C-IMP. 1er Encuentro

Curso en Introducción a los Materiales Plásticos

Natalia De F. Sánchez Arrieta Septiembre de 2013

Contenido

• Introducción

• Conceptos Básicos

• Fabricación de Polímeros

• Propiedades y Características

• Procesos de Transformación

• Aditivos

Introducción

Fabricación de Polímeros

Caracterización Formulación Transformación

de Plástico

Síntesis de la Cadena Productiva de MP

Fuentes de Energía

Materias Primas

Monómeros Mercados

Aplicaciones

Sobre las Materias Primas:

Introducción

Petróleo Monómero

Plástico Polímero

Aditivos

Craqueo

Las materias primas son derivados del petróleo, gas natural, carbón y de fuentes agrícolas. Los plásticos se obtienen principalmente del petróleo, tal como se indica en el esquema a continuación:

Etileno

Propileno

Etilenglicol

Polietileno

H3PO4 + H2O

300°C Y 70 Atm

Etanol

Benceno 1

Estireno

Poliestireno

CH2ClCH2Cl

CH2=CHCl Cloruro de vinilo

CH2=CHCOOH Ácido acrílico

Etileno CH2CH2

CH2OCH2

OXIDO DE ETILIENO

CH2OHCH2CN

CH2=CHCN acrilonitrilo

Cauchos

Introducción

Polímero Aditivos Plásticos

Conceptos Básicos

Por ejemplo, una cadena de polietileno puede estar formada por 250,000 monómeros de etileno aproximadamente.

Se puede suponer que un polímero es un tren muy largo, compuesto por muchísimos vagones; y que cada vagón es un monómero o unidad estructural.

Clasificación de Monómeros

Algunos Monómeros

Principales Monómeros a Nivel Industrial

Conceptos Básicos

Observe que la mayoría de los monómeros utilizados a nivel industrial, tienen una estructura química similar al etileno, en donde se reemplaza uno de sus hidrógenos por otro radical.

Elementos que Componen los Polímeros:

Conceptos Básicos

Principales

• Carbono (C)

• Hidrógeno (H)

Secundarios

• Oxigeno (O) Nitrógeno (N) Cloro (C) Azufre (S) Flúor (F)

Estructura de Algunos Polímeros

Conceptos Básicos

Estructura de Algunos Polímeros

Conceptos Básicos

Polimerización

A-B… A-B… A-B… A-B A-B*A-B*A-B*A-B*A-B*A-

x A-B --[A*B] x

A-A… B-B… A-A… B-B… A-A A-A*B-B*A-A*B-B*A-A*

x A-A + x B-B --[A*B-B*A] x

Polimerización

Por Ejemplo:

Conceptos Básicos

Monómero: Molécula pequeña con funcionalidad igual o superior a dos

Polímero: Macromolécula formada por unidades constitucionales que se repiten de una manera mas o menos ordenada.

UCR: Unidad constitucional repetitiva de un polímero

Oligómero: Polímero con pocas unidades repetitivas

Polimerización: Reacción química para dar una macromolécula con una constitución mas o menos repetitiva

Clasificación de los Polímeros Según el Número de Unidades Repetitivas:

Homopolímeros

M o n o m e r o

M e M e M e M e M e M e M e M e

H o m o p o l i m e r o

C o m o n o m e r o s

M e E t M e M e E t E t M e M e

U C R 1

C o p o l i m e r o

U C R 2

Clasificación de los Polímeros Según el Número de Unidades Repetitivas:

Copolímeros

Tipos de Copolímeros Descripción

Al azar No hay una secuencia definida en el ordenamiento de las

unidades repetitivas a lo largo de la cadena.

Alternados Las unidades repetitivas se alternan consecutivamente a

lo largo de toda la cadena.

En bloque

Existen secuencias completas de una sola de las unidades

repetitivas, seguidas por secuencias completas de la otra

unidad repetitiva.

