Quimica Polimeros - APUNTES DE REPASO SOBRE TEMAS DE QUÍMICA PDF

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APUNTES DE REPASO SOBRE TEMAS DE QUÍMICA...

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ELABORÓ: YAMIREL MEJÍA DÍAZ

Proyecto de Investigación TEMA: ¿CÓMO SINTETIZAR UN MATERIAL ELASTICO? TITULO: SINTETIZANDO LO ELÁSTICO PROPÓSITO: CONOCER CUALES SON LOS PRINCIPALES MATERIALES ELASTICOS, SUS VENTAJAS Y DESVENTAJAS Y LA FORMA EN COMO SE SINTETIZAN.

Introducción El siglo XX fue el inicio de una época de grandes transformaciones en el estilo de vida de la sociedad, como consecuencia de los avances de la ciencia y sus aplicaciones tecnológicas. Para muchos estudiosos una de las industrias que han tenido mayor impacto es la de los plásticos sintéticos, materiales que poco a poco se han ido introduciendo en prácticamente todas las actividades de los seres humanos. Hoy en día los plásticos son la base de todo porque la mayoría de los productos que utilizamos diariamente en la vida cotidiana están hechos o tienen piezas de algún material plástico. Los plásticos son uno de los productos de consumo más importantes y abundantes en nuestra vida diaria. Por ejemplo la computadora que estas usando está hecha de plásticos. el refresco que te estás tomando viene en un envase de plástico, los discos donde grabas las programas o la música etc. Aunque los plásticos que empleamos hoy son materiales modernos que se fabrican industrialmente desde hace menos de un siglo, se conoce diversos materiales elásticos naturales desde épocas remotas. Por ejemplo el hule o caucho y otras resinas que se producen en vegetales fueron empleados para diferentes culturas americanas antes de la llegada de los españoles. Sin duda este material revoluciono por completo la vida del ser humano aunque como todo tiene sus desventajas, como por ejemplo el daño que hacen al planeta al contaminar el medio ambiente si no se les da un buen uso. Es así que en el presente trabajo de investigación hablaremos primero sobre qué es el plástico, sus características. También sobre que son los materiales elásticos, los principales que existen, como se sintetizan y sus ventajas y desventajas con el fin de satisfacer las necesidades humanas y salvaguardar el medio ambiente.

EL PLASTICO El vocablo plástico deriva del griego ‘plastikos’, que se traduce como moldeable. Los polímeros, las moléculas básicas de los plásticos, pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el polietileno y el nylon. Se denominan plásticos a un gran número de productos de origen orgánico y alto peso molecular. En alguna etapa de su fabricación, son lo suficientemente fluidos como para moldearlos por calor y presión. Los materiales empleados en su fabricación son resinas en forma de bolitas, polvo o en disolución. Con estos materiales se fabrican los plásticos terminados, que: • • • • •

son sólidos en su estado definitivo son flexibles son resistentes son poco pesados son aislantes del calor y la electricidad.

Los plásticos son parte de la gran familia de los Polímeros; en si los Polímeros es una palabra de origen latín que significa Poli:” Muchas” y meros: “partes”, de los cuales se derivan también otros productos como los adhesivos, recubrimientos y pinturas. •

HISTORIA DEL PLÁSTICO PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS

A mediados del siglo XIX, el inventor inglés Alexander Parkes obtuvo accidentalmente nitrocelulosa, mediante la reacción de la celulosa con acido nítrico y sulfúrico, y la llamó "Parkesina", Alrededor de 1860, en los Estados Unidos surgió el primer plástico de importancia comercial gracias a un concurso para encontrar un material que sustituyen al marfil en la fabricación de las bolas de billar Casualmente los hermanos Hyatt trabajaban con el algodón tratado con ácido nítrico, siendo un producto muy peligroso que podía utilizarse como explosivo.

