c-imp. 1er encuentro
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Curso en Introducción a los Materiales Plásticos
Natalia De F. Sánchez Arrieta Septiembre de 2013
Contenido
• Introducción
• Conceptos Básicos
• Fabricación de Polímeros
• Propiedades y Características
• Procesos de Transformación
• Aditivos
Introducción
Fabricación de Polímeros
Caracterización Formulación Transformación
de Plástico
Síntesis de la Cadena Productiva de MP
Fuentes de Energía
Materias Primas
Monómeros Mercados
Aplicaciones
Sobre las Materias Primas:
Introducción
Petróleo Monómero
Plástico Polímero
Aditivos
Craqueo
Las materias primas son derivados del petróleo, gas natural, carbón y de fuentes agrícolas. Los plásticos se obtienen principalmente del petróleo, tal como se indica en el esquema a continuación:
Etileno
Propileno
Etilenglicol
Polietileno
H3PO4 + H2O
300°C Y 70 Atm
Etanol
Benceno 1
Atm.
AlCl3
85°C
-H2
600°
Estireno
Poliestireno
CH2ClCH2Cl
CH2=CHCl Cloruro de vinilo
PVC
-HCl
500°
CH2=CHCOOH Ácido acrílico
Etileno CH2CH2
CH2OCH2
OXIDO DE ETILIENO
Cl2
45°
1atm
CH2OHCH2CN
CH2=CHCN acrilonitrilo
Cauchos
PEO
-H2O
Introducción
Polímero Aditivos Plásticos
Conceptos Básicos
Por ejemplo, una cadena de polietileno puede estar formada por 250,000 monómeros de etileno aproximadamente.
Se puede suponer que un polímero es un tren muy largo, compuesto por muchísimos vagones; y que cada vagón es un monómero o unidad estructural.
Clasificación de Monómeros
Algunos Monómeros
Principales Monómeros a Nivel Industrial
Conceptos Básicos
Observe que la mayoría de los monómeros utilizados a nivel industrial, tienen una estructura química similar al etileno, en donde se reemplaza uno de sus hidrógenos por otro radical.
Elementos que Componen los Polímeros:
Conceptos Básicos
Principales
• Carbono (C)
• Hidrógeno (H)
Secundarios
• Oxigeno (O) Nitrógeno (N) Cloro (C) Azufre (S) Flúor (F)
Estructura de Algunos Polímeros
Conceptos Básicos
Estructura de Algunos Polímeros
Conceptos Básicos
Polimerización
M P
A-B… A-B… A-B… A-B A-B*A-B*A-B*A-B*A-B*A-
x A-B --[A*B] x
A-A… B-B… A-A… B-B… A-A A-A*B-B*A-A*B-B*A-A*
x A-A + x B-B --[A*B-B*A] x
Polimerización
Por Ejemplo:
Conceptos Básicos
Monómero: Molécula pequeña con funcionalidad igual o superior a dos
Polímero: Macromolécula formada por unidades constitucionales que se repiten de una manera mas o menos ordenada.
UCR: Unidad constitucional repetitiva de un polímero
Oligómero: Polímero con pocas unidades repetitivas
Polimerización: Reacción química para dar una macromolécula con una constitución mas o menos repetitiva
Clasificación de los Polímeros Según el Número de Unidades Repetitivas:
Homopolímeros
M e
M o n o m e r o
M e M e M e M e M e M e M e M e
n
U C R
H o m o p o l i m e r o
M e
C o m o n o m e r o s
M e E t M e M e E t E t M e M e
n
U C R 1
C o p o l i m e r o
E t
U C R 2
n
Clasificación de los Polímeros Según el Número de Unidades Repetitivas:
Copolímeros
Tipos de Copolímeros Descripción
Al azar No hay una secuencia definida en el ordenamiento de las
unidades repetitivas a lo largo de la cadena.
Alternados Las unidades repetitivas se alternan consecutivamente a
lo largo de toda la cadena.
En bloque
Existen secuencias completas de una sola de las unidades
repetitivas, seguidas por secuencias completas de la otra
unidad repetitiva.
