UNIDAD 5 PROCESOS INDUSTRIALES DE PLÁSTICOS TÉRMICOS, COMPUESTOS, TERMOFRAGUANTES Y MATERIALES CERÁMICOS PDF

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Investigaciones tomadas de la red en base a los procesos plásticos térmicos e cerámicos...

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tecnológico

de

estudios

superiores

de

la

región

carbonífera.

Ingeniería industrial UNIDAD 5 PROCESOS INDUSTRIALES DE PLÁSTICOS TÉRMICOS, COMPUESTOS, TERMOFRAGUANTES Y MATERIALES CERÁMICOS

Procesos de fabricación

Mario Sebastian Zavala Rivera

201DD560

Catedrático: Edmundo Montelongo Bernal.

Un polímero Se define como un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una delas cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. La palabra Polímero tiene definición por lo griego poly (muchos), y mero (es parte). La mayoría de los polímeros están basados en el carbono, y por ello se les considera productos químicos orgánicos .Los polímeros se catalogan en: Plásticos Cauchos (hules)- categoría de los elastómeros (E.1) Por lo general el término plástico define a todos los materiales capaces de ser moldeados o modelados. La aplicación moderna de ésta palabra ha cambiado su significado hasta incluir un extenso grupo de materiales orgánicos sintéticos que se hacen plásticos por la aplicación del calor y son capaces de formarse bajo presión. Estos remplazan a materiales tales como el vidrio, madera y metales en la construcción y se hacen muchos artículos útiles, incluyendo revestimientos y filamentos para tejidos. TIPOS DE PLÁSTICOS Lo que son las materias plásticas se identifican en dos clases fundamentales: termofraguantes y termoplásticas. La diferenciación se puede identificar sobre la estructura molecular de lo que son sus compuestos y sobre su comportamiento en presencia de calor en la fase de su elaboración. Durante el proceso de estampado de un termoplástico no se verifica ninguna reacción química y el estampado no es irreversible por que las termoplásticas pueden ser llevadas al estado plástico y sucesivamente de nuevo al estado sólido sin que pierdan sensiblemente las características. Las

resinas

termofraguantes

se

obtienen por poli condensación. El

policondensado es un material termofraguante porque en la fase de elaboración, cuando se caliente y se somete a la acción de la presión se puede determinar una reacción química que provoca una reestructuración de carácter irreversible de la molécula: una vez formado, un termofraguante no es más recuperable. Un ejemplo de

termofraguantes viene siendo las resinas fenólicas, las melanímicas, las uréicas y el poliester. Plásticos compuestos Los plásticos compuestos, están constituidos por dos componentes que forman dos o más fases distintas físicamente cuya combinación les confieren propiedades agregadas, diferentes de las de sus componentes. El interés, tanto comercial como tecnológico, viene del hecho de que sus propiedades no sólo son distintas de las de sus componentes, sino que con frecuencia mucho mejores. Se pueden diseñar compuestos que sean muy fuertes y rígidos, pero de peso ligero; tener compuestos que no se corroan como el acero; se pueden obtener materiales compuestos con propiedades que no tienen los metales o cerámicos. No obstante tienen sus desventajas, algunos procesos de formación de materiales compuestos son lentos y ala ves costosos; algunos compuestos son susceptibles al ataque químico o de solventes; en general los materiales compuestos son caros, pero disminuye su valor si aumenta su volumen 4.3.

Materias primas

La mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa del algodón, el furfural de la cáscara de la avena, aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón. La caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del nailon tenía una base que estaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el nailon 11 se fabrica todavía con semillas de ricino, la mayoría de los plásticos se fabrican con derivados del petróleo. Las materias primas que se sus compuestos se derivan del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se iniciaron investigaciones de otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón. El petróleo en su refinado se divide por destilación en varias lo que son otras fracciones, de las cuales la que se emplea para la fabricación de los plásticos es la de las naftas. La nafta mediante un proceso térmico denominado cracking, se transforma en una mezcla de etileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos ligeros; a partir de esta mezcla se obtiene la materia prima para los plásticos.

