UNIDAD 8 PROCESOS EN POLIMERO

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1 SEP SEIT DGTI UNIDAD 8 PROCESOS EN POLIMERO MATERIA: PROCESOS DE FABRICACION DOCENTE: ING. LUIS ARANDA CERVANTES. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 1

2 Índice INTRODUCCION POLIMEROS Y SUS CARACTERISTICAS... 4 Como se producen?... 4 Tipos de polímeros... 5 a). Según su origen:... 5 b). Según su respuesta termo-mecánica:... 5 c). Según su aplicación:... 6 Nomenclatura... 8 Aditivos agregados a los polímeros PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS CONFORMADO DE POLIMEROS ) Moldeo por inyección ) Moldeo por extrusión ) Moldeo por insuflación de aire ) Moldeo por vacío ) Calandrado P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 2

3 INTRODUCCION Los polímeros son los más nuevos de los tres tipos de materiales y al mismo tiempo, los más antiguamente conocidos por el hombre. Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga. Cada molécula está hecha de unidades repetitivas que se conectan entre sí. Puede haber miles o millones de unidades en una sola molécula de polímero. Él termino se deriva de las palabras griegas poly, que significa muchos, y meros que significa parte. La mayoría de los polímeros se basan en el carbono y, por consiguiente, son consideradas sustancias químicas orgánicas. Sin embargo, el grupo también incluye un número de polímeros inorgánicos. Los polímeros forman organismos vivos y son parte de los procesos vitales de todos los seres vivos sobre la Tierra; los polímeros biológicos eran la fuente de alimentos, vestidos, así como de muchos implementos de los antiguos seres humanos. Sin embargo, nuestro interés se centra en materiales diferentes a los polímeros biológicos. Con excepción del hule natural, casi todos los materiales polímeros usados en ingeniería son sintéticos y están hechos mediante procesos químicos. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 3

4 8.1 POLIMEROS Y SUS CARACTERISTICAS Los polímeros son moléculas de gran tamaño, constituidas por eslabones orgánicos denominados monómeros, unidos mediante enlaces covalentes. Los eslabones están formados fundamentalmente por átomos de carbono y pueden poseer grupos laterales o radicales con uno o más átomos. Estas moléculas orgánicas son las que constituyen los materiales plásticos que conocemos y también los tejidos de los seres vivos (piel, músculos, tela de araña, seda, etc.). Como se producen? Los polímeros sintéticos se producen mediante un proceso denominado polimerización. En este proceso se produce la reacción de miles de monómeros que pasan a formar parte de una larga cadena macromolecular. Existen varios tipos de polimerización. a. Polimerización en bloque o fase condensada: El monómero y un iniciador se combinan en un recipiente (reactor) y se calientan o enfrían según se requiera. Se debe controlar estrictamente la temperatura. Ej. PMMA. b. Polimerización en solución: El monómero se disuelve en un solvente no reactivo que contiene un catalizador. El calor desprendido por la reacción es absorbido por el solvente y entonces la velocidad de reacción se reduce. Es difícil eliminar todo el solvente. Ej. PP. c. Polimerización en suspensión: El monómero y el catalizador se suspenden en forma de gotitas en una fase continua como el agua. El calor producido por la reacción es absorbido por el agua; se requiere agitación continua. Este método se emplea de modo generalizado para producir varios polímeros vinílicos.. Ej. PVC, PS, poliacrilonitrilo. d. Polimerización por emulsión: Es un proceso similar al de suspensión puesto que se lleva a cabo en agua. En este caso el monómero es absorbido dentro de unas micelas creadas por un agente emulsificante, como el jabón, y dentro se produce la polimerización. Ej. Pinturas. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 4

5 Tipos de polímeros Instituto Tecnologico De M atamoros a). Según su origen: Polímeros naturales. Por ejemplo, las proteínas, la celulosa, el hule o caucho natural, la quitina, lignina, etc. -Caucho natural Polímeros semisintéticos. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado. Polímeros sintéticos. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el poli cloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc. b). Según su respuesta termo-mecánica: Los materiales poliméricos se pueden clasificar en cinco grupos: Termoplásticos: Como su nombre lo indica, se comportan de manera plástica a elevadas temperaturas. Más aún, la naturaleza de sus enlaces no se modifica radicalmente cuando la temperatura se eleva, razón por la cual pueden ser conformados a temperaturas elevadas, enfriados y d después recalentados o reconformados sin afectar el comportamiento del polímero. Los polímeros termoplásticos son lineales. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 5

6 Termorígidos: Los polímeros termorígidos también denominados termoestables, son polímeros reticulados durante la reacción de polimerización o mediante la introducción de entrecruzamientos químicos. Este reticulado no permite que estos polímeros sean reprocesados después de que han sido conformados. c). Según su aplicación: Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia. Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 6

7 Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables. Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión. Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 7

8 Nomenclatura Las normas internacionales publicadas por la IUPAC indican que el principio general para nombrar polímeros es utilizar el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero, escrita entre paréntesis. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 8

