tipo de monómeros. Ej: Polietileno, Poliestireno, polipropileno, etc. 2. Copolimeros. Si están formados por dos o más monómeros distintos. Ej: ABS Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno
- 23. 2. Polimerización por condensación. Unión entre monómeros semejantes y/o diferentes producida al unirlos en posiciones funcionales con la formación de un subproducto de condensación.
- 25. Poliésteres Se producen por sucesivas reacciones de esterificación (alcohol y ácido). Forman tejidos, de los cuales el más conocido es el “tergal” formado por ácido tereftálico (ácido p- benceno-dicarboxilico) y el etilenglicol (etanodiol):
- 26. Poliamidas Se producen por sucesivas reacciones entre el grupo ácido y el amino con formación de amidas. Forman fibras muy resistentes. La poliamida más conocida es el nailon 6,6 formado por la copolimerización del ácido adípico (ácido hexanodioico) y la 1,6-hexanodiamina:
- 30. Polímeros naturales: Provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, aminoacidos, etc. Polímeros artificiales: Son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, caucho vulcanizado, etc. Polímeros sintéticos: Son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
- 31. Polímeros naturales Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el: Algodón: Formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.
- 32. CAUCHO NATURAL El caucho natural, es el poli-cis-isopreno, que se extrae del árbol Hevea brasiliensises, es un polímero elástico y semisólido, y posee la siguiente estructura
- 33. El almidón es un polímero, donde el monómero es la glucosa. El algodón está hecho de celulosa, que también es un polímero de la glucosa, y la madera está compuesta en gran proporción de celulosa. Las proteínas son polímeros donde el monómero son los aminoácidos. La lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza. Los seres vivos no podrían existir sin polímeros: toda planta y animal requiere de ellos. Entre los polímeros naturales más importante están los ácidos nucleicos, que contienen la información genética codificadora que hace que cada individuo sea único.
- 34. AMINOACIDOS Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En solución acuosa, el ión hidrógeno del ácido carboxílico es transferido al grupo básico que es el amino: el producto resultante es una molécula polar.
- 35. PROTEINAS Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-) entre un aminoácido y otro aminoácido se denomina enlace peptídico. Se puede observar que sigue existiendo un grupo amino reactivo a la izquierda y un grupo carboxilo a la derecha.
- 36. Los polímeros sintéticos se pueden subdividir en: 1. Los Elastómeros: Sustancias que poseen la elasticidad que caracteriza al caucho y al igual que este se emplean para fabricar gomas, mangueras o neumáticos. 2. Las Fibras: Materiales capaces de orientarse para formar filamentos largos y delgados como el hilo. Poseen una gran resistencia a lo largo del eje de orientación, tal como ocurre con el algodón, la lana y la seda. Tienen su principal aplicación en la industria textil. 3. Los Plásticos: Son polímeros que pueden ser moldeados a presión y transformados en diversos objetos con formas diferentes, o bien, usados como pinturas o recubrimientos de superficies.
- 37. También se pueden clasificar según sus aplicaciones y usos: 1.- Elastómeros Tienen muy poca elasticidad, y mucha extensibilidad, lo que quiere decir que se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo, pero se recuperan rápidamente a lo que este termina. 2.- Plásticos Estos polímeros ante un esfuerzo mayor, se deforman irreversiblemente. Este concepto se usa muy erradamente, cuando las personas se refieren a los polímeros en su totalidad.
- 38. 3.- Fibras Son muy elásticos, pero muy poco extensibles. Básicamente los utilizan para confeccionar telas que mantienen su forma. 4.- Recubrimientos son líquidos generalmente que se adhieren a otra superficie de algún otro material para otorgarles una nueva propiedad. 5.- Adhesivos Combinan adhesión y cohesión, lo que permite que se una a otro cuerpo por contacto superficial.
- 46. Polímeros termoplásticos. Polímeros que pueden ser recalentados y refundidos muchas veces, puesto que no se forman productos secundarios durante el procesamiento. Polímeros termoestables. Polímeros que se polimerizan a temperaturas elevadas, liberando un producto secundario que por ello se restringe su reciclabilidad. Elastómeros. Polímeros que poseen una estructura de cadenas altamente enrolladas y parcialmente ligadas en forma cruzada, lo que permite al polímero tener una deformación elástica excepcional
- 52. Estructura de los polímeros Los polímeros pueden tener tres tipos de estructuras: 1. Estructuras lineales. Las moléculas forman cadenas lineales. Se forman cuando las moléculas (monómeros) son únicamente bifuncionales. La polimerización puede ser por adición o por condensación. Este es el caso de los termoplásticos
- 53. 2. Estructuras de red (amorfas). Las moléculas forman redes tridimensionales. Se forman cuando las moléculas (monómeros) son trifuncionales o mayores La polimerización puede ser por adición o por condensación. Este es el caso de los termoestables
- 55. 3. Estructuras cristalinas. Se produce cuando las cadenas lineales adquieren un ordenamiento. La estructura cristalina es importante porque los polímeros lineales se vuelven más firmes y fuertes. Los polímeros cristalinos tienen mayores densidades y mejores propiedades mecánicas que los polímeros amorfos (cadenas en desorden).
