PLÁSTICOS Y COMPOSITES

© Kepa Castro

POLÍMEROS

Están en todas partes:ComidaRopaTransporteElectricidadEtc

NATURALES

SINTÉTICOS

LátexCaucho

Celulosa

Almidón

Aceite secativo:linaza

Caucho sintético

Poliester

Poliamidas

Teflón

BaquelitaPolietileno

Poliestireno

PolipropilenoPVC

SiliconaMetacrilato

caseína

Los polímeros naturales se pueden modificar (nace la ciencia de los polímeros)

Se puede sintetizar un polímero partiendo de cero

Celulosa

Acetato de celulosa

Celulosa

Metil celulosa

Celulosa

Hidroxi etil celulosa

Celulosa

Hidroxi propil celulosa

Película Pegamento Pegamento en cementoy cal hidráulica

Plástico = Polímero

Paraloid B72

Orgánicos (esqueleto de átomos de carbono + otros elementos: N, Cl, O, etc)

Son grandes moléculas formadas por monómeros que se repiten (“poli”)

Se forman tras una reacción de polimerización (distintos tipos)

Pueden ser amorfos o cristalinos

Las características de los polímeros difieren mucho de las de los monómeros

Dos polímeros de igual composición química pueden tener propiedades muy diferentes (celulosa vs almidón)

Muchos plásticos con características muy diferentes

Plástico = Polímero

Historia del plástico

Vulcanizado: caucho + azufre data de 1839 (Charles Goodyear)

La cultura Olmeca hacía algo similar con savias y otros extractos de plantas (hace 3.500 años) para hacer pelotas de hule destinadas a un juego ritual

Historia del plástico

Primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collarder ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quien consiguiera un sustituto del marfil natural. Una de las personas que compitieron, John Wesley Hyatt, desarrolló el celuloide disolviendo celulosa en alcanfor y etanol. No ganó el premio pero consiguió un producto muy comercial.

En 1909 el químico Leo Hendrik Baekeland sintetizó la baquelita a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Fue el primer plástico totalmente sintético de la historia, iniciando la «era del plástico».

Propiedades

Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:

fáciles de trabajar y moldear

bajo costo de producción

baja densidad

suelen ser impermeables

aislantes eléctricos

aislantes acústicos

aislantes térmicos a bajas temperaturas

resistentes a la corrosión y a muchos productos químicos

Propiedades

Clasificación

Termoplásticos (se funden con el calor y pueden ser moldeados)

Resinas celulósicas, como el rayón o viscosa (seda artificial)

Polietilenos y derivados, como el acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, Maylar, Dracon, Terylene, Teflón, etc.

Derivados de las proteínas, como el nailon y el perlón o el kevlar

Derivados del caucho, como el neopreno y el polibutadieno

Clasificación

Termoestables (no se funden con el calor, se incendian)

Polímeros del fenol, son plásticos duros

Resinas epoxi

Resinas melamínicas

Baquelita

Aminoplásticos: Polímeros de urea y derivados

Poliésteres, que suelen emplearse en barnices

Las más usadas en arquitectura

¿Cómo se nombran?

¿Cómo se nombran?

Envejecimiento

Todo material orgánico envejece

Pierde propiedades:

Pierde flexibilidad Cambio de color Pierde capacidad hidrofóbica Aumenta la fragilidad

Luz (UV) Aire (oxígeno)

Envejecimiento

Envejecimiento

Está demostrado que las resinas acrílicas muy usadas en consolidación de piedras son alimento para hongos y bacterias

Limpieza y tratamientos

Se recomienda el uso de disolventes orgánicos y agua

Los más usados son:

Acetone Metil etil cetone Alcohol isopropílico Alcohol metílico Tolueno (toluol) 1,1,1-tricloroetano Nafta Agua destilada o desionizada (a veces con detergentes)

Algunos disolventes pueden dañar los plásticos

COMPOSITES

Es una mezcla de una polímero embebido en fibras resistentes

Las propiedades mecánicas de un composite son asimilables a las de la madera

Algunas se pueden comparar a las de los metales

Como polímero:

Como fibras:

Definición

Resina epoxy Poliester

Fibra de vidrio Fibra de carbón Aramida

Se han usado para soportar fragmentos pesados de piedra, sustituyendo a los pernos. No sufren corrosión.

También se puede usar fibras de carbón, que tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansión

También las fibras de aramida (Kevlar) tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansión

Se está usando para reforzar estructuras de hormigón dañadas por la corrosión

Definición

¿Alguien sabe cuál fue el primer composite de la historia de la humanidad?

El adobe es uno de los primeros composites que la humanidad utilizó

El adobe es uno de los primeros composites que la humanidad utilizó

¿Qué resistencia tiene?

