17 Materiales poliméricos

Transcripción

1 17 Materiales poliméricos Año 2017 Contenido Definiciones Tipos de polímeros Estructura molecular Clasificación Procesamiento Propiedades Residuos plásticos

2 Qué son los plásticos? Polímeros: son sustancias orgánicas de alto peso molecular (macromoléculas de más de 1000 átomos), producidas a partir de petróleo y gas natural o de carbón y cloruro de sodio. Plástico: Polímeros + Aditivos (por ejemplo: estabilizantes, pigmentos, refuerzos, plastificantes, antioxidantes, absorbedores UV, ayuda-proceso, etc.) Qué son los plásticos? Los plásticos son materiales listos para la fabricación de piezas de moldeo y semifabricados. Procesado - inyección - extrusión - moldeo - soplado - estirado - impresión 3D Producto plástico - final - semiterminado

3 Hipótesis macromolecular Hermann Staudinger Nobel Química 1953 Monómeros Moléculas sencillas formadas por C y H, tambien por N, Cl, O, F, Si, S Polimerización Polímeros Moléculas complejas de varios monómeros Incremento del peso molecular Metano CH 4 Gas Pentano C 5 H 12 Líquido Polietileno C 100 H 202 Sólido

4 Arquitectura molecular Polietileno de baja densidad Tipos de polímeros

5 Tipos de polímeros Grupo fenil =

6 Tipos de polímeros Tipos de polímeros

7 Copolímero Más de un mero más de un polímero EVA = acetato de vinilo + etileno Copolímero Al azar Alternado En bloque Injertado

8 Estructura molecular Amorfo Semicristalino Elastómero El orden cristalino de los polímeros difiere al de los metales. En los materiales polimérico es molecular no átomico. Por eso en estos materiales de habla de grado de cristalinidad. Este puede ir desde completamente amorfo hasta 95% de cristalinidad. El % de cristalinidad depende de la velocidad de solidificación y la capacidad que tengan las cadenas moleculares de acomodarse. Estructura molecular

9 Estructura molecular Cómo y qué características son modificadas por el % de cristalinidad de un polímero? Clasificación de polímeros Según su origen naturales: proteínas, caucho natural, polisacáridos sintéticos: derivados del petróleo Según su estructura molecular lineales ramificados entrecruzados Según su orden cristalino amorfos cristalinos

10 Clasificación de polímeros Según su comportamiento Termoplásticos se pueden fundir amorfos: PVC, PS, PC, PMMA semicristalinos: PE, PP, PA, PET Termorrígidos no se funden epoxi, poliéster, poliuretano Elastómeros caucho natural, SBR, NBR Termoplásticos Compuestos por cadenas lineales o ramificadas que al calentarse adoptan de manera reversible un estado plástico, es decir, maleable, conservando la forma después de su enfriamiento. Pueden ser reprocesados por calentamiento varias veces. Se pueden solubilizar en diferentes solventes.

11 Termoplásticos Material Características Típicas aplicaciones Acrilonitrilobutadienoestireno ABS Acrílicos (Poli Metil Meta Acrilato - PMMA) Fluorcarbono (PTFE) (ej: Teflón) Resistencia mecánica y tenacidad, resistente a la distorsión por calor, buenas propiedades eléctricas, combustible, soluble en compuestos orgánicos Buenos transmisores de la luz, resistentes a la intemperie, propiedades mecánicas pobres Químicamente inerte, excelente propiedades eléctricas, bajo coeficiente de fricción, usos hasta 250 C, malas propiedades mecánicas equipos de jardín, revestimientos en electrodomésticos, juguetes, paragolpes lentes, ventanas, señalética de exterior Sellos anticorrosivos, accesorios y válvulas para químicos, rodamientos, antiadhesivos, dispositivos eléctronicos de alta temperatura Termoplásticos Material Características Típicas aplicaciones Poliamidas - PA (ej: nylon) Buena resistencia mecánica y tenacidad, resistente a la abrasión, bajo coeficiente de fricción, absorbe agua rodamientos, fibras textiles, sogas, cables Policarbonato PC Polietileno - PE PEAD, PEBD, PEUAPM Estabilidad dimensional, baja absorción de agua, buena transparencia, buena ductilidad y tenacidad, buena resistencia química Resistencia química, aislador eléctrico, tenaz, bajo coeficiente de fricción, baja resistencia mecánica, pobre resistencia a la degradación ambiente envases, cascos, lentes envases, juguetes, utensilios de cocina, prótesis, film