- 56. Cristalinidad en los polímeros Las propiedades de los polímeros dependen de su estructura. En su mayoría, los polímeros tienen una estructura amorfa (del tipo vidrio); sin embargo, algunos polímeros lineales y de reticulado raro, pueden formar zonas rigurosamente ordenadas, es decir, tienen parcialmente una estructura cristalina, lo que conduce a la elevación de la resistencia mecánica, dureza y estabilidad térmica. En el caso de la estructura cristalina se incrementa la interacción molecular, pero se reduce la flexibilidad de las moléculas.
- 57. La relación de los volúmenes de todas las zonas cristalinas de los polímeros entre su volumen total se denomina grado de cristalinidad, que es una de las características más importantes de los polímeros. Un alto grado de cristalinidad (60 a 80 %) poseen los fluoroplásticos, los policarbonatos, el propileno y el polietileno de alta densidad. La cristalinidad hace que los materiales sean resistentes, pero también quebradizos. Un polímero totalmente cristalino sería demasiado quebradizo como para ser empleado como plástico. Las regiones amorfas le confieren ductilidad al polímero, es decir, la habilidad de poder plegarse sin romperse.
- 58. Muchos polímeros presentan una mezcla de regiones amorfas y cristalinas, pero algunos son altamente cristalinos y otros son altamente amorfos. A continuación se presentan polímeros que tienden hacia dichos extremos: Ejemplos de polímeros altamente cristalinos: Polipropileno. Poliestireno sindiotáctico. Nylon. Kevlar y Nomex (Poliamidas). Policetonas. Ejemplos de polímeros altamente amorfos: Polimetilmetacrilato. Poliestireno atáctico. Policarbonato. Poliisopreno. Polibutadieno.
- 59. Tacticidad. Es la forma en que se encuentran dispuestos los grupos laterales a lo largo de una cadena polimérica. Este término se emplea ampliamente cuando se trata de los polímeros vinílicos (polímeros obtenidos a partir de monómeros vinílicos; es decir, pequeñas moléculas conteniendo dobles enlaces carbono-carbono; constituyen una gran familia de polímeros). La estructura de un polímero afecta en gran medida a la cristalinidad. Si es regular y ordenada, el polímero se empaquetará fácilmente en forma de cristales; de lo contrario, no .
- 60. Estructuras del polipropileno: (a) Atàctica (grupos al azar), (b) isotáctica (al mismo lado) y (c) sindiotáctica (lados opuestos)
- 65. Comportamiento de los polímeros termoplásticos Al igual que los metales, los polímeros pueden soportar deformación tanto elástica como plástica: Deformación elástica. Se debe a dos mecanismos: 1. Estiramiento y distorsión de los enlaces dentro de la cadena 2. Movimiento recuperable de segmentos completos de las cadenas.
- 66. Deformación plástica. La deformación plástica de los polímeros ocurre cuando las cadenas en el polímero se deslizan una sobre otra rompiendo los débiles enlaces de Van der Waals. Cuando se retira el esfuerzo, las cadenas permanecen en sus nuevas posiciones y el polímero se deforma permanentemente. La deformación permanente está relacionada con la viscosidad del polímero. Los polímeros con una alta viscosidad requieren mayores esfuerzos para producir deformación plástica1
- 69. TEMPERATURA DE TRANSICION (Tg). Cuando el polímero es enfriado por debajo de esta temperatura, se vuelve rígido y quebradizo, igual que el vidrio. Algunos polímeros son empleados a temperaturas por encima de sus temperaturas de transición vítrea y otros por debajo. Los plásticos duros como el poliestireno y el polimetilmetacrilato, son usados por debajo de sus temperaturas de transición vítrea; es decir, en su estado vítreo. Sus Tg están muy por encima de la temperatura ambiente, ambas alrededor de los 100 oC. Los cauchos elastómeros como el poliisopreno y el poliisobutileno, son usados por encima de sus Tg, es decir, en su estado caucho, donde son blandos y flexibles.
- 70. La transición vítrea no es lo mismo que la fusión. La fusión es una transición que se manifiesta en los polímeros cristalinos; ocurre cuando las cadenas poliméricas abandonan sus estructuras cristalinas y se transforman en un líquido desordenado. La transición vítrea es una transición que se manifiesta en los polímeros amorfos; es decir, polímeros cuyas cadenas no están dispuestas según un ordenamiento cristalino, sino que están esparcidas en cualquier ordenamiento, aún en estado sólido.
- 71. Pero incluso los polímeros cristalinos tienen alguna porción amorfa. Esta porción generalmente constituye el 40-70% de la muestra polimérica. Esto explica por qué una misma muestra de un polímero puede tener tanto una temperatura de transición vítrea como una temperatura de fusión.
