01 polimeros tp te bases conceptuales color

Manuel Cabrera C. Bases Polímeros 1

MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS:

BASES CONCEPTUALES … ESTRUCTURA ; PROPIEDADES; PROCESAMIENTO


UNA MIRADA ENERGÉTICA LOS MATERIALES…

100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo


TEMARIO Bases conceptuales polímeros Propiedades y selección: Materiales

poliméricos Termoplásticos, Termoestables y Elastómeros

Caracterización de Polímeros Termoplásticos Caracterización y procesamiento de

Polímeros termoestables y compuestos Aplicaciones Propiedades diferenciadas Aspectos de Diseño en Materiales

Compuestos


MATERIALES POLIMÉRICOSUNA FORMA DE VERLOS…

TermoplásticosFundibles, ReciclablesProcesamiento múltiple

TermoestablesNo reciclables.Un sola aplicaciónOrientación principal:

MATERIALES COMPUESTOS


VARIAS FORMAS DE CLASIFICACIÓN

Termoestables – termoplásticos Termoplásticos: Amorfos – Semicristalinos Commodity – Ingeniería – Altas prestaciones Método de síntesis: adición –condensación Homopolímeros – Copolímeros Estereoisomerismo: Atáctico - sindiotáctico

isotáctico Materiales compuestos: plásticos reforzados y

concretos poliméricos


TP: MUCHAS CADENAS (TRENES) FORMADAS

POR MUCHOS (POLI) MEROS (CARROS)


Grado de polimerización: largo de la cadena, que se expresa en N° de meros o en el peso molecular

Caso extremo PEUHMW hasta 8.000.000 de meros


PROPIEDADES… PARTE DE LA RESISTENCIA DE LOS POLÍMEROS ES CAUSADO POR ENTRAMPAMIENTO MECÁNICO DE LAS CADENAS… SU

MOVIMIENTO EN ESTADO “FUNDIDO” ES MÁS DIFICULTOSO… PROPIEDADES REOLÓGICAS


CONTEXTO: COMPARACIÓN DE PROPIEDADES


POLÍMEROS TP Y TERMOESTABLES (THERMOSET)

EN ESTADO SÓLIDO, CONDICIÓN DE APLICACIÓN: Los polímeros termoplásticos (TP) están formados por cadenas

de polímeros enrolladas entre ellas y unidas químicamente por enlaces débiles o enlaces Van der Waals

Los polímeros termoestables (TE) las cadenas están unidas entre ellas por enlaces muy fuertes (de alta energía), del mismo orden de magnitud que los enlaces EN LAS CADENAS… ESTÁN ENTRECUZADAS


CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS: TP

Antes de nada debe entenderse que los polímeros termoplásticos son fundibles, en el sentido de que las cadenas quedan “sueltas” sobre la temperatura de fusión y a partir de este estado se les da la nueva forma por extrusión, inyección, rotomoldeo, etc.

Largo de la cadena. Afecta a la propiedades de resistencia mecánica, rigidez… y afecta a la viscosidad (procesabilidad del estado líquido) Expresado a través del número de meros por cadena = GRADO DE

POLIMERIZACIÓN (GP) Expresado por el PESO MOLECULAR de las cadenas = Peso

molecular del mero * GP Nivel de ramificación de las cadenas. Afecta a la densidad

y a la cristalinidad Cadenas LINEALES (más densas y cristalinas) versus

RAMIFICADAS


REPRESENTACIÓN ESTRUCTURA DEL PE

(a) Modelo sólidotridimensional

(b) Modelo espacialtridimensional

(c) Modelo simple dimensional


GRADO DE POLIMERIZACIÓN – PESO MOLECULARLos monómeros se unen formando una cadena en la cual el número de

monómeros es el GRADO DE POLIMERIZACIÓNEspecie Molécula "PM" Peso de un mol, gr

Agua H2O 18 18UHMWPE -C2H4- 4.000.000 8.000.000 28 168.000.000

Pesos Atómicos: H=1; O=16 Pesos Atómicos: C=12; H=1

UHMWPE POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR

1Número de moléculas

Afecta a la densidad… a la cristalinidad… a la transparencia

Lineal (figura a) – Ramificado (b)