12 Termoplásticos Material Características Típicas aplicaciones Polipropileno PP Poliestireno PS Poliester - PET Resistente a la distorsión por calor, resistencia a la fatiga, químicamente inerte, barato, pobre resistencia a la radiación UV Excelente propiedades eléctricas y ópticas, buena estabilidad dimensional, bajo costo, no toxico Tenaz, resistente a la humedad, resistencia química, barrera a los gases envases, film, textil, gabinetes de electrodomésticos juguetes, carcasas, gabinetes de electrodomésticos, envases, aislante térmico envases, uso general, industria textil Vinilos (ej: PVC) Bajo costo, uso general, uso en copolímero, susceptible a distorsión por temperatura juguetes, caños, aisladores eléctricos, mangueras, film, estructuras Termorrígidos Tienen estructura de red tridimensional con una reticulación mucho más cerrada que los elastómeros. A partir de materias primas de bajo peso molecular, se forman productos intermedios (prepolímeros),no reticulados o muy poco, capaces de adaptarse plásticamente a la superficie de un molde. Luego en el moldeo se forma la reacción de reticulación espacial, curado (irreversible) que da lugar al termorrígido. No pueden ser reprocesados por calentamiento. Son insolubles.

13 Termorrígidos Material Características Típicas aplicaciones Epoxi Fenólicos (ej: bakelita) Excelente combinación de propiedades mecánicas con resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional, buena adhesión, buenas propiedades eléctricas Excelente estabilidad dimensional por encima de los 150 C, bajo costo resina en materiales compuestos, adhesivos, pinturas, aislante eléctrico carcasas, dispositivos electrónicos, aislantes eléctricos Poliuretanos Resistencia a la humedad, buenas propiedades mecánicas, tenaces, buena aislación térmica y eléctrica aislante térmico (espuma), piezas estructurales (imita maderas) Elastómeros Tienen estructura de red tridimensional. La estructura es amorfa. Antes del moldeo su estructura es similar a los amorfos pero en el proceso de vulcanización (reticulación) las macromoléculas se unen químicamente (de forma irreversible), formando una red floja y tridimensional. No pueden ser reprocesados por calentamiento. Son insolubles. Ejemplos: caucho natural, SBR, NBR, EPDM

14 Elastómeros Material Características Típicas aplicaciones Caucho natural NR Estireno Butadieno (copolímero) SBR Acrilonitrilo Butadieno (copolímero) NBR Alargamiento: % Temperatura de uso: -60 a 120 C Excelente propiedades mecánicas, buena resistencia al corte, baja resistencia a la degradación atmosférica Alargamiento: % Temperatura de uso: -60 a 120 C Excelente propiedades mecánicas, buena resistencia a la abrasión, baja resistencia a la degradación atmosférica Alargamiento: % Temperatura de uso: -50 a 150 C Excelente resistencia ante aceites, pobre propiedades a baja temperatura Neumáticos para automóviles, tubos, suelas Neumáticos para automóviles, tubos, suelas sellos (o-ring), mangueras para transporte de hidrocarburos, suelas Aditivos

15 Procesamiento Procesos de termoplásticos Qué ventajas presentan los plásticos en el procesamiento frente a otros materiales convencionales? Versatilidad: posibilidad de producir piezas complejas y multifuncionales en un solo paso. Prácticamente no necesitan trabajo de terminación (como lijado o pulido). Menor consumo energético (temperaturas de procesamiento más bajas que para materiales inorgánicos) Automatización y alta producción

16 Propiedades mecánicas Propiedades mecánicas

17 Propiedades mecánicas Propiedades mecánicas

18 Propiedades mecánicas Deformación en semicristalinos Propiedades mecánicas Deformación en elastómeros

19 Vulcanización + Temperatura Los átomos de azufre forman los puntos de reticulación entre las macromoléculas. Son como anclas. Cuanto más puntos de reticulación más rígido (E) será el elastómero. También mejora la resistencia al medio ambiente y la resistencia mecánica. Cada 100 g de polímero suele haber entre 1 y 5 g de azufre. Propiedades mecánicas

20 Propiedades mecánicas Para este material, polimetilmetacrilato (PMMA), amorfo, la temperatura de transición vítrea esta entre 50 C y 40 C Los elastómeros tiene similar comportamiento, pero su temperatura Tg es menor a la ambiente Propiedades térmicas Temperatura de fusión (estado cristalino) Temperatura de transición vítrea (Tg) (estado amorfo) T > Tg respuesta dúctil y elástica T < Tg respuesta frágil, vítrea y rígida Temperatura de deflexión bajo carga Coeficiente de expansión térmica lineal Conductividad térmica Flamabilidad Índice de oxígeno

21 Material [g/cm 3 ]* Densidad Una de las grandes ventajas que tienen los materiales poliméricos es su baja densidad. Gracias a ello se logran piezas más livianas. envases embalajes vehículos * a temperatura ambiente Qué hacer con los residuos plásticos? Minimizar los residuos reduciendo la cantidad de plástico en la pieza (reducción en origen) Reutilización: Reciclado mecánico Reciclado químico (recuperación de componentes iniciales) Valorización energética

22 Residuos plásticos Reutilización Reciclado mecánico: el PE es reciclable, es decir, se vuelve a fundir y transformar en productos finales. El PE reciclado es utilizado para fabricar bolsas de residuos, caños, madera plástica para postes, marcos, films para agricultura, etc.

