Ciencia e ingeniería de los materiales

Ciencia e ingeniera de los materialesPolmeros, cermicos y compuestos5ta Unidad Judas Francisco Lpez Gonzlez Jess Renato Montoya Morales

Polmeros, cermicos y compuestosTermoplastos, Termofijos y Elastomeros Adhesivos y aditivos usados en polmeros

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosLos polmeros termoplsticos se componen de largas cadenas producidas al unir molculas pequeas o monmeros y tpicamente se comportan de una manera plstica y dctil. Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polmeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso. Los polmeros termoplsticos se pueden reciclar con facilidad. Los polmeros termoestables estn compuestos por largas cadenas de molculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polmeros generalmente son ms resistentes, aunque ms frgiles, que los termoplsticos. Los termoestables no tienen una temperatura de fusin fija y es difcil reprocesarlos una vez ocurrida la formacin de enlaces cruzados. Los elastomeros, incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formacin de enlaces cruzados entre las cadenas. Los elastomeros tienen'la capacidad de deformarse elsticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanentemente.

Termoplasticos, Termofijos y ElastomerosTermoplasticos: Estructuras representativas Todos los polmeros tienen una estructura tridimensional compleja, que es difcil de describir grficamente. termoplsticos. La cadena de polmero est formada por una cadena principal de tomos de carbono; dos tomos de hidrgeno estn enlazados a cada tomo de carbono en la cadena. sta gira y se retuerce en el espacio. El modelo bidimensional simple de la figura 15-l(c) incluye los elementos esenciales de la estructura del polmero y se utilizar para describir los diversos polmeros. Las lneas sencillas (--) entre los tomos de carbono y entre los tomos de carbo no e hidrgeno representan un enlace covalente simple. Dos lneas paralelas (=) representan un enlace covalente doble entre tomos.

Termoplastos, Termofijos y Elastomeros

Varios polmeros tienen estructuras en anillo, como el anillo de benceno que se encuentra en las molculas de estireno y las fenlicas. Estos anillos aromticos contienen seis tomos de carbono unidos con enlaces alternos simples y dobles. En vez de mostrar todos los tomos de un anillo de benceno, utilizamos un hexgono que contiene un crculo para ilustrar esta estructura en anillo.



Termoplasticos, Termofijos y Elastomeros

Arreglo de las cadenas polimricas en los termoplsticos En los polmeros termoplsticos tpicos, los enlaces en las cadenas son covalentes, pero las largas cadenas retorcidas estn sujetas entre s por enlaces secundarios dbiles adems de estar entrelazadas. Cuando se aplica un esfuerzo al termoplstico, los enlaces dbiles entre cadenas pueden superarse y las cadenas giran y se deslizan entre ellas mismas. La facilidad con que las cadenas se deslizan depende de la temperatura y de la estructura del polmero




Temperatura de degradacin A temperaturas muy altas, los enlaces covalentes entre los tomos de la cadena lineal pueden destruirse y el polmero puede quemarse o carbonizarse. Esta temperatura T es la temperatura de degradacin (o de descomposicin). La exposicin al oxgeno, a las radiaciones ultravioleta y al ataque por bacterias tambin hace que un polmero se degrade, incluso a bajas temperaturas.



Polmeros lquidos A la temperatura de fusin Tm, o por encima de ella, los enlaces entre las cadenas retorcidas y entrelazadas son dbiles. Si se aplica una fuerza, las cadenas se deslizan una contra otra y el polmero fluye casi sin deformacin elstica. La resistencia y el mdulo de elasticidad son prcticamente cero y el polmero est listo para vaciarse y para muchos procesos de conformado. Los puntos de fusin de polmeros tpicos aparecen en la tabla.


