02 Plasticos Composites

PLSTICOS Y COMPOSITES Kepa Castro

POLMEROS

Estn en todas partes:ComidaRopaTransporteElectricidadEtc

NATURALESSINTTICOSLtexCauchoCelulosaAlmidnAceite secativo:linazaCaucho sintticoPoliesterPoliamidasTeflnBaquelitaPolietilenoPoliestirenoPolipropilenoPVCSiliconaMetacrilatocasena

Los polmeros naturales se pueden modificar (nace la ciencia de los polmeros)

Se puede sintetizar un polmero partiendo de cero

CelulosaCelulosaCelulosaCelulosa

Plstico = PolmeroParaloid B72

Orgnicos (esqueleto de tomos de carbono + otros elementos: N, Cl, O, etc)

Son grandes molculas formadas por monmeros que se repiten (poli)

Se forman tras una reaccin de polimerizacin (distintos tipos)

Pueden ser amorfos o cristalinos

Las caractersticas de los polmeros difieren mucho de las de los monmeros

Dos polmeros de igual composicin qumica pueden tener propiedades muy diferentes (celulosa vs almidn)

Muchos plsticos con caractersticas muy diferentes

Plstico = Polmero

Historia del plstico

Vulcanizado: caucho + azufre data de 1839 (Charles Goodyear)

La cultura Olmeca haca algo similar con savias y otros extractos de plantas (hace 3.500 aos) para hacer pelotas de hule destinadas a un juego ritual

Historia del plstico

Primer plstico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collarder ofreci una recompensa de 10.000 dlares a quien consiguiera un sustituto del marfil natural. Una de las personas que compitieron, John Wesley Hyatt, desarroll el celuloide disolviendo celulosa en alcanfor y etanol. No gan el premio pero consigui un producto muy comercial.

En 1909 el qumico Leo Hendrik Baekeland sintetiz la baquelita a partir de molculas de fenol y formaldehdo. Fue el primer plstico totalmente sinttico de la historia, iniciando la era del plstico.

Propiedades

Las propiedades y caractersticas de la mayora de los plsticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plsticos especiales) son estas:

fciles de trabajar y moldear

bajo costo de produccin

baja densidad

suelen ser impermeables

aislantes elctricos

aislantes acsticos

aislantes trmicos a bajas temperaturas

resistentes a la corrosin y a muchos productos qumicos

Propiedades

Clasificacin

Termoplsticos (se funden con el calor y pueden ser moldeados)

Resinas celulsicas, como el rayn o viscosa (seda artificial)

Polietilenos y derivados, como el acetato de vinilo, alcohol vinlico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, Maylar, Dracon, Terylene, Tefln, etc.

Derivados de las protenas, como el nailon y el perln o el kevlar

Derivados del caucho, como el neopreno y el polibutadieno

Clasificacin

Termoestables (no se funden con el calor, se incendian)

Polmeros del fenol, son plsticos duros

Resinas epoxi

Resinas melamnicas

Baquelita

Aminoplsticos: Polmeros de urea y derivados

Polisteres, que suelen emplearse en barnices

Las ms usadas en arquitectura

Cmo se nombran?

Envejecimiento

Todo material orgnico envejece

Pierde propiedades:

Pierde flexibilidad Cambio de color Pierde capacidad hidrofbica Aumenta la fragilidad

Luz (UV)Aire (oxgeno)

Envejecimiento

Envejecimiento

Est demostrado que las resinas acrlicas muy usadas en consolidacin de piedras son alimento para hongos y bacterias

Limpieza y tratamientos

Se recomienda el uso de disolventes orgnicos y agua

Los ms usados son:

Acetone Metil etil cetone Alcohol isoproplico Alcohol metlico Tolueno (toluol) 1,1,1-tricloroetano Nafta Agua destilada o desionizada (a veces con detergentes)Algunos disolventes pueden daar los plsticos

COMPOSITES

Es una mezcla de una polmero embebido en fibras resistentes

Las propiedades mecnicas de un composite son asimilables a las de la madera

Algunas se pueden comparar a las de los metales

Como polmero:

Como fibras:DefinicinResina epoxyPoliesterFibra de vidrioFibra de carbnAramida

Se han usado para soportar fragmentos pesados de piedra, sustituyendo a los pernos. No sufren corrosin.

Tambin se puede usar fibras de carbn, que tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansin

Tambin las fibras de aramida (Kevlar) tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansin

Se est usando para reforzar estructuras de hormign daadas por la corrosinDefinicin

Alguien sabe cul fue el primer composite de la historia de la humanidad?

