Tema 9: Materiales poliméricos: Plásticos.

Transcripción

1 Tema 9: Materiales poliméricos: Plásticos. 1. Microestructura y propiedades de los materiales poliméricos. 2. Los plásticos: tipos. 3. Comportamiento térmico de los plásticos. 4. Procesos de fabricación y conformación. 5. Productos plásticos para construcción. 6. Normativa y aplicaciones. MATERIALES II Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesora Ana M.ª Marín Palma

2 Materiales poliméricos Un polímero es un compuesto molecular con gran masa molecular, formado por muchas unidades repetidas. A los compuestos también se les llama macromoléculas. Formados por enlaces covalentes y enlaces secundarios. Pueden ser: naturales (celulosa) o artificiales (sintéticos). Los plásticos son materiales poliméricos artificiales que pueden ser conformados por presión o temperatura. Propiedades de los plásticos: Baja densidad y resistencia. Son combustibles. Se degradan por acción del sol y los agentes atmosféricos Sus propiedades se pueden modificar añadiendo al polímero otras sustancias (aditivos y adiciones).

3 Polimeros. Composición Son macromoléculas (cadenas poliméricas) formadas por la unión de moléculas de menor tamaño que se conocen como monómeros. n n 12 > 3 20 TRIMERO MONOMERO DIMERO POLIMERO El proceso de unión se llama polimerización. P. García Ruiz, U Murcia, (2005) Las cadenas pueden ser de Carbono (orgánicas) o de Silicio (inorgánicas).

4 Reacciones de polimerización Para que un monómero polimerice, es necesario que disponga de (al menos) dos enlaces activos. Así, puede reaccionar con otros dos monómeros y constituir una cadena. La activación del enlace se produce por la presencia de un activador o de un catalizador. Hay dos formas principales de polimerización: Por adición: encadenamiento de monómeros. El polímero resultante es la suma de los monómeros. Por condensación: reacción por etapas en la que se combinan dos monómeros desprendiendo otra sustancia.

5 Tipos de polímeros Homopolímeros: Todos los monómeros que los constituyen son iguales. Copolímeros: Están formados por 2 o más monómeros diferentes. P. García Ruiz, U Murcia, (2005)

6 Tipos de Copolímeros Copolímero aleatorio: Está formado por una disposición aleatoria de dos ó más monómeros. Copolímero en bloques: Tiene bloques de monómeros del mismo tipo. Copolímero de injerto: Poseen una cadena principal de un solo tipo de monómero con ramas de otros monómeros. P. García Ruiz, U Murcia, (2005)

7 Tipos de estructura de la cadena Lineal: Se repite siempre el mismo tipo de unión. Ramificado: Con cadenas laterales unidas a la principal. Reticulado: Se forman enlaces entre cadenas vecinas. P. García Ruiz, U Murcia, (2005)

8 Tipos de Materiales poliméricos Por su composición pueden ser Orgánicos (-C-C-C-) o Inorgánicos (-Si-O-Si-O-Si-, siliconas). Por su estructura y propiedades, se distinguen: Elastómeros: ante una deformación, vuelven a la forma original cuando cesa la fuerza que la provoca. Plásticos: bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura, pueden ser modelados. Tienen mayor rigidez que los elastómeros. Actualmente, contienen aditivos y adiciones que modifican sus propiedades (físicas y mecánicas). Con un polímero pueden hacerse plásticos diferentes

9 Elastómeros Tienen una estructura reticulada débil. Este tipo de estructura es la causa de la memoria de forma de los elastómeros (comportamiento elástico): Las cadenas pueden separase aplicando una fuerza. Una vez que la fuerza cesa, las cadenas vuelven a su posición original y el material recupera su forma. P. García Ruiz, U Murcia, (2005)

10 Plásticos Por su sensibilidad a la temperatura, se distinguen: Termoplásticos: Formados por cadenas lineales unidas por enlaces débiles (estructura amorfa o semicristalina). Se funden con el calor (rotura de enlaces secundarios). Algunos se pueden reticular parcialmente (rigidización). Termoestables: Formados por cadenas unidas por enlaces covalentes (estructura reticulada). No se ablandan con el calor (arden). Son rígidos y no se pueden soldar.

