Polímeros

Química. Termoplásticos. Plásticos termoestables. Reacciones. Polimerización: métodos industriales. Procesado. Deformación. Endurecimiento

  • Enviado por: Ignacio Ardanuy
  • Idioma: castellano
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1.INTRODUCCIÓN

La palabra polímero literalmente significa <<muchas piezas>>. Puede considerarse, que un material sólido polimérico está formado por muchas partes químicamente enlazadas como unidades enlazadas entre sí para formar un sólido. Los plásticos son un gran y variado grupo de materiales sintéticos que se procesan mediante el moldeado de la forma; tenemos muchos tipos de plásticos, como el polietileno y el nylon. Los plásticos pueden dividirse en dos clases, termoplásticos y termoestables, dependiendo de la estructura química de su enlace. Los elastómeros o cauchos pueden deformarse grandemente de forma elástica cuando se les aplica una fuerza y pueden volver a su forma original o casi original, cuando se elimina la fuerza.

Termoplásticos: Son aquellos que necesitan calor para hacerlos deformables y después de enfriarse mantienen la forma a la que fueron moldeados. Estos materiales se pueden calentar y moldearlos muchas veces, sin que experimenten ningún cambio significativo de sus propiedades. La mayoría de los termoplásticos consisten en cadenas principales muy largas de átomos de carbono enlazados entre sí, también se pueden encontrar enlazados de forma covalente átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre. Las largas cadenas moleculares se enlazan entre sí mediante enlaces secundarios.

Plásticos termoestables: Son aquellos que no pueden ser refundidos y remoldeados en otra forma, sino que se descomponen al ser calentados a temperatura demasiado altas, por ello, no se pueden reciclar. El termino termoestable implica que el calor es necesario para que el plástico mantenga permanentemente la forma. Sin embargo, muchos plásticos termoestables que curan a temperatura ambiente, solamente con una reacción química. La mayoría de plásticos temoestables consisten en una red covalente de átomos de carbono enlazados entre sí para formar un sólido rígido.

Los plásticos son materiales importantes para la ingeniería por muchas razones. Presentan gran variedad de propiedades, algunas de las cuales son inalcanzables para otros materiales, y en la mayoría de los casos son relativamente de bajo precio. Para diseño de ingeniería mecánica tiene muchas ventajas, eliminación de muchas operaciones de acabado, simplificación de montaje, eliminación de peso, reducción de ruido, etc.

2.REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN.

La mayoría de los termoplásticos se sinterizan mediante el proceso de crecimiento de la cadena por polimerización. En este proceso muchas moléculas pequeñas se enlazan de forma covalente para formar cadenas moleculares muy largas se denominan monómeros, la molécula de cadena larga formada por las unidades de nenómero se denomina polímero. El proceso químico por el cual los nenómenos se combinan químicamente en plímeros moleculares de cadena larga se denomina polimerización.

2.1- Etapas de una polimerización en cadena:

Las reacciones para una polimerización en cadena de monómeros como el etileno para la formación de polímeros lineales como el polietileno puede dividirse en 3 etapas: iniciación, propagación, terminación.

2.1.1- Iniciación:

Para la polimerización en cadena, puede utilizarse uno de los distintos tipos de catalizadores. En esta discusión consideraremos el uso de peróxidos orgánicos los cuales actúan como generadores de radicales libres. Un radical libre puede definirse como un grupo de átomos que tienen un electrón desapareado que puede enlazarse de forma covalente a un electrón desapareado de otra molécula.

Ej: Etileno

R O O R R O + O R

Peróxido orgánico Radicales libres

Si R es un grupo químico, entonces por calentamiento, este peróxido puede descomponerse en dos radicales libres.

R - O - O - R 2 R - O·

Peróxido orgánico Radicales libres

El peróxido de benzoilo es un peróxido orgánico que es utilizado para iniciar algunas reacciones de polimerización en cadena y se descompone en radicales libres.

