POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA GRUPO POLÍMEROS
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POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS
FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA
GRUPO POLÍMEROS
DEPARTAMENTO CIENCIAS DEL AMBIENTE
FACULTAD QUÍMICA Y BIOLOGÍA
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
SANTIAGO, CHILE
PROGRAMA EXPLORA-CONICYT
2 DE MAYO DEL 2006
US
AC
H
Los polímeros poseen muchos atractivos: Primitivamente se andaba descalzo o se protegía los pies con cuero de animales. El cuero es un
polímero natural ………
•Esta zapatilla posee exteriores de cuero y también nylon. La suela es de un caucho rígido llamado caucho SBS.
Los mismos materiales conforman estas botas de paseo incluyendo las plantillas, que son de espuma de poliuretano
Los cordones de los zapatos están hechos a base de nylon y algodón. El algodón es otro polímero natural: celulosa.
También los hay revestidos con PVC el mismo plástico que suele encontrarse en los techos vinílicos de los autos y recubrimientos vinílicos.
“Calzado de pato” es excelente para mantener sus pies secos en días de lluvia. Está fabricado con cauchonatural, el poliisopreno
Los calcetines no se tendrían sinpolímeros como el algodón y mate-riales sintéticos como el poliéster y elnylon. Y los que llevan una bandaelástica contienen otro polímero elcaucho natural..
CONTENIDO
POLIMEROS: Definiciones, conceptos, Características
PLASTICOS: Procesamientos, Aplicaciones
POLIMEROS• Polímero: molécula muy grande, resultante
de millares de moléculas pequeñas, unidas químicamente entre sí. Macromolécula gigante.
• Los términos macromolécula y polímero se utilizan como sinónimos, sin embargo polímero es la palabra más frecuentemente utilizada en lo relacionado a los plásticos. Describe mejor a las especies que presentan muchas (poli) de una unidad (mero).
Es una macromolécula formada por la unión de moléculas de menor tamaño que se conocen como monómeros.
1 MONOMEROn n 2 DIMERO3 TRIMERO4 -20 OLIGOMEROS> 20 POLIMERO
POLIMEROS:POLIMEROS:¿Que es un polímero?¿Que es un polímero?
Clasificación de Polímeros
• Origen : Naturales y Sintéticos
• Estructura de la cadena:
Lineales y Ramificados
• Composición de la cadena:
Homopolímeros y Copolímeros.
POLIMEROS NATURALES
– PROTEÍNAS
HemoglobinaHemoglobina
CELULOSA
Hidrato de carbonoHidrato de carbono
ALMIDÓNALMIDÓN
POLIMEROS NATURALES: ADN
AT
G
C
C
G
T
A
O
OH H
HHH H
CH2
N
N
N
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HNN
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O
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OH
H HHH
CH2
O
OH
H HHH
CH2
O
PO2
O
OPO2
PO2
P
OH
POLIETILENO• El polietileno de alta densidad (PAD):
– es un sólido rígido translúcido – se ablanda por calentamiento y puede ser moldeado como películas delgadas y
envases– a temperatura ambiente no se deforma ni estira con facilidad. Se vuelve quebradizo a
-80 °C. – es insoluble en agua y en la mayoría de los solventes orgánicos.
• El polietileno de baja densidad (PBD):– Es un sólido blando translúcido– Se deforma completamente por calentamiento. Sus films se estiran fácilmente, por lo
que se usan comúnmente para envoltorios (de comida, por ejemplo). – Es insoluble en agua, pero se ablanda e hincha en presencia de solventes
hidrocarbonados– También se vuelve quebradizo a -80 ° C
POLICARBONATO
200 veces más resistente 200 veces más resistente que el vidrio al impactoque el vidrio al impacto
GOMA: uniones S-S entre cadenas• La goma natural es un sólido opaco, blando y fácilmente
deformable que se vuelve pegajoso al calentarlo y quebradizo al enfriarlo. Es impermeable al agua pero puede disolverse en solventes orgánicos. Puede pensarse como derivado del monómero isopreno, el cual es un líquido volátil.
GOMA GOMA VULCANIZADAVULCANIZADA
NYLON: UNIONES PUENTE DE HIDRÓGENO ENTRE CADENAS
NYLON 6,6NYLON 6,6
LinealLineal
RamificadoRamificado
EntrecruzadoEntrecruzado
ESTRUCTURA DE LA CADENAESTRUCTURA DE LA CADENATIPOS DE POLÍMEROSTIPOS DE POLÍMEROS
Composición de cadena
• HOMOPOLÍMEROS
Formados por la misma unidad monoméricas.