PARÁMETRO PROPIEDAD INFLUENCIA

Grado de ramificación Densidad Cristalinidad

Peso Molecular Fluidez Procesabilidad

Distribución de peso molecular

Tropismo “Homogeneidad”

LDPE MDPE HDPE

Norma ASTM D1248 Densidad Norma BS PE Tipo I LDPE 0.910-0.925 0.910-0.930 PE Tipo II MDPE 0.926-0.940 0.931-0.944 PE Tipo III HDPE 0.941-0.959 >0.945 PE Tipo IV HDPE >0.960

PESO MOLECULAR

200.000 A 500.000 500.000 A 8.000.000

HMWPE UHMWPE


POLÍMEROS TERMOESTABLES: ENLACES FUERTES ENTRE CADENAS…. SON MÁS

RÍGIDOS!

c) POLÍMERO TERMOESTABLE (Thermoset) sin ramificación de cadenas y entrecruzadas por enlaces covalentes de altaenergía. Los puntos de unión o de entrecruzamiento estándestacados con puntos.

d) Polímero TERMOESTABLE CON CADENAS RAMIFICADAS E INTERCONECTADA (ENTRECRUZADA) POR ENLACES

COVALENTES.


POLÍMEROS TERMOESTABLES: TEEl polímero Termoestable, se comercializa en estado líquido… y al pasar al estado sólido las cadenas pierden libertad AL PRODUCIRSE REACCIONES CON LOS MONÓMEROS quedando ENTRECRUZADAS…

LIQUIDO

SOLIDO


LOS ELASTÓMEROS… Presentan enlaces fuertes entre

cadenas, que se producen al vulcanizarse…

El nivel de entrecruzamiento (CROSS-LINK) de cadenas se produce en pocos puntos y así las cadenas se pueden “estirar” o deformar elásticamente


COMPARACIÓN DE POLÍMEROS

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURA GENERAL EJEMPLO

TERMOPLÁSTICOS Cadenas lineales flexibles (lineales o ramificadas)

Polietileno

TERMOESTABLES (TERMORIGIDAS)

Red de cadenas tridimensional rígidaz (las cadenas pueden ser lineales o ramificadas)

Poliuretano, epóxicas, fenólicas

ELASTÓMEROS, CAUCHOS

Pueden ser termoplásticos o termoestables débilmente entrecruzadas.. Cadenas actúan como resortes…

Caucho natural


CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS TP –PARTE DOS

COPOLIMEROS. Las cadenas de los polímeros pueden: Tener un solo tipo de mero: HOMOPOLÍMEROS Más de un tipo de mero: COPOLÍMEROS La existencia de los copolímeros es para aportar

atributos complementarios: fricción, desgaste, flexibilidad, fatiga, lubricación, moldeabilidad, etc.

Pueden ser del tipo: BLOQUE; ALTERNANTE; AL AZAR; RAMIFICADOS

Gran parte de los polímeros son COPOLÍMEROS BLENDS o ALEACIONES. El polímero presenta

mezcla de cadenas de diferentes POLIMEROS (cada una de ellas)


COPOLÍMEROS

En muchas situaciones en la CADENA, se presentan INTENCIONALMENTE, más de un tipo de mero…

De esta forma se logran mejora de propiedades… fricción, fatiga, desgaste…

Existen cuatro tipos de configuraciones: al azar; alternante, en bloque y ramificadas…


RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

POLÍMEROS Una macromolécula (trenes) hecha de pequeños bloques (carros) o meros

MONOMEROS Los bloques (carros del tren) o meros o unidades repetitivas básicas

HOMOPOLÍMEROS El polímero que se obtiene si todos los bloques son iguales

COPOLÍMEROS Un polímero elaborado – sintetizado de diferentes bloques o meros en la cadena

BLEND (ALEACIONES O MEZCLAS)

Una mezcla de cadenas de polímeros


OTRAS CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES RELEVANTES… TP

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA: temperatura bajo la cual no hay espacio para mover las cadenas al aplicar esfuerzos, el TP no es deformable, es más frágil y más rígido

CRISTALINOS? Las cadenas de los polímeros TP pueden plegarse (parte cristalina) y/o estar en estado AMORFO(sin orden). Las cadenas lineales presentan mayor grado de plegado – parte critalina. O los polímeros pueden ser semicristalinos

