Unidad 5. Materiales NO Metalicos PDF

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NSTITUTO TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO.

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INSTITUTO TECNOLÓGICO CAMPUS LZÁRO CÁRDENAS. LIZETH JACQUELINE MORA ARROYO. TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES. ROBERTO MARIN CONTRERAS. INGENIERÍA ELECTROMECANICA. UNIDAD 5. MATERIALES NO METÁLICOS. 21-E

Contenido UNIDAD 5. MATERIALES NO METÁLICOS...................................................1 INTRODUCCIÓN....................................................................................................3 MATERIALES NO METALICOS...............................................................................4 CARACTERÍSTICAS..........................................................................................4 6 PROPIEDADES FÍSICAS:...............................................................................5 PROPIEDADES QUÍMICAS:..............................................................................5 POLIMEROS..........................................................................................................6 POLIMERIZACIÓN.............................................................................................7 Consiste en una secuencia de reacciones químicas desde los monómeros a los polímeros.......................................................................................................7 Antecedentes Históricos.....................................................................................7 POSIBILIDADES DE POLIMERIZACIÓN:..........................................................8 TIPOS DE POLIMERIZACIÓN...........................................................................8 APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS............................................................9 CERÁMICOS........................................................................................................12 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:.................................12 PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:...........14 APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS.................................15 MATERIALES COMPUESTOS............................................................................16 ALGUNOS MATERIALES COMPUESTOS SON:............................................16 TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS......................................................17 MATERIALES COMPUESTOS MODERNOS..................................................18 APLICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS..................................20 CONCLUSIÓN.....................................................................................................21 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................22

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INTRODUCCIÓN. En este informe nos abocaremos específicamente a los materiales no metálicos, pero primero es necesario saber: ¿Qué son los polímeros? ¿Qué son los materiales cerámicos? ¿Qué son los materiales compuestos? La materia está formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. 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. En primera aproximación puede decirse que los materiales cerámicos son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos, sin embargo, esta definición engloba a las rocas y a muchos minerales que se encuentran en la naturaleza que no son considerados como cerámicos. Pueden ser definidas también, como un compuesto sólido que se obtiene por la aplicación de calor y en ocasiones con la combinación de calor y presión, comprimiendo por lo menos dos elementos con la condición que uno de ellos es un no-metal o un elemento sólido no–metálico. El otro elemento(s) puede ser un metal(s) u otro elemento sólido no-metálico. Por otro lado, el uso de materiales compuestos permite prescindir de materiales más clásicos como el acero y otros metales, debido a que van a poder ofrecer propiedades mejoradas. Así, por ejemplo, desde el punto de vista de la resistencia y la rigidez, los materiales compuestos reforzados con fibras ofrecen un alargamiento de rotura que es mucho menor si se compara con metales de resistencia similar. Del mismo modo, y con el estado actual de la tecnología, es posible fabricar materiales compuestos que poseen un mejor módulo de elasticidad por unidad de peso (módulo específico) y mejor resistencia por unidad de peso (resistencia específica) que muchos metales.

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MATERIALES NO METALICOS. Los no metales son elementos químicos que no son buenos conductores de la corriente eléctrica y el calor. Son muy débiles, por lo que no se pueden ni estirar ni convertir en una lámina.1 Las propiedades químicas de los no metales, a diferencia de los metales, son muy diversas, a pesar de que representan un número muy reducido, la mayoría de ellos son esenciales para los sistemas biológicos (oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre). En el grupo de los no metales se incluyen los halógenos1 (flúor, cloro, bromo, yodo, astato y téneso), que tienen 7 electrones en su última capa de valencia y los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón, radón), que tienen 8 electrones en su última capa (excepto el helio, que tiene 2). Por lo tanto, dicha capa está completa y son poco reactivos. CARACTERÍSTICAS. Los no metales varían mucho en su apariencia, no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales (aunque el diamante, una forma de carbono, funde a 3570 ºC).4 Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista 5 están incluidos cinco gases (H2, N2, O2, F2 y Cl2), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse ni en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: selenio, yodo, cloro. Pueden ser sólidos, líquidos o gases, indistintamente. Sus puntos de fusión y ebullición dependen de sus propiedades químicas, que están relacionadas con su capacidad para ganar electrones (los de la última capa, o sea los de valencia). No conducen bien la electricidad, muchos ante ella se descomponen o recombinan químicamente. Con el agua dan generalmente sustancias ácidas. Están ubicados a la derecha de la Tabla Periódica de Elementos, y al combinarse químicamente ganan electrones para adquirir la configuración electrónica del gas noble del mismo periodo.

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6 PROPIEDADES FÍSICAS:      

Sólidos (Ej: azufre y carbono). Líquidos (únicamente el bromo). Gaseosos (Ej: oxígeno e hidrógeno). No poseen brillo metálico a excepción del yodo. No son dúctiles ni maleables. No son buenos conductores del calor y de la electricidad (a excepciones de algunas formas alotrópicas del carbono y el fósforo).

