Física de Polímeros

Física. Polímero. Procesos de polimerización. Comportamiento viscoelástico. Pseudoplasticidad. Polimorfismo. Sustancias mesomórficas. Isotropización

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PREGUNTAS DE EXAMEN -FÍSICA DE POLÍMEROS

Escuela Universitaria Politécnica - Ferrol (3-2-2000)

1. ¿Qué es un polímero?

Es un compuesto de moléculas caracterizadas por la múltiple repetición de una o más especies de átomos o grupos de átomos unidos unos a otros en cantidades suficientes para proporcionar un conjunto de propiedades que no varían marcadamente con la adicción de una o unas pocas de esas unidades constituyentes repetidas.

2. Explica brevemente en que consisten los procesos de polimerización por etapas y en cadena.

La polimerización es un proceso de obtención de polímeros, lo cual se consigue rompiendo un enlace, suministrando calor, radiación ultravioleta, procesos químicos, etc...

En la polimerización por etapas, en un determinado momento hay una mezcla casi en bloque, hay monómeros, cadenas largas, cortas... Se consigue que todo junto pase a ser polímero. Es un proceso lento.

En las policondensaciones se unen dos monómeros dando un polímero y agua.

En la poliadicción solo sale el polímero a base de juntar monómeros.

En la polimerización en cadena cada cadena se va formando una a una, cada monómero se transforma en una cadena larga y los otros esperan, van formándose de uno en uno. Sólo hay monómeros o cadenas totalmente formadas. Es un proceso rápido.

Copolimerización: polimerización de una mezcla de monómeros.

3. ¿Qué significa que los polímeros tienen un comportamiento viscoelástico?

Que tienen propiedades intermedias entre los sólidos elásticos y los líquidos viscosos, es decir, cumplen la ley de Hooke y la ley de la viscosidad de Newton.

Es una propiedad exclusiva de los polímeros.

4. La mayor parte de los polímeros muestran pseudoplasticidad. Explica esta afirmación. Mostrar pseudoplasticidad significa que decrece la viscosidad al incrementarse la velocidad de cizalla. Son no Newtonianos.

5. Explica que son los cristales líquidos poliméricos liotrópicos y termotrópicos.

Los termotrópicos son polímeros líquido-cristalinos obtenidos a partir de fundidos. Los liotrópicos son polímeros liquido-cristalinos obtenidos a partir de disoluciones anisótropas (estructuras cristalinas tridimensionales perfectamente organizadas).

6. ¿Cuáles son las propiedades más relevantes de los polímeros cristalinos?

- Anisotropía: presentan propiedades diferentes según el eje en que los ensayes, al ser estructuras ordenadas. En la dirección en que están orientadas las cadenas tiene mas resistencia mecánica que en las otras direcciones.

-Birrefrigentes: Tienen dos índices de refracción. Son opacos (propiedades ópticas).

7. ¿Qué es el polimorfismo?

Polimorfismo es la existencia de más de una forma cristalina para un compuesto específico.

8. ¿Qué es la elasticidad entrópica?

Es una característica de goma elástica, cuando una goma es sometida a una tensión esta puede estirarse varias veces su longitud sin romper y cuando la tensión cesa recupera su

longitud inicial.

9. ¿¿¿¿¿¿¿¿¿¿Explica las condiciones de solubilidad de polímeros.

10. Desde el punto de vista termodinámico ¿cuál es la condición que tiene que cumplirse para que haya disolución o mezcla de polímeros?

Es la condición de miscibilidad y es que la energía libre debe ser menor que 0.

G= H - T·S <O

11. Estructura y morfología de polímeros cristalinos a partir de fundidos (termotrópicos).

Si enfrías el polímero por debajo de su temperatura. de fusión, este cristaliza, pero no en forma de monocristales como en los polímeros obtenidos de fundidos, sinó en forma de esferulitas. Estas son agregados de cristales. Son birrefrigentes, y su número y tamaño depende de la temp. de cristalización o del subenfriamiento. Al aumentar el subenframiento, aumenta el nº de esferulitas que se nuclean, y por tanto disminuye el tamaño que puede alcanzar cada una de ellas.

SUBENFRIAMIENTO = TEMP. FUSIÓN (Tm) - TEMP. CRISTALIZACIÓN (Tc)

12. Estructura física de los polímeros líquido-cristalinos.

Pueden tener estructura nemática o esméctica.

