Materiales cerámicos

Química. Cerámica. Alfarería. Escultura. Silicatos. Aislante eléctrico. Arcilla

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CERAMICOS

Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones que contienen elementos metálicos y no metálicos. Los materiales cerámicos tienen una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas. Las aplicaciones varían desde los productos de alfarería, fabricación de ladrillos y azulejos, utensilios de cocina hasta vidrio, materiales refractarios imanes y abrasivos. Las losetas que protegen al trasbordador espacial estan hechas de sílice, un material cerámico.

Tienen una propiedad esencial o una combinación especial de propiedades que no pueden ser obtenidas por ningún otro material; siendo esto la base de su selección debido a sus enlaces iónicos o covalentes por lo general son duros, frágiles con un alto punto de fusión, tienen baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química y térmica y elevar la resistencia a la compresión. Sin embargo a veces constituye un enigma, pues aunque de hecho son frágiles, algunos compuestos con matriz cerámica tienen valores de tenacidad a la fractura superiores a algunos metales e incluso algunos son super plásticos. Aunque la mayoría de los productos cerámicos son buenos aislantes eléctricos y térmicos tienen conductividades térmicas parecidas a las de los metales. Los productos cerámicos como el FeO y el ZnO, son semiconductores y además han sido descubiertos materiales cerámicos super conductores como el YBa2Cu3O7-x.

Analizaremos los mecanismos mediante los cuales estos materiales se deformen al aplicarse una carga, los defectos inevitablemente presentes en la estructura que pueden hacer que el material falle por su fragilidad que el tamaño y el número de las imperfecciones difieren en cada pieza cerámica individual. Por estas razones el comportamiento mecánico de los materiales cerámicos es menos predecible que el de los metales, por esta característica, su uso en aplicaciones críticas de alta resistencia es muy limitado.

La estructura de los cerámicos cristalinos.

En estas estructuras los guiones de las celdas unitarias ocupan sitios en la red que proporcionan la coordinación adecuada y aseguran que se obtenga el equilibrio adecuado de los cargas. La mayoría de los cerámicos, sin embargo tienen, estructuras cristalinas más complicadas incluyendo las descritas:

Estructura perovskite

La celda unitaria perovskite Se encuentra en varios cerámicos importantes.

En este tipo de celda estan presentes tres clases de iones si en las esquinas de un cubo estan los iones de bario, los iones de oxigeno llenaran los sitios centrados en la cara y los iones de titanio ocuparan los sitios centrados en el cuerpo. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanios sirvan como transductores.

Estructura del corindón

Una de las formulas de aluminio tiene la estructura cristalina del corindón, similar a una estructura hexagonal compacta.

La estructura de Espinel

La estructura de espines tiene una celda unitaria cúbica que se puede visualizar como una formación de ocho cubos más pequeños.

En cada uno de esos cubos menores se localizan iones de oxigeno en las posiciones normales de una red cúbica centrada en las caras dentro de los cubos pequeños hay cuatro sitios intersticiales octaédricos y ocho sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan tres.

Grafito

El grafito es una de las formas cristalinas del carbono, algunas veces se le considera material cerámico, en el que el carbono es un elemento y no una combinación de átomos metálicos y no metálicos.

Estructura de los silicatos cristalinos

Algunos materiales cerámicos contienen enlaces covalentes. La disposición de los átomos en la celda unitaria proporciona la coordinación adecuada, que equilibra la carga y además asegura que no se viole la direccionalidad de los enlaces covalentes.

Compuestos de silicatos

Cuando 2 iones de Mg2 estan disponibles para combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o fosterita. Los 2 iones Mg 2 satisfacen los requisitos de carga y equilibran los iones SiO4. Producen una estructura cristalina tridimensional.

Las estructuras de anillo y cadena

Cuando 2 vértices del tetraedro se comparten con otros grupos tetraédricos, se forman anillos y cadenas. Gran cantidad de los materiales cerámicos tiene estructura meta silicato.

Las estructuras laminales

Cuando la reacción O: si resulta en la formula Si2O5 los tetraedros se combinan para formar estructuras laminales. En una formación ideal 3 de los átomos de oxigeno de cada tetraedro estan ubicados en un solo plano formando un patrón hexagonal. Lo átomos de silicio de los tetraedros forman un segundo plano también con un patrón hexagonal. El cuarto átomo de oxigeno de cada tetraedro esa presente en un tercer plano.

Sílice.

Finalmente cuando las cuatro esquinas de los tetraedros estén compartidas son otros tetraedros iguales se produce la tristobalita.

Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas

Igual que los metales las estructuras de los materiales cerámicos contienen una diversidad de imperfecciones.

Defectos puntuales

En los materiales cerámicos se forman soluciones sustitucionales e intersticiales. Las soluciones sólidas pueden proporcionar propiedades físicas fuera de lo común.

Es difícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones de solución sólida. Sin embargo, en los materiales cerámicos se pueden acomodar de diferentes formas las deficiencias o excesos de la carga.

Disoluciones

En algunos materiales cerámicos se observan disoluciones. Sin embargo, estas no se mueven con facilidad debido a un vector de burgers grande, a la presencia relativamente pocos sistemas deslizamiento y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse frente a los de carga opuesta.

Aunque las disoluciones se mueven con mayor facilidad a temperaturas elevadas, es más probable que ocurre deformación mediante mecanismos como el deslizamiento de bordes de grano y el flujo viscoso de las fases vítreas.

Defectos superficiales

Los limites de grano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. Típicamente los cerámicos con un grano fino tienen mayor resistencia que los cerámicos de grano grueso.