PROPIEDADES QUÍMICAS:     

Sus átomos tienen en su última capa 4, 5, 6 y/o 7 electrones. Al ionizarse adquieren carga negativa.7 Al combinarse con el oxígeno forman óxidos no metálicos o anhídridos. Poseen moléculas formadas por dos o más átomos.

POLIMEROS. Los polímeros son un tipo de macromoléculas constituidas por cadenas de unidades más simples, llamadas monómeros, unidas entre sí mediante enlaces 15 de Mayo del 2020.

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covalentes (fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas). Su nombre, de hecho, proviene del griego polys (“muchos”) y meros (“segmento”).

Generalmente son moléculas orgánicas de enorme importancia tanto en el mundo natural como en el industrial del ser humano. Entre ellas se incluyen el ADN en nuestras células o el almidón de las plantas, hasta el nailon y la mayoría de los plásticos. A finales del siglo XIX e inicios del XX se descubrió cómo manipularlos. Así se revolucionó para siempre el manejo de materiales por parte de la humanidad.

Si se clasifican según su origen, los polímeros pueden ser: POLÍMEROS NATURALES. Su origen es biológico. POLÍMEROS SINTÉTICOS. Son creados enteramente por el ser humano. POLÍMEROS SEMISINTÉTICOS. Son creados por transformación de polímeros naturales. Si se clasifican según su composición, podemos distinguir entre: Polímeros orgánicos, que poseen una cadena principal de átomos de carbono. Polímeros orgánicos vinílicos, semejantes a los orgánicos, pero con enlaces dobles carbono-carbono. Incluyen las poliolefinas, estirénicos, vinílicos halogenados y acrílicos. Polímeros orgánicos no vinílicos, poseen átomos de oxígeno y/o nitrógeno en su cadena principal, además de carbonos. Incluyen los poliésteres, las poliamidas y los poliuretanos. Polímeros inorgánicos, basados en otros elementos como el azufre (polisulfuros) o el silicio (la silicona). 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).

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POLIMERIZA Consiste en una secuencia de reacciones químicas desde los monómeros a los polímeros.  1838 Vulcanización del caucho.  1846 Nitrato de celulosa.  1870 Celuloide.  1907 Baquelita.  1920 Hipótesis macromolecular (Staudinguer).  1926 Poli cloruro de vinilo (PVC). Antecedentes Históricos:      

1933 Polietileno (PE). 1938 Nailon (fibras). 1939 Poliestireno (PS). 1954 Polipropileno (PP). 1960 Aplicaciones de Resinas Epoxi. 198- Polímeros de altas prestaciones.

POSIBILIDADES DE POLIMERIZACIÓN: Existen diferentes posibilidades de polimerización, de tal forma que un monómero puede originar varios tipos de polímero y la combinación de varios monómeros pueden crear innumerables tipos de polímero.

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GRADO POLIMERIZACIÓN (XN): Es el número de unidades repetitivas en la cadena TIPOS DE POLIMERIZACIÓN: Poliadición y policondensación.

APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS.

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SOCIEDAD.

INDUSTRIA: La evolución de este sector ha sido lenta hasta la mitad del siglo pasado, pero a raíz de la “revolución del plástico” la sociedad y este sector sufrieron un cambio excepcional con la entrada de los polímeros sintéticos. Gracias a que los arquitectos, ingenieros y especialistas del sector empezaron a adquirir conocimientos de las ventajas que pueden brindan estos polímeros, hoy en día nos podemos beneficiar de múltiples y diferentes aplicaciones en la construcción y equipamiento de una vivienda y resto de obras públicas. Además, otro objetivo de estos profesionales es la de conseguir un equilibrio entre las necesidades de construcción de la población y la protección del medio ambiente, así como de la salud de sus habitantes. Estos polímeros resultaron ser materiales idóneos para satisfacer todas estas necesidades debido a sus características particulares. En general serían las siguientes: Durables y resistentes a la corrosión, por ello se aplican en elementos que están expuestos al aire libre pudiendo durar décadas.

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Aislantes tanto de frío como del calor, lo cual permite el ahorro de energía, y también aislantes acústicos. Muy ligeros frente a otros materiales usados en la construcción, siendo así manejables y fáciles de transportar y almacenar. Tienen buena relación costo / beneficio La mayoría (a excepción del PVC) son respetuosos con el medio ambiente, se pueden reciclar, reutilizar o trasformar en una fuente de energía. Estas son las características más generales, pero luego cada uno posee propiedades particulares que hacen que sean más adecuados para unas aplicaciones que para otras. Existe una gran variedad de polímeros usados en la construcción, pero los más utilizados son el PVC, PSE, PU, y PE (alta y baja densidad), tal como se aprecia en el siguiente gráfico: Consumo de plásticos en el sector de la construcción en Europa occidental. APLICACIONES: En el siguiente cuadro se resume la mayoría de estos polímeros explicando sus características y sus aplicaciones en este sector:

POLÍMERO CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES

PVC

APLICACIONES

Versatilidad, ligero, resistente aMembranas para impermeabilizar suelos, laminas para carteles, la intemperie, sobretodo en una gran variedad de Alta tenacidad (soporta altos cañerías tanto de domicilios como requerimientos mecánicos), fácilpúblicos. Electricidad: instalación, Baja toma de recubrimiento aislante de cables, humedad (cañerías), Resistente cajas de distribución, enchufes…. a la abrasión, al impacto, y a la corrosión, buen aislante térmico,Recubrimiento de paredes, techos, eléctrico y acústico, no propagapiscinas…. llamas, resistente a la mayoría Alfombras, cortinas tapizados, de los reactivos químicos, ventanas puertas, persianas duradero... muebles de exterior e interior, mangueras, carpas y recintos Sin duda es el más utilizado. inflables…….