11 Estructura de los Termoplásticos Es principalmente amorfa (vítrea), aunque en algunas zonas se pueden formar estructuras cristalinas. Esta estructura se denomina semi-cristalina: Estructura vítrea (cadenas enrolladas) Estructura cristalina (cadenas apiladas) Estructura de un termoplástico semi-cristalino

12 Estructura de los Termoestables Se forman cadenas que se enlazan entre sí, mediante enlaces primarios de tipo covalente. Forman estructuras poliméricas reticuladas: Polimerización de un epóxido (termoestable)

13 Comportamiento térmico de los polímeros Las propiedades de los polímeros dependen de la temperatura. Al aumentar la temperatura se descomponen los enlaces secundarios (débiles) que unen las cadenas. A una cierta temperatura, dejan de comportarse como sólidos elásticos y se comportan como una goma (Temperatura de Transición Vítrea). A una temperatura mayor, los termoplásticos se funden en forma de líquido (Temperatura de Fusión). Los termoestables no tienen TF (se descomponen). Cuanto mayor es el grado de cristalización, la TTV y la TF están más cercanas.

14 Volumen específico Comportamiento térmico de los termoplásticos Estado de goma Líquido En el enfriamiento de un material cristalino hay un cambio brusco en el volumen al pasar por el punto de fusión Estado vítreo Estado cristalino En un material amorfo, a la TTV, hay un cambio en la pendiente de la curva del volumen específico frente a la temperatura P. García Ruiz, U Murcia, (2005) Temperatura TTV TF TTV: Temperatura de Transición Vítrea TF: Temperatura de fusión

15 Comportamiento térmico de los termoplásticos

16 Propiedades de los materiales poliméricos Dependen de su estructura y su TTV: - Los plásticos se utilizan a Temperatura < TTV. - Los elastómeros se utilizan a Temperatura > TTV. Son aislantes térmicos y eléctricos. Tienen baja densidad, absorción y permeabilidad. Tienen baja resistencia mecánica. Se puede colorear la masa (pigmentos). Son combustibles y desprenden gases tóxicos. Tienen una durabilidad limitada: sufren envejecimiento por acción de los rayos UVA y los agentes atmosféricos Son incompatibles con algunos materiales (pe. betunes)

17 Plásticos Termoplásticos Al aumentar la temperatura y sobrepasar el punto de reblandecimiento pueden volver a moldearse para cuando se enfríen volver al estado solido y a la forma obtenida. Son solubres en el disolvente adecuado. Se obtienen por polimerización, uniéndose por enlaces covalentes monómeros iguales o diferentes formando largas cadenas a veces ramificadas. La polimerización se realiza por aportación de calor, por aumento de presión y con la presencia de un catalizador.

18 Plásticos Termoestables Aquellos que sometidos al calor y presión se endurecen de forma irreversible. Una vez enfriados no se ablandan por un nuevo calentamiento, no son reciclables, no son solubles en disolventes y no pueden ser recuperados para otra transformación. Son productos de policondensación, con macromoléculas tridimensionales reticuladas. Se descomponen al ser calentados sin ablandarse. Son ramificados. No se pueden fabricar con ellos fibras.

19 Tipos de plásticos utilizados en construcción Los plásticos son materiales poliméricos que se pueden conformar. Termoplásticos: Polietilenos (PE) Polipropilenos (PP) Cloruros de polivinilo (PVC) Poliestirenos (PS) Polimetilmetacrilatos (PMMA) Policarbonatos (PC) Termoestables: Formaldehidos: Fenólicos (FF) Melaminas (MF) De Urea (UF) Acrílicos (AC) Poliuretanos (PU) Epóxidos (PX)

20 Propiedades de los materiales poliméricos Polietileno Cristalinidad (%) Densidad (gr/cm 3 ) P F ( C) Alta densidad ,94 a 0,97 hasta 135 Baja densidad ,91 a 0, Lineal de baja densidad ,92 0, Polímeros Temperatura de fusión C Polietileno alta densidad 135 Polimetilmetacrilato isotáctico 160 policloruro de vinilideno 198 Nylon Politetrafluoruro etileno (teflón) 327

21 Propiedades de los materiales poliméricos

22 Fabricación de materiales plásticos El proceso consta de cuatro etapas: 1. Materias primas: se fabrican a partir de productos orgánicos naturales (petróleo, carbón algodón, ) 2. Síntesis del polímero básico: adición o condensación. 3. Inclusión de aditivos y adiciones. 4. Conformación del producto: Las técnicas empleadas dependen del tipo de plástico: Termoplásticos: se calientan y deforman por presión Termoestables: se conforman antes de que se produzca el entrecruzamiento de las cadenas.

