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16/08/2016

17 – Materiales poliméricos

Año 2016

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Contenido

• Definiciones• Tipos de polímeros• Estructura molecular• Clasificación• Procesamiento• Propiedades• Residuos plásticos

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¿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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Arquitectura molecular

Polietileno de baja densidad

Tipos de polímeros

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Tipos de polímeros

Grupo fenil

=

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Tipos de polímeros

Tipos de polímeros

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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.


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¿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)


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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


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


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


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


Temperatura de uso: -60 a 120°CExcelente propiedades mecánicas, buena resistencia al corte, baja resistencia a la degradación atmosférica

Caucho natural


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


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Deformación en semicristalinos


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


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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

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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.

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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.

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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

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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?

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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?

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