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16/08/2016
17 – Materiales poliméricos
Año 2016
1
Contenido
• Definiciones• Tipos de polímeros• Estructura molecular• Clasificación• Procesamiento• Propiedades• Residuos plásticos
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16/08/2016
¿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
Producto plástico- final- semiterminado
- inyección- extrusión- moldeo- soplado- estirado- impresión 3D
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Hipótesis macromolecular
MonómerosMoléculas sencillas formadas por C y H, tambien por N, Cl, O, F, Si, S
PolímerosMoléculas complejas de varios monómerosPolimerización
Hermann StaudingerNobel Química 1953
Incremento del peso molecular
Metano CH4
Pentano C5H12
Polietileno C100H202
Gas
Líquido
Sólido
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Copolímero
• Más de un mero � más de un polímero
EVA = acetato de vinilo + etileno
Copolímero
Al azar
Alternado
En bloque
Injertado
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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
16/08/2016
Estructura molecular
¿Cómo y qué características son modificadas por el % de cristalinidad de un polímero?– densidad–––––
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
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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 solubilizaren diferentes solventes.
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Termoplásticos
Sellos anticorrosivos, accesorios y válvulas para químicos, rodamientos, antiadhesivos, dispositivos eléctronicosde alta temperatura
Químicamente inerte, excelente propiedades eléctricas, bajo coeficiente de fricción, usos hasta 250°C, malas propiedades mecánicas
Fluorcarbono(PTFE) (ej: Teflón)
lentes, ventanas, señalética de exterior
Buenos transmisores de la luz, resistentes a la intemperie, propiedades mecánicas pobres
Acrílicos (Poli Metil Meta Acrilato - PMMA)
equipos de jardín, revestimientos en electrodomésticos, juguetes, paragolpes
Resistencia mecánica y tenacidad, resistente a la distorsión por calor, buenas propiedades eléctricas, combustible, soluble en compuestos orgánicos
Acrilonitrilo-butadieno-estireno – ABS
Típicas aplicacionesCaracterísticasMaterial
Termoplásticos
envases, juguetes, utensilios de cocina, prótesis, film
Resistencia química, aislador eléctrico, tenaz, bajo coeficiente de fricción, baja resistencia mecánica, pobre resistencia a la degradación ambiente
Polietileno - PEPEAD, PEBD, PEUAPM
envases, cascos, lentesEstabilidad dimensional, baja absorción de agua, buena transparencia, buena ductilidad y tenacidad, buena resistencia química
Policarbonato –PC
rodamientos, fibras textiles, sogas, cables
Buena resistencia mecánica y tenacidad, resistente a la abrasión, bajo coeficiente de fricción, absorbe agua
Poliamidas - PA (ej: nylon)
Típicas aplicacionesCaracterísticasMaterial
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Termoplásticos
envases, uso general, industria textil
Tenaz, resistente a la humedad, resistencia química, barrera a los gases
Poliester - PET
juguetes, caños, aisladores eléctricos, mangueras, film, estructuras
Bajo costo, uso general, uso en copolímero, susceptible a distorsión por temperatura
Vinilos (ej: PVC)
juguetes, carcasas, gabinetes de electrodomésticos, envases, aislante térmico
Excelente propiedades eléctricas y ópticas, buena estabilidad dimensional, bajo costo, no toxico
Poliestireno – PS
envases, film, textil, gabinetes de electrodomésticos
Resistente a la distorsión por calor, resistencia a la fatiga, químicamente inerte, barato, pobre resistencia a la radiación UV
Polipropileno –PP
Típicas aplicacionesCaracterísticasMaterial
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.
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Termorrígidos
aislante térmico (espuma), piezas estructurales (imita maderas)
Resistencia a la humedad, buenas propiedades mecánicas, tenaces, buena aislación térmica y eléctrica
Poliuretanos
carcasas, dispositivos electrónicos, aislantes eléctricos
Excelente estabilidad dimensional por encima de los 150°C, bajo costo
Fenólicos (ej: bakelita)
resina en materiales compuestos, adhesivos, pinturas, aislante eléctrico
Excelente combinación de propiedades mecánicas con resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional, buena adhesión, buenas propiedades eléctricas
Epoxi
Típicas aplicacionesCaracterísticasMaterial
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
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Elastómeros
sellos (o-ring), mangueras para transporte de hidrocarburos, suelas
Alargamiento: 400-600%
Temperatura de uso: -50 a 150°CExcelente resistencia ante aceites, pobre propiedades a baja temperatura
Acrilonitrilo Butadieno (copolímero) –NBR
Neumáticos para automóviles, tubos, suelas
Alargamiento: 450-500%
Temperatura de uso: -60 a 120°CExcelente propiedades mecánicas, buena resistencia a la abrasión, baja resistencia a la degradación atmosférica
Estireno Butadieno (copolímero) –SBR
Neumáticos para automóviles, tubos, suelas
Alargamiento: 500-760%
Temperatura de uso: -60 a 120°CExcelente propiedades mecánicas, buena resistencia al corte, baja resistencia a la degradación atmosférica
Caucho natural
Típicas aplicacionesCaracterísticasMaterial
Aditivos
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Procesamiento
Procesos de termoplásticos
¿Qué ventajas presentan los plásticos en elprocesamiento 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
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Propiedades mecánicas
Deformación en semicristalinos
Propiedades mecánicas
Deformación en elastómeros
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Vulcanización
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.
+ Temperatura
Propiedades mecánicas
16/08/2016
Propiedades mecánicas
Para este material, polimetimetacrilato(PMMA), amorfo, la temperatura de transción vitrea esta entre 50°C y 40°CLos 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
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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
Material [g/cm3]*
* 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
16/08/2016
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.
16/08/2016
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.
16/08/2016
https://www.inti.gob.ar/rsu/pdf/presentaciones/PresentacionLegislaturaCABA.pdf
Referencias
• Bases de datos de materiales
http://www.campusplastics.comhttp://www.omnexus.com/http://www.matweb.com/• Plásticos y medio ambiente
www.ecoplas.org.ar (Ecoplas Plastivida CAIP)• Página educativa sobre plásticos
http://www.pslc.ws/spanish/index.htm
16/08/2016
Referencias
• Premios Nobel– 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?
16/08/2016
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?