01 Polimeros TP TE Bases Conceptuales Color
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Manuel Cabrera C. Bases Polímeros 1
MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS:
BASES CONCEPTUALES … ESTRUCTURA ; PROPIEDADES; PROCESAMIENTO
Manuel Cabrera C. Bases Polímeros 2
UNA MIRADA ENERGÉTICA LOS MATERIALES…
100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo
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100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo
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100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo
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100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo
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TEMARIO Bases conceptuales polímeros Propiedades y selección: Materiales
poliméricos Termoplásticos, Termoestables y Elastómeros
Caracterización de Polímeros Termoplásticos Caracterización y procesamiento de
Polímeros termoestables y compuestos Aplicaciones Propiedades diferenciadas Aspectos de Diseño en Materiales
Compuestos
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MATERIALES POLIMÉRICOSUNA FORMA DE VERLOS…
TermoplásticosFundibles, ReciclablesProcesamiento múltiple
TermoestablesNo reciclables.Un sola aplicaciónOrientación principal:
MATERIALES COMPUESTOS
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VARIAS FORMAS DE CLASIFICACIÓN
Termoestables – termoplásticos Termoplásticos: Amorfos – Semicristalinos Commodity – Ingeniería – Altas prestaciones Método de síntesis: adición –condensación Homopolímeros – Copolímeros Estereoisomerismo: Atáctico - sindiotáctico
isotáctico Materiales compuestos: plásticos reforzados y
concretos poliméricos
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TP: MUCHAS CADENAS (TRENES) FORMADAS
POR MUCHOS (POLI) MEROS (CARROS)
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Grado de polimerización: largo de la cadena, que se expresa en N° de meros o en el peso molecular
Caso extremo PEUHMW hasta 8.000.000 de meros
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PROPIEDADES… PARTE DE LA RESISTENCIA DE LOS POLÍMEROS ES CAUSADO POR ENTRAMPAMIENTO MECÁNICO DE LAS CADENAS… SU
MOVIMIENTO EN ESTADO “FUNDIDO” ES MÁS DIFICULTOSO… PROPIEDADES REOLÓGICAS
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CONTEXTO: COMPARACIÓN DE PROPIEDADES
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POLÍMEROS TP Y TERMOESTABLES (THERMOSET)
EN ESTADO SÓLIDO, CONDICIÓN DE APLICACIÓN: Los polímeros termoplásticos (TP) están formados por cadenas
de polímeros enrolladas entre ellas y unidas químicamente por enlaces débiles o enlaces Van der Waals
Los polímeros termoestables (TE) las cadenas están unidas entre ellas por enlaces muy fuertes (de alta energía), del mismo orden de magnitud que los enlaces EN LAS CADENAS… ESTÁN ENTRECUZADAS
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CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS: TP
Antes de nada debe entenderse que los polímeros termoplásticos son fundibles, en el sentido de que las cadenas quedan “sueltas” sobre la temperatura de fusión y a partir de este estado se les da la nueva forma por extrusión, inyección, rotomoldeo, etc.
Largo de la cadena. Afecta a la propiedades de resistencia mecánica, rigidez… y afecta a la viscosidad (procesabilidad del estado líquido) Expresado a través del número de meros por cadena = GRADO DE
POLIMERIZACIÓN (GP) Expresado por el PESO MOLECULAR de las cadenas = Peso
molecular del mero * GP Nivel de ramificación de las cadenas. Afecta a la densidad
y a la cristalinidad Cadenas LINEALES (más densas y cristalinas) versus
RAMIFICADAS
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REPRESENTACIÓN ESTRUCTURA DEL PE
(a) Modelo sólidotridimensional
(b) Modelo espacialtridimensional
(c) Modelo simple dimensional
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GRADO DE POLIMERIZACIÓN – PESO MOLECULARLos monómeros se unen formando una cadena en la cual el número de
monómeros es el GRADO DE POLIMERIZACIÓNEspecie Molécula "PM" Peso de un mol, gr
Agua H2O 18 18UHMWPE -C2H4- 4.000.000 8.000.000 28 168.000.000
Pesos Atómicos: H=1; O=16 Pesos Atómicos: C=12; H=1
UHMWPE POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR
1Número de moléculas
Afecta a la densidad… a la cristalinidad… a la transparencia
Lineal (figura a) – Ramificado (b)
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PARÁMETRO PROPIEDAD INFLUENCIA
Grado de ramificación Densidad Cristalinidad
Peso Molecular Fluidez Procesabilidad
Distribución de peso molecular
Tropismo “Homogeneidad”
LDPE MDPE HDPE
Norma ASTM D1248 Densidad Norma BS PE Tipo I LDPE 0.910-0.925 0.910-0.930 PE Tipo II MDPE 0.926-0.940 0.931-0.944 PE Tipo III HDPE 0.941-0.959 >0.945 PE Tipo IV HDPE >0.960
PESO MOLECULAR
200.000 A 500.000 500.000 A 8.000.000
HMWPE UHMWPE
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POLÍMEROS TERMOESTABLES: ENLACES FUERTES ENTRE CADENAS…. SON MÁS
RÍGIDOS!