Termoplastos, Termofijos y ElastomerosPolmeros cauchticos o correosos Por debajo de la temperatura de fusin, las cadenas de polmeros siguen retorcidas y entrelazadas. Estos polmeros tienen una estructura amorfa. Justo'por debajo de la temperatura de fusin, el polmero se comporta de manera cauchtica; cuando se le aplica un esfuerzo ocurre tanto deformacin elstica como plstica. Al eliminar el esfuerzo, se recupera rpidamente la deformacin elstica, pero el polmero ha quedado deformado permanentemente por el movimiento de las cadenas. Se pueden obtener grandes elongaciones permanentes, permitiendo la conformacin del polmero en formas tiles por moldeado y extrusin. A menores temperaturas, la unin entre cadenas es ms fuerte, volvindose el polmero ms rgido y resistente y se observa un comportamiento correoso. Muchos de los polmeros comerciales, incluyendo el polietileno, tienen una resistencia til bajo estas condiciones.


Polmeros vitreos Por debajo de la temperatura de transicin vitrea Tg, el polmero lineal se hace duro y frgil como el vidrio. El arreglo de las cadenas de polmeros sigue siendo amorfo. Cuando el polmero se enfra por debajo de la temperatura de transicin vitrea, ciertas propiedades, como la densidad o el mdulo de elasticidad cambian a una velocidad diferente.


Polmeros cristalinos Muchos termoplsticos se cristalizan parcialmente al ser enfriados por debajo de la temperatura de fusin y las cadenas se acercan y se alinean estrechamente a lo largo de distancias apreciables. La densidad sufre un incremento brusco cuando las cadenas, retorcidas y entrelazadas, se reorganizan en estructuras ms ordenadas y compactas.


Termoplastos, Termofijos y ElastomerosPolmeros termoestables o termofijos Los termoestables son cadenas de polmeros con enlaces altamente cruzados, que forman una estructura de red tridimensional. Ya que las cadenas no pueden girar ni deslizarse, estos polmeros poseen buena resistencia, rigidez y dureza. Sin embargo, tambin tienen bajas ductilidad y propiedades al impacto y una alta temperatura de transicin vitrea. En un ensayo a la tensin, los polmeros termoestables presentan el mismo comportamiento de los metales o los cermicos frgiles.

Los polmeros termoestables a menudo se inician como cadenas lineales. Dependiendo del tipo de unidades de repeticin y del grado de polimerizacin, el polmero inicial puede ser un slido o una resina lquida; en algunos casos, sta se utiliza en dos o tres partes (como en el caso de los dos recipientes de cemento epxico de uso comn). El calor, la presin, la mezcla de las varias resinas u otros mtodos, inician la formacin de enlaces cruzados. Este proceso no es reversible: una vez formado, no es posible reutilizar o reciclar de manera conveniente el termoestable.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosFenlicos: Los fenlicos, que son los termoestables de uso ms comn, se utilizan frecuentemente como adhesivos, recubrimientos, laminados y componentes moldeados para aplicaciones elctricas o de motores. La baquelita es uno de los termoestables fenlicos ms usual. Una reaccin de condensacin que une las molculas de fenol y de formaldehdo producen la resina inicial fenlica lineal (figura 15-36). El tomo de oxgeno en la molcula de formaldehdo reacciona con un tomo de hidrgeno en cada una de dos molculas de fenol, liberndose agua como subproducto. Acto seguido, las dos molculas de fenol se unen mediante el tomo de carbono restante en el formaldehdo. Este proceso contina, hasta que se forma una cadena lineal de fenol formaldehdo. Sin embargo, el fenol es trifuncional; una vez formada la cadena, en cada anillo de fenol existe un tercer sitio para el enlace cruzado con cadenas

adyacentes.



