CAPITULO 4. POLIMEROS (continuación)

Son moléculas orgánicas gigantes, que tienen pesos moleculares de 1000 a 1000000 g/g-mol. Estos materiales se obtienen mediante un proceso denominado polimerización

Las moléculas internamente están constituidas por un esqueleto de átomos de carbono enlazados en forma covalente y otros átomos como el H, N, F, Cl, S, O y otros grupos unidos lateralmente a otros átomos de carbono

A su vez las diferentes moléculas se encuentran unidas entre sí, por fuerzas de Van der Waals. A medida que las moléculas aumentan de tamaño, también aumenta el total de las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas.

Ejemplo: El polietileno se obtiene a partir del etileno (C2H4) que es un gas. A medida que aumenta el número de átomos en la molécula, pasa de un gas a un líquido y finalmente llega a ser un plástico sólido.

Características de los polímeros:

Son materiales ligeros

Resistentes a la corrosión

Aislantes eléctricos

Baja resistencia a la tensión

No adecuados para aplicaciones a altas temperaturas

Las propiedades y comportamiento de los polímeros dependen del grado de polimerización, tipo de monómeros, ramificaciones y Copolimeros.

DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Polimerización. Es la reacción química que conduce a la formación de moléculas de peso molecular elevado a partir de monómeros.

Monómero. Molécula sencilla a partir de la cual se produce un polímero cuando se enlaza de modo covalente para formar largas cadenas moleculares.

Grado de polimerización. Cantidad de monómeros que tiene un polímero (peso molecular de un polímero dividido para el peso molecular del mero)

Mero (Unidad monomérica). Unidad que se repite en una cadena molecular polimérica ( Celda unitaria)

Funcionalidad. Cantidad de lugares en un monómero donde ocurre la polimerización (número de enlaces activos localizados en un monómero)

Copolimerización. La reacción química que conduce a la formación de una molécula de peso molecular elevado mediante la unión de monómeros de dos o más tipos.

POLIMERIZACIÓN

Se llama polimerización a la forma de unión de unas

moléculas con otras para dar lugar a la formación de un

polímero.

Existen dos tipos de polimerización:

a. POR CONDENSACIÓN

b. POR ADICIÓN

1. Polimerización por adición. Unión entre monómeros semejantes y/o diferentes producida al unirlos en posiciones funcionales sin la formación de un subproducto de condensación. Etapas:

a. Iniciación. Un radical libre actúa como catalizador iniciador para la polimerización.

R-O-O-R→calor→2 (R+O*)

b. Propagación. Nuevas unidades de monómeros se suman a la cadena por la apertura de sus dobles enlaces y esta crece.

R-CH2-CH2+CH2=CH2 →R-CH2-CH2-CH2-CH2

c. Terminación. Se produce por la adición de un radical libre finalizador o cuando dos cadenas se combinan

R-CH2-CH2-CH2-CH2-R

Los polímeros según el tipo de monómeros pueden ser:

1. Homopolimeros. Si están formados por un solo tipo de

monómeros.

Ej: Polietileno, Poliestireno, polipropileno, etc.

2. Copolimeros. Si están formados por dos o más

monómeros distintos.

Ej: ABS Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno

2. Polimerización por condensación. Unión entre monómeros semejantes y/o diferentes producida al unirlos en posiciones funcionales con la formación de un subproducto de condensación.

Poliésteres

Se producen por sucesivas reacciones de esterificación

(alcohol y ácido). Forman tejidos, de los cuales el más

conocido es el “tergal” formado por ácido tereftálico (ácido p-

benceno-dicarboxilico) y el etilenglicol (etanodiol):

Poliamidas

Se producen por sucesivas reacciones entre el grupo ácido y

el amino con formación de amidas. Forman fibras muy

resistentes. La poliamida más conocida es el nailon

6,6 formado por la copolimerización del ácido adípico (ácido

hexanodioico) y la 1,6-hexanodiamina:

Polímeros naturales: Provenientes directamente del reino

vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas,

caucho natural, ácidos nucleicos, aminoacidos, etc.

Polímeros artificiales: Son el resultado de modificaciones

mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales.

Ejemplo: nitrocelulosa, caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos: Son los que se obtienen por procesos de

polimerización controlados por el hombre a partir de materias

primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno,

cloruro de polivinilo, polimetano, etc.

Polímeros naturales

Existen polímeros naturales de gran significación comercial

como el:

Algodón: Formado por fibras de celulosas. La celulosa se

encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se

emplean para hacer telas y papel.

La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una

poliamida semejante al nylon.

La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo.

El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule,

son también polímeros naturales importantes.

CAUCHO NATURAL

El caucho natural, es el poli-cis-isopreno, que se extrae del

árbol Hevea brasiliensises, es un polímero elástico y

semisólido, y posee la siguiente estructura

El almidón es un polímero, donde el monómero es la glucosa.

El algodón está hecho de celulosa, que también es un

polímero de la glucosa, y la madera está compuesta en gran

proporción de celulosa.

Las proteínas son polímeros donde el monómero son los

aminoácidos. La lana y la seda son dos de las miles de

proteínas que existen en la naturaleza.

Los seres vivos no podrían existir sin polímeros: toda planta y

animal requiere de ellos. Entre los polímeros naturales más

importante están los ácidos nucleicos, que contienen la

información genética codificadora que hace que cada

individuo sea único.

AMINOACIDOS

Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En

solución acuosa, el ión hidrógeno del ácido carboxílico es

transferido al grupo básico que es el amino: el producto

resultante es una molécula polar.

