Estructura y Propiedades de los Materiales · 2019. 3. 22. · 1) Densidades menores que las de los...

Estructura y Propiedades de los Materiales

Tema: Materiales Polímeros

Introducción

La palabra se deriva de los vocablos griegos poly, que significa muchos, y meros (que secontrae a mero), que es parte.

La mayoría de los polímeros se basan en el carbono, y por ello se les considera productosquímicos orgánicos.

Los polímeros se dividen en plásticos y cauchos (hules). Como materiales de ingeniería, sonrelativamente nuevos en comparación con los metales y los cerámicos, pues sólo datan dealrededor de la mitad del siglo XIX

El uso anual actual de los polímeros supera al de los metales. Las siguientes son algunasrazones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros:

- Es posible dar formas a los plásticos al moldearlos en formas intrincadas, por lo generalsin que se requiera mayor procesamiento.

- Los plásticos poseen una lista de propiedades atractivas para muchas aplicaciones deingeniería en las que la resistencia no es importante:

1) densidad baja respecto de los metales y cerámicos;2) buenas relaciones de resistencia a peso de ciertos polímeros;3) resistencia elevada a la corrosión;4) baja conductividad eléctrica y térmica.

Introducción

- Sobre una base volumétrica, los polímeros compiten en costo con los metales.

- Los polímeros por lo general requieren menos energía que los metales para producirse,sobre una base de volumen. Esto se cumple debido a que es común que lastemperaturas para trabajarlos sean mucho más bajas que las que requieren los metales.

- Ciertos plásticos son traslúcidos o transparentes, así que para ciertas aplicacionescompiten con el vidrio.

Introducción

Por el lado negativo, los polímeros tienen en general las limitaciones siguientes:

1) su resistencia es baja en comparación con la de los metales y cerámicos;

2) en el caso de los elastómeros, su módulo de elasticidad o rigidez también es bajo;ésta podría ser, por supuesto, una característica deseable;

3) las temperaturas de uso se limitan a sólo unos cientos de grados debido a lasuavización de los polímeros;

4) ciertos polímeros se degradan si se les expone a la luz solar y a otras formas deradiación;

Introducción

Polímeros TermoplásticosSon materiales sólidos a temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas deapenas unos cuantos cientos de grados, se vuelven líquidos viscosos. Esta característicapermite que adopten formas de productos de modo fácil y económico. Se pueden sujetarrepetidas veces al ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade enforma significativa.

Propiedades mecánicas.El termoplástico común a temperatura ambiente se caracteriza por lo siguiente:

1) rigidez muy baja, con módulo de elasticidad de dos (en ciertos casos, de tres)órdenes de magnitud menos que el de los metales y cerámicos;

2) poca resistencia a la tensión, alrededor de 10% de la de los metales;

3) dureza mucho menor;

4) ductilidad mayor, en promedio, pero con un rango muy amplio de valores, desde 1%de elongación para el poliestireno a 500% o más para el polipropileno.

Polímeros Termoplásticos

Propiedades físicasEn general, los polímeros termoplásticos tienen las características siguientes:

1) Densidades menores que las de los metales o cerámicos, las gravedades específicascomunes de los polímeros están alrededor de 1.2, las de los cerámicos son de cerca de2.5, y las de los metales de 7.0;

2) coeficiente de expansión térmica mucho mayor, aproximadamente cinco veces el valorde los metales y 10 veces el de los cerámicos;

3) temperaturas de fusión mucho menores;4) calores específicos que son de dos a cuatro veces las de los metales y cerámicos;5) conductividades térmicas de alrededor de tres órdenes de magnitud menos que las delos metales;6) propiedades de aislamiento eléctrico.


AcetalesAcetal es el nombre común que se da al polioximetileno, polímero de ingeniería preparado a partirde formaldehído (CH2O) con mucha rigidez, resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. Además,tiene un punto de fusión alto, poca absorción de la humedad y es insoluble en los solventes comunesa temperatura ambiente. Debido a esta combinación de propiedades, las resinas de acetato compitencon ciertos metales (por ejemplo, latón y zinc) para elaborar componentes automotrices tales comomanijas de puertas, carcasas de bombas y piezas similares, armazones de aparatos y componentes demaquinaria.