2.1.2- Propagación:

El proceso de aumentar la cadena del polímero por sucesivas adiciones de unidades de monómero se denomina propagación. El doble enlace al final de la unidad de monómero de etileno puede ser abierto, generar un radical libre y enlazarse de forma covalente. Así, la cadena polimérica se extiende por la reacción:

R - CH2 - CH2· + CH2 = CH2 R - CH2 - CH2 - CH2 - CH2·

2.1.3- Terminación:

En la etapa de terminación puede conducir el crecimiento de la cadena por la adición de un radical libre de acabado o cuando dos cadenas en crecimiento se combinan. Otra posibilidad es que trazas de impurezas puedan terminar la cadena polimérica. La terminación debido a la unión de dos cadenas puede representarse por la relación:

R(CH2 - CH2)·m + R'(CH2 - CH2)·n R(CH2 - CH2)m - (CH2 - CH2)nR'

2.2 Estructura de plímeros lineales no cristalinos.

Al examinar microscópicamente una pequeña longitud de la cadena de polietileno, encontramos que tiene una configuración en zigzag (fig.1) debido a que el ángulo del enlace covalente entre dos enlaces simples carbono - carbono es de unos 109º. Sin embargo, una escala mayor, las cadenas poliméricas en el polietileno no cristalino están aleatoriamente mezclados como en un plato de espaguetis. Este mezclado de la cadena lineal del polímero se ilustra en la figura 2. Para algunos materiales poliméricos, a los cuales pertenece el polietileno, pueden existir ambas regiones, cristalina y no cristalina. El enlace entre las cadenas largas del polietileno consiste en enlaces permanentes dipolares secundarios débiles. Pueden además formarse ramas laterales que causen una perdida de empaquetamiento de las cadenas moleculares uy favorecer así una estructura no cristalina. Por ello, el enramado de los polímeros lineales debilita os enlaces secundarios entre las cadenas y disminuye la resistencia a la tensión del material polimérico masivo.

2.3- Polímeros de vinilo y vinilideno:

Pueden sintetizarse muchos materiales poliméricos que tienen una estructura de sus cadenas principales de carbono similar a la del polietileno, reemplazando uno o más átomos de hidrógeno del etileno por otros tipos de átomos. Si sólo uno de los átomos de hidrógeno del monómero de etileno es reemplazado por otro átomo, el polímero plomerizado se denomina polímero de vinilo. Algunos ejemplos pueden ser: el polipropileno, poliestireno. La relación general para la polimerización de polímeros de vinilo es:

Donde R1 puede ser otro tipo de átomo.

Si ambos átomos de hidrógeno sobre uno de los átomos de carbono del monómero de etileno son reemplazados por otros átomos, el polímero se denomina entonces polímero de vinilideno.

3.METODOS INDUSTRIALES DE POLIMERIZACIÓN.

Los materiales plásticos industrialmente se producen de formas distintas, puesto que hay muchos procesos diferentes que son utilizados y otros nuevos están constantemente desarrollándose. Se utilizan como materiales de partida gas natural, petróleo y carbono para producir los productos químicos básicos para los procesos de polimerización. Al ser polimerizados mediante muchos procesos diferentes, se obtienen materiales plásticos en forma de gránulos, bolitas, polvos, o líquidos que son posteriormente procesados en productos acabados. Algunos de los métodos de polimerización más importantes son:

  • Polimerización en masa: El monómero y el activador se mezclan en un reactor que es calentado y enfriado según se requiera. Este proceso es utilizado extensamente para la polimerización por condensación donde un monómero puede cargarse en el reactor y otro añadirse lentamente. Los procesos en masa pueden utilizarse para muchas reacciones de polimerización por condensación por sus bajos calores de reacción.

  • Polimerización por solución: Se disuelve el monómero en un solvente no reactivo que contiene un catalizador. El calor liberado por la reacción es absorbido por el disolvente y de esta forma se disminuye la velocidad de reacción.

  • Polimerización por suspensión: Se mezcla el monómero con un catalizador y entonces se dispersa como una suspensión en el agua. En este proceso el agua absorbe el calor liberado por la reacción. Después de la polimerización, el producto polimerizado es separado y secado. Este proceso se utiliza comúnmente para producir muchos de los polímeros del tipo vinilo como el policloruro de vinilo, poliestireno, etc.

  • Polimerización por emulsión: Este proceso de polimerización es similar al proceso de suspensión puesto que se lleva a cabo en agua. Sin embargo, se añade un emulsor para dispersar el monómero en partículas muy pequeñas.

A parte del conjunto de procesos de polimerización descritos, se han desarrollado muchos tipos de procesos de polimerización de masa continua, y constantemente se llevan a cabo investigaciones y desarrollos en este campo. Un proceso muy importante es el proceso Unipol en fase gaseosa de Unión - Carbide para producir polietileno de baja densidad. Se introduce de forma continua el monómero de etileno gaseoso junto con algún comonómero en un reactor fluidificado al cual se añade un catalizador especial. Las ventajas de este proceso son las bajas temperaturas de polimerización (100ºC en vez de 300ºC) y menor presión (100 psi en vez de 300 psi para procesos anteriores).