Porosidad

Los poros pueden ser considerados como un tipo especial de defecto superficial en un material cerámico los poros pueden estar interconectados o Ion cerrados. La porosidad aparente mide los poros intermediados y determinan la permiabiidad. La porosidad real incluye tanto poros interconectado como cerrados.

La estructura de los vidrios cerámicos

Los materiales cerámicos no cristalinos más importantes son los vidrios. Un vidrio es un material sólido que esta endurecido y vuelto rígido sin cristalizar en cierta forma el vidrio es parecido a un líquido sub enfriado. Sin embargo, de la temperatura de transición de vidrio.

Tambien se pueden encontrar estructuras no cristalinas en polvos excepcionalmente finos como en geles y coloides. En estos materiales, el tamaño de las partículas puede ser de 10 Nm o menos.

Vidrios de silicato.

Los vidrios de silicato son los mas ampliamente utilizados el sílice fundido hecho a partir de Si2O2 puro tiene un alto punto de fusión y sus cambios dimensionales durante el calentamiento y el enfriamiento son reducidos. El sílice se comporta como formadores de vidrio, un oxido intermedio no forma vidrio por si mismo, pero se incorpora en la estructura de red de los formadores de vidrio un tercer grupo de óxidos, los modificadores rompen la estructura reticular y finalmente hacen que el vidrio se divitrifique, es decirse cristalice.

Fallas mecánicas en los materiales cerámicos

Los materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles particularmente a temperaturas bajas. El problema con la fractura frágil de los materiales cerámicos se intensifica por la presencia de imperfecciones como pequeñas grietas, Porosidad, Fases cristalinas, que típicamente se introducen en el proceso de manufactura.

Fractura frágil

Cualquier grieta o imperfección limita la capacidad de un producto cerámico para resistir un esfuerzo de atención. Esto debido a que una grieta concreta y amplifica el esfuerzo aplicado.

Para grietas muy delgadas o para grietas largas la relación entre O real entre O se hace grande y el esfuerzo se amplifica. Si el esfuerzo amplificado excede el limite elástico, la grieta crece y finalmente causa Fractura, aunque aun cuando el esfuerzo real aplicado O, sea pequeño.

Sin embargo, al tiempo de extenderse la grieta se crean 2 nuevas superficies esto incrementa la energia asociada con la superficie. Igualando energia de deformación y energia superficial, encontramos el esfuerzo crítico requerido para que propaguen la grieta estado por la ecuación de griffith.

Métodos para mejorar la tendencia.

Consisten rodear las partículas frailes del cerámico con un material matriz más suave y tenaz. Esto se hace al producir herramientas de corte y abrasivos de cermet.

Otra alternativa es crear compuestos de matriz cerámica introduciendo fibras o aglomerado cerámico en dicha matrices. Cuando una grieta intenta propagarse en la matriz encuentre la interfase entre matriz y fibra cerámica: la interfase ayuda a bloquear la propagación de la grieta.

Endurecer por transformación: en la circonia por ejemplo, se puede absorber de la energia de la grieta mediante una fase meta estable presente en la estructura original. Esta absorción de la energia de la grieta, por la cual efectivamente se reduce su crecimiento, permite que la fase meta estable se transforme en una masa estable y al mismo tiempo ayuda a cerrar la grieta.

Deformación de los cerámicos a altas temperaturas.

A temperaturas más altas el flujo viscoso y el deslizamiento de bordes de grano se convierten en mecanismos importantes de deformación.

Flujo viscoso del vidrio

Un vidrio se deforma por flujo viscoso si la temperatura es suficientemente alta. La aplicación de un esfuerzo cortante hace que un líquido fluya a una velocidad que varia con la posición. Cuando el liquido esta cerca de donde se aplica el esfuerzo cortante, el liquido fluye con rapidez; si esta mas lejos de ese punto lo hará con mayor lentitud.

Termo fluencia de los cerámicos

Como los cerámicos a menudo se diseñan para uso de altas temperaturas, la resistencia a la termo fluencia es una propiedad impotente. Los cerámicos cristalinos tienen buena resistencia ala termo fluencia, por sus altos punto de fusión y su elevada energia de activación para la difusión.

Procesamiento y aplicaciones de los vidrios cerámicos.

Con los vidrios se fabrican artículos sutiles a alta temperatura, con la viscosidad controlada de tal forma que el vidrio pueda ser deformado sin romperse.

Rango liquido: se produce el vidrio en hojas y placas cuando el vidrio esta en estado fundido. Las técnicas incluyen laminar vidrio fundido a través de rodillos enfriados por agua o haciéndolo flotar sobre el estaño liquido. El proceso de flotado y el estaño liquido produce una superficie excepcionalmente lisa sobre el vidrio.

Rango de Trabajo: Formas como las de los recipientes o los focos se pueden formar moldeados a presión por estirado o soplado del vidrio en moldes. Una porción caliente de vidrio se le puede dar una forma burda.

Rango Recorrido: Algunos componentes cerámicos se reconocen por eliminar los esfuerzos residuales introducidos durante su formado. Algunos vidrios pueden ser tratados térmicamente para causar la desvitrificación, es decir, la precipitación de una facia cristalina a partir del vidrio.

Los vidrios cerámicos son en parte cristalinos y en parte vidrios. Pueden obtenerse productos con una porosidad muy baja al elaborar un producto utilizando técnicas de deformación convencional del vidrio, como la presión, el molde o el soplado.

