Polímeros PDF

Preview

Summary

Download Polímeros PDF

Description

Ciencia de los materiales: Polímeros

Trabajo realizado por: Emily Puertas Segura 77487814 D José Manuel Cuesta Ramírez 53910710K Luisa María Ruíz Ruíz 77168588T Pablo Wilczynski García 44651186k

ÍNDICE: -1 Introducción -2 Clasificación de los polímeros -3 Formación de cadenas por el mecanismo de adición -4 Formación de cadenas por el mecanismo de condensación -5 Grado de polimerización -6 Arreglo de las cadenas de poliméricas en los termoplásticos -7 Deformación y falla de los polímeros termoplásticos -8 Control de la estructura y de las propiedades de los termoplásticos -9 Elastómeros (hules) -10 Polímeros termoestables -11 Adhesivos -12 Aditivos de los polímeros -13 Conformado de los polímeros 498

1. Introducción:

Los polímeros son un tipo de material muy común en la vida cotidiana de la mayoría de las personas. Podemos encontrar polímeros en plásticos,cauchos y adhesivos. Resulta un material muy útil debido a su ligereza y resistencia a la corrosión.. Pero, ¿Qué son los polímeros? Los polímeros son moléculas orgánicas (es una sustancia química que contiene carbono, formando enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno) gigantes en cadena, con pesos moleculares que pueden variar desde 10.000 hasta mas de 1.000.000 g/mol. El proceso mediante el cual se forman los polímeros se denomina polimerización. Mediante dicho proceso las moléculas pequeñas se unen entre sí para formar moléculas gigantes. El uso que se le da a los polímeros es muy variado, por ejemplo: juguetes, aparatos domésticos, adhesivos, espumas embalajes etc. Además pueden ser usados como fibra y como matriz en materiales compuestos. Hablemos de alguna de las propiedades de los polímeros: materiales ligeros resistentes a la corrosión, de baja resistencia y rigidez, sin embargo no soportan altas temperaturas. Por otro lado son relativamente económicos y fácilmente transformables. Importante recalcar esto último, pues los polímeros pueden ser modificados para adquirir forma desde bolsa de plástico o incluso engranajes metálicos hasta una bañera. Los polímeros utilizados en ingeniería (ingenieriles) se diseñan con el objetivo de presentar mejor resistencia a las altas temperaturas (para mejorar así su funcionalidad y por tanto su comercio). Sin embargo, la fabricación de dichos polímeros es más costosa (por motivos obvios). Alguno de esos polímeros son capaces de soportar temperaturas de hasta 350ºC. La importancia de los polímeros reside (entre otras cosas) en sus muchas propiedades físicas útiles. Por ejemplo, algunos son transparentes como el metilmetacrilato, otros son aislantes eléctricos (es decir, no conducen la electricidad). Por otro lado hay algunos como el teflón que posee un bajo coeficiente de fricción y sirve de recubrimiento para utensilios de cocina (por ejemplo para sartenes). En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción inter moleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas 2. Clasificación de los polímeros Los polímeros se clasifican de varias formas: primero, según la manera en que las moléculas son sintetizadas es decir si su origen biológico o artificial. Segundo, en función de su estructura molecular, por ejemplo podemos distinguir polímeros lineales y ramificados.

y tercero, por su familia química. Sin embargo, el método más utilizado para clasificar los polímeros es en función de su comportamiento mecánico y térmico.

Podemos distinguir entonces 3 tipos de polímeros: a) Los polímeros termoplásticos se componen de largas cadenas producidas al unir las moléculas pequeñas o monómeros y típicamente se comportan de una manera plástica y dúctil (capaz de cambiar y transformar su forma por presión). Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polímeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso. Los polímeros termoplásticos se pueden reciclar con facilidad. Propiedades de los materiales termoplásticos -Pueden derretirse antes de pasar a un estado gaseoso. -Permiten una deformación plástica cuando son calentados. -Son solubles en ciertos solventes. -Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes. -Buena resistencia al fenómeno de fluencia. Ejemplos y aplicaciones de materiales termoplásticos:

-Polietileno de alta presión como material rígido aplicado para cubiertas de máquinas eléctricas, tubos, etc.. -Polietileno de baja presión como material elástico usado para el aislamiento de cables eléctricos, etc.. -Poliestireno aplicado para aislamiento eléctrico, empuñaduras de herramientas...

Ejemplos de adhesivos termoplásticos: -Acrilatos -Cianoacrilatos

b) Los polímeros termoestables están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces reticulares o entrecruzamientos entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímeros generalmente son más resistentes, aunque más frágiles, que los termoplásticos. Los termoestables no tienen temperatura de fusión y es difícil reprocesarlos una vez ocurrida la reacción de entrecruzamiento.

