POLÍMEROS

Fernando Antonio Almanza Cazares.Ing. Electromecánica.

INDICE

Definición. Tipos de polímeros. Clasificación de polímeros. Polimerización. Propiedades generales. Características de los polímeros. Polímeros termoplásticos. Polímeros termoestables. Procesos mas comunes.

DEFINICIÓN DE POLÍMEROS. Polímero poli : muchos – meros : partes. Los polímeros se producen por la unión de cientos de

miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros (grupos funcionales) que forman enormes cadenas de las formas más diversas.

La mayor parte de los polímeros están formados por estructuras de carbón y por tanto se consideran compuestos orgánicos.

Aunque existen polímeros naturales de gran valor comercial, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria, son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.

Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas.

En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

Se define grado de polimerización al número de veces que se repite el monómero para formar la macromolécula, en valor promedio.

grados de polimerización muy bajos → se obtienen líquidos a temperatura ambiente (aceites sintéticos y ceras)

grados de polimerización superiores → el producto será normalmente un sólido a temperatura ambiente, aumentando progresivamente su temperatura de fusión, hasta llegar a tamaños donde este valor se estabiliza y es característico de cada polímero.

Los polímeros provienen mayoritariamente del petróleo (mezcla de hidrocarburos).

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TIPOS DE POLÍMEROS: TAMAÑO.

Los oligómeros tienen pesos moleculares inferiores a 1500 y longitudes de cadena inferiores a 50 Å, son solubles y pueden destilarse.

Los polímeros pueden clasificarse en: Hemicoloídes: 1500-5000g/mol. Longitud de cadena 50-500Å

Mesocoloídes- Tienen pesos moleculares entre 5.000 y 10.000 y longitudes de cadena de 500 Å a 2500 Å.

Eucoloídes- Tienen pesos moleculares mayores de 10.000 y longitudes de cadena mayores de 2500 Å.

TIPOS DE POLÍMEROS: NATURALEZA DE LOS MONÓMEROS Homopolímeros- Todos los monómeros que los

constituyen son iguales .

Copolímeros- Están formados por 2 o más monómeros diferentes.

TIPOS DE POLÍMEROS: COPOLÍMEROS Copolímero aleatorio: Está formado por una

disposición aleatoria de dos ó más monómeros.

Copolímero en bloques: Tiene bloques de monómeros del mismo tipo.

Copolímeros de injerto: Poseen una cadena principal de un solo tipo de monómero con ramas de otros monómeros.

TIPOS DE POLÍMEROS: ESTRUCTURA DE LACADENA

Lineal: Se repite siempre el mismo tipo de unión.

Ramificado: Con cadenas laterales unidas a la principal.

Entrecruzado: Si se forman enlaces entre cadenas vecinas.

TIPOS DE POLÍMEROS: RAMIFICADOS

Hay muchos tipos entre los que cabe destacar las estructuras: En árbol o en estrella.

Dendrímeros: Polímeros con un alto grado de ramificación.

TIPOS DE POLÍMEROS: ENTRECRUZADOS

Unión directa: Si se forman directamente entre las mismas cadenas.

A través de una tercera molécula: Cuando lo hacen con un injerto.

Aunque nos son tan fuertes como los enlaces dentro de la cadena, estos entrecruzamientos tienen un importante efecto sobre el polímero.

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CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS

Mecanismos de polimerización.

Estructuras de los polímeros.

Comportamiento de los polímeros.

MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN.

Polímeros por adición (en cadena): Se producen al unir covalentemente las moléculas formando cadenas muy largas (polietileno de alta y baja densidad, PVC, polipropileno, teflón acrílico, ABS).

Polímeros por condensación (por etapas): Son producidos cuando se unen dos o más tipos de moléculas mediante una reacción química que libera un producto colateral. ( nylon 6,6, poliéster, policarbonato, acetato de celulosa).

ESTRUCTURAS DE LOS POLÍMEROS Polímeros lineales: Forman largas cadenas que

contienen miles de moléculas (se pueden formar por adición o por condensación)

Polímeros de red: Son estructuras reticulares tridimensionales producida por proceso de enlaces cruzados (se pueden formar por adición o por condensación)

COMPORTAMIENTO DE LOS POLÍMEROS. Polímeros Termoplásticos: Se comportan de

manera plástica a alta temperatura (enlaces no se modifican considerablemente al elevar temperatura), son lineales. Para ser conformados se aplica calor y al enfriarse adquieren forma definitiva. Pueden ser recalentados y reformados. Muchos poseen larga cadena de carbono. A veces tienen también Nitrógeno, oxigeno y azufre unidos covalentemente.