Aprovechando la idea de Parkes, sustituyeron el aceito de ricino por alcanfor y al producto obtenido le llamaron "Celuloide", el cual hizo posiblela producción de varios artículos como peines, bolas de billar y películas fotográficas. Otro plástico semisintético que tuvo buena aceptación comercial fue el que desarrollaron Krische y Spitteler en 1897, debido a la demanda de Pizarrones blanco en las escuelas alemanas. Este material se fabricó abase de Caseína, una proteína extraída de la leche al hacerla reaccionar con formaldehido. El siglo XX puede considerarse como el inicio de "La Era del Plástico", ya que en esta época la obtención y comercialización de los plásticos sintéticos ha sido continuamente incrementada y el registro de patente se presenta en número creciente. En 1907 salió al mercado la resina famélica "Baquelita", mientras Staundinger trabajaba en la fabricación de poli estírenos y Otto Rhom enfocaba sus estudios al acrílico, que para 1930 ya se producían industrialmente. Por su parte el PVC, aunque había sido sintetizado desde 1872 por Barman, fue hasta 1920 cuando Waldo Simón, mezclándolo con otros compuestos, obtuvo una masa parecida al caucho, iniciándose así la comercialización del PVC en 1938. Entre los años de 1930 y 1950, debido a la segunda Guerra Mundial surge la necesidad de desarrollar nuevos materiales que cumplan con mejores propiedades, mayor resistencia, menor costo y que sustituyeran a otros que escaseaban. Es en este período, cuando surgieron plásticos como el Nylon, Polietileno de Baja densidad y el Teflón en un sector de gran volumen, y la industria química adquirió de suministrador importante de materiales.

• CLASIFICACIÓN DE LOS PLÁSTICOS Se clasifican según su proceso de elaboración o según sus características. La primera clasificación los divide en: • •

Naturales (arcilla, ceras, betunes, etc.) Sintéticos (celuloide, baquelita, etc.)

Por sus características pueden ser: TERMOESTABLES: son polímeros tridimensionales, los cuales, una vez adquirida la rigidez por moldeo a una temperatura determinada, no pueden volverse a trabajar, como la urea formol, melanina formol, fenol formol, poliésteres, silicona y resinas epóxido. TERMOPLÁSTICOS: formados por polímeros lineales que se reblandecen por el calor, pueden fundir sin descomponerse y entonces se moldean, como el polietileno, poliestireno , cloruro de polivinilo, acetato de celulosa y nitrocelulosa. El proceso de fusión y moldeo es reversible, el material no se descompone y puede usarse para una nueva fabricación. De acuerdo a su importancia comercial por sus aplicaciones en el mercado, se clasifican en:

PET: El Polietilen Tereftalato (PET) es un Poliéster Termoplástico y se produce a partir de dos compuestos principalmente: Ácido Terftálico y Etilenglicol, aunque también puede obtenerse utilizando Dimetiltereftalato en lugar de Ácido Tereftálico. Este material tiene una baja velocidad de cristalización y puede encontrarse en estado amorfo-transparente o cristalino. El Polietilen Tereftalato en general se caracteriza por su elevada pureza, alta resistencia y tenacidad. De acuerdo a su orientación presenta propiedades de transparencia, resistencia química; esta resina es aceptada por la Food and Drugs Administration (FDA). Existen diferentes grados de PET, los cuales se diferencian por su peso molecular y cristalinidad. Los que presentan menor peso molecular se denominan grado fibra, los de peso molecular medio, grado película y, de mayor peso molecular, grado ingeniería. En la actualidad se están abriendo cada vez más nuevos campos de aplicación y se desarrollan botellas PET de alta calidad y reducido peso. La participación del PET dentro de este mercado es en: • • • • • • •

Bebidas Carbonatadas Agua Purificada Aceite Conservas Cosméticos. Detergentes y Productos Químicos Productos Farmacéuticos