4.PROCESADO DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS.

Se utilizan una gran variedad de procesos par transformar los gránulos y las bolitas de polímero en productos con forma definida como tubos, piezas moldeadas finales, etc. El proceso utilizado depende de sí el polímero es un termoplástico o un termoestable. Los termoplásticos normalmente se calientan hasta reblandecerse y se les da forma antes de enfriar. Por otra parte, los materiales termoestables no están completamente polimerizados antes de procesarlos a su forma final, en el proceso de conformado ocurre una reacción química de entrecruzamiento de las cadenas del polímero en una red de material polimérico. La polimerización final puede tener lugar por la aplicación de calor y presión.

4.1- Procesos utilizados para materiales termoplásticos.

Moldeo por inyección. Es uno de los métodos de procesado más importantes para dar forma a los materiales termoplásticos. La maquinaria moderna utiliza un mecanismo de enroscado alternativo para fundir el plástico i inyectarlo en un molde (fig. 8).

En el proceso de moldeo por inyección, se introducen los gránulos plásticos desde una tolva, a través de un orificio, al cilindro de inyección sobre la superficie de un tornillo rotativo que los lleva hacia el molde (fig. 9 a). La rotación del tornillo empuja los gránulos contra las paredes calientes del cilindro, produciendo su fusión debido al calor de compresión, fricción y al calor de las paredes del cilindro (fig. 9 b). Cuando se fusiona suficiente material plástico en el molde final del tornillo, el tornillo para u por un movimiento de percusión inyecta un “disparo” de material fusionado a través de un orificio de colada y entonces lo introduce dentro de las cavidades cerradas del molde (fig. 9 c). El tornillo mantiene la presión del material plástico introducido en el molde durante un corto período de tiempo para permitir su solidificación y entonces se retrae. El molde se enfría con agua para enfriar rápidamente la pieza plástica. Finalmente se abre el molde y la pieza es expulsada del molde con aire.

Las principales ventajas del moldeo a inyección son:

  • Pueden producirse piezas de gran calidad a alta velocidad de producción.

  • Tiene relativos bajos costes de mano de obra.

  • Pueden producirse grandes acabados superficiales de las piezas moldeadas.

  • Pueden producirse formas complicadas.

  • Las principales desventajas del moldeo a inyección son:

  • Altos costes de maquinaria, suponen una gran cantidad de piezas para amortizar la maquina.

  • Se ha de controlar el proceso para extraer un producto de calidad.

  • Extrusión. La extrusión es otro de los importantes métodos de procesado utilizados para los termoplásticos. La máquina extrusora también se utiliza para realizar materiales compuestos plásticos para la producción de especies en bruto sin conformar, como bolitas, y para recuperación de residuos de materiales termoplásticos.

    En el proceso de extrusión la resina de termoplástico se introduce en un cilindro caliente, y mediante un tornillo rotatorio se fuerza al plástico fusionado a través de una abertura en un molde adecuado para generar formas continuas. Después de salir del molde la pieza debe enfriarse por debajo de su temperatura de transición para asegurar su estabilidad dimensional. El enfriamiento se realiza generalmente por chorro de aire o mediante un sistema de refrigeración por agua.

    Moldeo por soplado y termomoldeado. En el moldeo por soplado se sitúa un cilindro o tubo de plástico calentado entre las mandíbulas de un molde. Se cierra el molde para aprisionar los bordes del cilindro, y se insufla aire comprimido, forzando al plástico contra las paredes del molde.

    En el termomoldeado se fuerza la lámina calentada contra los contornos del molde por medio de presión. Puede utilizarse presión mecánica con moldes complementarios o puede generarse vacío para empujar a la lámina caliente en un molde de salida. También puede utilizarse aire a presión para forzar a la lámina calentada a introducirse dentro de un molde abierto.

    4.2 Procesos utilizados para materiales termoestables.

    Moldeo por compresión. Se utiliza para el conformado de muchas resinas termoestables como las resinas de fenol-formaldehído, melamina-formaldehído. En el moldeo por compresión de carga la resina plástica, que puede estar precalentada, en un molde caliente que contiene una o más cavidades. Se fuerza a la parte superior del molde a descender sobre la resina plástica, y la presión aplicada i el calor funden la resina, y fuerza a la resina licuada a llenar la cavidad. Se necesita un calor continuo para completar el entrecruzamiento de la resina termoestable, y entonces la pieza es expulsada del molde. El material de exceso es recortado posteriormente de la pieza.

    Las ventajas del moldeo a compresión son:

  • Los costes iniciales del molde son pequeños.