- 74. Temperatura de degradación (Td). Los materiales termoplásticos se convierten en líquidos si se calientan y luego se endurecen si se enfrían. El efecto del calor es vencer las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas por medio de la agitación térmica haciendo posible el flujo. En contraste, en los materiales termoestables se encuentran redes tridimensionales de enlaces covalentes. Estas redes no se rompen fácilmente con el calor y por lo tanto, son materiales más fuertes y duros. A muy altas temperaturas, los enlaces covalentes entre los átomos en la cadena lineal pueden destruirse, el polímero se quema o carboniza
- 75. Temperatura de fusión (Tf). Temperatura a la cual los polímeros termoplásticos se funden.
- 77. FLUENCIA Y FRACTURA DE LOS MATERIALES POLIMERICOS La deformación bajo una carga aplicada constante a una temperatura constante continúa aumentando con el tiempo. La magnitud del incremento de deformación aumenta con el incremento del esfuerzo aplicado y de la temperatura. La temperatura a la cual tiene lugar la deformación plástica de un material polimérico es también un factor importante para la determinación de la velocidad de fluencia.
- 78. A temperaturas por debajo Tg, la velocidad es relativamente baja debido a la movilidad restringida de la cadena molecular. Por arriba de Tg, los termoplásticos se deforman con más facilidad por una combinación de deformación elástica y plástica que se conoce como comportamiento viscoelástico (las cadenas se deslizan una sobre otra con mayor facilidad y esto se conoce como flujo viscoelástico))
- 79. Relajación de los esfuerzos en los materiales poliméricos La relajación de esfuerzos en un material polimérico sometido a deformación constante da por resultado una disminución del esfuerzo con el tiempo. La causa de la relajación de esfuerzos es que se provoca el flujo viscoso en la estructura interna del material polimérico porque las cadenas se deslizan lentamente entre sí debido al rompimiento y reformación de los enlaces secundarios entre las cadenas, y porque mecánicamente se desenredan y retroceden.
- 80. La relajación de esfuerzos permite que el material alcance un estado de menor energía espontáneamente si hay suficiente energía de activación para que el proceso se presente. esfuerzo después del tiempo t esfuerzo inicial = tiempo de relajación
- 81. Debido a que el tiempo de relajación es el reciproco de una velocidad, se puede relacionarlo con la temperatura en grados Kelvin por una ecuación tipo Arrhenius donde C = relación constate independiente de la temperatura Q = energía de activación para el proceso R = constante molar de los gases = 8,314 J/(mol.K)
- 82. FRACTURA DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS Los materiales poliméricos pueden considerarse como frágil, dúctil o intermedia entre los dos extremos. En general, se considera que los plásticos termoestables no reforzados se fracturan en forma frágil. Por otra parte, los termoplásticos pueden fracturarse en forma frágil o dúctil. Si la fractura ocurre por debajo de Tg, entonces su forma de fractura será frágil, mientras que si ocurre por arriba de Tg, su forma de fractura será dúctil.
- 83. Estructura y propiedades polímeros termoplásticos Existen varias formas para modificar y controlar las propiedades de los polímeros termoplásticos: Grado de polimerización. A mayor grado de polimerización mayor temperatura de fusión y mejores propiedades mecánicas
- 84. Tipos de monómeros. Los átomos más grandes, como el Cl y los grupos de átomos, como los grupos metilo o benceno interfieren en el deslizamiento de las cadenas cuando se aplica un esfuerzo, incrementándose así la resistencia mecánica y el punto de fusión del polímero. Ramificación. Se produce debido a la adición de un agente que remueve algunos átomos de hidrógeno de la parte lateral de una cadena, a fin de que puedan producirse ramificaciones en estos puntos.
- 85. Esta modificación se lleva a cabo en un polímero lineal.
- 86. Uniones cruzadas. Se produce cuando dos cadenas se enlazan mediante algún elemento especial. Ejemplo: En la vulcanización, las cadenas de caucho isopreno se unen mediante átomos de azufre, para obtener dureza y tenacidad que requiere el caucho para muchas aplicaciones.
- 87. Escisión de anillos. Se produce cuando dos moléculas se unen a una tercera cuando se rompen los anillos. Ejemplo: Dos moléculas del grupo epóxido se unen cuando un anillo se rompe por combinación con un reactivo que promueve el enlace. Localización de los grupos de átomos. Mediante un control de la simetría o la distribución de los grupos o elementos determinados en los lados de la cadena se pueden variar las propiedades de un polímero
- 88. Estructuras del polipropileno: (a) Atàctica (grupos al azar), (b) isotáctica (al mismo lado) y (c) sindiotáctica (lados opuestos)
- 89. Otras configuraciones importantes son: la estructura trans de la gutapercha, los CH3 y los H están en lados opuestos del doble enlace, dando una cadena de carbono relativamente recta. En el caucho la estructura cis, la cadena se curva, lo cual conduce una molécula helicoidal parecida a un resorte
- 90. Polímeros termoplásticos Polietileno (PE). Se obtiene de la polimerización del etileno. Hay dos tipos: Polietileno de baja densidad (LDPE). Estructura de cadenas ramificadas (menor rigidez y resistencia térmica) Polietileno de alta densidad (HDPE). Estructura de cadena lineal (mayor
- 91. Presentan tenacidad, absorción de humedad cercana a cero, excelente resistencia química, aislante eléctrico, bajo coeficiente de fricción y facilidad de procesamiento. Aplicaciones. Contenedores, artículos del hogar, botellas y películas para empaquetamientos
- 92. Policloruro de vinilo (PVC). Se obtiene de la polimerización del Policloruro de vinilo Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa debido a la presencia de los átomos de Cl en la cadena principal. Resistencia a la llama, buena temperatura de deflexión por calor, aislante eléctrico y alta resistencia química. Aplicaciones: Tuberías y conexiones para usos hidráulicos y sanitarios, tuberías conduit para cableado eléctrico, moldeado de interiores y decoraciòn
- 93. Poliestireno (PS). Se obtiene de la polimerización del estireno Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa debido a la presencia del anillo fenileno en la cadena principal. Aislante eléctrico y quebradizo al impacto Aplicaciones: Recubrimiento de interiores de automóviles, electrodomésticos, discos, manillares y utensilios de cocina.