POLIESTIRENO: El Poliestireno es un polímero que se obtiene a partir de un monómero llamado Estireno, el cual también se conoce con los nombres de vinilbenceno, feniletileno, estirol o estiroleno. Este material ha tenido gran desarrollo en los últimos años y ha formado un grupo de plásticos denominados: familia de Polimeros de Estireno, en los que se incluyen: •

Poliestireno Cristal o de Uso General (PS)

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Poliestireno Grado Impacto (PS-I) Poliestireno Expansible (EPS) Estireno/Acrilonitrilo (SAN) Copolímero en Bloque de Estireno/Butadieno/Estireno (SBS) Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) Aleaciones

POLIETILENO Antiguamente llamado "Polimetileno", el Polietileno pertenece al grupo de los polímeros de las Poliolefinas, que provienen de alquenos (hidrocarburos con dobles enlaces). Son polímeros de alto peso molecular y poco reactivos debido a que están formados por hidrocarburos saturados. Sus macromoléculas no están unidas entre sí químicamente, excepto en los productos reticulados. Los Polietilenos se clasifican principalmente en: • • • • •

Polietileno de Baja Densidad (PEBD o LDPE) Polietileno Lineal de Baja Densidad (PELBD o LLDPE) Polietileno de Alta Densidad (PEAD o HDPE) Polietileno de Alta Densidad Alto Peso Molecular (HMW-HDPE) Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE)

Si la densidad del polietileno aumenta, aumentan también propiedades como la rigidez, dureza resistencia a la tensión, resistencia a la abrasión, resistencia química, punto de reblandecimiento e impacto a bajas temperaturas. Sin embargo, este aumento significa una disminución en otras propiedades como el brillo, resistencia al rasgado y la elongación. POLIPROPILENO El Polipropileno es un termoplástico que pertenece a la familia de las Poliolefinas y que se obtiene a partir de la polimerización del propileno, el cual es un gas incoloro en condiciones normales de temperatura y presión, que licúa a -48°C. También se conoce al propileno como "propeno". El Polipropileno puede clasificarse por las materias primas que se utilizan en su elaboración y por su estructura química: · Por Materias Primas:

- Homopolímero - Copolímero Impacto - Copolímero Random · Por Estructura Química: - Isotáctico - Sindiotáctico - Atáctico PVC El Policloruro de Vinilo (PVC) es un polímero termoplástico resultante de la asociación molecular del monómero Cloruro de Vinilo. Por sí solo es el más inestable de los termoplásticos, pero con aditivos es el más versátil y puede ser sometido a variados procesos para su transformación, lo que le ha hecho ocupar, por su consumo, en el segundo lugar mundial detrás del Polietileno. El PVC puede clasificarse de cuatro maneras: Por su método de producción: Suspensión, Dispersión, Masa, Solución Peso Molecular: Alto, Medio y bajo Tipo de Monómeros: Homopolímeros y Copolímeros

• ¿QUE IMPORTANCIA TIENEN HOY LOS PLASTICOS? Para tener en claro cuál es la trascendencia de este material debemos centrarnos en que cada cosa, objeto u elemento fabricado hoy en día tiene generalmente en su fabricación al menos en un pequeño porcentaje este material. Los plásticos por ende forman parte de nuestra vida y no es raro que tengamos este recurso como fundamental en nuestras vidas. En especial debemos tener en cuenta que el plástico no solo es un recurso fundamental, últimamente forma parte de la vida de todos y lo hemos aceptado desde el momento en que surgió. Existen plásticos de diferentes tipos pero lo más importante es que se puede crear casi cualquier cosa con este material. Para ser más específicas este material viene como solución al moldeado de metales y tallado de madera, hoy por hoy podemos encontrar casi cualquier cosa fabricada con este material. En el mundo actual basta mirar a nuestro alrededor para encontrarnos con toda clase de artículos elaborados a partir de diversos materiales e interactuar con éstos con el fin de facilitar las actividades cotidianas del ser humano. Los plásticos (polímeros sintéticos) (material elástico), han incrementado paulatinamente su campo de acción, incluso en aplicaciones que han sido exclusivas de metales y cerámicos por muchos años. Si observamos en nuestro entorno difícilmente podremos encontrar un objeto que no contenga algún tipo de plástico en su composición. Desde hace más de seis décadas la industria de las materias plásticas ha tenido un desarrollo inimaginable que ha superado a la industria del acero. Los plásticos son uno de los productos de consumo más importantes y abundantes en nuestra vida diaria... Casi todo esta hecho de plásticos o tiene que ver en algo el plástico. Basta con observar todo lo que nos rodea.