Si tenemos un polímero termotrópico a alta temperatura, este fundido será transparente y es un líquido isotrópico. Cuando se enfría, se vuelve turbio (clouding temp), lo que indica la formación de una fase cristalina. La fase líquido-cristalina más probable es la nemática que tiene orden orientacional y desorden posicional. Tienen baja viscosidad, debido a que sus moléculas pueden moverse lateralmente y longitudinalmente. Pueden formar estructuras en forma de varilla (calamítica) o de disco(discótic).

La fase esméctica tienen también orden orientacional, pero además poseen un cierto orden traslacional, es decir, los mesógenos tienden a estratificarse por capas. Tienen alta viscosidad, las cadenas sólo pueden moverse lateralmente.

Los PCPs deben estar formados por moléculas asimétricas, que apenas roten, como anillos bencénicos. Suelen ser sustancias asimétricas, con la parte central (mesógeno) formada por grupos aromáticos, y unos grupos que cuelgan de ellos. Pueden formar estructuras en forma de varilla (calamítica) o de disco(discótic).

Colestéricos: Las cadenas están arrolladas respecto a un eje. Continua habiendo orden unidireccional.

13. Explica brevemente los ensayos mecánicos mas comunes en polímeros ¿qué información se obtiene de cada uno de ellos?

- Tracción: Es la medida de la capacidad de un polímero a resistir esfuerzos de estiramiento.

Con el determinas el modulo de Young.

  • Compresión: Es la fuerza necesaria para aplastar un material.

Resist. comp. = Fuerza / Area

- Flexión: mide la resistencia a la rotura transversal, al doblado de una viga.

- Impacto: Miden la energía necesaria para romper una muestra.

- Dureza: Es una propiedad superficial que indica la resistencia a la penetración, es decir, rayado, abrasión y punzonamiento.

compresión, flexión, impacto, dureza,...

14. Describe las técnicas de análisis térmico más empleadas para caracterizar polímeros.

Análisis termogravimétricos, calorimetría de barrido diferencial, análisis térmico diferencial, análisis termomecánico dinámico, análisis mecánico térmico, pirolisis....

15. Explica brevemente en que consisten los ensayos de impacto.

Miden la energía necesaria para romper una muestra. Hay dos tipos: Ensayos de caída de masa, y ensayos de péndulo o dardo. La muestra se sujeta en la base con una entalla en la dirección del impacto. Se suelta el péndulo desde una altura determinada, basta que se rompa. La fuerza necesaria se calcula a partir de la altura y del peso del péndulo necesarios para romperla.

16. ¿Qué son líquidos pseudoplásticos y líquidos dilatantes?

Ambos son líquidos no Newtonianos.

Pseudoplásticos: decrece la viscosidad cuando aumenta la velocidad de cizalla.

Dilatantes: aumenta la viscosidad con la velocidad de cizalla.

Líquido Newtoniano: no varía con la velocidad de cizalla(deformación), la viscosidad es constante.

La mayoría de los polímeros son pseudoplásticos.

17. ¿Que son sustancias mesomórficas?

Son sustancias que tienen una forma intermedia a la que se llama estado líquido-cristalino. Presentan al mismo tiempo las propiedades de flujo de un líquido (amorfos, desordenados) y de un sólido cristalino (ordenados).

18. ¿A qué se llama temperatura de isotropizacíón?

Es la temperatura en la que un polímero cambia del estado fundido a líquido cristalino (mesomórfico). También se llama temperatura de enturviamiento, pasa de transparente (amorfo) a opaco (cristalino).

El paso de liquido-cristalino a fundido se llama clearing temp.

19. ¿Qué es el grado de cristalinidad?

Es la fracción de masa o de volumen de material cristalino (ordenado) respecto al total de la muestra.

20. Qué información se puede obtener mediante ensayos en un calorímetro diferencial de barrido del polietilentereftalato (PET)?

Mide el flujo de calor hacia y desde el polímero en función del tiempo o la temperatura. Así obtenemos un termograma, que nos informa sobre la pureza de la muestra, identificación de la muestra, velocidad de cristalización o fusión, retención de disolventes, energía de activación, diagrama de fase, ...También podemos determinar su Tg.

21. ¿Qué es un polímero; y un monómero; y un oligómero?

-Polímero: ya contestada. Ej. Polipropileno.

-Monómero: es la sustancia más sencilla a partir de la cual está hecho el polímero. La conversión de monómero a polímero se llama polimerización. Ej. propileno.

-Oligómero: es una molécula con solo unas pocas unidades constituyentes repetidas (masa molecular baja).

22. ¿Qué es la transición vítrea y cuales son los parámetros que afectan a esa transición?

