polimeros

POLIMEROS

- Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí.

- En una sola molécula de polímero puede haber miles a millones de unidades.

- La palabra se deriva de los vocablos griegos (poly: muchos; meros: partes)

- La mayoría de los polímeros se basan en el carbono por lo que son productos químicos orgánicos.

Como materiales de ingeniería son relativamente jóvenes en comparación a los metales y cerámicos.

Clasificación de polimeros• Los polímeros se dividen en plásticos (1y2) y cauchos (3):• 1 Polímeros termoplásticos (TP):• -Son materiales sólidos a temperatura ambiente• -Al calentarse (algunos cientos de grados) se vuelven líquidos viscosos.• -Esta característica permite que adopten variadas formas de modo fácil y

económico.• - Los TP pueden ser sometidos a repetidos ciclos de calentamiento y

enfriamiento sin degradarse.• Polietileno, cloruro de polivinilo, polipropileno, poliestireno y nylo

Son los más importantes en la industria contituyendo el 70% del comercio• 2 Polímeros termoestables o termofijos (TS):• No toleran ciclos repetidos de calentamiento.• Cuando se calientan de inicio se suavizan y fluyen pudiendo moldearse.• Las Temp. Elevadas producen una reacción química que endurece al

material y lo convierte en un sólido que no puede fundirse• Fenoles, epóxicos, poliésteres• • 3 Elastómeros (E) son los cauchos• Presentan alargamiento elástico extremo ante un esfuerzo mecánico débil• Estructura molecular similar a TS y diferente a TP• Caucho natural vulcanizado

ventajas

• Dar formas complejas al moldearlos sin requerir mayor procesamiento (forma neta).

• Densidad baja respecto de los metales y cerámicos• Resistencia elevada a la corrosión• Baja conductividad eléctrica y térmica• Compiten en costo con los metales• Requieren menos energía que los metales para

producirse (temperaturas mas bajas para trabajarlos)• Compiten con el vidrio al ser translúcidos o

transparentes• Se emplean en matriz como materiales compuestos

Desventajas:

• Baja resistencia en comparación con metales y cerámicos

• Bajo modulo de elasticidad o rigidez en los elastómeros

• Temperaturas de uso se limitan a cientos de grados debido a que se suavizan o degradan

• Son sensibles ala luz solar• Propiedades viscoelásticas limita su uso en

piezas sometidas a cargas.

CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS POLIMEROS • Los polimeros se sintetizan por medio de la unión de muchas moléculas

pequeñas en otras más grande, llamadas macromoléculas, que poseen una estructura parecida a una cadena.

• Las unidades pequeñas, llamadas monómeros, son moléculas orgánicas insaturadas sencillas: C2H4.

• Los atomos de estas moléculas estan unidos por enlaces covalentes y cuando se unen para formar un polímero el mismo enlace mantiene la cadena. (enlaces primarios fuertes)

• Masa de material polimerico consiste en muchas macromoleculas. Ej: tazon de spaghetti)

• Los filamentos largos imbrincados se ayudan a mantenerse unidos. Los enlaces entre macromoleculas son del tipo fuerza de Van der Waals y otros secundarios. Es decir que son mas debiles que los enlaces primarios entre los atomos y moleculas que constituyen la cadena.

• Esto explica que los polimeros no sean tan fuertes y rígidos como los metales o cerámicas.

• Cuando un polímero termoplastico se calienta se suaviza. El material comienza a comportarse como un líquido viscoso (con la disminución de la viscosidad la fluidez aumenta)

Polimerización

• La síntesis de los polímetros ocurre por dos métodos:• Adición• Se induce a los enlaces dobles de entre atomos de C de los

monomeros de etileno para que se abran a otras moléculas de Monomeros. • Comienza a partir de un catalizador químico.• Las cadenas se propagan con la captura de aún mas

Monómeros. (8.2)• Algunos involucran la sustitución de algunos atomos o

moleculas en lugar de uno de los átomos de H en el PE. (Ej: PP,PVC,PS)• La mayor parte de los polímetros por adición son

termoplásticos.(8.3)• Condensación• Se hacen reaccionar a dos monómeros para formar una

molécula nueva. • Se produce un subproducto de la reacción (agua,

amoníaco)• Tanto TP (ej: nylon 6-6 y PC) como TS (fenol formaldehído

y urea formaldehído) se sintetizan por condensación

Grado de polimerización y peso molecular:

• Una macromolecula producida por polimerización consiste en n meros repetidos. Como la masa dada de material polimerizado varía en longitud, la n de la masa es un promedio (GP). Si es elevado mejora la resistencia pero tambien la viscosidad, lo que hace que el procesamiento sea mas difícil.

