Informe laboratorio 1 - Polimeros PDF

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMA, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PROGRAMA DE MAESTRÍA EN QUÍMICA MENCIÓN QUÍMICA-FÍSICA COHORTE MARZO 2019

Grupo N°2 Almachi Edwin Álvarez Jonathan Cevallos Javier Guayta Janeth| Muyón Carlos Sánchez Hugo

INFORME DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO VIRTUAL N°1

Síntesis de Polímeros Prof. Verónica Carrera, Ph.D.

Fecha de presentación: 12-12-2020

Contenido CONTENIDO.......................................................................................................................... 3 Tema................................................................................................................................... 3 Objetivo.............................................................................................................................. 3 Introducción........................................................................................................................ 3 Metodología........................................................................................................................ 5 Resultados y Discusión....................................................................................................... 8 Conclusiones...................................................................................................................... 9 Bibliografía........................................................................................................................ 12

CONTENIDO 1. Tema

Determinación de la Viscosidad y Pesos Molecular medio del polímero 2. Objetivo

 

Determinar la viscosidad absoluta de soluciones de polímeros de diferentes concentraciones. Calcular el peso molecular promedio de viscosidad de un polímero. 3. Instrucciones

  

Lea con atención las instrucciones de la guía de trabajo. Usar el formato adecuado para la entrega del presente informe. Investigar sobre el tema expuesto en clases. Desarrollar la simulación virtual para determinar la viscosidad y peso molecular medio del polímero. 4. Listado de equipos, materiales y recursos

    

Computador Calculadora Documentos Aula Virtual Hoja de Texto (Word o cualquier otra)

5. Introducción

La Viscosidad: La viscosidad es una propiedad interna de un fluido que ofrece resistencia al flujo. Es causado debido a la fricción interna de las moléculas y está en función de la naturaleza y temperatura del líquido. Existen varios métodos disponibles para calcular la viscosidad de la solución de polímero. El método de Ostwald, método simple en el que la viscosidad de un líquido se mide comparando la viscosidad de un líquido desconocido con la de un líquido cuya viscosidad se conoce. En este método, la viscosidad del líquido se mide comparando los tiempos de flujo de dos líquidos de volúmenes iguales utilizando el mismo viscosímetro. Considere que dos líquidos pasan por un capilar del mismo viscosímetro. Entonces el coeficiente de viscosidad del líquido (η 2) viene dado por la ecuación η1 ρ 2 t 2 η2= ρ1 t 1 Donde: t1 y t2 son los tiempos de flujo de los líquidos, ρ1 y ρ2 son las respectivas densidades. Y η1 es el coeficiente de viscosidad del agua. Para un líquido dado, η tiene un valor específico a la misma temperatura.

Una mezcla de viscosidades de dos líquidos que no interactúan se encuentra entre las viscosidades de esos componentes puros.

El tiempo de flujo del líquido depende de la viscosidad y composición. En este método, los tiempos de flujo se miden para diferentes composiciones conocidas y se traza un gráfico para el tiempo de flujo y las composiciones. La composición desconocida se puede calcular trazando un gráfico para el tiempo de flujo y composiciones. El peso molecular del polímero se mide con un viscosímetro y el peso molecular obtenido por esta técnica se llama peso molecular promedio de viscosidad. El peso molecular de la solución de polímero es muy alto, por lo que la viscosidad de la solución de polímero es muy alta en comparación con la del disolvente puro. De la ecuación de Mark-Houwink, la relación entre el peso molecular y la viscosidad se da a continuación: [ n] =K M α Donde n es la viscosidad intrínseca, M es el peso molecular, y K y para un sistema de polímero solvente particular.

