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Generalidades, clasificacíón, propiedades y procesos de fabricación.
INTRODUCCIÓN A LOS
MATERIALES PLÁSTICOS
José Jesús Manjarréz Pérez
Daniel Eduardo Lugo Tapia
Uber José Peralta Hernández
AGENDA
1. Introducción
2. Definición de Plásticos
3. Polímeros
4. Monómeros
5. Obtención de Polímeros
6. Clasificación de los Plásticos
7. Propiedades generales
8. Procesos de fabricación
9. Plásticos y medio ambiente
10. Usos y actualidad
1. Introducción
Los plásticos los podemos encontrar en diversasaplicaciones de la vida moderna, sonversátiles, fáciles de fabricar y muy económicos. Eluso de los plásticos es cada día más común debidoa que pueden reemplazar a muchos materialescomomadera, metal, papel, caucho, cerámica, vidrio, etc.
2. Definición de Plásticos
Los plásticos es la forma común como se
denominan los polímeros de origen sintético.
Polímero es una palabra de origen latín que
significa poli = muchas y meros = partes. Los
polímeros son moléculas grandes y
largas, construidas a partir de otras moléculas
más pequeñas y cortas llamadas monómeros o
unidades estructurales.
Por ejemplo, una cadena de polietileno puede estar formada por 250,000 monómeros de etileno aproximadamente.
Se puede
suponer que
un polímero es
un tren muy
largo, compues
to por
muchísimos
vagones y que
cada vagón es
un monómero
o unidad
estructural.
3. Polímeros
El algodón formado por fibras
de celulosa.
La seda, poliamida similar al
nylon.
La lana, proteína del pelo de
las ovejas.
Los polímeros sintéticos seobtienen a partir delpetróleo, gas natural ocarbón, siendo la materiaprima más importante elpetróleo. Este grupo decompuestos representanaproximadamente el 7% de laproducción mundial depetróleo.
Naturales Sintéticos
AÑO DESARROLLO DE LOS PLÁSTICOS
1862 Obtención de plásticos con materiales vegetales
1884 Origen de la película fotográfica a partir del Celuloide
1907 Baekeland desarrolló un polvo fenólico partir del
alquitrán de hulla conocido como Baquelita.
Años 30 Inicio de producción de plásticos a partir de productos
químicos derivados del petróleo como PS acrílicos y
PVC
Años 40 Producción y fabricación de polietileno de baja
densidad, poliuretano, politetrafluoretileno, poliésters,
siliconas
Años 50 Producción de policarbonatos
Años 60 Producción de polietileno de alta densidad y
polipropileno
Años 70 Producción de plásticos de tercera generación, de alta
tecnología, entre ellos poliamidas y poliacetales
Años 80 Nuevos polímeros adaptados a requisitos específicos
de diseño
Hoy Producción de más de 700 tipos de plásticos
Los Plásticos frente a otros materiales
Poco peso
Elaboración sencilla y rápida
Buenas propiedadeseléctricas
Resistencia a la corrosión ylos agentes químicos
Producción rentable
Poca resistencia mecánica
Limitada resistencia al calor
Inestabilidad dimensional
Las reparaciones
Alto costo de la materia prima
Ventajas Desventajas
4. Monómeros
Las materias
primas son
derivados del
petróleo, gas
natural y
carbón. Los
plásticos se
obtienen
principalmente
del petróleo, tal
como se indica
en la figura.
Para la fabricación de plásticos se utiliza la gasolina, que mediante un proceso de disociación térmica (cracking) se separa en etileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos.
Los productos de la disociación térmica sonlos monómeros, moléculas muy reactivas, quese unen entre sí para formar moléculasgigantes. Recordemos que un polímero escomo un tren muy largo, compuesto pormuchísimos vagones y que cada vagón es unmonómero.