En general, las ventajas de los plásticos termoestables para aplicaciones en ingeniería son: - Alta estabilidad térmica. - Alta rigidez. - Alta estabilidad dimensional. - Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga. - Peso ligero. - Altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico. Ejemplo de termoestable:

c) Los elastómeros, incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces reticulares entre cadenas. Los elastómeros tienen la capacidad de deformarse elásticamente alcanzando grandes deformaciones que no producen cambios permanentes de forma. Propiedades de los materiales elastómeros: -No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso -Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes Generalmente insolubles. Son flexibles y elásticos. Menor resistencia al fenómeno de fluencia que los termoplásticos Ejemplos y aplicaciones de materiales elastómeros: -Goma natural - material usado en la fabricación de juntas, tacones y suelas de zapatos. -Poliuretanos - Los poliuretanos son usados en el sector textil para la fabricación de prendas elásticas como la lycra, también se utilizan como espumas, materiales de ruedas, etc... -Silicona - Material usado en una gama amplia de materiales y áreas dado a sus excelentes propiedades de resistencia térmica y química, las siliconas se utilizan en la fabricación de chupetes, prótesis médicas, lubricantes, moldes, etc...

Resumen de los tipos de polímeros:

La polimerización de estos tres tipos de polímeros normalmente se inicia con la producción de largas cadenas, en las cuales los átomos se unen fuertemente con enlaces covalentes. El número y la resistencia de los enlaces reticulares le da a cada tipo sus propiedades especiales. Sin embargo, se debe hacer notar que las diferencias entre estos tres tipos es a menudo muy sutil. Por ejemplo, existe una continuidad de variaciones entre la estructura simple del polietileno (termoplástico) y la estructura más compleja de las resinas apoxi (termoestable). Estructuras representativas: Todos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja. Vamos a intentar analizar la estructura del polietileno:

La cadena de polímero está formada por una cadena principal de átomos de carbono, dos átomos de hidrogeno están enlazados a cada átomo de carbono dela cadena. Esta gira y se retuerce en el espacio. EJEMPLO: Diseño y selección de materiales para componentes poliméricos Diseñe el tipo de polímero que se puede seleccionar para las siguientes aplicaciones: guantes de cirujano, recipiente para bebidas y recubrimiento para un cable. El guante del cirujano debe poder estirarse mucho para que se pueda ajustar perfectamente a la mano del cirujano y seguir el contorno de esta para que el cirujano pueda tener una máxima sensación de tacto durante la operación. Es decir necesitamos un material con grandes deformaciones elásticas , en este caso podría valer un elastómero. El recipiente para bebidas debe de tener un bajo coste (pues suponemos que se van a producir en masa) y su producción debe ser sencilla. Debe ser algo dúctil y no debe romperse provocando el vertido del contenido. Termoplástico seria una buena elección. Para el cubrimiento del cable necesitamos un material que nos sea costoso de fabricar (puesto que suponemos que habrá muchos cables ) y que sea aislante a la electricidad a la vez que presente resistencia a esfuerzos de diversa índole. Para este caso podría valer un termoestable.

3. Formación de cadenas por el mecanismo de adición: En esta clase de polimerización los polímeros son sintetizados por la adición de que tiene un enlace covalente, o doble, entre sus átomos, estos enlaces covalentes son bastante reactivos y al ser eliminados permiten que el monómero se pueda acoplar con otros monómeros insaturados. Por ejemplo: El polietileno (PE) es un ejemplo de polimerización por adición. El etileno (C2H4) tiene dos átomos de carbono unidos por un enlace doble. Cada uno de estos átomos comparte dos de sus electrones con el otro, y dos átomos de hidrogeno están enlazados a cada uno de los átomos de carbono. La molécula de etileno es un monómero.

Aplicándole las condiciones adecuadas (calor,presión,catalizadores) el enlace doble que une los carbonos se rompe. Los extremos resultantes son radicales libres; cada átomo de carbono tiene un electrón sin pareja que puede compartir con otros radicales libres.

Mediante la unión de n moléculas de etileno se forma el denominado polietileno. El proceso de unión de dichas moléculas es la polimerización por adición. Funcionalidad: La funcionalidad es el número de sitios en los cuales pueden unirse moléculas de 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 bifuncional y solamente se formarán cadenas. Si hay tres o más sitios donde las moléculas pueden fijarse, se forma una red tridimensional. Este proceso de polimerización presenta tres etapas características: Etapa de iniciación. Provocada por la acción de peróxidos orgánicos, estos mediante calor o radiación rompen su estructura para dar lugar a radicales libres (con electrones libres) que obligan al desdoblamiento del doble enlace. Etapa de propagación. Una vez iniciada la cadena se unen a gran velocidad unidades de repetición. Cuando la cadena es muy grande la velocidad de formación disminuye. Etapa de terminación. Las cadenas pueden terminarse mediante dos mecanismos. Combinación: los extremos de dos de las cadenas se unen.Desproporción: el extremo activo de una cadena puede quitar un átomo de hidrógeno de otra.

