Universidad de los AndesFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería MecánicaIngeniería de MaterialesIván Olarte Rodríguez 201224898Santiago Arenas 201223718Taller 11 Polímeros. Para entregar al inicio de sesión del miércoles 30 de abril.

Taller

i. Preguntas de análisis de relación. Este tipo de preguntas consta de una afirmación y un razón, unidas por la palabra PORQUE. Usted debe responder de acuerdo con el siguiente cuadro

Si la afirmación y la razón son verdaderas y la razón es una explicación CORRECTA de la afirmación, rellene el óvalo -------------------------------------------------------------------------------------------- ASi la afirmación y la razón son verdaderas pero la razón NO es una explicación CORRECTA de la afirmación, rellene el óvalo -------------------------------------------------------------------------------------------- BSi la afirmación es VERDADERA, pero la razón es una proposición FALSA, rellene el óvalo -------------- CSi la afirmación es FALSA, pero la razón es una proposición VERDADERA, rellene el óvalo -------------- DSi tanto la afirmación como la razón son proposiciones FALSAS, rellene el óvalo ----------------------------- E

a. La estabilidad térmica de los polímeros es baja por la naturaleza orgánica de sus estructuras __A__

b. Los polímeros en estado fundido son newtonianos por que estos disminuyen la viscosidad con el aumento en la velocidad de deformación __D__

c. La viscosidad de los polímeros fundidos es alta por que los valores entre 104 y 106 Pa.s son elevados si se comparan con los del agua (102 Pa s) ___C___

d. Un polímero amorfo presenta solamente temperatura transición vítrea por que a partir de esta las macromoléculas vibran de forma generalizada y cooperativa __B___

e. La densidad de los polímeros es baja con relación a otros materiales por que la masa atómica que caracteriza a los elementos que la componen es baja ___A___

ii. Falso o Verdadero. Corrija en caso de falsedad.

1. El PVC es un termoplástico susceptible a la degradación térmica en HCl, altamente peligroso para la vida de los equipos y la salud de las personas Verdadero.

2. El módulo elástico de los polímeros de ingeniería puede ser del orden 2000 - 8000 MPa mientras el módulo elástico de los elastómeros tradicionales puede estar entre 1- 10 MPa. Verdadero

Esto se ve en la Figura 1, en la cual se comparan dos propiedades de los materiales como la densidad y el módulo elástico.

Figura 1: Gráfica comparativa entre el módulo de elasticidad con la densidad del material. (Medina & Escobar)

En la figura 1 se puede observar que en la parte superior de la región donde se identifican a los polímeros y a los elastómeros, se encuentran termoplásticos como el PS, PP y el PE, los cuales pueden llegar a tener un módulo elástico mayor a 1 GPa (1000 MPa) mientras que en la parte inferior se encuentran elastómeros como el isopreno y el caucho que tienen 10-3 GPa como módulo de elasticidad, por lo que se acerca muy bien al rango.

3. La densidad de los polímeros (~ 1Mg/m3) es baja por la estructura amorfa y semicristalina que les caracteriza. Verdadero

4. Los polímeros de mayor capacidad de producción en Colombia son el PVC y el PEBD mientras que los más consumidos son el PEAD y el PP. Falso

Los polímeros con mayor capacidad instalada en Colombia son el polipropileno y el PVC, mientras que los más consumidos son el polipropileno y el polietileno de baja densidad (PEBD). (Garay Salamanca, 2010)

5. Los elastómeros termoplásticos son en general copolímeros de bloque bifásicos donde la fase minoritaria es cristalina y la fase continua es amorfa. Falso

Los elastómeros termoplásticos se caracterizan por tener fases cristalinas y amorfas en semejante proporción. (Painter & Coleman, 2009)

6. Un polímero amorfo como el PMMA es altamente transparente (cristalino) y garantiza la calidad de esta propiedad en la medida que cuente con una distribución uniforme de terminaciones de cadena Verdadero.

7. La melanina formaldehido es un elastómero termoplástico comúnmente empleado en compuestos para desgaste de metales Falso.