∝ son constantes

Si conocemos los valores K y ∝ para una solución de polímero dada, la viscosidad intrínseca y el peso molecular se pueden calcular utilizando la ecuación anterior. La tabla 5.1, se encuentra los diferentes valores de K y ∝ para cada sistema de polímero-solvente. Tabla 5.1. Valores de K y

∝

Sistema polímero-disolvente PMMA-acetona PMMA-benceno PMMA-tolueno Acetato de polivinilo-acetona Polivinil acetato-benceno Acetato de poliviniloacetonitrilo Alcohol polivinílico-Agua Poliestireno-benceno Poliestireno-tolueno

para cada sistema de polímero solvente

K x 10 3 ml / g 7,7 5,20 7 10,2 56,3

∝ 0,70 0,76 0,71 0,72 0,62

41,5

0,62

45,3 10,6 11,0

0,64 0,735 0,725

Términos relacionados con las mediciones de viscosidad: n t Viscosidad Relativa = n = t =nr 0 0

n−n 0 t−t 0 =nr −1=n sp = t0 n0 nsp =n¿ Viscosidad Reducida = C ln nr =nlnh Viscosidad Inherente = C nsp Viscosidad Reducida = =[ n ] C C→0 Viscosidad específica =

( )

Para calcular la viscosidad intrínseca de la muestra de polímero, se preparan soluciones de concentraciones conocidas, se miden los tiempos de flujo del disolvente ( t 0 ) y las soluciones (t) utilizando un viscosímetro. Los gráficos de extrapolación doble de viscosidad reducida frente a concentración y viscosidad inherente frente a concentración se trazan calculando la viscosidad reducida correspondiente y la viscosidad inherente. La viscosidad intrínseca viene dada por el intercepto de ordenadas común de estos gráficos o por su tendencia de concentración cero.

Figura 1. Viscosidad intrínseca por intercepto de ordenadas.

6. Metodología

1. Primero se selecciona el polímero, en este caso se utiliza el polimetilmetacrilato (PMMA).

2. Seguidamente se debe seleccionar el solvente a utilizar, en este caso se utiliza como solvente benceno.

3. Determinar el tiempo de flujo del solvente, que será el mismo para todas las concentraciones. Este tiempo se determinará desde el punto C hasta el punto D bajando el menisco.

4. Determinar el tiempo de flujo del sistema polímero disolvente para concentraciones de 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 y 0,10 g/dl. Este tiempo se determinará desde el punto C hasta el punto D bajando el menisco.

5. Encontrar los diferentes tiempos que tarda en recorrer el solvente y la solución entre los dos puntos de referencia, en este caso desde el punto C hasta el D para todos los polímeros y solventes.

6. A partir de la concentración y el tiempo de flujo, se calculará la viscosidad inherente y la viscosidad reducida, con las ecuaciones que se muestran a continuación.

7. Realizar un gráfico utilizando como puntos la viscosidad reducida frente a la concentración y la viscosidad inherente frente a la concentración.

8. La viscosidad intrínseca se calculará extrapolando el gráfico a concentración cero. 9. A partir del valor de la viscosidad intrínseca, se determinará el peso molecular medio en viscosidad del polímero utilizando la ecuación.

7. Resultados y Discusión Tabla 7.1. Determinación de la viscosidad reducida y la viscosidad inherente para un sistema PMMA - Benceno

Concentración C (g/dl)

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

Sistema Polímero Solvente (t)

Sistema Solvente (t0)

Tiempo Tiempo (s) (s) 80,26 70,86 90 70,86 104,87 70,86 117,73 70,86 130,41 70,86

