Explicación de los materiales y sus usos correctos PDF

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Informe sobre polimeros sus usos en la industria y caracteristicas, como es su proceso de produccion y su elaboracion hasta plastico...

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TEMA: POLIMEROS

Integrantes Fabio Mateo Lopez Guzman Docente: Ing. Juan Carlos Loza Materia: Ciencia de los materiales Año: 2020

Santa Cruz de la Sierra, Bolivia

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Contenido 1.Introducción..........................................................................................................................3 1.1.Objetivo……………………………………………………………………………………………………………………………3 2.Historia de los polímeros...................................................................................................4 3.Definición de material de polímero..................................................................................5 4.Estructura de los polímeros..............................................................................................5 5.Propiedades de los polímeros..........................................................................................6 5.1Constitución....................................................................................................................6 5.2Configuración.................................................................................................................7 5.3Conformacion.................................................................................................................7 5.4Aditivos............................................................................................................................7 6.Clasificación de los polímeros.........................................................................................8 7.Procesos de fabricación....................................................................................................9 8.Aplicaciones........................................................................................................................11 9.Aplicaciones en la nanotecnología................................................................................15 10.Conclusiones....................................................................................................................16 Bibliografía.................................................................................................................................17

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1.Introducción La palabra polímero viene de la raiz griega “poli”, que significa muchos y “meros” que significa unidades o partes. Estos materiales, llamados comúnmente plásticos, son cadenas enlazadas de unidades repetidas con enlaces covalentes de extremo a extremo. Existen diversos tipos de polímeros, cada uno con propiedades y usos distintos que se especificaran a lo largo del presente trabajo. Los polímeros son muy usados en la actualidad debido a sus bajos costos y gracias a sus diversas propiedades, tanto así que estan empezando a reemplazar, en algunos aspectos, a los metales y cerámicos. A lo largo, estudiaremos su estructura, sus propiedades, los diversos tipos que hay, sus diversas aplicaciones y su fabricación.

1.1 Objetivo Describir las características y usos de diferentes grados y niveles que tiene los polímeros para el uso o aplicación industrial y la población general, también teniendo en cuenta las propiedades físicas y químicas que lo constituye.

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2.Historia de los polímeros Según [ CITATION Gro07 \l 21514 ] los polímeros naturales son la base de algunos de los primeros materiales utilizados, como la madera y las fibras vegetales, el cuero, los tendones animales, la lana, la seda y la celulosa, etc. Se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia, aunque se tardó mucho en saber su composición y la forma de sintetizarlos artificialmente. La noción de macromolécula se presentó tardíamente en la historia de la química. Aunque presagiada por Wilhelm Eduard Weber, e incluso por Henri Braconnot a principios del siglo XIX, muchos investigadores las veían como agregados o micelas. El término «polímero» se utilizó por primera vez en 1866 por Marcellin Berthelot. Antes de saber gran cosa sobre ellos, comenzaron a aparecer a mediados del siglo XIX los primeros polímeros sintéticos obtenidos a partir de la modificación de los polímeros naturales con el fin de mejorar sus propiedades físicas para poder usarlos. La historia de los polímeros fue el descubrimiento hecho por Charles Goodyear de la vulcanización del caucho, en 1839. En 1851, su hermano Nelson patentó el caucho duro, denominado ebonita, que en realidad es un polímero termofijo. Se utilizó durante muchos años para peines, carcasas de baterías y prótesis dentales. En 1862, en la International Exhibition de Londres, el químico inglés Alexander Parkes demostró las posibilidades de los primeros termoplásticos, una forma del nitrato de celulosa (la celulosa es un polímero natural de la madera y el algodón). Lo denominó parkesina y lo describió como un sustituto del marfil y del caparazón de las tortugas. El material adquirió importancia comercial debido a los esfuerzos del estadounidense John Hyatt, quien combinó nitrato de celulosa y alcanfor (que actúa como un plastificador) junto con calor y presión para formar el producto llamado celuloide. Su patente se emitió en 1870. El plástico celuloide era transparente, y las aplicaciones que se inventaron en forma posterior incluían la película fotográfica y la cinematográfica, así como parabrisas para carruajes y para los primeros automóviles. Hacia finales del siglo se crearon varios productos con base en la celulosa. Alrededor de 1890 se produjeron por vez primera las fibras de celulosa, llamadas rayón. La película para envolver, el celofán, se comercializó alrededor de 1910. El acetato de celulosa se adoptó como la base de la película fotográfica por la misma época. Durante las décadas que siguieron, este material llegó a ser un termoplástico importante para el moldeo por inyección. A principios de 1900, el químico estadounidense, nacido en Bélgica, L. H. Baekeland, inventó el primer plástico sintético. Involucraba la reacción y polimerización del fenol y el formaldehído para formar lo que su inventor denominó bakelita. Esta resina termofija es de importancia comercial aún hoy día. Le siguieron otros polímeros similares: en 1918 la urea-formaldehído, y en 1939 la melamina-formaldehído. El fin de la década de 1920 y la de 1930 vieron el desarrollo de cierto número de termoplásticos que hoy son de gran importancia. En 1912, I. Ostromislensky patentó el cloruro de polivinilo, pero no se comercializó hasta 1927 como recubrimiento de paredes. Por la misma época, en Alemania se produjo el poliestireno. En Inglaterra, en 1932 se comenzó a hacer la investigación básica que condujo a la síntesis del polietileno; la primera planta de producción empezó a operar justo antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial y era para hacer polietileno de baja densidad. Por último, en 1928 se inició un programa importante de investigación, bajo la dirección de W. Carothers, de DuPont de los Estados Unidos, el cual llevó a la síntesis de la poliamida nylon; se comercializó a finales de la década de 1930. Su uso inicial era en la corsetería para damas; sus aplicaciones posteriores durante la guerra incluían cojinetes de baja fricción y aislamiento de alambres. Esfuerzos parecidos llevados a cabo en 1939 en Alemania 4