Es un plástico termoestable. Forma plásticos termoplásticos entre otros materiales, sus usos más comunes son: en pinturas para automóviles, revestimientos y recubrimientos de aparatos de poliéster. Las molduras de melamina formaldehído son duras y resistentes a las raspaduras, golpes, encogimiento y al calor.

iii. Por cada fenómeno estructural o parámetro reseñado indique la técnica posible para caracterizarlo

Fenómeno o parámetro Técnica a emplear

Identificación química del polímero FTIR

Estereoisomerismo o tacticidad Espectroscopía Nuclear de Resonancia Magnética (NMR- Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)

Peso molécular medioTest de peso específico

Distribución de peso molecular Cromatografía de exclusión de tamaño

Cristalinidad Técnica de Difracción por rayos-X

Tm, Tg, Tcristalización DSC (Differential Scanning Calorimetry)

T de degradación Análisis de Termogravimetría (TGA – Thermogravimetric Analysis)

Mezclas de polímerosEspectroscopía de Raman

iv. Preguntas de análisis de relación. Este tipo de preguntas consta de una afirmación y un razón, unidas por la palabra PORQUE. Usted debe responder de acuerdo con el siguiente cuadro

Si la afirmación y la razón son verdaderas y la razón es una explicación CORRECTAde la afirmación, rellene el óvalo -------------------------------------------------------------------------------------------- ASi la afirmación y la razón son verdaderas pero la razón NO es una explicación CORRECTA de la afirmación, rellene el óvalo -------------------------------------------------------------------------------------------- B

Si la afirmación es VERDADERA, pero la razón es una proposición FALSA, rellene el óvalo -------------- CSi la afirmación es FALSA, pero la razón es una proposición VERDADERA, rellene el óvalo -------------- DSi tanto la afirmación como la razón son proposiciones FALSAS, rellene el óvalo ----------------------------- E

a. Las configuraciones isotácticas de un PP pueden ser alteradas con la temperatura del proceso de extrusión porque esta no corresponde a la categoría comercial de este material __E_

b. El módulo elástico de los polímeros es directamente proporcional al promedio del peso molecular de estos porque los enredos entre macromoléculas se incrementan con el aumento en el tamaño de estas __B__

c. Un polímero con distribución de peso molécular polidispersa (IP~6) es más resistente que uno monodisperso independiente de la naturaleza del polímero por que las moléculas cortas juegan un papel lubricante ___D___

d. El peso molecular no incide en el aumento del módulo elástico de los polímeros termoplásticos cuando la temperatura excede la temperatura de transición vítrea porque la componente viscosa atenúa la posibilidad de aumentar este parámetro ____C___

e. La cristalinidad es posible con polímeros estructurados de forma atáctica puesto que se trata de una conformación frecuente en polímeros como las poliamidas (Nylon) . D

v. La figura representa una respuesta obtenida por DMA en tres muestras. Responda de la manera más concreta y cuantitativa justificando cada una de estas.

¿Se trata de materiales diferentes o de un mismo material?

En la gráfica tenemos tres distintos materiales. La forma de las curvas pueden ser semejantes, pero esto indica el grado de cristalinidad y/o la densidad de uniones entre cadenas. Sin embargo, debido al corrimiento a la derecha de las cadenas, se indica una gran variación de la temperatura de transición vítrea que indica grandes diferencias en cuanto al peso molecular de las muestras. (Dempsey, 2009) Además, si se trata del mismo material, la temperatura de transición vítrea no se modifica, sino que la curva se corre hacia arriba a mayor frecuencia en el test. (McAloney, Bujanda, Jensen, & Goulburne, 2007)

¿Se trata de materiales amorfos o semicristalinos?

Se trata de materiales semicristalinos, dado a que la caída de temperatura que indica la Tg no es tan grande. Aumentando la cristalinidad a medida que las muestras se corren hacia la derecha. (Dempsey, 2009)

¿Cuál es el Tg para cada muestra?

Tomando las curvas de izquierda a derecha tenemos para la primera -25°C la segunda 25°C y para la tercera una temperatura de 81°C.

¿Qué factor incide para explicar la variación del Tg?

Lo que incide prioritariamente en la temperatura de transición vítrea es el peso molecular de la muestra. A más peso molecular, por lo general a nivel intermolecular se tienen moléculas mucho más polares que generan enlaces mucho más fuertes, evitando la vibración y el movimiento libre de átomos y moléculas. (Painter & Coleman, 2009)

¿Cuál sería la diferencia en la procesabilidad de estas tres muestras?

Esta radica en que la transición vítrea se logra en dominios distintos en cada muestra. La muestra que tiene una temperatura de transición vítrea mucho más fácil debido a que a temperatura ambiente, la componente viscosa no juega un papel fundamental. En cambio para el que tenga una temperatura de transición vítrea mucho más baja es mucho más difícil de procesar.

¿Con qué criterio podría saberse de que material(es) se trata?El criterio fundamental en este caso es determinar la temperatura de transición vítrea, debido a que esta característica está dada por el carácter químico y estructural del polímero. (Painter& Coleman, 2009)

vi. Un análisis elemental de un copolímero de propileno y cloruro de vinilo muestra que la muestra contiene 25,9% de cloro. ¿Cuál es la relación molar de cloruro de vinilo a propileno en el copolímero?

Inicialmente se tienen dos monómeros fundamentales los cuales son el propileno y el cloruro de vinilo.