• COPOLÍMEROS
Formados por distintas unidades monoméricas.
Copolímero
• Copolímero al azar: A-B-C-A-A-B• Copolímero Alternado: A-B-A-B-A-B• Copolímero en Bloque: A-A-A-B-B-B• Copolímero Injertado:
A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A B B B B B B
PolimerizaciónLa reacción química por la cual se obtienen los polímeros sintéticos se denomina polimerización. Todas las polimerizaciones tienen un detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que se van uniendo entre sí para formar moléculas gigantes. Llamamos monómeros a estas moléculas pequeñas que originan polímeros.
Se suele distinguir entre Polimerización por ADICION y por CONDENSACION.
ADICION
A + A + A + A …….+ A = A-A-A-A-….A o -(A)n-
CONDENSACION :
n X-A-Y = X-A-A-A-A-Y + (n-1) XY
o X-(A)n-Y + (n-1)XY
Características Polimerización por Adición
• Los monómeros poseen uno o dos enlaces dobles o triples Alquenos y Alquinos.
• Los monómeros utilizan los enlaces dobles o triples para unirse entre si.
• Presenta tres etapas: Iniciación, Propagación y Terminación
• El iniciador puede ser un Cation ,Anion o radical
Características de Condensación
• Se forma por un mecanismo de reacciones en etapas
• No depende de la reacción anterior• Los polímeros se forman por la reacción con
Diácidos carboxílicos, Diaminas y Dialcoholes.• Por cada enlace que se forma se libera una
molécula de agua.
Clasificación de sintéticos según propiedades
• Fibras:
- Son hebras ordenadas en una dirección.
- Fuerzas intermoleculares entre las cadenas
- Ejemplos: Nylon, Polietileno.
Elastómeros
• Son polímeros amorfos
• Las cadenas se extienden en sentido de la fuerza
• Vuelven a su forma original después de la aplicación de la fuerza.
• Ejemplo: Caucho y neopreno
Plásticos
• Presentan propiedades intermedias entre fibras y elastómeros.
• Se pueden moldear a diferentes formas
• Presentan elasticidad y flexibilidad.
• Ejemplos: Bolsas de plásticos
Clasificación frente al calor.
• Termoplásticos:
- Sus cadenas lineales o ramificadas no están unidas
- Se reblandecen con el aumento de la temperatura.
- Se pueden fundir y moldear varias veces.
- Son reciclables.
Termoestables
• Sus cadenas esta interconectadas.
• Tienen formas permanentes.
• No se pueden volver a procesar.
• Frágiles y rígidos.
• No pueden cambiar su forma.
Polimerización por adición
• Polimerización por adición catiónicas.
- Presenta tres etapas:
Iniciación, Propagación y Terminación.
- El iniciador es un acido.
- Se forma un Carbocation.
- Se finaliza cuando se encuentra el carbocatión y el anion del acido.
Polimerización por adición aniónica.
- Presenta tres etapas :
Iniciación , propagación y terminación
- El iniciador es un Metal.
- Se forma un carboanión.
- El termino de la polimerización se realiza con la adición de agua.
COPOLIMERIZACION
La copolimerización consiste en la formación de macromoléculas a partir de dos o más monómeros de estructura química diferente. Esto conduce a la obtención de una extensa gama de productos cuya naturaleza va a depender de la naturaleza de los monómeros, de su concentración relativa en la mezcla reaccionante y de la secuencia en que se unan durante el proceso de polimerización.
La copolimerización es importante para obtener productos con determinadas características físicas,útiles para aplicaciones específicas.
En los copolímeros según la ubicación de las unidades a lolargo de la cadena se distinguen:
Copolímeros al azar o estadísticos: A-B-B-A-B-A-A-A-……
Copolímeros alternados: A-B-A-B-A-B-A-B-A-B……
Copolímeros en bloque: A-A-….A-BBBBBB….BAAAAA…ABBBB…..
Copolímeros de injerto: AAAAAAAAAAAAAA…….AAAA BBBBBB BBBBBB
CARACTERÍSTICAS, PROPIEDADES DE POLIMEROS
PROPIEDADES QUIMICASSimilares a la de las moléculas pequeñas. Experimentanlas mismas reacciones aunque su velocidad de reaccióny eficiencia se ven influenciadas por el tamaño molecular.