¿Qué tamaño de edificio se puede construir con él?

Shibam (Yemen)

Shibam (Yemen)

Shibam (Yemen)

Shibam (Yemen)

Shibam (Yemen)

Durisol

Mezcla de virutas y desechos de madera con cemento portland

Usado en lo que se conoce como Green Building

Se fabrica en bloques para aislantes sonoros

100% reciclable

Durisol

Pykrete

Es un composite con un 14% de serrín y un 86% de hielo (Geoffrey Pyke)

Durante la segunda guerra mundial

Louis Francis Albert Victor Nicholas George Mountbatten (Almirante de la flota inglesa)

Projecto Habbakuk

Tan resistente como el hormigón

No se le ha encontrado ningún uso

SILICATOS, SILANOSY SILICONAS

Sales y ésteres del ácido silícico (H4SiO4) se han usado como consolidantes de piedra hidrofílicas

Se forma un polímero inorgánico

El H4SiO4 se forma dentro de las fisuras tras la hidrólisis de una sal o un ester

Puede consolidar fisuras de hasta 0.1 mm

Silicatos

Silicatos de sodio y potasio

Na2SiO3 + 3H2O Si(OH)4 + 2NaOH

Muy usados durante el siglo XIX Dan muchos problemas y el riesgo de fallo es alto El NaOH puede formar carbonatos solubles

Fluorosilicatos

MgSiF6 + 4H2O Si(OH)4 + MgF2 + 4HF

El MgF2 es poco soluble en agua El HF elimina algas y otros organismos La hidrólisis es muy rápida y puede quedar en superficie sin penetrar y sin consolidar Se ha usado para consolidar arenisca, siendo menos efectiva en roca calcárea

Completamente en desuso

Prohibido en muchos paises

Silicatos

Etil silicato

Si(OC2H5)4 + 4H2O Si(OH)4 + 4C2H5OH

Muy adecuado por su baja viscosidad (fácil penetración) Hidrólisis lenta El etanol de evapora sin causar problemas El etil silicato es muy volatil y se puede evaporar sin consolidar (se puede evitar)

Silicatos

Silanos

Silanos

Al igual que los silicatos, los silanos consolidan materiales hidrofílicos

Además, introducen radicales que son hidrófobos

Al igual que los silicatos, no consolidan fisuras de más de 0.1 mm

Silanos

Siliconas

Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-

Resistentes al calor (hasta 200 ºC)

Gran adherencia en materiales hidrofílicos

Repele el agua líquida

Siliconas

Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-

Resistentes al calor (hasta 200 ºC)

Gran adherencia en materiales hidrofílicosLos radicales determinan las

propiedades

Siliconas

Forma films semipermeables:

Impermeables al agua líquida Permeable al vapor de agua

No produce efectos visuales sobre las fachadas

Funciona mejor sobre piedra silícea que sobre carbonatada

Amarillea y decolora muy ligeramente

El edificio respira

Poco resistente al paso de los gases ácidos

Siliconas

La luz y el oxígeno oxidan las siliconas

Pierden poder hidrofóbico

Vida útil: 5-10 años

Las impurezas en la silicona o los disolventes aceleran el envejecimiento

APLICACIONES

Plexiglas o Perspex

Polimetil-metacrilato

Transparente

Baja resistencia al arañado

Muy resistente al impacto

Si se rompe, sus fragmentos son menos peligrosos que el vidrio

Con la luz UV se decolora

Sustitutos del cristal

Introducción de un filtro UV

Altísimo coeficiente de expansión, 10 veces mayor que el vidrio

Creación de efecto invernadero

Plexiglas o Perspex

Lexan

Policarbonato

Transparente

Muy resistente al impacto

Permite ser doblado y formar esquinas muy marcadas

Con la luz UV de decolora

Sustitutos del cristal

Introducción de un filtro UV

Altísimo coeficiente de expansión, 10 veces mayor que el vidrio

Creación de efecto invernadero

Lexan

Teflón

Poli-tetrafluoro-etileno

Gran resistencia el calor (se funde a 327 ºC)

Es hidrófobo, repele el agua. Insoluble en casi ningún disolvente

No se oxida con el oxígeno

Ideal para Recubrimientos de larga duración

Muy caro

No es transparente

Teflón

Teflón

Teflón

Acetatos de vinilo y ésteres acrílicos

Buenos adhesivos

Forman films

Coatings en

Metales (evita la corrosión, protección química) Madera (evita el ataque de los microorganismos, antihumedad)

Aunque se aplican disueltas en agua (emulsión), cuando se secan, son insolubles en ella

