materiales plásticos Tipos y propiedades

7/27/2019 materiales plásticos Tipos y propiedades

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Facultad de Ingeniería

Materiales Plásticos

Tipos y Propiedades

Ing. Juan Carlos Posada.

Línea de énfasis en MaterialesPoliméricos

Materiales Plásticos en la Ingeniería




Introducción

Ing. Juan Carlos Posada.Línea de énfasis en Materiales

Poliméricos



Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería

Un poco de Historia• El Hombre viene utilizando los polímeros naturales desde tiempos

prehistóricos (fibras de celulosa, proteínas, ambar, carbohidratos, asfaltos,caucho, etc)

• A pesar del uso masivo de los polímeros, hasta unas pocas décadas atrás

virtualmente no se conocía sobre su estructura y composición química

• En las primeras décadas del presente siglo se inicia el conocimiento

científico sobre la estructura de los polímeros (teoría macromolecular deStaudinger)

• A partir de este momento el desarrollo científico y tecnológico de los

materiales poliméricos ha sido vertiginoso. Los materiales poliméricos

han pasado de ser materiales de reemplazo a irreemplazables




Descubrimiento de la

estructura Macromolecular • Raoult y Van’t Hoff en 1880 sentaron los fundamentos para la medición

de los pesos moleculares (primeras determinaciones PM en el rango de

10,000 a 40,000)

• Sin embargo, se consideraban sustancias coloidales o miscelares





estructura Macromolecular • Staudinger 1922 (premio Nobel 1953), propone la teoría

macromolecular: sustancias orgánicas de muy alto peso molecular





estructura Macromolecular • W. Carothers 1938, Conocimiento sistemático de la química de

Polimerización y síntesis de cientos de polímeros (entre ellos la

Poliamida, “Now you lost old Nipon”, Nylon)

• Flory 1937 (premio nobel en 1974), elucida el mecanismo de

reacción de la polimerización en cadena, lográndose entender masclaramente la naturaleza de los grupos terminales.


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Propiedades de los materialesplásticos

Los plásticos son livianos

Los plásticos permiten la elaboración departes complejas en un solo paso.

Las temperaturas de procesamiento son

bajas.

Su resistencia térmica es limitada.Excelentes aislantes térmicos y eléctricos

Se dejan colorear fácilmente.

Pueden ser reciclados y/o re-usados por

varios métodos.

Los plásticos tienen una gran gama de

propiedades mecánicas

Tienen una gran resistencia química.

Son permeables.


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Cadenas Macromoleculares

Forman cadenas de muchos átomos



Fuerzas

intermoleculares



Clasificación de los Polímeros

• De acuerdo con la forma de las cadenas:

Lineales Ramificadas



Clasificación de los

Polímeros

• Mayor densidad.

• Mayor grado de

cristalización.

• Mayor temperatura de

fusión.

• Mejor resistencia química.

• Menor brillo.

• Menor transparencia.

Mientras más lineales:




• De acuerdo con el ordenamiento molecular

Semicristalinos Amorfos



POLIMEROS

RETICULADOSNO RETICULADOS

TERMOFIJOSELASTOMEROSSEMICRISTALINOS

AMORFOS

PFMFUP

PUREP

NBREPDM

EVAPUR

LDPEHDPE

LLDPEPP

PET

PBTPTFEPURPAPC

PSSB

SANABSASA

PVCPMMA

CACAB

PC




Síntesis de gases y

líquidos(Monómeros)

Modificación desustancias naturales

macromoleculares

Ejemplos

Derivados de laCelulosa

Caucho Natural

Poliadición

PoliuretanosEpóxicas

Policondensación

Poliésteres(PET, PBT)

Poliamidas (PA)Policarbonatos (PC)

Polimerización

Polietilenos (PE)Polipropileno (PP)

Poliestireno (PS)SB

ABSSAN

ASAPVC

Acrílicos (PMMA)Poliacetal (POM)

Teflon(PTFE)

Materiales artificiales

creados por el hombre

de acuerdo a sus necesidades

Origen de los polímeros



Estructura Química



c) Unidades estructurales diferentes

O C

CH3

CH3

O C

O

k

O C

CH3

CH3

O C

O

C

O

m n

se mento olicarbonato se mento éster

Unidad Básica y Estructural



ESQUEMA DESCRIPCION EJEMPLO

HOMOPOLIMEROS Homopolímero a partir de unidades

simetricas.

Homopolimero a partir de dos

monómeros diferentes.