dieron una forma alternativa de nylon. En la década de 1940 se crearon varios polímeros importantes de propósito especial: en 1943, los fluorocarburos (teflón), las siliconas y los poliuretanos; las resinas epóxicas se obtuvieron en 1947, y en 1948 el copolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). En 1950 llegaron las fibras de poliéster, y en 1957 el polipropileno, el policarbonato y el polietileno de alta densidad. En la década de 1960 se crearon los elastómeros termoplásticos. Los años posteriores vieron un crecimiento muy grande del uso de los plásticos.

3.Definición de material de polímero Según [ CITATION New09 \l 21514 ] la palabra polímero viene de la raíz griega “poli”, que significa muchos, y “meros”, que significa unidades o partes. Los polímeros son cadenas enlazadas de unidades repetidas con enlaces covalentes de extremo a extremo. Los bloques de construcción que se repiten en la cadena se llaman monómeros. Conforme los monómeros empiezan a conectarse entre sí para formar cadenas, se convierten en oligómeros. Conforme más monómeros se agregan a la cadena oligómera, ésta crece y al final se convierte en un polímero con la adición de una unidad más de monómero que no tendrá un efecto discernible en las propiedades de la cadena.

4.Estructura de los polímeros Según [CITATION Jua \l 21514 ] en la estructura se dividen en cuatro: Los polímeros lineales son macromoléculas que contienen una gran cantidad de unidades repetitivas o monómeros que se unen entre sí formando una estructura lineal recta Los polímeros ramificados son macromoléculas se sintetiza polímeros cuya cadena principal está conectada lateralmente con otras cadenas secundarias en otras palabras son ramificadas. Los polímeros entrecruzados son cadenas lineales adyacentes se unen transversalmente en varias posiciones mediante enlaces covalentes, así como se incorporan átomos o moléculas a la cadena. Muchos de los materiales elastómeros de caucho están entrecruzados. Los polímeros reticulados las unidades monomericas trifuncionales que tienen tres enlaces covalentes activos implica la formación de una red tridimensional formada por la unión de las diferentes cadenas poliméricas.

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5.Propiedades de los polímeros  Comparten, normalmente, con los metales la propiedad mecánica de la ductilidad  A diferencia de los cerámicos frágiles, los polímeros son a menudo una alternativa de bajo coste o de baja densidad frente a los metales en aplicaciones estructurales  Menor resistencia en comparación con los metales  Menor temperatura de fusión y mayor reactividad química que los cerámicos y vidrios  Son aislantes eléctricos  Son aislantes térmicos  Producción industrial económica  Impermeabilidad  En términos genéricos, los polímeros no se ven afectados por el agua ni por ácidos o bases inorgánicas, por lo que tienen una notable estabilidad química; solamente b s agentes fuertemente oxidantes provocan su degradación  Plasticidad  Facilidad para combinarse con otros materiales  Pueden adoptar diferentes colores Hay algunos aspectos que influyen en las propiedades de los polímeros:

5.1Constitución La constitución incluye todo lo relacionado con los enlaces, incluyendo los enlaces primario y secundario, la ramificación, la formación de redes y los grupos terminales. El enlace primario forma el esqueleto del polímero, incluyendo los grupos laterales, y siempre es covalente. Todos los enlaces deben estar saturados, así que todos los carbonos de la cadena principal deben tener cuatro enlaces, el nitrógeno tres enlaces y el oxígeno dos enlaces. La funcionalidad se refiere al número de diferentes enlaces que una molécula ha formado. Todos los miembros del esqueleto deben tener una funcionalidad de por lo menos 2. El enlace secundario se refiere al enlace entre cadenas poliméricas adyacentes. En la mayoría de los casos el enlace secundario resulta de una combinación de tres fuentes:  Fuerzas de Van der Waals  Atracción dipolar  Enlace de hidrógeno

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Las cadenas deben estar juntas para efectos de enlace secundario a la materia. En promedio, el enlace de hidrógeno (si estuviera presente) suele ser más fuerte que las fuerzas de Van der Waals. Aunque los enlaces primarios son sustancialmente más fuertes que los enlaces secundarios, los enlaces secundarios juegan un rol clave en las propiedades mecánicas de los polímeros. Aunque los enlaces secundarios individuales son débiles, el enlace secundario es una función aditiva del traslape de la cadena. Para mover la cadena todos los enlaces secundarios se deben romper. La naturaleza aditiva de los enlaces secundarios explica el por qué las cadenas de polímeros de alto peso molecular son más fuertes que las cadenas de bajo peso molecular del mismo material. La ramificación, como se explicó en las poliolefinas, involucra a otra cadena de polímeros que toma el lugar de un grupo lateral a lo largo de la cadena principal. El átomo en el cual se conectan las dos cadenas se conoce como punto de ramificación, como se muestra en la figura 5-29. Las ramificaciones son diferentes a los grupos laterales porque son constitucionalmente idénticas a la cadena principal. No hay ninguna forma de distinguir la cadena principal de la ramificación, aunque la cadena más corta generalmente es designada como la ramificación. La presencia de ramificaciones reduce la posibilidad de formar enredamientos y desarrollar enlaces secundarios significativos. Como resultado, los polímeros altamente ramificados son menos fuertes y menos tenaces, pero las ramificaciones hacen que el polímero sea más fácil de derretir, más susceptible a los solventes y más degradable.

5.2Configuración La configuración es el arreglo espacial de los sustituyentes alrededor de la cadena principal de átomos de carbono que sólo puede alterarse al romperse los enlaces. Un átomo de carbono es capaz de configuraciones múltiples si, y sólo si, es asimétrico. Cualquier átomo de carbono con enlaces dobles o sustituyentes repetidos (por ejemplo, dos átomos de hidrógeno) no es asimétrico y no puede tener configuraciones múltiples.

5.3Conformacion La conformación se refiere a la geometría espacial de la cadena principal y los sustituyentes que se puedan cambiar mediante rotación y movimiento de flexión. La conformación es una función de energética molecular. Las fuerzas de atracción (energías de enlace) son favorables y harán que las moléculas quieran estar más cerca una de la otra. Las fuerzas de repulsión son desfavorables y harán que las moléculas se separen.

5.4Aditivos Los polímeros comerciales frecuentemente son mezclados con aditivos para aumentar o alterar propiedades específicas. Los plastificadores, rellenos, agentes colorantes y estabilizadores son los aditivos más comunes y cada tipo sirve para un propósito muy diferente. Los plastificadores son pequeñas moléculas capaces de disolver cadenas de polímeros. Cuando se añaden al polímero en pequeñas cantidades, las moléculas se posicionan entre las cadenas y provocan que el polímero se hinche. Las cadenas se vuelven más capaces de deslizarse después de la otra, y el polímero se vuelve más suave y más flexible. Los plastificadores deberían ser baratos, no tóxicos y no volátiles. Los rellenos son cualquier material añadido a un polímero que no proporciona aumento a las propiedades mecánicas. Los rellenos se añaden para reducir los costos 7

del producto. El material de relleno cuesta menos que el polímero, así es que cualquier mezcla de relleno y polímero que no afecte las propiedades sustancialmente será una opción más económica. Los agentes colorantes cambian la manera en que la luz es absorbida o reflejada por el polímero. Los colorantes se disuelven directamente en el polímero y frecuentemente son moléculas orgánicas. Los polímeros con color pueden ser claros o traslúcidos. Al contrario, los pigmentos no se disuelven en el polímero y hacen al producto opaco. Los estabilizadores son materiales añadidos a los polímeros para mejorar su resistencia al calor y la luz. El calor o la luz ultravioleta provocan que algunos enlaces se rompan. Como resultado, el polímero pierde fuerza, se vuelve más frágil y con frecuencia se decolora.

