Polímeros: termoplásticos,
termofijos y elastómeros
Protección contra
la CORROSIÓN y
OXIDACIÓN
Ciencia e ingeniería de materiales
Alumno: Fermín Adair Bello López
Docente: I. E. Abigail Ariadna Carmona González
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Orientación Universidad
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Busca documentos
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Busca documentos en el Store
Los mejores documentos en venta realizados por estudiantes que han terminado sus estudios
Video Cursos
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Quiz
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pregúntale a la comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ranking de las universidades
Descubre las mejores universidades de tu país según los usuarios de Docsity
Ebooks gratuitos
¡Nuestros e-books salva-estudiantes!
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Polímeros termoplásticos, termofijos y elastómeros, Guías, Proyectos, Investigaciones de Materiales
Investigación sobre polímeros termoplásticos, termofijos y elastómeros
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2019/2020
1 / 25
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
Documentos relacionados
Vista previa parcial del texto
¡Descarga Polímeros termoplásticos, termofijos y elastómeros y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Materiales solo en Docsity!
Polímeros: termoplásticos,
termofijos y elastómeros
Protección contra
la CORROSIÓN y
OXIDACIÓN
Ciencia e ingeniería de materiales
Alumno: Fermín Adair Bello López
Docente: I. E. Abigail Ariadna Carmona González
ÍNDICE
- Introducción
- Desarrollo
- Conclusión
- Bibliografía
DESARROLLO
POLÍMEROS
La palabra polímero viene de la raíz griega “poli”, que significa muchos, y “meros”, que significa unidades o partes. Los polímeros son materiales formados por cadenas enlazadas de unidades repetidas con enlaces covalentes de extremo a extremo. Los bloques de construcción que se repiten en la cadena se llaman monómeros. Conforme los monómeros empiezan a conectarse entre sí para formar cadenas, se convierten en oligómeros. Conforme más monómeros se agregan a la cadena oligómera, ésta crece y al final se convierte en un polímero con la adición de una unidad más de monómero que no tendrá un efecto discernible en las propiedades de la cadena. Las cadenas tienen pesos moleculares promedio que van de 10,000 a más de un millón de g/mol y que forman al unir muchos meros o unidades mediante un enlace químico para formar moléculas gigantes conocidas como macromoléculas. La palabra polímero se utilizó por primera vez en 1866. Los primeros polímeros se fabricaron con materiales orgánicos naturales a partir de productos animales y vegetales; la celulosa es el ejemplo más común: mediante varias reacciones químicas se transforma en acetato de celulosa, utilizado para fabricar películas fotográficas (celuloide), láminas para empaque (celofán) y fibras textiles; nitrato de celulosa, que se usa en plásticos y explosivos; rayón (una fibra textil con base de celulosa); y barnices. El primer polímero sintético (fabricado por el hombre) fue un fenol formaldehído, un termofijo desarrollado en 1906 llamado Baquelita (su nombre comercial, en honor de L. H. Baekeland, 1863-1944). Polimerización Los monómeros se pueden unir como polímeros en unidades repetitivas para producir moléculas más y más largas mediante un proceso químico llamado reacción de polimerización. La polimerización es un proceso mediante el cual pequeñas moléculas formadas por una unidad (conocida como monómero) o unas pocas unidades (conocidas como oligómeros) se unen químicamente para crear moléculas gigantes. Aunque existen muchas variantes, son importantes dos procesos de polimerización: por condensación y por adición. La polimerización por adición y por condensación son las dos principales maneras de crear un polímero. En la polimerización por condensación (Figura 1), los polímeros se producen por la formación de enlaces entre dos tipos de meros reactivos. Una característica de esta reacción es que se condensan (de ahí el nombre) productos derivados por reacción (como el agua). A este proceso también se le llama polimerización de crecimiento por etapas o por reacción por etapas, ya que la molécula del polímero crece etapa por etapa hasta que se consume uno de los reactivos. En la polimerización por adición (también llamada polimerización por crecimiento de cadena o por reacción en cadena), el enlace se realiza sin productos derivados de la reacción, como se muestra en la figura 1. Se le llama “reacción en cadena” debido a la rapidez con que se forman simultáneamente las moléculas largas, por lo general en unos cuantos segundos. Esta velocidad es mucho mayor que la de la polimerización por condensación. En esta reacción se agrega un iniciador para abrir el doble enlace entre dos átomos de carbono, que inicia el proceso de unión agregando muchos más monómeros a una cadena creciente.