El adobe es uno de los primeros composites que la humanidad utiliz

Qu resistencia tiene?Qu tamao de edificio se puede construir con l?

Shibam (Yemen)

Durisol

Mezcla de virutas y desechos de madera con cemento portland

Usado en lo que se conoce como Green Building

Se fabrica en bloques para aislantes sonoros

100% reciclable

Durisol

Pykrete

Es un composite con un 14% de serrn y un 86% de hielo (Geoffrey Pyke)

Durante la segunda guerra mundial

Louis Francis Albert Victor Nicholas George Mountbatten (Almirante de la flota inglesa)

Projecto Habbakuk

Tan resistente como el hormignNo se le ha encontrado ningn uso

SILICATOS, SILANOSY SILICONAS

Sales y steres del cido silcico (H4SiO4) se han usado como consolidantes de piedra hidroflicas

Se forma un polmero inorgnico

El H4SiO4 se forma dentro de las fisuras tras la hidrlisis de una sal o un ester

Puede consolidar fisuras de hasta 0.1 mmSilicatos

Silicatos de sodio y potasio

Na2SiO3 + 3H2O Si(OH)4 + 2NaOH

Muy usados durante el siglo XIX Dan muchos problemas y el riesgo de fallo es alto El NaOH puede formar carbonatos solubles

Fluorosilicatos

MgSiF6 + 4H2O Si(OH)4 + MgF2 + 4HF

El MgF2 es poco soluble en agua El HF elimina algas y otros organismos La hidrlisis es muy rpida y puede quedar en superficie sin penetrar y sin consolidar Se ha usado para consolidar arenisca, siendo menos efectiva en roca calcreaCompletamente en desusoProhibido en muchos paisesSilicatos

Etil silicato

Si(OC2H5)4 + 4H2O Si(OH)4 + 4C2H5OH

Muy adecuado por su baja viscosidad (fcil penetracin) Hidrlisis lenta El etanol de evapora sin causar problemas El etil silicato es muy volatil y se puede evaporar sin consolidar (se puede evitar)

Silicatos

Silanos

Al igual que los silicatos, los silanos consolidan materiales hidroflicos

Adems, introducen radicales que son hidrfobos

Al igual que los silicatos, no consolidan fisuras de ms de 0.1 mmSilanos

Siliconas

Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-

Resistentes al calor (hasta 200 C)

Gran adherencia en materiales hidroflicosRepele el agua lquida

Siliconas

Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-

Resistentes al calor (hasta 200 C)

Gran adherencia en materiales hidroflicosLos radicales determinan las propiedades

Siliconas

Forma films semipermeables:

Impermeables al agua lquida Permeable al vapor de agua

No produce efectos visuales sobre las fachadas

Funciona mejor sobre piedra silcea que sobre carbonatada

Amarillea y decolora muy ligeramenteEl edificio respiraPoco resistente al paso de los gases cidos

Siliconas

La luz y el oxgeno oxidan las siliconas

Pierden poder hidrofbico

Vida til: 5-10 aos

Las impurezas en la silicona o los disolventes aceleran el envejecimiento

APLICACIONES

Plexiglas o Perspex

Polimetil-metacrilato

Transparente

Baja resistencia al araado

Muy resistente al impacto

Si se rompe, sus fragmentos son menos peligrosos que el vidrio

Con la luz UV se decolora

Sustitutos del cristalIntroduccin de un filtro UVAltsimo coeficiente de expansin, 10 veces mayor que el vidrioCreacin de efecto invernadero

Plexiglas o Perspex

Lexan

Policarbonato

Transparente

Muy resistente al impacto

Permite ser doblado y formar esquinas muy marcadas

Con la luz UV de decoloraSustitutos del cristalIntroduccin de un filtro UVAltsimo coeficiente de expansin, 10 veces mayor que el vidrioCreacin de efecto invernadero

Tefln

Poli-tetrafluoro-etileno

Gran resistencia el calor (se funde a 327 C)

Es hidrfobo, repele el agua. Insoluble en casi ningn disolvente

No se oxida con el oxgeno

Ideal paraRecubrimientos de larga duracinMuy caroNo es transparente

Acetatos de vinilo y steres acrlicos

Buenos adhesivos

Forman films

Coatings en

Metales (evita la corrosin, proteccin qumica) Madera (evita el ataque de los microorganismos, antihumedad)

Aunque se aplican disueltas en agua (emulsin), cuando se secan, son insolubles en ella

A altas temperaturas chorreanVehculo para pinturas

Resinas epoxi

Se conocen desde 1950

Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)