Aminas Las aminorresinas, producidas por combinacin de urea o monmeros de melamina con formaldehdo son similares a las fenlicas. Los monmeros se unen mediante un enlace de formaldehdo para producir cadenas lineales. El formaldehdo excedente proporciona los enlaces cruzados necesarios para generar polmeros fuertes y rgidos, adecuados para usos como adhesivos, laminados y material de moldeo para utensilios de cocina, y equipo elctrico como cortacircuitos, interruptores, contactos o placas de pared.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosUrtanos Dependiendo del grado de enlaces cruzados, los uretanos se comportan como polmeros termoestables, como polmeros termoplsticos o como elastmeros. Estos polmeros encuentran aplicaciones como fibras, recubrimientos y espumas para muebles, colchones y aislamientos. Poiisteres Los polisteres forman cadenas de molculas de cido y alcohol mediante una reaccin de condensacin, dando como subproducto agua. Cuando estas cadenas contienen enlaces no saturados, una molcula de estireno puede proporcionar el enlace cruzado. Los polisteres se utilizan como material para moldes o para vaciado en una diversidad de aplicaciones elctricas, laminados decorativos, lanchas y equipo marino, y como matriz de materiales compuestos, como la fibra de vidrio.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosEpxicos Los epxicos son polmeros termoestables, formados por molculas que contienen un anillo cerrado COC. Durante la polimerizacin, los anillos COC se abren y los enlaces se reacomodan para unir las molculas (figura 15-37). El ms comn de los epxicos comerciales se basa en el bisfenol A, al cual se le han agregado dos unidades epxido. Estas molculas se polimerizan para producir cadenas y a continuacin se les hace reaccionar con agentes que aceleran el curado, que proporcionan los enlaces cruzados. os epxicos se utilizan como adhesivos; partes moldeadas rgidas para aplicaciones elctricas; componentes automotores; tableros de circuitos; artculos deportivos y como matriz para materiales compuestos de alto rendimiento, reforzados con fibra para uso aerospacial.


Poliimidas Las poliimidas presentan una estructura en anillo que contiene un tomo de nitrgeno. Un grupo especial, las bismaleimidas (BMI) son importantes en las industrias de aeronaves y aerospacial. Pueden operar de manera continua a temperaturas de 175C y no se descomponen hasta llegar a los 460C.


Interpenetracin de redes de polmeros Se pueden producir algunos materiales polimricos especiales, cuando las cadenas lineales termoplsticas se entretejen a travs de una estructura termoestable, formando redes de polmeros interpenetrantes. Por ejemplo, se pueden introducir cadenas de nylon, de acetal y de polipropileno en un termoestable de silicn con enlaces cruzados. En sistemas ms avanzados, se pueden producir dos marcos estructurales termoestables interpenetrantes.




Elastmeros (hules) Un cierto nmero de polmeros lineales naturales y sintticos conocidos como elastmeros presentan gran cantidad de deformacin elstica al aplicarles una fuerza. Bandas elsticas, llantas de automviles, empaques en forma de anillos en O, mangueras y aislamiento para conductores elctricos son usos comunes de estos materiales.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosIsmeros geomtricos Algunos monmeros, con estructuras diferentes aunque tengan una misma composicin, se conocen como ismeros geomtricos. El isopreno o caucho natural es un ejemplo importante. El monmero incluye dos enlaces dobles entre tomos de carbono; este tipo de monmero se conoce como un dieno. La polimerizacin ocurre al romper los dos enlaces dobles, creando en el centro de la molcula un enlace doble nuevo y sitios activos en ambos extremos. En la forma trans del isopreno, el tomo de hidrgeno y el grupo metilo en el centro de la unidad de repeticin se localizan en lados opuestos del enlace doble recin formado. Este arreglo forma cadenas relativamente rectas; el polmero cristalino forma un polmero rgido duro, que se llama gutapercha.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosSin embargo, en la forma cis, el tomo de hidrgeno y el grupo metilo se localizan en el mismo lado del enlace doble. Esta geometra diferente hace que las cadenas polimricas se desarrollen con una estructura altamente enroscada, evitando una gran compactacin y gene rando un polmero cauchtico amorfo. Si al cis isopreno se le aplica un esfuerzo, el polmero se comporta de manera viscoelstica. Las cadenas se desenroscan y los enlaces se estiran produciendo una deformacin elstica, pero las cadenas tambin se deslizan entre s, produciendo una deformacin plstica no recuperable. El polmero se comporta como un termoplstico en vez de elastmero.