De injerto:

Existe una cadena principal constituida por un solo tipo

de unidad repetitiva la cual tiene injertados lateralmente

a dicha cadena bloques de cadenas conformadas por el

otro tipo de unidad repetitiva

Clasificación de los Polímeros Según la Constitución Química de las Unidades Repetitivas:

Clasificación de los Polímeros

Clasificación de los Polímeros Según la Arquitectura de las Cadenas:

Lineal Ramificado Entrecruzado

Estrella Peine Escalera

Linear Low Density PE (LLDPE)

High Density PE (HDPE)

r = 0.910 - 0.940 kg / L

Copolymerization with a-olefins (C4 - C8)

r = 0.941 - 0.970 kg / L

Homopolymerization (r >0.970 kg / L) Copolymerization with a-olefins

r = 0.91 -0.925 kg/L

POLYETHYLENE

Clasificación de los Polímeros Según la Direccionalidad de las Cadenas:

Un polímero o un monómero pueden ser:

• Direccional: no presenta un eje binario perpendicular a ella. • Adireccional: sí que presenta un eje de simetría.

A su vez, los monómeros direccionales pueden incorporarse a la cadena polimérica con dos orientaciones distintas. En función de esto, los polímeros pueden clasificarse en:

• Regiorregulares: las unidades repetitivas quedan orientadas de manera regular en la cadena.

• Regioirregulares: las unidades repetitivas quedan orientadas de manera irregular en la cadena.

• Polímeros cabeza-cola: la orientación es la misma para todas las unidades. • Polímeros cabeza-cabeza o, lo que es lo mismo, cola-cola: la orientación cambia

alternativamente a lo largo de la cadena.

Finalmente, para el caso de polímeros generados a partir de monómeros del tipo A-B, es decir, con grupos funcionales distintos en sus extremos, se pueden obtener:

Distintas configuraciones de la cadena con un grupo genérico. a) cabeza-cola, b) cabeza-cabeza y c) al azar

Clasificación de los Polímeros

Direccional

Adireccional

Direccional

Adireccional

Monómero Polímero

Clasificación de los Polímeros Según la Estereoisomería de Cadenas - Tacticidad:

A AA AB B B B B

Isotactico

A AB AB A B A B

Sindiotactico

A BB AB A A A B

Atactico

Clasificación de los Polímeros Según el Comportamiento Mecánico:

Elastómeros. Materiales que tienen una consistencia elástica y gomosa.

Fibras. Materiales con propiedades optimizadas en una dirección. Se obtienen por combinación de los factores constitucionales con el tratamiento físico.

Plásticos. Polímeros cuyas propiedades son intermedias entre la de los elastómeros y la de las fibras.

Clasificación de los Plásticos Según el Comportamiento Térmico:

Clasificación Organización Espacial de las Cadenas

Elastómeros: Se caracterizan por una fácil degradación frente al calor y una irreversibilidad del proceso de moldeado

Termoestables: Presenta mayor resistencia térmica. No son reciclables

Termoplásticos: No existe ningún tipo de enlace químico entre cadenas

Clasificación de los Plásticos Según el Uso:

• Commodities. Materiales de uso cotidiano, con un consumo masivo y con un precio relativamente barato.

• De altas prestaciones. Materiales de menor utilización, con unas aplicaciones concretas y con un precio relativamente caro.

Relacionado con la cantidad producida y con su precio:

• Plásticos estándar. Commodities de producción y uso masivos. • Plásticos técnicos. Commodities de uso industrial, utilizados en general, para la

construcción de piezas. • Plásticos especiales: plásticos que tienen algunas propiedades concretas muy

optimizadas. • Plásticos de altas prestaciones: de gran valor añadido, se usan en aplicaciones muy

concretas.

Una mas detallada:

Actividad N° 1.

• Frente a cada cadena polimérica coloque el tipo de copolímero en que se clasifica:

Cadena Polimérica Tipo de Copolímero

• Definir qué tipo de configuración posee cada uno de los polímeros presentados a continuación:

Cadena Polimérica Configuración

-[-HN-(CH2)5-CO-]-

-[-HN-(CH2)6-NHCO-(CH2)4-CO-]-

• Colocar en cada círculo una palabra que indique, de acuerdo a una secuencia lógica, el significado de Polímeros:

Polímeros Flexibles Macromoléculas Polidispersas Formadas por unión de monómeros

• Falso o Verdadero:

- Conformación es el ordenamiento espacial de los enlaces ( )

- Configuración es la disposición espacial de la macromolécula ( )

Mecanismos de Polimerización

¿ Qué condiciones debe presentar una molécula para poder actuar

como monómero ?