PROTEINAS

Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-)

entre un aminoácido y otro aminoácido se denomina enlace

peptídico. Se puede observar que sigue existiendo un grupo

amino reactivo a la izquierda y un grupo carboxilo a la

derecha.

Los polímeros sintéticos se pueden subdividir en:

1. Los Elastómeros: Sustancias que poseen la elasticidad

que caracteriza al caucho y al igual que este se emplean

para fabricar gomas, mangueras o neumáticos.

2. Las Fibras: Materiales capaces de orientarse para

formar filamentos largos y delgados como el hilo. Poseen

una gran resistencia a lo largo del eje de orientación, tal

como ocurre con el algodón, la lana y la seda. Tienen su

principal aplicación en la industria textil.

3. Los Plásticos: Son polímeros que pueden ser

moldeados a presión y transformados en diversos objetos

con formas diferentes, o bien, usados como pinturas o

recubrimientos de superficies.

También se pueden clasificar según sus aplicaciones y usos:

1.- Elastómeros

Tienen muy poca elasticidad, y mucha extensibilidad, lo que

quiere decir que se deforman mucho al someterlos a un

esfuerzo, pero se recuperan rápidamente a lo que este termina.

2.- Plásticos

Estos polímeros ante un esfuerzo mayor, se deforman

irreversiblemente. Este concepto se usa muy erradamente,

cuando las personas se refieren a los polímeros en su totalidad.

3.- Fibras

Son muy elásticos, pero muy poco extensibles. Básicamente los

utilizan para confeccionar telas que mantienen su forma.

4.- Recubrimientos

son líquidos generalmente que se adhieren a otra superficie de

algún otro material para otorgarles una nueva propiedad.

5.- Adhesivos

Combinan adhesión y cohesión, lo que permite que se una a

otro cuerpo por contacto superficial.

Polímeros termoplásticos. Polímeros que pueden ser recalentados y refundidos muchas veces, puesto que no se forman productos secundarios durante el procesamiento.

Polímeros termoestables. Polímeros que se polimerizan a temperaturas elevadas, liberando un producto secundario que por ello se restringe su reciclabilidad.

Elastómeros. Polímeros que poseen una estructura de cadenas altamente enrolladas y parcialmente ligadas en forma cruzada, lo que permite al polímero tener una deformación elástica excepcional

Estructura de los polímeros

Los polímeros pueden tener tres tipos de estructuras:

1. Estructuras lineales. Las moléculas forman cadenas lineales. Se forman cuando las moléculas (monómeros) son únicamente bifuncionales.

La polimerización puede ser por adición o por condensación. Este es el caso de los termoplásticos

2. Estructuras de red (amorfas). Las moléculas forman redes tridimensionales. Se forman cuando las moléculas (monómeros) son trifuncionales o mayores

La polimerización puede ser por adición o por condensación. Este es el caso de los termoestables

3. Estructuras cristalinas. Se produce cuando las cadenas lineales adquieren un ordenamiento.

La estructura cristalina es importante porque los polímeros lineales se vuelven más firmes y fuertes. Los polímeros cristalinos tienen mayores densidades y mejores propiedades mecánicas que los polímeros amorfos (cadenas en desorden).

Cristalinidad en los polímeros

Las propiedades de los polímeros dependen de su estructura.

En su mayoría, los polímeros tienen una estructura amorfa

(del tipo vidrio); sin embargo, algunos polímeros lineales y de

reticulado raro, pueden formar zonas rigurosamente

ordenadas, es decir, tienen parcialmente una estructura

cristalina, lo que conduce a la elevación de la resistencia

mecánica, dureza y estabilidad térmica.

En el caso de la estructura cristalina se incrementa la

interacción molecular, pero se reduce la flexibilidad de las

moléculas.

La relación de los volúmenes de todas las zonas cristalinas

de los polímeros entre su volumen total se denomina grado

de cristalinidad, que es una de las características más

importantes de los polímeros. Un alto grado de cristalinidad

(60 a 80 %) poseen los fluoroplásticos, los policarbonatos,

el propileno y el polietileno de alta densidad.

La cristalinidad hace que los materiales sean resistentes,

pero también quebradizos. Un polímero totalmente cristalino

sería demasiado quebradizo como para ser empleado como

plástico. Las regiones amorfas le confieren ductilidad al

polímero, es decir, la habilidad de poder plegarse sin

romperse.

Muchos polímeros presentan una mezcla de regiones amorfas

y cristalinas, pero algunos son altamente cristalinos y otros son

altamente amorfos. A continuación se presentan polímeros que

tienden hacia dichos extremos:

Ejemplos de polímeros altamente cristalinos:

Polipropileno.

Poliestireno sindiotáctico.

Nylon.

Kevlar y Nomex (Poliamidas).

Policetonas.

Ejemplos de polímeros altamente amorfos:

Polimetilmetacrilato.

Poliestireno atáctico.

Policarbonato.

Poliisopreno.

Polibutadieno.

Tacticidad. Es la forma en que se encuentran dispuestos los

grupos laterales a lo largo de una cadena polimérica. Este

término se emplea ampliamente cuando se trata de los

polímeros vinílicos (polímeros obtenidos a partir de

monómeros vinílicos; es decir, pequeñas moléculas

conteniendo dobles enlaces carbono-carbono; constituyen

una gran familia de polímeros).

La estructura de un polímero afecta en gran medida a la

cristalinidad. Si es regular y ordenada, el polímero se

empaquetará fácilmente en forma de cristales; de lo contrario,

no .