Termoplastos, Termofijos y ElastomerosEnlaces cruzados Se puede evitar la deformacin plstica viscosa y al mismo tiempo mantener una gran deformacin elstica mediante enlaces cruzados de las cadenas. La vulcanizacin, que utiliza tomos de azufre es un mtodo comn para formar enlaces cruzados. La figura 15-33 describe la forma en que se pueden enlazar cadenas de polmeros mediante tiras de tomos de azufre, al procesar el material y conformarlos a temperaturas de aproximadamente 120 a 180C. Los pasos de la formacin de enlaces cruzados pueden incluir el reacomodo de un tomo de hidrgeno y el remplazo de uno o ms de los enlaces dobles por enlaces sencillos. El proceso de ligadura no es reversible. En consecuencia, el elastmero no es fcilmente reciclable.




La curva esfuerzo deformacin de un elastmero aparece en la figura 15-34. Toda la curva representa deformacin elstica; por lo que los elastmeros presentan un comportamiento elstico no lineal. Inicialmente, se reduce el mdulo de elasticidad por el desenroscado de las cadenas. Sin embargo, una vez extendidas las cadenas, ocurre deformacin elstica adicional al estirarse los enlaces, con un mdulo de elasticidad ms elevado.



La elasticidad del caucho se determina mediante el nmero de enlaces cruzados, o la cantidad de azufre agregada al material. Bajas adiciones de azufre dejan al caucho blando y flexible, como en las bandas elsticas y los guantes de hule. Si se incrementa el contenido de azufre, se limita el desenroscado de cadenas y el caucho se hace ms duro, ms rgido y ms frgil, como el que se utiliza en los montajes de motor. Tpicamente, se agrega del 0.5 al 5 por ciento de azufre para formar en los elastmeros los enlaces cruzados.


Elastmeros tpicos Los elastmeros, que son polmeros amorfos, no se cristalizan fcilmente durante su proceso. Tienen una baja temperatura de transicin vitrea y las cadenas se pueden deformar elsticamente con facilidad al aplicar una fuerza. Los elastmeros tpicos cumplen con estos requisitos.

Termoplastos, Termofijos y ElastomerosElastmeros termoplsticos Los elastmeros termoplsticos (TPE) son un grupo especial de polmeros, que no se basan en los enlaces cruzados para producir gran cantidad de deformacin elstica. Los extremos de estireno de varias cadenas forman dominios de forma esfrica. El estireno tiene una alta temperatura de transicin vitrea; en consecuencia, los dominios son resistentes y rgidos, y mantienen las cadenas fuertemente unidas. Las reas cauchticas que contienen unidades de repeticin de butadieno estn localizadas entre los dominios de estireno; estas porciones del polmero tienen una temperatura de transicin vitrea por abajo de la temperatura ambiente y, por tanto, se comportan de una manera blanda y cauchtica. La deformacin elstica ocurre mediante el movimiento recuperable de las cadenas; sin embargo, a temperaturas normales los dominios de estireno evitan el deslizamiento de las cadenas.

Adhesivos y aditivos usados en polmeros

Adhesivos:Los adhesivos son polmeros que se utilizan para unir otros polmeros, metales, materiales cermicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Los adhesivos se utilizan para una diversidad de aplicaciones. Entre ellos, los ms crticos son los "adhesivos estructurales" utilizados en la industria automotriz, aerospacial, de aparatos domsticos, electrnica, de la construccin y de artculos deportivos.


Adhesivos qumicamente reactivos Estos adhesivos incluyen a los poliuretanos, epxicos, siliconas, fenlicos, anaerbicos y poliimidas. Sistemas de un solo componente estn formados por una sola resina polimrica, que se cura por exposicin a la humedad, al calor, o en caso de los anaerbicos, a la ausencia de oxgeno. Los sistemas de dos componentes (como los epxicos) se curan al combinarse dos resinas.


