UNIVERSIDAD DEL VALLE, DPT. DE INGENIERIA.

ESCUELA DE ING. DE MATERIALES, IDENTIFICACION Y CALIDAD DE POLIMEROS.

LABORATORIO, APARIENCIA FISICA, DENSIDAD, SOLUBILIDAD Y

COPORTAMIENTO A LA FLAMA

Héctor Fabián Dorado Guerraa, Cristian Gutiérrezb.

a,b Escuela de ingeniería de materiales, Universidad del Valle, Colombia.

RESUMEN

En esta práctica se identificaron cinco muestras poliméricas diferentes a través de

ensayos sencillos como: la apariencia física, densidad y solubilidad en acetona;

además, se analizó el comportamiento a la flama determinando su facilidad o

dificulta a incendiar, color de la flama, si se funde o carboniza, color y olor de los

humos. De acuerdo a tablas suministradas en la guía de laboratorio, se pudo

identificar que los materiales poliméricos eran: polietileno de alta densidad, un

polímero estirenico, poliacetal, cloruro de polivinilo flexible y polietileno de ultra alto

peso molecular. Hay que aclarar que estas pruebas por ser básicas, la

identificación es una aproximación previa al tipo de polímero, la cual puede estar

sujeta a interpretaciones erróneas debido a la inexperiencia del grupo.

INTRODUCCIÓN

Los materiales poliméricos son una gran familia que se compone de elastómeros,

termoplásticos termoestables, y adhesivos; los cuales también pueden dividirse en

grupos dependiendo de otras características.

POR SUS PROPIEDADES:

Mecánicas

Es el grado de resistencia de los plásticos al doblarse. Se dividen en tres grupos:

Polímeros rígidos: que son aquellos que al intentar doblarlos se rompen.

Polímeros semirígidos: son aquellos que soportan ser flexionados y pueden

o no mostrar fractura.

Polímeros flexibles: estos no presentan ninguna oposición al ser doblados

incluso es posible torcerlos sin que muestren ruptura. La mayoría de los

plásticos flexibles tienden a recuperar su forma original debido a su memoria

plástica. (esto no sucede con el copolímero de estireno butadieno, aunque se

trate de un material flexible).

Ópticas

Determinan el grado de luz que puede dejar pasar un cuerpo a través de el. Se

dividen en tres grupos:

Polímeros transparentes: se trata de materiales que permiten ver los objetos

a través de ellos.

Polímeros translucidos: permiten el paso de un pequeña cantidad de luz, lo

que da como resultado que se aprecien solamente sombras cuando se mira a

través de ellos.

Polímeros opacos: no es posible apreciar la luz a través de ellos.

Combustibilidad

Que consiste en la facilidad o dificultad que presenta un polímero para incendiarse.

Dentro de esta característica se agrupan en:

Polímeros fáciles de incendiar: son aquellos que se incendian cuando al

someterlos directamente a la flama tardan menos de siete segundos en que

ésta se genere.

Polímeros difíciles de incendiar: son que presentan dificultad de ser

incendiados, inclusive después de ocho segundos que se genera la flama.

Duración de la flama

Que es la característica del polímero que determina si la flama se propaga o no.

Dentro de éstos se clasifican en dos tipos:

Polímeros que continúan ardiendo: una vez que se logra incendiar, se

apagan soplándose o presionándolo sobre una superficie

Polímeros que se auto extinguen: se apagan instantes después de retirar la

flama del encendedor.

Tabla general de características de los platicos(polímeros)

Además, se puede inferir el rango de densidad de los diferentes plásticos. Con lo

cual estos se clasifican en cinco grupos: los que flotan en agua, solución diluida de

sal, los que no flotan en solución de etanol al 50%, que flotan en solución

concentrada de sal y no.

Fig. 1 diagrama de ruta para el método de densidad.

