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CIENCIA DE MATERIALES II

LABORATORIO No 1

Reconocimiento de polmeros

INTRODUCCIN En el proceso de formacin de un Ingeniero Industrial, es muy importante el conocimiento de la ciencia de los Materiales, ya que sta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseos de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y econmicos. Los materiales plsticos se han convertido en una alternativa de diseo importante reemplazando muchos de los materiales conocidos, mejorando propiedades de resistencia y peso. Con la prctica de identificacin de polmeros, adems de conocer algunos mtodos para lograr identificar fcilmente los materiales plsticos y sus aplicaciones a nivel industrial, se pretende brindar una herramienta a los estudiantes que les permita generar alternativas en el diseo de productos y en el mejoramiento de los procesos que conlleven al incremento de la productividad, garantizando la alta calidad en dichas actividades.

OBJETIVOS

Los objetivos que persigue la correcta realizacin de esta prctica son:

Identificar las seis clases ms importantes de polmeros termoplsticos por

medio de la medicin de sus propiedades fsicas y qumicas.

Entender la importancia de la identificacin de materiales plsticos para su utilizacin a nivel industrial y reciclado.

Conocer las propiedades fsicas y qumicas de los termoplsticos utilizados en la prctica, as como los mtodos de identificacin.

Identificar las caractersticas funcionales de cada plstico para una correcta utilizacin en el diseo de nuevos productos y proceso a nivel industrial.

Conocer algunos procedimientos sencillos y de gran utilizacin en la identificacin de polmeros termoplsticos.

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INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD

Se recomienda a los estudiantes tener las siguientes precauciones en el momento de realizar la prctica:

Usar obligatoriamente los implementos de seguridad necesarios para la prctica: gafas de seguridad y pinzas para manipular los pellets cuando sea necesario.

Seguir cuidadosamente las instrucciones de los monitores cuando se maneje llama abierta y sustancias inflamables como el alcohol isopropil y la acetona.

Recordar que las soluciones pueden ser inflamables, desprender gases txicos o que se pueden absorber a travs de la piel

Tener un buen conocimiento sobre la prctica y todo lo relacionado con sta, como utilizacin de equipos, herramientas y materiales.

HISTORIA E IMPORTANCIA DE LOS POLMEROS

La definicin ms simple de un polmero es la repeticin de muchas unidades pequeas, generalmente hidrocarburos; un polmero es como una cadena en la que cada unin es una unidad bsica, hecha de carbono, hidrgeno, oxgeno, y/o silicio.

Algunos polmeros son sustancias naturales de origen vegetal y animal. Esto incluye cuernos de animales, carey de tortuga, secreciones de un insecto asitico, la colofonia de la savia de rboles del pino, mbar que es la resina fosilizada de rboles y alquitrn obtenido de la destilacin de materiales orgnicos como madera. Pero debido a su difcil recoleccin, recuperacin y purificacin, la bsqueda de polmeros sintticos era el paso natural a seguir.

En el siglo XIX ocurri el primer desarrollo, al procesar polmeros naturales o combinarlos con qumicos para hacer sustancias tiles. Estos polmeros se llamaron Polmeros naturales modificados" o "Polmeros semi-sintticos. El primero y ms famoso de stos es el caucho vulcanizado. En 1839, Charles Goodyear descubri, despus de aos de experimentacin, que la savia del rbol del hevea (ltex) podra calentarse con el azufre para alterar las propiedades fsicas del ltex permanentemente, evitando sus limitaciones naturales, pues este era quebradizo en el fro y se funda a altas temperaturas.

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Ms tarde, como resultado de un concurso realizado en 1860, en el que el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collander ofreci una recompensa de 10.000 dlares a quien consiguiera un sustituto aceptable del marfil natural, destinado a la fabricacin de bolas de billar, Wesley Hyatt, desarroll un mtodo de procesamiento a presin de la piroxilina, un nitrato de celulosa de baja nitracin tratado previamente con alcanfor y una cantidad mnima de disolvente de alcohol.

En 1909 el qumico norteamericano de origen belga Leo Hendrik Baekeland sintetiz un polmero de inters comercial, a partir de molculas de fenol y formaldehdo y lo bautiz con el nombre de baquelita (o bakelita), el primer plstico totalmente sinttico de la historia. Estos resultados incentivaron a los qumicos y a la industria a buscar otras molculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polmeros.