Pero el proceso no termina ahí, ya que por ejemplo el etileno supone materia prima para unos determinados plásticos; y a partir de él por reacción con diferentes compuestos se obtienen productos como el estireno o el cloruro de vinilo, que a su vez son materia prima para otros plásticos. Los plásticos son polímeros y se estos son elaboraros mediante un proceso llamado polimerización: enlaces químicos entre monómeros para crear polímeros. El tamaño y la estructura de las moléculas, así como la naturaleza de los enlaces confieren a los plásticos sus propiedades. Las materias primas para los compuestos plásticos, son diversos productos agrícolas y muchos otros materiales minerales y orgánicos, incluyendo carbón, gas, petróleo, piedra caliza, sílice y azufre. Al momento de la fabricación se agregan otros ingredientes tales como polvos colorantes, solventes, lubricantes, plastificantes y materiales de relleno. El aserrín, la harina, algodón, fibras de trapo, asbesto, metales pulverizados, grafito, vidrio, arcilla y tierra diatomácea son los materiales más importantes usados como relleno. Tales productos como asientos para sillas a la intemperie, telas plásticas, recipientes para basura, fundas para máquinas, artículos para equipaje, cascos de seguridad, cañas para pescar y partes para instrumentos, son ejemplos de los productos que utilizan este relleno. Su utilización reduce los costos de fabricación, disminuye el encogimiento, mejora considerablemente la resistencia al calor, suministran resistencia al impacto o le imparten al producto otras propiedades deseables. 4.1. Compuestos termofraguantes (fenólicas, resinosas y furámicas) Los materiales plásticos se pueden clasificar en termofraguantes y termoplásticos. Termofraguantes Tienen una formación en base al calor y con o sin presión, resultando un producto que es permanentemente duro. El calor ablanda primero al material, pero al añadirle más calor o sustancias químicas especiales, se endurecen por un cambio químico conocido como polimerización y no puede ser reblandecido. La polimerización es un proceso químico que da como resultado la formación de un nuevo compuesto cuyo peso molecular es un múltiplo del de la sustancia original.

Los procesos utilizados para plásticos termofraguantes, incluyen compresión o moldeo de transferencia, colado, laminado o impregnado. Fenólicas Es uno de los principales plásticos termofraguantes que se usan en la actualidad en la industria. Dicha resina sintética se elabora mediante la reacción del fenol con el formaldehído, forma un material duro, de alta resistencia, durable, capaz de ser moldeado bajo una amplia variedad de condiciones. Este material tiene alta resistencia al calor y al agua y puede producirse en una gran variedad en colores. Se usa en la fabricación de materiales de revestimiento, productos laminados, ruedas de esmeril y agentes aglutinantes para metal y vidrio, pudiendo moldearse en muchas formas útiles, tales como cajas moldeadas, clavijas eléctricas, tapones de botella, perillas, carátulas, mangos para cuchillos, gabinetes para radio y otras numerosas partes eléctricas. Los compuestos fenólicos son moldeados por compresión o moldeo de transferencia. Resinas amínicas Las resinas más importantes son formaldehído de urea y formaldehído de melanina. Este componente plástico, también termofraguante, se puede obtener en forma de polvo para moldear o en solución para usarse como liga y adhesivo. Esto a su vez se combina con una variedad de relleno, mejora las propiedades mecánicas y eléctricas. Las buenas características de flujo de la resina de melanina hacen un modelo de transferencia, conveniente para tales artículos como vajillas, piezas de encendido, perillas y estuches para rasuradoras. 4.5 Celulosas, poliestirenos, polietilenos y propilenos. Los materiales termoplásticos se procesan principalmente por inyección o moldeo soplado, extrusión, termoformado y satinado. Celulosas Las celulosas son termoplásticos preparados de varios tratamientos con fibras de algodón y madera. Son muy tenaces y se producen en una amplia variedad de colores. Acetato de celulosa.