El primer paso en la produccion de un vidrio cerámico es asegurarse de que no ocurra cristalizaron durante el enfriamiento desde la temperatura de conformado.

La nucleación de la fuerza cristalina se controla de 2 maneras: Primero, el vidrio contiene agentes que proporciona sitios para la nucleacion.Segundo, se diseña un tratamiento térmico para conseguir el numero apropiado de núcleos: la temperatura debe ser relativamente baja a fin de aumentar al máximo la velocidad de enucleación.

Procesamiento y aplicaciones de productos de arcilla

Los productos de arcilla forman un grupo de cerámicos tradicionales que reutilizan para la produccion de tubos, ladrillos, artefactos de cocina y otros productos comunes. La arcilla sirve como aglutinante inicial para los polvos cerámicos, que típicamente son de sílice.

Técnicas de conformado para productos de arcilla. Los polvos, la arcilla, el fundente y el agua se mezclan y se les da forma. Mezclas secas o semisecas se comprimen en formas verdes con suficiente resistencia para poder ser manejadas. Para una compactación mas uniforme de las formas complejas, se puede efectuar un prensado isostatico los polvos se colocan en un molde doble y se someten a alta presión en un gas o en un medio líquido. A mayores contenidos de humedad, los polvos son más plásticos o confortables. A estas mezclas clásicas se le pueden aplicar procesos de conformado hidroplastico, incluyendo extrusión, recortado y conformado a mano. Los lodos cerámicos pueden inyectarse en moldes cuando contiene grandes cantidades plastificantes organicos en vez de agua.

Procesos de aplicaciones de cerámicos avanzados

Los cerámicos estructurales avanzados estan diseñados para optimizar las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparación con la cerámica tradicional, un control excepcional de la pureza, el procesamiento y de la micro estructura.

Materiales y aplicaciones avanzadas un extenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales aprovechando sus únicas propiedades magnéticas, electrónicas y óptica, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de catalizador en reacciones químicas, su capacidad de servir como censores.

Refractarios

Los materiales refractarios son componentes importantes del equipo utilizado en la refinación y manejo e metales y vidrios. Los refractarios pueden soportar alta temperatura sin corroerse o debilitarse por el entorno.

Refractarios ácidos: Los refractores ácidos comunes incluyen las arcillas de sílice, de alumina y refractario de arcilla. El sílice puro a veces se utiliza para contener metal derretido.

Refractarios básicos: El MgO tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad y buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricacion de los aceros.

Refractarios Neutros: Estos refractarios que normalmente incluyen la cromita y la cromita magnesica, pueden ser utilizados para separa refractarios acidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro.

Refractarios especiales: La mayor parte de los carburos no resisten bien la oxidación sus aplicaciones a alta temperatura son más adecuadas para situaciones de reducción.

Otros materiales cerámicos y sus aplicaciones.

Además de su uso en la produccion de materiales para la construccion en aparatos domésticos, en materiales estructurales y refractarios, los materiales cerámicos encuentran toda infinidad de aplicaciones incluyendo las siguientes:

Cementos es un proceso conocido como cementación, las materias primas cerámicas se unen utilizando un aglutinante que no requiera horneado o sinterizado. Una reacción química convierte una resina liquida en un sólido que une las partículas.

Recubrimientos: con frecuencia los productos cerámicos se utilizan como recubriemientos protectores de otros materiales. Los recubrimientos comerciales fósiles incluyen los vidrios y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobre la superficie de un material cerámico para sellar un cuerpo de arcilla permeable para dar protección y decorar, o para fines especiales, los esmaltados se aplican sobre las superficies metálicas, los esmaltados o vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fácilmente durante el horneado.

Fibras: A partir de materiales cerámicos se producen fibras para diversos usos como refuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para usos en sistema fibras ópticas. Las fibras vidrio de borosilicato, las mas comunes proporcionan y rigidez a la fibra de vidrio. Tambien se pueden producir fibras con una diversidad de materiales cerámicos, incluyendo aluminia, carburo de silicio y carburo de boro.

POLIMEROS

Los polímetros, que abarcan materiales tan diversos como los son el plástico, el hule o el caucho y los adhesivos, son moléculas orgánicas gigantes en cadena, con pesos moleculares desde 10, 000 hasta de 1000000 g/mol. La polimerización es el proceso mediante el cual las moléculas más pequeñas se unen para crear estas moléculas gigantes.

Los polímetros comerciales o estándar son materiales ligeros resistentes a la corrosión, de baja resistencia y rigidez, y no son adecuados para uso de temperaturas a temperaturas altas. Sin embargo, son relativamente económicos y fácilmente confortables en una diversidad de formas, desde bolsas de plástico hasta engranes metálicos y tinas de baño. Los polímetros ingenieriles estan diseñados para dar una mejor resistencia a temperaturas elevadas.

Los polímetros Tambien tienen muchas propiedades físicas útiles. Algunos como el plexiglás y la lucita son transparentes y puede reemplazar a los vidrio cerámicos. Los polímetros también son resistentes a la corrosión y al ataque químico.

Clasificación de los polímetros

Los polímetros se clasifican de varias formas: primero, según la manera en que las moléculas son sintetizadas; segundo en función de su estructura molecular y el tercero por su familia química. Sin embargo el método más usado es en función de su comportamiento mecánico y térmico.

  • Los poliedros termoplásticos: se componen de largas cadenas producidas al unir moléculas pequeñas o monómeras y típicamente se comportan de una manera plástica y dúctil. Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polímeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso. Los polímeros termoplásticos se pueden reciclar con felicidad.