El hecho que los polmeros eran molculas grandes fue propuesto primero por Staudinger en 1920. Pero el concepto no se acept totalmente hasta el trabajo de Walace Carothers, el inventor del nylon, en 1929 que trabajaba para la empresa Dupont y descubri que dos sustancias qumicas como la hexametilendiamina y el cido adpico, formaban polmeros que inyectados a travs de agujeros y estirados formaban hilos que podan tejerse.

El primer uso del nylon fue la fabricacin de paracadas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendindose rpidamente a la industria textil en la fabricacin de medias y otros tejidos combinados con algodn o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintticas como por ejemplo el orln y el acriln.

Fue hasta la Segunda Guerra Mundial que la industria de los polmeros tom un cambio significativo ya que, para esta poca, la tecnologa para producir los polmeros sintticos de los qumicos se estaba desarrollando rpidamente, pero las aplicaciones no siempre eran comercialmente factibles o aprovechables. Las substancias naturales estaban generalmente disponibles; por consiguiente, los materiales sintticos no eran tan necesarios.

Como consecuencia de la guerra, la fuente de ltex se agotaba y el caucho sinttico se volvi una necesidad. Las fibras naturales como la seda no se conseguan en largos tamaos, necesarios para la fabricacin de paracadas, entonces el nylon fue la solucin. Desde entonces, la industria del polmero ha crecido, ha cambiado, y se ha diversificado y convertido en una de las industrias que ms rpido crece en los Estados Unidos y en el mundo.

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En la dcada del 30, qumicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la accin del calor y la presin, formando un termoplstico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los aos 50 aparece el polipropileno (PP).Al reemplazar en el etileno un tomo de hidrgeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plstico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para tubera de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material ms blando, sustitutivo del caucho, comnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes.

Otro de los plsticos desarrollados en los aos 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comnmente utilizado para vasos y potes. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rgida, es usado bsicamente para embalaje y aislante trmico.

ESTRUCTURA DE LOS POLMEROS

Muchas clases comunes de polmeros estn compuestas de hidrocarburos. Estos polmeros estn especficamente hechos de unidades pequeas dentro de cadenas largas. La Figura No.1 muestra el diagrama del polietileno, la estructura del polmero ms simple.

Estructura del polietileno

Aunque la composicin bsica de muchos polmeros es carbono e hidrgeno, (por ejemplo, polipropileno, polibutileno, poliestireno y polimetilpenteno), tambin pueden estar involucrados otros elementos tales como el oxgeno, cloro, flor, nitrgeno, silicio, fsforo y azufre. El cloruro de Polivinilo (PVC) contiene cloro. El Nylon contiene nitrgeno y oxgeno. El tefln contiene el flor. El Polistireno y el Policarbonato contienen oxgeno. El caucho vulcanizado y Thiokol contienen azufre. Hay tambin algunos polmeros que, en lugar de tener las molculas de carbono, tienen silicio o molculas de fsforo. stos son considerados como polmeros inorgnicos.

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CLASIFICACIN DE LOS POLMEROS

Los polmeros se pueden clasificar en tres grandes grupos como son los termoestables, termoplsticos y elastmeros. Los termoplsticos se ablandan con el calor, poseen grandes cadenas moleculares lineales y ramificadas, poseen gran ductilidad y conformidad al ser calentados; los polmeros termoestables son ms resistentes pero a su vez son frgiles ya que poseen cadenas moleculares rgidas fuertemente enlazadas. Elastmero es una palabra que significa simplemente "caucho". Entre los elastmeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el polibutadieno, el poliisobutileno, y los poliuretanos. Lo particular de los elastmeros es que pueden ser estirados hasta muchas veces sus propias longitudes, para luego recuperar su forma original sin una deformacin permanente. 1. Polmeros Termoestables

Los polmeros termoestables, son aquellos que solamente son blandos o "plsticos" al calentarlos por primera vez. Despus de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores. Es un material compacto y duro, su fusin no es posible. Insolubles para la mayora de los solventes, encuentran aplicacin en entornos de mucho calor, pues no se ablandan y se carbonizan a altas temperaturas. Esto se debe a su estructura molecular, de forma reticular tridimensional, que constituye una red con enlaces transversales. La formacin de estos enlaces es activada por el grado de calor, el tipo y cantidad de catalizadores y la proporcin de formaldehdo en el preparado base.