c) POLÍMERO TERMOESTABLE (Thermoset) sin ramificación de cadenas y entrecruzadas por enlaces covalentes de altaenergía. Los puntos de unión o de entrecruzamiento estándestacados con puntos.
d) Polímero TERMOESTABLE CON CADENAS RAMIFICADAS E INTERCONECTADA (ENTRECRUZADA) POR ENLACES
COVALENTES.
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POLÍMEROS TERMOESTABLES: TEEl polímero Termoestable, se comercializa en estado líquido… y al pasar al estado sólido las cadenas pierden libertad AL PRODUCIRSE REACCIONES CON LOS MONÓMEROS quedando ENTRECRUZADAS…
LIQUIDO
SOLIDO
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LOS ELASTÓMEROS… Presentan enlaces fuertes entre
cadenas, que se producen al vulcanizarse…
El nivel de entrecruzamiento (CROSS-LINK) de cadenas se produce en pocos puntos y así las cadenas se pueden “estirar” o deformar elásticamente
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COMPARACIÓN DE POLÍMEROS
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURA GENERAL EJEMPLO
TERMOPLÁSTICOS Cadenas lineales flexibles (lineales o ramificadas)
Polietileno
TERMOESTABLES (TERMORIGIDAS)
Red de cadenas tridimensional rígidaz (las cadenas pueden ser lineales o ramificadas)
Poliuretano, epóxicas, fenólicas
ELASTÓMEROS, CAUCHOS
Pueden ser termoplásticos o termoestables débilmente entrecruzadas.. Cadenas actúan como resortes…
Caucho natural
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CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS TP –PARTE DOS
COPOLIMEROS. Las cadenas de los polímeros pueden: Tener un solo tipo de mero: HOMOPOLÍMEROS Más de un tipo de mero: COPOLÍMEROS La existencia de los copolímeros es para aportar
atributos complementarios: fricción, desgaste, flexibilidad, fatiga, lubricación, moldeabilidad, etc.
Pueden ser del tipo: BLOQUE; ALTERNANTE; AL AZAR; RAMIFICADOS
Gran parte de los polímeros son COPOLÍMEROS BLENDS o ALEACIONES. El polímero presenta
mezcla de cadenas de diferentes POLIMEROS (cada una de ellas)
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COPOLÍMEROS
En muchas situaciones en la CADENA, se presentan INTENCIONALMENTE, más de un tipo de mero…
De esta forma se logran mejora de propiedades… fricción, fatiga, desgaste…
Existen cuatro tipos de configuraciones: al azar; alternante, en bloque y ramificadas…
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RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
POLÍMEROS Una macromolécula (trenes) hecha de pequeños bloques (carros) o meros
MONOMEROS Los bloques (carros del tren) o meros o unidades repetitivas básicas
HOMOPOLÍMEROS El polímero que se obtiene si todos los bloques son iguales
COPOLÍMEROS Un polímero elaborado – sintetizado de diferentes bloques o meros en la cadena
BLEND (ALEACIONES O MEZCLAS)
Una mezcla de cadenas de polímeros
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OTRAS CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES RELEVANTES… TP
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA: temperatura bajo la cual no hay espacio para mover las cadenas al aplicar esfuerzos, el TP no es deformable, es más frágil y más rígido
CRISTALINOS? Las cadenas de los polímeros TP pueden plegarse (parte cristalina) y/o estar en estado AMORFO(sin orden). Las cadenas lineales presentan mayor grado de plegado – parte critalina. O los polímeros pueden ser semicristalinos
ESTEROISOMERISMO. Ciertos polímeros (ejemplo el polipropileno) presentan radicales o grupos funcionales (CH3 en este caso) a un solo lado de la cadena –ISOTÁCTICO; alternadamente a cada lado de la cadena –SINDIOTÄCTICO o sin ninguna regularidad – ATACTICO. La importancia es que para el caso del PP solo tiene importancia de ingeniería el PP isotáctico por ser más cristalino…
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POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
AMORFOS SEMICRISTALINOS
Volúmenes de cadenas plegadas
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DEFORMACIÓN DE PARTE AMORFA EN TP… PARTE CRISTALINA SE ORIENTA SEGÚN LA DEFORMACIÓN
Si el polímero tiene poca parte AMORFA es más rígida y más resistente a la deformación
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PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
Las propiedades de los polímeros son fuertemente dependiente de: Temperatura Velocidad de deformación Grado de cristalinidad del polímero Temperatura de transición vítrea del polímero De otros aspectos de la estructura tales como: largo de las
cadenas, distribución de largo, nivel de ramificación y en casos también de la tacticidad del polímero.