  • Los polímeros termoestables: estan compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímeros generalmente son mas resistentes, aunque mas frágiles que los termoplásticos. Los termoestables no tienen una temperatura de fusión fija y es difícil reprocesarlos una vez ocurrida la formación de enlaces cruzados.

  • Los elastómeros: Incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlace cruzados entre las cadenas. Tienen la capacidad de deformarse elásticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanentemente.

La polimerización de estos 3 tipos de polímeros normalmente se inicia con la produccion de largas cadenas, en las cuales los átomos se unen fuertemente con enlaces covalentes.

Estructuras representativas: Todos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja que es difícil de describir gráficamente. La cadena de polímero esta formada por una cadena principal de átomos de carbono dos átomos de hidrogeno estan enlazados a cada átomo de carbono en la cadena. Esta gira y se retuerce en el espacio.

Formación de cadenas por el mecanismo de de adición

La formación del polipero más común, el polietileno a partir de moléculas de etileno es un ejemplo de polimerización por adición. El etileno es un gas. Los dos atómos de carbono estan unidos por un enlace covalente doble. Cada uno de estos átomos comparte dos de sus electrones con el otro y dos átomos de hidrogeno estan enlazados a cada uno de los átomos de carbono. La molécula de etileno es un maromero.

En precencia de una combinación apropiada de calor, presión y catalizadores, rompe el enlace doble entre los átomos de carbono y este se remplaza por un enlace covalente único. Los extremos del monómero ahora son radicales libres; cada átomo de carbono tiene un electrón si pareja, que puede compartir con otros radicales libres. Esta molécula reactiva es el bloque constructivo básico del polímetro, se conoce a veces como mero o dicho con mayor propiedad unidad de repetición.

Enlaces no saturados: La polimerización pro adición ocurre por que el monómero original tiene un enlace covalente doble entre átomos de carbono. El enlace no saturado. Después de cambiar a un enlace simple, los átomos de carbono siguen unidos pero se convierten en activos, se pueden agregar otras unidades de repetición para producir la cadena polimérica.

Funcionalidad: Es el numero de sitios en los cuales pueden unirse 2 moléculas a la unidad de repetición del polímero. En el etileno hay dos sitios en cada átomo de carbono en los cuales las moléculas pueden fijarse, por lo que el etileno es vi funcional y solamente se formaran cadenas. Si hay 3 o más sitios donde las moléculas pueden fijarse se forman una red tridimensional.

Iniciación de la polimerización por adición Para empezar la adición es decir el proceso de polimerización por crecimiento de las cadenas, se añade un iniciador al monómero. El iniciador forma radicales libres con un sitio reactivo se transfiere al otro átomo de carbono del monómero y se empieza a formar una cadena. Una segunda unidad de repetición de etileno se puede fijar en este nuevo sitio, alargándose la cadena. Este proceso continuara hasta que quede formada una larga cadena de polietileno es decir polímero por adición.

Crecimiento de la cadena por adicción Una vez iniciada la cadena de unen a gran velocidad unidades de repetición a cada cadena, quizás a varios miles de adiciones por segundos. Cuando la polimerización esta casi terminada, los pocos monómeros restantes deben recorrer grandes distancias antes de alcanzar un sitio activo en el extremo de alguna cadena y en consecuencia, la velocidad de crecimiento disminuye.

Terminación de la polimerización por adición: Las cadenas pueden terminarse mediante dos mecanismos. Primero, los extremos de las dos cadenas en crecimiento pueden unirse. Este proceso, conocido como combinación genera una sola cadena larga a partir de dos mas cortas. Segundo el extremo activo de una cadena puede quitar un átomo de hidrógenos de otra mediante un proceso, como desproporción; esta reacción formara dos cadenas, en vez de combinarlas de una más larga.

Estructura tetraédrica del carbono: La estructura de las cadenas poliméricas por adición se basa en la naturaleza del enlace covalente del carbono. Este como el silicio tiene valencia cuatro. El átomo de carbono comparte sus electrones de valencia con cuatro átomos circundantes, produciendo una estructura tetraédrica. En el diamante, todos los átomos en el tetraedro son de cabono produciendo la estructura tetraédrica. En el diamante todos los átomos en el tetraedro son de carbono produciéndose la estructura cúbica de diamante.

Forma cadena: Las cadenas de polímeros pueden torcerse y girar debido a la naturaleza del covalente. El tercer átomo puede colocarse en cualquier posición dentro del circulo manteniendo aun la direccionalidad del enlace covalente. Las cadenas se retuercen y giran a respuesta de factores externos como la temperatura o la ubicación de la siguiente unidad de repetición al agregarse a la cadena. Finalmente quedan entrelazadas unas con otras creciendo todas simultáneamente.

Formación de cadenas por el mecanismo de condenación

Los polímeros lineales también se forman mediante reacciones de condenación o polimerización de crecimiento por pasos, produciendo estructuras y propiedades similares a las de los polímeros lineales por adición. Sin embargo el mecanismo de la polimerización por pasos requiere que pro lo menos dos monómeros distintos participen en la reacción. La polimerización del dimetilitereftalato y del etilenglicol para la produccion del poliéster.

Grado de polimerización

La longitud promedio lineal se representa por su grado de polimerización el cual es el número de unidades de repetición dentro de la cadena. El grado de polimerización también se puede definir como:

Grado de polimerización = peso molecular /peso molecular de

Del polímero La unidad de repetición

Si el polímero contiene un solo tipo de mono mero, el peso molecular de la unidad de repetición es el mismo del monómero. Si el polímero contienen mas de un tipo de monómeros, el peso molecular de la unidad de repetición será la suma de los pesos moleculares de los monómeros menos el peso molecular de subproducto.