Estructura tetraédrica del carbono: El átomo de carbono tiene valencia 4, esto quiere decir que tiene 4 electrones en su última capa energética. Por lo tanto el carbono podrá formar 4 enlaces que pueden ser combinados de muchas formas: 2 dobles , 4 simples, 1 triple y 1 simple, 1 doble y 2 simples, etc. El átomo de carbono es tetraédrico; esto es, los cuatro enlaces del carbono deben estar dirigidos hacia los cuatro vértices de un tetraedro imaginario que lo rodea.

La estructura tetraédrica del carbono puede combinarse en una gran diversidad de formas para producir cristales sólidos, moléculas de gas no polimerizables y polímeros.

Forma de la cadena: Las cadenas de polímeros pueden plegarse y girar debido a la naturaleza eléctrica del enlace covalente. Las cadenas se pliegan y giran en respuesta a factores externos como la temperatura o la ubicación de la siguiente unidad de repetición al agregarse la cadena.

4. Formación de cadenas por el mecanismo de condensación: Los polímeros lineales también se forman mediante reacciones de condensación, produciendo estructuras y propiedades parecidas a los que poseen los formados por adición. Este mecanismo requiere que por lo menos dos grupos funcionales distintos participen en la reacción. La longitud de la cadena del polímero depende de la facilidad con la cual se puedan difundir los monómeros hacia los extremos e intervenir en la reacción de condensación. El crecimiento de la cadena termina cuando ya no llegan más monómeros al extremo de las cadenas para continuar la reacción.

5 Grado de polimerización. El resultado del mecanismo de adición hace que se mantengan unidas las cadenas a través de las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas polares y los puentes de hidrógeno, debido a que, conforme van creciendo las cadenas, se van retorciendo. En el proceso de polimerización, el grado de polimerización es una distribución estadística de la longitud de un polímero lineal, es decir, el número de unidades de repetición de la unidad monomérica dentro de una cadena y viene representada por la ecuación: 𝑛=

𝑀𝑛 𝑀

donde la n es el grado de polimerización, Mn es el peso molecular del polímero y M es el peso molecular del monómero. Otras maneras de representar el peso molecular promedio: •

El peso molecular promedio visto desde el punto de peso de cadenas; se obtiene dividiendo las cadenas en rangos de tamaño y viendo qué fracción de las cadenas está dentro del rangos. 𝑀𝑤 = ∑ 𝑓𝑖 ∗ 𝑀𝑖

Donde Mi es el peso molecular medio de cada rango y fi es la fracción del peso del polímero que tiene cadenas dentro de este rango. •

El peso molecular promedio visto desde el punto de números en cadenas Mn; se basa en la fracción numérica, en vez de la fracción de peso, de las cadenas dentro de cada rango de tamaño. 𝑀𝑛 = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝑀𝑖

Donde Mi de nuevo es el peso molecular medio de cada rango de tamaño, pero xi es la fracción del número total de cadenas dentro de cada rango.

Ejercicio: Se tiene una muestra de polietileno que contiene 4000 cadenas con pesos moleculares entre 0 y 5000g/mol, 8000 cadenas con pesos moleculares entre 5000 y 10000g/mol, 7000 cadenas con pesos moleculares entre 10000 y 15000 g/mol y 2000 cadenas con pesos moleculares entre 15000 y 20000 g/mol. Determine el peso molecular promedio por peso y el peso molecular promedio por número de cadenas. Para aclarar el ejercicio tenemos que poner en primero lugar los datos: 1234-

4000 cadenas – [0 – 5000] 8000 cadenas – [5000 – 10000] 7000 cadenas – [10000 – 15000] 2000 cadenas – [15000 – 20000]

Conociendo que el peso molecular promedio es la suma de las fracciones numéricas por el peso molecular medio de cada rango: 𝑀𝑛 = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝑀𝑖

Para obtener Mi (peso molecular medio), tenemos que hacer la media del rango de valores que nos dan. Para poder obtener los valores de xi (fracciones numéricas) tenemos que realizar la suma total de cadenas, donde cada número de cadenas será dividido entre el valor total de cadenas: 𝑁º𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎𝑠 = 𝑁1 + 𝑁2 + 𝑁3 + 𝑁4 = 21000 𝑥𝑖 = Nº de cadenas 4000 8000 7000 2000