2. Elastmeros

Los elastmeros son sustancias polimricas que poseen la particularidad que se pueden deformar en gran medida sin que lleguen a la zona de deformacin plstica. Los elastmeros son compuestos qumicos cuyas molculas consisten en varios miles de molculas llamados monmeros, que estn unidos formando grandes cadenas, las cuales son altamente flexibles, desordenadas y entrelazadas. Cuando son estirados, las molculas son llevadas a una alineacin y con frecuencia toman el aspecto de una distribucin cristalina, pero cuando se las deja de tensionar retornan espontneamente a su desorden natural, un estado en que las molculas estn enredadas. Esta forma de volver a su estado natural de desorden distingue a los elastmeros de los polmeros termoestables, los cuales son duros y frgiles.

Entre los polmeros que son elastmeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el polibutadieno, el poliisobutileno y los poliuretanos. 3. Polmeros Termoplsticos

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Las resinas termoplsticas son fcilmente conformables al aplicarles temperatura y presin. La temperatura mxima de trabajo para los productos moldeados son bastante ms bajas que la temperatura de ablandamiento o de fusin, usualmente alrededor de la mitad de la temperatura de fusin correspondiente. Variaciones en los esfuerzos mecnicos, es decir fatiga, o condiciones ambientales pueden reducir los mrgenes de resistencia del material. Otra caracterstica de estos materiales es su tendencia a absorber agua, ya sea del ambiente o por inmersin.

Resinas de Polmeros Termoplsticos

A continuacin se muestran las caractersticas de los polmeros termoplsticos ms comunes en la industria.

Nombre

Generalidades

Propiedades

Aplicaciones

Polietileno Tereftalato

(PET)

Es claro, lavable y no absorbe la humedad. La inmensa mayora de este plstico termina en las botellas de bebida, formadas por inyeccin soplado. Un volumen pequeo se usa ahora para la fabricacin de guardabarros para bicicletas.

Claridad, fuerza/dureza, resistencia a la grasa y al calor.

Botellas plsticas para bebidas, envases muy transparentes, delgados, verdes o cristal, recipientes de aderezo, medicinas, agroqumicos, etc.

Polietileno de alta densidad

(PE-HD)

Este polmero tiene mejores propiedades mecnicas que el PE-BD, ya que posee mayor densidad.

Presenta fcil procesamiento y buena resistencia al impacto y a la abrasin. No resiste a fuertes agentes oxidantes como cido ntrico, cido sulfrico.

Es resistente a las bajas temperaturas, tiene alta resistencia a la tensin, compresin y traccin.

Es Impermeable e Inerte (al contenido), baja reactividad. No txico.

Envases para: detergentes, aceites automotor, shampoo, lcteos; Bolsas para supermercados; Envases para pintura, helados, aceites; Tuberas para gas, telefona, agua potable, minera, lminas de drenaje y uso sanitario.

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Cloruro de polivinilo (PVC)

Adems de sus buenas propiedades fsicas, el PVC tiene una transparencia excelente, alta resistencia qumica, resistencia a la humedad, y buenas propiedades elctricas. Las aplicaciones rgidas, se concentran en tuberas, alfombras, ventanas, botellas y el empaque rgido de lquidos.

Versatilidad, facilidad de mezclar, fuerza y dureza, la resistencia a grasa y aceites, la resistencia a los qumicos, claridad, bajo costo.

Empaque de comida, botellas de champ, envasestransparentes, semidelgados. Se usa en aislamiento de cables, capas, bolsas de sangre, tubera mdica y muchas ms aplicaciones.

Polietileno de Baja Densidad

(LDPE)

Es utilizado en pelculas flexibles y relativamente trasparentes. Tiene un bajo punto de fusin. Tpicamente el LHPE es usado en la manufactura de pelculas flexibles, tales como bolsas plsticas y publicitarias, tambin es usado en la manufactura de tapas flexibles, y adems en alambres y cables por sus buenas propiedades de aislamiento elctrico.

Fcil de procesar, resistente a la humedad, flexible, fcil de sellar y bajo costo.

Bolsas para pan, para alimentos congelados y para dulces, entre otros tipos de bolsas y tapas, tambin se usa para tubera y otros.