  • El relativamente pequeño flujo de material reduce el desgaste y la abrasión en los moldes.

  • Es más factible la obtención de varias piezas.

  • Los gases expelidos de la reacción de curado pueden escapar durante el proceso de moldeado.

  • Las desventajas son:

  • Las piezas de configuraciones complicadas son difíciles de realizar en este proceso.

  • Puede ser difícil ajustar las inserciones a tolerancias pequeñas.

  • El sobrante debe recortarse de las piezas moldeadas.

  • Moldeo por transferencia. El moldeo por transferencia difiere del moldeo por compresión en que la resina plástica no es introducida directamente en la cavidad del molde sino que se introduce en la cavidad del molde a través de una cámara exterior.

    En el moldeo por transferencia, cuando se cierra el molde, un percutor fuerza a la resina de plástico de la cámara exterior a través de un sistema de orificios de colada en las cavidades del molde. Después de que el material moldeado haya tenido tiempo de curarse, de forma que se haya formado una red rígida de material polimérico, la pieza moldeada es expulsada del molde.

    Las ventajas son:

  • El moldeo por transferencia tiene la ventaja sobre el moldeo por compresión en que no se forma sobrante durante el moldeado, y por ello la pieza moldeada necesita menor acabado.

  • Se pueden hacer muchas piezas al mismo tiempo mediante un sistema de orificios de colada.

  • El moldeado de transferencia es especialmente útil para realizar pequeñas piezas complicadas que lo que podría ser difícil de realizar por moldeo por compresión.

  • Moldeo por inyección. Mediante el uso de tecnología moderna, algunos compuestos termoestables pueden ser moldeados por inyección mediante máquinas de moldeo por inyección de tornillo alternativo. Se añaden cubiertas especiales para el calentado y enfriado a las máquinas estándar de moldeo por inyección de forma que la resina pueda curarse en el proceso. Se necesita una buena ventilación de las cavidades del molde para algunas resinas termoestables que generan productos de reacción durante el curado.

    5.PLÁSTICOS TERMOESTABLES.

    Los plásticos termoestables poseen una estructura molecular en red de enlaces covalentes primarios. Aunque las piezas curadas hechas de plásticos termoestables pueden ablandarse por el calor, el entrecruzamiento de sus en laces covalentes evita que vuelvan al estado fluido que existía antes de que la resina plástica se curase. Los plásticos termoestables no pueden recalentarse y refundirse como podían hacerlo los termoplásticos. Esta es una desventaja para los plásticos termoestables puesto que las piezas procesadas no pueden reciclarse reutilizarse.

    Las ventajas de los plásticos termoestables son:

  • Alta estabilidad térmica y dimensional.

  • Alta rigidez.

  • Resistencia a la fluencia y a la deformación bajo carga.

  • Bajo peso.

  • Buenas propiedades como aislante eléctrico y térmico.

  • Los plásticos termoestables se conforman habitualmente mediante la compresión o el moldeo por transferencia. En algunos de los casos se han desarrollado para el termoendurecimiento técnicas de moldeo por inyección para abaratar costes.

    Muchos plásticos termoestables se utilizan en forma de dos componentes principales:

    1.- Una resina que contienen los agentes de curado.

    2.- Rellenos y/o materiales de refuerzo que pueden ser materiales orgánicos o inorgánicos.

    La pasta de madera, mica, vidrio y celulosa son los materiales de relleno más comúnmente utilizados.

    5.1 Fenólicos.

    Los materiales termoestables fenólicos fueron el primer material termoplástico utilizado en la industria de forma predominante.

    Los plásticos fenólicos todavía se utilizan debido a que son de muy bajo coste y tienen buenas propiedades eléctricas y como aislantes del calor, además de buenas propiedades mecánicas. Se moldean fácilmente pero se fabrican en pocos colores(negro y marrón).

    5.2 Resinas epoxy.

    Las resinas epoxy son una familia de materiales termoestables poliméricos que no generan productos de reacción durante el curado y por ello tienen poca contracción al curar. Tienen buena adhesión sobre los materiales, buena resistencia química y ambiental, buenas propiedades mecánicas y como aislante eléctrico.

    6. ELASTÓMEROS (CAUCHOS).

    Los elastómeros o cauchos son materiales poliméricos cuyas dimensiones pueden cambiar grandemente cuando se les aplica una tensión. Hay muchos tipos de materiales elastoméricos, pero solamente discutiremos los siguientes: caucho natural, poliisopreno sintético, caucho de estireno-butadieno, caucho de nitrilo, policloropreno y las siliconas.