- 94. Polipropileno (PP). Se obtiene de la polimerización del propileno Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa debido a la presencia de un grupo metilo en la cadena principal. Rigidez, excelente resistencia química y aislante eléctrico. Aplicaciones: Obturadores, partes de automóvil, productos para el hogar, electrodomésticos, embalajes, utensilios de laboratorio y varios tipos de botellas
- 95. Poliacrilonitrilo Se obtiene de la polimerización del acrilonitrilo Estructura y propiedades: Alta electronegatividad del grupo nitrilo. Estructuras extensibles, rígidas y con forma de varilla. Resistencia y estabilidad química Aplicaciones: Fibras como lana en jerseys y mantas
- 96. ABS. Se obtiene de la copolimerización del acrilonitrilo, butadieno y estireno Estructura y propiedades. Una mezcla de un copolímero vítreo (estireno-acrilonitrilo) y dominios de goma (butadieno). Buena resistencia al impacto y quìmica. Aplicaciones: Tuberías y herramientas, particularmente en las tuberías de drenaje-desagüe-ventilación de los edificios. Recubrimientos de puertas e interiores de frigoríficos, máquinas de oficina, carcasas y cubiertas de computadores.
- 97. Polimetacrilato de metilo (PMMA plexiglas o lucite) Se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo Estructura y propiedades. Completamente amorfa dotada de una alta transparencia a la luz. Buena resistencia química, a la intemperie y aislamiento eléctrico. Aplicaciones. Cristales de aviones, embarcaciones, claraboyas, iluminación exterior y señales publicitarias.
- 98. Politetrafluoroetileno (PTFE Teflón) Se obtiene de la polimerización del gas tetrafluoroetileno Estructura y propiedades. Es un polímero cristalino de alta densidad. Resistencia excepcional a los productos químicos y altas temperaturas (hasta 260 oC). Aplicación. Tuberías resistentes a reactivos químicos, aislamiento de cables a altas temperaturas y recubrimientos antiadherentes, juntas, anillos de estancamiento y cojinetes.
- 99. Policlorotrifluoroetileno (CTFE) Estructura y propiedades. La presencia del cloro le hace menos cristalino y más moldeable. Presenta mayor rigidez y resistencia mecánica que el PTFE. Aplicaciones: Camisas para cables, formas para bobinas, tunerías y partes para bombas, diafragmas de válvulas y otros elementos industriales para procesos corrosivos
- 100. Poliamidas (nylon) Se produce mediante polimerización por condensación Estructura y propiedades. La cadena incorpora un grupo amida. Son procesados por fusión, ofrecen capacidad de soporte de carga a elevadas temperaturas, buena tenacidad, baja fricción y buena resistencia química Aplicación. Cojinetes no lubricados, engranajes, soportes, bujes, sellos, piezas antifricción, piezas mecánicas sujetas a altas temperaturas y cargas de impacto
- 101. Las aramidas pertenecen a una familia de nailones, incluyendo el Nomex y el Kevlar. El Kevlar se utiliza para hacer chalecos a prueba de balas y neumáticos resistentes a las pinchaduras. Las mezclas de Nomex y de Kevlar se utilizan para hacer ropas antiflama, motivo por el que lo emplean los bomberos. El Kevlar es una poliamida, en la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno. Es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4. El Kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó tiempo encontrar una aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente
- 102. Policarbonato. Se obtienen por la polimerización de dos grupos fenilo y los dos metilo unidos al mismo carbono en la unidad estructural Estructura y propiedades. Son polímeros amorfos transparentes y se encuentran entre los más fuertes tenaces y rígidos. Aplicaciones. Pantallas de seguridad, levas engranajes, cascos, componentes de aviones, propulsores de barcos, lentes y vidrios para ventanas
- 103. Oxido de polifenileno. Resinas basadas en el óxido de fenileno Aplicaciones. Conectores de electricidad, sintonizadores de televisión, pequeños aparatos, cubiertas de máquinas de escribir.
- 104. Acetales. Se producen por la polimerización del formaldehído o su copolimerización con óxido de etileno. Estructura y propiedades. Material polimérico de alta homogeneidad, resistencia y temperatura de deflexión térmica. Son polímeros cristalinos de los más resistentes y rígidos de los Termoplásticos Aplicaciones. Han reemplazado a muchos metales fundidos de zinc, latón y aluminio. Acoplamientos mecánicos, impulsores de bombas, engranajes, levas y cubiertas.