Esto es un compuesto más estable que tiene una resistencia mecánica considerable y fácil al ser fabricado y manipulado en láminas o ser moldeado por inyección, compresión y extrusión. Con este material se fabrican envases de exhibición, juguetes, perillas, cuerpos de lámparas eléctricas, revestimientos de cerdas para brochas de pinturas, etc. Acetato-butirato de celulosa. Es un compuesto para moldeos, es similar al acetato de celulosa y ambos se producen en todos loso colores por los mismos procesos, en general se reconoce por su baja absorción de humedad, por su fuerza, estabilidad dimensional bajo diversas condiciones atmosféricas y por su capacidad para ser extruido continuamente. Es utilizado para fabricar los siguientes productos: cascos para futbol, armazones Poliestirenos Es un material que se adapta para moldeo por inyección y extrusión. Algunas de sus características más que se conocen es, su bajo peso específico 1.07, es fácil de obtener en colores claros a opaco, resistentes al agua y a la mayor parte de loa gentes químicos, estabilidad dimensional y buenas características de aislamiento. Polietilenos Los productos de polietileno son flexibles tanto temperatura ambiente normal como a bajas temperaturas, son a prueba de agua, no los afecta la mayoría de los agentes químicos; son capaces de sellar por calor y pueden producirse en muchos colores. El polietileno es uno de los plásticos más ligeros, pudiendo flotar en el agua, tiene una densidad de .91 a .96. Es uno de los plásticos más económicos y sus características de resistencia a la humedad favorecen para envolver y para hacer bolsas. Otros productos son: charolas para cubos de hielo, charolas para revelado, telas, material de envoltura, biberones, mangueras para jardín, cables coaxiales y partes aislantes para aplicaciones de alta frecuencia. Estos productos se pueden fabricar en moldeo por inyección, moldeo soplado o extruirse en láminas, películas, etc. Polipropileno

Puede ser procesado por todas las técnicas termoplásticas. Tiene excelentes propiedades eléctricas, alta resistencia al impacto y a la tensión, con buena resistencia a los productos químicos y al calor. Los monofilamentos de polipropileno se usan para hacer sogas, redes y telas, también se fabrican artículos para hospital y laboratorio, juguetes, muebles, etc. Resinas furánicas Las resinas furánicas de obtienen procesando productos agrícolas de desecho, tales como olotes, cascaras de arroz y de semillas de algodón, con ciertos ácidos. La resina termofraguante que se obtiene es de color obscuro resistente al agua y tiene excelentes cualidades eléctricas. Estas resinas también son usadas como aglutinantes para arena de corazones de fundición, como aditivos endurecedores para enyesar, también como agentes adhesivos en compuestos de piso y en productos de grafito. 4.6. Materiales cerámicos La palabra cerámica tiene un origen del vocablo griego keramos, cuya raíz significa quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos. Desde la década de los 50 en adelante, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos no tradicionales. Ejemplos de materiales cerámicos •Nituro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo. •Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.

4.6.3. Propiedades generales y aplicación de los cerámicos.

En comparación con los metales, los cerámicos tienen las siguientes características relativas: fragilidad, alta resistencia mecánica y dureza a temperaturas elevadas, módulo de elasticidad elevado y tenacidad, densidad, dilatación térmica y conductividad térmica y eléctrica bajas. Sin embargo, en vista de la amplia diversidad de composiciones de material cerámico y de tamaños de grano, las propiedades mecánicas y físicas de os cerámicos varían significativamente. Por ejemplo la conductividad eléctrica de los cerámicos se puede modificar de mala a buena. En vista de su sensibilidad a los defectos y fallas, así como a las grietas superficiales e internas, a la presencia de diferentes tipos y niveles de impurezas y debido a métodos diferentes de manufactura, las cerámicas pueden tener una amplia gama de propiedades. Aplicaciones de los cerámicos Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. Se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y electrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistencia dieléctrica alta y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para bocinas. un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y sanitarios. La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su resistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posibles gracias al uso de componentes cerámicos significan una combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones de los automóviles Referencias bibliográficas. 4.2.- TIPOS DE PLASTICO. (2012, 24 agosto). TODO INGENIERIA INDUSTRIAL. Recuperado

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https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/procesos-de-fabricacion/4-2-tipos-deplastico/

Procesos Industriales de Plásticos térmicos, compuestos y termofragantes y materiales cerámicos. (2017, 4 diciembre). Procesos de fabricación. Recuperado 22 de febrero de 2022, de http://u5ittolprocesos.blogspot.com/