9 Polímeros de ingeniería. Nylon (poliamida 6, PA 6) Polilactona Policaprolactona Polieter Polisiloxanos Polianhidrido Poliurea Policarbonato Polisulfonas Poliacrilonitrilo Acrilonitrilo Poliéster Tereftalato de Polibutileno (PBT) Estireno Acrilonitrilo (SAN) Poliuretano Termoplástico (TPU) Polímeros funcionales Copolímeros Aditivos agregados a los polímeros Agentes de refuerzo: incrementan las propiedades estructurales del polímero, tales como rigidez, fuerza y retención. Ej. Fibra de vidrio en nylon y polipropileno Fillers: materiales articulados cuya función es extender el polímero y reducir su costo. Ej.: mica, asbestos. Estabilizantes: inhiben la degradación del polímero por exposición a la radiación ultravioleta y al oxigeno o a altas temperaturas durante operaciones de procesamiento. Ej.: óxidos metálicos y antioxidantes. Pigmentos: se agregan para colorear plásticos. Ej.: oxido de titanio, carbonato de calcio y carbón. Agentes de curado: reducen la rigidez del polímero. Ej.: ftalato de dioctilo, etc. Agentes para producir espumas: generan un gas para producir la espuma. Ej.: Pentano. Retardadores de llama: para reducir su flamabilidad. Contienen grandes cantidades de cloro y bromo. Biocidas: inhiben el crecimiento de hongos en los polímeros. Ej.: compuestos de cobre, estaño y mercurio. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 9

10 8.3. PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS Las propiedades físicas de los polímeros dependen de su estructura molecular. Densidad. La densidad (simbolizada con la letra griega rho: ρ) es la masa (m) por unidad de volumen (V). La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico, si bien habitualmente se expresa en gramos por centímetro cúbico. ρ = m_ V Gran parte de los polímeros tienen una densidad entre 0,9 y 1,3 los fluoroplásticos tienen en general una densidad alrededor de 2. Tabla de densidades de varios polímeros Material Densidad Acetal 1,42 Acrilonitrilo estireno 1,07 Acrilonitrilo butadieno 1,05 estireno Copolímero estireno 1,03 butadieno Celulosa acetato 1,25/1,35 Celulosa acetato butirato 1,15/1,25 Celulosa acetato propinato 1,20 Fluencia a la tracción Cuando un contrapeso suspendido de una muestra de ensayo provoca un cambio en la forma de la muestra durante un período de tiempo, la deformación se denomina fluencia. Si la fluencia se produce a temperatura ambiente, se denomina flujo en frío. Los resultados de la prueba de fluencia a la tracción registran la deformación en milímetros. La fluencia y el flujo en frío son propiedades muy importantes que se deben considerar cuando se diseñan recipientes, tuberías y vigas, en los que la carga es constante (presión o esfuerzo) P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 10

11 Equipo para la medición de presión interna en caños Los ensayos se realizan llenando las muestras a ensayar según las normas, con agua a presión, durante un tiempo determinado, a la temperatura requerida para simular uso continuo durante determinado cantidad de tiempo. Viscosidad La característica que describe la resistencia interna de un líquido para fluir se denomina viscosidad. Cuanto más lento fluye el líquido, mayor es su viscosidad. Las unidades son Pa*s (pascales x segundos) o poises. La viscosidad es un factor importante en el transporte de resinas, la inyección de plásticos en estado líquido y la obtención de dimensiones críticas en la extrusión. La viscosidad de un polímero puede ser determinada con el uso de viscosímetros capilares mediante disolución del mismo en un disolvente, que se basan en el tiempo que tarda un fluido a través de un tubo capilar. Existen varios modelos de viscosímetros capilares, siendo unos de los más utilizados el viscosímetro de Ubbelohde. Contracción al moldeo Como se ha expresado en Coeficiente de dilatación lineal, los materiales sufren una dilatación al calentarse y una contracción al enfriarse. Por lo que será útil conocer este índice para la confección de moldes de inyección o boquillas de extrusión debido a que deberán ser de mayor tamaño que el de la pieza que se desea obtener para que la misma se adapte a los requerimiento de dimensiones requeridos al solidificarse y enfriarse. Las unidades utilizadas pueden ser mm / mm o también se pueden expresar en porcentajes. Solubilidad La solubilidad de un polímero varía en función de su estructura química y del peso molecular, siendo más fácilmente solubles las fracciones de bajo peso molecular. Por lo tanto no es extraño que durante un proceso de disolución se disuelvan las fracciones más ligeras del polímero, quedando insolubles las de alto peso molecular. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 11