LOS MATERIALES ELASTICOS • QUE SON LOS MATERIALES ELASTICOS Los materiales elásticos o elastómeros son aquellos que tienen la capacidad de recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación, destacan especialmente por su gran elasticidad, en contraposición a los Materiales Plásticos. Los materiales elásticos son conocidos como polímeros, y en general han existido en la naturaleza desde siempre y el hombre ha sabido cómo aprovecharlos, Sin embargo, a pesar de que los polímeros pueden ser encontrados en el medio natural, el ser humano ha creado algunos sintéticos; es decir, que se preparan en un laboratorio. •

ESTRUCTURA DE UN MATERIAL ELASTICO

Caucho natural: Estructura molecular estéreo especifica del caucho natural. Se obtiene del látex de algunos árboles, sus propiedades se mejoran por masticación, ósea disminuyendo el peso molecular del látex desde 700.0002.300.000 a menos de 500.000, seguido de la adición de negro de carbono (hollín), y vulcanizando en caliente (1 30-140 ºC) desde un 3-4% de S, hasta un 30-40% a mayor contenido en S mas dureza, la variedad mas dura se llama ebonita. Es miscible en todas proporciones con otros cauchos (IR, SBR, BR), lo que permite combinar propiedades y otros.

de unos

Gutapercha: Caucho natural estructura molecular estéreo específica trans del caucho natural, tiene cierta cristalinidad, y por lo tanto es poco elástica.

IR: Poliisopreno sintético: Actualmente se emplean dos técnicas para la fabricación del caucho sintético: Con catalizadores Ziegler-Natta, y la polimerización aniónica, con alquil-litio, en ambos casos se necesitan productos muy puros, esto unido al alto precio del isopreno, hace que resulte poco competitivo frente al caucho natural. Los IR tiene menos dureza, rigidez, resistencia a la tracción y al desgarro que los cauchos naturales, pero también presentan menos histéresis y deformación permanente

BR: Polibutadieno: Mediante la polimerización de 1,3-butadieno., es uno de los más utilizados, actualmente se obtienen por polimerización en disolución, pueden clasificarse en dos grandes grupos : BR de alto contenido (93-97 %) de estructuras cis-1,4 preparado con catalizadores de coordinación; y BR de medio contenido (35%) preparado con catalizadores de alquil-litio. Tienen buenas propiedades mecánicas pero se trabajan con dificultad por lo que se mezclan con cacho natural y otros elastómeros sintéticos para que la mezcla no pierda cohesión y se desmenuce, les caracteriza su elevada resiliencia, su resistencia al frío, a la abrasión y a la aparición de grietas SBR: Cauchos butadieno estireno: CH2 = CH – CH =CH2 + CH2 = CH2 Butadieno Estireno: Mediante la polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno.. Se distinguen SBR fríos (se obtienen a 5 ºC) de alto peso molecular (del orden de 250000) y SBR calientes (se obtienen a 50 ºC) de bajo peso molecular( sobre 90000), el alto peso molecular mejora sus propiedades pero empeora su elaboración, esto a llevado a la formulación de mezclas de SBR fríos de muy alto peso molecular con un alto porcentaje (hasta el 50%) de aceite mineral, obteniéndose SBR extendido de menor coste, buenas propiedades y facilidad de elaboración. Mejoran sus características mecánicas con la adición de cargas reforzantes, concretamente su resistencia a la abrasión llega superar a la del caucho natural, y es más barato.

