Practica 9. Obtención DE Poliestireno, Polimetilmetacrilato Y Resina Fenólica PDF

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Practica de laboratorio ,calculos,diagrama del proceso, diagrama de bloques, marco teórico ,introducción, observaciones y conclusiones....

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS “LABORATORIO DE QUÍMICA ORGANICA INDUSTRIAL”

PRÁCTICA 9: OBTENCIÓN DE POLIESTIRENO, POLIMETILMETACRILATO Y RESINA FENÓLICA PROFESORA: ANA MARÍA FLORES DOMINGUEZ

EQUIPO 6 INTEGRANTES: •

FECHA DE ENTREGA: 11.01.2021 SEMESTRE 2021/1

ACTIVIDADES PREVIAS •

POLIMERIZACIÓN

Un polímero es un compuesto orgánico, natural o sintético, de elevado peso molecular constituido por unidades estructurales repetitivas o lo que es igual cadenas de gran tamaño formadas por la unión covalente de varias unidades monoméricas (macromolécula). La polimerización es aquel proceso químico por el cual, mediante el calor, la luz o un catalizador se unen varias moléculas de un compuesto(monómeros) para formar una cadena de múltiples eslabones de estas y obtener una macromolécula. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo para cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.

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TIPOS DE POLIMERIZACIÓN

Existen dos tipos fundamentales de polimerización. 1. Polimerización por condensación: En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo, agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos: a) Los Homopolímeros. ▪ ▪

Polietilenglicol Siliconas

b) Los Copolímeros. ▪ Baquelitas. ▪ Poliésteres. ▪

Poliamidas.

La polimerización en etapas (condensación) necesita al menos monómeros bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.

𝐻𝑂𝑂𝐶 − 𝑅1 − 𝑁𝐻2

Ejemplo:

Si reacciona consigo mismo, entonces:

↔ ↔

𝟐 𝑯𝑶𝑶𝑪 − −𝑹𝟏 − −𝑵𝑯𝟐 𝑯𝑶𝑶𝑪 − −𝑹𝟏 − −𝑵𝑯 · + · 𝑶𝑪 − −𝑹𝟏 − −𝑵𝑯𝟐 + 𝑯𝟐𝑶 𝑯𝑶𝑶𝑪 − −𝑹𝟏 − 𝑵𝑯 − −𝑪𝑶 − −𝑹𝟏 − −𝑵𝑯𝟐 + 𝑯𝟐𝑶

2. Polimerización por adición: En este tipo de polimerización la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero.

Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura hemolítica, done en la terminación los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado. La estructura puede ser lineal o también ramificada (aparte de poder presentar entrecruzamientos). También pueden adoptar otras estructuras, por ejemplo, radiales.

Polimerización del estireno para dar poliestireno n indica el grado de polimerización.

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CLASIFICACION DE POLIMEROS

Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos de distintas cadenas. La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno. Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del orden estereoquímico de los enlaces, un polímero puede ser: atáctico (sin orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica. I.

Homopolimero y heteropolimero

En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero o heteropolímero. En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los

polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o en algunos polisacáridos.

Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los adecuados.

Donde: A. Copolímero aleatorio B. Copolímero alternante C. Copolímero en bloque D. Copolímero de injerto o ramificado

Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la cadena polimérica, sin embargo, es mucho más importante el resto de la cadena que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada con los extremos.

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MECANISMOS DE REACCION

➢ POLIESTIRENO:

REACCIÓN GLOBAL:

CATALIZADOR:

MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN:

➢ POLIMETILMETACRILATO REACCIÓN GLOBAL:

MECANISMO:

➢ REACCION FENÓLICA

REACCION GLOBAL:

MECANISMO:

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PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS

Distribución de Pesos Moleculares (DPM) La distribución de pesos moleculares (DPM), es una medida de la proporción en número (o en peso) de moléculas de diferentes pesos moleculares que componen una muestra de resina polimérica. En otras palabras, la DPM indica la variación en el tamaño de las cadenas moleculares. Si las moléculas presentan longitudes de cadena diferentes, la distribución es amplia. En el caso de longitudes de cadena similares, la distribución es estrecha. Este último caso es típico del polipropileno obtenido vía reología controlada.