t/t0 = nr

nr - 1 = nsp

Viscosidad Reducida

Viscosidad Inherente Ln nr

nsp/C=nred (dl/g) 1,13266 1,27011 1,47996 1,66145 1,84039

0,13266 0,27011 0,47996 0,66145 0,84039

6,63 6,75 7,99 8,26 8,40

0,1245 0,2391 0,3920 0,5076 0,6099

ln nr / C = ninh (dl/g) 6,22 5,972 6,53 6,34 6,09

En la tabla 7.1, se muestra los resultados que se obtuvieron mediante viscosimetría intrínseca aplicando el viscosímetro de Ostwall. Se determinó los tiempos referentes al sistema del polímero solvente que está comprendido entre 80 hasta 130 segundos, esto se debe a que el solvente permite disminuir el tiempo que transcurre del punto C al D del viscosímetro, ya que el polímero se encuentra disuelto en el solvente benceno. Se obtuvieron viscosidades reducidas comprendidas entre 6,63 hasta 8,40 (dl/g) y las viscosidades inherentes de 6,09 hasta 6,22 (dl/g) donde tiene muy poca variación con respecto a su respectiva concentración.

Viscosidad Inherente/Reducida (dl/g)

Viscosidad vs Concentración 9 f(x) = 25.31 x + 6.09 R² = 0.88

8 7 6

Viscosidad Inherente Linear (Viscosidad Inherente) Viscosidad Reducida Linear (Viscosidad Reducida)

f(x) = 0.56 x + 6.2 R² = 0.01

5 4 3 2 1

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11

Concentración ( g/dl)

Figura 7.1. Viscosidad vs concentración para un sistema PMMA - Benceno En la figura 7.1 de viscosidad vs concentración, se puede observar dos curvas de tendencia lineal, una representa la viscosidad reducida y la otra la viscosidad inherente en función de la concentración. Se denota que las pendientes de ambas curvas son positivas, que tienden a unirse en un punto o rango determinado. Cuando se extrapoló ambas curvas de tendencia lineal a una concentración de cero, se determinó los valores de viscosidad intrínseca comprendidos entre un rango de 6,09 hasta 6,20 (dl/g). Tabla 7.2. Determinación del peso molecular medio para el sistema PMMA -Benceno Sistema PMMA-Benceno Peso Molecular Medio (g/mol)

Viscosidad Intrínseca (dl/g)

K *10^3 (ml/g)

α

Ln [M]

Peso Molecular Medio (g/mol)

6,092

5,2

0,76

15,35689905

4671071,494

4,67*10^6

6,1478

5,2

0,76

15,36889623

4727448,702

4,72*10^6

6,2036

5,2

0,76

15,38078501

4783987,734

4,78*10^6

En la Tabla 7.2 se puede observar los pesos moleculares medios obtenidos para la viscosidad intrínsecas de 6,09; 6,14 y 6,20 dándonos como resultados 4,67 x 10 6; 4,72 x106 y 4,78 x 106 respectivamente, en este caso se puede observar que la viscosidad está relacionada directamente con el tamaño y la forma de las moléculas de un polímero en la solución y las interacciones polímero – disolvente. Los resultados obtenidos del peso

molecular medio nos indica que en general existe un alto peso molecular observándose que a medida que aumenta la viscosidad intrínseca aumenta el peso molecular medio es decir son directamente proporcionales. Por otra parte en la Tabla 2 se observa que la viscosidad intrínseca y el peso molecular medio se encuentran relacionados mediante la ecuación de Houwink que es n= KM α. Finalmente con los resultados obtenidos se puede manifestar que la viscosidad está relacionada con la longitud de la cadena del polímero.

8. Conclusiones



Se determinó la viscosidad intrínseca del PMMA - benceno donde se obtuvo un valor que se encuentra en un rango de (6,092-6,20) dl/g.



Se determinó el peso molecular medio a partir de la viscosidad intrínseca que varía en un rango de (4.67*10ˆ6 a 4.78*10ˆ6) g/mol, encontrándose un punto medio de peso molecular de 4.72*10ˆ6 g/mol, para el sistema polimetilmetacrilato (PMMA) - benceno.



Se determinó la viscosidad intrínseca mediante el método gráfico de las curvas de viscosidad inherente y viscosidad reducida, al ser extrapoladas a concentración cero.



