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Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales Tecnología de Polímeros II Semestre 2015 _________________________________________________________________________________

Densidad de los Polímeros Jorge Andrey Bartels G. - 2013036134 | Nathalie Campos Valverde. 2013019876| Fiorella Gutiérrez Meza. 2013041129 | Catalina Madriz Masís 201237440 _________________________________________________________________________________

Resumen: Se realizó la prueba de medición de densidad de tres polímeros distintos, los cuales fueron polietileno de baja densidad, resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio y un polímero incógnita, mediante la técnica descrita en el ASTM D792 - 13 (método A). Para el procedimiento se realizaron tres mediciones de masa en el aire y en el agua para cada uno de los polímeros mencionados. Se obtuvo una densidad para el LDPE de 0,914 g/cm 3 cuando la densidad esperada según el rango teórico debía encontrarse entre (0,91 - 0,93) g/cm3; para la resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio se obtuvo un valor de 1,8333 g/cm3, cuyo intervalo permitido para valores de densidad según la teoría se encuentra entre (1,8 - 2,3) g/cm 3. Y para el polímero incógnita se obtuvo un resultado de 0,9500 g/cm3 lo que revela que se trata de HDPE pues su rango es de (0.94 - 0.97) g/cm 3. Los resultados obtenidos muestran que la técnica funciona como caracterización de materiales e identificación de estos. _________________________________________________________________________ Palabras claves: Densidad de polímeros por deslizamiento, densidad del polietileno, densidad de resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio, masa en el aire, masa en el agua. _________________________________________________________________________ Abstract: The main objective of this study is how to determine the density of three different polymers: LDPE, polyester with fiberglass and an incognito by using ASTM D792 - 13 method A procedure. The highlight of this analysis was a density of 0,914 g/cm 3 ,and the theoretical value for this polymer is (0,91 - 0,93) g/cm3; polyester with fiberglass density was of 1,8333 g/cm3 ,and the theoretical value was of (1,8 - 2,3) g/cm 3. The incognito density was of 0, 9500 g/cm3 therefore it concluded that the incognito polymer was HDPE. _________________________________________________________________________ Key words: Density, LDPE density, Archimedes principle, polyester with fiberglass density, mass difference.

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz Introducción: Para medir la densidad del polietileno de baja densidad, resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio y un polímero incógnita,

bajo

el

Principio

de

Arquímedes, es necesario definir ciertos conceptos como es el de densidad. La densidad es una propiedad física, que en los polímeros depende de la estructura molecular del mismo. Esta es la cantidad de masa por unidad de volumen, medido en gramos por centímetro cúbico. ρ= m V El rango de densidades de los plásticos

Figura 1. Densidades de polímeros.

0.9 hasta 2.3 g/cm3. Entre los plásticos de

En cuanto a la determinación de densidad por el principio de Arquímedes está dado por: “Todo cuerpo sumergido en el seno de un

mayor consumo se encuentran el PE y el

fluido,

PP, ambos

(empuje) cuyo valor es igual al peso del

es relativamente bajo y se extiende desde

materiales

con

densidad

sufre

una

fuerza

ascendente

inferior a la del agua. La densidad de

fluido desalojado por el cuerpo.”

otros materiales a los que los plásticos

Este principio se basa en la tercera ley de

sustituyen en algunas aplicaciones es

Newton (acción y reacción), ya que se

varias veces mayor, como es el caso del

puede

aluminio o del acero. Esta densidad tan

reacciona sobre el agua, con una fuerza

baja se debe fundamentalmente a dos

idéntica y en sentido contrario. Es decir,

motivos; por un lado los átomos que

este

componen

ligeros

sumergido en un fluido experimenta un

(básicamente C y H, y en algunos casos

empuje vertical y hacia arriba igual al

además O, N o halógenos), y por otro, las

peso de fluido desalojado.

distancias medias entre átomos dentro de

La

los plásticos son relativamente grandes.

Arquímedes consta de dos partes:

los

plásticos

son

Una densidad tan baja permite que los plásticos

sean

materiales

fáciles

de

manejar y por otra parte, supone una gran

determinar

principio

explicación

como

afirma

del

un

todo

cuerpo

cuerpo

principio

de

1. El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

ventaja en el diseño de piezas en las que

2. La sustitución de dicha porción de

el peso es una limitación. Esto se puede

fluido por un cuerpo sólido de la

observar en la siguiente figura.

misma forma y dimensiones. 2

Tecnología de Polímeros CM4305

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje. Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto. En los casos más simples, se debe suponer que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa del cuerpo Figura 2. Principio de Arquímedes. Dado que hay una parte de fluido que se encuentra

en

equilibrio,

las

con el centro de empuje, como lo muestra la siguiente figura.

fuerzas

resultantes debido a la presión ejercida, deben ser anuladas por el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante se le denomina

empuje

y

su

punto

de

aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.