Estructuras del polipropileno: (a) Atàctica (grupos al azar), (b) isotáctica (al mismo

lado) y (c) sindiotáctica (lados opuestos)

Comportamiento de los polímeros termoplásticos

Al igual que los metales, los polímeros pueden soportar deformación tanto elástica como plástica:

Deformación elástica. Se debe a dos mecanismos:

1. Estiramiento y distorsión de los enlaces dentro de la cadena

2. Movimiento recuperable de segmentos completos de las cadenas.

Deformación plástica. La deformación plástica de los polímeros ocurre cuando las cadenas en el polímero se deslizan una sobre otra rompiendo los débiles enlaces de Van der Waals.

Cuando se retira el esfuerzo, las cadenas permanecen en sus nuevas posiciones y el polímero se deforma permanentemente.

La deformación permanente está relacionada con la viscosidad del polímero. Los polímeros con una alta viscosidad requieren mayores esfuerzos para producir deformación plástica1

TEMPERATURA DE TRANSICION (Tg).

Cuando el polímero es enfriado por debajo de esta

temperatura, se vuelve rígido y quebradizo, igual que el vidrio.

Algunos polímeros son empleados a temperaturas por encima

de sus temperaturas de transición vítrea y otros por debajo.

Los plásticos duros como el poliestireno y el

polimetilmetacrilato, son usados por debajo de sus

temperaturas de transición vítrea; es decir, en su estado vítreo.

Sus Tg están muy por encima de la temperatura ambiente,

ambas alrededor de los 100 oC. Los cauchos elastómeros

como el poliisopreno y el poliisobutileno, son usados por

encima de sus Tg, es decir, en su estado caucho, donde son

blandos y flexibles.

La transición vítrea no es lo mismo que la fusión. La fusión

es una transición que se manifiesta en los polímeros

cristalinos; ocurre cuando las cadenas poliméricas

abandonan sus estructuras cristalinas y se transforman en

un líquido desordenado.

La transición vítrea es una transición que se manifiesta en

los polímeros amorfos; es decir, polímeros cuyas cadenas no

están dispuestas según un ordenamiento cristalino, sino que

están esparcidas en cualquier ordenamiento, aún en estado

sólido.

Pero incluso los polímeros cristalinos tienen alguna porción

amorfa. Esta porción generalmente constituye el 40-70% de

la muestra polimérica. Esto explica por qué una misma

muestra de un polímero puede tener tanto una temperatura

de transición vítrea como una temperatura de fusión.

Temperatura de degradación (Td). Los materiales termoplásticos se convierten en líquidos si se calientan y luego se endurecen si se enfrían. El efecto del calor es vencer las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas por medio de la agitación térmica haciendo posible el flujo.

En contraste, en los materiales termoestables se encuentran redes tridimensionales de enlaces covalentes. Estas redes no se rompen fácilmente con el calor y por lo tanto, son materiales más fuertes y duros.

A muy altas temperaturas, los enlaces covalentes entre los átomos en la cadena lineal pueden destruirse, el polímero se quema o carboniza

Temperatura de fusión (Tf). Temperatura a la cual los polímeros termoplásticos se funden.

FLUENCIA Y FRACTURA DE LOS MATERIALES POLIMERICOS

La deformación bajo una carga aplicada constante a una temperatura constante continúa aumentando con el tiempo. La magnitud del incremento de deformación aumenta con el incremento del esfuerzo aplicado y de la temperatura.

La temperatura a la cual tiene lugar la deformación plástica de un material polimérico es también un factor importante para la determinación de la velocidad de fluencia.

A temperaturas por debajo Tg, la velocidad es relativamente baja debido a la movilidad restringida de la cadena molecular.

Por arriba de Tg, los termoplásticos se deforman con más facilidad por una combinación de deformación elástica y plástica que se conoce como comportamiento viscoelástico (las cadenas se deslizan una sobre otra con mayor facilidad y esto se conoce como flujo viscoelástico))

Relajación de los esfuerzos en los materiales poliméricos

La relajación de esfuerzos en un material polimérico sometido a deformación constante da por resultado una disminución del esfuerzo con el tiempo.

La causa de la relajación de esfuerzos es que se provoca el flujo viscoso en la estructura interna del material polimérico porque las cadenas se deslizan lentamente entre sí debido al rompimiento y reformación de los enlaces secundarios entre las cadenas, y porque mecánicamente se desenredan y retroceden.

La relajación de esfuerzos permite que el material alcance un estado de menor energía espontáneamente si hay suficiente energía de activación para que el proceso se presente.

esfuerzo después del tiempo tesfuerzo inicial

= tiempo de relajación

Debido a que el tiempo de relajación es el reciproco de una velocidad, se puede relacionarlo con la temperatura en grados Kelvin por una ecuación tipo Arrhenius

donde

C = relación constate independiente de la temperaturaQ = energía de activación para el procesoR = constante molar de los gases = 8,314 J/(mol.K)

FRACTURA DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS

Los materiales poliméricos pueden considerarse como frágil, dúctil o intermedia entre los dos extremos.

En general, se considera que los plásticos termoestables no reforzados se fracturan en forma frágil.

Por otra parte, los termoplásticos pueden fracturarse en forma frágil o dúctil. Si la fractura ocurre por debajo de Tg, entonces su forma de fractura será frágil, mientras que si ocurre por arriba de Tg, su forma de fractura será dúctil.

Estructura y propiedades polímeros termoplásticos

Existen varias formas para modificar y controlar las propiedades de los polímeros termoplásticos:

Grado de polimerización. A mayor grado de polimerización mayor temperatura de fusión y mejores propiedades mecánicas

Tipos de monómeros. Los átomos más grandes, como el Cl y los grupos de átomos, como los grupos metilo o benceno interfieren en el deslizamiento de las cadenas cuando se aplica un esfuerzo, incrementándose así la resistencia mecánica y el punto de fusión del polímero.