De injerto:
Existe una cadena principal constituida por un solo tipo
de unidad repetitiva la cual tiene injertados lateralmente
a dicha cadena bloques de cadenas conformadas por el
otro tipo de unidad repetitiva
Clasificación de los Polímeros Según la Constitución Química de las Unidades Repetitivas:
H
eter
oca
den
a:
Clasificación de los Polímeros
Ho
mo
cad
ena:
Clasificación de los Polímeros Según la Arquitectura de las Cadenas:
Lineal Ramificado Entrecruzado
Estrella Peine Escalera
Linear Low Density PE (LLDPE)
High Density PE (HDPE)
r = 0.910 - 0.940 kg / L
Copolymerization with a-olefins (C4 - C8)
r = 0.941 - 0.970 kg / L
Homopolymerization (r >0.970 kg / L) Copolymerization with a-olefins
r = 0.91 -0.925 kg/L
POLYETHYLENE
Clasificación de los Polímeros Según la Direccionalidad de las Cadenas:
Un polímero o un monómero pueden ser:
• Direccional: no presenta un eje binario perpendicular a ella. • Adireccional: sí que presenta un eje de simetría.
A su vez, los monómeros direccionales pueden incorporarse a la cadena polimérica con dos orientaciones distintas. En función de esto, los polímeros pueden clasificarse en:
• Regiorregulares: las unidades repetitivas quedan orientadas de manera regular en la cadena.
• Regioirregulares: las unidades repetitivas quedan orientadas de manera irregular en la cadena.
• Polímeros cabeza-cola: la orientación es la misma para todas las unidades. • Polímeros cabeza-cabeza o, lo que es lo mismo, cola-cola: la orientación cambia
alternativamente a lo largo de la cadena.
Finalmente, para el caso de polímeros generados a partir de monómeros del tipo A-B, es decir, con grupos funcionales distintos en sus extremos, se pueden obtener:
Distintas configuraciones de la cadena con un grupo genérico. a) cabeza-cola, b) cabeza-cabeza y c) al azar
Clasificación de los Polímeros
Direccional
Direccional
Adireccional
Adireccional
Adireccional
+
Adireccional
Direccional
+
Adireccional
Monómero Polímero
Clasificación de los Polímeros Según la Estereoisomería de Cadenas - Tacticidad:
A AA AB B B B B
A
Isotactico
A AB AB A B A B
B
Sindiotactico
A BB AB A A A B
B
Atactico
Co
nfi
gura
ció
n d
el P
olip
rop
ilen
o
Clasificación de los Polímeros Según el Comportamiento Mecánico:
Elastómeros. Materiales que tienen una consistencia elástica y gomosa.
Fibras. Materiales con propiedades optimizadas en una dirección. Se obtienen por combinación de los factores constitucionales con el tratamiento físico.
Plásticos. Polímeros cuyas propiedades son intermedias entre la de los elastómeros y la de las fibras.
Clasificación de los Plásticos Según el Comportamiento Térmico:
Clasificación Organización Espacial de las Cadenas
Elastómeros: Se caracterizan por una fácil degradación frente al calor y una irreversibilidad del proceso de moldeado
Termoestables: Presenta mayor resistencia térmica. No son reciclables
Termoplásticos: No existe ningún tipo de enlace químico entre cadenas
Clasificación de los Plásticos Según el Uso:
• Commodities. Materiales de uso cotidiano, con un consumo masivo y con un precio relativamente barato.
• De altas prestaciones. Materiales de menor utilización, con unas aplicaciones concretas y con un precio relativamente caro.
Relacionado con la cantidad producida y con su precio:
• Plásticos estándar. Commodities de producción y uso masivos. • Plásticos técnicos. Commodities de uso industrial, utilizados en general, para la
construcción de piezas. • Plásticos especiales: plásticos que tienen algunas propiedades concretas muy
optimizadas. • Plásticos de altas prestaciones: de gran valor añadido, se usan en aplicaciones muy
concretas.
Una mas detallada:
Actividad N° 1.
• Frente a cada cadena polimérica coloque el tipo de copolímero en que se clasifica:
Cadena Polimérica Tipo de Copolímero
• Definir qué tipo de configuración posee cada uno de los polímeros presentados a continuación:
Cadena Polimérica Configuración
-[-HN-(CH2)5-CO-]-
-[-HN-(CH2)6-NHCO-(CH2)4-CO-]-
• Colocar en cada círculo una palabra que indique, de acuerdo a una secuencia lógica, el significado de Polímeros:
Polímeros Flexibles Macromoléculas Polidispersas Formadas por unión de monómeros
• Falso o Verdadero:
- Conformación es el ordenamiento espacial de los enlaces ( )
- Configuración es la disposición espacial de la macromolécula ( )
Mecanismos de Polimerización
¿ Qué condiciones debe presentar una molécula para poder actuar
como monómero ?