Apertura de doble enlace

Apertura de un ciclo

Moléculas que aporten dos grupos funcionales

A-A B-B* A-A B-B**

A-A B-B* A-A B-B**A*B-B*A

Policondensación (P. por etapas)

- Transcurre mediante Rx de los grupos funcionales, usualmente de distinta naturaleza, y por lo general con eliminación de molécula

- El grupo funcional resultante de la reacción de los grupos funcionales de los monómeros forma parte de la cadena principal del polímero, repitiéndose ininterrumpidamente a lo largo de ella

- La mezcla de reacción consiste en una distribución continua de tamaños moleculares que comprende desde el mismo monómero hasta polímero de elevado peso molecular.

Familia: Poliésteres

O CH2CH2 O*

- Polietilen Tereftalato (PET)

T = 1 8 0 - 2 3 0 º C t = 3 - 5 h

C a t a l i z a d o r : T B T

T r a n s e s t e r i f i c a c i o n

R e f r i g e r a n t e

M e t a n o l

P o l i c o n d e n s a c i o n

T = 2 5 0 - 2 8 0 º C t = 1 - 2 h p = 0 . 5 - 1 m b a r N 2

p o l í m e r o P E T

Poliadición (P. en cadena)

Esquema básico de la reacción de Poliadición

Poliadición

‐ Transcurre mediante la adición continuada de monómero a una cadena en crecimiento, que contiene un extremo activado hasta el momento de su terminación.

‐ La reacción de adición transcurre sin pérdida de materia por lo que la unidad constitucional repetitiva del polímero y el monómero presentan idéntica estequiometria.

‐ En cualquier instante a lo largo de la polimerización, la mezcla de reacción tiene una composición bimodal constituida por monómero y polímero de elevado peso molecular.

Mecanismos de Polimerización Por Apertura de doble enlace

ETILENO

PROPILENO

TETRAFLUOROETILENO

CLOROETILENO

POLI(ETILENO)

POLI(PROPILENO)

POLI(CLOROETILENO)

POLICLOROVINILO PVC

POLI(TETRAFLUOROETILENO)

PTFE “Teflon”

Ejemplos de Polímeros de Adición

LOW DENSITY POLYETHYLENE

1000 – 3500 atm 140 – 330 ºC

Free radical polymerization

r = 0.91 -0.925 kg/L

1500 m 6 cm

initiator

monomer

Ethylene

Comonomer

Hydrogen

Ethylene

Comonomer

Hydrogen

Polymer

Gas-phase

reactor

Product

outlet

reactor

Prepolymerization

reactor

Catalyst

Diluent recycle

ETHYLENE POLYMERIZATION PROCESSES (Borealis)

Ethylene

Comonomer

Hydrogen

Ethylene

Comonomer

Hydrogen

Polymer

Gas-phase

reactor

Product

outlet

reactor

Prepolymerization

reactor

Catalyst

Diluent recycle

Ethylene

hydrogen1

Ethylene

hydrogen2

First Reactor Second Reactor

Control de la Morfología del Polímero

Caprolactama

Nylon - 6

Por Apertura de Ciclos

Características de los Procesos de Polimerización

Cinéticas, Fisicoquímicas y parámetros de calidad

Reacciones altamente exotérmicas

Obtención de un productos cuyo peso

molecular no es un valor fijo

Dificultad para realizar operaciones unitarias una vez obtenido el

producto

Efecto de la composición inicial con las

condiciones de operación y el tamaño

molecular

El calor liberado es especialmente alto en

las P. de adición

Necesidad de transferir energía a los alrededores

para el control de la temperatura

Cuya viscosidad esta en aumento y los coeficientes de

transporte de calor disminuyen

Influencia en las propiedades del producto final

Técnicas de Polimerización

Método Ingredientes Ventajas Inconvenientes

Masa Monómeros, iniciadores, reguladores

Simple; velocidad de polimerización elevada; escasa contaminación; rendimiento elevado; el producto no está contaminado por disolventes; se obtienen altos pesos moleculares