NOMENCLATURADiversas formas para nombrarlos:Fuente de preparación: Es la forma más simple y más usada para nombrar alos polímeros. Poli(nombre del monómero), Polietileno, Poli(óxido de etileno)Poli(metacrilato de metilo)Basada en Estructura: Se usa en los polímeros de condensación a partir de dos monómeros. Poli(estructura química), Poli(hexametilen adipamida), Poli(etilen tereftalato). Nombres Comerciales: Nylon 6,6, Nylon 6, Teflon, otros.
Los polímeros a diferencia de las moléculas pequeñas no presentan un peso molecular único, sino que el polímero resultante es una mezcla de polímeros de la misma naturaleza pero de diversos de tamaño moleculares. Se tiene un peso molecular promedio. Mn Mv Mw.
PESO MOLECULAR
Distribución de Pesos Moleculares, DPM, indica cuandisperso, en cuanto a tamaño molecular, es un polímero.
ESTRUCTURA DE LAS CADENAS POLIMERO
Como resultado del mecanismo y proceso de
polimerización como también de la naturaleza
de los monómeros que generan el polímero,
las cadenas polímero pueden ser lineales,
ramificadas e incluso entrecruzadas.
ESTRUCTURA DE POLIMEROS
Lineal
Ramificado (A)
Ramificado (B)
Ramificado (C)
Entrecruzado
CRISTALINO, AMORFO
La mayoría de los polímeros pueden presentar
características tanto de sólidos cristalinos como de
líquidos altamente viscosos.
Se usa los términos Cristalino y Amorfo que indican
regiones ordenadas y desordenadas.
La mayoría de los polímeros son con carácter
parcial o semi cristalinos.
POLIMERO CRISTALINO NO-ORIENTADO
POLIMERO CRISTALINO ORIENTADO
ESTEREOREGULARIDAD
Se utiliza la terminología de polímeros
atácticos, isotácticos y sindiotácticos para
indicar el ordenamiento, a lo largo de la
cadena polímero, de los grupos laterales
presentes en la unidad repetitiva del
polímero.
ESTEREOREGULARIDAD EN POLIMEROS
PS Atáctico PS isotáctico 1955 G. Natta
PS sindiotáctico 1985 N. Ishihara
Amorfo Cristalino Cristalino
Veloc. Cristn. ------ Lenta RápidaTg, (ºC) 100 99 100Tm, (ºC) ------ 240 270
6,65 A5,06 A
TRANSICIONES TERMICAS EN POLIMEROS
Se distinguen dos tipos de temperatura de transición:Tg y Tm
Temperatura de Transición Cristalina, Tm, correspondea fusión de la componente cristalina del polímero.
Temperatura de Transición vitrea, Tg, por debajo deella la porción amorfa del polímero adquiere las carac-terísticas del estado vitreo.
TERMOPLASTICOS, TERMOESTABLES
La terminología termoplástico y termoestable se
usa para indicar el comportamiento en cuanto a
temperatura de un material polimérico.
Termoplástico, para aquellos que se ablandan,
funde y fluyen por aplicación de presión y
temperatura. Se pueden moldear una y otra vez.
Termoestable, materiales infusible e insolubles,
pueden ser moldeados sólo una vez. Corresponden
a polímeros altamente entrecruzados.
La utilidad de un polímero como material depende de sus propiedades y características. En estas están involucrados:
APLICACIONES DE LOS POLIMEROS
Dependiendo de la combinación particular de estos parámetros, un polímero se podrá utilizar como:
tamaño molecular (PM), grado de cristalinidad, grado de entrecruzamiento, temperaturas Tg y Tm.
FIBRA PLASTICO RIGIDO
PLASTICO FLEXIBLE ELASTOMERO
FIBRAS
Alta resistencia a la deformación, bajas elongaciones.
Polímeros altamente cristalinos con cadenas polaresque presentan fuerzas secundarias fuertes.
Se usa estiramiento mecánico para alcanzar altacristalinidad.
Con Tm 200ºC y 300ºC. Tg intermedio aprox. 50ºC.
PLASTICOS RIGIDOSAlta rigidez y resistencia a la deformación.Polímeros amorfos con grupos laterales voluminosos o con alto grado de entre-cruzamiento.
PLASTICOS FLEXIBLESGrado de cristalinidad de moderado a alto, amplia variedad para Tm y Tg.
Pueden experimentar fácilmente elongaciones reversibles muy grandes.
ELASTOMEROS
Corresponden a polímeros amorfos, con Tg baja, fuerzas secundarias bajas, y con un cierto grado de entrecruzamiento.