23 Reutilización Reciclado químico: en la actualidad se están desarrollando nuevas técnicas de gran complejidad que permitirán reciclar químicamente no sólo al PE sino a todos los plásticos. De esta manera se podrán recuperar los componentes naturales para volverlos a utilizar como materias primas y así optimizar aún más los recursos naturales. Reutilización Recuperación energética: los residuos plásticos incluidos los de PE contienen energía comparable con la de los combustibles fósiles, de ahí que constituyen una excelente alternativa para ser usados como combustible para producir energía eléctrica y calor.

24 Referencias OSSWALD, Tim; Baur, Erwin; Brikmann, Sigrid; Oberbach, Karl y Schmachtenberg, Ernst. (2006). International Plastics Handbook - The Resource for Plastics Engineers (en línea). Munich (Alemania) : Hanser Publishers Bases de datos de materiales Plásticos y medio ambiente (Ecoplas Plastivida CAIP) Página educativa sobre plásticos

25 Referencias Premios Nobel de Química 1953 Hermann Staudinger polimerización 1963 Karl Zieger PE 1963 Giulio Natta polimerización estereo 1974 Paul Flory nylon 2000 Alan Heeger polímeros conductores 2000 Alan Mac Diarmind polímeros conductores 2000 Hireki Shirakawa polímeros conductores Preguntas 1. Definir polímero y plástico. 2. Qué características tienen los materiales poliméricos respecto a los materiales metálicos? 3. Qué significa polimerización? 4. Qué es un copolímero? 5. Qué características tiene un polímero termoestable? 6. Qué características tiene un polímero termorrígido? 7. Qué características tiene un polímero elástomero? 8. Qué diferencia hay entre un polímero termoestable amorfo y un elastómero? 9. Qué es la vulcanización? 10. Para qué sirve los aditivos en los materiales plásticos?

26 Preguntas 11. Qué significa el % de cristalinidad de un material polimérico? En qué tipo de polímeros se puede dar? De qué depende? 12. Qué procesos industriales existen para procesar materiales plásticos? 13. Cómo funciona una extrusora? 14. Qué es la impresión 3D? 15. Realice el esquema de un diagrama de tensión-deformación para un elastómero, un termoplástico cristalino y un termoplástico amorfo por debajo de su temperatura de transición vítrea. 16. Qué posibilidades hay para la gestión de residuos plásticos? 17. Identifique del listado de la diapositiva 32 (Propiedades mecánicas) 2 plásticos termorrigidos, 2 elastómeros y 3 termoplásticos Preguntas 18. De que depende el % de cristalinidad de un material elastómero? a. el peso molecular b. la velocidad de solidificación c. la temperatura de transicion vitrea d. Ninguno, ya que estos materiales son amorfos 19. Qué mecanismo se encarga de la reticulación en los elastómeros? a. Copolimero injertado b. Ramificaciones de la misma molecula c. Enlaces tipo S-C (azufre-carbono) d. Puentes de hidrogeno e. Cualquiera de los anteriores 20. Cuál de los siguientes materiales poliméricos suelen reciclarse mecánicamente con refusión? a. termoestables b. elastómeros vulcanizados c. termoplásticos d. ninguno de los anteriores

27 Preguntas 21. De que depende el % de cristalinidad de un material polimérico? a. el peso molecular b. la velocidad de solidificación c. la temperatura de transicion vitrea d. ninguno de los anteriores 22. Qué ocurre con el módulo E de un elastómero cuando aumentan los puntos de reticulación? a. disminuye b. aumenta c. es indistinto d. depende de la temperatura e. los elastómeros no tienen modulo E 23. Cuál de los siguientes materiales poliméricos suelen reciclarse mecánicamente sin refusión? a. termoestables b. elastómeros vulcanizados c. termoplásticos d. ninguno de los anteriores Preguntas 24. Indicar en la siguiente figura asociada a los resultados de dos ensayos de tracción cual curva corresponde al elastómero sin vulcanizar y cual al vulcanizado