Transcript clase POLIMEROS

POLIMEROS
- Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas
de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de
unidades que se repiten y conectan entre sí.
- En una sola molécula de polímero puede haber miles a
millones de unidades.
- La palabra se deriva de los vocablos griegos (poly: muchos;
meros: partes)
- La mayoría de los polímeros se basan en el carbono por lo
que son productos químicos orgánicos.
Como materiales de ingeniería son relativamente jóvenes en
comparación a los metales y cerámicos.
Clasificación de polimeros
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Los polímeros se dividen en plásticos (1y2) y cauchos (3):
1 Polímeros termoplásticos (TP):
-Son materiales sólidos a temperatura ambiente
-Al calentarse (algunos cientos de grados) se vuelven líquidos viscosos.
-Esta característica permite que adopten variadas formas de modo fácil y
económico.
- Los TP pueden ser sometidos a repetidos ciclos de calentamiento y
enfriamiento sin degradarse.
Polietileno, cloruro de polivinilo, polipropileno, poliestireno y nylo
Son los más importantes en la industria contituyendo el 70% del comercio
2 Polímeros termoestables o termofijos (TS):
No toleran ciclos repetidos de calentamiento.
Cuando se calientan de inicio se suavizan y fluyen pudiendo moldearse.
Las Temp. Elevadas producen una reacción química que endurece al material
y lo convierte en un sólido que no puede fundirse
Fenoles, epóxicos, poliésteres
3 Elastómeros (E) son los cauchos
Presentan alargamiento elástico extremo ante un esfuerzo mecánico débil
Estructura molecular similar a TS y diferente a TP
Caucho natural vulcanizado
ventajas
• Dar formas complejas al moldearlos sin requerir mayor
procesamiento (forma neta).
• Densidad baja respecto de los metales y cerámicos
• Resistencia elevada a la corrosión
• Baja conductividad eléctrica y térmica
• Compiten en costo con los metales
• Requieren menos energía que los metales para
producirse (temperaturas mas bajas para trabajarlos)
• Compiten con el vidrio al ser translúcidos o
transparentes
• Se emplean en matriz como materiales compuestos
Desventajas:
• Baja resistencia en comparación con metales y
cerámicos
• Bajo modulo de elasticidad o rigidez en los
elastómeros
• Temperaturas de uso se limitan a cientos de
grados debido a que se suavizan o degradan
• Son sensibles ala luz solar
• Propiedades viscoelásticas limita su uso en
piezas sometidas a cargas.
CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS POLIMEROS
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Los polimeros se sintetizan por medio de la unión de muchas moléculas
pequeñas en otras más grande, llamadas macromoléculas, que poseen una
estructura parecida a una cadena.
Las unidades pequeñas, llamadas monómeros, son moléculas orgánicas
insaturadas sencillas: C2H4.
Los atomos de estas moléculas estan unidos por enlaces covalentes y
cuando se unen para formar un polímero el mismo enlace mantiene la
cadena. (enlaces primarios fuertes)
Masa de material polimerico consiste en muchas macromoleculas. Ej: tazon
de spaghetti)
Los filamentos largos imbrincados se ayudan a mantenerse unidos. Los
enlaces entre macromoleculas son del tipo fuerza de Van der Waals y otros
secundarios. Es decir que son mas debiles que los enlaces primarios entre
los atomos y moleculas que constituyen la cadena.
Esto explica que los polimeros no sean tan fuertes y rígidos como los
metales o cerámicas.
Cuando un polímero termoplastico se calienta se suaviza. El material
comienza a comportarse como un líquido viscoso (con la disminución de la
viscosidad la fluidez aumenta)
Polimerización
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La síntesis de los polímetros ocurre por dos métodos:
Adición
Se induce a los enlaces dobles de entre atomos de C de los
monomeros de etileno para que se abran a otras moléculas de Monomeros.
Comienza a partir de un catalizador químico.
Las cadenas se propagan con la captura de aún mas
Monómeros. (8.2)
Algunos involucran la sustitución de algunos atomos o
moleculas en lugar de uno de los átomos de H en el PE. (Ej: PP,PVC,PS)
La mayor parte de los polímetros por adición son
termoplásticos.(8.3)
Condensación
Se hacen reaccionar a dos monómeros para formar una
molécula nueva.
Se produce un subproducto de la reacción (agua, amoníaco)
Tanto TP (ej: nylon 6-6 y PC) como TS (fenol formaldehído y
urea formaldehído) se sintetizan por condensación
Grado de polimerización y peso
molecular:
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Una macromolecula producida por
polimerización consiste en n meros repetidos.