• PM es la suma de los pesos moleculares de los meros de la molecula, es n veces el peso molecular de cada unidad de repetición.

• ESTEREORREGULARIDADArreglos espaciales de los átomos y sus grupos

en la molecula.

– Isotático (mismo lado)– Sindiotático (alternan en los lados opuestos)– Atáctico (orden aleatorio de los grupos)

Estructuras de los polímeros

Estructuras de los polímeros • Lineal: caracteristica de los TP•• Ramificación: los atomos de H son reemplazado por atomos de C

en puntos al azar a lo largo de la cadena. Tambien TP. La ramificación incrementa la resistencia siendo mas fuerte en estado solido y mas viscoso ante la presencia de Temp..

Entrecruzamientos holgados en elastómeros.

• El entrecruzamiento se dá porque ocurren enlaces primarios entre las ramas.

• Entrecruzamientos estrechos en los TS.• Genera que el polimero sea químicamente mas estable. La reacción un

pueda revertirse. Su efecto es cambiar de manera permanente la estructura del polímero, si se calienta se degrada, no funde. TS alto grado de entrecruzamiento (duros y fragiles). Elastomeros presentan mas bajo entrecruzamiento. (elasticos y resilientes)

• La presencia de ramas y entrecruzamientos en lo polimeros tiene un efecto significativo sobre sus propiedades. Es la base de la diferencia entre los TP, TS y E.

Estructuras de los polímeros

• Copolímeros• Los homopolímeros están formados por moléculas del

mismo tipo (PS, PP)• Los copolímeros son polímeros cuyas moléculas

están formadas por unidades repetidas de dos tipos diferentes. (ej: etileno – propileno)

• Un copolímero sinterizado a partir del etileno y el propileno resulta con propiedades elastomericas.

• Distintas estructuras de copolímeros (8.8)•• Terpolimeros: unión de tres tipos de meros

diferentes ABS

Cristalinidad (8.9)

• Menor tendencia formar estructura cristalina que los metales y cerámicas.• PELD y PEHD• Solo los polimeros lineales pueden ordenarse en estructuras regulares, por

lo tanto cristalizar.• Si el grado de cristalinidad aumenta, tambien lo hace:• Densidad.• Rigidez.• Tenacidad.• Resistencia.• Resistencia al calor.• Opacidad.Regla:

estructuras linealesisotácticos (siempre) atácticos (nunca) copolimeros (rara vez)enfriamiento lento favorece la formación y crecimientodef. mecánica alinea la estructura e incrementa la cristalizaciónplastificadores reducen el grado de cristalización

Comportamiento térmico de los polímeros

• Difiere en Polimeros cristalinos y amorfos. • Disminución abrupta del volumen cuando

llega a la Temp. De fusion.• Tg cambia la pendiente y el material es duro y

fragil.• Los TS y E enfriados a partir del estado líquido

se comportan como un polímero amorfo hasta que ocurre el entrecruzamiento. Su estructructura restringe la formación de cristales. Ya no regresan al estado fundido si se calientan.

Aditivos

• Rellenos Particulas o fibras (prop mecanicas, estabilidad dimensional y térmica)COMPUESTOS ej (PRFV)

• Colorantes (tintas y pigmentos) • Plastificadores• Lubricantes • Retardantes de llama• Agentes de entrecruzamiento• Absorbedores de UV• Antioxidantes

Anisotropía

• Provocada por la orientación de las moléculas durante los procesos

• Mejores propiedades en sentido de las fibras

• Influencia en la velocidad de enfriamiento

• Menor incidencia en termofijos

POLIMEROS TERMOPLASTICOS

• Propiedades.

• Puede calentarse desde el estado solido hasta el liquido viscoso (plastico) y luego enfriarse hasta volver a ser solido sin que el polimero se degarde. (si por envejecimiento por temperatura)

• Esto se debe a que son macromoleculas lineales que no se entrcuzan cuando se calientan.