Polipropileno

(PP)

Es el polmero termoplstico, parcialmente cristalino. Utilizado en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen empaques para alimentos, tejidos, equipo de laboratorio, componentes automotrices y pelculas transparentes. Tiene gran resistencia contra diversos solventes qumicos, as como contra lcalis y cidos.

Tiene menos densidad que el PE-BD. Su temperatura de reblandecimiento es ms alta, y es mas resistente a altas y a bajas temperaturas.

Moldeo por inyeccin: juguetes, parachoques de automviles, etc. Moldeo por soplado: recipientes huecos (botellas) Produccin de fibras, tanto tejidas (tapetes) como no tejidas. Extrusin: de perfiles, lminas y tubos.

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Poliestireno

(PS)

El PS es un plstico muy verstil que puede ser rgido o formado. Generalmente es claro, duro y quebradizo. Es muy poco resistente al vapor de agua, oxigeno y tiene relativamente bajo punto de fusin. Hay dos versiones el expansible o espumado (unicel) y el de cristal.

Versatilidad, fcil procesamiento, claridad, aislamiento y bajo costo.

Proteccin en: empaquetamientos, contenedores, tapas, botellas, bandejas y vasos.

Cajas de videocasetes, de compact disc, vasos rgidos, contenedores de comidas rpidas.

Otras resinas como ABS, PC, etc.

El uso de este cdigo indica que el empaque en cuestin est hecho de una resina diferente a las seis listadas o de ms de una de dichas resinas y que es usado en una combinacin de varias capas.

Depende de la resina o combinacin de resinas.

Botellas de agua reutilizables, algunas botellas de jugos y salsa de tomate.

Tabla No 3 - Resinas de Polmeros Termoplsticos

IDENTIFICACIN DE PLSTICOS

Los materiales termoplsticos pueden ser reutilizados mediante diferentes procesos de reciclaje, para los cuales, el paso ms importante lo constituye la clasificacin de los materiales. Las pruebas de laboratorio pueden servir para determinar los componentes de un material desconocido. Algunos mtodos de pruebas muy sencillas se muestran a continuacin con el fin de dar las pautas necesarias para identificar fcilmente los tipos bsicos de polmeros termoplsticos. Las resinas de polmeros pueden identificarse por las siguientes pruebas fundamentales:

Marca normalizada Aspecto fsico Efectos de calor

Prueba Belstein Solubilidad Densidad relativa

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Marca normalizada

La Sociedad de la Industria de Plsticos (SPI) introdujo el cdigo para la identificacin de las resinas en 1988 en el afn de reciclar y dejar de contribuir a la contaminacin y as establecer un sistema uniforme para todo Estados Unidos. Este cdigo, identifica los termoplsticos del 1 al 7 dentro de un tringulo de flechas, como se muestra en la Tabla No 3, refirindose a cada plstico con propiedades y aplicaciones especficas.

Los cdigos son moldeados o impresos sobre el fondo de la mayora de contenedores plsticos, sin embargo, para la clasificacin a gran escala, la identificacin visual no es lo suficientemente prctica.

Aspecto fsico

El aspecto fsico o visual puede dar una pista para identificar los materiales plsticos. Es ms difcil identificar los plsticos como materia prima sin mezclar, o en pellets, que los productos acabados. Los termoplsticos se producen generalmente en forma de pellets, granulados. Los materiales termoestables se suelen obtener como polvos o resinas. De las resinas termoplsticas ms comunes, el polietileno tereftalato (PET) y polipropileno (PP) tienen una textura translcida, cerosa.

Los mtodos de fabricacin y aplicacin del producto tambin describen un plstico. Habitualmente, los materiales termoplsticos se extruyen o se someten a conformado por inyeccin, calandrado, moldeo por soplado y moldeo al vaco. El polietileno, el poliestireno y los celulsicos se suelen emplear en la industria de recipientes y envasados. Las sustancias como polietileno, politetrafluoretileno, poliacetales y poliamidas tienen un tacto ceroso caracterstico. Los plsticos termoendurecibles se suelen moldear por compresin (por trasferencia).