La longitud de la cadena en un polímero lineal varía considerablemente. Algunas pueden ser bastante largas, debido a una terminación temprana; otras pueden resultar excepcionalmente largas.

Arreglo de las cadenas poliméricas en los termoplásticos

Cuando se aplica un esfuerzo al termoplástico, los enlaces débiles entre cadenas pueden superarse y las cadenas giran y se deslizan entre ellas mismas. La facilidad con que las cadenas se deslizan de la temperatura y de la estructura del polímero.

Temperatura degradación: A temperaturas muy altas los enlaces covalentes entre los átomos de la cadena lineal pueden destruirse y el polímero puede quemarse o carbonizarse. Esta temperatura Td es la temperatura de degradación. La exposición al oxigeno, a las radiaciones ultravioleta y ala ataque por bacterias también hace que un polímero se degrade incluso a bajas temperaturas.

Polímeros liquidos A la temperatura de fusión Tm o por encima de ella. Los enlaces entre cadenas retorcidas y entrelazadas son débiles. Si se aplica una fuerza, las cadenas de desliza una contra otra y el polímero fluye casi sin deformación elástica. La resistencia y el modulo de elasticidad son prácticamente cero y el polímeros esta listo para vaciarse y para mucos procesos de conformado.

Polímeros caucho ticos o correosos: Por debajo de la temperatura de fusión, las cadenas de polímeros siguen retorcidas y entrelazadas. Estos polímeros tienen una estructura amorfa. Justo por debajo de la temperatura de fusión, el polímero se comporta de manera cauchotina; cuando se le aplica un esfuerzo ocurre tanto como deformación elástica como plástica. Al eliminar el esfuerzo, se produce rápidamente la deformación elástica, pero el polímero ha quedado deformado permanentemente por el movimiento de las cadenas. Se pueden obtener grandes elongaciones permanentes, permitiendo ala conformación del polímero en formas útiles por moldeado y extracción.

Polímeros vítreos: Por debajo de la temperatura de transición vítrea el polímero lineal se hace duro y frágil como el vidrio. El arreglo de las cadenas de polímeros sigue siendo amorfo. Cuando el polímero enfría por debajo de la temperatura de transición vítreas, ciertas propiedades como la densidad o el modulo de young cambian a una velocidad diferente.

Aunque los polímeros vítreos tienen poca ductibilidad y conformbilidad, tienen buena tenacidad, rigidez y resistencia a la termofluencia.

Polímeros cristalinos: Muchos termoplásticos se cristalizan parcialmente al ser enfriados por debajo de la temperatura de fusión y las cadenas de acercan y se alinean estrechamente a lo largo de distancias apreciables. La densidad sufre un incremento brusco cuando las cadenas, retorcidas y entrelazadas, se reorganizan en estructuras mas ordenadas y compactas.

Varios factores que tienen influencia sobre la capacidad de cristalización de un polímero:

  • Complejidad: La cristalización es muy factible para los polímeros formados por adición simple, como el polietileno en el cual no estan sujetas a la cadena de carbono moléculas muy voluminosas o grupos de átomos que pudieran interferir con la compactación de las cadenas

  • Rapidez de enfriamiento: Un enfriamiento lento, que permite mas tiempo para que las cadenas de alineen promuevan la cristalización.

  • Recocido: El calentamiento de una estructura amorfa justo por debajo de la temperatura de fusión proporciona la activación térmica necesaria para la nucleación y crecimiento de cristales.

  • Grado de polimerización: Es más difícil cristalizar polímeros de cadenas largas.

  • Deformación: La deformación lenta del polímero entre as temperaturas de fusión y de transición vítrea pueden promover la cristalización, al alinear las cadenas, permitiéndoles acercarse entre si.

  • Deformación y falla de los polímeros termoplásticos.

    Cuando a un polímero termoplástico se le aplica una fuerza externa, ocurren a la vez deformaciones elásticas y plásticas. El comportamiento mecánico esta íntimamente ligado a la manera en que las cadenas del polímero se mueven entre si bajo carga. La deformación es mas complicada en los polímeros termoplásticos qué en la mayoría de los metales y de los materiales cerámicos, ya que el procesos de deformación depende del tiempo y de la rapidez de aplicaron de la carga.

    Comportamiento elástico: En estos polímeros, la deformación elástica es resultado de dos mecanismos. Un esfuerzo aplicado hace que estiren y distorsionen los enlaces covalentes de las cadenas, permitiendo que estas se alarguen elásticamente. Al eliminar el esfuerzo, se recuperan de esta distorsión prácticamente de manera instantánea.

    Comportamiento plasticote los termoplásticos amorfos: Estos polímeros se deformando plásticamente cuando se excede al esfuerzo de sedancia. Sin embargo a diferencia de la deformación en los metales, la deformación plástica no es una consecuencia de movimiento de dislocación. En lugar de eso las cadenas se estiran, giran se deslizan desenmarañan bajo la carga, causando una deformación permanente. Debido a este fenómeno se puede explicar la reducción de esfuerzo más allá del punto de sedancia. Inicialmente, las cadenas pueden estar muy enmarañadas. Cuando el esfuerzo es suficientemente alto, las cadenas empiezan a enderezarse.