Figura 1. (a) Polimerización por condensación del nailon 6,6, y (b) por adición de moléculas de polietileno a partir de meros de etileno. Obtenido de [5].
térmico. Siendo estos los termoplásticos, los termofijos y los elastómeros. Más adelante se aterrizará más a fondo sobre estos tres tipos. Muchos polímeros están hechos de una sola unidad estructural repetida muchas veces, pero ésta no es la única posibilidad. Cuando un polímero se forma a partir de la polimerización de dos o más monómeros se llama copolímero. Hay cuatro distintas clasificaciones para los copolímeros hechas a partir de dos monómeros (A y B) que distinguen cómo los monómeros se mezclan. Estas clasificaciones se muestran en la figura
- Los copolímeros aleatorios que se agregan, ya sea a un monómero en cualquier orden, de tal forma que la probabilidad del siguiente enlace de la cadena sea un monómero A o un monómero B no se ve afectada por la identidad del último monómero. En contraste, los copolímeros alternantes siempre están seguidos del monómero A con el monómero B y viceversa. La longitud de la cadena puede variar, pero siempre seguirá el patrón A-B-A-B. Los copolímeros en bloque involucran tiras largas del monómero A, seguido de largas tiras del monómero B, seguido de más monómeros A. Propiedades Debido a sus múltiples propiedades, únicas y diversas, los polímeros han reemplazado de manera creciente a los componentes metálicos en aplicaciones como automóviles, aeronaves civiles y militares, artículos deportivos, juguetes, electrodomésticos y equipo de oficina. Estas sustituciones reflejan las ventajas de los polímeros en función de las siguientes características: Resistencia a la corrosión y resistencia a los productos químicos. Baja conductividad eléctrica y térmica. Baja densidad. Alta relación resistencia a peso. Reducción del ruido. Amplias opciones de colores y transparencias. Facilidad de manufactura y posibilidades de diseño complejo. Costo relativamente bajo Otras características que pueden ser deseables o no (lo que depende de la aplicación), como baja resistencia y rigidez, alto coeficiente de expansión térmica, Figura 4. Clases de copolímeros. Obtenido de [1].
gama de temperatura útil baja: hasta 350 °C (660 °F), y menor estabilidad dimensional en servicio por cierto periodo. Reciclado de plásticos Para facilitar el proceso de clasificación, la Society of the Plastics Industry desarrolló un código de identificación que se coloca en la mayoría de los productos de polímero. La figura 6 resume estos códigos. El sistema de numeración no implica que todos estos polímeros sean reciclados. En la mayoría de las comunidades, el PET y el HDPE se aceptan para el reciclaje. En algunos casos, el LDPE se recicla, pero pocas compañías comerciales encuentran económico el reciclaje de otros polímeros. La mayoría de los polímeros y mezclas de polímeros se continúan enterrando en basureros. Se continúan haciendo muchos esfuerzos globalmente en la recolección y el reciclado de productos plásticos usados. Los termoplásticos se reciclan refundiéndolos y reformándolos como otros productos, que portan símbolos de reciclado en la forma de un triángulo delimitado por tres flechas en el sentido de las manecillas del reloj y con un número en la parte media. Estos números corresponden a los siguientes plásticos: 1 —PETE (polietileno) 2 —HDPE (polietileno de alta densidad) 3 —V (vinil) 4 —LDPE (polietileno de baja densidad) 5 —PP (polipropileno) 6 —PS (poliestireno) 7 —Otros Figura 5. Propiedades de polímeros comerciales. Obtenido de [1].