Índice de Fluidez (IF) El índice de fluidez (IF) es una medida de la capacidad de flujo de la resina bajo condiciones controladas y se puede medir fácilmente con un equipo denominado plastómetro, utilizando velocidades de deformación muy bajas, una temperatura de 230 °C y un peso de 2.16 Kg, de acuerdo a la Norma ASTM D 1238. Esta variable se relaciona inversamente con la viscosidad y el peso molecular (PM), es decir, a medida que aumenta el índice de fluidez de la resina, se obtiene una disminución en la viscosidad y el peso molecular.

Densidad (ρ) La densidad es la medida de peso por unidad de volumen de un material a 23 °C.

Propiedades Mecánicas Por otro lado, están las propiedades mecánicas, dentro de las cuales se tienen: la tensión que indica la resistencia del material y al realizar dicho ensayo se obtienen los siguientes parámetros: módulo elástico, elongación, resistencia a la fluencia y la resistencia a la ruptura; la flexión que también involucra la resistencia del material para determinar el módulo de flexión y la resistencia a la flexión; la dureza que es la resistencia que opone un material a ser penetrado o rayado. Los materiales poliméricos presentan 3 tipos distintos de comportamiento esfuerzodeformación: frágil, dúctil y totalmente elástico. En los polímeros, el módulo de elasticidad, resistencia a la tracción y ductilidad se determina de la misma forma que en las aleaciones metálicas.

Propiedades Térmicas En el área de las propiedades térmicas se pueden mencionar: la cristalinidad que se refiere al ordenamiento de las cadenas del polímero que contrario a lo que se piensa le imparte a la resina opacidad debido a que las moléculas presentan mayor empaquetamiento y por lo tanto impiden el paso de la luz por medio de ellas, es decir, que entre más cristalino sea un polímero menos transparencia. La cristalinidad le imparte al material alta rigidez y temperaturas de fusión elevadas, entre otras propiedades.

Propiedades Químicas Finalmente se encuentran las propiedades químicas, dentro de las cuales cabe destacar la resistencia química de los polímeros, ya que la misma determina si es compatible o no con otros elementos.

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TIPOS DE POLÍMEROS

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS. Un termoplástico plástico o deformable que se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los cuales poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace de hidrógeno, o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos, mientras que en el caso de los termoestables o termoduros, después de enfriarse la forma no cambia y arden. Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyen estas propiedades. Los más usados son: el polietileno (PE), el polipropileno (PP), el polibutileno (PB), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo (PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón (o politetrafluoretileno, PTFE) y el nylon (un tipo de poliamida). Se diferencian de los termoestables (baquelita, goma vulcanizada) en que éstos últimos no funden al elevarlos a altas temperaturas, sino que se queman, siendo imposible volver a moldearlos. Un material termoplástico lo podemos asemejar a un conjunto de cuerdas entremezcladas que tenemos encima de una mesa, cada una de estas cuerdas es lo que representa a un polímero, cuanto mayor sea el grado de mezclado de las cuerdas mayor será el esfuerzo que tendremos que realizar para separar las cuerdas unas de otras, dado a que el rozamiento que se produce entre cada una de las cuerdas ofrece resistencia a separarlas, en este ejemplo el rozamiento representa las fuerzas intermoleculares que mantiene unidos a los polímeros.

En función del grado de las fuerzas intermoleculares que se producen entre las cadenas poliméricas, estas pueden adoptar dos tipos diferentes de estructuras,

estructuras amorfas o estructuras cristalinas, siendo posible la existencia de ambas estructuras en un mismo material termoplástico. •

Estructura amorfa: las cadenas poliméricas adquieren una estructura liada, semejante a un ovillo de hilos desordenados, dicha estructura amorfa es la responsable directa de las propiedades elásticas de los materiales termoplásticos.