Ramificación. Se produce debido a la adición de un agente que remueve algunos átomos de hidrógeno de la parte lateral de una cadena, a fin de que puedan producirse ramificaciones en estos puntos.

Esta modificación se lleva a cabo en un polímero lineal.

Uniones cruzadas. Se produce cuando dos cadenas se

enlazan mediante algún elemento especial.

Ejemplo: En la vulcanización, las cadenas de caucho isopreno

se unen mediante átomos de azufre, para obtener dureza y

tenacidad que requiere el caucho para muchas aplicaciones.

Escisión de anillos. Se produce cuando dos moléculas se

unen a una tercera cuando se rompen los anillos.

Ejemplo: Dos moléculas del grupo epóxido se unen cuando

un anillo se rompe por combinación con un reactivo que

promueve el enlace.

Localización de los grupos de átomos. Mediante un

control de la simetría o la distribución de los grupos o

elementos determinados en los lados de la cadena se

pueden variar las propiedades de un polímero

Estructuras del polipropileno: (a) Atàctica (grupos al azar), (b) isotáctica (al mismo

lado) y (c) sindiotáctica (lados opuestos)

Otras configuraciones importantes son: la estructura trans de la gutapercha, los CH3 y los H están en lados opuestos del doble enlace, dando una cadena de carbono relativamente recta. En el caucho la estructura cis, la cadena se curva, lo cual conduce una molécula helicoidal parecida a un resorte

Polímeros termoplásticos

Polietileno (PE). Se obtiene de la polimerización del

etileno. Hay dos tipos:

Polietileno de baja densidad (LDPE). Estructura de

cadenas ramificadas (menor rigidez y resistencia térmica)

Polietileno de alta densidad (HDPE). Estructura de

cadena lineal (mayor

Presentan tenacidad, absorción de humedad cercana a cero, excelente resistencia química, aislante eléctrico, bajo coeficiente de fricción y facilidad de procesamiento.

Aplicaciones. Contenedores, artículos del hogar, botellas y películas para empaquetamientos

Policloruro de vinilo (PVC). Se obtiene de la polimerización

del Policloruro de vinilo

Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa

debido a la presencia de los átomos de Cl en la cadena

principal. Resistencia a la llama, buena temperatura de

deflexión por calor, aislante eléctrico y alta resistencia

química.

Aplicaciones: Tuberías y conexiones para usos hidráulicos y

sanitarios, tuberías conduit para cableado eléctrico, moldeado

de interiores y decoraciòn

Poliestireno (PS). Se obtiene de la polimerización del estireno

Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa debido a la presencia del anillo fenileno en la cadena principal. Aislante eléctrico y quebradizo al impacto

Aplicaciones: Recubrimiento de interiores de automóviles, electrodomésticos, discos, manillares y utensilios de cocina.

Polipropileno (PP). Se obtiene de la polimerización del propileno

Estructura y propiedades. Material de estructura amorfa debido a la presencia de un grupo metilo en la cadena principal. Rigidez, excelente resistencia química y aislante eléctrico.

Aplicaciones: Obturadores, partes de automóvil, productos para el hogar, electrodomésticos, embalajes, utensilios de laboratorio y varios tipos de botellas

Poliacrilonitrilo

Se obtiene de la polimerización del acrilonitrilo

Estructura y propiedades: Alta electronegatividad del

grupo nitrilo. Estructuras extensibles, rígidas y con forma de

varilla. Resistencia y estabilidad química

Aplicaciones: Fibras como lana en jerseys y mantas

ABS. Se obtiene de la copolimerización del acrilonitrilo, butadieno y estireno

Estructura y propiedades. Una mezcla de un copolímero vítreo (estireno-acrilonitrilo) y dominios de goma (butadieno). Buena resistencia al impacto y quìmica.

Aplicaciones: Tuberías y herramientas, particularmente en las tuberías de drenaje-desagüe-ventilación de los edificios. Recubrimientos de puertas e interiores de frigoríficos, máquinas de oficina, carcasas y cubiertas de computadores.

Polimetacrilato de metilo (PMMA plexiglas o lucite)

Se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo

Estructura y propiedades. Completamente amorfa dotada de una alta transparencia a la luz. Buena resistencia química, a la intemperie y aislamiento eléctrico.

Aplicaciones. Cristales de aviones, embarcaciones, claraboyas, iluminación exterior y señales publicitarias.

Politetrafluoroetileno (PTFE Teflón)

Se obtiene de la polimerización del gas tetrafluoroetileno

Estructura y propiedades. Es un polímero cristalino de alta densidad. Resistencia excepcional a los productos químicos y altas temperaturas (hasta 260 oC).

Aplicación. Tuberías resistentes a reactivos químicos, aislamiento de cables a altas temperaturas y recubrimientos antiadherentes, juntas, anillos de estancamiento y cojinetes.

Policlorotrifluoroetileno (CTFE)

Estructura y propiedades. La presencia del cloro le hace menos cristalino y más moldeable. Presenta mayor rigidez y resistencia mecánica que el PTFE.