Como la masa dada de material polimerizado
varía en longitud, la n de la masa es un
promedio (GP). Si es elevado mejora la
resistencia pero tambien la viscosidad, lo que
hace que el procesamiento sea mas difícil.
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PM es la suma de los pesos moleculares de
los meros de la molecula, es n veces el peso
molecular de cada unidad de repetición.
Estructuras de los polímeros
• ESTEREORREGULARIDAD
Arreglos espaciales de los átomos y sus grupos
en la molecula.
– Isotático (mismo lado)
– Sindiotático (alternan en los lados opuestos)
– Atáctico (orden aleatorio de los grupos)
Estructuras de los polímeros
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Lineal: caracteristica de los TP
Ramificación: los atomos de H son reemplazado por atomos de C en
puntos al azar a lo largo de la cadena. Tambien TP. La ramificación
incrementa la resistencia siendo mas fuerte en estado solido y mas viscoso
ante la presencia de Temp..
Entrecruzamientos holgados en elastómeros.
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El entrecruzamiento se dá porque ocurren enlaces primarios entre las
ramas.
Entrecruzamientos estrechos en los TS.
Genera que el polimero sea químicamente mas estable. La reacción un
pueda revertirse. Su efecto es cambiar de manera permanente la estructura
del polímero, si se calienta se degrada, no funde. TS alto grado de
entrecruzamiento (duros y fragiles). Elastomeros presentan mas bajo
entrecruzamiento. (elasticos y resilientes)
La presencia de ramas y entrecruzamientos en lo polimeros tiene un efecto
significativo sobre sus propiedades. Es la base de la diferencia entre los TP,
TS y E.
Estructuras de los polímeros
• Copolímeros
• Los homopolímeros están formados por moléculas del
mismo tipo (PS, PP)
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Los copolímeros son polímeros cuyas moléculas
están formadas por unidades repetidas de dos tipos
diferentes. (ej: etileno – propileno)
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Un copolímero sinterizado a partir del etileno y el
propileno resulta con propiedades elastomericas.
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Distintas estructuras de copolímeros (8.8)
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Terpolimeros: unión de tres tipos de meros
diferentes ABS
Cristalinidad (8.9)
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Menor tendencia formar estructura cristalina que los metales y cerámicas.
PELD y PEHD
Solo los polimeros lineales pueden ordenarse en estructuras regulares, por
lo tanto cristalizar.
• Si el grado de cristalinidad aumenta, tambien lo hace:
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Densidad.
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Rigidez.
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Tenacidad.
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Resistencia.
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Resistencia al calor.
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Opacidad.
Regla:
estructuras lineales
isotácticos (siempre) atácticos (nunca)
copolimeros (rara vez)
enfriamiento lento favorece la formación y crecimiento
def. mecánica alinea la estructura e incrementa la cristalización
plastificadores reducen el grado de cristalización
Comportamiento térmico de los
polímeros
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Difiere en Polimeros cristalinos y amorfos.
Disminución abrupta del volumen cuando
llega a la Temp. De fusion.
• Tg cambia la pendiente y el material es duro y
fragil.
• Los TS y E enfriados a partir del estado líquido
se comportan como un polímero amorfo hasta
que ocurre el entrecruzamiento. Su
estructructura restringe la formación de cristales.
Ya no regresan al estado fundido si se calientan.
Aditivos
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Rellenos
Particulas o fibras (prop mecanicas, estabilidad
dimensional y térmica)
COMPUESTOS ej (PRFV)
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Colorantes (tintas y pigmentos)
Plastificadores
Lubricantes
Retardantes de llama
Agentes de entrecruzamiento
Absorbedores de UV
Antioxidantes
Anisotropía
• Provocada por la orientación de las
moléculas durante los procesos
• Mejores propiedades en sentido de las
fibras
• Influencia en la velocidad de enfriamiento
• Menor incidencia en termofijos
POLIMEROS TERMOPLASTICOS
• Propiedades.
• Puede calentarse desde el estado solido hasta el liquido viscoso
(plastico) y luego enfriarse hasta volver a ser solido sin que el
polimero se degarde. (si por envejecimiento por temperatura)
• Esto se debe a que son macromoleculas lineales que no se
entrcuzan cuando se calientan.
• A temperatura ambiente con respecto a metales y ceramicas:
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Baja rigidez y modulo de elasticidad.
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Baja resistencia a la traccion
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Baja dureza
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Ductilidad mayor
POLIMEROS TERMOPLASTICOS
• Las propiedades mecanicas dependen de la Temp. (en relacion a la
estructura amorfa o cristalina) 8.11
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Amorfos:
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Son rigidos (vidrio) x debajo de Tg
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Flexibles (caucho) x arriba de Tg
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Cristalinos:
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Disminuye levemente la resistencia hasta que Funden
en Tm.