    Viscoelasticidad La capacidad de un esfuerzo para provocar el deslizamiento de cadenas y la deformación plástica esta relacionada con el tiempo y la rapidez de deformación. Si el esfuerzo se aplica lentamente. Las cadenas de deslizan fácilmente una la lado de otra; si se aplica con rapidez, no ocurre desplazamiento y el polímero se comporta de manera frágil.

    La dependencia de las deformaciones elásticas y plásticas de los termoplásticos con el tiempo se explica mediante el comportamiento viscoelastico del material.

    Termofluencia: En los polímeros amorfos, la energia de activación y la viscocidad son bajas y el polímero se deforma con esfuerzos reducidos. Cuando el polímero se le aplica un escuezo constante sufre con rapidez una deformación conforme los segmentos de la cadena se deforman. A diferencia de los materiales o de los cerámicos la deformación no llega a un valor constante. En vez de ello debido a su baja viscosidad la deformación sigue incrementándose con el tiempo, conforme las cadenas se deslizan lentamente una al lado de otra.

    Relajación de esfuerzo: Un polímero tan bien puede quedar sujeto a deformación constante. A fin de producir una deformación fija, inicialmente debe aplicarse un esfuerzo específico. En un metal o en producto cerámico, el esfuerzo requerido para mantener esta deformación se mantendrá constante. Sin embargo, las cadenas del polímero fluyen de manera viscosa, reduciéndose el esfuerzo en el material.

    Impacto: El comportamiento viscoelastico también ayudan a comprender las propiedades al impacto de los polímeros. A muy altas velocidades de deformación, como en una prueba de impacto, no hay tiempo suficiente para que las cadenas se deslicen causando deformación plástica. En estas circunstancias, los termoplásticos se comportan de manera frágil y tienen valores pobres al impacto.

    Deformación de los polímeros cristalinos: Varios polímeros se utilizan en estado cristalino. Como se analizo anteriormente, estos materiales nunca son totalmente cristalinos. Existen pequeñas regiones entre laminillas cristalinas y entre esferalitas cristalinas que son regiones amorfas d e transición. Las cadenas poliméricas en la región cristalina se extienden hacia el interior de estas de estas regiones amorfas, como cadenas de enlace.

    Cuando al polímero s ele aplica una carga de tensión, las laminillas cristalinas dentro de las esferalitas se deslizan entre si y empiezan a separarse conforme se estiran las cadenas de enlace. Los dobleces entre las laminillas se inclinan y alinean en dirección de la carga de la tensión. Las laminillas cristalinas se subdividen en unidades más pequeñas cristales alineados unidos por cadenas de enlace y orientados paralelamente a la carga de tensión. Las esferalitas Tambien cambian de forma y se alargan en dirección al esfuerzo aplicado. Ante un esfuerzo continuado las cadenas de enlace se se enmarañana o se rompen haciendo que el polímero falle.

    Micorcavidades: En los termoplásticos se crean microcavidades, cuando las regiones de deformación plástica aparecen en dirección perpendicular a la del esfuerzo aplicado. En los termoplásticos transparentes, como algunos de los polímeros vítreos, las microcavidades producen una región traslucida u opaca. Las microcavidades pueden crecer hasta extenderse a través de toda la sección transversal de la pieza de polímero. Pero dichas cavidades microscópicas no son grietas y de hecho pueden continuar soportando un esfuerzo.

    Control de la estructura y de las propiedades de los termoplásticos

    Ahora que ya se han analizado los efectos de la deformación y de la temperatura, se examinaran algunas formas mediante las cuales es posible modificar y controlar las propiedades de los polímeros termoplásticos. Muchos de estos métodos se pueden agrupar en 3 clases principales: control de longitud de las cadenas individuales, control de la resistencia de los enlaces dentro de las cadenas y control de la resistencia de los enlaces entre cadenas.

    Grado de polimerización: Cadenas mas largas, esto es, un mayor grado de polimerización incrementa la resistencia del polímero hasta cierto punto. Conforme se incrementa la longitud de las cadenas, se enmaraña más y el polímero tiene una temperatura de fusión mas elevada una mejor resistencia y una mayor resistencia a la termofluencia.

    Efectos de los monómeros en el enlace entre cadenas: En esta sección, solamente consideran los homopolímeros. Estos polímeros contienen unidades de repetición idénticas. En los homopolímeros, el tipo de monómero influyente en la unión entre cadenas y en la capacitación de las mismas para girar o deslizarse entre ellas al aplicarse un esfuerzo.

    Efectos de los manómetros en los enlaces de cadenas: Un gran numero de polímeros, que típicamente se utilizan para aplicaciones especiales y en cantidades relativamente pequeñas, se forman a partir de manómetros complejas, con frecuencia por el mecanismo de condenación. En la cadena se pueden incorporar anillos o grupos aromáticos de oxigeno, nitrógeno, azufre y benceno.

    Como los enlaces entre cadenas son más resistentes, la rotación y el desplazamiento de estas son más difíciles, lo que resulta en resistencia más elevada, en mayor rigidez y en más altos puntos de fusión que los polímeros por adición simple.

    Polímeros Cristalinos liquidos: Algunas de las cadenas termplasticas, complejas se hacen tan rígidas que funcionan como varilla, incluso cuando se calientan por encima del punto de fusión.

    Ramificación: La ramificación ocurre cuando un átomo unido a la cadena lineal principal es eliminado y remplazado por otra cadena lineal. Estos pueden ocurrir varias veces cada 100 átomos de carbono en la cadena principal del polímero... La ramificación reduce la tendencia a la cristalización y a la compactación de las cadenas, reduciendo, por lo tanto, su densidad, su rigidez y la resistencia del polímero.