    6.1 Caucho natural.

    El caucho natural se produce comercialmente a partir de látex. La fuente del caucho natural es un líquido lechoso conocido como látex el cual es una suspensión que contiene partículas muy pequeñas de caucho. Se recoge el látex líquido de los árboles y se lleva a un centro de procesado donde se diluye el látex primario hasta aproximadamente un 15% de contenido en caucho y se coagula con ácido fórmico. El material coagulado se comprime a través de unos rodillos para eliminar el agua y producir un material en hojas. Las hojas se secan con corrientes de aire seco o por el calor del humo de un fuego. Las hojas y el caucho en bruto, en general, se trituran entre dos pesados rodillos en los cuales la acción mecánica de cizalla rompe algunas de las largas cadenas poliméricas y reduce su peso molecular promedio. La producción de caucho natural en 1980 representó un 30% del mercado total mundial de cauchos.

    6.2 Cauchos sintéticos.

    Los cauchos sintéticos en 1980 representaron cerca del 70% de los abastecimientos mundiales de materiales de caucho. Algunos de los cauchos sintéticos más importantes son el estireno-butadieno, cauchos de nitrilo y neopreno.

    Caucho de estireno-butadieno. El caucho sintético más importante y el más ampliamente utilizado es el caucho de estireno-butadieno, un copolímero de estireno y butadieno. Después de la polimerización, este material contiene de un 20 a un 23% de estireno.

    Puesto que los meros de butadieno contienen dobles enlaces, el copolímero puede vulcanizarse con azufre por ligamento entrecruzado. El butadieno por sí mismo, cuando es sintetizado con un catalizador esteroespecífico, tiene mayor elasticidad que el caucho natural ya que el caucho natural ya que el grupo metilo unido al doble enlace en el caucho natural se pierde en el mero de butadieno. La presencia del estireno en el copolímero produce un caucho natural se pierde en el mero de butadieno. La presencia del estireno en el copolímero produce un caucho más duro y fuerte.

    6.3 Cauchos de nitrilo.

    Los cauchos de nitrilo son copolímeros de butadieno y acrilonitrilo con unas proporciones del 55 al 82% de butadieno y del 45 al 18% de acrilonitrilo. Los cauchos de nitrilo son más caros que los cauchos ordinarios, de forma que estos copolímeros se limitan a aplicaciones especiales como mangueras de combustible y juntas de culatas, donde se necesita gran resistencia a los aceites y a los disolventes.

    Neopreno (TPUE). Las piezas hechas de TPUEs para aplicaciones industriales son extrusionadas o moldeadas por inyección. Aplicaciones típicas incluyen cintas transportadoras para procesado industrial y de alimentos, mangueras de agua y tuberías para combustible, cubiertas de cable, ruedas industriales, y pequeños aparatos. Las aplicaciones típicas en automóviles incluyen guardabarros, cajas y juntas de culata.

    La resistencia a la tensión máxima de los TPUEs varía de 3,70 a 9 ksi (25,5 a 62,0 Mpa). El módulo de tensión a elongaciones del 300% varía de 1,1 a 4,9 ksi (76 a 62,0 Mpa) y la máxima elongación va desde el 225 a 650%.

    7.DEFORMACIÓN Y ENDURECIMIENTO DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS.

    7.1 Mecanismos de deformación de los termoplásticos.

    La deformación de los materiales termoplásticos puede ser esencialmente elástica, plástica o una combinación de ambos tipos. Por debajo de sus temperaturas de transición vítrea, los termoplásticos se deforman esencialmente por deformación elástica, como se indica por las gráficas tensión-deformación a -40 y 68º C para el polimetacrilato de metilo de la fig. Por debajo de sus temperaturas de transición vítrea los termoplásticos se deforman esencialmente por deformación plástica, como se indica por las gráficas tensión-deformación a 122 y 140º C. Por ello, los termoplásticos pasan por una transición frágil-dúctil al ser calentados y pasar por sus temperaturas de transición.

    7.2 Endurecimiento de los termoplásticos.

    7.2.1 Endurecimiento debido a la masa molecular promedio de las cadenas del polímero.

    La resistencia de un material termoplástico es directamente dependiente de su masa molecular promedio puesto que la polimerización hasta un cierto rango de masa molecular es necesaria para producir un sólido estable. Este método no es normalmente utilizado para controlar las propiedades de resistencia puesto que en la mayoría de los casos después de alcanzar un valor crítico de la masa molecular, un aumento en la masa molecular promedio de un material termoplástico no incrementa grandemente su resistencia.