Elementos que componen los
Polímeros
Carbono (C)
Hidrogeno (H)
Oxigeno (O)
Nitrógeno (N)
Cloro (C)
Azufre (S)
Flúor (F)
Principales Secundarios
Principales Monómeros
Observe que la mayoría de los monómeros utilizados a nivel industrial, tienen una estructura química similar al etileno, en donde se reemplaza uno de sus hidrógenos por otro radical
5. Obtención de Polímeros
Homopolímeros Copolímeros
Si el polímero se forma con
monómeros de una misma
especie
Si el polímero se forma por la
reacción de dos o mas tipos
monómeros
La
polimerización
de Copolímeros
se puede llevar
a cabo de
varias maneras:
alternada, en
bloque, al azar
y de injerto, las
cuales son
esquematizada
s en la figura
Polimerización
En la polimerización el dobleenlace entre los átomos decarbono tiene un papeldecisivo, ya que el procesoconsiste en el acoplamientode monómeros, mediante laabertura de sus doblesenlaces y la consiguienteunión de eslabonesindividuales para formar lacadena, sin que el procesodesprenda ningún productosecundario.
Ejemplo del cloruro de vinilo
El radical R (elemento altamente reactivo) entra en la molécula al romperse el doble enlace Carbono –Carbono. Si se adicionan más moléculas de cloruro de vinilo, se tendría:
El final del crecimiento de
la cadena se obtiene
cuando se encuentran los
dos extremos o cuando uno
de ellos se une al radical.
La longitud de la cadena
está determinada por el
número de n elementos
repetidos en la cadena.
Para la obtención de un plástico por
polimerización puede emplearse a la vez uno o
más tipos de monómeros.
Policondensación
En esta reacción seformanmacromoléculas apartir de monómerosque posean dosgrupos reactivos ofuncionales. Duranteel proceso se generanproductos secundariossimples comoagua, ácido clorhídricoy otras sustancias
Por policondensación se producen plásticos como el PET, el policarbonato y las poliamidas (nylon). A continuación se indica una reacción de policondensación, para la formación de la poliamida 66 a partir de la hexametilendiamin
Poliadición
Es similar a la
policondensación.
Un átomo de
hidrógeno fluye de
un grupo funcional
a otro. Los
monómeros
utilizados deben
tener cada uno dos
grupos funcionales
distintos.
La reacción se realiza en tres etapas:
1. Por un lado se tiene un átomo de hidrogeno
en el extremo de una molécula y por otro un
enlace rompible en el extremo de la otra
molécula.
2. Disociación del átomo de hidrógeno y
apertura del enlace.
3. El átomo de hidrógeno pasa a formar un
enlace con uno de los electrones del enlace
roto. El lugar abandonado por el hidrógeno y
el otro electrón del enlace roto forman un
nuevo enlace y la cadena aumenta.
Esquema básico de la reacción de Poliadición
6. Clasificación de los Plásticos
Naturales
Sintéticos
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
De acuerdo a su naturaleza Estructura interna
En la
grafica se
muestra la
clasificació
n de los
plásticos
de acuerdo
a su
estructura
interna.
Termoplásticos
Cadena molecular larga que en el momento
de formarse se enreda y entrelaza
Su estructura asimétrica no permite la
cristalización
Suelen ser transparentes en su forma
natural.
Buenas propiedades ópticas
Intervalo de temperatura por debajo de la
temperatura de solidificación ET
Transformación por
inyección, extrusión, termo formado al
vacío. Es posible soldarse
Partículas ordenadas, en zonasdenominadas cristalinas
Estructuras moleculares simétricas
La cristalización hace que seanopacos. No son transparente
Al aumentar la porción cristalinadisminuye la transparencia
Intervalo de temperatura entre latemperatura de solidificación y lazona de fusión de las cristalinas
Amorfos Parcialmente cristalinos
Termoestables
No se vuelven a ablandar una vez han sido moldeados
Una vez adquirida su forma, ésta no puede ser alterada
Moléculas de largas cadenas unidas por enlaces químicos fuertes
Las uniones entre las cadenas son tan fuertes que no se puedenromper cuando se calienta el plástico
El material termoestable siempre mantiene la forma
Los polímeros basados en formaldehido son termoestables
La transformación usual es la colada, el prensado y la inyección
Los intervalos de temperatura de uso están por encima de los delos termoplásticos
Elastómeros
Tienen propiedades elásticas a la temperaturasde uso
Cuando se someten a tensión se alargan, perocuando se suspende la tensión recuperan suforma original
La estructura molecular es similar a la de lostermoplásticos amorfos, con la diferencia quedespués del moldeo las macromoléculas se unequímicamente generando una estructura de redfloja y tridimensional
No pueden ser fundidos, debido a sus puntos dereticulación
Al contacto con disolventes presentanhinchamiento, pero sin llegar a disolverse
Algunos ejemplos de elastómeros: cauchonatural, caucho de estireno – butadieno y cauchode poliuretano
7. Propiedades generales
A continuación se mencionan algunas de las
propiedades más significativas de los plásticos:
Comportamiento mecánico
Resistencia mecánica menor que los metales
Módulo de elasticidad (rigidez) menor que los
metales
Dependencia de propiedades mecánicas con
respecto al tiempo (fluencia y relajación), sobre todo
los termoplásticos
Marcada dependencia de la temperatura en especial
los termoplásticos
Gran sensibilidad al impacto , aunque en los
termoplásticos hay quebradizos (PS) y resistentes
(PC)
Densidad
Los plásticos se diferencian deotros materiales por tener bajadensidad. El rango dedensidades de los plásticos seencuentra entre 0.9 y 2.0 gr/cm3.