• A temperatura ambiente con respecto a metales y ceramicas:• Baja rigidez y modulo de elasticidad.• Baja resistencia a la traccion• Baja dureza• Ductilidad mayor

POLIMEROS TERMOPLASTICOS

• Las propiedades mecanicas dependen de la Temp. (en relacion a la estructura amorfa o cristalina) 8.11

• Amorfos:• Son rigidos (vidrio) x debajo de Tg• Flexibles (caucho) x arriba de Tg• Cristalinos:• Disminuye levemente la resistencia hasta que

Funden en Tm.• Propiedades fisicas (comparadas con metales y cerámicos)• Densidad menor• Coeficiente de expansión termica mucho mayor• Temperaturas de fusion mucho menores• Calor especifico mayores• Conductividad termica menor a metales• Propiedades de aislamiento electrico.

Importancia comercial de los TP.• Articulos: moldeados y extruidos, fibras, peliculas, hojas, material de empaque,

pinturas y brnices• Forma comercial: polvos o pelets en bolsas de 25 Kg• Acetales: mucha rigidez, tenacidad y resistencia al desgaste. • Manijas de puertas, componentes de maqiunas• Acrilicos: polimetilmetacrilato PMMA o plexiglas. Polimero amorfo lineal.

Transparencia execelente. Opticas, ventanas de aviones. Baja resistencia al rayado. Pinturas latex, fibras textiles.

• ABS: excelentes propiedades mecanicas. • Celulosas: madera y fibras de algodón. Celofan en peliculas delgadas, fibra para

telas• Fluoropolimeros: Teflon. (PTFE) coeficiente de fricción muy bajo. Resitente al ataque

quimico y ambiental. • Poliamidas: (PA) Nylon. Fuerte muy elastico, inflexible, absorve agua (desventaja).

Fibras textiles. • Poliamidas aromaticas: Kevlar resistencia como el acero. 20 % menos de peso. • Policarbonato (PC) • PP• Poliestireno• PVC

POLIMEROS TERMORIGIDOS (TERMOFIJOS)

•• Propiedades y características.• Son mas rigidos que TP.• Modulo de elasticidad mayor• Fragiles, no poseen ductilidad• Menos solubles ensolventes• No se pueden volver a fundir•• Estas diferencias se atribuyen al

entrecruzamiento, formando estructura estable en lo termico, tridimensional y de enlaces covalentes.


• El entrecruzamiento ocurre de tres maneras:• Sistemas activados por Temp.:

Granos con calor se suavizan y moldean. El calentamiento logra el entrecruzamiento.

• Sistemas activados por catalizadores : el entrecruzamiento se produce cuando se agrga un catalizador (liquido). Sin el catalizador el polimero permanece estable, cuando se combina cambia a estado solido.

• Sistemas activados por mezcla. Mayoria de los epoxicos. La mezcla de dos productos quimicos provoca una reaccion que forma un polimero solido entrecruzado.


• No se usan tanto, quizá por la necesidad de curarlos. Volumen mayor: resinas fenolicas

• Amino resinas• Urea-formaldeido• Melamina-formaldeido

Fenolicos• Fenol-formaldeido• Bakelita. Fragil, buena estabilidad

termica, quimica y dimensional. No acpta colorantes.

• Epoxicos• Poliuretanos


• Pueden ser TP, TF o E según su quimica, procesamiento y entrecruzamiento. Espumas elastomericas y rigidas. Material de relleno en paneles.

• Silicones• Presencia de silicio • Fluidos: lubricantes,ceras,pulidores• Elastómeros: • Termofijos: son engtrecruzados (denso en

pinturas, barnices• Recubrimientos, aislantes, resistencia

adhesividad, resistencia al calor y ataque quimico

ELASTOMEROS• Gran deformación elastica• Caucho natural y elastómeros sinteticos. • Características de los elastómeros.• Cadena larga entrecruzada combinan dos caracteristicas:• 1Moleculas largas estan dobladas cuando no

estan estiradas.• 2El grado de entrecruzamiento esta muy por

debajo de los TS•• Cuando se estira el enlace covalente juega un papel mayor en el modulo y

la rigidez se incrementa.• El entrecruzamiento se hace mas rigido y el modulo

elastico lineal.• Se obtiene el entrecruzamiento a partir de la

vulcanización• Caucho natural.• Cauchos sintéticos.

GUIA PARA EL PROCESAMIENTO DE POLIMEROS

• Consistencia caliente y plastica.• Operaciones : Extrusion y moldeo.• TS mas difíciles moldear que los TP. • Maquinado• Ensambles permanentes o

mecanico.• Procesamiento de caucho.•• Características de los Termoplasticos para envasar

líquidos gaseosos y no gaseosos.• Criterios para colorar.

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