A altas temperaturas chorrean

Vehículo para pinturas

Resinas epoxi

Se conocen desde 1950

Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)

Se han de mezclar en la proporción adecuada y dejar endurecer a T ambiente

Cuidado con la viscosidad vs penetración en la piedra

Problemas de consolidación

Resinas epoxi

Se conocen desde 1950

Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)

Se han de mezclar en la proporción adecuada y dejar endurecer a T ambiente

Las características de la piedra es muy importante

Porosidad muy influyente

Resinas epoxi

El polímero se forma mediante una reacción de cross-linking

Estructura 3D muy sólida y compacta

Resinas epoxi

Muy usado como adhesivo y como consolidante sobre superficies hidrofílicas

La humedad y el agua dificultan el endurecimiento de la resina

Resinas epoxi

Muchas veces se usa mezclado con una carga de relleno

Abarata el producto Favorece la adhesión y la cohesión Reduce el coeficiente de expansión

Otras veces se añade sobre un tejido, aumentando las prestaciones del tejido

Se oxida bajo la acción de la luz y el aire

Apenas envejece si se le preserva del aire y la luz

Decoloración Pérdida de propiedades hidrofóbicas

Resinas epoxi

Usarlas requiere cuidado y experiencia

Buen uso de las proporciones Cuidado con la humedad Una vez endurecido, el adhesivo es insoluble

Poliuretano

Como aislante se utiliza normalmente en:

Aislamiento de fachadas (interior, exterior y cámaras de aire) Aislamiento de cubiertas (planas e inclinadas) Aislamiento de techos Aislamiento de suelos Recubrimiento de tuberías Recubrimiento de calderas

Aplicaciones en forma de:

Poliuretano Proyectado Planchas de Poliuretano Conformado Paneles Sándwich de Poliuretano.

Poliuretano

Poliuretano

Características:

Gran durabilidad (reducción su mantenimiento)

Ligeros y resistentes tanto a los esfuerzos mecánicos como a la humedad

Gran impermeabilidad

Conserva sus propiedades de eficiencia energética durante toda la vida

Aprovecha mejor el espacio que otros aislantes

Versátil y eficiente en la rehabilitación de edificios

Amarillea con la luz solar y es muy sensible al biodeterioro

Las poliureas se están poniendo de moda

Poliuretano

Poliuretano

Poliuretano

Resinas de poliester

Usadas en pinturas y recubrimientos

Buena estabilidad frente a la luz, oxígeno, agua y muchos productos químicos

Sensible a la hidrólisis (incompatible con ambientes ácidos o básicos)

Las capas de pintura son flexibles y elásticas (bien para metales)

Resistentes al impacto, el rascado y al manchado

Hay muchas variedades

Resinas de poliester

Pinturas retardantes del fuego

Pinturas basadas en mezclas de compuestos clorurados con óxido de

antimonio

Morteros y cementos modificados

Desde 1960, cuando se añadió metil celulosa al cemento. También hidroximetil celulosa o alcohol polivinílico

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Se obtienen cementos más resistente y con menos microfisuras

Mayor impermeabilidad

Al paso de humedad Al paso de iones cloruro (menor corrosión del acero) Al paso de CO2 (menor carbonatación)

Menor porosidad y tamaño de poro

Aumenta la durabilidad del material

Mayor resistencia a la crioclasticidad (al haber menos humedad)

Morteros y cementos modificados

El tiempo de trabajo con el cemento depende de cada tipo de mezcla

Suele ser inferior a 1 hora

Se pega a todo, gran poder de adherencia, incluso el metal

Hay que limpiar bien todas las herramientas

Morteros y cementos modificados

Antes de secar

Tiene un alto índice de retención de humedad

La humedad inhibe el dry-out (falta de hidratación del cemento)

El dry-out debilita las estructuras

Este hecho aumenta al aumentar la cantidad de polímero

Se hace constante a partir del 5-10% de polímero

Morteros y cementos modificados

Después de secar

Aumenta la resistencia y la dureza Aumenta la resistencia al impacto y la abrasión Presenta una mayor elasticidad Durante el secado se contrae Se reduce la permeabilidad, la absorción de agua y la transmisión de vapor

Tienen poca resistencia al agua La resistencia química depende del agresor y del tipo de polímero

No resisten a los ácidos No resiste a los sulfatos Resistente a las bases y a algunas sales Resistente a algunos disolventes orgánicos Similar resistencia térmica con respecto a los morteros normales

Morteros y cementos modificados

Aditivos expansivos

Malos resultados en ambientes muy húmedos

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Morteros y cementos modificados