El polietileno (PE) y elpolipropileno (PP) tienen unadensidad menor a la del agua ypor tanto flotan en ella.
Material Densidad
(gr/cm3)
PlásticosPE
PC
PA (nylon)
PVC
PTFE (teflón)
0.9 – 1.0
0.9 – 1.0
1.0 – 1.2
1.2 – 1.4
>1.8
Acero 7.8
Aluminio 2.7
Madera 0.2 – 0.95
Agua 1.0
Conductividad calórica
La conductividad calórica (medida del transporte de calor) se encuentra entre 0.15 y 0.5 W/mK, siendo un valor pequeño lo que hace considerar a los plásticos como mal conductor de calor (aislante)
Material Conductividad calórica
(W/mK)
Plásticos
PE
PA (nylon)
032 – 0.4
0.23 – 0.29
Acero 17 – 50
Aluminio 211
Cobre 370 – 390
Aire 0.05
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica(facilidad para conducircorriente eléctrica) es muybaja por la ausencia deelectrones libres.
Para mejorar laconductividad de unplástico se puedeadicionar un metal enpolvo.
Material Conductividad
eléctrica (m/Ωmm2)
PVC 10-15
Acero 5.6
Aluminio 38.5
Cobre 58.5
Transparencia
La transparencia (grado de transmisión de luz) depende de la estructura del plástico.
Los termoplásticos amorfos como el PC, PMMA, PVC y las resinas UP tienen transparencia similares a las del vidrio.
Material Transparencia (%)
PC 72 – 89
PMMA 92
Vidrio 90
8. Procesos de fabricación
Extrusión Inyección Soplado Termoformado
9. Plásticos y medio ambiente
En laactualidad, aproximadamente el65% de todos los plásticos seutilizan para usos a mediano ylargo plazo y el 35% se utilizan acorto plazo. Esto último generaun problema de contaminaciónpor la costumbre de descarte denuestra sociedad.Frecuentemente resulta máseconómico y seguro desechar unelemento plástico quelavarlo, reacondicionarlo yreutilizarlo.
Códigos de plásticos reciclables
10. Usos y actualidad
Telas: Poliéster
Hilos: nylon, poliéster,acrilonitrilo
Calzado: nylon, PVC,poliuretano y cordones ennylon
Medias: algodón, poliéster ynylon
Lentes: policarbonato
Lentes de contacto: rígidosen polimetacrilato de metilo yblandos en policrilamidas
Calzado, vestido y uso
personal
Carrocería: ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno)
Llantas: material de refuerzofibras sintética como kevlar
Farolas: policarbonato
Tanques de agua: polietileno
Tapetes:PVC, polietileno, nylon
Industria automotriz
Tuberías: PVC
Flotadores para tanquesde inodoro: polietileno
Persianas: PVC
Envase para alimentos:polietileno, polipropileno
Carcazas deelectrodomésticos:Poliestireno de altoimpacto
Artículos para el hogar
Aislante de cables: polietileno,polifluoruro de vinilideno (paraaltas temperaturas)
Carcazas de equipos:poliestireno, poliestireno de altoimpacto
Parlantes: conos internos enpolipropileno, tweeters enpolifluoruro de vinilideno, telasen nylon y marcos enpoliestireno
Cintas para grabadoras:poliéster
Electrónica
EJERCICIO
S