Apertura de doble enlace
Apertura de un ciclo
Moléculas que aporten dos grupos funcionales
Mecanismos de Polimerización
A-A
A-A
A-A
A-A
B-B
B-B
B-B
B-B
A-A
A-A
A-A
A-A
B-B
B-B
B-B
B-B
**
**
A-A B-B* A-A B-B**
A-A B-B* A-A B-B**A*B-B*A
Policondensación (P. por etapas)
- Transcurre mediante Rx de los grupos funcionales, usualmente de distinta naturaleza, y por lo general con eliminación de molécula
- El grupo funcional resultante de la reacción de los grupos funcionales de los monómeros forma parte de la cadena principal del polímero, repitiéndose ininterrumpidamente a lo largo de ella
- La mezcla de reacción consiste en una distribución continua de tamaños moleculares que comprende desde el mismo monómero hasta polímero de elevado peso molecular.
Familia: Poliésteres
C
O
O C
O
O CH2CH2 O*
- Polietilen Tereftalato (PET)
D M T
E G
T = 1 8 0 - 2 3 0 º C t = 3 - 5 h
C a t a l i z a d o r : T B T
T r a n s e s t e r i f i c a c i o n
R e f r i g e r a n t e
M e t a n o l
P o l i c o n d e n s a c i o n
T = 2 5 0 - 2 8 0 º C t = 1 - 2 h p = 0 . 5 - 1 m b a r N 2
E G
p o l í m e r o P E T
Mecanismos de Polimerización
Poliadición (P. en cadena)
M1
M*
M*
M*
M*
Mx
Mx
Mx
Mx
Esquema básico de la reacción de Poliadición
Mecanismos de Polimerización
Poliadición
‐ Transcurre mediante la adición continuada de monómero a una cadena en crecimiento, que contiene un extremo activado hasta el momento de su terminación.
‐ La reacción de adición transcurre sin pérdida de materia por lo que la unidad constitucional repetitiva del polímero y el monómero presentan idéntica estequiometria.
‐ En cualquier instante a lo largo de la polimerización, la mezcla de reacción tiene una composición bimodal constituida por monómero y polímero de elevado peso molecular.
Mecanismos de Polimerización Por Apertura de doble enlace
ETILENO
PROPILENO
TETRAFLUOROETILENO
CLOROETILENO
POLI(ETILENO)
POLI(PROPILENO)
POLI(CLOROETILENO)
POLICLOROVINILO PVC
POLI(TETRAFLUOROETILENO)
PTFE “Teflon”
Ejemplos de Polímeros de Adición
LOW DENSITY POLYETHYLENE
1000 – 3500 atm 140 – 330 ºC
Free radical polymerization
r = 0.91 -0.925 kg/L
1500 m 6 cm
initiator
monomer
T
Ethylene
Comonomer
Hydrogen
Ethylene
Comonomer
Hydrogen
Polymer
Flash
Gas-phase
reactor
Product
outlet
Loop
reactor
Prepolymerization
reactor
Catalyst
Diluent recycle
ETHYLENE POLYMERIZATION PROCESSES (Borealis)
Ethylene
Comonomer
Hydrogen
Ethylene
Comonomer
Hydrogen
Polymer
Flash
Gas-phase
reactor
Product
outlet
Loop
reactor
Prepolymerization
reactor
Catalyst
Diluent recycle
Ethylene
+
hydrogen1
Ethylene
+
hydrogen2
First Reactor Second Reactor
Act
ive c
hain
s In
act
ive c
hain
s
Act
ive c
hain
s In
act
ive c
hain
s
Act
ive c
hain
s In
act
ive c
hain
s
Act
ive c
hain
s In
act
ive c
hain
s
Control de la Morfología del Polímero
A*B
A*B
A*B
A * B
NH
C O
X
Caprolactama
NH
C
Ox
Nylon - 6
Por Apertura de Ciclos
Características de los Procesos de Polimerización
Cinéticas, Fisicoquímicas y parámetros de calidad
Reacciones altamente exotérmicas
Obtención de un productos cuyo peso
molecular no es un valor fijo
Dificultad para realizar operaciones unitarias una vez obtenido el
producto
Efecto de la composición inicial con las
condiciones de operación y el tamaño
molecular
El calor liberado es especialmente alto en
las P. de adición
Necesidad de transferir energía a los alrededores
para el control de la temperatura
Cuya viscosidad esta en aumento y los coeficientes de
transporte de calor disminuyen
Influencia en las propiedades del producto final