PE

PTFE

PA 6.6

COPOLIMEROS

Copolímeros de unidades alternantes.

Copolímeros con unidades

acopladas al azar.

Copolímero en bloque.

Copolímero de injerto. Un monómero

polimeriza como cadena lateral sobre un

polímero existente.

SAN

SB

SB

ABS

ASA

MEZCLAS Polimezclas (Poliblends):

Polímeros se mezclan sin existir reacción

química entre ellos. A veces como

alternativa del copolímero

(ABS = SAN + SB)

PP/PC

PVC/ABS

PE/PTFE

ABS

SB



Promedio de Peso Molecular

Promedio en número: Ecuación No. 1

Donde:ni: número de moléculas de una fracción determinadaMi: peso molecular de una fracción determinada

Mn: promedio en número

i

ii

n

n

M n M




Promedio de Peso Molecular

Promedio en peso:

Ecuación No. 2

Polidispersidad:

Ecuación No. 3

ii

ii

w

M n

M n M

2

1n

w

M

M

U




Peso molecular vs. Propiedades

• A mayor peso molecular

Aumenta la viscosidad delfundido.

Aumenta peligro de ruptura enla extrusión.

Aumenta temperatura de fusión.Disminuye la solubilidad.

Mejora la resistencia al impacto.

•Con una distribución amplia

El comportamiento no newtoniano seacentúa.

Baja la temperatura de solidificación.

Menor peligro de ruptura.

Disminuye resistencia al impacto.

Disminuye módulo elástico.

Aumenta elongación a rotura.




Isomerísmo

• Diferencias en la distribución espacial

oo

oo

oo

oo

oo

o

R R R

R R R

oo

oo

oo

oo

oo

o

R R RR R R

oo

oo

oo

oo

oo

o

R

R

R R

R R

Isotáctico Sindiotáctico

Atáctico

Mayor cristalinidad.

Mejor organización intermolecular.

Mayor temperatura de fusión.




Isomerísmo




Polaridad

– Mayor rigidez

– Mayores temperaturas

de transición (Tg, Tf).

– Mayor grado de

cristalización.

– Más higroscópico.

– Fuerzas intermoleculares

más altas.

– Mayor dureza.

– Mayor resistencia alaceite.

– Mayor permeabilidad al

agua

A mayor polaridad:




Efectos de la polaridad en la transiciónvítrea

- Polipropileno Tg 0°C - Polivinil cloruro Tg 87°C(Dipolo temporal) (Dipolo permanente)

- Poliacrilonitrilo Tg 103°C

(Puentes de Hidrógeno)

CH2 CH

CH3

CH2 CH

Cl

CH2 CH

C N




Flexibilidad• Disminuye con:

–

Grupos sustituyentes muy grandes – Enlaces dobles en la cadena central

– La presencia de anillos

– La configuración TRANS es menos flexible que las CIS

• A mayor flexibilidad:

– Más alta será su temperatura de fusión

– Más fácil cristaliza

– Menor es el módulo elástico




Estructura Física




Estructura macromolecular

• Estructura Física

– Estructuras primarias (sistemas cristalinos)

– Supraestructuras (agrupaciones)• Monocristales

• Esferulitas




Cristalización




Estructura esferolítica del Nylon



ó




Cristalización




Propiedades Físicas




Propiedades importantes en Polímeros

Resistencia a la tensión

Deformación

Flexibilidad

Precio

Densidad

Resistencia al

Impacto

Brillo,

Opacidad,

Haze, ColorPermeabilidad




Propiedades Físicas• Temperaturas de transformación

– Temperatura de transición vítrea

– Temperatura de cristalización

– Temperatura de fusión de cristales

– Temperatura de procesamiento

• Estados físicos

• Propiedades térmodinámicas – Calor específico

– Diagrama PVT

– Conductividad térmica, Difusividad térmica, Entalpía

•Propiedades mecánicas – Diagramas de esfuerzo deformación

– Comportamiento a largo plazo

– Resistencia al impacto

P i d d Fí i




Propiedades Físicas

• Propiedades Reológicas

– Curvas de Fluidez

– Comportamiento no Newtoniano

– Anomalías de flujo

• Propiedades Opticas

– Luz reflejada

– Luz transmitida

– Haze

– Brillo

• Permeabilidad a los gases y vapores

• Propiedades Eléctricas




Temperatura de transición vítrea, Tg

Las macromoléculas poseen un mecanismo derelajación macromolecular, dependiente del nivelde temperatura.Tg: es la temperatura en la cual se descongela el movimiento de relajación macromolecular.