Mala disipación del calor; monómero residual difícilmente extraíble; en el producto queda monómero residual sin reaccionar; alta viscosidad de la mezcla reaccionante; difícil control térmico -Puntos calientes (Degradaciones, decoloraciones y más reacciones de transferencia de cadena que aumentan la dispersión de pesos moleculares)

Disolución Monómeros, iniciadores, disolvente

Disipación muy efectiva del calor; disolución del polímero directamente utilizable; Control térmico fácil (no peligro de explosiones)

Control de pesos moleculares

Coste adicional de disolvente; contaminación; necesidad de secado; reacciones de transferencia de cadena con el disolvente que aumentan la dispersión de pesos moleculares; eliminación del disolvente

Suspensión Monómeros, medio de susp., iniciadores, reguladores

Disipación efectiva del calor; separación fácil del polímero

Presencia de contaminantes; bajo rendimiento

Emulsión Monómeros, iniciadores, reguladores, medio de emulsión

Disipación muy efectiva del calor; obtención PM altos; Reacciona todo el monómero; Baja viscosidad; Valores bajos de Tg

Contaminación; necesidad de secado y lavado del polímero aislado; la presencia del surfactante puede causar sensibilidad al agua

Polimerización en emulsión

Normalmente: - Disolvente: Agua

- Monómero: Hidrofóbico

Procedimiento: - El surfactante se disuelve en el agua hasta alcanzar la concentración micelar crítica.

- Se agita con el monómero hasta formar la emulsión

- Catalizador: Soluble en agua (peróxidos, persulfatos etc.)

- Polimerización: Vía radical libre

- Se añade el catalizador

Pinturas al látex

- A veces se añaden reactivos de transferencia de cadena para disminuir el peso molecular

Micelas

Monómero

Micelas

Monómero

Micelas

Monómero

No pueden reaccionar

Características:

- Al aumentar la concentración del surfactante (y por tanto de las micelas) aumenta la velocidad de reacción y el peso molecular

Ejemplos de obtención industrial:

- Copolímeros de: poliestireno, polibutadieno, poliacrilonitrilo

- Polimetacrilatos, poli (acetato de vinilo), poli(cloruro de vinilo), policloropreno

- Al disminuir la concentración del iniciador (menos de uno por micela) aumenta el peso molecular

Mecanismos de Copolimerización

Copolimerización Radicalaria

Copolimerización Iónica

Las copolimerizaciones iónicas, aniónicas o catiónicas, son susceptibles de un tratamiento similar al descrito para las copolimerizaciones vía radical. Sin embargo, los valores que suelen presentar las reactividades relativas de los comonómeros son muy distintos según el tipo de mecanismos que se trate. En los mecanismos aniónicos se observan rangos de reactividades mucho mas amplios que en los sistemas radicalarios.

Copolicondensación

Copolímeros de Injerto

Tamaño Molecular

Distribución de pesos moleculares definido por

peso molecular promedio.

Tamaño Molecular Evaluación del Peso Molecular:

Tamaño Molecular Efecto del tamaño de la molécula

N° de

unidades

-CH2-CH2-

molecular

Estado físico a

20 ºC

1 30 Gas

6 170 Líquido

35 1000 Gas

430 >12000 Resina

Sobre su estado de agregación

Comportamiento de un material

Propiedades de los Polímeros

Propiedades Térmicas

Amorfo

Frágil Fluido • Flexible • Débil

• Rígido • Duro Fluido Fuerte

Tg Tm Td

Propiedades Térmicas ‐ Temperatura de Transición Vítrea (Tg)

• Sin cambio de fase • Aumentos de capacidad calorífica (Cp efecto entrópico, en lugar entálpico) • La densidad del polímero disminuye por encima de Tg (volumen libre más grande) • El valor de la Tg depende de la velocidad de calentamiento/enfriamiento • Para cadenas lineales Tg aumenta con el aumento del grado de polimerización

• La Tg disminuye con el aumento de la cantidad de plastificante añadido (El plastificante sirve como un mal disolvente para el compuesto polimérico)

En copolímeros, la Tg se puede obtener entre las Tg1 y Tg2 de los dos homopolímeros de la composición molar del copolímero

En homopolímeros existe una relación entre la Tg y la Tm

La Tg incrementa: • Sustituyentes polares • Sustituyentes estéricamente

flexibles • La reticulación • Grandes barreras de energía

para la rotación de torsión

Propiedades Térmicas ‐ Temperatura de Fusión (Tm)

La Tm es dependiente de la velocidad de calentamiento y enfriamiento, debido a que la re-ordenamiento de las cadenas del polímero lleva tiempo

se define como la temperatura cuando

Para cadenas de polímeros lineales, los grupos terminales sirven como "impurezas" bajando el punto de fusión.