MÉTODO EXPERIMENTAL

Para el desarrollo de la práctica se nos suministraron 5 probetas de polímeros

desconocidos como se muestra en la fig. 2, sal, agua, alcohol, un ácido orgánico

(acetona), vaso de 200 ml, encendedor,

Fig. 2, probetas suministradas para el laboratorio.

Se procedió a medir la flexibilidad de las probetas y se registró en la tabla 1, seguido

a esto se observó la capacidad de dejar pasar la luz a través de la probeta y se

registró en la tabla 1, seguido a esto se realizó la prueba de flotabilidad, se realizó la

prueba de flotabilidad con 4 diferentes fluidos y se implementó el método del

picnómetro regido por la ASTM D-854 y la ecuación 1 para hallar la densidad del

fluido como se muestra a continuación y se registró en la tabla 3, las anotaciones

cualitativas se registraron en la tabla 2.

Tabla 1, pruebas de flexibilidad.

Prueba de flexibilidad

1 2 3 4 5

Semi-rigido Rigido Rigido Flexible Semi-rigido Prueba de propiedades ópticas Opaco Opaco Translucido Translucido Translucido

4 1 2 3 5

Ecuación 1.

Dónde:

: Densidad desconocida del líquido.

: Masa del picnómetro limpio y seco. : Masa del picnómetro con agua. : Masa del picnómetro con el líquido. : Densidad del agua.

Tabla 2, método del picnómetro.

METODO DEL PICNOMETRO

Composición M1[gr] M2[gr] ρ2[g/cm3] M3[gr] ρ1[g/cm3] F1 agua 19.161 45.715 1 45.715 1 F2 Agua + sal diluida 19.161 45.715 1 46.9 1.045 F3 Agua + sal concentrada 19.161 45.715 1 48.125 1.0907 F4 Agua- alcohol (50-50) 19.161 45.715 1 44.543 0.9559

Tabla 3, prueba de flotabilidad, F1 agua; F2 agua con sal [baja concentración], F3 agua con sal [alta concentración], F4

agua/alcohol [relacion50-50], F5 acetona.

Pruba de Flotabilidad

F1 Flota Flota Flota Sumerge Flota F2 Flota Flota Sumerge Sumerge Flota F3 Flota Flota Sumerge Sumerge Sumerge lento F4 Sumerge lento Flota Sumerge Sumerge Sumerge lento Pruba de reactividad F5 No reacciona No reacciona No reacciona No reacciona No reacciona

Se realizaron tres tipos de ensayos a la flama para caracterizar los polímeros,

primero se realizó el ensayo de combustibilidad donde se observa la facilidad y el

tiempo que tarda el polímero en arder, se mide el tiempo en segundo que se demora

el polímero en arder, seguido se realizó el ensayo de duración de la flama, este

registra si la flama es continua o si el material se auto extingue al retirarlo de la

flama directa, se realizó el ensayo color de humos y olor de humos y se registró en

la tabla 3.

Tabla 4, ensayos a la flama

Combustibilidad

M1 M2 M3 M4 M5 T[sg] 8 6 11 - 6

duración de la flama y color flama Color

Continua Amarillo- azul-

verde

Continua Amarillo- azul-

verde

Continua azul

No se presenta reaccion

Continua Amarillo-

azul Olor y humo

Olor Humo

Parafina Blanco

Caucho quemado

Blanco

picante -

Muy acido Hollin

Parafina -

Se realizó el ensayo de reactividad con un ácido orgánico (acetona CH3(CO)CH3),

pero este no presentó ninguna reacción en un periodo de 15 segundos en ninguna

de las muestras por lo que no se realizó ningún registro fotográfico.