6.Clasificación de los polímeros 1. Según su origen:  Polímeros naturales o biopolímeros: como indica su nombre, son los que se encuentran en la naturaleza.  Polímeros semisintéticos: Se obtienen por transformación de polímeros naturales.  Polímeros sintéticos: Se obtienen industrialmente. 2. Según su composición:  Homopolímeros: Formados a partir de un solo tipo de monómero  Hetero polímeros: Formados por dos o más monómeros distintos. 3.   

Según su estructura: Lineales: Formados por monómeros difuncionales. Ramificados: Formados por monómeros trifuncionales. Entrecruzados: Cadenas lineales adyacentes unidas linealmente con enlace covalente.  Reticulados: Con cadenas ramificadas entrelazadas en las tres direcciones del espacio.

4. Según su comportamiento a la temperatura:  Termoplásticos: Los termoplásticos estan formados de cadenas largas que se producen al unir monómeros; por lo general se comportan de una manera plástica y dúctil. Las cadenas pueden o no estar ramificadas. Las cadenas individuales estan entrelazadas. Entre los atomos de cadenas diferentes existen enlaces de van der Waals relativamente débiles. Esto es algo similar a cuando unos cuantos arboles estan agrupados. Los arboles pueden o no tener ramas, cada uno de ellos es independiente y no esta conectado a ningun otro. En los termoplásticos las cadenas se pueden desenlazar mediante la aplicación de un esfuerzo de tensión. Pueden ser amorfos o cristalinos. Al calentarse, se ablandan y funden. Se procesan en ciertas formas calentándolos a temperaturas elevadas. Se pueden reciclar facilmente.  Termoestables: Estan constituidos por cadenas largas, lineales o ramificadas, de moleculas que estan fuertemente unidas por enlaces cruzados, entrelazados, para formar estructuras de red tridimensionales. Los polímeros de red o termoestables se parecen a un manojo de hilos que estan tejidos entre si en varios sitios y no solo enmarañados. Cada hilo puede tener otros hilos 8

laterales unidos a él. Son por lo general más fuertes, pero más frágiles que los termoplásticos. Los termoestables no se funden al calentarlos, sino que se van descomponiendo. No pueden ser procesados una vez que ya haya ocurrido la reaccion de enlaces cruzados y, por lo tanto, el reciclaje es difícil.  Elastómeros: Se conocen como cauchos. Tiene una deformación elástica mayor a 200%. Es posible que se trate de termoplásticos o termoestables ligeramente entrelazados. Las cadenas poliméricas tienen formas de moleculas en espiral que pueden estirarse de manera reversible al aplicárseles una fuerza.  Elastómeros termoplásticos: son un grupo especial de polímeros; tienen la facilidad de procesamiento de los termoplásticos y el comportamiento elástico de los elastómeros

5. Según la reacción de polimerización:  Por reacción de cadena: En su reacción no se produce la liberación de compuestos de masa molecular baja. Se lleva a cabo la polimerización en este tipo de polímeros, cuando está presente un catalizador, que provoca la unión de un polímero detrás del otro, hasta el final de la reacción. Es decir, un polímero de adición se forma cuando tiene un catalizador y también una temperatura favorable para su formación.  Por crecimiento en pasos: Se produce por reacción entre dos monómeros diferentes, cada uno de ellos con dos grupos funcionales, uno en cada extremo de la molécula. La unión entre los monómeros supone la eliminación de una molécula pequeña, normalmente agua. La reacción transcurre en varias etapas, y los polímeros que se forman son más pequeños que los de adición.

7.Procesos de fabricación Existen varios métodos para producir formas de polímeros, incluyendo el moldeo, la extrusión y la manufactura de películas o fibras. Las técnicas utilizadas para conformar polímeros dependen en gran naturaleza del polímero mismo, en particular si se trata de un termoplástico o termoestable. En la conformación de polímeros termoplásticos se utilizan casi todas las técnicas. El polímero se calienta hasta casi el punto de fusión, o por encima de esta a fin de que se torne ahulado o liquido; entonces es pasado a un molde o matriz para darle forma. Los elastómeros termoplásticos pueden procesarse de la misma forma. En estos procesos se puede reciclar los desechos con facilidad y se minimizan los desperdicios. En los polímeros termoestables se utilizan menos técnicas de procesamiento, dado que, una vez se presentan los enlaces cruzados, los polímeros termoestables ya no se pueden conformar. Los elastómeros se procesan en equipos de mezclado que promueva la acción cortante de los agentes. Se agregan negros de carbón y otros aditivos. A continuación, se explican distintos procesos de fabricación:  Extrusión: esta ...