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Estructura cristalina: las cadenas poliméricas adquieren una estructura ordenada y compacta, se pueden distinguir principalmente estructuras con forma lamelar y con forma micelar. Dicha estructura cristalina es la responsable directa de las propiedades mecánicas de resistencia frentes a esfuerzos o cargas, así como la resistencia a las temperaturas de los materiales termoplásticos.

Si el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con estructuras amorfas, dicho material tendrá una pobre resistencia frente a cargas pero una excelente elasticidad, si por el contrario el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con una estructura cristalina, el material será muy resistente y fuerte incluso superior a los materiales termoestables, pero con poca elasticidad aportándole la característica de fragilidad en dichos materiales.

Propiedades de los materiales termoplásticos: 1. 2. 3. 4. 5.

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:

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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... Poliamida usada para la fabricación de cuerdas, correas de transmisión, etc... PVC o cloruro de polivinilo para la fabricación de materiales aislantes, tubos, envases, etc...

Ejemplos de adhesivos termoplásticos: • • • •

Acrilatos Cianoacrilatos Epoxy curados mediante radiación ultravioleta Acrilatos curados mediante radiación ultravioleta

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POLIMEROS TERMOENDURECIDOS O TERMOESTABLES.

Endurecibles o termoestables son cadenas de polímeros con enlaces altamente cruzados, que forman una estructura de red tridimensional. Ya que las cadenas no pueden girar ni deslizarse, estos polímeros poseen buena resistencia, rigidez y dureza. Sin embargo, también tienen baja ductilidad, propiedades al impacto y una alta temperatura de transición vítrea. En un ensayo de tracción los polímeros termoestables presentan el mismo comportamiento de los metales o los cerámicos frágiles. Los polímeros termoestables a menudo se inician como cadenas lineales. Dependiendo del tipo de unidades de repetición y del grado de polimerización, el polímero inicial puede ser un sólido o una resina liquida; en algunos casos, esta se utiliza en dos o tres paredes (como en el caso de los dos recipientes de cemento epóxico de uso común). El calor, la presión, la mezcla de las varias resinas u otros métodos, inician la formación de enlaces cruzados. Este proceso no es reversible: una vez formado, no es posible reciclar de manera conveniente los termoestables. Un polímero con enlaces cruzados puede, generalmente, clasificarse en uno de estos dos grupos: ✓ Materiales con ligero entrecruzamiento (elastómeros). ✓ Materiales con gran entrecruzamiento (termoendurecibles termoestables)

o

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Elastómeros:

Un elastómero es un polímetro que cuenta con la particularidad de ser muy elástico pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado. Debido a estas características, los elastómeros, son el material básico de fabricación de otros materiales como la goma, ya sea natural o sintética, y para algunos productos adhesivos. A modo más específico, un elastómero, es un compuesto químico formado por miles de moléculas denominadas monómeros, los que se unen formando enormes cadenas. Es gracias a estas grandes cadenas que los polímeros son elásticos ya que son flexibles y se encuentran entrelazadas de manera muy desordenada. La mayoría de estos polímeros son hidrocarbonos, por lo tanto, están conformados por hidrógeno y carbono, y se obtiene en forma natural del polisopreno que proviene del látex de la goma de los árboles. Otra manera de obtener un elastómero es a partir de la síntesis de petróleo y gas natural. Para modificar algunas de las características de los elastómeros, es posible añadir otros elementos como el cloro, obteniendo así el neopreno tan utilizado en los trajes húmedos para bucear. Para un uso más práctico de los elastómeros, estos deben ser sometidos a diversos tratamientos. A través de la aplicación de átomos de azufre, este polímero se hace más resistente gracias a un proceso denominado vulcanización. Si además se le agrega otro tipo de sustancias químicas es posible lograr un producto final bastante resistente a las amenazas corrosivas presentes en el medio ambiente. Como se mencionaba con anterioridad, los elastómeros pueden ser utilizados para la fabricación de adhesivos. Para ello son disueltos en una solución de solventes orgánicos y luego, se le añaden ciertos adhesivos que mejoran su capacidad de adhesión y su durabilidad. •

Termoendurecibles

Los plásticos termoendurecicbles o termoestables (thermosets) son polímeros que mediante la presión y la temperatura se reblandecen y pueden moldearse en su fase fluida una sola vez y antes de que la reacción de polimerización haya finalizado por completo. El producto final termoestable ya no se reblandece nuevamente por acción de la presión y la temperatura, pues a elevadas temperaturas experimenta su descomposición. Una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. Generalmente para su obtención se parte de un aldehído.