Técnicas de Polimerización
Método Ingredientes Ventajas Inconvenientes
Masa Monómeros, iniciadores, reguladores
Simple; velocidad de polimerización elevada; escasa contaminación; rendimiento elevado; el producto no está contaminado por disolventes; se obtienen altos pesos moleculares
Mala disipación del calor; monómero residual difícilmente extraíble; en el producto queda monómero residual sin reaccionar; alta viscosidad de la mezcla reaccionante; difícil control térmico -Puntos calientes (Degradaciones, decoloraciones y más reacciones de transferencia de cadena que aumentan la dispersión de pesos moleculares)
Técnicas de Polimerización
Método Ingredientes Ventajas Inconvenientes
Disolución Monómeros, iniciadores, disolvente
Disipación muy efectiva del calor; disolución del polímero directamente utilizable; Control térmico fácil (no peligro de explosiones)
Control de pesos moleculares
Coste adicional de disolvente; contaminación; necesidad de secado; reacciones de transferencia de cadena con el disolvente que aumentan la dispersión de pesos moleculares; eliminación del disolvente
Técnicas de Polimerización
Método Ingredientes Ventajas Inconvenientes
Suspensión Monómeros, medio de susp., iniciadores, reguladores
Disipación efectiva del calor; separación fácil del polímero
Presencia de contaminantes; bajo rendimiento
Emulsión Monómeros, iniciadores, reguladores, medio de emulsión
Disipación muy efectiva del calor; obtención PM altos; Reacciona todo el monómero; Baja viscosidad; Valores bajos de Tg
Contaminación; necesidad de secado y lavado del polímero aislado; la presencia del surfactante puede causar sensibilidad al agua
Polimerización en emulsión
Normalmente: - Disolvente: Agua
- Monómero: Hidrofóbico
Procedimiento: - El surfactante se disuelve en el agua hasta alcanzar la concentración micelar crítica.
- Se agita con el monómero hasta formar la emulsión
- Catalizador: Soluble en agua (peróxidos, persulfatos etc.)
- Polimerización: Vía radical libre
LATEX
- Se añade el catalizador
Pinturas al látex
- A veces se añaden reactivos de transferencia de cadena para disminuir el peso molecular
Polimerización en emulsión
Micelas
Monómero
Agua
Polimerización en emulsión
Micelas
Monómero
Agua
Polimerización en emulsión
Micelas
Monómero
Agua
No pueden reaccionar
Polimerización en emulsión
Características:
- Al aumentar la concentración del surfactante (y por tanto de las micelas) aumenta la velocidad de reacción y el peso molecular
Ejemplos de obtención industrial:
- Copolímeros de: poliestireno, polibutadieno, poliacrilonitrilo
- Polimetacrilatos, poli (acetato de vinilo), poli(cloruro de vinilo), policloropreno
- Al disminuir la concentración del iniciador (menos de uno por micela) aumenta el peso molecular
Mecanismos de Copolimerización
Copolimerización Radicalaria
Mecanismos de Copolimerización
Copolimerización Iónica
Las copolimerizaciones iónicas, aniónicas o catiónicas, son susceptibles de un tratamiento similar al descrito para las copolimerizaciones vía radical. Sin embargo, los valores que suelen presentar las reactividades relativas de los comonómeros son muy distintos según el tipo de mecanismos que se trate. En los mecanismos aniónicos se observan rangos de reactividades mucho mas amplios que en los sistemas radicalarios.
Mecanismos de Copolimerización
Copolicondensación
Mecanismos de Copolimerización
Copolímeros de Injerto
Tamaño Molecular
Distribución de pesos moleculares definido por
peso molecular promedio.
