INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES PLÁSTICOS Generalidades, clasificacíón, propiedades y procesos de fabricación.
José Jesús Manjarréz Pérez Daniel Eduardo Lugo Tapia Uber José Peralta Hernández
AGENDA 1.
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8. 9. 10.
Introducción Definición de Plásticos Polímeros Monómeros Obtención de Polímeros Clasificación de los Plásticos Propiedades generales Procesos de fabricación Plásticos y medio ambiente Usos y actualidad
1. Introducción Los plásticos los podemos encontrar en diversas aplicaciones de la vida moderna, son versátiles, fáciles de fabricar y muy económicos. El uso de los plásticos es cada día más común debido a que pueden reemplazar a muchos materiales como madera, metal, papel, caucho, cerámica, vidrio, etc.
2. Definición de Plásticos
Los plásticos es la forma común como se denominan los polímeros de origen sintético. Polímero es una palabra de origen latín que significa poli = muchas y meros = partes. Los polímeros son moléculas grandes y largas, construidas a partir de otras moléculas más pequeñas y cortas llamadas monómeros o unidades estructurales.
Por ejemplo, una cadena de polietileno puede estar formada por 250,000 mon贸meros de etileno aproximadam ente.
Se puede suponer que un pol铆mero es un tren muy largo, compuesto por much铆simos vagones y que cada vag贸n es un mon贸mero o unidad estructural.
3. Polímeros Naturales
El algodón formado por fibras de celulosa.
La seda, poliamida similar al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas.
Sintéticos
Los polímeros sintéticos se obtienen a partir del petróleo, gas natural o carbón, siendo la materia prima más importante el petróleo. Este grupo de compuestos representan aproximadamente el 7% de la producción mundial de petróleo.
AÑO
DESARROLLO DE LOS PLÁSTICOS
1862
Obtención de plásticos con materiales vegetales
1884
Origen de la película fotográfica a partir del Celuloide
1907
Baekeland desarrolló un polvo fenólico partir del alquitrán de hulla conocido como Baquelita.
Años 30
Inicio de producción de plásticos a partir de productos químicos derivados del petróleo como PS acrílicos y PVC
Años 40
Producción y fabricación de polietileno de baja densidad, poliuretano, politetrafluoretileno, poliésters, siliconas
Años 50
Producción de policarbonatos
Años 60
Producción de polietileno de alta densidad y polipropileno
Años 70
Producción de plásticos de tercera generación, de alta tecnología, entre ellos poliamidas y poliacetales
Años 80
Nuevos polímeros adaptados a requisitos específicos de diseño
Hoy
Producción de más de 700 tipos de plásticos
Los Plásticos frente a otros materiales Ventajas
Poco peso Elaboración sencilla y rápida Buenas propiedades eléctricas Resistencia a la corrosión y los agentes químicos Producción rentable
Desventajas
Poca resistencia mecánica
Limitada resistencia al calor
Inestabilidad dimensional
Las reparaciones
Alto costo de la materia prima
4. Monรณmeros Las materias primas son derivados del petrรณleo, gas natural y carbรณn. Los plรกsticos se obtienen principalmente del petrรณleo, tal como se indica en la figura.
Para la fabricaci贸n de pl谩sticos se utiliza la gasolina, que mediante un proceso de disociaci贸n t茅rmica (cracking) se separa en etileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos.
Los productos de la disociación térmica son los monómeros, moléculas muy reactivas, que se unen entre sí para formar moléculas gigantes. Recordemos que un polímero es como un tren muy largo, compuesto por muchísimos vagones y que cada vagón es un monómero.