El peso molecular del cloruro de vinilo se muestra a continuación:

PM clorurode vinilo=3×1.008+2×12.001+35.45×1=62.494 g

molAdemás se tiene el peso molecular del propileno:

PM propileno=6×1.008+3×12.001=42.078 g

mol

El hecho de tener un 25.9% de cloro, implica que el peso molecular total de la mezcla es de 136.873 g/mol. Teniendo en cuenta la proporción de cloro en el monómero de cloruro de vinilo se tiene que este representa cerca del 56.725% en masa total del monómero. Haciendo una regla de 3 se tiene:

0.254 Ptotal=Pcloro0.254 Ptotal=(0.56725×Pvinilodecloro )

0.2540.56725

Ptotal=Pvinilodecloro

62.4945gmol

=Pvinilo decloro

De igual manera se puede obtener el peso del propileno en la mezcla.Ppropileno=P¿tal−Pvinilode cloro

Ppropileno=74.3779gmol

Ahora se pueden hallar las moles totales al dividir el peso molecular “ficticio” derivado de determinar el porcentaje en masa del copolímero entre el peso molecular original calculado al inicio.

X clorurode vinilo=62.494562.494

≈1

X clorurode vinilo=74.377942.078

≈1.768

De acuerdo a lo anterior se puede afirmar que la tasa de moles de propileno y cloruro de vinilo es de 1.768 a 1, que por lo general se podría aproximar a 2 a 1. Si se quiere una proporción del cloruro de vinilo a propileno sería de 0.565 a 1.

vi. Las moléculas de un copolímero de bloque consisten de un bloque central de unidades de butadieno, con extremos de unidades de poliestireno. El grado de polimerización promedio es 2000 para el bloque central y 150 para cada bloque extremo. En el material sólido, las cadenas de poliestireno forman una fase separada, la cual es vista en un microscopio electrónico como esferas separadas aproximadamente 25 nm diámetro. Calcule la fracción en peso de estireno en el copolímero de bloque y estime el número de cadenas de polestireno en cada esfera. La densidad del poliestireno es 1050 Kg.m-3.

Gp=masamolecularpesoatomico

El butadieno tiene una formula molecular deCH2=CH-CH=CH2 entonces tenemos que la masa de un mol es de 54 g/mol, el poliestireno tiene una fórmula de C8H8 con masa molar de 104 g/mol. Entonces remplazando en la formula anterior obtenemos una masa molecular para el butadieno de 108000 g/mol y una masa molecular del poliestireno de 31200 g/mol, debido a que el grado de polimeracion es de 300 ya que tendremos dos bloque uno a cada lado.

Porcentaje en peso deestireno= 3120031200+108000

∗100=22.41%

Ahora sacamos la masa de una esferam=ṗv

masa esfera=1050∗( 4 π3 (12.5∗10−9 )3)=8.59∗10−21 kgmasa kg delmero= Pm

¿avogadromasa kg delmero=1.727∗10−25

Debido a que tenemos dos bloques, entonces multiplicamos la masa del mero por dos.Obteniendo un resultado de 3.454*10-25 kg

Obteniendo el número de cadenas de poliestireno en cada esfera

¿de cadenasde poliestireno por esfera=masade esferamasade poliestireno

Obteniendo 24870 cadenas de poliestireno.

BibliografíaDempsey, D. (4 de Septiembre de 2009). Dynamic Mechanical Analysis. Recuperado el 28 de Abril de

2014, de http://biomed.tamu.edu/MTE/files/dma.pdfGaray Salamanca, C. A. (julio de 2010). La Industria Plástica en Colombia; Principales variables de su

evolución 2007-2009. Recuperado el 27 de abril de 2014, de sitio web de Acoplásticos: http://media.peru.info/PROMO/2010/AmericadelSur/Perspectivas%20comerciales%20del%20sector%20pl%C3%A1ticos%20en%20Colombia%20ACOPLASTICOS%20p1.pdf

McAloney, N., Bujanda, A., Jensen, R., & Goulburne, N. (Octubre de 2007). Viscoelastic Characterization of Aliphatic Polyurethane Interlayers. Recuperado el 28 de Abril de 2014, de http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a474714.pdf

Medina, J., & Escobar, J. (s.f.). Apreciación constitutiva y estructural de los polímeros con respecto a otros materiales. Recuperado el 27 de Abril de 2014, de wiki del curso de Ingeniería de Materiales: https://ingenieria.uniandes.edu.co/wiki/pregrado/IMEC2411-01/lib/exe/fetch.php?media=recursos:introduccion_polimeros.pdf

Painter, P., & Coleman, M. (2009). Essentials of Polymer Science and Engineering. Lancaster, PA: Library of Congress Catalog Card.