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Polímeros. Definamos lo que es un polímero como un material compuesto de moléculas, que poseen largas secuencias de una o más clases de átomos o grupos de átomos, unidos entre sí por enlaces primarios, generalmente covalentes. Los polímeros son producidos mediante la polimerización. De los monómeros o unidades simples de las cuales están formados. Diferentes procesos de polimerización han sido desarrollados. Plásticos es el nombre que comúnmente se conoce a los materiales poliméricos (pueden incluir algún tipo de aditivo) debido a su comportamiento en el estado de fluidez, particularmente en el caso de los termoplásticos. De manera muy general, los polímeros se pueden clasificar en tres grupos: Termoplásticos Termoendurecibles o termofijos Elastómeros Los termoplásticos son compuestos por cadenas lineales o ramificadas y poseen la característica de ablandarse con la adición de calor, y son procesables en el estado de fluidez. Pueden ser reprocesados. Ejemplos de materiales termoplásticos son: Polietileno (PE), Polipropileno (PP), Poliestireno (PS), Policloruro de vinilo (PVC), etc. En los termoendurecibles las cadenas forman parte de una red tridimensional, y están unidas por en trecruzamien tos o "crosslinks". Dicha estructura les confiere las propiedades de dureza y resistencia al calor que poseen. Son fabricados en base a resinas monoméricas que son líquidos de baja viscosidad. Las resinas más usadas son las de poliéster no saturado (UP), las epóxicas y las fenólicas. Los elastómeros, que incluyen cauchos y gomas, también poseen una estructura tridimensional, pero las uniones son más débiles que en el caso de los termoendurecibles, dando lugar a las conocidas propiedades de elasticidad y de tolerar grandes deformaciones. El comportamiento mecánico de los elastómeros ha sido modelado con bastante precisión por la teoría de la elasticidad del caucho.

En esta teoría se modela la estructura de los elastómeros como una red tridimensional y se hace uso de consideraciones termodinámicas y de la incompresibilidad de estos materiales al ser sometidos a deformaciones mecánicas, para proponer relaciones de esfuerzo y deformación. PROCESOS PARA ELABORACIÓN DE PRODUCTOS. Manufactura de termoplásticos. Los termoplásticos, presentados en la sección anterior, ocupan el primer lugar En cuanto a volumen entre los materiales poliméricos. Los más usados son: polietileno (PE), poliestireno (PS) y polipropileno (PP). En esta investigación sólo se tratará los procesos de manufactura concernientes a los termoplásticos.

Etapas de la manufactura de termoplásticos. Todo proceso de manufactura de termoplásticos incluye las siguientes etapas: plastificación, conformado o moldeado, y enfriamiento. El proceso de plastificación se produce cuando el material es calentado. El calentamiento puede ser por fuentes externas (conducción, convección, radiación) o internas (disipación por trabajo mecánico o dieléctrico). En esta etapa el polímero pasa del estado sólido al estado de fluidez. El conformado o moldeado requiere el uso de moldes o matrices para producir objetos de diferentes formas. La última etapa, el enfriamiento del objeto moldeado o conformado, es la que usualmente toma más tiempo debido a la baja conductividad térmica que poseen los termoplásticos.

Propiedades de los termoplásticos Los termoplásticos tienen propiedades específicas que deben ser tomadas en cuenta al diseñar e implementar un proceso de manufactura para estos mismos, un ejemplo seria: •Baja conductividad térmica •Alta viscosidad (1000-10000 Pa.s) •Viscoelasticidad Etapas en el procesamiento de polímeros termoplásticos. La primera es una propiedad muy conocida en materiales plásticos, pues éstos presentan una conductividad térmica bastante menor que la de los metales. Por ejemplo el polipropileno (PI') tiene una conductividad térmica k= 0.17 \V/ mK a temperatura ambiente. Esta propiedad es, en el caso del procesamiento de termoplásticos, la que determina largos tiempos de enfriamiento en su procesamiento, y por consiguiente largos tiempos de ciclo1. Obviamente, esto es una desventaja cuando se necesitan altas productividades. La alta viscosidad en los materiales plásticos en estado de fluidez origina altos esfuerzos cortantes en el procesado, los que dan lugar a una gran disipación térmica. Esto puede ser usado ventajosamente al reducir la cantidad de calor que hay que afi.ad ir al polímero para la plastificación, sin embargo presenta el inconveniente de generar grandes presiones, y así la necesidad de emplear maquinaria robusta para el procesado. Dado que los termoplásticos, en el estado de fluidez, se comportan como fluidos no Newtonianos (es decir no siguen la ley de Newton de los fluidos) la viscosidad de éstos disminuye al aumentar la velocidad de deformación. L = k ·Y JI Donde r es el esfuerzo de corte en el fluido, k es una constante o factor de consistencia, (y) es l...