Elementos que componen los Polímeros Principales
Secundarios
Oxigeno (O) Nitrógeno (N) Cloro (C) Azufre (S) Flúor (F)
Carbono (C) Hidrogeno (H)
Principales Monómeros 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
5. Obtención de Polímeros Homopolímeros
Si el polímero se forma con monómeros de una misma especie
Copolímeros
Si el polímero se forma por la reacción de dos o mas tipos monómeros
La polimerizaci贸n de Copol铆meros se puede llevar a cabo de varias maneras: alternada, en bloque, al azar y de injerto, las cuales son esquematizadas en la figura
Polimerización
En la polimerización el doble enlace entre los átomos de carbono tiene un papel decisivo, ya que el proceso consiste en el acoplamiento de monómeros, mediante la abertura de sus dobles enlaces y la consiguiente unión de eslabones individuales para formar la cadena, sin que el proceso desprenda ningún producto secundario.
Ejemplo del cloruro de vinilo
El radical R (elemento altamente reactivo) entra en la molécula al romperse el doble enlace Carbono – Carbono. Si se adicionan más moléculas de cloruro de vinilo, se tendría:
El final del crecimiento de la cadena se obtiene cuando se encuentran los dos extremos o cuando uno de ellos se une al radical. La longitud de la cadena está determinada por el número de n elementos repetidos en la cadena.
Para la obtención de un plástico por polimerización puede emplearse a la vez uno o más tipos de monómeros.
Policondensación
En esta reacción se forman macromoléculas a partir de monómeros que posean dos grupos reactivos o funcionales. Durante el proceso se generan productos secundarios simples como agua, ácido clorhídrico y otras sustancias similares.
Por policondensación se producen plásticos como el PET, el policarbonato y las poliamidas (nylon). A continuación se indica una reacción de policondensación, para la formación de la poliamida 66 a partir de la hexametilendiamina y el ácido adipídico.
Poliadición
Es similar a la policondensación. Un átomo de hidrógeno fluye de un grupo funcional a otro. Los monómeros utilizados deben tener cada uno dos grupos funcionales distintos.
La reacción se realiza en tres etapas: 1. Por un lado se tiene un átomo de hidrogeno en el extremo de una molécula y por otro un enlace rompible en el extremo de la otra molécula. 2. Disociación del átomo de hidrógeno y apertura del enlace. 3. El átomo de hidrógeno pasa a formar un enlace con uno de los electrones del enlace roto. El lugar abandonado por el hidrógeno y el otro electrón del enlace roto forman un nuevo enlace y la cadena aumenta.
Esquema b谩sico de la reacci贸n de Poliadici贸n
6. Clasificación de los Plásticos De acuerdo a su naturaleza
Naturales
Sintéticos
Estructura interna
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
En la grafica se muestra la clasificaci贸n de los pl谩sticos de acuerdo a su estructura interna.
Termoplásticos Amorfos
Parcialmente cristalinos
Cadena molecular larga que en el momento de formarse se enreda y entrelaza
Su estructura cristalización
asimétrica
no
permite
Suelen ser transparentes en su forma natural.
Buenas propiedades ópticas
la
Intervalo de temperatura por debajo de la temperatura de solidificación ET Transformación por inyección, extrusión, termo formado al vacío. Es posible soldarse
Partículas ordenadas, en zonas denominadas cristalinas Estructuras moleculares simétricas La cristalización hace que sean opacos. No son transparente Al aumentar la porción cristalina disminuye la transparencia Intervalo de temperatura entre la temperatura de solidificación y la zona de fusión de las cristalinas
Termoestables
No se vuelven a ablandar una vez han sido moldeados Una vez adquirida su forma, ésta no puede ser alterada Moléculas de largas cadenas unidas por enlaces químicos fuertes Las uniones entre las cadenas son tan fuertes que no se pueden romper cuando se calienta el plástico El material termoestable siempre mantiene la forma Los polímeros basados en formaldehido son termoestables La transformación usual es la colada, el prensado y la inyección Los intervalos de temperatura de uso están por encima de los de los termoplásticos
Elastómeros
Tienen propiedades elásticas a la temperaturas de uso Cuando se someten a tensión se alargan, pero cuando se suspende la tensión recuperan su forma original La estructura molecular es similar a la de los termoplásticos amorfos, con la diferencia que después del moldeo las macromoléculas se une químicamente generando una estructura de red floja y tridimensional No pueden ser fundidos, debido a sus puntos de reticulación Al contacto con disolventes presentan hinchamiento, pero sin llegar a disolverse Algunos ejemplos de elastómeros: caucho natural, caucho de estireno – butadieno y caucho de poliuretano
7. Propiedades generales A continuaciรณn se mencionan algunas de las propiedades mรกs significativas de los plรกsticos:
Comportamiento mecánico
Resistencia mecánica menor que los metales
Módulo de elasticidad (rigidez) menor que los metales
Dependencia de propiedades mecánicas con respecto al tiempo (fluencia y relajación), sobre todo los termoplásticos Marcada dependencia de la temperatura en especial los termoplásticos
Gran sensibilidad al impacto , aunque en los termoplásticos hay quebradizos (PS) y resistentes (PC) Los termoplásticos termoestables
son
más
quebradizos
que
los
Densidad
Los plásticos se diferencian de otros materiales por tener baja densidad. El rango de densidades de los plásticos se encuentra entre 0.9 y 2.0 gr/cm3.