• Propiedades fisicas (comparadas con metales y cerámicos)
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Densidad menor
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Coeficiente de expansión termica mucho mayor
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Temperaturas de fusion mucho menores
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Calor especifico mayores
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Conductividad termica menor a metales
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Propiedades de aislamiento electrico.
Importancia comercial de los TP.
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Articulos: moldeados y extruidos, fibras, peliculas, hojas, material de empaque,
pinturas y brnices
Forma comercial: polvos o pelets en bolsas de 25 Kg
Acetales: mucha rigidez, tenacidad y resistencia al desgaste.
Manijas de puertas, componentes de maqiunas
Acrilicos: polimetilmetacrilato PMMA o plexiglas. Polimero amorfo lineal.
Transparencia execelente. Opticas, ventanas de aviones. Baja resistencia al rayado.
Pinturas latex, fibras textiles.
ABS: excelentes propiedades mecanicas.
Celulosas: madera y fibras de algodón. Celofan en peliculas delgadas, fibra para
telas
Fluoropolimeros: Teflon. (PTFE) coeficiente de fricción muy bajo. Resitente al ataque
quimico y ambiental.
Poliamidas: (PA) Nylon. Fuerte muy elastico, inflexible, absorve agua (desventaja).
Fibras textiles.
Poliamidas aromaticas: Kevlar resistencia como el acero. 20 % menos de peso.
Policarbonato (PC)
PP
Poliestireno
PVC
POLIMEROS TERMORIGIDOS
(TERMOFIJOS)
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Propiedades y características.
Son mas rigidos que TP.
Modulo de elasticidad mayor
Fragiles, no poseen ductilidad
Menos solubles ensolventes
No se pueden volver a fundir
Estas diferencias se atribuyen al
entrecruzamiento, formando estructura estable en lo
termico, tridimensional y de enlaces covalentes.
POLIMEROS TERMORIGIDOS
(TERMOFIJOS)
• El entrecruzamiento ocurre de tres maneras:
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Sistemas activados por Temp.: Granos
con calor se suavizan y moldean. El calentamiento logra
el entrecruzamiento.
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Sistemas activados por catalizadores :
el entrecruzamiento se produce cuando se agrga un
catalizador (liquido). Sin el catalizador el polimero
permanece estable, cuando se combina cambia a
estado solido.
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Sistemas activados por mezcla.
Mayoria de los epoxicos. La mezcla de dos productos
quimicos provoca una reaccion que forma un polimero
solido entrecruzado.
POLIMEROS TERMORIGIDOS
(TERMOFIJOS)
• No se usan tanto, quizá por la necesidad de curarlos.
Volumen mayor: resinas fenolicas
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Amino resinas
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Urea-formaldeido
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Melamina-formaldeido
Fenolicos
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Fenol-formaldeido
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Bakelita. Fragil, buena estabilidad
termica, quimica y dimensional. No
acpta colorantes.
• Epoxicos
• Poliuretanos
POLIMEROS TERMORIGIDOS
(TERMOFIJOS)
• Pueden ser TP, TF o E según su quimica, procesamiento
y entrecruzamiento. Espumas elastomericas y rigidas.
Material de relleno en paneles.
• Silicones
• Presencia de silicio
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Fluidos: lubricantes,ceras,pulidores
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Elastómeros:
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Termofijos: son engtrecruzados (denso en pinturas,
barnices
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Recubrimientos, aislantes, resistencia adhesividad,
resistencia al calor y ataque quimico
ELASTOMEROS
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Gran deformación elastica
Caucho natural y elastómeros sinteticos.
Características de los elastómeros.
Cadena larga entrecruzada combinan dos caracteristicas:
1Moleculas largas estan dobladas cuando no estan
estiradas.
2El grado de entrecruzamiento esta muy por debajo
de los TS
Cuando se estira el enlace covalente juega un papel mayor en el modulo y
la rigidez se incrementa.
El entrecruzamiento se hace mas rigido y el modulo elastico
lineal.
Se obtiene el entrecruzamiento a partir de la vulcanización
Caucho natural.
Cauchos sintéticos.
GUIA PARA EL PROCESAMIENTO DE
POLIMEROS
• Consistencia caliente y plastica.
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Operaciones : Extrusion y moldeo.
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TS mas difíciles moldear que los TP.
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Maquinado
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Ensambles permanentes o mecanico.
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Procesamiento de caucho.
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• Características de los Termoplasticos para envasar
líquidos gaseosos y no gaseosos.
• Criterios para colorar.