Aplicaciones: Camisas para cables, formas para bobinas, tunerías y partes para bombas, diafragmas de válvulas y otros elementos industriales para procesos corrosivos

Poliamidas (nylon)

Se produce mediante polimerización por condensación

Estructura y propiedades. La cadena incorpora un grupo

amida. Son procesados por fusión, ofrecen capacidad de

soporte de carga a elevadas temperaturas, buena

tenacidad, baja fricción y buena resistencia química

Aplicación. Cojinetes no lubricados, engranajes, soportes,

bujes, sellos, piezas antifricción, piezas mecánicas sujetas a

altas temperaturas y cargas de impacto

Las aramidas pertenecen a una familia de nailones,

incluyendo el Nomex y el Kevlar. El Kevlar se utiliza para

hacer chalecos a prueba de balas y neumáticos resistentes

a las pinchaduras. Las mezclas de Nomex y de Kevlar se

utilizan para hacer ropas antiflama, motivo por el que lo

emplean los bomberos.

El Kevlar es una poliamida, en la cual todos los grupos

amida están separados por grupos para-fenileno. Es decir,

los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones

opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4. El Kevlar es un

polímero altamente cristalino. Llevó tiempo encontrar una

aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en

ningún solvente

Policarbonato. Se obtienen por la polimerización de dos

grupos fenilo y los dos metilo unidos al mismo carbono en la

unidad estructural

Estructura y propiedades. Son polímeros amorfos

transparentes y se encuentran entre los más fuertes tenaces

y rígidos.

Aplicaciones. Pantallas de seguridad, levas engranajes,

cascos, componentes de aviones, propulsores de barcos,

lentes y vidrios para ventanas

Oxido de polifenileno. Resinas basadas en el

óxido de fenileno

Aplicaciones. Conectores de electricidad,

sintonizadores de televisión, pequeños aparatos,

cubiertas de máquinas de escribir.

Acetales. Se producen por la polimerización del

formaldehído o su copolimerización con óxido de etileno.

Estructura y propiedades. Material polimérico de alta

homogeneidad, resistencia y temperatura de deflexión

térmica. Son polímeros cristalinos de los más resistentes y

rígidos de los Termoplásticos

Aplicaciones. Han reemplazado a muchos metales

fundidos de zinc, latón y aluminio. Acoplamientos

mecánicos, impulsores de bombas, engranajes, levas y

cubiertas.

Sulfuro de polifenileno. Se obtiene por la polimerización

por condensación de diclorobenceno y sulfuro de sodio

Estructura y propiedades. Simétrica compacta de los

anillos de fenileno, separada por átomos de azufre, rígido y

fuerte. Polímero cristalino de elevada resistencia térmica,

rigidez, excelente resistencia química, bajo coeficiente de

fricción, aislante eléctrico y buena resistencia a la abrasión

Aplicaciones. Equipamiento para procesos químicos, como

bombas tipo-engranaje, sumergibles, centrifugables y alabes.

Polímeros termoestables

Se emplean en artículos moldeados y laminados. Poseen

una estructura molecular tipo reticular a base de uniones

covalentes primarias. No pueden ser reprocesados

Características:

Estabilidad térmica elevada y dimensional

Alta rigidez

Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga

Aislamiento eléctrico y térmico elevado

Peso ligero.

Se procesan por lo general por moldeo por compresión o

por transferencia (dos fases que se mezclan)

Resinas fenólicas. Se producen por reacción del

fenol y formaldehído, según una polimerización por

condensación

Aplicación. Cubiertas de distribuidores, rotores,

mangos de utensilios de cocina, perillas, bases,

componentes eléctricos y electrónicos

Resinas epoxi. Cada cadena contiene dos o más

grupos epóxido. Tienen elevada reactividad con

aminas, anhídridos y otros agentes curadores, que

forman fácilmente enlaces cruzados.

Aplicación. Materiales compuestos reforzados con

fibra de vidrio de alta resistencia para la industria

aeroespacial y para tubos, tanques y recipientes de

presión, recubrimientos protectores de utensilios y

equipo industrial.

Poliestres insaturados

Se forma por la reacción de un diol (alcohol con dos

grupos OH) con un ácido (con dos grupos COOH) que

contiene un doble enlace carbono-carbono reactivo.

Aplicación. Paneles de automóviles y prótesis. Cascos

de botes pequeños, paneles y componentes de baño.

Resinas amino (ureas y melaminas)

La urea o melamina reaccionan con el formaldehído

mediante reacciones de polimerización por

condensación en las que se forma agua como

subproducto.

Aplicación. Urea- formaldehído para placas de pared

y receptáculos eléctricos. Melamina-formaldehído para

moldeados, botones, botones de control y tiradores

ELASTOMEROS

Caucho natural. Se extrae en forma de látex del árbol

hevea brasiliensis

El caucho natural tiene una estructura cis-poliisopreno

melamina reaccionan con el formaldehído mediante

reacciones de polimerización por condensación en las

que se forma agua como subproducto.

Cauchos sintéticos. Comprenden el 70 % del caucho.

Caucho de butadieno-estireno (caucho SBR). Se

obtiene por la copolimerización del estireno y butadieno.

Resistencia al desgaste y al envejecimiento. Desventaja

absorben aceite y gasolina

Aplicación. Neumáticos mezclado con el caucho natural.

Caucho nitrilo (NBR). Se obtienen de la copolimerización

del butadieno y acrilonitrilo. Algunos nombres comerciales

son: Nipol, Krynac y Europrene.

Tienen buena resistencia a los aceites y disolventes

Aplicaciones: Mangueras y manguitos que requieren alta

resistencia a aceites y disolventes.

Las aplicaciones del caucho del Nitrilo incluyen las correas

de transmisión automotoras, mangueras, sellos de aceite,

correas de V, cuero sintético, rodillo de la impresora. El

látex de NBR se puede también utilizar para preparar los

pegamentos, la impregnación del papel y pigmentos

Caucho neopreno (CR). Son similares a los de isopreno

excepto que el grupo metilo que estaba unido al doble enlace

del carbono es reemplazado por un átomo de cloro.