Acrílicos Los acrílicos son polímeros derivados delácido acrílico (C3H4O2) y de compuestos que sederivan de él. El termoplástico más importante delgrupo de los acrílicos es el polimetilmetacrilato(PMMA) o Plexiglás (marca registrada de Rohn &Haas para el PMMA). Su propiedad extraordinaria esla transparencia excelente, que lo hace competir conel vidrio en aplicaciones ópticas. Algunos ejemplosincluyen lentes para las luces traseras deautomóviles, instrumentos ópticos y ventanas de losaviones. Su limitación es que, en comparación con elvidrio, tiene una resistencia a las rayaduras muchomenor


Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno El ABS es un plástico de uso en la ingeniería por sucombinación excelente de propiedades mecánicas. Las aplicaciones comunes incluyencomponentes para automóviles, aparatos, máquinas de oficina, y tubos y accesorios.


Celulosas.La celulosa (C6H10O5) es un polímero carbohidratado que ocurre de manera común en lanaturaleza. La madera y fibras de algodón, que son las fuentes principales de celulosa parala industria, contienen alrededor de 50% y 95% del polímero, respectivamente.

Cuando la celulosa se disuelve y precipita durante el procesamiento químico, el polímeroque resulta se denomina celulosa regenerada. Cuando ésta se produce como fibra pararopa se conoce como rayón (por supuesto, el algodón mismo se emplea mucho como fibrapara telas). Cuando se produce como película delgada se conoce como celofán, materialcomún para empacar.


La celulosa en sí no puede usarse como termoplástico debido a que con el aumento detemperatura se descompone antes de fundirse. Sin embargo, puede combinarse condistintos componentes para formar varios plásticos de importancia comercial; dos ejemplosson el acetato de celulosa (CA) y la celulosa de acetato butirato (CAB). El CA se produce enforma de hojas (para envolver), película (para fotografía) y piezas moldeadas. El CAB es unmaterial mejor para moldear que el CA, y tiene mayor resistencia al impacto, menorabsorción de humedad y compatibilidad mejor con otros plastificadores. Los termoplásticosde celulosa tienen una participación en el mercado de alrededor de 1%.


Fluoropolímeros. El politetrafluoretileno (PTFE), comúnmente conocido como Teflón,abarca a cerca de 85% de la familia de los polímeros llamados fluoropolímeros. El PTFE esresistente en extremo al ataque químico y ambiental, no le afecta el agua, posee buenaspropiedades eléctricas, buena resistencia al calor y coeficiente de fricción muy bajo.

Estas dos últimas propiedades han extendido su uso en trastos de cocina anti-adhesivos.Otras aplicaciones que se basan en la misma propiedad incluyen cojinetes que no requierenlubricación y otros componentes parecidos. El PTFE también tiene aplicaciones en equipoquímico y de procesamiento de comida.


Fluoropolímeros.


Poliamidas.Polímeros Termoplásticos

Los miembros más importantes de lafamilia de las PA son los nylons. Elnylon es fuerte, muy elástico,inflexible, resistente a la abrasión yautolubricante.

A temperaturas alrededor de 125 ºC conserva buenas propiedadesmecánicas. Una desventaja es que absorbe agua y esto implica ladegradación de sus propiedades. La mayoría de las aplicaciones delnylon (cerca de 90%) son en fibras para tapetes, ropa y cuerdas deneumáticos. El resto (10%) es para componentes de ingeniería; es comúnque el nylon sea un buen sustituto de los metales en cojinetes, engranesy piezas similares en las que se necesita resistencia y fricción baja.

Polímeros TermoplásticosPoliamidas.

Un segundo grupo de poliamidas es el de lasaramidas, de las que el Kevlar (nombrecomercial de DuPont) ha ganado importanciacomo fibra para plásticos reforzados. Larazón del interés en el Kevlar es que tiene lamisma resistencia que el acero con 20% desu peso

Polímeros TermoplásticosPolicarbonato.

El policarbonato (PC) es notable por sus propiedades mecánicasexcelentes en general, que incluyen tenacidad elevada y buenaresistencia al escurrimiento plástico.

Es uno de los termoplásticos mejores en cuanto a resistencia al calor yse puede usar a temperaturas cercanas a los 125 ºC. Además estransparente y resiste al fuego.