xx
xx
x
xx
n MnN
MN
N
MNM
xx
xx
x
x
W MwW
MW
W
WxMM
Tamaño Molecular Evaluación del Peso Molecular:
Tamaño Molecular Efecto del tamaño de la molécula
N° de
unidades
-CH2-CH2-
Peso
molecular
Estado físico a
20 ºC
1 30 Gas
6 170 Líquido
35 1000 Gas
430 >12000 Resina
Sobre su estado de agregación
Comportamiento de un material
Propiedades de los Polímeros
Propiedades Térmicas
Amorfo
Frágil Fluido • Flexible • Débil
• Rígido • Duro Fluido Fuerte
Tg Tm Td
Propiedades Térmicas ‐ Temperatura de Transición Vítrea (Tg)
• Sin cambio de fase • Aumentos de capacidad calorífica (Cp efecto entrópico, en lugar entálpico) • La densidad del polímero disminuye por encima de Tg (volumen libre más grande) • El valor de la Tg depende de la velocidad de calentamiento/enfriamiento • Para cadenas lineales Tg aumenta con el aumento del grado de polimerización
• La Tg disminuye con el aumento de la cantidad de plastificante añadido (El plastificante sirve como un mal disolvente para el compuesto polimérico)
En copolímeros, la Tg se puede obtener entre las Tg1 y Tg2 de los dos homopolímeros de la composición molar del copolímero
En homopolímeros existe una relación entre la Tg y la Tm
La Tg incrementa: • Sustituyentes polares • Sustituyentes estéricamente
flexibles • La reticulación • Grandes barreras de energía
para la rotación de torsión
Propiedades Térmicas ‐ Temperatura de Fusión (Tm)
La Tm es dependiente de la velocidad de calentamiento y enfriamiento, debido a que la re-ordenamiento de las cadenas del polímero lleva tiempo
se define como la temperatura cuando
Para cadenas de polímeros lineales, los grupos terminales sirven como "impurezas" bajando el punto de fusión.
La Tm incrementa: • Sustituyentes polares • Enlaces de Hidrógeno • La rigidez en la columna
vertebral
Propiedades de los Polímeros
Estado Sólido - Conformación de los Polímeros
Cadena Rígida Ovillo Estadístico
Dimensiones del Ovillo Estadístico
Esquema de un ordenamiento a) cristalino, b) semicristalino y c) amorfo.
Estado Sólido - Estado Cristalino y Amorfo
Cristalinidad en polímeros
Interacciones entre moléculas: • Van der Waals • Dipole/Dipole • Puentes de Hidrógeno • Enlaces no químicos (Reticulación)
La cristalinidad depende del tratamiento termo-mecánica previo del compuesto polímero
• Factores determinantes de la Cristalinidad
Grado de Cristalinidad
• Constitución de la cadena
• Regularidad constitucional
Comonómeros
• La cristalinidad disminuye, siendo este efecto mayor cuanto mas diferentes sean las constituciones de los Comonómeros.
Tamaño
• La cristalinidad disminuye debido a la mayor influencia que ejercen los extremos de cadena.
Configuración
• La ausencia de tacticidad suele ser sinónimo de carácter amorfo.
Ramificaciones
• La presencia de ramas disminuye la cristalinidad, siendo el efecto mas pronunciado cuanto mas irregulares sean estas.
Estructura Interna de la Esferulita
Modelos de Lamela: a) Plegamiento al azar; b) Plegamiento regular adyacente; c) Modelo mixto
Mo
rfo
logí
a C
rist
alin
a
Técnicas Instrumentales para Identificación y Análisis de Polímeros
CROMATOGRAFIA GASES: Análisis cualitativo y cuantitativo de los aditivos no poliméricos.
ESPECTROSCOPIA INFRARROJA TRANSFORMADA FOURIER (FTIR): Técnica más versátil y rápida determinación estructura química polímero. Aplicación en el estudio de superficies (ATR) Aplicación en el campo de recubrimientos sobre superficies metálicas (Reflectancia Especular) Análisis polímeros multicapa sin necesidad de separarlas físicamente (microscopio/FTIR)
ESPECTROSCOPIA RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR (RMN): Determinación estructura química polímero. Determinación composición de copolímeros. Estudio características polímeros: Tacticidad
MUESTRA DESCONOCIDA
Identificación Clase polímero
Análisis Composición polímero
Tacticidad
Copolímero/monómeros
Secuencia copolímero
Caracterización
Peso molecular, MWD
Tg
Prop. Mecánicas
Reología
Morfología: Tm
Propiedades de los Polímeros
Propiedades Mecánicas
Tipo de Deformación
Parámetro Elástico Símbolo Expresión Definición
Isotrópica Módulo de compresión K 𝑝𝑉𝑜
∆𝑉
Presión hidrostática/ contracción por unidad de volumen
Cizalla Módulo de rigidez G 𝜏
𝑡𝑔𝛾
Fuerza de cizalla por unidad de área/ deformación por unidad de distancia
Tracción Módulo de Young E 𝜎
𝜖
Fuerza por unidad de área/ deformación por unidad de longitud
Cualquiera Relación de Poisson ν -- Contracción lateral/ deformación axial
Las propiedades mecánicas de los polímeros en estado sólido a bajas deformaciones son de una naturaleza distinta a las que exhiben cuando se someten a deformaciones elevadas. Mientras que las primeras son de naturaleza elástica, las segundas son viscoelásticos y son fuertemente dependientes del tiempo y de la temperatura.