    Copolímeros: Los copolimeros son cadenas de adición lineal compuestas de dos o más tipos de moléculas. El arreglo de los monómeros en un copo limero puede tomar varias formas. Estas incluyen polímeros alternados, polímeros aleatorios, polímeros en bloque y copolimeros injertados.

    Tacticidad: Cuando se forma un polímero a partir de unidades de repetición no simétricas, la estructura y las propiedades quedan determinadas por la posición de los átomos o grupos de átomos no simétricos. En el arreglo sindiotactico, los atomos o grupos de átomos ocupan alternativamente posiciones en lados opuestos de las cadenas lineales. Los átomos estan todos en el mismo lado de la cadena en los polímeros isotacticos, en tanto que la disposición de los átomos es aleatoria en los polímeros atacticos.

    Cristalización y deformación: Como se ha visto anteriormente promover la cristalización del polímero también ayuda a incrementar su densidad, su densidad, su resistencia al ataque químico y sus propiedades mecánicas, incluso a temperaturas mas altas; todo lo anterior debido a una unión mas fuerte entre cadenas. Además, la deformación endereza y alinea las cadenas, produciendo una orientación preferencial. Se utiliza para producir fibras con propiedades mecánicas en la dirección de la fibra que excede a las de muchos metales y materiales cerámicos.

    Mezclas y aleaciones: Es posible mejorar las propiedades mecánicas de muchos termoplásticos mediante mezclas y aleaciones. Al mezclar un elastómero no miscible con el termoplástico, se produce un polímero de dos fases como en el ABS. El elastómero no se introduce en la estructura como un copolimero, pero en cambio contribuye a absorber energia y a mejorar la tenacidad. Los policarbonos utilizados para producir cambios transparentes de aeronaves son endurecidos de esa manera mediante elastómeros.

    Elastómeros

    Un cierto número de polímeros lineales naturales y sintéticos conocidos como elastómeros presentan gran cantidad de deformación elástica al aplicarse una fuerza.

    Isomeros geométricos: algunos monómeros, con estructura diferentes aunque tenían una misma composición, se conocen como someros geométricos. El caucho natural es un ejemplo importante. El monómero incluye dos enlaces dobles entre átomos de carbono; este tipo de monómero se conoce como dieno. La polimerización ocurre al romper los dos enlaces dobles, creando en el centro de la molécula un enlace doble nuevo y sitios activos en ambos extremos.

    Enlaces cruzados: Se puede evitar la deformación de plástica viscosa y al mismo tiempo mantener una gran deformación elástica mediante enlaces cruzados de las cadenas. La vulcanización que utiliza los átomos de azufre es un método común para formar enlaces cruzados.

    Elastómeros típicos: Son polímeros amorfos, no se cristalizan fácilmente durante su proceso. Tienen una baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar elásticamente con facilidad al aplicar una fuerza.

    Polímeros termo estables.

    Los termoestables son cadenas de polímeros con enlaces altamente cruzados, que forman una estructura de red tridimensional. Ya que las cadenas no pueden girar ni deslizarse, estos polímeros poseen buena resistencia, rigidez y dureza. Sin embargo, también tiene baja ductilidad y propiedades al impacto y una alta temperatura de transición vítrea. En un ensayo de tensión a los polímeros termoestables presentan el mismo comportamiento de los metales o los cerámicos frágiles.

    Los polímeros termoestables a menudo se inician con cadenas lineales. Dependiendo del tipo de unidades de repetición y el grado de polimerización.

    Fenólicos: Son termoestables de uso mas común, se utilizan frecuentemente como adhesivos, recubrimientos, laminados y componentes moldeados para aplicaciones eléctricas o de motores. La baquelita es uno de los termoestables fenólicos más usual.

    Aminas: Las aminorrecinas, producidas por la combinación de urea o monómeros de melamina con formaldehído son similares a las fenólicas. Los monómeros se unen mediante un enlace de formaldehído para producir cadenas lineales. El formaldehído excedente proporciona los enlaces cruzados necesarios para generar polímeros fuertes y rígidos, adecuados para uso como adhesivos, laminados y material de modelo para utensilios de cocina y equipo eléctrico.

    Uretanos: Dependiendo del grado de enlaces cruzados los uretanos se comportan como polímeros termoestables, como polímeros termoplasticos o como elastómeros. Se encuentran en aplicaciones como fibras, recubrimientos, y espuma para muebles.

    Poliésteres: Los poliesteres forman cadenas de moléculas de ácido y alcohol mediante una reacción de condenación, dando como subproducto agua. Cuando estas cadenas contienen enlaces no saturados, una molécula de estireno puede proporcionar el enlace cruzado. Se utilizan como modelo material para moldes o para vaciado en una diversidad de aplicaciones eléctricas, lanchas y equipo marino y como matriz de materiales compuestos como la fibra de vidrio.

    Epoxicos: Los epoxios son polímeros termoestables, formados por moléculas que contienen un anillo cerrado. Durante la polimerización lo anillos se abren y los enlaces se reacomodan para unir las moléculas. Se utilizan como adhesivos o para aplicaciones eléctricas; componentes automotores; tableros de circuitos; artículos deportivos y como matriz para materiales compuestos de alto rendimiento, reforzados con fibra para uso aerospacial.

    Poli imitadas: Presentan una estructura en anillo que contienen un átomo de nitrógeno.

    Adhesivos

    Son polímeros que se utilizan para unir otros polímeros, metales, materiales, cerámicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Se utilizan para una diversidad de aplicaciones.