La Tm incrementa: • Sustituyentes polares • Enlaces de Hidrógeno • La rigidez en la columna

vertebral

Estado Sólido - Conformación de los Polímeros

Cadena Rígida Ovillo Estadístico

Dimensiones del Ovillo Estadístico

Esquema de un ordenamiento a) cristalino, b) semicristalino y c) amorfo.

Estado Sólido - Estado Cristalino y Amorfo

Cristalinidad en polímeros

Interacciones entre moléculas: • Van der Waals • Dipole/Dipole • Puentes de Hidrógeno • Enlaces no químicos (Reticulación)

La cristalinidad depende del tratamiento termo-mecánica previo del compuesto polímero

• Factores determinantes de la Cristalinidad

Grado de Cristalinidad

• Constitución de la cadena

• Regularidad constitucional

Comonómeros

• La cristalinidad disminuye, siendo este efecto mayor cuanto mas diferentes sean las constituciones de los Comonómeros.

Tamaño

• La cristalinidad disminuye debido a la mayor influencia que ejercen los extremos de cadena.

Configuración

• La ausencia de tacticidad suele ser sinónimo de carácter amorfo.

Ramificaciones

• La presencia de ramas disminuye la cristalinidad, siendo el efecto mas pronunciado cuanto mas irregulares sean estas.

Estructura Interna de la Esferulita

Modelos de Lamela: a) Plegamiento al azar; b) Plegamiento regular adyacente; c) Modelo mixto

Técnicas Instrumentales para Identificación y Análisis de Polímeros

CROMATOGRAFIA GASES: Análisis cualitativo y cuantitativo de los aditivos no poliméricos.

ESPECTROSCOPIA INFRARROJA TRANSFORMADA FOURIER (FTIR): Técnica más versátil y rápida determinación estructura química polímero. Aplicación en el estudio de superficies (ATR) Aplicación en el campo de recubrimientos sobre superficies metálicas (Reflectancia Especular) Análisis polímeros multicapa sin necesidad de separarlas físicamente (microscopio/FTIR)

ESPECTROSCOPIA RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR (RMN): Determinación estructura química polímero. Determinación composición de copolímeros. Estudio características polímeros: Tacticidad

MUESTRA DESCONOCIDA

Identificación Clase polímero

Análisis Composición polímero

Tacticidad

Copolímero/monómeros

Secuencia copolímero

Caracterización

Peso molecular, MWD

Prop. Mecánicas

Reología

Morfología: Tm

Propiedades Mecánicas

Tipo de Deformación

Parámetro Elástico Símbolo Expresión Definición

Isotrópica Módulo de compresión K 𝑝𝑉𝑜

∆𝑉

Presión hidrostática/ contracción por unidad de volumen

Cizalla Módulo de rigidez G 𝜏

𝑡𝑔𝛾

Fuerza de cizalla por unidad de área/ deformación por unidad de distancia

Tracción Módulo de Young E 𝜎

Fuerza por unidad de área/ deformación por unidad de longitud

Cualquiera Relación de Poisson ν -- Contracción lateral/ deformación axial

Las propiedades mecánicas de los polímeros en estado sólido a bajas deformaciones son de una naturaleza distinta a las que exhiben cuando se someten a deformaciones elevadas. Mientras que las primeras son de naturaleza elástica, las segundas son viscoelásticos y son fuertemente dependientes del tiempo y de la temperatura.