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PU

EPS y PS

Resistente a la corrosión,Sobre todo, su uso en construcción Flexibilidad, ligero, no tóxico, altase basa como materiales de resistencia a la temperatura,aislamiento, en techos, cañerías. propiedades mecánicas y Paneles productos químicos. Baja conductividad térmica, granSe basan fundamentalmente en capacidad aislante (térmico),aislamientos sobretodo térmicos, resistencia a la compresión, altoen cañerías, suelos flotantes, poder de amortiguación, fácil deladrillos, techos, paredes y suelos, trabajar y manipular, estabilidaden hormigón liviano. a bajas temperaturas y soporta Construcción prefabricada, también altas temperaturas sistemas de calefacción, cámaras (cañerías de agua fría y caliente) frigoríficas. Embalajes de transporte frágil (amortiguación). Espuma de EPS se utiliza como relleno de vacío por ejemplo en puentes reduciendo peso total. Electrodomésticos.

HDPE

bajasRecubrimiento de cañerías, como aislante ya que el HDPE aguanta de-20ºC a85ºC. Revestimiento de Ligero , impermeable ,flexiblecables. Caños para gas, telefonía, duradero , siendo así de bajo agua potable, minería… mantenimiento y económico Laminas plásticas para aislamiento hidrófugo.

LDPE

Características similares,Revestimiento Flexible, ligero transparente,recubrimiento construcción impermeable, económico seguridad).

Resistente a temperaturas

las

para suelos, de obras en (cobertores de

Protección, tuberías para riego. Es el más ligero de todos los Alfombras, cañerías e materiales plásticos buenasinstalaciones de agua fría y propiedades mecánicas,caliente, cajas de electricidad, térmicas y eléctricas. Alta enchufes …Sacos y bolsas para temperatura decargar cemento y arena y otros reblandecimiento, óptimamateriales granulados o en polvo. resistencia química, a laSe distinguen por que repelen el abrasión, impermeable, largaagua, no se ensucian ni pudren y vida útil… 15 de Mayo del 2020.

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PP

son resistentes a la luz. Membranas de asfalto modificado para techos, fibras de PP para reforzar. Ideal para elementos de electrodomésticos. En maquinaria para la construcción.

PC

PET

Inerte, alta resistencia a laSe utilizan como “vidrios” de temperatura, propiedadesseguridad, como vallas y cercos de mecánicas, y productos químicos seguridad transparentes. Gran resistencia al impactoCarteles y exhibidores por su transparente ligero impermeable resistencia a la radiación UV, el viento, clima... Alfombras, cortinas, muebles de exterior (jardín…)

CERÁMICOS. La palabra cerámica (derivada del griego κεραμικός keramikos, "sustancia quemada") es el término que se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal. Los cerámicos son compuestos o soluciones compuestas, cuyos átomos se unen químicamente mediante enlaces iónicos y covalentes. Los cerámicos son duros pero frágiles. Y tienen un alto punto de fundición y son muy resistentes a la compresión. Los materiales cerámicos son malos conductores tanto térmica como eléctricamente, pero tienen una gran estabilidad química y eléctrica. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS: Los materiales cerámicos se clasifican según su capacidad de absorción de agua en cuatro tipos: porcelana, gres cerámico, semigres cerámico, y loza porosa. 15 de Mayo del 2020.

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Dicha característica física se relaciona con tres aspectos fundamentales de su proceso productivo:   

Temperatura de Cocción Presión de Moldeo Granulometría de la Mezcla Base. Así, los cuatro tipos cerámicos básicos y su capacidad de absorción de agua se relacionan con la temperatura de cocción según la siguiente tabla: Clasificación Porcelana Gres cerámico Semi gres cerámico Loza porosa

Absorción de agua 0% 0,50 % a 3,00% 3,00% a 6,00% > 6,0%

Temperatura de cocción > 1200 º c 1200 ºc a 1050 ºc 1200 ºc a 1050 ºc 1050 ºc a 890 ºc

Materiales cerámicos porosos o gruesos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes: Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc. Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas baratas, adornos, tiestos.... Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajilla y objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases: Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte. SE INTRODUCE DE NUEVO EN EL HORNO A LA MISMA TEMPERATURA Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir y temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación.... 15 de Mayo del 2020.

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GRES: Materiales cerámicos impermeables o finos: en los que se somenten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se ...