Polímeros Termoestables: Fabricados con forma permanente y después de vulcanizados o endurecidos por reacciones químicas, no se pueden refundir Polímeros de red formados por condensación, se degradan con el calentamiento y no pueden ser reciclados

Elastómeros (cauchos y hules): Capacidad de deformarse elásticamente (mantiene forma) Los hay naturales como el caucho y artificiales como el caucho de estireno-butadieno.

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DEFINICIÓN DE POLIMERIZACIÓN

La polimerización es el proceso por el cual se unen pequeñas moléculas para crear las macromoléculas Al el tamaño del polímero el punto de fusión polímero más resistente y rígido. La unidad más pequeña que se repite en la cadena se denomina mero.

GP: grado de polimerización: número de meros en la cadena polimérica

ETAPAS EN LA POLIMERIZACIÓN EN CADENA

Iniciación: Utiliza un catalizador para promover la formación de radicales libres (grupo de átomos que teniendo un electrón libre puede unirse covalentemente al electrón libre de otra molécula) al aplicar calor. Etileno puede utilizar como catalizador peróxidos orgánicos (peroxido de benzoilo).

Propagación: Es la extensión de la cadena polimérica por sucesiva adición de unidades de monómeros

Crecimiento continuado porque la energía del sistema químico se reduce por el proceso.

Terminación: Puede suceder por la adición de un radical libre finalizador; cuando dos cadenas se combina o mediante impurezas que detienen

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PROPIEDADES GENERALES Ligeros

Impermeables

Aislantes eléctricos

Baja resistencia mecánica

Tiene en general bajo costo

Resistentes contra la corrosión

Se pueden conformar fácilmente

No adecuados para usos a temperaturasIndice

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Corresponden a las reacciones que el plástico

presenta ante fuerzas ejercidas por la compresión o ante la tracción, resistencia a la flexión o a la respectiva dureza ante el rayado

Propiedades mecánicas de los plásticos.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. Es decir su comportamiento ante las grasas, los

solventes orgánicos, los álcalis, los ácidos, bien sean débiles o fuertes; o frente a la acción de la luz solar, la capacidad de barrera que puedan presentar a los gases o al vapor de agua.

Tienen capacidad de absorber o rechazar el agua de manera distintas. Cada plástico posee una determinada permeabilidad al oxígeno, al aire, o al gas carbónico. Presentan índices de refracción y de transmisión de luz típicos a cada clase. Cada plástico tiene densidad diferente

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS.

CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS. Por ejemplo su rápida, lenta o nula propagación de la

llama, su variación dimensional ante diferentes temperaturas, el calor específico y lo que es más importante para cualquier empaque, la temperatura máxima a la cual puede someterse, llamada temperatura máxima de uso, al igual que las temperaturas necesarias para el proceso de transformación de materia prima a envase o empaque.

Como la rigidez que puede presentar en presencia de corrientes eléctricas, la constante dieléctrica ante las diferentes frecuencias eléctricas, su resistividad eléctrica o su ángulo de fuga eléctrica

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS.

CARACTERÍSTICAS TECNOLÓGICAS

Se refiere a algunos de los procesos tecnológicos que se tienen a disposición como por ejemplo, el factor de contracción, calidad de terminado en su fabricación, posibilidad de tratamientos posteriores, como impresión gráfica por calor o por presión, decoración o cualquier otra particularización que se desee aplicar al envase

Como los diferentes costos entre uno y otro polímero, facilidad de consecución de las materias primas y los equipos para el proceso. Origen de las materias primas. Disponibilidad de pequeños o grandes volúmenes y su almacenamiento requerido

Políticas gubernamentales de importación o exportación y volumen de consumo de estos materiales en el país

CARACTERÍSTICAS COMERCIALES

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POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS. Requieren calor para ser conformados Se componen de cadenas largas con enlaces

secundarios tipo dipolo permanente Pueden reprocesarse varias veces Algunos son:

Polietilenos Vinílico Nylon Acrílicos

POLIETILENOS Polímero de mayor utilización (32 %) Polimerización por adición

Dos tipos: Polietileno de baja densidad Polietileno de alta densidad

POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD Moléculas alineadas → polímero más cristalino;

densidad: 0,94 a 0,96 g/cm3. Tf:110 a 137 ºC Características: sólido, incoloro, inodoro y no toxico;

rígido y resistente a agentes químicos. permite esterilización; impermeable a líquidos y vapores.