Material ν E (GPa) G (GPa) K (GPa)

Agua 0.50 0 0 0

Caucho natural 0.49 10.5x10-4

3.5x10-4

Polietileno 0.49 0.2 0.07 3.3

Nylon 0.40 1.9 0.7 5.0

Poliestireno 0.38 3.4 1.2 5.0

Resina epoxi 0.40 2.5 0.9 6.4

Cobre 0.34 110 44 135

Vidrio 0.23 60 25 37

Diamante 0 1180 590 395

La aplicación de un esfuerzo a un material plástico tiene como primera consecuencia una deformación elástica debida a las deformaciones en las longitudes y ángulos de enlace. Estas deformaciones son reversibles, de pequeña magnitud y se cuantifican mediante los parámetros elásticos.

Comportamiento Mecánico

Comportamiento Característico

Curva Tracción-Deformación

Donde, σ = esfuerzo de tracción en N/m2; ϒ = elongación, (L0-L)/L0; L0 = longitud inicial; A0 = sección transversal en m2.

Estabilización de compuestos poliméricos con respecto a la tensión mediante la orientación de estiramiento

Comportamiento No-Newtoniano

Otras Propiedades de los Polímeros

Densidad

Cociente entre la masa de un determinado material sólido por unidad de volumen. Es decir, cuánto ocupará dicho material considerando el volumen real debido a su morfología.

ρ = m_ V

Denominación DIN Densidad

gr/cm3

Poliamida PA 1,15

Polióxido de Metilo POM C Poliacetal - Acetal 1,41

Tereftalato de Polietileno Polyester PET 1,38

Polietileno PE 0,95

Polipropileno PP 0,91

Cloruro de Polivinilo PVC rígido 1,42

Cloruro de Polivinilo PVC flexible 1,24

Metacrilato de Polimetilo PMMA 1,20

Policarbonato PC 1,20

Politetrafluoretileno PTFE 2,18

Fluoruro de Polivinilideno PVDF 1,78

Polietercetona PEEK 1,32 - 1,50

Polisulfona PSU 1,24

Polietersulfona PES 1,37

Polieterimida PEI 1,27

Poliimida PI 1,43 - 1,60

Polisulfuro de Fenileno PPS 1,43

Otras Propiedades de los Polímeros

Índice de Fluidez

Parámetro empírico para el peso molecular y capacidad de procesamiento. De acuerdo con la norma ISO 1133 y ASTM D1238, el MFI es el peso del polímero fundido a través de una boquilla estándar (2.095 x 8 mm) a una temperatura dada y con un peso estándar aplicado al pistón, que empuja la muestra.

Denominación DIN Densidad

gr/cm3

Poliamida PA 1,15

Polióxido de Metilo POM C Poliacetal - Acetal 1,41

Tereftalato de Polietileno Polyester PET 1,38

Polietileno PE 0,95

Polipropileno PP 0,91

Cloruro de Polivinilo PVC rígido 1,42

Cloruro de Polivinilo PVC flexible 1,24

Metacrilato de Polimetilo PMMA 1,20

Policarbonato PC 1,20

Politetrafluoretileno PTFE 2,18

Fluoruro de Polivinilideno PVDF 1,78

Polietercetona PEEK 1,32 - 1,50

Polisulfona PSU 1,24

Polietersulfona PES 1,37

Polieterimida PEI 1,27

Poliimida PI 1,43 - 1,60

Polisulfuro de Fenileno PPS 1,43

Material Conductividad calórica (W/mK)

Plásticos PE PA (nylon)

032 – 0.4

0.23 – 0.29

Acero 17 – 50

Aluminio 211

Cobre 370 – 390

Aire 0.05

Conductividad Calórica

La conductividad calórica (medida del transporte de calor) se encuentra entre 0.15 y 0.5 W/mK, siendo un valor pequeño lo que hace considerar a los plásticos como mal conductor de calor (aislante)

Conductividad Eléctrica

La conductividad eléctrica (facilidad para conducir corriente eléctrica) es muy baja por la ausencia de electrones libres.

Para mejorar la conductividad de un plástico se puede adicionar un metal en polvo.

Material Conductividad eléctrica (m/Ω mm2)

PVC 10-15

Acero 5.6

Aluminio 38.5

Cobre 58.5

Permeabilidad

Variación del volumen específico en función de la temperatura para a) un polímero cristalino y b) un polímero amorfo.