Material ν E (GPa) G (GPa) K (GPa)
Agua 0.50 0 0 0
Caucho natural 0.49 10.5x10-4
3.5x10-4
2.0
Polietileno 0.49 0.2 0.07 3.3
Nylon 0.40 1.9 0.7 5.0
Poliestireno 0.38 3.4 1.2 5.0
Resina epoxi 0.40 2.5 0.9 6.4
Cobre 0.34 110 44 135
Vidrio 0.23 60 25 37
Diamante 0 1180 590 395
La aplicación de un esfuerzo a un material plástico tiene como primera consecuencia una deformación elástica debida a las deformaciones en las longitudes y ángulos de enlace. Estas deformaciones son reversibles, de pequeña magnitud y se cuantifican mediante los parámetros elásticos.
Comportamiento Mecánico
Comportamiento Característico
Curva Tracción-Deformación
Donde, σ = esfuerzo de tracción en N/m2; ϒ = elongación, (L0-L)/L0; L0 = longitud inicial; A0 = sección transversal en m2.
Estabilización de compuestos poliméricos con respecto a la tensión mediante la orientación de estiramiento
Comportamiento No-Newtoniano
Otras Propiedades de los Polímeros
Densidad
Cociente entre la masa de un determinado material sólido por unidad de volumen. Es decir, cuánto ocupará dicho material considerando el volumen real debido a su morfología.
ρ = m_ V
Denominación DIN Densidad
gr/cm3
Poliamida PA 1,15
Polióxido de Metilo POM C Poliacetal - Acetal 1,41
Tereftalato de Polietileno Polyester PET 1,38
Polietileno PE 0,95
Polipropileno PP 0,91
Cloruro de Polivinilo PVC rígido 1,42
Cloruro de Polivinilo PVC flexible 1,24
Metacrilato de Polimetilo PMMA 1,20
Policarbonato PC 1,20
Politetrafluoretileno PTFE 2,18
Fluoruro de Polivinilideno PVDF 1,78
Polietercetona PEEK 1,32 - 1,50
Polisulfona PSU 1,24
Polietersulfona PES 1,37
Polieterimida PEI 1,27
Poliimida PI 1,43 - 1,60
Polisulfuro de Fenileno PPS 1,43
Otras Propiedades de los Polímeros
Índice de Fluidez
Parámetro empírico para el peso molecular y capacidad de procesamiento. De acuerdo con la norma ISO 1133 y ASTM D1238, el MFI es el peso del polímero fundido a través de una boquilla estándar (2.095 x 8 mm) a una temperatura dada y con un peso estándar aplicado al pistón, que empuja la muestra.
Denominación DIN Densidad
gr/cm3
Poliamida PA 1,15
Polióxido de Metilo POM C Poliacetal - Acetal 1,41
Tereftalato de Polietileno Polyester PET 1,38
Polietileno PE 0,95
Polipropileno PP 0,91
Cloruro de Polivinilo PVC rígido 1,42
Cloruro de Polivinilo PVC flexible 1,24
Metacrilato de Polimetilo PMMA 1,20
Policarbonato PC 1,20
Politetrafluoretileno PTFE 2,18
Fluoruro de Polivinilideno PVDF 1,78
Polietercetona PEEK 1,32 - 1,50
Polisulfona PSU 1,24
Polietersulfona PES 1,37
Polieterimida PEI 1,27
Poliimida PI 1,43 - 1,60
Polisulfuro de Fenileno PPS 1,43
Material Conductividad calórica (W/mK)
Plásticos PE PA (nylon)
032 – 0.4
0.23 – 0.29
Acero 17 – 50
Aluminio 211
Cobre 370 – 390
Aire 0.05
Conductividad Calórica
La conductividad calórica (medida del transporte de calor) se encuentra entre 0.15 y 0.5 W/mK, siendo un valor pequeño lo que hace considerar a los plásticos como mal conductor de calor (aislante)
Conductividad Eléctrica
La conductividad eléctrica (facilidad para conducir corriente eléctrica) es muy baja por la ausencia de electrones libres.
Para mejorar la conductividad de un plástico se puede adicionar un metal en polvo.
Material Conductividad eléctrica (m/Ω mm2)
PVC 10-15
Acero 5.6
Aluminio 38.5
Cobre 58.5
Permeabilidad
Variación del volumen específico en función de la temperatura para a) un polímero cristalino y b) un polímero amorfo.