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MÉTODOS DE MOLDEO Y OBTENCIÓN DE POLÍMEROS

Las técnicas usadas en la transformación de los plásticos o polímeros consisten en dar las formas y medidas deseadas a un plástico por medio de un molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el plástico fundido para que adquiera su forma. 1. COMPRESIÓN Esta técnica consiste en que el plástico en polvo es calentado y comprimido entre las dos partes de un molde mediante la acción de una prensa hidráulica. Materiales: termoestables y plásticos termofijos Aplicaciones: Se usa para obtener pequeñas piezas de baquelita, como los mangos aislantes del calor de los recipientes y utensilios de cocina. 2. INYECCIÓN Consiste en introducir material plástico en condiciones adecuadas e introducirlos a presión en la cavidad de un molde donde se enfría a una temperatura apta para que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse. Materiales: termoplásticos y para gran número de termoendurecibles. Aplicaciones: Por este procedimiento se fabrican palanganas, cubos, carcasas, componentes del a calzado, bolígrafos, cepillos, piezas de automóvil,etc. 3. EXTRUSIÓN Consiste en obligar a un material fundido a pasar a través de una boquilla o matriz que tiene la forma adecuada, para obtener el diseño deseado. Materiales:termoplásticos,elastómeros y rara vez con termoendurecibles Aplicaciones: tuberías,filmes para embalaje, perfiles para rematar obras, recubrimiento aislante para cables eléctricos,mangueras,perfiles estructurales (como molduras de ventanas y puertas)

4. SOPLADO El proceso consiste en insuflar aire en una preforma tubular fundida que se encuentra en el interior del molde. Materiales: termoplásticos (PEBD, PEAD, PVC-U, PS, PP, PA y ABS) Aplicaciones: se emplea para la fabricación de cúpulas, botellas, y piezas huecas en general. 5. COLADO Consiste en el vertido del material plástico en estado líquido dentro de un molde, donde fragua y se solidifica. Materiales: algunos termoplásticos, como los nailon y los acrílicos, y algunos plásticos termoestables, como los epóxicos, fenólicos, poliuretanos o poliéster Aplicaciones: bisutería, bolas de billar,láminas coladas para ventanas, piezas de muebles, cristales de relojes, gafas de sol, mangos para herramientas, servicios de mesa, pomos, encimeras, lavabos y botones de fantasía. 6. ESPUMADO Consiste en introducir aire u otro gas en el interior de la masa de plástico de manera que se formen burbujas permanentes. Materiales: poliestireno y poliuretano (PUR) Aplicaciones: fabricación de colchones, aislantes termo-acústicos, esponjas, embalajes, cascos de ciclismo y patinaje, plafones ligeros y otros. 7. CALANDRADO Consiste pasar el material plásticos a través de unos rodillos que producen, mediante presión, laminas de plásticos flexibles de diferente espesor Materiales: termoplásticos y elastómeros. El PVC flexible, semirrígido y rígido es, con gran diferencia y en ese orden, el material que más se procesa mediante calandrado. También se calandran otros termoplásticos, como el ABS, el PP, el CPE.

Aplicaciones: Estas láminas se utilizan para fabricar hules, impermeables o planchas de plástico de poco grosor. 8. ROTOMOLDEO En este proceso el plástico frío funde sobre las paredes de un molde metálico caliente que gira en torno a dos ejes, donde se enfría y adquiere la consistencia para ser desmoldeado Materiales: termoplásticos, termoestables, polietileno de alta densidad, polivinilo clorado y poliamida. Aplicaciones: pelot...