ANÁLISIS

Siguiendo las tablas proporcionadas en la guía del laboratorio se realizó el siguiente

análisis:

Para la muestra 1, teniendo en cuenta que:

es un material semi-rígido

es fácil de incendiar

continua ardiendo después de prender

se funde y gotea

el color de humos es blanco

su olor de los vapores es a parafina

Se puede inferir que es una poliolefina, más concretamente polietileno de alta

densidad, ultra alto peso molecular o polipropileno. Aunque la prueba de densidad

no fue determinante para identificar este polímero, al sumergirse en la solución de

alcohol-agua, se puede decir que la densidad de la muestra 1 se encuentra entre

(0.95 – 1) g/cm3. De las tres opciones la que más se acerca a este rango de

densidad es el polietileno de alta densidad; descartando el polipropileno porque

tiene una densidad menor a 0.95 g/cm3, sin embargo, el polietileno de ultra alto

peso molecular no se puede descartar a pesar que su rango de densidad es muy

amplio (0.94-1.020 g/cm3).

En la muestra 2, la cual presentó:

mayor rigidez

facilidad para incendiar

goteo al fundirse

olor de los vapores fue a caucho quemado

flama continua después de arder

color de humos fue blanco

En este caso la identificación del tipo del polímero es un poco confusa ya que no se

presentaron muchas evidencias que lleven hacia un material en particular, sin

embargo, de acuerdo al olor que presentó los vapores se puede presumir que es de

la familia de los estirenos dentro de los cuales se encuentran los siguientes

polímeros:

- poliestireno(PS)

- poliestireno grado impacto(PS-I)

- estireno butadieno(SB)

- acrilonitrilo/butadieno/estireno(ABS)

- acrilonitrilo/estireno/acrilato(ASA)

Teniendo en cuenta, la tabla 2 este material presenta una densidad menor a 0.956

g/cm3. Pero no es suficiente para determinar la clase de estireno. No obstante cabe

la posibilidad que la características experimentales hayan quedado mal

determinadas por tal razón puede que este polímero sea de otra familia polimerica.

Tanto para el material 1 y 2 el color de la llama no fue único, ya que se presentaba

distintos colores como se ve en la tabla 4. Por lo tanto no se puede tomar como una

característica que permita identificar el tipo de polímero.

Para la muestra 3, las características fueron las siguientes:

traslucidez

rígido

sumergió en todas soluciones, menos en la de agua.

el olor de humos es picante

color de flama azul

residuo de goteo carbonizado

no presento humos visible

De estas las más claras de identificar fue el color de la llama (azul), su traslucidez,

olor de humos picante; además, este se sumergió en la solución más densa (sal

concentrada). Teniendo en cuenta que son pocos los polímeros que no flotan,

dentro de los cuales se encuentran: acetal, cloruro de polivinilo rígido, melanina,

polibutilen tereftalato, poliuretano, de estos el único que presenta un olor de los

vapores picante con el color de la flama azul y traslucido es el acetal, por tanto,

existe una gran probabilidad que el material 2 sea el POM(poliacetal).

Hay que mencionar que el dato de densidad en la solución de agua pura no es

coherente con la teoría, ya que si se sumergió en la solución de sal concentrada,

con una densidad de 1.095 g/cm3, es de esperar que también se sumerja en agua;

por tanto no presenta ninguna validez teórica.

En la muestra 4, su comportamiento fue el siguiente:

es flexible

traslucido

se sumergió en todas las soluciones.

Fue difícil de incendiar, prácticamente no presentó flama.

Tuvo un fuerte olor acido, de los vapores.

Presento hollín.

es auto extinguible.

Para identificar qué tipo de polímero, la característica más relevante es su

flexibilidad, su fuerte olor ácido y su desprendimiento de hollín. Entonces, de los

polímeros flexibles (EVA, PVC-F, SB, TPE, PEBD, PUR-F, TPU, SI) el que presenta

un olor de vapor acido y que desprende hollín es el PVC-F, teóricamente tiene una

densidad de 1.24 g/cm3, por lo tanto, se sumerge en soluciones con menor densidad

como sucedió en la práctica.

En cuanto a la muestra 5, que tuvo las siguientes características:

semi-rígido

flotó en todas las soluciones menos en la solución de alcohol.