Sus aplicaciones incluyen piezas moldeadas para maquinaria, carcasaspara máquinas de oficina, impulsores de bombas, cascos de seguridady discos compactos (por ejemplo, audio, video y computadora).También se usa mucho en aplicaciones de cristales (ventanas yparabrisas).

Polímeros TermoplásticosPoliéster.Un ejemplo representativo es el tereftalato de polietileno (PET). Elenfriamiento rápido favorece el estado amorfo, que es muytransparente. Las aplicaciones importantes incluyen contenedores debebidas moldeados por soplado, películas fotográficas y cintasmagnéticas de grabación.

Además, el PET se usa mucho como fibras para telas. Las fibras depoliéster tienen absorción baja de humedad y buena recuperación antela deformación, dos características que lo hacen ideal para prendas devestir tipo “lavar y usar” que resisten ser exprimidas. Las fibras de PETcasi siempre están mezcladas con algodón o lana. Algunos nombresfamiliares de fibras de poliéster incluyen el Dacron (DuPont), Fortrel(Celanese) y Kodel (Eastman Kodak).

Polímeros TermoplásticosPolietileno.El polietileno (PE) se sintetizó por vez primera en la décadade 1930, y hoy abarca el volumen más grande de todos losplásticos. Las características que hacen atractivo al PE comomaterial de ingeniería son su costo bajo, y que es inertequímicamente y fácil de procesar. El polietileno se encuentradisponible en varios grados. Las aplicaciones incluyen hojas,películas y aislamiento de alambres. El HDPE tiene unaestructura más lineal, con cristalinidad y densidad elevadas.Estas diferencias hacen al HDPE más rígido y fuerte, y le danuna temperatura de fusión más alta. El HDPE se emplea paraproducir botellas, tubos y enseres domésticos.

Polímeros TermoplásticosPolipropileno.A partir de su introducción a finales de la década de 1950, el polipropileno (PP)se ha convertido en un plástico importante, en especial para el moldeo porinyección. Es el más ligero de los plásticos y su resistencia a peso es elevada. ElPP se compara con frecuencia con el HDPE debido a que su costo y muchas desus propiedades son similares.

Sin embargo, el punto de fusión elevado del polipropileno permite ciertasaplicaciones en las que se prefiere el uso del polietileno, por ejemplo, encomponentes que deben esterilizarse. Otras aplicaciones son las piezasmoldeadas por inyección para automóviles y enseres domésticos, y productosde fibra para alfombras. Una aplicación especial del polipropileno son lasbisagras de una pieza que pueden sujetarse a un número elevado de ciclos deflexión sin que fallen.

Polímeros TermoplásticosPoliestireno.

Resulta notable por su fragilidad. El PS es transparente, se coloreacon facilidad y se moldea con rapidez, pero a temperaturaselevadas se degrada y varios solventes lo disuelven. Debido a sufragilidad, algunos grados de PS contienen de 5% a 15% decaucho, tipos para los que se emplea el término poliestireno dealto impacto (HIPS). Tienen tenacidad alta, pero son pobres entransparencia y resistencia a la tensión. Además de lasaplicaciones en moldeo por inyección (por ejemplo, juguetesmoldeados, enseres domésticos), el poliestireno también seemplea para empacar, en forma de espumas de PS.

Polímeros TermoplásticosCloruro de polivinilo

El cloruro de polivinilo (PVC) es un plástico muy usado cuyaspropiedades varían si se combinan aditivos con el polímero. Enparticular, se emplean plastificadores para obtener termoplásticosque van del PVC rígido (sin plastificadores) a PVC flexible(proporciones elevadas de plastificador). El rango de propiedadeshace del PVC un polímero versátil, con aplicaciones que incluyentubos rígidos (que se utilizan en la construcción y sistemas de agua,drenaje e irrigación), accesorios, aislamiento de alambres y cables,películas, hojas, empaque de comida, pisos y juguetes. El PVC en síes relativamente inestable ante el calor y la luz, y deben agregarseestabilizadores para mejorar su resistencia en esas condicionesambientales.

Los aditivos se introducen intencionadamente para modificar muchas propiedades y paraaumentar la utilidad del polímero.