    7.2.2 Endurecimiento por aumento del grado de cristalinidad en un material termoplástico.

    La cantidad de cristalinidad de un termoplástico puede afectar grandemente a su resistencia a la tensión. Al aumentar el grado de cristalinidad de un termoplástico aumenta la resistencia, módulo de tensión y módulo de elasticidad y densidad del material.

    7.2.3 Endurecimiento de los termoplásticos mediante la introducción de grupos atómicos como ramificaciones en las cadenas principales de carbono.

    El deslizamiento de la cadena durante da deformación permanente de los termoplásticos puede hacerse más difícil mediante la introducción de grupos laterales voluminosos. Este método de endurecimiento de los termoplásticos es utilizado, por ejemplo, en el polipropileno y el poliestireno. El módulo de tensión, que es una medida de la rigidez de un material, se incrementa de 0,6 - 1,5 x 10E5 psi para el polietileno de alta densidad a 1.5 - 2,2 x 10E5 psi para el polipropileno, que tiene grupos metilo como ramificaciones en la cadena principal de carbono.

    7.2.4 Endurecimiento de los termoplásticos mediante el enlace de átomos altamente polares en la cadena principal de carbono.

    Puede obtenerse un considerable incremento de la resistencia del polietileno mediante la introducción de un átomo de cloro sobre cada átomo de carbono de la cadena para generar policloruro de vinilo. En este caso, el gran átomo de cloro, altamente polar, aumenta grandemente las fuerzas de enlace molecular entre las cadenas de polímero. El policloruro de vinilo rígido tiene una resistencia a la tensión de 6 a 11 ksi, que es considerablemente mayor que los 2,5 a 5 ksi del polietileno.

    7.2.5 Endurecimiento de los termoplásticos mediante la introducción de átomos de oxígeno y carbono en la cadena principal de carbono.

    Introduciendo un enlace de éter en la cadena principal de carbono aumenta la rigidez de los termoplásticos, como en el caso del polioximetileno (Acetal). La resistencia a la tensión de este material es de 9 a 10 ksi, que es considerablemente mayor que los 2,5 a 5,5 ksi de resistencia del polietileno de alta densidad. Los átomos de oxígeno en las cadenas principales de carbono también aumentan el enlace dipolar permanente entre las cadenas de polímero.

    Mediante la introducción de un nitrógeno en las cadenas principales de los termoplásticos, las fuerzas dipolares permanentes entre las cadenas poliméricas, aumentan grandemente debido al enlace de hidrógeno. La relativamente alta resistencia a la tensión del nylon 6,6, que varía de 8 a 12 ksi es resultado del enlace de hidrógeno entre las uniones amida y las cadenas poliméricas.

    7.2.6 Endurecimiento de los termoplásticos por la adición de fibras de vidrio.

    Algunos termoplásticos se refuerzan con fibras de vidrio. El contenido de vidrio de la mayoría de los termoplásticos reforzados con vidrio varía de un 20 a un 40% en peso. El contenido de vidrio óptimo es un compromiso entre la resistencia deseada, el costo total y la facilidad del procesado. Termoplásticos comúnmente endurecidos con fibras de vidrio son por ejemplo nylons, policarbonatos, óxidos de polifenileno, polipropileno. Por ejemplo, la resistencia a la tensión del nylon 6,6 puede aumentar de 12 a 30 ksi con un contenido en fibra de vidrio de 40%, pero su elongación se reduce de un 60 a un 2,5% por la adición de la fibra de vidrio.

    7.3 Endurecimiento de los plásticos termoestables.

    Los plásticos termoestables sin refuerzos se ven endurecidos por la generación de una red de enlaces covalentes en toda la estructura del material, la red covalente se produce por reacción química con el material termoestable después de la colada o durante el prensado bajo calor, y presión. Por ejemplo, la resistencia a la tensión de la resina fenólica moldeada es de unos 9 ksi, de los poliésteres de unos 10 ksi, y de la resina epoxy es de unos 12 ksi. Todos estos materiales tienen baja ductilidad debido a su estructura reticular de enlaces covalentes.

    8. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA DISEÑOS USANDO MATERIALES PLÁSTICOS.

    El uso de plásticos en diseños ha seguido la tendencia general hacia el uso de más materiales plásticos. La pieza de plástico debe funcionar por sí misma a ajustar en un montaje. El material plástico debe tener las propiedades requeridas para el correspondiente diseño.

    Hay en la actualidad muchas aplicaciones en las cuales se utilizan los materiales plásticos.