NBR: Cauchos nitrilo: Son copolimeros de butadieno y acrilonitrilo, los distintos tipos comerciales se diferencian en la proporción de acrilonitrilo ( entre el 18 y 50 % en peso). El acrilonitrilo le hace resistente a gasolinas, aceites y disolventes hidrocarbonatados, y es compatible con los plásticos polares (PVC), en detrimento de sus propiedades elásticas. También aumentan la resistencia a la tracción, abrasión, dureza y resistencia al calor con el aumento de acrilonitrilo, es atacado por el ozono, y por consiguiente no soporta bien la intemperie, este fenómeno a contribuido al desarrollo de cauchos NBR parcialmente hidrogenados, vulcanizados con azufre. CR: policloropreno o neopreno: Es un derivado del 2-cloro-1,3butadieno ; polimeriza como el butadieno y el isopreno en posición 1,4 fundamentalmente y también en posición 1,2 y 4,3, pueden vulcanizarse sin azufre, por simple calentamiento en presencia de óxidos metálicos (Zn, Mg) con condensación de ClH, el átomo de Cl favorece su resistencia al envejecimiento y al ozono, cristalizan con el estiramiento como el caucho natural y el IR Sus características mecánicas son buenas y no requieren cargas reforzantes, pero las llevan para abaratar costes. Tienen buena resistencia a la temperatura, auto extinguiéndose en el fuego, cuando se les aparta de la llama, y soportan los disolventes hidrocarbonatados.

IIR: Cauchos butiloson copolimeros del isobutileno con pequeñas cantidades de isopreno, la vulcanización por azufre es muy lenta, por lo que se añaden acelerantes ultrarrápidos e inhibidores. Se mezclan mal con el caucho natural, por lo que se emplean solos o con cauchos etileno propileno. Resisten bien los agentes químicos, el envejecimiento y tiene baja permeabilidad a los gases, lo que le hace el más adecuado para cámaras de neumáticos.

Aceites, resinas, y cauchos:: R y R' son radicales alquilos o arilos, como por ejemplo CH3 o C6H5 Fluidas, lubricantes, antiadherentes, y débilmente tóxicas. Cada molécula de silicona es una cadena compuesta por átomos de oxígeno y silicio alternados y con un grupo orgánico (como el metilo) unido al átomo de silicio. En la preparación de la metilsilicona, se combinan el cloruro de metilo y el silicio aleado con una pequeña cantidad de cobre (que es un catalizador de la reacción). El producto de la reacción, dicloruro de dimetilsilicio, se trata con agua y forma moléculas de silicona. Los aceites de silicona tienen un pequeño número de átomos de silicio en cada molécula; las resinas de silicio poseen moléculas mayores que están polimerizadas. Polimerización de las moléculas adyacentes, se producen aceites, resinas o cauchos. Los aceites de silicona pueden soportar temperaturas muy altas sin descomponerse y son químicamente inertes a los metales y a la mayoría de los reactivos. También conservan la viscosidad a bajas temperaturas (a las que los aceites hidrocarburos ordinarios se espesan) y a altas temperaturas (a las que los aceites ordinarios se diluyen demasiado).

• PROPIEDADES DE UN MATERIAL ELASTICO ✓ PROPIEDADES FÍSICAS Mecánicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los materiales elásticos frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma. Resistencia: Capacidad de soportar una carga externa Dureza: Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un material elástico bajo la acción directa de una carga determinada. Elasticidad: Capacidad de un material elástico para recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico, se expresa en Kg/mm². Plasticidad: Capacidad de deformación permanente material elástico sin que llegue a romperse.

de

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Tenacidad: La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad. Fragilidad: Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se

produce espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico. ✓ PROPIEDADES TECNOLÓGICAS. Ductilidad: Es la capacidad de un material elástico para dejarse deformar o trabajar en frío; aume...