Rellenos. Se adicionan a los polímeros para incrementar las resistencia a la tracción, a lacompresión y a la abrasión, la tenacidad, la estabilidad dimensional y térmica, etc. Comorelleno se utiliza serrín, sílice, arena, vidrio, arcilla, talco, caliza, etc., todos ellosfinamente pulverizados. El coste del producto final disminuye por que estos materialesbaratos sustituyen una parte del volumen de los polímeros mas caros.

ADITIVOS DE LOS POLIMEROS


Plastificantes. Son productos químicos que se agregan a unpolímero para hacerlo más suave y flexible, y para mejorarsus características de flujo durante la formación.Su presencia también reduce la dureza y la fragilidad.Generalmente se utilizan plastificantes en la elaboración depolímeros frágiles a temperatura ambiente, tales comocloruro de polivinilo y algún polímero de acetato. Estasaplicaciones incluyen laminas delgadas o películas, tubos,impermeables y cortinas.

Un buen ejemplo es el agregar un plastificador al cloruro depolivinilo; en función de la proporción de plastificador quehaya en la mezcla, el PVC obtiene un rango de propiedades,desde rígido y frágil a flexible y parecido al caucho.

Estabilizantes. Algunos materiales polímeros, en condiciones ambientales normales, sedeterioran rápidamente, generalmente en términos de integridad mecánica. Estedeterioro suele ser el resultado de la exposición de la luz, en partículas a la radiaciónultravioleta, y también a la oxidación. Este deterioro por oxidación es consecuencia de lainteracción química entre átomos de oxigeno y las moléculas poliméricas.


Colorantes. Los colorantes dan un color especifico al polímero. Se pueden adicionarcomo tintes o pigmentos. Los tintes actúan como disolventes y se incorporan a laestructura moléculas del polímero. Los pigmentos son como material de relleno que nose disuelven, sino que permanecen como fases separadas; generalmente son partículasde pequeño tamaño, transparentes y con índice de refracción próximo al polímero base.

ADITIVOS DE LOS POLIMEROSIgnífugos. La inflamabilidad de los polímeros es una característica del máximo interés,sobre todo en la fabricación de textiles y de juguetes para niños. La mayoría de lospolímeros, en estado puro son inflamables, a excepción de los que contienen elevadaproporción de cloruros y/o fluoruros, tales como los cloruros de polivinilo y politetrafluoretileno. La resistencia a la inflamabilidad de los polímeros combustiblesaumenta adicionando aditivos denominados ignífugos. Estos aditivos funcionaninterfiriendo el proceso de combustión mediante una fase gaseosa o iniciando unareacción química que enfría la región de combustión y cesa el fuego.

Polímeros Termofijos

Un polímero termofijo es un pre-polímero en estado viscoso o semi-sólido que cambiairreversiblemente a un polímero infundible e insoluble por medio de curado. El curado esinducido por la acción del calor y un agente reactivo (o catalizador), dentro del equipo deprocesamiento, ya sea por inyección, extrusión o sólo dentro de en un molde.

Un material termofijo no puede ser trabajado una vez procesado, es por esto que es muyimportante formar el pre-polímero antes de empezar el curado.

Una vez que se le ha dado forma al pre-polímero, éste debe pasar por una transformaciónquímica, llamada endurecimiento o curado, la cual, forma las uniones de reticulación.

Debido a las diferencias de química y estructura molecular, las propiedades de los plásticostermofijos son distintas de las de los termoplásticos. En general, los termofijos son:

1) más rígidos, su módulo de elasticidad es de dos a tres veces más grande;

2) frágiles, virtualmente no poseen ductilidad;

3) menos solubles en solventes comunes;

4) capaces de resistir temperaturas de uso elevadas; y

5) no son capaces de volverse a fundir; en vez de ello, se degradan o queman.


Amino resinas. Los plásticos amino, caracterizados por el grupo del amino (NH2),consisten en dos polímeros termofijos, urea-formaldehído y melamina-formaldehído.

La urea-formaldehído compite con los fenoles en ciertasaplicaciones, en particular como cubierta (triplay) y tablerode partículas adhesivas. Las resinas también se empleancomo un compuesto moldeador.