Poseen mala flexibilidad a bajas temperaturas y son más

caros que los normales.

El átomo de cloro confiere un aumento de la resistencia a los

aceites, aproximadamente entre el Caucho Natural y Nitrílio,

esto es a menudo suficiente para muchas aplicaciones.

Aplicación. Vainas para cables y alambres, mangueras y

abrazaderas industriales, y precintos y diafragmas de

automóviles.

Polibutadieno (BR). Es a caucho sintético formado por la

polimerización de los monómeros de butadieno.

Aplicación: Tiene una alta resistencia al desgaste y se

utiliza especialmente en fabricación de neumáticos.

También se ha utilizado para cubrir o encapsular

ensambles electrónicas, ofreciendo resistencia eléctrica

extremadamente alta.

Caucho silicón. Se basa en una cadena lineal compuesta

de átomos de silicio y oxígeno. Este tipo de cadena

proporciona resistencia a altas temperaturas.

El caucho del silicón ofrece buena resistencia a las

temperaturas extremas, pudiendo funcionar normalmente

desde -55°C a +300°C. En las temperaturas extremas, la

fuerza extensible, el alargamiento, la fuerza del rasgón y el

sistema de la compresión pueden muy superiores a los

cauchos convencionales.

El caucho del silicón es un material altamente inerte y no

reacciona con la mayoría de los productos químicos.

Debido a su inercia, se utiliza en muchos usos médicos y

adentro implantes médicos.

Resistencia química de los polímeros

Depende de:

Naturaleza química de los monómeros

Estructura de los polímeros

Ataque químico es interno y entraña disolución,

reblandecimiento, engrosamiento y pérdida de resistencia

Grupos polares ( OH y COOH). Los polímeros que poseen

grupos polares suelen disolverse por la acción de líquidos

polares: Agua y alcoholes

Grupos no polares (CH3 y C6H6). Los polímeros que

poseen grupos no polares suelen disolverse por la acción

de líquidos no polares: gasolina, benceno y tetracloruro de

carbono.

Grado de polimerización. A mayor grado de

polimerización disminuye su tendencia a la disolución en un

solvente determinado.

Estructura. Los polímeros cristalinos presentan una mayor

resistencia química que los polímeros amorfos

Uniones cruzadas. La presencia de enlaces cruzados

puede hacerle a un polímero insoluble y si existe

interacción con un solvente se produce engrosamiento

Ramificación. Las ramificaciones disminuye la velocidad

de disolución

Sustancias químicas. Los polímeros presentan mejor

resistencia al deterioro por ácidos y álcalis que los metales

Permeabilidad y absorción de agua. El paso de gas

puede ocurrir por difusión a través de los conductos

finísimos entre unidades moleculares. Los polímeros que

tienen grupos polares tienen velocidad de permeabilidad o

de absorción de agua mayor que los polímeros no polares.

Deformación. Los polímeros aromáticos que tienen anillos

en sus cadenas son más rígidos y más resistentes a la

deformación, debido a que se vuelve más difícil la rotación

de las cadenas

Resistencia a altas temperaturas. En los polímeros

aromáticos por tanto los puntos de fusión y la temperatura

de transición vítrea aumentan y disminuye la solubilidad y

deformación bajo carga a temperaturas elevadas.

Elementos inorgánicos (Si y O). La presencia de Si y O,

le da a los polímeros una buena resistencia al calor, pero

disminuye su resistencia química.

Oxidación. Unión de átomos de oxígeno a las cadenas de

moléculas. El oxígeno del aire puede producir oxidación

(ozono O3)

Degradación. Rotura de enlaces o fraccionamiento de

moléculas por el calor o radiación ultravioleta

APLICACIONES

Los polímeros se utilizan en un número sorprendente de

aplicaciones, incluyendo juguetes, aparatos domésticos,

elementos estructurales y de decorativos, recubrimiento,

adhesivos, llantas de automóvil y empaques.

El polietileno se usa para producir películas para

empaque, aislamiento de conductores, botellas blandas,

recubrimiento de extrusión, cortinas, manteles, cubiertas

para la construcción, estanques, invernaderos, bolsas

de basura, tuberías y elementos caseros.

El cloruro de polivinilo o más conocido como el PVC se

utiliza para fabricar tuberías, válvulas, coples, loseta de

piso, aislamiento para conductores, y techos de vinil

para automóviles.

El polipropileno se utiliza para la fabricación de tanques,

aplicación en el moldeo por inyección de piezas de

electrodomésticos, utensilios pequeños, piezas de

automóviles, fibras para alfombras, cuerdas y

empaques.

El poliestireno se utiliza para la fabricación de

empaques y espumas aislantes, paneles de iluminación,

copolímeros resistentes al calor y al impacto, piezas

ópticas de plástico, juguetes, componentes de aparatos

y rejas para huevos.

El poliacrilonitrilo (PAN) se utiliza para la fabricación de

fibras textiles, precursor para fibras de carbón y

recipientes de alimento.

El polimetilmetacrilato (PMMA), (acrilicoplexiglas) se utiliza

para la fabricación de ventanas, parabrisas,

recubrimientos, lentes de contacto rígidos, señalizaciones

iluminadas internamente.

El policlorotriflouroetileno se utiliza para la fabricación de

componentes para válvulas, juntas, tuberías y aislamiento

eléctrico.

El politetraflouroetileno mas conocido como el teflón se

utiliza para la producción de sellos, aislantes para cables,

aislamientos de motores, aceites, transformadores,

generadores, acondicionamiento de la estanqueidad de

válvulas, válvulas y recubrimientos no adherentes.