Se han de mezclar en la proporcin adecuada y dejar endurecer a T ambiente

Cuidado con la viscosidad vs penetracin en la piedraProblemas de consolidacin

Resinas epoxi

Se conocen desde 1950

Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)

Se han de mezclar en la proporcin adecuada y dejar endurecer a T ambiente

Las caractersticas de la piedra es muy importantePorosidad muy influyente

Resinas epoxi

El polmero se forma mediante una reaccin de cross-linking

Resinas epoxi

Muy usado como adhesivo y como consolidante sobre superficies hidroflicas

La humedad y el agua dificultan el endurecimiento de la resina

Resinas epoxi

Muchas veces se usa mezclado con una carga de relleno

Abarata el producto Favorece la adhesin y la cohesin Reduce el coeficiente de expansin

Otras veces se aade sobre un tejido, aumentando las prestaciones del tejido

Se oxida bajo la accin de la luz y el aire

Apenas envejece si se le preserva del aire y la luz

Resinas epoxi

Usarlas requiere cuidado y experiencia

Buen uso de las proporciones Cuidado con la humedad Una vez endurecido, el adhesivo es insoluble

Poliuretano

Como aislante se utiliza normalmente en:

Aislamiento de fachadas (interior, exterior y cmaras de aire) Aislamiento de cubiertas (planas e inclinadas) Aislamiento de techos Aislamiento de suelos Recubrimiento de tuberas Recubrimiento de calderas

Aplicaciones en forma de:

Poliuretano Proyectado Planchas de Poliuretano Conformado Paneles Sndwich de Poliuretano.

Poliuretano

Poliuretano

Caractersticas:

Gran durabilidad (reduccin su mantenimiento)

Ligeros y resistentes tanto a los esfuerzos mecnicos como a la humedad

Gran impermeabilidad

Conserva sus propiedades de eficiencia energtica durante toda la vida

Aprovecha mejor el espacio que otros aislantes

Verstil y eficiente en la rehabilitacin de edificios

Amarillea con la luz solar y es muy sensible al biodeterioro

Las poliureas se estn poniendo de moda

Poliuretano

Resinas de poliester

Usadas en pinturas y recubrimientos

Buena estabilidad frente a la luz, oxgeno, agua y muchos productos qumicos

Sensible a la hidrlisis (incompatible con ambientes cidos o bsicos)

Las capas de pintura son flexibles y elsticas (bien para metales)

Resistentes al impacto, el rascado y al manchado

Hay muchas variedades

Resinas de poliester

Pinturas retardantes del fuego Pinturas basadas en mezclas de compuestos clorurados con xido de antimonio

Morteros y cementos modificadosDesde 1960, cuando se aadi metil celulosa al cemento. Tambin hidroximetil celulosa o alcohol polivinlico

Morteros y cementos modificados

Se obtienen cementos ms resistente y con menos microfisuras

Mayor impermeabilidad

Al paso de humedad Al paso de iones cloruro (menor corrosin del acero) Al paso de CO2 (menor carbonatacin)

Menor porosidad y tamao de poro

Aumenta la durabilidad del material

Mayor resistencia a la crioclasticidad (al haber menos humedad)


El tiempo de trabajo con el cemento depende de cada tipo de mezcla

Suele ser inferior a 1 hora

Se pega a todo, gran poder de adherencia, incluso el metal

Hay que limpiar bien todas las herramientas


Antes de secar

Tiene un alto ndice de retencin de humedad

La humedad inhibe el dry-out (falta de hidratacin del cemento)

El dry-out debilita las estructuras

Este hecho aumenta al aumentar la cantidad de polmero

Se hace constante a partir del 5-10% de polmero


Despus de secar

Aumenta la resistencia y la dureza Aumenta la resistencia al impacto y la abrasin Presenta una mayor elasticidad Durante el secado se contrae Se reduce la permeabilidad, la absorcin de agua y la transmisin de vapor

Tienen poca resistencia al agua La resistencia qumica depende del agresor y del tipo de polmero

No resisten a los cidos No resiste a los sulfatos Resistente a las bases y a algunas sales Resistente a algunos disolventes orgnicos Similar resistencia trmica con respecto a los morteros normalesMorteros y cementos modificadosAditivos expansivosMalos resultados en ambientes muy hmedos