El plástico de melamina-formaldehído es resistente al aguay se utiliza para trastos y como recubrimiento en mesaslaminadas y contracubiertas (Formica es un nombrecomercial de Cyanamide Co.). Cuando se emplean comomateriales moldeadores, los plásticos amino por lo generalcontienen proporciones significativas de rellenos, talescomo la celulosa.


Epóxicos. Los epóxicos curados son notables por suresistencia, adhesividad y resistencia al calor y al ataquequímico. Las aplicaciones incluyen recubrimientos desuperficies, pisos industriales, compuestos de fibra devidrio reforzada y adhesivos. Las propiedades aislantesde los epóxicos termofijos los hacen útiles en variasaplicaciones electrónicas, tales como el encapsulamientode circuitos integrados y la laminación de tarjetas decircuitos impresos.


Fenólicos. El fenol-formaldehído es el más importante delos polímeros fenólicos; empezó a comercializarsealrededor de 1900 con el nombre comercial de bakelita.Casi siempre se combina con rellenos tales como elaserrín, las fibras de celulosa y algunos minerales,cuando se emplea como material para moldear. Es frágil,posee buenas estabilidades térmica, química ydimensional. Su capacidad de aceptar colorantes eslimitada: sólo está disponible en colores oscuros. Otrasaplicaciones incluyen adhesivos para madera laminada(triplay), tarjetas de circuitos impresos, contracubiertas ymateriales de unión para frenos y ruedas abrasivas.


Poliuretanos. Según las variaciones de su química, lospoliuretanos pueden ser materiales termoplásticos,termofijos o elastoméricos, de los que estos dos últimosson los que tienen mayor importancia comercial. Laaplicación principal del poliuretano es en espumas. Lasespumas rígidas se emplean como material de relleno enpaneles huecos para la construcción y en las paredes derefrigeradores. En estos tipos de aplicaciones, el materialproporciona un aislamiento térmico excelente, da rigidez ala estructura y no absorbe agua en cantidadessignificativas. Muchas pinturas, barnices y recubrimientossimilares se basan en sistemas de uretano.



Silicones. Según las variaciones en su composición y procesamiento, los polisiloxanos seproducen en tres formas: 1) fluidos, 2) elastómeros y 3) resinas termofijas.

Los fluidos son polímeros de peso molecular bajo que se usan como lubricantes,pulidores, ceras y otros líquidos. Los polisiloxanos forman sistemas rígidos de resina quese emplean para pinturas, barnices y otros recubrimientos, y en laminaciones tales comolas tarjetas para circuitos impresos. También se utilizan como materiales para moldearse yobtener piezas eléctricas. Los silicones son notables por su buena resistencia al calor y porser repelentes al agua, pero su resistencia mecánica no es tan grande como la de otrospolímeros entrecruzados.

Polímeros Elastómeros

Los elastómeros son polímeros capaces de desarrollar una deformación elástica grande sise les sujeta a esfuerzos relativamente pequeños. Algunos elastómeros presentanextensiones de 500% o más y regresan a su forma original. El término más frecuente paraun elastómero es, por supuesto, caucho.

Los cauchos se dividen en dos categorías:

1) caucho natural,2) elastómeros sintéticos

Polímeros ElastómerosCaucho naturalSe deriva del látex, sustancia lechosa producida por varias plantas, la más importante delas cuales es el árbol del hule que crece en los climas tropicales. El caucho se extrae dellátex por medio de distintos métodos que eliminan el agua.

El caucho natural crudo (sinvulcanizar) es pegajoso en aguacaliente, rígido y frágil en la fría. Paraformar un elastómero depropiedades útiles, el caucho naturaldebe vulcanizarse.

Polímeros ElastómerosCaucho naturalComo material de ingeniería, el caucho vulcanizado es notable entre los elastómeros por sualta resistencia a la tensión, resistencia al corte, resiliencia (capacidad de recuperar su formadespués de la deformación) y resistencia ante el desgaste y la fatiga. Su debilidad radica enque se degrada si se sujeta a calor, luz del sol, oxígeno, ozono y aceite. Algunas de estaslimitaciones se reducen con el uso de aditivos.