12 Solubilidad de algunos polímeros en diferentes solventes: Solubilidad Material Agua Alcohol H.C. Halogenados H.C. Atifátícos H.C. Aromáticos Cetonas Esteres Éteres SI N SI N SI N SI N SI N SI N SI N SI N Acetal O X O X O X O X O X O X O X O X Acrilonitrilo estireno X X X X X X Acrilonitrilo butadieno X X X X X X X Copolímero estireno X X X X X X X Celulosa acetato X X X X X X X X Celulosa acetato X X X X X X X X Celulosa acetato X X X X X X X X Celulosa nitrato X X X X X X X Celulosa metil X X X Celulosa etil X X X X X X X X Celulosa bencil X X X X X X Poliamida 6 X X X X X X X X Poliamida 6-6 X X X X X X X X Poliamida 6-10 X X X X X X X X Poliamida 1 1 X X X X X X X X Poliamida 12 X X X X X X X X Poliimidas X X X X X X X X Polibutadieno X X X X X X X Policarbonato X X X X X Polietileno X X X X X X X X Polipropileno X X X X X X X X Poliestireno X X X X X X X Polimetacrilato de X X X X X X X Pollmetacrilato de etilo X X X X X X X Resistencia a la inflamabilidad Dependiendo de su composición los polímeros se comportan de forma distinta al aplicárseles una fuente de ignición. Pudiendo destacarse: facilidad de ignición, autoextinción de la llama, color de la llama, desprendimiento de algún olor, la presencia de humos, etc. Esta propiedad es muy útil conocer, por ejemplo, en los plásticos utilizados en recubrimiento de cables. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 12

13 8.3 CONFORMADO DE POLIMEROS Las técnicas para conformar polímeros en formas útiles dependen en gran medida de la naturaleza del polímero, en particular, si es termoplástico o termoestable. Se emplea una gran diversidad de técnicas para conformar polímeros termoplásticos. El polímero se calienta a una temperatura cercana o superior a la de fusión, de modo que adquiera una baja viscosidad. Entonces el polímero se funde o inyecta dentro de un molde, o se lo fuerza a pasar a través de una boquilla para producir la forma requerida. Se emplean pocas técnicas de conformado para los polímeros termoestables debido a que una vez producida la polimerización ya se ha establecido una estructura reticular que no se puede conformar más. Después de la vulcanización los elastómeros tampoco pueden ser conformados adicionalmente. Existen varias técnicas para dar forma a los plásticos. Algunas de las más comunes son: 1. Moldeo por inyección 2. Moldeo por extrusión 3. Moldeo por soplado 4. Moldeo por vacío 5. Calandrado 1) Moldeo por inyección Un émbolo o pistón de inyección se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás para empujar el plástico ablandado por el calor a través del espacio existente entre las paredes del cilindro y una pieza recalentada y situada en el centro de aquél. Esta pieza central se emplea, dada la pequeña conductividad térmica de los plásticos, de forma que la superficie de calefacción del cilindro es grande y el espesor de la capa plástica calentada es pequeño. Bajo la acción combinada del calor y la presión ejercida por el pistón de inyección, el polímero es lo bastante fluido como para llegar al molde frío donde toma forma la pieza en cuestión. El polímero estará lo suficiente fluido como para llenar el molde frío. Pasado un tiempo breve dentro del molde cerrado, el plástico solidifica, el molde se abre y la pieza es removida. El ritmo de producción es muy rápido, de escasos segundos. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 13

14 2) Moldeo por extrusión En el moldeo por extrusión se utiliza un transportador de tornillo helicoidal. El polímero es transportado desde la tolva, a través de la cámara de calentamiento, hasta la boca de descarga, en una corriente continua. A partir de gránulos sólidos, el polímero emerge de la matriz de extrusión en un estado blando. Como la abertura de la boca de la matriz tiene la forma del producto que se desea obtener, el proceso es continuo. Posteriormente se corta en la medida adecuada. Extrusión de film tubular En esto proceso se funde polietileno de baja densidad. El fundido es extruido a través de una matriz anular. Se introduce aire inflando el tubo del polímero extruido para formar una burbuja del diámetro requerido, la que es enfriada por una corriente de aire. El film es arrastrado por un par de rodillos que aplastan la burbuja manteniendo así el aire empleado para inflar la burbuja dentro de ella. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 14

15 3) Moldeo por insuflación de aire Es un proceso usado para hacer formas huecas (botellas, recipientes). Un cilindro plástico de paredes delgadas es extruido y luego cortado en el largo que se desea. Luego el cilindro se coloca en un molde que se cierra sobre el polímero ablandado y le suprime su parte inferior cortándola. Una corriente de aire o vapor es insuflado por el otro extremo y expande el material hasta llenar la cavidad. El molde es enfriado para el fraguado. 4) Moldeo por vacío Este método se utiliza para la creación de vasos, platos, mascaras y todo aquello que tenga unas paredes muy finas. Para este método se utiliza una lámina fina de plástico, la cual es calentada con unas resistencias. Debajo de esta lámina de plástico se encuentra un objeto del cual se quiere adoptar su forma, luego la lámina de plástico caliente cae sobre el molde, luego se extrae el aire para que el plástico obtenga todos sus detalles. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 15

16 5) Calandrado El proceso se emplea para la fabricación de chapas y películas plásticas. Consiste en pasar un polímero convertido en una masa blanda entre una serie de rodillos calentados. A medida que el polímero pasa a través de los rodillos se forma" un producto uniforme. El último par de rodillos se ajustan para dar el espesor deseado. El sistema de rodillos de enfriamiento da a las chapas o películas su estructura molecular permanente. P R O C E S O S D E F A B R I C A C I O N I U N I D A D 8 I Página 16