- 105. Sulfuro de polifenileno. Se obtiene por la polimerización por condensación de diclorobenceno y sulfuro de sodio Estructura y propiedades. Simétrica compacta de los anillos de fenileno, separada por átomos de azufre, rígido y fuerte. Polímero cristalino de elevada resistencia térmica, rigidez, excelente resistencia química, bajo coeficiente de fricción, aislante eléctrico y buena resistencia a la abrasión Aplicaciones. Equipamiento para procesos químicos, como bombas tipo-engranaje, sumergibles, centrifugables y alabes.
- 106. Polímeros termoestables Se emplean en artículos moldeados y laminados. Poseen una estructura molecular tipo reticular a base de uniones covalentes primarias. No pueden ser reprocesados Características: Estabilidad térmica elevada y dimensional Alta rigidez Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga Aislamiento eléctrico y térmico elevado Peso ligero. Se procesan por lo general por moldeo por compresión o por transferencia (dos fases que se mezclan)
- 107. Resinas fenólicas. Se producen por reacción del fenol y formaldehído, según una polimerización por condensación Aplicación. Cubiertas de distribuidores, rotores, mangos de utensilios de cocina, perillas, bases, componentes eléctricos y electrónicos
- 108. Resinas epoxi. Cada cadena contiene dos o más grupos epóxido. Tienen elevada reactividad con aminas, anhídridos y otros agentes curadores, que forman fácilmente enlaces cruzados. Aplicación. Materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio de alta resistencia para la industria aeroespacial y para tubos, tanques y recipientes de presión, recubrimientos protectores de utensilios y equipo industrial.
- 110. Poliestres insaturados Se forma por la reacción de un diol (alcohol con dos grupos OH) con un ácido (con dos grupos COOH) que contiene un doble enlace carbono-carbono reactivo. Aplicación. Paneles de automóviles y prótesis. Cascos de botes pequeños, paneles y componentes de baño.
- 112. Resinas amino (ureas y melaminas) La urea o melamina reaccionan con el formaldehído mediante reacciones de polimerización por condensación en las que se forma agua como subproducto. Aplicación. Urea- formaldehído para placas de pared y receptáculos eléctricos. Melamina-formaldehído para moldeados, botones, botones de control y tiradores
- 115. ELASTOMEROS Caucho natural. Se extrae en forma de látex del árbol hevea brasiliensis El caucho natural tiene una estructura cis-poliisopreno melamina reaccionan con el formaldehído mediante reacciones de polimerización por condensación en las que se forma agua como subproducto.
- 117. Cauchos sintéticos. Comprenden el 70 % del caucho. Caucho de butadieno-estireno (caucho SBR). Se obtiene por la copolimerización del estireno y butadieno. Resistencia al desgaste y al envejecimiento. Desventaja absorben aceite y gasolina Aplicación. Neumáticos mezclado con el caucho natural.
- 118. Caucho nitrilo (NBR). Se obtienen de la copolimerización del butadieno y acrilonitrilo. Algunos nombres comerciales son: Nipol, Krynac y Europrene. Tienen buena resistencia a los aceites y disolventes Aplicaciones: Mangueras y manguitos que requieren alta resistencia a aceites y disolventes. Las aplicaciones del caucho del Nitrilo incluyen las correas de transmisión automotoras, mangueras, sellos de aceite, correas de V, cuero sintético, rodillo de la impresora. El látex de NBR se puede también utilizar para preparar los pegamentos, la impregnación del papel y pigmentos
- 119. Caucho neopreno (CR). Son similares a los de isopreno excepto que el grupo metilo que estaba unido al doble enlace del carbono es reemplazado por un átomo de cloro. Poseen mala flexibilidad a bajas temperaturas y son más caros que los normales. El átomo de cloro confiere un aumento de la resistencia a los aceites, aproximadamente entre el Caucho Natural y Nitrílio, esto es a menudo suficiente para muchas aplicaciones. Aplicación. Vainas para cables y alambres, mangueras y abrazaderas industriales, y precintos y diafragmas de automóviles.
- 120. Polibutadieno (BR). Es a caucho sintético formado por la polimerización de los monómeros de butadieno. Aplicación: Tiene una alta resistencia al desgaste y se utiliza especialmente en fabricación de neumáticos. También se ha utilizado para cubrir o encapsular ensambles electrónicas, ofreciendo resistencia eléctrica extremadamente alta.
- 121. Caucho silicón. Se basa en una cadena lineal compuesta de átomos de silicio y oxígeno. Este tipo de cadena proporciona resistencia a altas temperaturas.
- 122. El caucho del silicón ofrece buena resistencia a las temperaturas extremas, pudiendo funcionar normalmente desde -55°C a +300°C. En las temperaturas extremas, la fuerza extensible, el alargamiento, la fuerza del rasgón y el sistema de la compresión pueden muy superiores a los cauchos convencionales. El caucho del silicón es un material altamente inerte y no reacciona con la mayoría de los productos químicos. Debido a su inercia, se utiliza en muchos usos médicos y adentro implantes médicos.