    Adhesivos químicamente reactivos; Estos incluyen a los poliuretanos, epoxicos, silicona, fenólicos, y poliamidas. Sistema de un solo componente estan formados por una serie de resina polimérica, que se cura por exposición a la humedad, al calor, o en casos de los aenobolicos a la ausencia de oxigeno.

    Adhesivo por evaporización o por difusión. El adhesivo se disuelve ya sea en un solvente orgánico o en agua, y se le aplica a las superficies a unir. Al evaporarse el portador, el polímero restante proporciona la unión.

    Adhesivos por difusión de calor: Estos polímeros termoplásticos y elastómeros termoplásticos se fúndenla calentarse. Al enfriase el polímero se soldifique, uniendo los materiales.

    Adhesivos sensibles a la presión: Son principalmente elastómeros o copoimeros de elastómeros que producen en forma de película o de recubrimiento. Se requiere de presión para que el polímero se adhiera al sustrato.

    Adhesivos conductores: Puede contener un material relleno como escamas o polvos de plata, cobre o aluminio para proporcionar conductividad eléctrica y térmica.

    Aditivos de los polímeros

    La mayor parte de los polímeros contienen aditivos, que les proporciona características especiales.

    Rellenos: Los rellenos se agregan para varios fines. Uno de los ejemplos mas conocidos es la adición de negro humo al caucho, para conseguir la resistencia y la resistencia al desgaste de las llantas.

    Pigmentos: Utilizados para producir colores en polímeros y pinturas, los pigmentos son partículas finalmente molidas qué quedan uniformemente dispersas en el polímero.

    Estabilizadores: Impiden el deterioro del polímero debido a efectos del entorno. Los estabilizadores se requieren para el un proceso del cloruro del polivinilito; de lo contrario, pudieran eliminarse átomos de hidrogeno y cloruro en forma de ácido hidrocloridridico, haciendo frágil el polímero.

    Agentes antiestáticos: La mayoría de los polímeros, puesto que son malos conductores acumulan carga por electricidad estastica. Los agentes antiestáticos atraen la humedad del aire hacia la superficie del polímero, mejorando la conductividad superficial de si mismo.

    Retardantes de llanta: Dado que se trata de materiales organicos, la mayoría de los polímeros son inflamables. Aditivos conteniendo cloro, bromo, fósforo, o sales metálicas reducen la probabilidad de que ocurra o se extienda la combustión.

    Plastificantes: Moléculas o cadenas de bajo peso molecular, conocidas como plastificantes reducen la temperatura de transición vítrea, proporcionando lubricación interna y mejorando las características de conformado del polímero.

    Reforzantes: La resistencia y rigidez de los polímeros se mejora al introducir filamentos de vidrio, primeros o gradito como reforzantes.

    Conformado de polímeros

    Hay varios métodos para producir formas con polímeros, incluyendo el moldeo, la extrusión y la fabricacion de películas y fibras. Las técnicas que se utiliza para conformar polímeros dependen de gran medida de la naturaleza del mismo, en particular si es termoplástico o termoestable.

    La mayoría de las técnicas son utilizadas para conformar los polímeros termoplásticos.

    Extrusión: Un mecanismo de tornillo empuja al termoplástico caliente a través de un lado abierto, que produce formas sólidas, películas, tubos e incluso bolsas de plástico. Puede usarse para recubrimiento de conductores y cables ya sea con termoplásticos o con elastómeros.

    Método por soplado: Una forma hueca de termoplástico, conocida como preforma, es introducida en un molde y mediante la presión de un gas se expande hacia las paredes del molde.

    Molde por inyección: Los termoplásticos se calientan por encima de de la temperatura de fusión pueden ser forzados a entrar en un molde cerrado para producir una pieza. Este proceso es similar al molde por fusión a presión de los metales.

    Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta llegar a la región plástica se pueden conformar sobre dado para producir diversos productos, tales como cartones de huevo y paneles decorativos.

    Calandro: En una calandra se vierte plástico fundido en un juego de rodillos con una pequeña separación. Los rodillos, que pueden estar grabados con algún dibujo, presionan al material y forman una hoja delgada del polímero a menudo cloruro de polivinilito.

    Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras de vidrio e hilos mediante hilado. El polímero termoplástico fundido empuja a través de un dado, que contiene muchas perforaciones pequeñas. El dado, conocido como hilador puede girar y producir un hilado.

    Colado: Muchos polímetros se pueden colar en moldes dejando que se solidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para producir hojas de plástico gruesas, o bandas de acero inoxidables para colado continúo de hojas más delgadas.

    Modelo por compresión: Las piezas termoestables frecuentemente se forman mediante la colación del material sólido en un dado caliente antes de la formación de enlaces cruzados. La aplicación a altas presiones y temperaturas hace que el polímero se funda, llene el dado y de inmediato se empiece a endurecer.

    Moldeo por transferencia: Se utiliza una doble cámara. El polímero de una de las cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta en la cavidad del dado adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del modelo por inyección puedan ser usadas como polímeros termoestables.

    Espumas: Se pueden producir por productos de poliestireno, uretano, polimetilmetacrilato y otros polímeros que finalmente contengan buenos espacios huecos. El polímero se produce en pequeñas bolitas que frecuentemente contienen un agente espumante, que al ser calentado se descompondrá generando nitrógeno, bióxido de carbono, pentano o algún gas. Durante este proceso de preexpansión, las bolitas aumentan de diámetro tanto como 50 veces y se hacen huecas. Los vasos, empaques y aislamientos de poliestireno expandido, son algunas de las aplicaciones para las espumas.