ESTEROISOMERISMO. Ciertos polímeros (ejemplo el polipropileno) presentan radicales o grupos funcionales (CH3 en este caso) a un solo lado de la cadena –ISOTÁCTICO; alternadamente a cada lado de la cadena –SINDIOTÄCTICO o sin ninguna regularidad – ATACTICO. La importancia es que para el caso del PP solo tiene importancia de ingeniería el PP isotáctico por ser más cristalino…


POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

AMORFOS SEMICRISTALINOS

Volúmenes de cadenas plegadas


DEFORMACIÓN DE PARTE AMORFA EN TP… PARTE CRISTALINA SE ORIENTA SEGÚN LA DEFORMACIÓN

Si el polímero tiene poca parte AMORFA es más rígida y más resistente a la deformación


PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Las propiedades de los polímeros son fuertemente dependiente de: Temperatura Velocidad de deformación Grado de cristalinidad del polímero Temperatura de transición vítrea del polímero De otros aspectos de la estructura tales como: largo de las

cadenas, distribución de largo, nivel de ramificación y en casos también de la tacticidad del polímero.

El comportamiento mecánico es elástico no lineal y en situaciones se comporta viscoelásticamente, con deformaciones dependiendo del tiempo….


CURVAS CARACTERÍSTICAS ESFUERZO -DEFORMACIÓN


GENERALIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES…


POLÍMEROS AMORFOS Y SEMICRISTALINOS

SEMICRISTALINOS

Acetal POM Nylon- PA Technyl Polietileno PE Polipropileno PP Polyester

AMORFOS

Poliestireno ABS SAN Policarbonato PVC


TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA

Temperatura bajo la cual las cadenas no disponen de “espacio” para moverse o desplazarse frente a esfuerzos aplicados

Se determina empíricamente al evaluar los cambios volumétricos de un polímero al variar la temperatura

En general bajo la temperatura de transición vítrea los materiales poliméricos presentan una deformación plástica muy limitada

En otras palabras al emplear un polímero a temperaturas menores que TG, presenta un comportamiento frágil (ejemplo del PS de las cajas de los CD, vasos de bebida…)


MOVIMIENTO DE CADENAS SOBRE Y BAJO TG

A) Movimiento de cadenas sobre Tg.B) Imposibilidad de movimiento de cadenas a Temperaturas menores que Tg

(no hay “volumen libre” disponible para mover cadenas)


SIMBOLO SIGLA NOMBRE PRODUCTO

1

PET Polietileno Tereftalato

Botellas, …

2

PEAD Polietileno de alta densidad

Tambores, Cajas,…

3

PVC Cloruro de Polivinilo

Frascos, Tubos, …

4

PEBD Polietileno de baja densidad

Films, Bolsas, …

5

PP Polipropileno Sacos, Potes, …

6

PS Poliestireno Packings alimentos.

RECICLADO DE PLASTICOS


OTRA PROPIEDAD… ESTEROISOMERISMOTACTICIDAD: CASO POLIPROPILENO

Esta característica ESTRUCTURAL de los polímeros, se explica como ejemplo para el caso de Polipropileno

La estructura de MERO, presenta una molécula de CH3 “colgando” en vez de H como es el caso del PE …

El PP es ISOTÁCTICO es cuando el CH3 siempre está al mismo lado de la cadena…

El PP es SINDIOTÁCTICO, cuando el CH3 está alternadamente “arriba-abajo”

El PP es ATACTICO, cuando el CH3 está ubicado aleatoriamente arriba-abajo en la cadena

El PP comercial es ISOTÁTICO y con ello es más cristalino y por ende se asocian las propiedades de materiales semicristalinos…


ESTEROISOMERISMOA) Estereoisómero

atáctico. El grupo metilo que sobresale del polipropileno está aleatoriamente dispuesto en cada lado de la cadena principal de carbono

B) Estereoisómeroisotáctico. El grupo metilo que sobresale está siempre en el mismo lado de la cadena principal de carbono

C) Estereoisómerosindiotáctico. El grupo que sobresale se alterna regularmente de un lado a otro de la cadena principal.