Los morteros se usan ms que los cementos modificados

La razn es meramente econmica

Los cementos modificados son muy caros


Para mejorar las propiedades anticorrosin se aade

El modificador PVDC ya no se usa por que genera clorurosCa(NO2)2LiNO2PELIGROSO

Morteros y cementos modificadosMuy criticados en la actualidad

Su uso se ha puesto en tela de juicio

Alquitrn

Es el material ms impermeable y resistente al agua de la historia

Resistente a cidos, bases y sales

Sensible a detergentes, grasas, aceites y disolventes orgnicos

Se usa como vehculo de pinturas

Buen resultado sobre cemento pero malo sobre metales

Se usa en forma de tela asfltica en tejados o en pinturas

Alquitrn

Nitrato de celulosa

Es el material explosivo

En aplicaciones para restauracin es estable incluso a la llama

Se usa como pegamento y consolidante en cermicas

Muy usado para recubrir metales (Plata, hierro, cobre, bronce, latn)

Se degrada con cierta facilidad:

Temperatura (Calor) cidos inorgnicos fuertes Luz ultravioleta

Se est sustituyendo por el Paraloid B72

Nitrato de celulosaBarnices de nitrocelulosa

LO QUE EST POR VENIR

Yo he visto cosas que vosotros no creerais(Blade Runner)

Materiales activos

Que cambian de color cuando hay humedades

Que cambian de color cuando aumenta o disminuye la temperatura

Sirven de indicadores

Materiales inteligentes

Que cambian sus propiedades en funcin del entorno

Ventanas que regulan el paso de luz o de calor

Pinturas que cambian de color

Materiales que son capaces de analizar las vibraciones y absorberlas (antiterremoto)

Materiales capaces de absorber CO, CO2

Se fabrica a partir de residuos industriales generados en la fabricacin del acetileno, optimizados y purificados, cuyo coste energtico y medioambiental ha sido prcticamente amortizado en la fase productiva del residuo por el producto principal (acetileno).

Tiene una elevada capacidad de captacin del CO2 ambiental al estar compuesto bsicamente por hidrxido de calcio inestable optimizado en condiciones de captar el CO2 necesario para su transformacin en carbonato de calcio segn la siguiente reaccin:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

Cien veces ms fuertes que el acero pesando seis veces menos

Nanotubos de carbono

Ignfugos

Hidrfobos

Duros, tenaces, gran resistencia mecnica (mdulo de Young del orden de 1 TPa, una resitencia a la traccin en torno a los 50 GPa y una elongacin del 10%)

Flexibles y elsticos

Conducen la electricidad (Creacin de sensores en estructuras)

Alta conductividad trmica en un sentido pero aislante en otro (Disipadores de calor)

Aislantes acsticos

Nanocomposite

Adicin de nanopartculas a los materiales de construccin

La gran superficie de las nanopartculas hace que una pequea cantidad de este material pueda variar mucho las propiedades del composite sin apenas cambios en la densidad ni el peso

Ventanas electrocrmicas, termocrmicas, fotocrmicas, de cristal lquido

Nanocomposites derivados de polmeros estructurales de la familia del naylon, polisteres, polipropileno, poliestireno, fluoropolmeros, etc, tienen propiedades retardantes de llama y producen menos CO y holln

Pinturas con nanopartculas de TiO2 o de otro tipo mejoran sus propiedades antioxidantes y protectoras frente a la corrosin

Algunos composites son ms duros y resistentes que el hormign armado, pero no se han testado en objetos de gran tamao o que soporten grandes pesos

Hormigones reforzados con nanotubos de carbono (gran resistencia)

Materiales siempre limpios, aadiendo nanopartculas de TiO2 que absorbe el UV y puede oxidar materia orgnica y matar microorganismos

En la ciudad de Kobe, en Japn, tras el terremoto sufrido en 1995, se reforzaron las columnas y soportes de hormign de las autopistas rodendolas con varias capas de fibra de carbono y polmeros, por lo que no hubo que rehacerlas

Los materiales inteligentes podrn replicarse y repararse as mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reducindose con ello los residuos y aumentando su eficiencia.

Estudiando las caractersticas de la hoja de loto a escala nanomtrica, se est aprendiendo a disear superficies autolimpiables. La superficie de la hoja de loto repele al agua de forma extrema; se dice que es superhidrofbica. Las gotas de agua que se depositan sobre la hoja de loto adoptan la forma esfrica y deslizan ante una pequea inclinacin, arrastrando las partculas de suciedad. Se ha podido asociar esta propiedad a la geometra nanoestructurada de la superficie. Reproduciendo esta geometra en otras superficies se pueden conseguir propiedades de "autolimpieza" similares.

Nanorobots inteligentes capaces de arreglarlo y limpiarlo todo

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02 Plasticos Composites

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