Propiedades de los Polímeros
Características Generales
Propiedades de los Polímeros
Características Particulares - Termoplásticos
Propiedades de los Polímeros
Características Particulares - Termoestables
Características Particulares - Elastómeros
Resumen
Líquido:
- Fundido: Ejemplo: monómeros y prepolímeros, sistemas epoxi, adhesivos de dos componentes epoxi.
- Latex –dispersión-. Ejemplo: NR.
- Disolución. Ejemplos: soluciones de poliésteres insaturados.
Sólido:
- Granza (pellets): cilindros de ~3mm. Ejemplo: la mayoría de termoplásticos para extrusión y moldeado.
- Polvo (powder)
- Partículas porosas para fácil disolución.
Formato de distribución de los polímeros o de los materiales poliméricos:
Procesamiento de Polímeros
Procesamiento de Polímeros
Clasificación de los Métodos de Procesado
1. Dado de formación (fibra, película, lámina, tubo, alambre) 2. Calandrado y revestimiento
1. Recubrimiento del molde (polvo, rotación) 2. Moldeo y fundición (inyección, transferencia, RIM) 3. Conformado (termoformado, moldeo por soplado)
Continuo
Ciclo
Procesos Continuos
Procesos Discontinuos
Procesos Discontinuos
Etapas de Procesado
PARÁMETROS CRÍTICOS Y EFECTOS
ETAPAS FUNDAMENTALES
1. Acondicionamiento y mezcla de componentes. 2. Pastificación - reblandecimiento de los polímeros (o prepolímeros). 3. Compresión 4. Conformado 5. Consolidación por enfriamiento en termoplásticos (o curado en plásticos y gomas). 6. Enfriamiento 7. Acabado
a) Temperatura máxima alcanzada. Degradación. b) Presión máxima alcanzada. Contracciones, porosidad. c) Tiempo de curado. Tipo y cuantía de las reticulaciones. d) Velocidad de enfriamiento. Cuantía y tamaño de las cristalitas. e) Estirado uni- o bidireccional. Formas cristalinas.
Etapas de Procesado
OTRAS ETAPAS:
VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
1. Tamaño de los cristales: > a > velocidad de enfriamiento. 2. Cristalización durante estirado uni- o bidireccional. 3. Grado de reticulación en plásticos y elastómeros. 4. Contracción: disminución de volumen; tanto < cuanto > es la cristalización. 5. Tensiones internas residuales: pueden producir roturas. 6. Posibles deformaciones. Diseño de formas apropiadas. 7. Importancia del enfriamiento lento para prevenir el posterior envejecimiento físico.
a) Acabado y Montaje b) Ciclo de vida de los productos.
Reciclado: - Mecánico - Químico - Valorización energética
Técnicas de Procesado Parámetros para la Elección
• Número de piezas requeridas
• Tamaño y complejidad del producto
• Tipo de material
• Coste por unidad
• Aspecto/acabado de la pieza
• Exactitud de medidas y tolerancias
• Resistencia y rigidez
• Acabado posteriores/técnicas de ensamblaje que se podrán emplear
Procesamiento de Polímeros
Técnica de Procesado Volumen (%)
Extrusión 36
Inyección 32
Soplado 10
Calandrado 6
Revestimiento 5
Compresión/ Transf. 3
Otros 8
Procesamiento de Polímeros Principales Métodos de Procesado
Termoplásticos Termoestables
Moldeo por compresión Extrusión Soplado Moldeo por inyección Termoformado y conformado por vacío Moldeo rotacional Calandrado Recubrimiento por polvo en lecho fluidificado Moldeo de espuma estructural
Moldeo por compresión Moldeo por transferencia Moldeo por inyección Moldeo por reacción - inyección Colada (Casting) y dispersión
Procesamiento de Polímeros Principales Métodos de Procesado
Compuestos ref. con fibras Plásticos espumados
Moldeo por transferencia de resina Aplicación de capas a mano/ o spray Bolsa de vacío/ Autoclave Enrollado de filamentos Pultrusión Colada por centrifugación
Extrusión de espumados Inyección de espumado Espuma estructural Espuma sintáctica Moldeo de gránulos preexpandidos con vapor Vertido de líquido in situ
Procesos de Transformación Moldeo por Compresión
• Variables a controlar: - Cantidad de material
- Tiempos del ciclo
- Temperatura
- Calor aplicado
• Aplicación: - Placas de interruptores eléctricos
- Lavaplatos
- Neumáticos de goma
- Tapas de distribuidor del automóvil
• Pasos típicos - Abrir el molde
- Carga de material en la cavidad
- Cerrar el molde, compresión del plástico
- El molde expele el aire y los gases
- El plástico se endurece
- Se abre el molde
- Extracción de la pieza
Procesos de Transformación Moldeo por Compresión
• Ventajas
- Posibilidad de moldear material de alta viscosidad
- Componentes de mejor estabilidad dimensional
• Desventajas
- La calidad de la pieza depende de las variables del proceso y de la máquina
- El ciclo de moldeo es lento
Procesos de Transformación Moldeo por Compresión
Se emplea mayormente en resinas termoendurecibles y gomas. Resinas fenólicas, epoxi, poliésteres, melamina, etc.