El Polioximetileno ( acetal ) ( POM ) se utiliza en la

fabricación de accesorios de plomería, plumas, engranes y

aspas de ventilador.

La Poliamida (PA) mas conocido como nylon es utilizado

en la fabricación de cojines, engranajes, fibras, cuerdas,

componentes de automotores y componentes eléctricos.

La Poliamida (PI) se utiliza en la fabricación de adhesivos,

tableros de circuitos y fibras para transbordadores

espaciales.

El poliéster es utilizado por la fabricación de fibras,

películas fotográficas, cintas de grabación, contenedores

de agua caliente y recipientes para bebidas. La cinta

magnética para aplicaciones de video y audio se produce

mediante evaporación, pulverización o recubrimiento de

partículas de un material magnético como el Fe2O3 sobre

la superficie de una cinta de poliéster.

El policarbonato se utiliza para la fabricación de carcasas

eléctricas y aparatos, componentes automotrices, cascos

de fútbol americano y botellas retornables.

La polieteretercetona (PEEK) es considerado uno de los

materiales de más alto desempeño en el mundo. Pueden

sustituir con éxito metales como aluminio, titanio, magnesio,

latón, acero resistente a la corrosión o acero inoxidable y

aleaciones especiales, ya que ofrecen una combinación única de

propiedades mecánicas, térmicas y tribológicas, combinado con

una excelente resistencia química y prestaciones eléctricas

(válvulas, rodamientos, engranajes, etc)

El sulfuro de polifenileno (PPS) se utiliza para la fabricación de

recubrimientos, componentes para manejos de fluidos,

componentes electrónicos y componentes para secadores de

pelo.

La sulfona de poliéter (PES) se utiliza para la fabricación de

componentes eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos y

componentes de hornos microondas.

La sulfona de poliéter (PES) se utiliza para la fabricación

de componentes eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos

y componentes de hornos microondas.

La poliamidaimida (PAI) se utiliza para la fabricación de

componentes electrónicos, aplicaciones aerospaciales y

automotrices.

Los fenolicos se utilizan en la fabricación de adhesivos, y

recubrimientos laminados.

Las aminas se utilizan en la fabricación de adhesivos,

utensilios de cocina, y moldes eléctricos.

Los epoxicos se utilizan para la fabricación de adhesivos

moldes eléctricos, y matrices para materiales compuestos.

Los uretanos se utilizan para la fabricación de fibras,

recubrimientos y espumas.

La silicona se utiliza como adhesivo , y como selladores.

CONFORMACION DE POLIMEROS TERMOPLASTICOS

La mayoría de las técnicas son utilizadas para conformar los

polímeros termoplasticos. El polímero es calentado a

temperatura cercana o superior a la temperatura de fusión,

de tal manera que se haga plástico o líquido. Entonces, es

vaciado o inyectado en un molde para producir la forma

deseada.

Moldeo por inyección.

El moldeo a alta presión, o moldeo por inyección, es el

método más utilizado en la producción de termoplásticos. Se

utiliza una máquina parecida a la extrusora, que proporciona

alta presión y temperatura elevada al material.

Una vez fundido se introduce el plástico a alta presión en el

interior del molde. Gracias a la presión, el plástico rellena el

molde sin dejar huecos. El proceso es muy rápido, y permite

fabricar piezas complejas, por lo que se emplea para elaborar

todo tipo de objetos. Un caso particular de aplicación del

moldeo por inyección es la fabricación de películas de

plástico.

Método de extrusión

Este sistema funciona de la siguiente manera: los gránulos

de plástico entra en el sistema de alimentación, estos pasan

al tornillo sin fin, mientras estos gránulos se van derritiendo a

causa del las camisas calefactoras, estos gránulos se van

desplazando, por el movimiento giratorio del tornillo, hacia el

cabezal, donde el material pasa a unos molde que le dan

forma. Mas tarde se refrigeran y obtiene su forma definitiva,

resistente y rígida.

Este método solo se puede utilizar en aquellos casos donde

los extremos de los objetos estén cerrados o abiertos, en el

caso de que solo sea un extremo el que esté abierto o

cerrado, este método no funcionaria. Por ejemplo: tuberías

Extrusión

Una vez fundido, el material es obligado a pasar de forma

continua a través de una boquilla y es recogido a la salida

de la misma por un sistema de arrastre. Al enfriarse, por

contacto con el aire ambiente o mediante circulación forzada

de aire frío, se obtiene un perfil cuya sección tiene la forma

de la boquilla.

SOPLADO: Variantes de soplado

Moldeo por inyección-soplado

El moldeo por inyección-soplado consiste en la obtención de

una preforma del polímero a procesar, similar a un tubo de

ensayo, la cual posteriormente se calienta y se introduce en

el molde que alberga la geometría deseada, en ocasiones

se hace un estiramiento de la preforma inyectada, después

se inyecta aire, con lo que se consigue la expansión del

material y la forma final de la pieza y por último se procede a

su extracción.

Moldeo por extrusión-soplado

El moldeo por extrusión soplado es un proceso de soplado

en el que la preforma es una manga tubular, conformada

por extrusión, llamada párison, el cual se cierra por la parte

inferior de forma hermética debido al pinzamiento que

ejercen las partes del molde al cerrarse, posteriormente se

sopla, se deja enfriar y se expulsa la pieza. Con este

proceso se pueden obtener contenedores de hasta 10.000

litros de capacidad sin embargo no se consiguen

tolerancias demasiado estrechas.

Este método se utiliza para la creación de envases u objetos huecos,

como las botellas.