Posee buenas cualidades de moldeo Como materia prima se presenta en polvo fino, hojas,

filmes, tubos y gránulos Usos:

Embalaje: 40% Películas: 20% Inyección de cajones: 18% Soplado de tambores: 7% Otros: 15% donde se requiera rigidez y dureza (tuberías de

alta presión)

POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD

Moléculas ramificadas → cadenas menos ordenadas → polímero menos denso. 0,93 g/cm3

Características: bajo costo; de translucido a opaco, inodoro e insípido, no tóxico

no soporta Tº de esterilización. Absorbe y puede ser permeable a los aceites, gases(CO2, O2) y aromas

Oxidable durante el procesado. Coloreado con facilidad Usos:

Películas (bolsas, envases, etc): 65% Inyección (juguetes, menajes,etc):16% soplado (botellas, bidones): 15% Otros: 3%

POLIPROPILENO Obtenido a partir de propileno, Bastante similar a

polietileno y puede copolimerizarse con él. Densidad: 0,90 g/cm3. Tf:165 a 177 ºC

Polimerización por adición Características: excelente transparencia,

resistente al calor, dureza superficial y estabilidad dimensional, buena resistencia química

Usos: Películas (bolsas para horno) Aparatos eléctricos, juguetes, tapas de botella. Industria automotriz, etc.

POLICLORURO DE VINILO (PVC)

Propiedades depende directamente de condiciones y métodos de polimerización y aditivos empleados.

Características: resistente al ataque de acidos y bases; inestable al calor y radiación ultravioleta, insoluble en mayoria de solventes.

Usos: Forma rígida: para fabricar tubos, cañerías y

discos, botellas. Forma Flexible: manteles, cortinas de baño,

tapicería de automóviles Porcentaje de utilización:

Cañería: 30% Botellas: 25% Películas y laminas, cables, calzado: 10% c/u

POLIESTIRENO Obtenido a partir de estireno, polimeriza fácilmente;

Densidad: 1,05 g/cm3. Tf:150 a 243 ºC Polimerización por adición Características: es rígido, duro y frágil, posee buenas

propiedades ópticas; gran estabilidad dimensional; baja conductividad térmica (se usa como espuma aislante); costo bajo y es soluble en acetona, benceno y tetracloruro de carbono. Tiene poca resistencia al impacto y a la traccion.

Se mezcla y se puede moldear con casi todo los sistemas.

Usos: envases lácteos, aplicaciones eléctricas, aislamiento térmicos (PS expandido (telgopor)), cassettes, CD, etc

POLIMETILMETACRILATO DE METILO (PMMA)

El monómero es el metilacrilato de metilo Se le conoce como acrílico, lucite o plexiglas Polimerización por adición Características: alto índice de refracción, solidó, buena

resistencia a inclemencias y mas resistente al impacto que el vidrio.

Usos: se utiliza para reemplazar el vidrio, se hacen tubos, hojas y objetos de molde transparentes para letreros, lentes y también se usan en pinturas en emulsión.

POLITETRAFLUOROETILENO (PTFE) Mejor conocido como teflón Características: altos rangos de fusión, no inflamable,

antiadherente. Estable hasta 380 ºC y estable frente a bases y ácidos hirvientes

Usos. Revestimiento de interiores de recipientes, cojinetes, etc.

POLIAMIDAS (NYLON) Se denomina nylon 6,6; Tf:250 a 266 ºC Polimerización por condensación Copolimero formado a partir de dos moléculas

diferentes Características: más resistente que cualquier fibra

natural; tenaz, mal conductor eléctrico, no lo atacan bacterias, hongos y polillas, inerte a productos químicos corrosivos

Usos: hilado se usa en telas, etc, cojinetes no lubricados, piezas mecánicas, piezas antifricción, piezas eléctricas, aislamientos de alambres, etc.

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POLÍMEROS TERMOESTABLES

Polímeros que al ser calentados, catalizados, etc. sufren una reacción química estructura macromolecular con redes entrecruzadas (tipo reticular)

No pueden ser refundidos porque se degradan

Algunas propiedades generales Alta estabilidad térmica; alta rigidez; Alta

estabilidad dimensional; resistencia a la temofluencia; peso ligero, altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico.