𝑛º 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎𝑠 𝑛º 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Mi 2500 7500 12500 17500

xi

Xi*Mi

0.191 0.381 0.333 0.095

477.5 2857.5 4162.5 1662.5

Por otro lado, multiplicando el número de cadenas por el peso molecular obtenemos el peso del conjunto. 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 = 𝑁º 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎𝑠 ∗ 𝑀𝑖 Y si ahora a cada peso de conjunto se divide por la suma de esos pesos de conjunto obtendremos la fracción de peso: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜1 + 𝑃𝑒𝑠𝑜2 + 𝑃𝑒𝑠𝑜3 + 𝑃𝑒𝑠𝑜4 = 192.5 ∗ 106 𝑓𝑖 = Nº de cadenas 4000 8000 7000 2000

Mi 2500 7500 12500 17500

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 Peso de Conjunto 10*106 60*106 87.5*106 35*106

fi 0.0519 0.3118 0.4545 0.1818

fi*Mi 129.75 2338.50 5681.25 3181.50

Por último, como el problema nos pedía que calculáramos el peso molecular promedio por peso y por número de cadenas; 𝑀𝑤 = ∑ 𝑓𝑖 ∗ 𝑀𝑖 = 11.331 𝑀𝑛 = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝑀𝑖 = 9160 Todo representado en g/mol.

5.1 Termoplásticos. Son polímeros, que están unidos por las fuerzas de Van der Waals y por fuerzas intermoleculares, que pueden estar ramificados o lineales, son solubles en algunos disolventes orgánicos, y son reciclables. A temperaturas altas, se deforman y se vuelven flexibles, y se

derrite cuando se calienta en exceso, por otro lado, se endurece cuando se enfría. Se fabrican y se y emplean en cantidades muy grandes donde los más frecuentes son PE, PP, PS y PVC. Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición vítrea Tg (si es un material amorfo) o una temperatura de fusión Tm (en materiales cristalinos), superior a la temperatura ambiente. Si el grado en el que están mezclados los polímeros es mayor, entonces, tendrá que ser mayor el esfuerzo para poder separarlos. Dependiendo de las fuerzas intermoleculares que haya entre las cadenas poliméricas, pueden adoptar los siguientes tipos de estructuras: amorfas, cristalinas o ambas. • •

Estructuras Amorfas: son estructuras poliméricas liadas entre ellas, y son las responsables de las propiedades elásticas de estos materiales. Estructuras Cristalinas: tienen una estructura ordenada y bastante compacta, y son las responsables de las propiedades mecánicas frente a esfuerzos, cargas o temperaturas.

Propiedades. Estos materiales tienen muchísimas propiedades de las cuales nosotros destacaremos las más importantes dentro de nuestro ámbito: •

•

• •

•

•

Comportamientos Plásticos: estos materiales se deforman cuando el esfuerzo que se le aplica supera su resistencia. La deformación plástica produce un estiramiento de las cadenas, produciendo una deformación permanente. Comportamiento Elástico: Puede ocurrir este suceso, cuando se le aplica un esfuerzo que hace que se estire y se deformen los enlaces, pero una vez que se deja de aplicar el esfuerzo las cadenas vuelven a recuperar su estado inicial. Comportamiento Eléctrico: son materiales aislantes, aunque hay algunos con una conductividad térmica, como es el caso del acetal. Comportamiento frente a un Impacto: cuando la deformación se forma a mucha velocidad, hace que las cadenas no tengan tiempo de deslizarse produciendo su rotura. Si la temperatura es baja se produce con peor facilidad y si la temperatura es alta las cadenas se mueven con mayor facilidad, obteniendo menos resultados de este comportamiento. Comportamiento de Corrosión: este evento sucede debido al entorno que rodea a estos materiales, como por ejemplo los insectos. El poliestireno y el polietileno son ejemplos de materiales resistentes. Viscoelasticidad: es la capacidad de un esfuerzo para provocar el deslizamiento de cadenas y la deformación plástica en relación con el tiempo y la rapidez con la que se deforman. Si el esfuerzo va ocurriendo con lentitud, las cadenas se deslizan con facilidad, pero si el esfuerzo se aplica con rapidez, no ocurre desplazamiento por lo que el polímero se comporta de manera frágil.

Características: • • • • •

Pueden derretirse antes de pasar al estado gaseoso. Permiten la deformación plástica cuando se calientan. Pueden hincharse o ser solubles ante ciertos materiales. Tienen buena resistencia a fenómenos de fluencia. Tienen mejor resistencia al impacto, a los solventes y a temperaturas extremas.

• • • •

Son frágiles. Son muy rígidos. Tienen gran estabilidad física y mecánica. Son muy difíciles de soldar.

Algunos ejemplos de termoplásticos: •

•

PVC: está en forma rígida o flexible. Si está en forma rígida es muy duradero y se usa para hacer tuberías. Para que sea flexible se le añade un producto plastificante que hace que se separen ...