TERMOPLÁSTICOS
Los termoplásticos están formados por cadenas lineales o ramificadas que no están unidas entre sí por enlaces químicos, por lo que estos materiales fluyen por efecto del calor y tienen la posibilidad de disolverse en líquidos, por ejemplo, el poliestireno se disuelve en benceno. Para ser conformados requieren la aplicación de calor, luego al enfriarlos adquieren la forma deseada. Los termoplásticos pueden ser recalentados y reformados varias veces sin sufrir cambios significativos en sus propiedades. Los termoplásticos se ablandan cuando se calientan (y eventualmente se derriten) y se endurecen cuando se enfrían, procesos que son totalmente reversibles y pueden repetirse. A nivel molecular, como la temperatura se eleva, las fuerzas de unión secundarias disminuyen (por un aumento molecular movimiento) para que el movimiento relativo de las cadenas adyacentes se facilite cuando hay una tensión aplicado. Se produce una degradación irreversible cuando se levanta un polímero termoplástico fundido a una temperatura muy alta. Además, los termoplásticos son relativamente blandos. Los polímeros más lineales tienen algunas estructuras ramificadas con cadenas flexibles son termoplásticos. Estos materiales se fabrican normalmente mediante la aplicación simultánea de calor y presión. Estructura Los termoplásticos fluyen como líquidos viscosos cuando se calientan y continúan así cuando se recalientan y se reenfrían múltiples veces. Los termoplásticos usualmente se producen en masa como pellets que se pueden pintar, derretir y reconformar por los usuarios finales. Mientras que las cadenas individuales en los termoplásticos tienen enlaces covalentes a lo largo de su eje primario, el enlace entre las cadenas usualmente está limitado a interacciones débiles de van der Waals. En la mayoría de los casos no hay un orden tridimensional entre las cadenas y generalmente un leve orden bidimensional, si es que lo hubiera. El aparente posicionamiento relativo al azar de las cadenas adyacentes con frecuencia se describe como “espagueti en un plato”, como se muestra en la figura 7. La falta de enlace entre cadenas reduce la resistencia a la tracción de los termoplásticos, pero los hace relativamente fáciles de reciclar. Los termoplásticos están formados de cadenas largas que se producen al unir monómeros; por lo general se comportan de manera plástica y dúctil. Las cadenas pueden o no estar ramificadas. Las cadenas individuales están entrelazadas. Entre los átomos de cadenas diferentes existen enlaces de van der Waals relativamente débiles. En los termoplásticos las cadenas se pueden desenlazar mediante la aplicación de un esfuerzo de tensión. Figura 7. Entrecruzamiento entre cadenas de termoplásticos. Obtenido de [1].
Propiedades Conforme se eleva la temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg) o del punto de fusión (Tm), algunos polímeros se vuelven más fáciles de formar o moldear. El incremento de temperatura debilita los enlaces secundarios (mediante vibración térmica de las moléculas largas), y las cadenas adyacentes pueden moverse entonces con más facilidad cuando se someten a fuerzas externas de formado. Cuando el polímero se enfría, regresa a su dureza y resistencia originales; en otras palabras, el proceso es reversible. A los polímeros que muestran este comportamiento se les llama termoplásticos (de los cuales son ejemplos comunes los acrílicos, celulósicos, nailons, polietilenos y el cloruro de polivinilo). El comportamiento de los termoplásticos depende de otras variables, así como de su estructura y composición. Entre las más importantes están la temperatura y la velocidad de deformación. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, la mayoría de los polímeros son vítreos (frágiles) y se comportan como un sólido elástico. Cuando se aumenta más el esfuerzo aplicado el polímero finalmente se fractura, igual que le sucede a una pieza de vidrio a temperatura ambiente. Los plásticos experimentan los fenómenos de fatiga y termofluencia, del mismo modo que los metales. Los termoplásticos pueden ser amorfos o cristalinos y se pueden reciclar con facilidad. Tipos y aplicaciones de los termoplásticos Los acetales (de acético y alcohol) tienen buena resistencia, rigidez y resistencia a la termofluencia, abrasión, humedad, calor y productos químicos. Se aplican por lo común en partes y componentes mecánicos que requieren un elevado desempeño durante un largo periodo (es decir, rodamientos, levas, bujes y rodillos), impulsores, superficies de desgaste, tubos, válvulas, regaderas y carcasas. Los acrílicos (polimetilmetacrilato, PMMA) poseen resistencia moderada, buenas propiedades ópticas y resistencia al medio ambiente. Son transparentes (aunque pueden hacerse opacos), en general son resistentes a los productos químicos y tienen buena resistencia eléctrica. Suelen aplicarse en lentes, anuncios luminosos, pantallas, vidriería para ventanas, domos para tragaluces, cubiertas de burbuja, micas para automóviles, parabrisas, monturas para iluminación y muebles. Figura 8. Fórmula de los acetales y su uso en carcasas. Obtenida de [7] y [9] respectivamente.