  • La habilidad para reducir el número de piezas en el diseño.

  • Resistencia química a diferentes ambientes.

  • Propiedades de aislante eléctrico.

  • Ligereza.

  • Facilidad de procesado.

  • Suficiente resistencia, rigidez y dureza.

  • Transparencia.

  • Bajo coeficiente de fricción.

  • Posibilidad de coloreado y plateado.

  • Habilidad de evitar la humedad en los envases.

  • Estabilidad dimensional.

  • Etc.

  • Los materiales plásticos compiten favorablemente en muchos diseños respecto al coste. Algunas veces es una combinación del costo del material y su coste de fabricación en un producto acabado de que desequilibra la balanza a favor del uso del plástico en un diseño.

    RESUMEN.

    Los plásticos y los elastómeros son importantes materiales, principalmente por su amplio rango de propiedades, relativas a la facilidad de moldeado en la forma deseada y su relativo bajo costo. Los materiales plásticos pueden dividirse en dos clases: termoplásticos y plásticos termoestables. Los termoplásticos necesitan calor para poder darles forma y después de enfriarse, retienen la forma en la que fueron modelados. Estos materiales pueden recalentarse y reutilizarse repetidamente. Los plásticos termoestables se configuran usualmente en una forma permanente por medio del calor y la presión durante los cuales tiene lugar una reacción química que enlaza los átomos entre sí para formar un sólido rígido. Sin embargo, algunas reacciones termoestables no pueden refundirse después de que “curen” y al calentarlos a altas temperaturas se degradan o descomponen.

    Los productos químicos requeridos para la producción de plásticos se derivan principalmente del petróleo, gas natural y carbono. Los materiales plásticos se producen por la polimerización de pequeñas moléculas, llamadas monómeros, en moléculas muy largas denominadas polímeros. Los termoplásticos están compuestos de largas cadenas moleculares de polímeros con fuerzas dipolares permanentes secundarias de enlace entre cadenas. Los plásticos termoestables tienen fuertes enlaces covalentes entre todos los átomos.

    Los métodos más comunes utilizados para el conformado de los termoplásticos son el moldeo por inyección, extrusión y el moldeo por soplado, mientras que los métodos más comúnmente utilizados para los plásticos termoestables son la compresión y el moldeo por transferencia.

    Los elastómeros o cauchos son una gran subdivisión de los materiales poliméricos y son de gran importancia. El caucho natural se obtiene del árbol y todavía tiene una gran demanda (cerca del 30% del abastecimiento mundial) por sus propiedades elásticas superiores. Los cauchos sintéticos representan cerca del 70% del abastecimiento mundial, siendo el estireno-butadieno el más comúnmente utilizado.

    Los termoplásticos tienen una temperatura de transición vítrea por encima de la cual estos materiales se comportan como sólidos viscosos o elásticos y por debajo de la cual se comportan como sólidos frágiles, vítreos. Los termoplásticos utilizados por encima de la temperatura de transición vítrea pueden endurecerse por fuerzas de enlace molecular mediante el uso de átomos o grupos atómicos sustituyentes en la cadena carbonada principal, como el cloro en el policloruro de vinilo, o por el enlace de hidrógeno en el caso de los nylons.

    DEFINICIONES

    Termoplástico (nombre). Material plástico que requiere calor para poder darle forma y que después de enfriarlo mantiene su forma. Los termoplásticos están compuestos de cadenas de polímeros con enlaces entre cadenas del tipo de enlaces secundarios entre dipolos. Los termoplásticos pueden reblandecerse repetidamente cuando se calientan y endurecen cuando se enfrían. Termoplásticos típicos son polietilenos, vinilos, acrílicos, celulósicos y nylons.

    Plástico termoestable. Material plástico que experimenta una reacción química por la acción del calor, catalizadores, etc., generando una estructura macromolecular reticular entrecruzada. Los plásticos termoestables no pueden volverse a fundir y procesar puesto que cuando se calientan se degradan y se descomponen. Los plásticos termoestables típicos son fenólicos, poliésteres insaturados y epoxis.

    Monómero. Compuesto molecular simple que puede unirse de forma covalente con otros para formar cadenas moleculares largas (polímeros). Ej. El etileno.

    Cadena polimérica. Un compuesto de gran masa molecular cuya estructura consiste en un gran número de pequeñas unidades que se repiten, denominadas meros. Los átomos de carbono son los átomos mayoritarios en las cadenas principales en la mayoría de los polímeros.

    Mero. Unidad que se repite en la cadena polimérica de la molécula.