Características Generales

Características Particulares - Termoplásticos

Características Particulares - Termoestables

Características Particulares - Elastómeros

Resumen

Líquido:

- Fundido: Ejemplo: monómeros y prepolímeros, sistemas epoxi, adhesivos de dos componentes epoxi.

- Latex –dispersión-. Ejemplo: NR.

- Disolución. Ejemplos: soluciones de poliésteres insaturados.

Sólido:

- Granza (pellets): cilindros de ~3mm. Ejemplo: la mayoría de termoplásticos para extrusión y moldeado.

- Polvo (powder)

- Partículas porosas para fácil disolución.

Formato de distribución de los polímeros o de los materiales poliméricos:

Procesamiento de Polímeros

Clasificación de los Métodos de Procesado

1. Dado de formación (fibra, película, lámina, tubo, alambre) 2. Calandrado y revestimiento

1. Recubrimiento del molde (polvo, rotación) 2. Moldeo y fundición (inyección, transferencia, RIM) 3. Conformado (termoformado, moldeo por soplado)

Continuo

Procesos Continuos

Procesos Discontinuos

Etapas de Procesado

PARÁMETROS CRÍTICOS Y EFECTOS

ETAPAS FUNDAMENTALES

1. Acondicionamiento y mezcla de componentes. 2. Pastificación - reblandecimiento de los polímeros (o prepolímeros). 3. Compresión 4. Conformado 5. Consolidación por enfriamiento en termoplásticos (o curado en plásticos y gomas). 6. Enfriamiento 7. Acabado

a) Temperatura máxima alcanzada. Degradación. b) Presión máxima alcanzada. Contracciones, porosidad. c) Tiempo de curado. Tipo y cuantía de las reticulaciones. d) Velocidad de enfriamiento. Cuantía y tamaño de las cristalitas. e) Estirado uni- o bidireccional. Formas cristalinas.

Etapas de Procesado

OTRAS ETAPAS:

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO

1. Tamaño de los cristales: > a > velocidad de enfriamiento. 2. Cristalización durante estirado uni- o bidireccional. 3. Grado de reticulación en plásticos y elastómeros. 4. Contracción: disminución de volumen; tanto < cuanto > es la cristalización. 5. Tensiones internas residuales: pueden producir roturas. 6. Posibles deformaciones. Diseño de formas apropiadas. 7. Importancia del enfriamiento lento para prevenir el posterior envejecimiento físico.

a) Acabado y Montaje b) Ciclo de vida de los productos.

Reciclado: - Mecánico - Químico - Valorización energética

Técnicas de Procesado Parámetros para la Elección

• Número de piezas requeridas

• Tamaño y complejidad del producto

• Tipo de material

• Coste por unidad

• Aspecto/acabado de la pieza

• Exactitud de medidas y tolerancias

• Resistencia y rigidez

• Acabado posteriores/técnicas de ensamblaje que se podrán emplear

Procesamiento de Polímeros

Técnica de Procesado Volumen (%)

Extrusión 36

Inyección 32

Soplado 10

Calandrado 6

Revestimiento 5

Compresión/ Transf. 3

Otros 8

Procesamiento de Polímeros Principales Métodos de Procesado

Termoplásticos Termoestables

Moldeo por compresión Extrusión Soplado Moldeo por inyección Termoformado y conformado por vacío Moldeo rotacional Calandrado Recubrimiento por polvo en lecho fluidificado Moldeo de espuma estructural

Moldeo por compresión Moldeo por transferencia Moldeo por inyección Moldeo por reacción - inyección Colada (Casting) y dispersión

Procesamiento de Polímeros Principales Métodos de Procesado

Compuestos ref. con fibras Plásticos espumados

Moldeo por transferencia de resina Aplicación de capas a mano/ o spray Bolsa de vacío/ Autoclave Enrollado de filamentos Pultrusión Colada por centrifugación

Extrusión de espumados Inyección de espumado Espuma estructural Espuma sintáctica Moldeo de gránulos preexpandidos con vapor Vertido de líquido in situ