Los fluorocarbonos poseen buena resistencia a la temperatura elevada (por ejemplo, el punto de fusión del teflón es superior a 327 °C (621 °F), a los productos químicos, al medio ambiente y a la electricidad. También tienen propiedades únicas no adhesivas y baja fricción. Se aplican en recubrimientos para equipo de procesamiento químico, recubrimientos antiadherentes para utensilios de cocina, aislamiento eléctrico para alambres y cables de alta temperatura, juntas, superficies de baja presión, rodamientos y sellos. Las poliamidas (de las palabras poli, amina y ácido carboxílico) están disponibles en dos tipos principales: nailons y aramidas. Los nailons (una palabra acuñada) tienen buenas propiedades mecánicas y resistencia a la abrasión. Son autolubricantes y resistentes a la mayoría de los productos químicos. Son higroscópicos (absorben agua); la absorción de humedad reduce las propiedades mecánicas deseables y aumenta las dimensiones de las partes. Se aplican en engranes, rodamientos, bujes, rodillos, sujetadores, cierres, partes eléctricas, peines, tubería, superficies resistentes al desgaste, guías y material quirúrgico. Las aramidas (poliamidas aromáticas) tienen muy alta resistencia a la tensión y rigidez. Suelen aplicarse en fibras para plásticos reforzados, chalecos a prueba de balas, cables y llantas radiales. Figura 12. Fórmula de los fluorocarbonos y su uso en recubrimientos. Obtenida de [7] y [8] respectivamente. Figura 13. Fórmula de los nailons y su uso en cuerdas. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 14. Fórmula de las aramidas y su uso en chalecos a prueba de balas. Obtenida de [7] y [8] respectivamente.
Los policarbonatos son versátiles. Tienen buenas propiedades mecánicas y eléctricas, alta resistencia al impacto y se pueden hacer resistentes a los productos químicos. Se aplican en cascos de seguridad, lentes, vidriería para ventanas a prueba de balas, anuncios, botellas, equipo de procesamiento de alimentos, parabrisas, componentes eléctricos de soporte de carga, aislantes eléctricos, aparatos médicos, componentes de máquinas para negocios, guardas para maquinaria y partes que requieren estabilidad dimensional. Los poliésteres (poliésteres termoplásticos) tienen buenas propiedades mecánicas, eléctricas y químicas; buena resistencia a la abrasión y baja fricción. Suelen aplicarse en engranes, levas, rodillos, miembros de soporte de carga, bombas y componentes electromecánicos. Los polietilenos poseen buenas propiedades eléctricas y químicas; sus propiedades mecánicas dependen de la composición y estructura. Las tres clases importantes de polietilenos son: (1) de baja densidad (LDPE, por sus siglas en inglés), (2) de alta densidad (HDPE), y (3) de peso molecular ultraelevado (UHMWPE). El LDPE y el HDPE se aplican en el hogar, botellas, botes de basura, ductos, defensas para automóviles, equipaje, juguetes, tubos y materiales de empaque. El UHMWPE se utiliza en partes que requieren tenacidad elevada al impacto y resistencia al desgaste abrasivo; por ejemplo, en articulaciones artificiales para rodillas y caderas. Figura 15. Fórmula de los policarbonatos y su uso en láminas. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 16. Fórmula de los poliésteres y su uso en ropa. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 17. Fórmula de los polietilenos y su uso en bolsas. Obtenida de [7] y [9] respectivamente.
El cloruro de polivinilo (PVC) tiene una amplia variedad de propiedades, es económico y resistente al agua, y se puede hacer rígido o flexible. No es adecuado para aplicaciones que requieren resistencia mecánica y resistencia al calor. El PVC rígido es tenaz y duro; se utiliza en anuncios y en la industria de la construcción (por ejemplo, en tubos y conduits). El PVC flexible se usa en recubrimientos de alambres y cables, tubos y mangueras flexibles de baja presión, zapatos, imitación de piel, tapicería, discos fonográficos, empaques, sellos, molduras automotrices, películas, láminas y recubrimientos. Figura 21. Fórmula del PVC y su uso en tubos. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 22. Tabla de los nombres comerciales de polímeros termoplásticos. Obtenida de [1].