Elastómeros Plásticos Fibras
Poliisopreno
Poliisobutileno
Polibutadieno
Poli(cloruro vinilo)
Poliuretanos
Polysiloxanes
Polietileno
Politetrafluoretileno
Poliestireno
Poli(metacrilato metilo)
fenol-formaldehido
urea-formaldehido
melamina-formaldehido
Poliamida
Poliéster
Polipropileno
Aplicaciones de Polímeros
SINTESIS, PREPARACION DE POLIMEROS
SINTESIS, PREPARACION DE COPOLIMEROS
MEZCLAS DE POLIMEROS/COPOLIMEROS
MEZCLA DE POLIMEROS
ALGUNOS COMPONENTES DE AUTOMOVILES
Parachoques, ABS
Neumáticos: Rodaje: P(SBS), Lateral: P(isopreno), Interior:P(isobutileno), Refuerzo: Cuer-da Kevlar, Nylon-6
Limpiaparabrisas: Poliisopreno
Filtro de Aire:Papel (celulosa)
Manguera: Polibutadieno Bidon: PolietilenoAlfombra: Nylon
No hay mejor lugar para sumergirse en el mundo de los polímeros que unnegocio de piscinas e hidromasajes.
Antiparra: Poliisopreno, PolibutadienoCristales: Policarbonato
Pileta Natación: PVC
Bañera: Superficie, PMMA
Salvavidas:Espuma PS,Cuerdas: Nylon
JuguetesInflables:PE, PVC
Balsa: PVCEspuma PS Redes: Nylon
Y en los deportes…
Pelota Basquet: Cuero, Poliisobutileno
Guante beisbol, cuero, Algodón, Nylon, poliéster Raqueta tenis: marco
fibra carbono, cuerdas: nylon
Pantalón ciclismo:Cop en bloque: Spandex
Pantalones: Poliéster
Pelota golf: Surlin,Ionómero/elastómero
0
100
200
300
400
500
600
700
800
70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 02 04
Plásticos
Aluminio
Acero
Producción Global de Plásticos
Produción en peso(1970 = 100)
Crecimiento anual 1970-2004Acero: 2% Aluminio: 3% Plásticos: 6%
Fuente: SPI, Milacron
Consumo Global de Plásticos
2003 – 176 M Ton1990 – 86 M Ton
Europa29%
América del Norte 29%
Sudeste Asia-tico 16%
Japón12%
América del Norte 25%
Europa 22% Sudeste Asia-
tico 32%
Sudeste Asia-
tico 36%
América del Norte 24%
Europa 19%
Europa Oriental
6%
América Latina 4%
Africa/Medio Oriente
4%
Europa Oriental 4%
América Latina 5%
Africa/Medio Oriente 6%
Japón6%
Europa Oriental
4%
América Latina 5%
Africa/Medio Oriente
6%
Japón6%
2010 – 250 M Ton
fuente: VKE, Junio 2004
5.7% 5.1%
Consumo de Plásticos en Estados Unidos
Building & Construction
24%
Packaging33%
Furniture7%
Other13%
Transportation17%
Electrical / Electronic
6%
2ND Largest Market
• Los plásticos se han hecho una parte integral de nuestras vidas, y de hecho juegan un rol ireemplazable en las actividades diarias
Hoy en día:
COMPOSICION
Mezclado
Polímero + Aditivos
“COMPOUND” Compuesto de Moldeo
“Pellets”, Gránulos de Moldeo
Transformación (Moldeo) Plásticos
• Técnicas de fabricación :– Compresión
– Inyección– Extrusión– Soplado
– Maquinado– Termoformado
– Moldeo Rotacional
Laminado
Calor y presión parte superior e inferior del material
Resina
Refuerzo
Plásticos Extruidos
Soplado
Polipropileno
Plásticos Termoformados
Plásticos: Moldeo Rotacional
Maquinado de Plásticos
Enormes Beneficios por los Plásticos Los plásticos mejoran nuestra vida diaria y han hecho grandes
mejoras en areas como:
Empaque, frescura, estabilidad de almacenaje, protección de
bacteria.
Agricultura, invernaderos, en terreno, ductos de regadio, otros
Transporte, terrestre, marítimo, aereo, exploración espacial
Construcción, materiales varios, paneles, ductos, otros. Durabilidad,
estética, y alto “performance”
Protección personal, niños, atletas, trabajos riesgosos, policia,
bomberos, otros
Electrónica, información, comunicación, y entretenimiento
Medicina, ayudándonos a vivir más y más saludables
Reciclado y Reuso
EMPAQUE
AGRICULTURA
TRANSPORTE
PVC en Automóviles
InteriorTapicería, alfombras, paneles, consolas, apoya brazos, protectores sol, protección maletero
OtrosRecubrimiento superficie exterior inferior, separador platos batería, protección línea combustible
ExteriorTerminaciones externas, montaje ventanas/ vidrios, cubierta techo de convertibles, protecciones parachoque, tapabarro
Cables eléctricosAislación de cables, tarugos y fijación molduras
Corazón artificial autosuficiente Marcapasos
Venas y Arterias Artificiales
Suturas Quirúrgicas
Piel Artificial
El Futuro de los Plásticos: Nanocompuestos
Nueva frontera para el desarrollo de la ciencia de los materiales y procesadores de polímeros.