Efectos del calor

Cuando se calientan muestras de plstico en tubos de ensayo, se pueden identificar los olores caractersticos de determinados plsticos. La manera particular de quemarse puede dar una pista al respecto. El PET se quema rpidamente, y expide olores a parafina y cuando se extingue la llama, produce un humo blanco. El polietileno se consume con una llama azul trasparente y gotea al hundirse. El cloruro de Polivinilo (PVC) puede encenderse pero l mismo se extinguir en cuanto la fuente de fuego est alejada. El PVC tiene un olor muy agrio al quemar porque el cloruro de hidrgeno es un derivado ardiente. El PP, por otro lado, se consume ms lentamente, los gases alimentan la llama. El Poliestireno (PS) y sus copolmeros desprenden humo negro (carbono), se quema rpidamente, tiene un olor de gas fuerte, y produce grandes cantidades de holln.

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El punto de fusin real es otro elemento identificador. Los materiales termo estables no se funden. Algunos termoplsticos en cambio, funden a menos de 195C. Tambin se puede presionar sobre la superficie de un plstico con un soplete de soldadura elctrico. Si el material se ablanda y la punta caliente se hunde, ser un termoplstico. Si sigue duro y se carboniza simplemente se tratara de un termoestable.

Prueba de Beilstein

La prueba de Beilstein es un mtodo simple para determinar la presencia de un halgeno (cloro, flor, bromo y yodo). Para esta prueba hay que calentar un alambre de cobre limpio en una llama de Bunsen hasta que se ponga incandescente. Despus se pone en contacto rpidamente el alambre caliente con la muestra de ensayo y se retorna el alambre a la llama. Una llama verde demuestra la presencia de halgeno.

Los plsticos que contienen cloro como ya se haba dicho anteriormente son policlorotrifluoretileno, PVC, policloruro de vinilideno y otros, que dan positivo en el ensayo de halgeno. Si la prueba es negativa, es posible que el polmero est compuesto solamente de carbono, hidrgeno, oxigeno o silicio.

Solubilidad

Las pruebas para determinar la solubilidad o insolubilidad de los plsticos son mtodos sencillos de identificacin. Con la excepcin de las poliolefinas, los acetales, las poliamidas y los fluorplsticos, se puede considerar que todos los materiales termoplsticos son solubles a temperatura ambiente, el PET por ejemplo es impenetrable a los solventes qumicos mientras el PP se disuelve en tolueno caliente. Los termoestables por su parte, son resistentes a los disolventes.

Densidad relativa

La clasificacin por densidad con un sistema de flotacin se realiza comparando las densidades del material plstico y sustancias lquidas de densidad conocida. Si un plstico flota en una solucin con una densidad de 0.94 g/cm, puede ser un plstico de polietileno de densidad media o baja. Si la muestra flota en una solucin de 0.92 g/cm, puede tratarse de un polietileno de baja densidad o polipropileno. Si se hunde en todas las soluciones por debajo de una densidad de 2.00 g/cm, la muestra ser un plstico de fluorcarbono.

La presencia de cargas u otros aditivos y el grado de polimerizacin pueden dificultar la identificacin de los plsticos por la densidad relativa, pues pueden hacer que cambie bastante la densidad de un plstico. Poliolefinas, inomeros y poliestirenos de baja densidad flotarn en el agua (que tiene una densidad de 1.00 g/cm).

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Nombre Polmero Densidad

PET

HDPE

PVC

LDPE

PP

PS

Densidad de los polmeros termoplsticos

9 PREGUNTAS DE APLICACIN

Su bote est hundindose a 2 Km de la playa y usted no es un buen nadador. Se da cuenta que hay seis bloques grandes de plstico marcados con los nmeros 1, 2, 3, 4, 5, 6 (los mismos utilizados en la prctica). Cul de stos agarrara? Por qu?

Se desea fabricar una manija plstica para un sartn de cocina. Qu plstico se debera evitar?

Usted decide cambiar el envase de vidrio del removedor de uas por uno ms econmico de plstico. Al siguiente da de haber realizado el cambio, toma la botella y se encuentra que esta se desintegro parcialmente. Qu plstico fue usado en esta botella? Cul es el ingrediente reactivo del removedor de uas?

De lo que usted observo en el laboratorio, mencione aproximadamente la densidad de la solucin de alcohol isopropil y agua, y explique.

Algunas veces los contenedores plsticos son hechos al mezclar dos polmeros y no solo uno. Qu ocurrira con la prueba de densidad del agua si se mezclan LDPE/PEBD y PP? Y si PET y HDPE/PEAD se mezclan?

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