Adhesivos por evaporacin o por difusin El adhesivo se disuelve, ya sea en un solvente orgnico o en agua, y se aplica a las superficies a unir. Al evaporarse el portador, el polmero restante proporciona la unin. Los adhesivos a base de agua son los preferidos, tanto por la seguridad que representan, como desde el punto de vista ecolgico. El polmero puede estar totalmente disuelto en agua, o puede estar formado de ltex, es decir, como una dispersin estable del polmero en el agua. Es comn el uso de una amplia variedad de elastmeros, vinilos y acrlicos.


Adhesivos de fusin por calor Estos polmeros termoplsticos y elastmeros termo-plsticos se funden al calentarse. Al enfriarse, el polmero se solidifica, uniendo los materiales. Las temperaturas de fusin tpicas de los adhesivos de fusin por calor comerciales son de aproximadamente 80 a 110C, lo que limita su uso a temperaturas elevadas. Las poliamidas y los polisteres, que pertenecen a este grupo de adhesivos son de alto rendimiento y, por tanto, se pueden utilizar hasta los 200CC.


Adhesivos sensibles a la presin Estos adhesivos son principalmente elastmeros o copolmeros de elastmero que se producen en forma de pelcula o de recubrimiento. Se requiere de presin para que el polmero se adhiera al sustrato y se utilizan para producir cintas aislantes elctricas y de empaque, etiquetas, losetas de piso, recubrimientos para muros y pelculas texturizadas imitacin madera.


Adhesivos conductores Un adhesivo polimrico puede contener un material de relleno como escamas o polvos de plata, cobre o aluminio, para proporcionar conductividad elctrica y trmica. En algunos casos, se desea una buena conductividad trmica pero no elctrica; el relleno para conseguir esta combinacin de propiedades generalmente es de almina, berilia, nitruro de boro y slice.


Aditivos de los polmeros La mayor parte de los polmeros contienen aditivos, que les proporcionan caractersticas especiales.


Rellenos Los rellenos se agregan para varios fines. Uno de los ejemplos ms conocidos es la adicin de negro de humo al caucho, para conseguir la resistencia y la resistencia al desgaste de las llantas. Algunos rellenos, como las fibras cortas o escamas de materiales inorgnicos mejoran las propiedades mecnicas del polmero. Otros, que se llaman extensores permiten que se produzcan grandes volmenes de material polimrico con muy poca resina, reduciendo as el costo. El carbonato de calcio, el slice, el talco y la arcilla son extensores de uso frecuente.


Pigmentos Utilizados para producir colores en polmeros y pinturas, los pigmentos son partculas finamente molidas como el Ti02, que quedan uniformemente dispersas en el polmero.


Estabilizadores Los estabilizadores impiden el deterioro del polmero debido a efectos del entorno. Los estabilizadores trmicos se requieren para el proceso del cloruro del polivinilo; de lo contrario, pudieran eliminarse tomos de hidrgeno y cloro en forma de cido hidroclordrico. Haciendo frgil al polmero. Los estabilizadores tambin impiden el deterioro de los polmeros debido a la radiacin ultravioleta.


Agentes antiestticos La mayora de los polmeros, puesto que son malos conductores, acumulan carga por electricidad esttica. Los agentes antiestticos atraen la humedad del aire hacia la superficie del polmero, mejorando la conductividad superficial del mismo y reduciendo la probabilidad de chispas o descargas. Retardantes de llama Dado que se trata de materiales orgnicos, la mayora de los polmeros son inflamables. Aditivos conteniendo cloro, bromo, fsforo o sales metlicas reducen la probabilidad de que ocurra o se extienda la combustin.


Plastificantes Molculas o cadenas de bajo peso molecular, conocidas como plastificantes reducen la temperatura de transicin vitrea, proporcionando lubricacin interna y mejorando las caractersticas de conformado del polmero. Los plastificantes son de particular importancia para el cloruro de polivinilo, que tiene una temperatura de transicin vitrea muy por encima de la temperatura ambiente. Reforzantes La resistencia y rigidez de los polmeros se mejora al introducir filamentos de vidrio, polmeros o grafito como reforzantes. Por ejemplo, la fibra de vidrio est hecha de filamentos cortos de vidrio en una matriz de polmero.

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