- 123. Resistencia química de los polímeros Depende de: Naturaleza química de los monómeros Estructura de los polímeros Ataque químico es interno y entraña disolución, reblandecimiento, engrosamiento y pérdida de resistencia
- 124. Grupos polares ( OH y COOH). Los polímeros que poseen grupos polares suelen disolverse por la acción de líquidos polares: Agua y alcoholes Grupos no polares (CH3 y C6H6). Los polímeros que poseen grupos no polares suelen disolverse por la acción de líquidos no polares: gasolina, benceno y tetracloruro de carbono. Grado de polimerización. A mayor grado de polimerización disminuye su tendencia a la disolución en un solvente determinado.
- 125. Estructura. Los polímeros cristalinos presentan una mayor resistencia química que los polímeros amorfos Uniones cruzadas. La presencia de enlaces cruzados puede hacerle a un polímero insoluble y si existe interacción con un solvente se produce engrosamiento Ramificación. Las ramificaciones disminuye la velocidad de disolución Sustancias químicas. Los polímeros presentan mejor resistencia al deterioro por ácidos y álcalis que los metales
- 126. Permeabilidad y absorción de agua. El paso de gas puede ocurrir por difusión a través de los conductos finísimos entre unidades moleculares. Los polímeros que tienen grupos polares tienen velocidad de permeabilidad o de absorción de agua mayor que los polímeros no polares. Deformación. Los polímeros aromáticos que tienen anillos en sus cadenas son más rígidos y más resistentes a la deformación, debido a que se vuelve más difícil la rotación de las cadenas
- 127. Resistencia a altas temperaturas. En los polímeros aromáticos por tanto los puntos de fusión y la temperatura de transición vítrea aumentan y disminuye la solubilidad y deformación bajo carga a temperaturas elevadas. Elementos inorgánicos (Si y O). La presencia de Si y O, le da a los polímeros una buena resistencia al calor, pero disminuye su resistencia química. Oxidación. Unión de átomos de oxígeno a las cadenas de moléculas. El oxígeno del aire puede producir oxidación (ozono O3) Degradación. Rotura de enlaces o fraccionamiento de moléculas por el calor o radiación ultravioleta
- 128. APLICACIONES Los polímeros se utilizan en un número sorprendente de aplicaciones, incluyendo juguetes, aparatos domésticos, elementos estructurales y de decorativos, recubrimiento, adhesivos, llantas de automóvil y empaques. El polietileno se usa para producir películas para empaque, aislamiento de conductores, botellas blandas, recubrimiento de extrusión, cortinas, manteles, cubiertas para la construcción, estanques, invernaderos, bolsas de basura, tuberías y elementos caseros. El cloruro de polivinilo o más conocido como el PVC se utiliza para fabricar tuberías, válvulas, coples, loseta de piso, aislamiento para conductores, y techos de vinil para automóviles.
- 129. El polipropileno se utiliza para la fabricación de tanques, aplicación en el moldeo por inyección de piezas de electrodomésticos, utensilios pequeños, piezas de automóviles, fibras para alfombras, cuerdas y empaques. El poliestireno se utiliza para la fabricación de empaques y espumas aislantes, paneles de iluminación, copolímeros resistentes al calor y al impacto, piezas ópticas de plástico, juguetes, componentes de aparatos y rejas para huevos. El poliacrilonitrilo (PAN) se utiliza para la fabricación de fibras textiles, precursor para fibras de carbón y recipientes de alimento.
- 130. El polimetilmetacrilato (PMMA), (acrilicoplexiglas) se utiliza para la fabricación de ventanas, parabrisas, recubrimientos, lentes de contacto rígidos, señalizaciones iluminadas internamente. El policlorotriflouroetileno se utiliza para la fabricación de componentes para válvulas, juntas, tuberías y aislamiento eléctrico. El politetraflouroetileno mas conocido como el teflón se utiliza para la producción de sellos, aislantes para cables, aislamientos de motores, aceites, transformadores, generadores, acondicionamiento de la estanqueidad de válvulas, válvulas y recubrimientos no adherentes.
- 131. El Polioximetileno ( acetal ) ( POM ) se utiliza en la fabricación de accesorios de plomería, plumas, engranes y aspas de ventilador. La Poliamida (PA) mas conocido como nylon es utilizado en la fabricación de cojines, engranajes, fibras, cuerdas, componentes de automotores y componentes eléctricos. La Poliamida (PI) se utiliza en la fabricación de adhesivos, tableros de circuitos y fibras para transbordadores espaciales.
- 132. El poliéster es utilizado por la fabricación de fibras, películas fotográficas, cintas de grabación, contenedores de agua caliente y recipientes para bebidas. La cinta magnética para aplicaciones de video y audio se produce mediante evaporación, pulverización o recubrimiento de partículas de un material magnético como el Fe2O3 sobre la superficie de una cinta de poliéster. El policarbonato se utiliza para la fabricación de carcasas eléctricas y aparatos, componentes automotrices, cascos de fútbol americano y botellas retornables.