FENÓLICOS Uno de los primeros fue la bakelita Se obtiene a partir de la reacción del fenol con el

formaldehido. Tienen elevada dureza, rigidez; también tienen buena

resistencia mecánica y química. Tienen buenas propiedades aislantes eléctricas y

térmicas Son buenos adhesivos

RESINAS EPOXI Buena adherencia a otros materiales Tienen buena resistencia mecánica y química. Tienen buenas propiedades como aislantes eléctricas Deben ser curadas con agentes de ligamento cruzado

y/o catalíticos Algunas aplicaciones

Recubrimientos protectores o decorativos Forros para latas y baterías Aislantes de alto voltaje, enchufes. Como material matriz en materiales compuestos

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PROCESOS MAS COMUNES Moldeo por inyección Moldeo por compresión Soplado de cuerpos huecos Moldeo rotacional Soplado de films Extrusión y recubrimiento Calandrado Termoformado

MOLDEO POR INYECCIÓN En el proceso de moldeo por inyección se funde el

plástico en un extrusor y se utiliza el tornillo del extrusor para inyectar el plástico en un molde donde se enfría. La velocidad y consistencia son elementos claves para que la operación de moldeo por inyección sea exitosa, ya que los márgenes de ganancia generalmente están por debajo del 10 por ciento.

Procesos

MOLDEO POR COMPRESIÓN El moldeo por compresión es un método de moldeo en

el que el material de moldeo, en general precalentado, es colocado en la cavidad del molde abierto. El molde se cierra, se aplica calor y presión para forzar al material a entrar en contacto con todas las áreas del molde, mientras que el calor y la presión se mantiene hasta que el material de moldeo se ha curado.

Procesos

SOPLADO DE CUERPOS HUECOS El soplado de cuerpos huecos está muy ligado a la

fabricación de envases, de botellas. Y las botellas, indiscutiblemente, muy ligadas al PET, el material más utilizado en el envasado de bebidas y alimentos líquidos.

El moldeo por soplado es responsable de una parte sustancial de la producción total de plásticos. Aparte de la técnica del moldeo rotacional, muy específica para determinadas aplicaciones y minoritaria en términos de volumen de mercado, para el moldeo de envases y otros productos similares, se recurre al proceso de extrusión-soplado o al de inyección-soplado. En el primero de ellos, el de extrusión-soplado, se extruye un elemento tubular, (parison) q

Procesos

MOLDEO ROTACIONAL El moldeo rotacional o rotomoldeado es un método

para transformar plásticos, que generalmente se encuentran en polvo, para obtener artículos huecos. El proceso es simple como se muestra a continuación.

Procesos

SOPLADO DE FILMS

El sistema consiste en la fusión del polímero para hacerlo pasas a través de un cabezal de soplado, el cual mediante la incorporación de aire a presión produce una capa fina de material homogénea. Este film, tras ser enfriado en el anillo de enfriamiento para dar consistencia, es estabilizado para fijar sus dimensiones (espesor) tras lo que pasa a procesos de acabado. Finalmente puede ser bobinado o transformado en bolsa.

Procesos

EXTRUSIÓN Y RECUBRIMIENTO

El recubrimiento de extrusión y el laminado de extrusión son procesos de conversión que permiten combinar diferentes materiales de sustratos para obtener una sola estructura compuesta. Los materiales pueden ser plásticos, papel, cartón o láminas de aluminio.

Procesos

CALANDRADO La calandra o calandria es una maquina que se basa

en una serie de rodillos de presión que se utilizan para formar o una hoja lisa de material. La aplicación principal de las calandras se encuentra en el final proceso de fabricación de papel. 

El calandrado también se puede aplicar a otras materias distintas del papel, cuando es deseable una superficie lisa y plana, como el algodón, linos, sedas y diversas telas hechas por el hombre y los polímeros, tales como láminas de polímero como vinilo (PVC) y ABS, y en menor medida, polietileno de alta densidad (HDPE) , polipropileno y poliestireno.

Procesos

TERMOFORMADO El termoformado es un proceso de trasformación de

plástico que involucra una lámina de plástico que es calentada y que toma la forma del molde sobre el que se coloca. El termoformado puede llevarse a cabo por medio de vacío, presión y temperatura.

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