El mercado individual más grande para el caucho natural es el de las llantas (neumáticos) deautomóviles. En las llantas, un aditivo importante es el negro de humo; refuerza el caucho ysirve para incrementar su resistencia a la tensión, el desgarre y la abrasión. Otros productoshechos con caucho son suelas de zapatos, cojinetes, sellos y componentes que absorben losgolpes. En cada caso, el caucho tiene la composición necesaria para adquirir las propiedadesespecíficas que requiera la aplicación.

Polímeros ElastómerosCaucho de butadieno. El polibutadieno (BR) es importante sobre todo en combinación conotros cauchos. Está compuesto de caucho natural y estireno, se emplea para producir llantasde autos. Solo, tiene características de resistencia al desgarre y a la tensión, y facilidad deprocesamiento, que lo hacen menos que conveniente.

Caucho butilo. Se vulcaniza para darle al caucho una permeabilidad muy baja al aire, lo quetiene aplicaciones en productos inflables tales como cámaras interiores, revestimientos dellantas sin cámaras y artículos deportivos.

Polímeros ElastómerosCaucho cloropreno. El policloropreno fue uno de los primeros cauchos sintéticos que sedesarrollaron (a principios de la década de 1930). Hoy se conoce como Neopreno, que es uncaucho importante de propósitos especiales. Cristaliza cuando se estira para dar buenaspropiedades mecánicas. El caucho cloropreno (CR) es resistente a los aceites, al clima, alozono, al calor y a las llamas (el cloro hace que este caucho se autoextinga). Sus aplicacionesincluyen mangueras para combustible (y otras partes automotrices), bandastransportadoras y juntas, pero no llantas.

Caucho etileno-propileno. Es un caucho sintético útil. Las aplicaciones son para piezassobre todo en la industria automotriz, más que para llantas. Otros usos que tiene son paraaislar alambres y cables.

Polímeros ElastómerosCaucho isopreno. El isopreno se polimeriza para sintetizar un equivalente químico delcaucho natural. El poliisopreno sintético (sin vulcanizar) es más suave y se moldea con mayorfacilidad que el caucho natural. Las aplicaciones del material sintético son similares a las desu contraparte natural, y las llantas de automóvil constituyen el mercado individual másgrande. También se emplea para zapatos, bandas transportadoras.

Caucho nitrilo. Tiene resistencia buena a la tensión y también a la abrasión, al aceite, a lagasolina y al agua. Estas propiedades lo hacen ideal para aplicaciones tales como tanques degasolina y sellos, así como para calzado.

Polímeros ElastómerosPoliuretanos. es común que la mayoría se produzcan como espumas flexibles. En estaforma, se emplean mucho como materiales para vestiduras de muebles y asientos deautos. El poliuretano que no es esponja se moldea en productos que van desde suelas dezapatos hasta defensas de coches, con el entrecruzamiento ajustado para obtener laspropiedades que se quiere para la aplicación.

Polímeros ElastómerosSilicones. Los elastómeros de silicón son notables por el rango amplio de temperaturas enque pueden utilizarse. Su resistencia a los aceites es baja. Los silicones poseen variascomposiciones químicas, la más común es la de polidimetilsiloxano. Para obtenerpropiedades mecánicas aceptables, los elastómeros de silicón deben reforzarse, por logeneral con polvos finos de sílice. Debido a su costo elevado, se les considera cauchos depropósito especial para aplicaciones tales como juntas, sellos, aislamiento para alambresy cables, aparatos ortopédicos y bases de materiales para calafatear.

Polímeros ElastómerosCaucho estireno-butadieno. Es el elastómero del que se produce el mayor peso, con 40% deltotal de todos los cauchos producidos (el caucho natural ocupa el segundo lugar por peso).Sus características atractivas son costo bajo, resistencia a la abrasión y mejor uniformidadque el CN. Cuando se refuerza con negro de humo y se vulcaniza, sus características yaplicaciones son similares a las del caucho natural. Su costo también es similar. Unacomparación rigurosa revela que la mayoría de sus propiedades mecánicas, excepto laresistencia al desgaste, son inferiores que las del CN, pero su resistencia al envejecimientotérmico, al ozono, al clima y a los aceites es superior. Las aplicaciones incluyen llantas paracarros, calzado y aislamiento de alambres y cables. Un material que se relaciona con el SBRes el bloque de copolímeros estireno-butadienoestireno, elastómero termoplástico que seestudia a continuación.

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