- 133. La polieteretercetona (PEEK) es considerado uno de los materiales de más alto desempeño en el mundo. Pueden sustituir con éxito metales como aluminio, titanio, magnesio, latón, acero resistente a la corrosión o acero inoxidable y aleaciones especiales, ya que ofrecen una combinación única de propiedades mecánicas, térmicas y tribológicas, combinado con una excelente resistencia química y prestaciones eléctricas (válvulas, rodamientos, engranajes, etc) El sulfuro de polifenileno (PPS) se utiliza para la fabricación de recubrimientos, componentes para manejos de fluidos, componentes electrónicos y componentes para secadores de pelo. La sulfona de poliéter (PES) se utiliza para la fabricación de componentes eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos y componentes de hornos microondas.
- 134. La sulfona de poliéter (PES) se utiliza para la fabricación de componentes eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos y componentes de hornos microondas. La poliamidaimida (PAI) se utiliza para la fabricación de componentes electrónicos, aplicaciones aerospaciales y automotrices. Los fenolicos se utilizan en la fabricación de adhesivos, y recubrimientos laminados.
- 135. Las aminas se utilizan en la fabricación de adhesivos, utensilios de cocina, y moldes eléctricos. Los epoxicos se utilizan para la fabricación de adhesivos moldes eléctricos, y matrices para materiales compuestos. Los uretanos se utilizan para la fabricación de fibras, recubrimientos y espumas. La silicona se utiliza como adhesivo , y como selladores.
- 144. CONFORMACION DE POLIMEROS TERMOPLASTICOS La mayoría de las técnicas son utilizadas para conformar los polímeros termoplasticos. El polímero es calentado a temperatura cercana o superior a la temperatura de fusión, de tal manera que se haga plástico o líquido. Entonces, es vaciado o inyectado en un molde para producir la forma deseada.
- 146. Moldeo por inyección. El moldeo a alta presión, o moldeo por inyección, es el método más utilizado en la producción de termoplásticos. Se utiliza una máquina parecida a la extrusora, que proporciona alta presión y temperatura elevada al material. Una vez fundido se introduce el plástico a alta presión en el interior del molde. Gracias a la presión, el plástico rellena el molde sin dejar huecos. El proceso es muy rápido, y permite fabricar piezas complejas, por lo que se emplea para elaborar todo tipo de objetos. Un caso particular de aplicación del moldeo por inyección es la fabricación de películas de plástico.
- 147. Método de extrusión Este sistema funciona de la siguiente manera: los gránulos de plástico entra en el sistema de alimentación, estos pasan al tornillo sin fin, mientras estos gránulos se van derritiendo a causa del las camisas calefactoras, estos gránulos se van desplazando, por el movimiento giratorio del tornillo, hacia el cabezal, donde el material pasa a unos molde que le dan forma. Mas tarde se refrigeran y obtiene su forma definitiva, resistente y rígida. Este método solo se puede utilizar en aquellos casos donde los extremos de los objetos estén cerrados o abiertos, en el caso de que solo sea un extremo el que esté abierto o cerrado, este método no funcionaria. Por ejemplo: tuberías
- 149. Extrusión Una vez fundido, el material es obligado a pasar de forma continua a través de una boquilla y es recogido a la salida de la misma por un sistema de arrastre. Al enfriarse, por contacto con el aire ambiente o mediante circulación forzada de aire frío, se obtiene un perfil cuya sección tiene la forma de la boquilla.
- 150. SOPLADO: Variantes de soplado Moldeo por inyección-soplado El moldeo por inyección-soplado consiste en la obtención de una preforma del polímero a procesar, similar a un tubo de ensayo, la cual posteriormente se calienta y se introduce en el molde que alberga la geometría deseada, en ocasiones se hace un estiramiento de la preforma inyectada, después se inyecta aire, con lo que se consigue la expansión del material y la forma final de la pieza y por último se procede a su extracción.
- 153. Moldeo por extrusión-soplado El moldeo por extrusión soplado es un proceso de soplado en el que la preforma es una manga tubular, conformada por extrusión, llamada párison, el cual se cierra por la parte inferior de forma hermética debido al pinzamiento que ejercen las partes del molde al cerrarse, posteriormente se sopla, se deja enfriar y se expulsa la pieza. Con este proceso se pueden obtener contenedores de hasta 10.000 litros de capacidad sin embargo no se consiguen tolerancias demasiado estrechas.
- 155. Este método se utiliza para la creación de envases u objetos huecos, como las botellas. Se basa en utilizar una preforma de plástico que ha sido obtenida anteriormente por extrusión, que se introduce en un molde metálico y que se añade a dicho molde por la introducción de aire caliente a presión. Mas tarde se enfría y se retira del molde para su uso.
- 156. Colado La colada es el método más simple, ya que consiste en fundir el material y verterlo en un molde. El fluido viscoso rellena el molde y toma su forma. Se trata de un método lento, ya que se invierte mucho tiempo en asegurarse de que el molde se ha rellenado por completo y en enfriar el plástico. El espumado se usa para conseguir espumas de polímero, es decir, plásticos con una densidad muy baja o expandidos, que tienen en su interior burbujas de aire. En todos ellos, el material fundido toma la forma de un molde y, tras enfriarse y solidificar de nuevo, se obtiene la pieza final.