Es la temperatura a la que se produce la movilidad de los segmentos de la cadena a causa de la rotación libre de los enlaces covalentes.

!Si tenemos un polímero en estado fundido de cadena regular y lo enfriamos muy rápido puede llegar a un estado amorfo y si el enfriamiento es lento puede llegar al estado semicristalino. Si es de cadena irregular y lo enfriamos lentamente ! estado amorfo o semicristalino y si es rápido ! estado amorfo.

-Parámetros moleculares! rigidez en la cadena; fuerzas intermoleculares.

-Parámetros controlables!baja masa molecular; alto grado de entrecruzamiento; cristalinidad; plastificantes; efectos de la presión.

23. ¿Qué es el parámetro de solubilidad ( ) y cómo se puede determinar?

Es una medida de la energía intermolecular. Es la raíz cuadrada de la densidad de energía cohesiva (CED).

CED- Es la variación de energía molar de vaporización(Ev) por unidad de volumen molar (V1) que mantiene juntas las moléculas.

CED = 2 = Ev / V1

La determinación de dicho parámetro se suele hacer de forma experimental:

Medidas directas para líquidos volátiles: a través de las entalpías de vaporización.

Medidas indirectas para polímeros: primero asignamos al polímero el valor  del mejor de sus disolventes. Luego se asigna al polímero el valor  del disolvente que más hincha la red polimérica.

24. ¿Qué información puede obtenerse de un ensayo de un material polimérico en una termobalanza?

Obtenemos un termograma, y la escala térmica de utilización del material

Tb. obtienes la pérdida de masa en función de la temperatura, es decir, su degradación, e información de su composición y comportamiento, para una posible optimización, pureza, identificación, control de calidad, detectar fallos, ...

Si conoces los productos de degradación, puedes determinar su Tg.

25. Describe brevemente cómo se realiza y que información se obtiene en un ensayo de

tracción de un material polimérico en una máquina universal de ensayos.

Se coloca la probeta a ensayar entre dos mordazas, una fija y otra móvil, que la estiran hasta la rotura, para obtenerlos siguientes datos:

- Modulo de Young- Es la relación entre el esfuerzo aplicado y la deformación en el tramo en que la relación es lineal.

Un. modulo de Young alto indica que el material es rígido, resistente al alargamiento.

E = esfuerzo / deformación

26. Explica brevemente la diferencia entre configuración y conformación.

La configuración se refiere a la estructura química permanente de un polímero. Está definida por el método de polimerización. Un polímero tiene su configuración hasta que reacciona químicamente; es decir, un cambio en la configuración implica rotura de enlaces químicos.(”ISOMERÍA”)

La conformación es la responsable de la forma final del polímero(3D). Esta queda definida por las diferentes disposiciones espaciales que son producidas por la rotación de átomos y grupos atómicos alrededor de un enlace simple carbono-carbono. Toda la secuencia de conformaciones posibles se llama conformación molecular o macroconformación.

27. ¿Qué diferencias hay entre termoplásticos, termoestables y elastómeros?

-Los termoplásticos son compuestos de moléculas lineales o poco ramificadas que funden por la acción del calor y solidifican cuando desciende la temperatura. Una vez fundidos pueden ser moldeados. La transformación de sólido a fundido es reversible. En estos materiales existe independencia de las cadenas poliméricas, se pueden desplazar unas sobre otras. Se disuelven fácilmente. Tienen cristalinidad.

-Los termoestables son polímeros resultado de entrecruzamientos químicos que partiendo de monómeros u holigómeros se llega a polímeros altamente entrecruzados. La transformación sólido-fundido es irreversible. No funden, se degradan físicamente, no existe pto de fusión. Cuanto más reticulado y amorfo sea el polímero, más termoestable. No se disuelven.

Elastómeros(goma): Son materiales elásticos, que no funden ni se disuelven. Son reticulados, pero mucho menos que los termoestables, y su Tg está muy por debajo de su temperatura de servicio.

(Son polímeros entrecruzados con Tg por debajo de la temperatura de uso.)

• Ej.- caucho natural.

28. ¿A qué se llama tª de transición vítrea TG?

Es la temperatura a la que se produce la movilidad de los segmentos de la cadena a causa de la rotación libre de los enlaces covalentes­.

29. ¿Qué son y para que se emplean los elementos Maxwell y de Voight-Kelvin?

Son métodos para analizar la elasticidad y la viscosidad a la vez. Para ello, Maxwell pone un amortiguador y un muelle en serie, y Voight-Kelvin los ponen en paralelo.

Ecuaciones -tema 4 (pag 22).