PROPIEDADES DE TERMOPLÁSTICOSBAJAR BASE DE DATOS DESDE: WWW.CAMPUSPLASTICS.COM


ALGO MÁS DE LOS TERMOPLÁSTICOS SE PUEDEN SOLDAR???

Se pueden soldar??? Por el hecho de ser fundibles se pueden

soldar con fusión… WeldingTermofusión, electrofusión, placa caliente, aire

caliente, ultrasonido, vibración…Aparte de otros sistemas de unión…


POLÍMEROS TERMOESTABLES

MATERIALES COMPUESTOS

SOLOS


Ejemplos de MATERIALES COMPUESTOS. a) Madera laminadab) Fibra de vidrio en material compuestoc) Concreto polimérico


POSIBILIDADES DE MATERIALES COMPUESTOS

Componente 1 Componente 2 MATERIAL COMPUESTO

Resina Termoestable

Fibra de Vidrio Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV)

Resina Termoestable

Carga de cuarzo Concreto Polimérico

PRFV Piliuretanoespumado

Sandwich

Termoplástico 1 Termoplástico 2 CoextruidoAcero Plástico RevestimientoPRFV Termoplástico Doble lámina


PROPIEDADES FIBRAS

Datos de Fibra

DENSIDAD FIBRAS (kgr/m3)

MODULO ELÁSTICO RELATIVO

RESISTENCIA TRACCIÓN Fibras (ksi)

RESISTENCIA TRACCIÓN

(MPa) DEF (%)VIDRIOA-Vidrio 2.465 10 480 3.309 4,8C-Vidrio 2.548 10 480 3.309 4,8E-Vidrio 2.604 11 500 3.447 4,8S-2 Vidrio 2.493 14 700 4.826 5,2CARBONOHeavy Tow 1.745 33 525 3.620 1,6Medium Tow 1.801 35 740 5.102 2,1Low Tow 1.801 43 900 6.205 2,1ARAMIDAKev29 1.440 6 525 3.620 8,8Kev149 1.468 27 504 3.475 1,9


MORFOLOGÍAS FIBRAS


SISTEMAS DE MATERIALES COMPUESTOS

REGLAS DE LAS MEZCLAS – Establece que la propiedad de un compósito es una función de la fracción volumétrica de cadamataerial en el compuesto.

RESISTENCIA DE LOS COMPÓSITOS: La resistencia a la tracciónde los compósitos reforzados con fibras es fuertemente dependientede la unión entre la fibra y la matriz


EJEMPLOS DE PROCESOS: PULTRUSIÓNAPLICACIÓN: VIGAS…


EJEMPLOS DE PROCESOS: BOBINADOAPLICACIÓN: TUBERÍAS…


EFECTO DE LA ORIENTACIÓN


COMO LOGRAR PROPIEDADES ISOTRÓPICAS: LÁMINAS Y 3D


MODULO ESPECÍFICO Y RESISTENCIA ESPECÍFICADE VARIOS COMPÓSITOS EN COMPARACIÓN CON

METALES Y POLÍMEROS


CONCLUSIONES Los polímeros son materiales que hoy deben

conocerse desde el punto de vista de sus propiedades para su adecuada aplicación

Los polímeros termoplásticos son materiales con “estructura” – arquitectura que se ha diseñado para lograr propiedades específicas

Los materiales compuestos son materiales que aún requieren determinación –modelamiento de sus propiedades, dado el carácter semiindustrial en la elaboración de productos


PROPIEDADES COMPARATIVAS

• Energía Costos• Reciclado Costos• Resistencia Costos• Resistencia

Densidad• Resistencia

Ductilidad

• Resistencia temperatura

• Resistencia Costos• Rigidez Costos• Rigidez Densidad• Rigidez Resistencia


ALGUNAS DIRECCIONES DE INTERÉS

www.campusplastics.com (bajar y actualizar base de datos)

www.strongwell.com www.femoglas.cl www.plastigen.cl Recorra “Edificio de Polímeros”

http://pslc.ws/mactest/maindir.htm …


Sólo las botellas de agua que se producen en Estados Unidos es de 1,5 millones de toneladas de desperdicios de plástico al año, cantidad que requiere 178 millones de litros de petróleo para su producción.

01 polimeros tp te bases conceptuales color

Documents