Procesos de Transformación Moldeo por Compresión

• Variables a controlar: - Cantidad de material

- Tiempos del ciclo

- Temperatura

- Calor aplicado

• Aplicación: - Placas de interruptores eléctricos

- Lavaplatos

- Neumáticos de goma

- Tapas de distribuidor del automóvil

• Pasos típicos - Abrir el molde

- Carga de material en la cavidad

- Cerrar el molde, compresión del plástico

- El molde expele el aire y los gases

- El plástico se endurece

- Se abre el molde

- Extracción de la pieza

• Ventajas

- Posibilidad de moldear material de alta viscosidad

- Componentes de mejor estabilidad dimensional

• Desventajas

- La calidad de la pieza depende de las variables del proceso y de la máquina

- El ciclo de moldeo es lento

Se emplea mayormente en resinas termoendurecibles y gomas. Resinas fenólicas, epoxi, poliésteres, melamina, etc.

Procesos de Transformación Termoformado Termoplásticos: PS, ABS y PVC

Procesos de Transformación Termoformado

• Ventajas - Moldes simples y de fácil diseño

- Moldes pueden estar construidos con materiales de bajo coste tales como madera, aluminio, yeso y resina epoxi

- Prototipos baratos

• Desventajas - Control muy pobre del espesor

de pared a lo largo de la pieza

- Material costoso

• Aplicación: - Embalajes tipo “blister” (Los

blisters de PVC laminados con PE se usan para embalajes de alimentos (pizza, delicatessen, jamón). Los blisters farmacéuticos están sellados con película de aluminio.

- Revestimiento interior de las puertas y cubas de frigoríficos y de lavaplatos

- Vasos para bebidas en máquinas automáticas

Procesos de Transformación Rotomoldeo

Procesos de Transformación Inyección

• Fases básicas - Alimentación a la cavidad

- Fusión del plástico por acción del calor del cilindro

- Transporte del material a la punta libre del husillo

- Expulsión y desmoldeo

• Aplicación: - Cuchillería de plástico

- Tapones de botella

- Cajas de computadores – TV

- Aparatos de audio y equipos electrodomésticos

- Maquinillas de afeitar desechables

- Faros y luces posteriores del automóvil

Procesos de Transformación Inyección Termoplásticos – Semicristalinos - Termoendurecibles

Procesos de Transformación Inyección

• Ventajas • Capacidad de automatización

• Tiempos de ciclo rápidos

• Buen control de dimensiones

• Buena consistencia pieza a pieza

• Buen sistema para moldeo de paredes delgadas

• Producción económica

• Mayor homogeneidad del material

• Desventajas • Mayor destreza en el control

del proceso

• Máquinas y moldeos costosos

• Inadecuado para producciones que arranquen y paren cte.

• Gasto de material de desecho

• Empleo de fibras más cortas

La Máquina: Tolva

La Máquina:

La Máquina: Tornillo

La Máquina: Anillos de Retención

La Máquina: Puntas del Tornillo

La Máquina: Boquillas

La Máquina: Molde

Factores que Afectan - Inyección

Inyección Soplado

Procesos de Transformación Extrusión

Fluidos Incompresibles

Ec. de Navier-Stokes

Procesos de Transformación Extrusión Termoplásticos: PVC, PE, PS y ABS

Extrusión

Medición de Variables de Procesos • Torque • Temperatura de fusión • Presión • Flujo másico

Optimización de Parámetros de Procesos: • Velocidad de extrusión • Perfil de temperatura • Presión • Diseño del tornillo

Extrusión

• Ventajas ₋ Formas continuas,

semielaborados

₋ Gran capacidad de producción

• Desventajas ₋ Costo elevado de

producción

• Aplicación ₋ Bolsas de plástico

₋ Tubos de gran diámetro, barras, tubos pequeños y planchas para aplicación en la construcción

₋ Material para envolturas y cintas de audio / video

La Máquina:

Extrusión

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PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN

EXTRUSIÓN

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La Máquina: Plato rompedor

27/11/2013 205

EXTRUSIÓN: Principios de funcionamiento de las extrusoras monohusillos

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EXTRUSIÓN:

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EXTRUSIÓN:

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27/11/2013 217

EXTRUSIÓN: Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de las extrusoras

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La Máquina: Equipos complementarios

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27/11/2013 226

27/11/2013 227

27/11/2013 229

Extrusión: Ejemplos de fabricación

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