Figura 3. Principio de Arquímedes de un

De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple

Materiales y Método:

Empuje = peso

El laboratorio de densidad de polímeros

El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido, por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.

sólido de la misma forma y dimensiones, se debe sustituir la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la no

cambian,

por

se efectúo en el Laboratorio de la industria del Plástico del Instituto Nacional de Aprendizaje (INA), Instituto Nacional de Aprendizaje

Para la sustitución de fluido por un cuerpo

presión

cuerpo sólido.

tanto,

su

resultante la fuerza de empuje, es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje.

sede

Central,

Uruca,San

José, Costa Rica. Para la realización de esta práctica se utilizaron diferentes polímeros para determinar su densidad, para la cual se tomaron tres diferentes polímeros: Polietileno de baja densidad, resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio y polietileno de alta densidad, de los cuales se tomaron tres muestras

de

cada

uno

los

cuales

Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el 3 Tecnología de Polímeros CM4305

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz sometieron a la prueba de densidad de

encuentra en el agua, dependiendo si su

arquímedes.

densidad es menor o mayor a la del agua

I.

respectivamente, para medir la masa en

Materiales

este solvente. Y esto se registra como

a. Preparación de muestra -

Guantes

masa en el agua.

-

Tijeras

Se midió la masa en el aire y en el agua

-

Polímeros

de cada muestra de polímero tres veces,

b. Verificación de densidad -

para calcular el promedio y la desviación estándar entre los datos. De acuerdo a los

Beaker con agua

valores de masa en cada medio y la

c. Densidad -

Balanza para medir densidad

se utilizó la siguiente ecuación para

- Agua destilada

calcular las densidades correspondientes

- Termómetro

de los polímeros en estudio.

II. Método Para determinar la densidad se tomaron tres muestras y una sería usada como incógnita para su identificación polímeros

densidad del agua medida con antelación

diferentes

con

los

D=

Maire❑ (Maire − Magua )∗Dagua

(1)

de cuales

primero se comprobó si poseían una densidad mayor o menor a la del agua, para ello las muestras se sumergieron en este líquido dentro de un Beaker, una vez determinado si la muestra flota o se hunde se procede a la prueba de densidad y para realizarla se siguió el procedimiento descrito en la norma ASTM D792-13 método A. De acuerdo con la norma primeramente se midió la temperatura del agua con el termómetro que ya posee el mecanismo, luego se colocó la muestra del polímero sobre la balanza, es decir la muestra en el aire, el dato que se obtuvo se registró como masa en el aire. Posteriormente se colocó el polímero en la parte ya sea inferior o superior del mecanismo que se 4 Tecnología de Polímeros CM4305

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz

Resultados: Al realizar el experimento de medición de densidades de diferentes polímeros mediante el método descrito en la norma ASTM D972-13, en el laboratorio de química del Instituto Nacional de aprendizaje (INA), se obtuvieron los resultados que se observan en las siguientes tablas. La tabla 1 presenta las mediciones de masa tanto en el aire como en el agua de la muestra de polietileno así como su respectivo promedio y desviación estándar. Las mediciones se realizaron a una temperatura de 23°C y una densidad del agua de 1,002 g/cm3. Muestra LDPE

Masa en el aire (±0,001)g

Masa en el agua (±0,001) g

Prueba 1

0,431

-0,038

Prueba 2

0,431

-0,036

Prueba 3

0,433

-0,040

Promedio

0,432

-0,114

Desviación

0,001

0,002

Muestra de Masa en el aire resina de (±0,001) g poliéster y epoxi con fibra de vidrio

Masa en el agua (±0,001) g

Prueba 1

2,778

1,289

Prueba 2

2,299

1,082

Prueba 3

2,581

1,112

Promedio

2,553

1,161

Desviación

0,241

0,112

Tabla 2. Medición de la masa de la muestra de resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio a 23°C. Fuente: Creación propia. En la tabla 3 se observan las mediciones de masa tanto en el aire como en el agua de la muestra de polietileno de alta densidad así como su respectivo promedio y desviación estándar. Las mediciones se realizaron a una temperatura de 27°C y una densidad del agua de 0,9965 g/cm3.

Tabla 1. Medición de la masa de la muestra de polietileno de baja densidad a 23°C.

Fuente: Creación Propia La siguiente tabla presenta las mediciones de masa tanto en el aire como en el agua de la muestra de resina de poliéster y epoxi cargada con fibra de vidrio así como su respectivo promedio y desviación estándar. Las mediciones se realizaron a una temperatura de 23°C y una densidad del agua de 0,9975 g/cm3. 5 Tecnología de Polímeros CM4305

Muestra Incógnita

Masa en el Masa en el aire agua (±0,001) g (±0,001) g

Prueba 1

0,332

-0,019

Prueba 2

0,349

-0,017

Prueba 3

0,347

-0,016

masa en el agua son positivos esto

Promedio

0,343

-0,017

porque la muestra de resina de poliéster y

Desviación

0,009

0,001

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz resina

debajo

de

la

espira

estos

levantarán la espiral reduciendo la masa, mientras que en la Tabla 2 los valores de

epoxi cargada con fibra de vidrio se hunde en el agua, de manera que la masa de este en el líquido es menor que la masa en el aire y esto se debe al principio de