TERMOFIJOS
Cuando las moléculas de cadena larga de un polímero se enlazan transversalmente en un arreglo tridimensional, la estructura se convierte en una molécula gigante con enlaces covalentes fuertes. A estos polímeros se les llama polímeros termofijos o termofijos, ya que (durante la polimerización) la red se completa y la forma de la parte se fija de modo permanente. A diferencia de los termoplásticos, esta reacción de curado (enlace cruzado) es irreversible. La respuesta de un plástico termofijo a una temperatura suficientemente elevada puede asemejarse a lo que sucede en el horneado de un pastel o al hervir un huevo: una vez que se ha cocinado y enfriado el pastel, o se ha hervido y enfriado el huevo, su forma no cambia si se recalienta. Algunos termofijos (como las epóxicas, poliéster y uretano) curan a la temperatura ambiente, ya que el calor producido por la reacción exotérmica es suficiente para curar el plástico. En general, el proceso de polimerización de los termofijos se efectúa en dos etapas. La primera ocurre en la planta química, donde las moléculas se polimerizan parcialmente en cadenas lineales. La segunda etapa ocurre en la planta productora de partes, donde se completa el enlace cruzado bajo calor y presión durante el moldeo y formado de la parte. Los polímeros termofijos no tienen una temperatura de transición vítrea rigurosamente definida. Debido a la naturaleza de los enlaces, la resistencia y dureza de un termofijo (a diferencia de las de los termoplásticos) no son afectadas por la temperatura o por la velocidad de deformación. Si se aumenta la temperatura lo suficiente, el polímero termofijo comienza a quemarse, degradarse y carbonizarse. En general, los termofijos poseen mejores propiedades mecánicas, térmicas y químicas, resistencia eléctrica y estabilidad dimensional que los termoplásticos. Un termofijo común es el fenólico, producto de la reacción entre el fenol y el formaldehído. Los mangos y perillas de los recipientes de cocina y sartenes y de los componentes de interruptores y tomas de energía eléctrica son productos comunes fabricados a partir de este polímero. Los termoestables son materiales poliméricos rígidos que no fluyen por efecto del calor. Están constituidos por redes muy reticuladas (alto grado de entrecruzamiento) y no experimentan apenas hinchamiento con los disolventes. Se obtienen mediante reacciones químicas de reticulación que dan lugar a un material que no se puede fundir, ni reformar, es decir, se fabrican con forma permanente. A altas temperaturas se degradan sin experimentar fluencia alguna. Se describen también como termoendurecibles y en alguna ocasión como termofijos. Un ejemplo es la resina fenólica. Estructura En contraste, cuando los químicos que forman los polímeros termoestables se calientan, éstos lentamente pasan a una reacción de entrecruzamiento químico irreversible que enlaza entre sí a las cadenas y causa que el líquido se vuelva una masa sólida infusible. Una vez que se solidifica, los polímeros termoestables no se pueden refusionar o reconformar. Por esta razón, la reacción de polimerización se lleva a cabo en un molde o en un dispositivo hilador de fibra para que el polímero termoestable de inmediato tome su forma final. El entrecruzamiento entre cadenas, ilustrado en la figura Figura 23. Entrecruzamiento entre cadenas de termofijos. Obtenido de [1].
Los epóxicos tienen excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, buena estabilidad dimensional, fuertes propiedades adhesivas y buena resistencia al calor y a los productos químicos. Suelen aplicarse en componentes eléctricos que requieren resistencia mecánica y aislamiento elevado, herramentales, matrices y adhesivos. Los epóxicos reforzados con fibras tienen excelentes propiedades mecánicas y se utilizan en recipientes a presión, carcasas de motores para cohetes, tanques y componentes estructurales similares. Los fenoles son rígidos (aunque frágiles), dimensionalmente estables y tienen alta resistencia al calor, al agua, a la electricidad y a los productos químicos. Se aplican en perillas, manijas, tableros laminados, teléfonos, material aglutinante para unir los granos en las ruedas abrasivas y en componentes eléctricos (como dispositivos de cableado, conectores y aislantes). Los poliésteres (poliésteres termofijos) tienen buenas propiedades mecánicas, químicas y eléctricas. En general se refuerzan con fibra de vidrio (u otras) y están disponibles además como resinas para fundición. Suelen aplicarse en botes, equipajes, sillas, carrocerías automotrices, piscinas y materiales para impregnar tela y papel. Figura 26. Fórmula de epóxicos y su uso en suelos. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 27. Fórmula de fenoles y su uso en cables. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 28. Usos de poliéster en carrocerías. Obtenida de [8].
Las polimidas poseen buenas propiedades mecánicas, físicas y eléctricas a temperaturas elevadas; también tienen buena resistencia a la termofluencia y características de baja fricción y bajo desgaste. Cuentan con las características de los termofijos, que no se funden, pero su estructura es como la de un termoplástico. Se aplican en componentes para bombas (cojinetes, sellos, asientos de válvulas, anillos de retén y anillos para pistones), conectores eléctricos para usarse en alta temperatura, partes aeroespaciales, estructuras de alta resistencia al impacto, equipo para deportes y chalecos de seguridad. Las siliconas tienen propiedades que dependen de la composición. Por lo general, resisten bien el medio ambiente, poseen excelentes propiedades eléctricas en una amplia gama de humedad y temperatura y resisten a los productos químicos y al calor. Suelen aplicarse en componentes eléctricos que requieren resistencia a temperaturas elevadas, juntas para hornos, sellos para calor y materiales impermeables. Figura 29. Fórmula de polimidas y su uso en estructuras. Obtenida de [7] y [9] respectivamente. Figura 30. Fórmula de siliconas y su uso en materiales impermeables. Obtenida de [7] y [9] respectivamente.