Los morteros se usan más que los cementos modificados

La razón es meramente económica

Los cementos modificados son muy caros

Morteros y cementos modificados

Para mejorar las propiedades anticorrosión se añade

El modificador PVDC ya no se usa por que genera cloruros

Ca(NO2)2 LiNO2

PELIGROSO

Se generan nitratos

Sales solubles

Morteros y cementos modificados

Muy criticados en la actualidad

Su uso se ha puesto en tela de juicio

Alquitrán

Es el material más impermeable y resistente al agua de la historia

Resistente a ácidos, bases y sales

Sensible a detergentes, grasas, aceites y disolventes orgánicos

Se usa como vehículo de pinturas

Buen resultado sobre cemento pero malo sobre metales

Se usa en forma de tela asfáltica en tejados o en pinturas

Alquitrán

Alquitrán

Nitrato de celulosa

Es el material explosivo

En aplicaciones para restauración es estable incluso a la llama

Se usa como pegamento y consolidante en cerámicas

Muy usado para recubrir metales (Plata, hierro, cobre, bronce, latón)

Se degrada con cierta facilidad:

Temperatura (Calor) Ácidos inorgánicos fuertes Luz ultravioleta

Se está sustituyendo por el Paraloid B72

Nitrato de celulosa

Barnices de nitrocelulosa

LO QUE ESTÁ POR VENIR

“Yo he visto cosas que vosotros no creeríais”(Blade Runner)

Materiales activos

Que cambian de color cuando hay humedades

Que cambian de color cuando aumenta o disminuye la temperatura

Sirven de indicadores

Materiales inteligentes

Que cambian sus propiedades en función del entorno

Ventanas que regulan el paso de luz o de calor

Pinturas que cambian de color

Materiales que son capaces de analizar las vibraciones y absorberlas (antiterremoto)

Materiales capaces de absorber CO, CO2

Se fabrica a partir de residuos industriales generados en la fabricación del acetileno, optimizados y purificados, cuyo coste energético y medioambiental ha sido prácticamente amortizado en la fase productiva del residuo por el producto principal (acetileno).

Tiene una elevada capacidad de captación del CO2 ambiental al estar compuesto básicamente por hidróxido de calcio inestable optimizado en condiciones de captar el CO2 necesario para su transformación en carbonato de calcio según la siguiente reacción:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

Cien veces más fuertes que el acero pesando seis veces menos

Nanotubos de carbono

Ignífugos

Hidrófobos

Duros, tenaces, gran resistencia mecánica (módulo de Young del orden de 1 TPa, una resitencia a la tracción en torno a los 50 GPa y una elongación del 10%)

Flexibles y elásticos

Conducen la electricidad (Creación de sensores en estructuras)

Alta conductividad térmica en un sentido pero aislante en otro (Disipadores de calor)

Aislantes acústicos

Nanocomposite

Adición de nanopartículas a los materiales de construcción

La gran superficie de las nanopartículas hace que una pequeña cantidad de este material pueda variar mucho las propiedades del composite sin apenas cambios en la densidad ni el peso

Ventanas electrocrómicas, termocrómicas, fotocrómicas, de cristal líquido

Nanocomposites derivados de polímeros estructurales de la familia del naylon, poliésteres, polipropileno, poliestireno, fluoropolímeros, etc, tienen propiedades retardantes de llama y producen menos CO y hollín

Pinturas con nanopartículas de TiO2 o de otro tipo mejoran sus propiedades antioxidantes y protectoras frente a la corrosión

Algunos composites son más duros y resistentes que el hormigón armado, pero no se han testado en objetos de gran tamaño o que soporten grandes pesos

Hormigones reforzados con nanotubos de carbono (gran resistencia)

Materiales siempre limpios, añadiendo nanopartículas de TiO2 que absorbe el UV y puede oxidar materia orgánica y matar microorganismos

En la ciudad de Kobe, en Japón, tras el terremoto sufrido en 1995, se reforzaron las columnas y soportes de hormigón de las autopistas rodeándolas con varias capas de fibra de carbono y polímeros, por lo que no hubo que rehacerlas

Los materiales inteligentes podrán replicarse y repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia.

Estudiando las características de la hoja de loto a escala nanométrica, se está aprendiendo a diseñar superficies autolimpiables. La superficie de la hoja de loto repele al agua de forma extrema; se dice que es superhidrofóbica. Las gotas de agua que se depositan sobre la hoja de loto adoptan la forma esférica y deslizan ante una pequeña inclinación, arrastrando las partículas de suciedad. Se ha podido asociar esta propiedad a la geometría nanoestructurada de la superficie. Reproduciendo esta geometría en otras superficies se pueden conseguir propiedades de "autolimpieza" similares.

Nanorobots inteligentes capaces de arreglarlo y limpiarlo todo