Procesos de Transformación Termoformado Termoplásticos: PS, ABS y PVC
Procesos de Transformación Termoformado
• Ventajas - Moldes simples y de fácil diseño
- Moldes pueden estar construidos con materiales de bajo coste tales como madera, aluminio, yeso y resina epoxi
- Prototipos baratos
• Desventajas - Control muy pobre del espesor
de pared a lo largo de la pieza
- Material costoso
• Aplicación: - Embalajes tipo “blister” (Los
blisters de PVC laminados con PE se usan para embalajes de alimentos (pizza, delicatessen, jamón). Los blisters farmacéuticos están sellados con película de aluminio.
- Revestimiento interior de las puertas y cubas de frigoríficos y de lavaplatos
- Vasos para bebidas en máquinas automáticas
Procesos de Transformación Rotomoldeo
Procesos de Transformación Rotomoldeo
Procesos de Transformación Inyección
• Fases básicas - Alimentación a la cavidad
- Fusión del plástico por acción del calor del cilindro
- Transporte del material a la punta libre del husillo
- Expulsión y desmoldeo
• Aplicación: - Cuchillería de plástico
- Tapones de botella
- Cajas de computadores – TV
- Aparatos de audio y equipos electrodomésticos
- Maquinillas de afeitar desechables
- Faros y luces posteriores del automóvil
Procesos de Transformación Inyección Termoplásticos – Semicristalinos - Termoendurecibles
Procesos de Transformación Inyección
• Ventajas • Capacidad de automatización
• Tiempos de ciclo rápidos
• Buen control de dimensiones
• Buena consistencia pieza a pieza
• Buen sistema para moldeo de paredes delgadas
• Producción económica
• Mayor homogeneidad del material
• Desventajas • Mayor destreza en el control
del proceso
• Máquinas y moldeos costosos
• Inadecuado para producciones que arranquen y paren cte.
• Gasto de material de desecho
• Empleo de fibras más cortas
La Máquina: Tolva
La Máquina:
La Máquina: Tornillo
La Máquina: Anillos de Retención
La Máquina: Puntas del Tornillo
La Máquina: Boquillas
La Máquina: Molde
Factores que Afectan - Inyección
Inyección Soplado
Procesos de Transformación Extrusión
Fluidos Incompresibles
Ec. de Navier-Stokes
Procesos de Transformación Extrusión Termoplásticos: PVC, PE, PS y ABS
Extrusión
Medición de Variables de Procesos • Torque • Temperatura de fusión • Presión • Flujo másico
Optimización de Parámetros de Procesos: • Velocidad de extrusión • Perfil de temperatura • Presión • Diseño del tornillo
Extrusión
• Ventajas ₋ Formas continuas,
semielaborados
₋ Gran capacidad de producción
• Desventajas ₋ Costo elevado de
producción
• Aplicación ₋ Bolsas de plástico
₋ Tubos de gran diámetro, barras, tubos pequeños y planchas para aplicación en la construcción
₋ Material para envolturas y cintas de audio / video
La Máquina:
Extrusión
27/11/2013 203
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
EXTRUSIÓN
27/11/2013 204
La Máquina: Plato rompedor
27/11/2013 205
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
EXTRUSIÓN: Principios de funcionamiento de las extrusoras monohusillos
27/11/2013 206
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 207
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 208
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
EXTRUSIÓN:
27/11/2013 209
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 210
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 211
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
EXTRUSIÓN:
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PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 213
27/11/2013 214
27/11/2013 215
27/11/2013 216
27/11/2013 217
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
EXTRUSIÓN: Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de las extrusoras
27/11/2013 218
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 219
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 220
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 221
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 222
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 223
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 224
La Máquina: Equipos complementarios
27/11/2013 225
27/11/2013 226
27/11/2013 227
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN
27/11/2013 229
Extrusión: Ejemplos de fabricación
27/11/2013 230
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN