MATERIALES POLIMÉRICOS

Transcripción

1 MATERIALES POLIMÉRICOS Los polímeros por décadas han hecho parte de la ingeniería, dado que pueden alcanzar propiedades adecuadas de resistencia, rendimiento y resistencia a la corrosión, propiedades bastante buscadas en el campo de la ingeniería. Un polímero se puede definir como una gran molécula construida por la repetición de pequeñas unidades químicas simples denominadas monómeras, las cuales suelen mantener una secuencia lineal semejante a una cadena de eslabones. Las propiedades de los polímeros, al igual que en otros materiales, dependen de la estructura elemental de éstos. El tamaño de una molécula del polímero es definido por el número de repeticiones de las unidades en la molécula. Las macromoléculas de los materiales poliméricos pueden ser lineales, ramificadas, entrecruzadas o reticulares. Macromoléculas lineales: Formadas por monómeros que sólo tienen dos puntos de enlace, uno en cada extremo. Pueden disponerse de manera más o menos paralela. Macromoléculas ramificadas: Se obtienen a partir de polímeros que pueden unirse por tres o más lugares por lo que se forman cadenas laterales como ramificaciones que se conectan con la cadena principal Macromoléculas entrecruzadas: En este caso las cadenas lineales ramificadas adyacentes se unen unas a las otras mediante enlaces covalentes. Macromoléculas reticuladas: Son constituidas por cadenas y ramificaciones que se entrelazan en las tres direcciones del espacio. Existen dos factores moleculares que gobiernan las propiedades mecánicas de un polímero. El primero es la longitud de la cadena, la cual es proporcional al número de monómeros, y por ende proporcional al tamaño molecular, o masa molecular. El segundo es la forma de la molécula, que depende de la cantidad de ramificaciones que tenga la cadena principal. Cuando la cadena polimérica está conformada por un solo tipo de monómero se habla de homopolímeros, y si está conformada por más de un tipo de monómero se habla de copolímeros. 1

2 Las estructuras moleculares se pueden obtener mediante procesos de polimerización, a través de los cuales se logran obtener cadenas de dimensiones adecuadas para cada uso, y por ende controlar tanto propiedades como características de los polímeros conocidos en la actualidad. PROCESOS DE POLIMERIZACIÓN El proceso de construir una molécula polimérica, y por ende obtener un material plástico, se denomina polimerización. Se diferencian dos tipos de polimerización: por adición y por condensación. Polimerización por Adición En esta clase de polimerización los polímeros son sintetizados por la adición de monómeros insaturados a la cadena creciente. De esta manera, al monómero de inicio se le rompe el enlace covalente entre sus dos átomos de carbono dejando dos electrones desapareados, esto atrae otro monómero de inicio, rompiéndole el enlace covalente y acoplándolo. Así puede continuar indefinidamente la reacción formando la cadena polimérica. La polimerización por adición tiene tres etapas: Iniciación: Cuando inicia la reacción, el primer monómero no es capaz por sí solo de romper el enlace covalente, por lo que se utilizan iniciadores (moléculas que tienen la particularidad de romper uno de sus enlaces). Luego de haberse dividido se tienen dos fragmentos, denominados fragmentos iniciadores, cada uno con un electrón no apareado. Propagación o crecimiento: Es el proceso mediante el cual aumenta la cadena por sucesivas adiciones de monómeros. Al romper el enlace covalente del monómero, éste queda con un electrón desapareado que reacciona con otro monómero propagándose la reacción y generando largas cadenas. Terminación: Para dar fin a la reacción basta con adicionar un radical libre de acabado, o simplemente, termina por que se combinan dos cadenas en crecimiento por la cabeza y la cola, o por la presencia de impurezas que inhiban la reacción dando fin a la misma. Polimerización por Condensación En la polimerización por condensación algunos átomos del monómero no son incluidos en el polímero resultante, por lo que se produce una pequeña molécula como residuo. Usualmente agua o ácido clorhídrico gaseoso (HCl). 2

3 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS Los materiales poliméricos usados en procesos ingenieriles suelen ser clasificados en función de su comportamiento mecánico y térmico, definiéndose así tres grandes grupos: Termoplásticos: Se componen de largas cadenas a partir de monómeros. Presentan un comportamiento generalmente plástico y dúctil. Al ser calentados se reblandecen y se pueden conformar, lo que permite que se puedan reciclar Termoestables: Se componen de largas cadenas con fuertes enlaces cruzados entre ellas, para formar las redes tridimensionales. Generalmente son más resistentes y frágiles. No tienen una temperatura de fusión fija y no se pueden conformar, lo que no permite que se puedan reciclar. Elastómeros: Se componen de cadenas ligeramente entrecruzadas entre sí, lo que permite que se puedan deformar elásticamente en grandes proporciones sin cambiar de forma permanentemente. A continuación se listan algunos de los materiales poliméricos de mayor uso en el campo de la ingeniería. POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Polietileno de Baja densidad (LDPE) Es un polímero de adición altamente ramificado con una cristalinidad del 60 al 70%. Es utilizado en la fabricación de películas. En general, los PE son materiales de bajo costo, con excelentes propiedades dieléctricas y una resistencia química alta. Es uno de los plásticos de mayor consumo y su costo actual es del orden de U$ 700/tm. Presenta dilatación térmica muy alta, resistencia a la intemperie baja, sujeto al agrietamiento por tensión y es inflamable. Es de mucha utilización en productos flexibles, juguetes, botellas, bolsas y recubrimientos de cables Polietileno de alta densidad (HDPE) Es un polímero de adición lineal semicristalino. Por el hecho de ser lineal es más rígido y resistente que el LDPE. El HDPE es producido con pesos moleculares entre y , pero también puede ser obtenido con pesos mucho 3

4 mayores. Los HDPE con pesos en el rango de tres a seis millones, son conocidos como polietilenos de ultra-alto peso molecular (UHMWPE). Es de mucha aplicación en envases soplados y piezas inyectadas que no tengan requerimientos mecánicos importantes, además botellas y envases para shampoo, alimentos o líquidos, carcasas de electrodomésticos y tuberías. Polipropileno (PP) El PP se asimila en muchas propiedades al PE, siendo el PP más liviano, es bastante rígido, resistente a esfuerzos y a la acción de productos químicos, es buen aislante. El PP es un material fácil de procesar, ofrece una resistencia química alta, presenta una temperatura de servicio elevada (126 ºC) y es un excelente aislante eléctrico. Sin embargo, se descompone por radiación UV, tiene poca resistencia a la intemperie, es inflamable y es susceptible al ataque de disolventes clorados y aromáticos. Es utilizado en la fabricación de piezas industriales, componentes eléctricos y electrónicos, envases, cascos, papelería, juguetes, fibras para tapicerías, alfombras, moquetas y cuerdas. Polimetilmetacrilato (PMMA) El polimetilmetacrilato es el más común de la familia de los polímeros acrílicos. Es distinguido por ser un polímero vítreo con un Tg =200 ºC que se obtiene por polimerización de adición. La propiedad más importante del PMMA es su transparencia óptica y ausencia de color, es resistente al impacto, resistente a la intemperie, incoloro, con un punto de reblandecimiento alto. Aunque la principal desventaja es la deficiente resistencia a la abrasión comparado con el vidrio. Tiene punto de reblandecimiento alto, una excelente resistencia a la tensión, por lo que este material se puede moldear o maquinar. Poliestireno (PS) El poliestireno es un material atáctico, amorfo, bastante rígido, transparente, de buena estabilidad dimensional y bajo costo. Como desventajas puede anotarse que es inflamable, posee muy poca resistencia a los disolventes y a la intemperie y los homopolímeros son muy frágiles. Existen diversos copolímeros de estireno, los cuales presentan características ópticas y eléctricas similares a las del PS pero con mayores prestaciones mecánicas, es bastante rígido, aunque con resistencia mecánica moderada. Es bastante utilizado en la fabricación de envases de 4

5 alimentos, carcasas de electrodomésticos, aislante acústico y térmico, embalajes, juguetes, platos y vasos desechables, gafas y maletas Policloruro de vinilo (PVC) El PVC es un material bastante común a nuestro alrededor. Es el tercer material de mayor consumo después del PE y del PP. Se utiliza en la fabricación de tubería y elementos en contacto con el agua y a la intemperie, debido a que no se degrada fácilmente. Se pueden lograr diversos grados de flexibilidad adicionando el material con plastificantes. Otra característica importante para la aplicación del PVC es su resistencia a la llama, por el contenido de Cloro; cuando el material trata de encenderse los átomos de cloro se desprenden e inhiben la combustión. Duro y tenaz, impermeable, poco inflamable y resistente a la corrosión. Usado en construcción, tuberías y válvulas, películas impermeables, recubrimiento de cables. Polietilentereftalato (PET) El PET es un material altamente cristalino por lo que puede formar fibras muy fuertes. Es de gran utilización en la industria textil. También tiene un amplio uso para fabricar envases para bebidas gaseosas, pues ofrece una alta barrera a los gases. Es rígido y tenaz, resistente a la corrosión y a la acción de productos químicos. Envases de alimentos, botellas, fibras textiles (dacrón), base para cintas magnéticas (mylar). Politetrafluoroetileno (PTFE) El PTFE (Teflón) contiene átomos de carbón y flúor que están encadenados por una unión covalente estable. Debido a esta fuerte unión las macromoléculas son muy compactas, dando unas excelentes propiedades físicas (insolubilidad, resistencia térmica y química, antiadherencia, autolubricación y propiedades dieléctricas). Es blanco con una apariencia pastosa muy sólida y flexible con muy buenas propiedades aislantes y su superficie es prácticamente impermeable. Es altamente cristalino (94%) con un peso molecular promedio de g/cm 3. el flúor que forma parte de la molécula del PTFE rechaza cualquier cosa que intente acercarse a la superficie, esta es la razón por la cual es antiadherente. Su coeficiente de fricción es muy bajo. Presenta excelentes propiedades químicas, tiene una superficie deslizante y poca adhesividad, buena hemocompatibilidad. Buen aislante térmico y eléctrico 5

6 POLÍMEROS TERMOESTABLES Los termoestables están formados por largas cadenas entrecruzadas que forman redes tridimensionales. Las cadenas no se pueden doblar, girar, ni deslizarse, eso hace que sean materiales bastante rígidos, de buena resistencia y dureza. Dependiendo del tipo de monómero y del grado de polimerización, el polímero resultante puede ser una resina líquida o sólida y puede presentarse en una o varias partes, donde el curado puede darse por calor, presión o mezclado. Las resinas termoestables se caracterizan por presentar entre sus propiedades: Alta estabilidad térmica Alta rigidez Alta estabilidad dimensional Buena resistencia a la fluencia Buena resistencia a la tracción Bajo peso Alta dureza Baja ductilidad Baja resistencia al impacto Alta temperatura de transición vítrea Este tipo de polímeros se caracteriza por tener enlaces entrecruzados no reversibles, por lo que no pueden ser reciclados. Los grupos funcionales dan el nombre a algunos polímeros termoestables entre los que están: Uretanas Dependiendo del grado de entrecruzamiento de los enlaces, se pueden comportar como termoestables o como elastómeros. La mayor parte de las aplicaciones está en fibras, recubrimientos y espumas de muebles, colchones y aislamientos Aminas Se producen al combinar monómeros de urea o de melanina con el formaldehido, produciendo cadenas lineales. Presentan una excelente resistencia a la corrosión y a los agentes químicos, además son poco inflamables. Se utilizan en el recubrimiento de muebles (fórmica), industria eléctrica, adhesivos y barnices 6

7 Epóxicas Son resinas basadas en el bisfenol A. Estas moléculas polimerizan para producir cadenas y después se les hace reaccionar con agentes aceleradores del curado, para proporcionar enlaces cruzados. Son bastante tenaces y resistentes al impacto. Se utilizan en piezas moldeadas rígidas para aplicaciones eléctricas, componentes electrónicos, matrices de materiales compuestos, adhesivos, pinturas y barnices Fenólicas Son las resinas más comunes, (la baquelita es una resina de esta tipo) y se forman mediante una reacción de condensación que une las moléculas de fenol y formaldehido. Son resinas duras, resistentes al calor y a los productos químicos. son buenos aislantes y por ello se utilizan en la Industria eléctrica y electrónica, laminados, recubrimientos y adhesivos Siliconas Este es un grupo de moléculas que posee grupos inorgánicos de silicio y oxígeno basados en átomos de silicio que reemplazan al carbono en la cadena principal. Se caracterizan por presentar excelente flexibilidad a bajas temperaturas, una buena estabilidad a altas temperaturas (250ºC), presentan buena resistencia a la intemperie y agentes químicos, además es altamente hidrofóbica. Es utilizada en conductos para gases y son valiosos dispositivos quirúrgicos y prostéticos, elaboración de sondas Poliésteres Los poliésteres forman cadenas de moléculas de ácidos y de alcohol mediante una reacción de condensación libreando agua. Se utilizan como material para moldeo y fundición para una gran variedad de aplicaciones eléctricas, laminados decorativos, lanchas y como matriz para materiales compuestos 7

8 ELASTÓMEROS Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es decir, se deforman al someterlos a una fuerza pero recuperan su forma inicial al suprimir la fuerza. La clasificación se puede dar según su comportamiento a altas temperaturas: Elastómeros termoestables: Al calentarlos no cambian de forma y siguen siendo sólidos hasta que, por encima de una cierta temperatura, se degradan. La mayoría de los elastómeros pertenecen a este grupo. Elastómeros termoplásticos: Al elevar la temperatura se vuelven blandos y moldeables. Sus propiedades no cambian si se funden y se moldean varias veces. Entre los elastómeros más comunes se tienen: Poliisopropeno Considerado como caucho natural. Presenta excelentes propiedades físicas, buenas propiedades eléctricas, buena resistencia al corte y a la abrasión. Baja resistencia al calor y al ozono. Es utilizado para la fabricación de llantas, Neumáticos, juntas, tacones y suelas de zapatos Butadieno-Estireno Buenas propiedades físicas, excelente resistencia a la abrasión pero poco resistente a la degradación ambiental. Es bastante utilizado para la fabricación de llantas, Neumáticos, juntas, tacones y suelas de zapatos 8

9 Polibutadieno Resistente a las bajas temperaturas y al desgaste. Es utilizado principalmente en la fabricación de llantas industriales, montajes contra vibración, neumáticos Policrloropreno o Neopreno Resistente al calor y a los esfuerzos mecánicos. Presenta una excelente resistencia al ozono, al calor y a la degradación ambiental. Excelente resistencia a la llama. Es utilizado en la fabricación de mangueras y vainas para cable, recubrimientos internos de tanques para productos químicos, cintas transportadoras y trajes de buceo. Butadieno- Acrilonitrilo Excelente resistencia a los aceites minerales, vegetales y animales, bajas propiedades a baja temperatura, propiedades eléctricas no excepcionales. Es utilizado en Juntas herméticas, mangueras para combustible y reactivos químicos, tacones y suelas PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS Aunque el desempeño real de un material polimérico en una aplicación específica de un producto sólo se puede confirmar bajo las condiciones reales de servicio, se han desarrollado una serie de ensayos para evaluar algunas de las propiedades mecánicas de mayor interés. Los polímeros como todo material responden a los ensayos mecánicos tradicionales. A continuación se describen las cuatro principales pruebas ASTM para polímeros. Resistencia a la flexión (ASTM D790) Se coloca una probeta a manera de viga sobre dos soportes espaciados 100 mm. Se aplica una carga en el centro a una velocidad determinada y el esfuerzo en el momento de la falla es lo que se reporta como la resistencia a la flexión o módulo de flexión 9

10 Resistencia a la tensión (ASTM D638) Se utiliza una probeta estándar. Ambos extremos de la probeta son sujetados con las mordazas de una máquina de tracción universal y se somete a carga axial. La prueba termina cuando la probeta falla, o cuando se llega a un nivel de deformación preestablecido por el usuario Dureza (ASTM D785 Rockwell, ASTM D2240 Shore El ensayo de dureza consiste en aplicar una carga mediante un indentador, durante un período de tiempo, sobre la superficie del material. Para los materiales plásticos se utilizan principalmente las escalas de dureza Rockwell M y R (plásticos duros) y las escalas Shore A y D (elastómeros y cauchos). Impacto (ASTM D256). Para esta prueba se requiere una probeta con una entalla que origina una concentración de esfuerzos. El ensayo consiste en colocar la probeta como una viga empotrada en un extremo e impactarla, por el lado de la entalladura, con un péndulo PROCESAMIENTO Para procesar la materia prima polimérica (gránulos o pellets) en materiales con forma definida i bien sea láminas, barras, secciones extruídas, tubos o piezas moldeadas finales, se utilizan varias técnicas, las cuales dependen en gran medida de la clasificación del polímero. Se conocen diversas técnicas de conformado de polímeros como son: Moldeo por inyección Los termoplásticos se funden y se hace fluir el plástico caliente hacia un molde cerrado a través de una boquilla mediante un émbolo en la máquina de inyección, en donde llena una cavidad que le da una forma determinada permitiendo obtener el producto deseado Moldeo por extrusión La resina termoplástica cae desde la tolva alimentadora hasta la extrusora donde un mecanismo de tornillo sin fin empuja el termoplástico caliente a través del canal hasta la boquilla donde sale reblandecido y listo para producir formas sólidas, películas, tubos y bolsas de plástico Moldeo por compresión Las piezas se forman colocando una preforma de la resina sin polimerizar en el dado caliente. Otro dado caliente hace presión sobre el dado con la preforma y allí se inicia la polimerización y cuando ha terminado de polimerizar es expulsado por el eyector 10

11 Moldeo por transferencia En esta técnica se utiliza una doble cámara. El polímero no polimerizado es ubicado en la primera cámara, donde es calentado a presión y una vez fundido se inyecta en la cavidad del dado adyacente donde empieza la polimerización Moldeo por soplado Una forma hueca de termoplástico conocida como preforma es introducida en un molde y mediante la presión de un gas se expande hacia las paredes del molde donde la resina reblandecida toma la forma que se requiere. Esta técnica se usa para producir botellas y recipientes plásticos Moldeo por termoformado En esta técnica las hojas de un polímero termoplástico son calentadas (con el elemento calentador que puede ser una simple resistencia), hasta la región plástica. Estas películas se conforman sobre un dado que contiene la preforma y se les aplica vacío para ajustar la película al dado y obtener el producto deseado (cartones para huevo, paneles decorativos ) Moldeo por calandrado En un dispositivo conocido como calandra se vierte una porción de masa fundida de polímero y se dejan pequeñas separaciones entre los rodillos para formar así pequeñas hojas delgadas de polímero endurecido. Moldeo por hilado Un dado conocido como hilador gira y produce un hilado. La técnica consiste en empujar una masa fundida de polímero a través del dado del hilador, el cual contiene muchas perforaciones pequeñas a través de las cuales sale el hilo formado con la estructura alineada que le da mayor resistencia mecánica. Fabricación de bolsas El proceso para fabricar bolsas consiste en pasar el polímero a través de la extrusora y una vez la masa está reblandecida se imparte aire a presión para separar dos películas que son alargadas y organizadas mediante una secuencia de rodillos organizados y luego son unidos nuevamente para producir el sellado de la bolsa y el posterior almacenamiento mediante un rodillo de almacenamiento, produciéndose así largas tiras que posteriormente son cortadas en las dimensiones deseadas. 11

12 En general, todos los procesos tienen etapas semejantes, al menos hasta la de embutido del polímero hasta el molde y de ahí en adelante depende de la geometría y dimensiones que se deseen para el material terminado. DEGRADACIÓN La degradación polimérica implica un proceso físicoquímico a diferencia de la metálica que es un proceso electroquímico. En la degradación tienen lugar reacciones y consecuencias adversas como: Ruptura de enlaces covalentes (por energía térmica, reacciones químicas o radiación) Disminución de las características mecánicas del material Los agentes pueden actuar de manera diferente según: Estructura química: el tipo de enlace de valencia, ya que a mayor energía de disociación más difícil es la degradación. Impurezas: dependiendo del proceso de síntesis y los elementos introducidos en el polímero. Estructura física: el grado de cristalinidad y el grado de compactación de las cadenas y si están unidas por atracciones fuertes o no. Tipos de degradación: Auto oxidación: Es una reacción de radicales con oxígeno para dar peróxido. El oxígeno interactúa de manera especial con los radicales libres de las cadenas, especialmente cuando están a altas temperaturas. La concentración de oxígeno es baja, pero en el momento que se crean los radicales libres la concentración aumenta. La velocidad a la que se produce la oxidación: es lenta cuando se produce a temperatura ambiente si no ha sufrido otro tipo de deterioro previo. Biodegradación: Es la degradación por agentes biológicos. El ataque se debe a la acción de las enzimas generadas por diversos microorganismos. Para evitar esto se han creado biocidas que actúan bien sea para matar el microorganismo o no matar el microorganismo pero inhiben su crecimiento. La biodegradación está relacionada con el peso molecular. 12

13 Degradación térmica: consiste en la escisión de cadenas moleculares a elevadas temperaturas y algunos polímeros experimentan reacciones químicas que producen especies gaseosas que se evidencian por la pérdida de peso del material. La estabilidad térmica es la oposición a este proceso. Foto degradación: La exposición a la luz ultravioleta en presencia de oxígeno puede desencadenar una serie de reacciones químicas que modifican las propiedades mecánicas del polímero. Se forman radicales libres y reaccionan con los grupos cromóforos (grupos de átomos capaces de absorber radiación UV) presentes en el sistema, desactivando el polímero químicamente, por esta razón, los polímeros industriales llevan incorporados en su proceso aditivos para que el proceso de foto degradación sea inhibido REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Shackelford, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros 6ed. Pearson. Prentice-Hall, España Askeland, Donald y Phulé, Pradeep. Ciencia e ingeniería de los materiales 4ed. Thomson. México Mitchell, Brian, An introduction to materials engineering and science: for chemical and materials engineers. John Wiley & Sons, Inc. New Jersey Callister, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales 2ed. Editorial Reverté. Barcelona 2002 Smith, William F. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales 3ed. McGraw-Hill. Madrid Ram Arie. Polymer engineering. Plenum Press, New York Murray, G. T. Introduction to engineering materials: behavior, properties, and selection. Marcel Dekker, Inc. New York Finn Richard. Materiales de ingeniería y sus aplicaciones. 3ed. Mc Graw Hill. México i 13