El comportamiento mecánico es elástico no lineal y en situaciones se comporta viscoelásticamente, con deformaciones dependiendo del tiempo….
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CURVAS CARACTERÍSTICAS ESFUERZO -DEFORMACIÓN
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GENERALIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES…
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POLÍMEROS AMORFOS Y SEMICRISTALINOS
SEMICRISTALINOS
Acetal POM Nylon- PA Technyl Polietileno PE Polipropileno PP Polyester
AMORFOS
Poliestireno ABS SAN Policarbonato PVC
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TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA
Temperatura bajo la cual las cadenas no disponen de “espacio” para moverse o desplazarse frente a esfuerzos aplicados
Se determina empíricamente al evaluar los cambios volumétricos de un polímero al variar la temperatura
En general bajo la temperatura de transición vítrea los materiales poliméricos presentan una deformación plástica muy limitada
En otras palabras al emplear un polímero a temperaturas menores que TG, presenta un comportamiento frágil (ejemplo del PS de las cajas de los CD, vasos de bebida…)
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MOVIMIENTO DE CADENAS SOBRE Y BAJO TG
A) Movimiento de cadenas sobre Tg.B) Imposibilidad de movimiento de cadenas a Temperaturas menores que Tg
(no hay “volumen libre” disponible para mover cadenas)
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SIMBOLO SIGLA NOMBRE PRODUCTO
1
PET Polietileno Tereftalato
Botellas, …
2
PEAD Polietileno de alta densidad
Tambores, Cajas,…
3
PVC Cloruro de Polivinilo
Frascos, Tubos, …
4
PEBD Polietileno de baja densidad
Films, Bolsas, …
5
PP Polipropileno Sacos, Potes, …
6
PS Poliestireno Packings alimentos.
RECICLADO DE PLASTICOS
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OTRA PROPIEDAD… ESTEROISOMERISMOTACTICIDAD: CASO POLIPROPILENO
Esta característica ESTRUCTURAL de los polímeros, se explica como ejemplo para el caso de Polipropileno
La estructura de MERO, presenta una molécula de CH3 “colgando” en vez de H como es el caso del PE …
El PP es ISOTÁCTICO es cuando el CH3 siempre está al mismo lado de la cadena…
El PP es SINDIOTÁCTICO, cuando el CH3 está alternadamente “arriba-abajo”
El PP es ATACTICO, cuando el CH3 está ubicado aleatoriamente arriba-abajo en la cadena
El PP comercial es ISOTÁTICO y con ello es más cristalino y por ende se asocian las propiedades de materiales semicristalinos…
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ESTEROISOMERISMOA) Estereoisómero
atáctico. El grupo metilo que sobresale del polipropileno está aleatoriamente dispuesto en cada lado de la cadena principal de carbono
B) Estereoisómeroisotáctico. El grupo metilo que sobresale está siempre en el mismo lado de la cadena principal de carbono
C) Estereoisómerosindiotáctico. El grupo que sobresale se alterna regularmente de un lado a otro de la cadena principal.