Fácil de incendiar

Olor de vapores a parafina

Se funde y gotea

El color de humos fue blanco

Se pudo determinar que presenta las mismas características de la muestra 1, solo

que este mostró menos flexibilidad, por lo tanto, tendría las mismas opciones de ser

un polietileno de alta densidad, alta alto peso molecular o ser polipropileno. Pero, al

tener en cuenta que la densidad del polipropileno es de 0.91 g/cm3 no tendría por

qué sumergirse en la solución de alcohol que tiene una densidad de 0.95 g/cm3.

Entonces el material 5 solo podría ser HDPE o UHMWPE, por otra parte,

teóricamente es de esperar que el polietileno de mayor peso(o densidad) tenga una

mayor cristalinidad lo que repercute en sus propiedades mecánicas, es decir, una

mayor rigidez. Nuevamente, al mirar tabla 1 el mas rígido es la muestra 5 con lo

cual se podría presumir que el material 5 es un polietileno de ultra alta peso

molecular.

En general, la prueba para medir el grado de resistencia de los plásticos a

flexionarse podría generar confusiones, en cuanto a distinguir si un plástico es rígido

o semi-rígido, porque en la práctica solo se hizo un esfuerzo moderado para su

identificación mecánica, lo correcto hubiera sido intentar flexionarlo hasta el punto

de la rotura ya que en este punto si el material es rígido se fracciona y si es semi-

rígido soportará una mayor flexión pudiendo o no mostrar fractura.

En cuanto a las prueba para determinar las propiedades ópticas, con la cual se

determina el grado de luz que puede pasar un a través de un cuerpo, no es muy

confiable ya que un material puede ser traslucido pero en su proceso de fabricación

existe la probabilidad que tuviera cambios por la incorporación de cargas

ocasionando la opacidad de este. Por último, en prueba de combustibilidad el grado

de confiabilidad depende de la experiencia de la persona que lo realice, porque

existen ciertos olores de vapores que no son fáciles de diferenciar, como el olor

ácido del picante y en el color de la flama ya que no necesariamente esta es de un

solo color. En cuanto a la prueba del efecto en solvente no se pudo tomar en

cuenta por que no se realizó como debía ya que se hizo en un porta objetos y no se

observó ningún cambio de hinchamiento o solubilidad apreciable.

No obstante, este tipo de pruebas básicas sirven para tener una idea previa del tipo

o familia de polímeros con que se está trabajando; pero para una mejor

identificación es necesario otro tipo de pruebas complementarias que hagan

minimizar el riesgo de equivocarse.

CONCLUSIONES

Con la experiencia de la práctica, las pruebas de combustibilidad podría ser

eficaces y rápidas para realizar una identificación previa del tipo de familia

polimérica de cualquier material plástico.

se debe realizar un esfuerzo de flexión hasta la rotura, para evitar

confusiones en determinar la rigidez del material.

Las propiedades ópticas de un polímero podrían variar por el tipo de

procesamiento de tengan, por tanto, no es una prueba confiable para realizar

una identificación polimérica.

Todas las pruebas en conjunto (mecánica, físicas y de combustibilidad)

sirven para tener una idea previa del tipo o familia de polímeros, sin que su

costo sea alto.

REFERENCIAS

1. Bove-ag. Plásticos y Elastómeros, [consultado el 15 de noviembre de 2013],

disponible en internet http://www.plasticos-

mecanizables.com/plasticos_densidades.html

2. Cornish, M. El ABC de los plásticos. Ciudad de México: universidad

Iberoamericana, 1997, pp. 27-34.[consultado en 15 de noviembre de 2013],

disponible en internert

http://books.google.com.co/books?id=QW8UyW9YO9QC&pg=PA26&lpg=PA26&dq=

densidad+estireno+butadieno+SB&source=bl&ots=VCBSAeiGbO&sig=8C3Vv-

bawd7OFd_xP_9elNBDUJA&hl=es&sa=X&ei=6_2LUpr_JM6hsAT644HQBw&ved=0

CDkQ6AEwAg#v=onepage&q=densidad%20estireno%20butadieno%20SB&f=true

3. Guía de laboratorio Identificación y calidad de polímeros.