Se basa en utilizar una preforma de plástico que ha sido obtenida

anteriormente por extrusión, que se introduce en un molde metálico y que

se añade a dicho molde por la introducción de aire caliente a presión. Mas

tarde se enfría y se retira del molde para su uso.

Colado

La colada es el método más simple, ya que consiste en fundir

el material y verterlo en un molde. El fluido viscoso rellena el

molde y toma su forma. Se trata de un método lento, ya que

se invierte mucho tiempo en asegurarse de que el molde se

ha rellenado por completo y en enfriar el plástico.

El espumado se usa para conseguir espumas de polímero, es

decir, plásticos con una densidad muy baja o expandidos, que

tienen en su interior burbujas de aire.

En todos ellos, el material fundido toma la forma de un molde

y, tras enfriarse y solidificar de nuevo, se obtiene la pieza final.

Conformación de los termoendurecibles

Las técnicas de producción de polímeros termoestables

Los plásticos termoestables se polimerizan en el propio

molde. Existen dos técnicas principales de fabricación de

objetos con materiales termoplásticos: el moldeo por

compresión y el moldeo por transferencia.

El moldeo por compresión

Consiste en introducir el material, en forma de polvo o

gránulos, en un molde, el cual se comprime mediante un

contramolde, a la vez que se aporta calor, que reblandece el

plástico y facilita el proceso de polimerización.

Método compresión (termoestables)

Éste método es utilizado para piezas de gran tamaño y no

muy complicadas, como guardabarros de coche, pomos de

puertas, pulseras,... El plástico que se trata adquiere una

forma gracias a la presión de una máquina que tiene un

molde. El proceso es el siguiente: se coloca una pieza de

plástico en un molde de metal, esta es aplastada y

moldeada por otra pieza de metal que conforma la otra

mitad del molde, todo ello se realiza con el plástico a una

elevada temperatura, gracias a esto el material adquiere

una forma rígida, uniforme y homogéneo

Moldeo por transferencia

En este procedimiento, los materiales en bruto se

calientan y se licuan en una primera cavidad. Después, el

material en estado líquido se transfiere al molde mediante

inyección, donde se comprime y adopta su forma.

Mientras, se agregan los componentes aditivos para

mejorar las propiedades físicas, modificar el color, etc. El

plástico toma la forma del molde al mismo tiempo que se

produce la polimerización.

Este procedimiento es habitual para fabricar objetos de

madera o metal revestidos de plástico, como enchufes y

conectores eléctricos o el revestido de maderas con

formica.

Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma

de polvo seco, se introduce en el molde, se la somete a

presión y temperatura elevada, hasta que el material plástico

que rellena el molde se solidifica. Este proceso es

principalmente utilizado en plásticos termoestables.

Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El

polímero en una de las cámaras es calentado a presión. Una

vez fundido se inyecta e n la cavidad del dado adyacente.

Este proceso permite que algunas de las ventajas del

moldeo por inyección se usen con polímeros termoestables.

La mecanización de los plásticos

Mecanizar cualquier tipo de material consiste en realizar,

mediante máquinas o herramientas, trabajos para dar forma a

los objetos. Una máquina herramienta porta una herramienta

que se acopla a los mecanismos de la máquina, que, por lo

general, realizará algún movimiento, bien en la pieza a

mecanizar o bien en la propia herramienta.

La industria ha encontrado en el plástico un buen sustituto de

la madera y los metales para ciertas aplicaciones, debido a la

gran dureza, tenacidad y resistencia de determinado tipo de

plásticos. Estos se suelen obtener en formas estándar, como

perfiles redondos, chapas o láminas, tubos..., para después

mecanizarlos o darles forma mediante máquinas herramientas.

Atornillado

Este tipo de unión se emplea para fabricar piezas

desmontables. Suelen utilizarse tornillos pasantes, con

arandelas y tuercas, fabricados normalmente con materiales

metálicos.

La aplicación de adhesivos

La unión se realiza incorporando un adhesivo entre las piezas

a unir. Este tipo de uniones se utiliza en todos los plásticos,

pero en especial en termoestables y elastómeros, a los que no

se pueden aplicar procedimientos de soldadura, puesto que se

destruyen con el calor. El adhesivo se aplica en la zona a unir

y actúa como disolvente de la superficie del plástico. Así,

comprimiendo las piezas, se conseguirá la unión definitiva de

ambas superficies una vez haya solidificado el adhesivo.

Los adhesivos que mejor adherencia y comportamiento

presentan en condiciones ambientes extremas son los

adhesivos epóxicos, los basados en metacrilato, las resinas de

uretano y los adhesivos de cianoacrilato, pudiéndose utilizar

también en materiales termoplásticos difíciles de trabajar con

adhesivos, como el polipropileno, el polietileno o el

politetrafluoretileno.

Soldadura

En general, las distintas formas de unir piezas por soldadura

se pueden agrupar en tres grandes bloques:

Mediante aportación de calor. Esta técnica se destina a

termoplásticos que, ante al aumento de temperatura, se

funden, pudiéndose unir por compresión las superficies

fundidas.

Por emisión de ultrasonidos. Este método consiste en emitir

ondas de ultrasonidos en las superficies a unir, generando un

efecto de vibración entre las moléculas del material, que

provoca un aumento de temperatura y lo reblandece.

Por emisión de haz láser. Se reserva para unir piezas

pequeñas en áreas determinadas, emitiendo un haz láser que

calienta la superficie a soldar. Esta soldadura permite realizar

uniones muy precisas debido a la alta direccionabilidad del

haz láser.

Bibliografía:

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2. Smith William. Ciencia e Ingeniería de Materiales.

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