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PROPIEDADES DE TERMOPLÁSTICOSBAJAR BASE DE DATOS DESDE: WWW.CAMPUSPLASTICS.COM
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ALGO MÁS DE LOS TERMOPLÁSTICOS SE PUEDEN SOLDAR???
Se pueden soldar??? Por el hecho de ser fundibles se pueden
soldar con fusión… WeldingTermofusión, electrofusión, placa caliente, aire
caliente, ultrasonido, vibración…Aparte de otros sistemas de unión…
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POLÍMEROS TERMOESTABLES
MATERIALES COMPUESTOS
SOLOS
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Ejemplos de MATERIALES COMPUESTOS. a) Madera laminadab) Fibra de vidrio en material compuestoc) Concreto polimérico
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POSIBILIDADES DE MATERIALES COMPUESTOS
Componente 1 Componente 2 MATERIAL COMPUESTO
Resina Termoestable
Fibra de Vidrio Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV)
Resina Termoestable
Carga de cuarzo Concreto Polimérico
PRFV Piliuretanoespumado
Sandwich
Termoplástico 1 Termoplástico 2 CoextruidoAcero Plástico RevestimientoPRFV Termoplástico Doble lámina
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PROPIEDADES FIBRAS
Datos de Fibra
DENSIDAD FIBRAS (kgr/m3)
MODULO ELÁSTICO RELATIVO
RESISTENCIA TRACCIÓN Fibras (ksi)
RESISTENCIA TRACCIÓN
(MPa) DEF (%)VIDRIOA-Vidrio 2.465 10 480 3.309 4,8C-Vidrio 2.548 10 480 3.309 4,8E-Vidrio 2.604 11 500 3.447 4,8S-2 Vidrio 2.493 14 700 4.826 5,2CARBONOHeavy Tow 1.745 33 525 3.620 1,6Medium Tow 1.801 35 740 5.102 2,1Low Tow 1.801 43 900 6.205 2,1ARAMIDAKev29 1.440 6 525 3.620 8,8Kev149 1.468 27 504 3.475 1,9
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MORFOLOGÍAS FIBRAS
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SISTEMAS DE MATERIALES COMPUESTOS
REGLAS DE LAS MEZCLAS – Establece que la propiedad de un compósito es una función de la fracción volumétrica de cadamataerial en el compuesto.
RESISTENCIA DE LOS COMPÓSITOS: La resistencia a la tracciónde los compósitos reforzados con fibras es fuertemente dependientede la unión entre la fibra y la matriz
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EJEMPLOS DE PROCESOS: PULTRUSIÓNAPLICACIÓN: VIGAS…
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EJEMPLOS DE PROCESOS: BOBINADOAPLICACIÓN: TUBERÍAS…
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EFECTO DE LA ORIENTACIÓN
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COMO LOGRAR PROPIEDADES ISOTRÓPICAS: LÁMINAS Y 3D
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MODULO ESPECÍFICO Y RESISTENCIA ESPECÍFICADE VARIOS COMPÓSITOS EN COMPARACIÓN CON
METALES Y POLÍMEROS
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CONCLUSIONES Los polímeros son materiales que hoy deben
conocerse desde el punto de vista de sus propiedades para su adecuada aplicación
Los polímeros termoplásticos son materiales con “estructura” – arquitectura que se ha diseñado para lograr propiedades específicas
Los materiales compuestos son materiales que aún requieren determinación –modelamiento de sus propiedades, dado el carácter semiindustrial en la elaboración de productos
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PROPIEDADES COMPARATIVAS
• Energía Costos• Reciclado Costos• Resistencia Costos• Resistencia
Densidad• Resistencia
Ductilidad
• Resistencia temperatura
• Resistencia Costos• Rigidez Costos• Rigidez Densidad• Rigidez Resistencia
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ALGUNAS DIRECCIONES DE INTERÉS
www.campusplastics.com (bajar y actualizar base de datos)
www.strongwell.com www.femoglas.cl www.plastigen.cl Recorra “Edificio de Polímeros”
http://pslc.ws/mactest/maindir.htm …
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Sólo las botellas de agua que se producen en Estados Unidos es de 1,5 millones de toneladas de desperdicios de plástico al año, cantidad que requiere 178 millones de litros de petróleo para su producción.