Nueva clase de materiales denominados “nanocompuestos” = plásticos reforzados con fibras de carbono tamaño nano.
Perspectiva brillante para propiedades mejoradas y producción económica de plásticos moldeados por inyección y por extrusión. Posible comercialización a gran escala.
Ventajas: materiales de costo más bajos, libertad de diseño, estabilidad dimensional y estética.
Propiedades totalmente nuevas respecto de los materiales existentes.
Pintura y terminación: mejorado en pintura, disminución de costo
Uso de Nanofibras Carbono en Autos del Futuro
Paneles: Reducción de peso y costo, mejores resultados térmicos
Neumáticos: mayor tracción y durabilidad, mejor rendimiento
Hoses y belts: menor mantención
Sellos: menor costo reducción de ruido
Beneficios: menor peso, mejor eficiencia de combustible, reducción de precio
Potenciales aplicaciones en muchas otras industrias y mercados: artefactos médicos, electrónicos, materiales de construcción, artículos de uso doméstico, empaque,etc.
Soportes del motor:reducción de vibraciones
Sistema híbrido de fuerza (poder): bateria ion litio, celda de combustible
POLIMEROS CONDUCTORES
Energia eléctrica y química se transforma en energía mecánica.
PAni
Película ion-conductora
Polímeros conductores, polímeros orgánicosconjugados a través de los cuales se puedenmover los electrones de un terminal al otro.Los más comunes son polianilina (PAni) y polipirrol (PPY).
Películas ´´sandwich´´ polianilina/película ion-conductora para material de músculos de robots. El flujo de corriente hace que un terminal se expanda y el otro se contraiga. Resulta un “plegado” del ´´sandwich´´.
Materiales Sensibles: Elastómeros Dieléctricos
Los elastómeros dieléctricos (también llamados polímeros electroconstrictivos) exhiben fuerza mecánica al ser sometidos a un campo eléctrico. Su capacidad de contracción es mayor que la de los piezocerámicos (10-30% vs. 0.1-0.3%).
Los más comunes son los basados en PMMA. Debido a su fuerza electroconstrictiva, pueden colocarse entre dos electrodos imitando la acción de músculos.
En un campo eléctrico, el elástomero se expende en el plano de los electrodos, amplificando la compresión normal debido a las cargas electrostáticas de los electrodos. Resulta un músculo con mayor fuerza y actuación.
Electrodo
Polímero electro-constrictivo
Materiales Sensibles: Polímeros Geles
Los polímeros geles consisten en polímeros entrecruzados inflados con un solvente como agua. Tienen la propiedad de hincharse y encogerse reversiblemente (hasta 1000 veces en volumen) debido a pequeños cambios en su ambiente (pH, temperatura, campo eléctrico).
Las microfibras gel se contraen en milisegundos, mientras que los polímeros gruesos requieren de minutos para reaccionar (hasta 2 horas o aún días). Tienen alta fuerza (aproximadamente igual a la de los músculos humanos).
Los más comunes son poli(alcohol vinílico), PVA, poli(ácido acrílico), PAA, ypoliacrilonitrilo, PAN. Muchas aplicaciones potenciales (ej.,músculos artificiales,movimiento en robots, adsorvedores de químicos tóxicos), aunque actualmentetienen poca difusión comercial.
Los plásticos son una fuente alternativa de energía
• Después de su uso, los plásticos pueden tener otra vida como fuente de combustible
Una tonelada de plásticos puede desplazar dos toneladas de carbón y quemar sin emisiones de SO2 (los plásticos no contienen azufre).
• Hay una oportunidad significante: tomar el fin de la utilidad de los plásticos y usarlos como fuente de energía.
• Esto provee una solución para los desperdicios y accede a fuentes de energía.
Investigación en Polímeros en el País
Universidad de ChileP. Universidad Católica de ChileUniversidad Tecnológica MetropolitanaUniversidad de Santiago de ChileUniversidad de ConcepciónUniversidad del Bio BioUniversidad Austral de ChileUniversidad Católica de Valparaiso