• Velocidad de enfriamiento• Presión• contenido de sustancias de bajo peso molecular

(plastificantes)

• Movilidad de cadena

T t d i it li ió f ió d




Temperatura de crisitalización y fusión de

cristales, Tk

• Temperatura de cristalización, Tk: se mide en enfriamiento.Temperatura en la cual ocurre el reordenamientomacromolecular para formar cristales.

• Temperatura de fusión de cristalización, Tf: se mide encalentamiento. Temperatura en la cual destruye todo

ordenamiento cristalino.• Para un mismo polímero se puede desmostrar que: Tk < Tf Tk > Tg

• Temperatura de fusión de cristalización, Tf:

• Para los amorfos: Tf´ = Tg + 100°C• Para los semicristalinos: Tf´ = Tk + 70°C



E d fí i i l




Estados físicos para un materialsemicristalino




Diagrama PVT de un Polímero Semicristalino




Rangos contracción

Contracción

%

Contracción

%PS 0.4-0.7 PVC 0.4-0.8

SAN 0.4-0.6 PMMA 0.3-0.8

PC 0.6-0.8 PA6,6 0.8-2.0ABS 0.4-0.7 PA11 0.3-0.7

LDPE 1.0-3.0 PA6 0.2-1.2

HDPE 1.5-3.0 PET 1.6-2.0

PP 1.2-2.5




Difusividad Térmica Materiales Amorfos



E t l í




Entalpía




Requerimientos térmicos

Temp.Fundido °C

Temp.Molde °C

Calor parafundir J/g

Calor paraenfriar J/g

PET 275 135 556 305PS 200 20 310 310

POM 205 90 555 345

PC 300 90 490 368

ABS 240 60 451 369PA6 250 80 703 520

PA12 260 60 586 488

LDPE 200 20 500 500

HDPE 260 20 810 810PP 260 20 670 670




Módulo de Rigidez

1

Poco rígido

E1

F

2

Muy rígido

E2

F

1 = F / A1

F

2 = F / A2

E1 << E2

F

1 >>

2

Propiedades Mecánicas





A. Acero

B. CobreC. PC

D. PMMA

E. HDPE

F. Caucho

G. LDPE

H. P-PVC

Propiedades mecánicas a




Propiedades mecánicas a

largo plazo




Propiedades mecánicas a largo plazo



Resistencia al Impacto




Resistencia al Impacto

MFI (I di d fl id )




MFI (Indice de fluidez)

MFI Peso molecular promedio

MFI Mw Y MFI h



Curva de viscosidad




Curva de viscosidad

Propiedades ópticas




Propiedades ópticas

Haze




Haze• Es la fracción de luz

que dispersa la

muestra en un ángulode 2.5 y 90° sobre la

vertical

Brillo




Brillo

Relación entre el flux incidente y elreflejado, cuando la luz incide en un ángulodeterminado y es reflejada especularmente.

Brillo




Brillo

Izquierda: mayor impresión de brillo por la reflexión sobre

una superficie lisa.

Derecha: menor impresión de brillo por la reflexión sobre una

superficie burda y en el material de relleno

Brillo




Brillo

Flujo en forma de fuente parcialmente perturbado por el

enfriamiento.




La Permeabilidad de los

Polímeros Termoplásticos1: Capa 1

2: Capa 2

3: Capa 3

X: Espesor de Capa At: Area de flujo

Q: Volúmen de gas

o permeante

p: Presión parcial

del gas

La Permeabilidad de los Polímeros



La Permeabilidad de los Polímeros

Termoplásticos

Polímero N2 O2 CO2 SO2 H2O 90% HR

30 °C 30°C 30°C 25°C 25°C

Polietileno de baja densidad 4909.6 14211.9 90956.1 51679.6 206718.3

Polietileno de alta densidad 697.7 2739.0 9043.9 14728.7 33591.7

Polipropileno -------- 5943.2 23772.6 1808.8 175710.6

PVC Rígido 103.4 310.1 2584.0 299.7 403100.8

Acetato de Celulosa 723.5 2015.5 17571.1 -------- 19379845.0

Poliestireno 749.4 2842.4 22739.0 56847.5 3100775.2

Nylon 6 25.8 98.2 413.4 5684.8 1808785.5

PET 12.9 56.8 395.3 516.8 335917.3

PVDC 2.4 13.7 74.9 --------- 3617.6

Permeabilidad para varios polímeros y permeantes

P [mL(STP) mil / (m2 día atm)

*Food Packaging

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