El polietileno (PE) y el polipropileno (PP) tienen una densidad menor a la del agua y por tanto flotan en ella.
Material
Densidad (gr/cm3)
Plásticos PE PC PA (nylon) PVC PTFE (teflón)
0.9 – 1.0 0.9 – 1.0 1.0 – 1.2 1.2 – 1.4 >1.8
Acero
7.8
Aluminio
2.7
Madera
0.2 – 0.95
Agua
1.0
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)
Material Plásticos PE PA (nylon) Acero
Aluminio Cobre Aire
Conductividad calórica (W/mK) 032 – 0.4 0.23 – 0.29 17 – 50
211 370 – 390 0.05
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
PVC
Conductividad eléctrica (m/Ω mm2) 10-15
Acero
5.6
Aluminio
38.5
Cobre
58.5
Transparencia La transparencia (grado de transmisión de luz) depende de la estructura del plástico.
Los termoplásticos amorfos como el PC, PMMA, PVC y las resinas UP tienen transparencia similares a las del vidrio.
Material PC
Transparencia (%) 72 – 89
PMMA
92
Vidrio
90
8. Procesos de fabricaci贸n
Extrusi贸n
Inyecci贸n
Soplado
Termoformado
Extrusi贸n
Inyecci贸n
Soplado
Termoformado
9. Plásticos y medio ambiente
En la actualidad, aproximadamente el 65% de todos los plásticos se utilizan para usos a mediano y largo plazo y el 35% se utilizan a corto plazo. Esto último genera un problema de contaminación por la costumbre de descarte de nuestra sociedad. Frecuentemente resulta más económico y seguro desechar un elemento plástico que lavarlo, reacondicionarlo y reutilizarlo.
C贸digos de pl谩sticos reciclables
10. Usos y actualidad
Telas: Poliéster Hilos: nylon, poliéster, acrilonitrilo Calzado: nylon, PVC, poliuretano y cordones en nylon Medias: algodón, poliéster y nylon Lentes: policarbonato Lentes de contacto: rígidos en polimetacrilato de metilo y blandos en policrilamidas
Calzado, vestido y uso personal
Industria automotriz
Carrocería: ABS (acrilonitrilobutadieno-estireno) Llantas: material de refuerzo fibras sintética como kevlar Farolas: policarbonato Tanques de agua: polietileno Tapetes: PVC, polietileno, nylon
Tuberías: PVC Flotadores para tanques de inodoro: polietileno Persianas: PVC Envase para alimentos: polietileno, polipropileno Carcazas de electrodomésticos: Poliestireno de alto impacto
Artículos para el hogar
Electrónica
Aislante de cables: polietileno, polifluoruro de vinilideno (para altas temperaturas) Carcazas de equipos: poliestireno, poliestireno de alto impacto Parlantes: conos internos en polipropileno, tweeters en polifluoruro de vinilideno, telas en nylon y marcos en poliestireno Cintas para grabadoras: poliéster
EJERCICIOS
GRACIAS http://bit.ly/aA1mCK