Tabla 3. Medición de la masa de la muestra incógnita a 27°C. Fuente: Creación propia.

flotabilidad de arquímedes. Un factor importante a destacar es que para polímeros no existe un valor exacto

La tabla 4 muestra los resultados del cálculo de la densidad de las diferentes muestras de polímero, así como el promedio respectivo y la desviación estándar. Las densidades se calcularon mediante la ecuación 1.

de densidad, como si en otros materiales, sino un intervalo ya que existen varios tipos

de

procesamientos

para

la

elaboración de una resina. En la tabla 4 se muestran las diferentes densidades de polímeros las cuales se

Tabla4. Determinación de densidades de diferentes muestras de polímeros

Prom edio (±0,00 1) g/cm3

Desvi ación

0,922 0,91 6 21

0,914 0

0,005

Resin 1,8 a de 610 poliés ter y epoxi fibra de vidrio

1,884 1,75 3 26

1,833 3

0,070

Incóg nita

0,950 0,95 0 30

0,950 0

0,010

Mues tra

Fuente: Creación propia Discusión: Como se mencionó en la metodología primeramente se debe medir y comprobar

Den sid ad 1 (±0, 001 ) g/c m3

Dens idad 2 (±0,0 01) g/cm

Den sida d3 (±0,0 01) g/cm

3

3

0,9 167

si el polímero es más denso que el agua o menos denso, para ello se introduce en el beaker con agua para así determinar si el polímero flotará o no.

En la Tabla 1 y 3 se muestra que la masa en el agua para el polietileno de baja y alta densidad es negativa en todas las mediciones, ya que se demostró que estos polímeros flotaban en el agua, entonces cada vez que se coloca la

Tecnología de Polímeros CM4305

Polieti leno baja densi dad

0,9 430

6

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz determinaron mediante el principio de

solamente

arquímedes de flotabilidad. Se calculó el

industrial.

valor de densidad para el LDPE y el

La prueba de densidad demuestra que no

3

a

nivel

institucional

sino

resultado fue de 0,914 g/cm cuando la

sólo permite determinar cuán pesado es

densidad esperada según el rango teórico

un polímero después del procesamiento

debía encontrarse entre (0.91 - 0.93)

sino también que esta posee validez para

g/cm

3

lo cual indica que el valor de

densidad

que

se

determinó

la

caracterización

de

polímeros

por

ejemplo en un industria donde sólo se

experimentalmente en el laboratorio se

procesan

polietilenos

encuentra entre el rango esperado.

densidades

mediante

En la tabla 4 se observa que la densidad

densidad se puede caracterizar el tipo de

promedio del polímero incógnita

fue

polímero en menos de 10 minutos, es por

0,9500 g/cm , entonces utilizando la figura

ello que la prueba de densidad posee un

1 para la identificación del polímero se

valor muy importante en la industria del

observa

plástico.

3

que

esta

coincide

con

el

de la

varias

prueba

de

polietileno de alta densidad (HDPE), ya

Por otra parte este procedimiento además

que el valor reportado para este polímero

tiene aplicaciones a nivel de control de

se encuentra entre los valores de (0.94 -

calidad de los polímeros, ya que es

0.97) g/cm3 lo cual revela que el resultado

comúnmente utilizado en la industria a fin

experimental se encuentra dentro de este

de

ámbito.

proporcionados en una ficha técnica, de la

Por otra parte la densidad experimental

cual se tenga duda sobre su veracidad.

de la resina de poliéster y epoxi cargada

De este modo puede confirmarse que la

3

confirmar

valores

o

datos

con fibra de vidrio fue de 1,8333 g/cm ,

prueba de densidad proporciona valores

cuyo intervalo permitido para valores de

para caracterizar materiales y conocer si

densidad según la teoría se encuentra

será

3

funcional

para las

aplicaciones

finales que se tengan planeadas.

entre (1,8 - 2,3) g/cm .

Conclusiones: Luego de realizar la prueba de medición

1. Se obtuvo una densidad de 0.914

de la densidad de diferentes polímeros se

g/cm3 a 23 °C para el polietileno

encuentra que la técnica es muy precisa,

de

y

el

densidad esperada según su ficha

los

tecnica era de (0.91 - 0.93) g/cm 3 ,

generados teóricamente. Por lo cual se

por lo cual se puede determinar

convierte en un método confiable de

que la prueba de densidad se

medición

puede utilizar para el control de

los

valores

laboratorio,

encontrados

concuerdan

de

propiedades

las de

en

con

características los

polímeros,

y

baja

densidad

cuando

la

no 7

Tecnología de Polímeros CM4305

A.Bartels, N.Campos, F Gutierres, C.Madriz calidad

de

un

polímero

al

c...