    Polimerización. Reacción química por la cual se forman moléculas de gran masa molecular a partir de monómeros.

    Copolimerización. Reacción química en la cual se forman moléculas de gran masa molecular a partir de dos o más tipos de monómeros.

    Polimerización en cadena. El mecanismo de polimerización por el cual cada molécula polimérica aumenta su tamaño rápidamente una vez que el crecimiento ha comenzado. Este tipo de reacción ocurre en tres pasos. Iniciación de la cadena, propagación de la cadena y terminación de la cadena. El nombre implica una reacción en cadena y se inicia usualmente por medio de alguna fuente externa. Ej. La cadena de polimerización del etileno en polietileno.

    Grado de polimerización. Masa molecular de una cadena polimérica dividido por la masa molecular de su mero.

    Funcionalidad. Número de localizaciones con un enlace activo en un monómero. Si el monómero tiene dos posiciones activas se dice que es bifuncional.

    Homopolímero. Un polímero consistente en un solo tipo de unidades de monómeros.

    Copolímeros. Cadena polimérica consistente en dos o más tipos de unidades de monómeros.

    Entrecruzamiento. Formación de enlaces primarios de valencia entre moléculas de cadenas poliméricas. Cuando ocurre un entrecruzamiento extensivo como en el caso de las resinas termoestables, el entrecruzamiento genera una supermolécula con todos los átomos.

    Polimerización por etapas. Mecanismo de polimerización por el cual el crecimiento de la molécula del polímero sucede por una reacción intermolecular en etapas. Sólo está involucrado un tipo de reacción. Las unidades de monómero pueden reaccionar entre sí o con cualquier molécula polimérica de cualquier tamaño. Se asume que los grupos activos de los extremos de un monómero o cadena polimérica tienen la misma reactividad sin importar la longitud del polímero. Frecuentemente se condensa algún subproducto como el agua en el proceso de polimerización. Ej. La polimerización del nylon 6,6 a partir del ácido adípico a la hexametilendiamina.

    Polimerización en masa. Polimerización directa de monómeros líquidos en un polímero en una reacción en la cual el polímero permanece soluble en su propio monómero.

    Polimerización en solución. En este proceso se utiliza un solvente el cual disuelve al monómero, al polímero y al iniciador de la polimerización. Diluyendo el monómero con el solvente se reduce la velocidad de polimerización y el calor liberado por la reacción de polimerización es absorbido por el disolvente.

    Polimerización en suspensión. En este proceso se utiliza agua como medio de la reacción y el monómero es dispersado más que disuelto en el medio. El polímero se obtiene en forma de pequeñas perlas que son filtradas, lavadas y secadas para formar polvo para el moldeado.

    Moldeo por inyección. Proceso de moldeo por el cual un material plástico reblandecido por el calor es forzado por un tornillo de vuelta cilíndrico a entrar en una cavidad de moldeo relativamente fría donde se da al plástico la forma deseada.

    Moldeo por soplado. Método de fabricación de plásticos en el cual un tubo hueco es forzado a la forma interior de la cavidad del molde por presión interior de aire.

    Extrusión. El material plástico reblandecido pasa a través de un orificio, produciendo un producto continuo. Ej. El tubo de plástico extrusionado.

    Moldeo por compresión. Un proceso de moldeado de plásticos termoestables en el cual el compuesto a moldear es situado en primer lugar en la cavidad del molde. Se cierra el molde uy se aplica calor y presión hasta que se cura el material.

    Moldeo por transferencia. Proceso de moldeado de plásticos termoestables en el cual el material a moldear es primeramente reblandecido por el calor en una cámara de transferencia y después es forzado por medio de lata presión a una o más cavidades del molde para un curado final.

    Relleno. Sustancia inerte de bajo costo añadida a los plásticos para hacerlos menos costosos. Pueden utilizarse también los rellenos para mejorar algunas propiedades físicas como la resistencia a la tensión, resistencia al impacto, dureza, resistencia al desgaste, etc.

    Elastómero. Material que a temperatura ambiente se alarga bajo una pequeña tensión al menos dos veces su longitud y vuelve rápidamente a casi su longitud original al eliminar la tensión.

    Vulcanización. Reacción química que causa el cruzamiento de las cadenas poliméricas. La vulcanización generalmente se refiere al entrecruzamiento de las cadenas moleculares de caucho con el azufre, pero la palabra puede también utilizarse para otras reacciones de entrecruzamiento de polímero como las que ocurren en los cauchos de silicona.

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    LOS POLÍMEROS