- 157. Conformación de los termoendurecibles
- 158. Las técnicas de producción de polímeros termoestables Los plásticos termoestables se polimerizan en el propio molde. Existen dos técnicas principales de fabricación de objetos con materiales termoplásticos: el moldeo por compresión y el moldeo por transferencia. El moldeo por compresión Consiste en introducir el material, en forma de polvo o gránulos, en un molde, el cual se comprime mediante un contramolde, a la vez que se aporta calor, que reblandece el plástico y facilita el proceso de polimerización.
- 159. Método compresión (termoestables) Éste método es utilizado para piezas de gran tamaño y no muy complicadas, como guardabarros de coche, pomos de puertas, pulseras,... El plástico que se trata adquiere una forma gracias a la presión de una máquina que tiene un molde. El proceso es el siguiente: se coloca una pieza de plástico en un molde de metal, esta es aplastada y moldeada por otra pieza de metal que conforma la otra mitad del molde, todo ello se realiza con el plástico a una elevada temperatura, gracias a esto el material adquiere una forma rígida, uniforme y homogéneo
- 161. Moldeo por transferencia En este procedimiento, los materiales en bruto se calientan y se licuan en una primera cavidad. Después, el material en estado líquido se transfiere al molde mediante inyección, donde se comprime y adopta su forma. Mientras, se agregan los componentes aditivos para mejorar las propiedades físicas, modificar el color, etc. El plástico toma la forma del molde al mismo tiempo que se produce la polimerización. Este procedimiento es habitual para fabricar objetos de madera o metal revestidos de plástico, como enchufes y conectores eléctricos o el revestido de maderas con formica.
- 163. Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se introduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que el material plástico que rellena el molde se solidifica. Este proceso es principalmente utilizado en plásticos termoestables. Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El polímero en una de las cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta e n la cavidad del dado adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del moldeo por inyección se usen con polímeros termoestables.
- 164. La mecanización de los plásticos Mecanizar cualquier tipo de material consiste en realizar, mediante máquinas o herramientas, trabajos para dar forma a los objetos. Una máquina herramienta porta una herramienta que se acopla a los mecanismos de la máquina, que, por lo general, realizará algún movimiento, bien en la pieza a mecanizar o bien en la propia herramienta. La industria ha encontrado en el plástico un buen sustituto de la madera y los metales para ciertas aplicaciones, debido a la gran dureza, tenacidad y resistencia de determinado tipo de plásticos. Estos se suelen obtener en formas estándar, como perfiles redondos, chapas o láminas, tubos..., para después mecanizarlos o darles forma mediante máquinas herramientas.
- 168. Atornillado Este tipo de unión se emplea para fabricar piezas desmontables. Suelen utilizarse tornillos pasantes, con arandelas y tuercas, fabricados normalmente con materiales metálicos.
- 169. La aplicación de adhesivos La unión se realiza incorporando un adhesivo entre las piezas a unir. Este tipo de uniones se utiliza en todos los plásticos, pero en especial en termoestables y elastómeros, a los que no se pueden aplicar procedimientos de soldadura, puesto que se destruyen con el calor. El adhesivo se aplica en la zona a unir y actúa como disolvente de la superficie del plástico. Así, comprimiendo las piezas, se conseguirá la unión definitiva de ambas superficies una vez haya solidificado el adhesivo. Los adhesivos que mejor adherencia y comportamiento presentan en condiciones ambientes extremas son los adhesivos epóxicos, los basados en metacrilato, las resinas de uretano y los adhesivos de cianoacrilato, pudiéndose utilizar también en materiales termoplásticos difíciles de trabajar con adhesivos, como el polipropileno, el polietileno o el
- 170. Soldadura En general, las distintas formas de unir piezas por soldadura se pueden agrupar en tres grandes bloques: Mediante aportación de calor. Esta técnica se destina a termoplásticos que, ante al aumento de temperatura, se funden, pudiéndose unir por compresión las superficies fundidas.
- 171. Por emisión de ultrasonidos. Este método consiste en emitir ondas de ultrasonidos en las superficies a unir, generando un efecto de vibración entre las moléculas del material, que provoca un aumento de temperatura y lo reblandece. Por emisión de haz láser. Se reserva para unir piezas pequeñas en áreas determinadas, emitiendo un haz láser que calienta la superficie a soldar. Esta soldadura permite realizar uniones muy precisas debido a la alta direccionabilidad del haz láser.
- 173. Bibliografía: 1. Smith William. Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de Materiales cuarta edición 2. Smith William. Ciencia e Ingeniería de Materiales. 3. Askeland. Ciencia e Ingeniería de Materiales. 4. Callister William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales 5. Shakefford. Ciencia de Materiales para Ingenieros. 6. Mangonon. Ciencia de Materiales Selección y diseño. 7. Flinn-Trojan. Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones. 8. Avner. Introducción a la Metalurgia Física. 9. Red Hill. Principios de Metalurgia Física. 10.Lasheras. Tecnología del acero.