Se elaboró de manera virtual la determinación de la viscosidad y el peso molecular del polimetilmetacrilato en benceno demostrando que las aplicaciones tecnológicas son herramientas válidas para el desarrollo de habilidades de laboratorio.



La viscosidad está relacionada directamente con el tamaño y la forma de las moléculas de un polímero en la solución y las interacciones polímero – disolvente, a medida que aumenta la viscosidad aumenta el peso molecular medio.

9. Recomendaciones 

Se recomienda utilizar la última versión del software en la computadora debido a que el momento de obtener la viscosidad inherente los resultados son diferentes a los que se obtienen en Excel, y puede ocasionar errores en los resultados.

Cuestionario

1) De los cuatro tipos de polímeros, cuál es el más importante comercialmente: Termoplásticos Fibras Elastómeros Termoestables 2) Los polímeros son ___________ por naturaleza Orgánico

Ninguna de las anteriores Ambos de los anteriores Inorgánico 3) Estos polímeros no se pueden reciclar: Termoestables Todos los polímeros Termoplastos Elastómeros 4) En general, el grupo polimérico más fuerte es __________. Termoplastos Elastómeros Todos los polímeros Termoestables 5) La deformación elástica en los polímeros se debe a _____________. Deslizamiento de cadenas moleculares Ruptura de enlaces covalentes Ligero ajuste de cadenas moleculares Enderezamiento de cadenas moleculares Cuestionario 2 1. La viscosidad es una propiedad importante de un polímero fundido en los procesos de conformación de plásticos. ¿De qué tres parámetros depende la viscosidad? 

La viscosidad de un polímero depende de la temperatura, la velocidad de cizallamiento o corte y el peso molecular del polímero. (Gomis, 2012)

2. ¿En qué se diferencia la viscosidad de un polímero fundido de la mayoría de los fluidos newtonianos? 

Para un fluido newtoniano (que incluye a los fluidos más simples como el agua y el aceite) la viscosidad es una constante a una temperatura dada y no cambia con la velocidad de corte. La relación entre el esfuerzo y la deformación cortante es proporcional, siendo la viscosidad la constante de proporcionalidad. (Pérez, 2010)

3. ¿Qué significa viscoelasticidad cuando se aplica a un polímero fundido? 

Un material viscoelástico es un material que presenta tanto propiedades viscosas como elásticas. Un buen ejemplo es la dilatación en el dado en la extrusión, en la cual, el plástico caliente se expande cuando sale de la abertura del dado. La cantidad de dilatación en el dado depende del tiempo que el polímero fundido permanece en el canal, y esto se logra por medio de un canal más largo. (Gomis, 2012)

4. ¿Cuál de las siguientes es la fórmula química para la unidad repetitiva en polietileno?

(a) CH2 (b) C2H4 (c) C3H6 (d) C5H8 (e) C8H8 5. El uso de un parisón está asociado con uno de los siguientes procesos de conformación de plástico: (a) moldeo por bi-inyección (b) moldeo por soplado (c) moldeo por compresión (d) termoformado a presión

10. Bibliografía 

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B., Escalona y García, H. J., Escalona, M. C. R., & Doria Serrano, M. d. C. (1998). Quimica: La ciencia central / Theodore Brown, H.Eugene LeMay, Jr. y Bruce E. Bursten ; traducido por Héctor Javier Escalona y García y M. en C. Roberto Escalona ; revisado por Ma. del Carmen Doria Serrano (7a. ed.--.). México D.F.: Prentice Hall.

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Gomis, A. M. (2012). Tecnología de polímeros. Procesado y propiedades. Universidad de Alicante.

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Pérez-Trejo, L., Sánchez, A. F. M., & Mercado, A. P. (2010). Determinación de la viscosidad de fluidos newtonianos y no newtonianos (una revisión del viscosímetro de Couette). Latin-American Journal of Physics Education, 4(1), 36.

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http://contents.kocw.or.kr/document/Polym%20Soln%20Th%20Spering%203C-1.pdf...