23 Técnicas de conformación de plásticos Se distinguen dos grupos principales: - Conformación continua: se obtienen productos de sección constante que se cortan posteriormente. Técnicas: Extrusión e Hilado. - Conformación discontinua: se obtienen piezas de dimensiones fijas. Técnicas: Inyección y Soplado. Espumado: Se incorporan agentes aireantes en el proceso de fabricación que aligeran el producto. (Permite utilizar técnicas continuas y discontinuas)

24 Extrusión Para producir productos semielaborados como tubos, planchas, láminas, perfiles. El plástico se funde y se le da forma según la boquilla. Hilado Extrusionado de láminas flexibles Para producir fibras. El material pasa a través de una boquilla de múltiples orificios.

25 Inyección Para producir piezas. El plástico se funde y se inyecta dentro del molde, que se abre y se retira la pieza. Soplado Para producir fibras. Se aplica fuerza para presionar el material caliente contra las paredes de molde.

26 Moldeo por compresión Para planchas finas de plástico. Precalentamiento del material y generación de vacío que produce una succión del material. Por este efecto, el plástico adquiere los contornos del molde. Termo-moldeado

27 Productos plásticos para construcción Plásticos rígidos: presentan un comportamiento elástico (Tubos, perfiles, láminas y productos conformados) Plásticos flexibles: Incorporan aditivos plastificantes. (Láminas y tubos) Espumas: Pueden ser conformados (placas o coquillas) o aplicarse en estado líquido (poliuretano y fenólicas). Resinas: se aplican en estado pastoso y se endurecen al aire (por acción de un activador o curado térmico). Fibras: para tejidos o refuerzo de matrices (composites) Materiales compuestos: Plásticos reforzados, laminados y paneles sándwich.

28 Aplicaciones de plásticos en construcción Cerramientos y Particiones : Láminas de revestimiento, perfiles, carpinterías, acristalamientos y paneles. Revestimientos y pavimentos: Continuos o discontinuos Instalaciones: Tubos, canalizaciones, arquetas y registros, canalizaciones, encofrados, coquillas de aislamiento y cubiertas de conductores. Impermeabilización y barreras de vapor: Láminas flexibles incluidas en sótanos, cerramientos y cubiertas. Aislamiento térmico (TEMA 10): Polímeros espumados en forma de placas (poliestireno) o proyectados en forma líquida (poliuretano y espumas fenólicas). Refuerzos mecánicos: Composites (matriz y fibras)

29 Espuma de polietileno

30 Polietileno

31 Polietileno de alta densidad

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33 Polipropileno Con junta elástica

34 Cloruro de polivinilo

35 Nylon

36 Poliestireno expandido (EPS)

37 Poliestireno extruido (XPS)

38 Polimetilmetacrilato

39 Policarbonato

40 Tablero fenólico

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42 Poliuretano

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45 Normativa de productos plásticos En aplicaciones vistas, deben cumplir con la normativa contra-incendios DB-SI (son combustibles). Los aislantes deben cumplir las condiciones energéticas (DB-HE Ahorro de energía) y acústicas (DB-HR protección frente al ruido). Los productos para instalaciones deben cumplir los Reglamentos de Instalaciones (REBT, RITE, ) Distintivos de calidad: Sello INCE, Marca AENOR Algunos productos requieren de marcado CE para su comercialización en la UE: Productos para Aislamiento térmico ( EPS, PU, FF) Productos para instalaciones hidráulicas y eléctricas

46 Tema 9: Materiales poliméricos: Plásticos. 1. Microestructura y propiedades de los materiales poliméricos. 2. Los plásticos: tipos. 3. Comportamiento térmico de los plásticos. 4. Procesos de fabricación y conformación. 5. Productos plásticos para construcción. 6. Normativa y aplicaciones..

47 Glosario de conceptos del Tema Materiales poliméricos Comportamiento térmico Técnicas de conformación Polimerización Temperatura de fusión Conform. Continua Polímeros TTV Conform. Discontinua Tipos de polímeros Grado de cristalización Espumado Tipos de estructuras Propiedades plásticos Productos plástcicos Tipos de mat. Poliméricos Tipos de plásticos Plásticos rígidos Elastómeros Fabricación de plásticos Plásticos flexibles Plásticos Termoplásticos Termoestables Microestructuras Espumas Resinas Fibras Compuestos

48 Bibliografía de consulta recomendada. Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, Vigil Montaño, MR; Los plásticos como materiales de construcción, UNED, 2002 Dietz, A. G. H.; Plásticos para arquitectos y constructores, Ed. Reverté, 2003