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Asignatura: materials, Profesor: Yomismo Yomismo, Carrera: Enginyeria d'Edificació, Universidad: UPC
Tipo: Apuntes
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2.1. Estructura y composición 2.2. Monómeros y polímeros 2.3. Polimerización y poliadición 2.4. Carboplastos, carboxiplastos y siliconas
3. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN PLASTICO.
3.1. Modificantes. 3.2. Catalizadores. 3.3. Plastificantes. 3.4. Estabilizadores. 3.5. Cargas y pigmentos. 3.7. Armaduras y refuerzos.
4. TIPOS DE PLASTICOS.
4.1. Polímeros lineales y ramificados 4.2. Termoplásticos y termoestables 4.2.1. Polímeros termoplásticos 4.2.1.1. Poliolefinas. 4.2.1.2. Polimerizados del estireno. 4.2.1.3. Homopolímeros. 4.2.1.4. Ésteres de polivinilo y polimetacrilo. 4.2.1.5. Óxidos, sulfonas y similares. 4.2.2.termoestables 4.2.2.1. Fenoplastos 4.2.2.2. Aminoplasto 4.2.2.3. Otras resinas. 4.2.2.4. Poliuretanos y similares. 4.2.2.5. Polímeros silicónicos 4.3. Elastómeros: Cauchos y gomas. 4.4. Los plásticos reforzados
5. ELABORACION.
5.1 Moldeo. 5.1.1. Presión. 5.1.2. Inyección. 5.1.3. Extrusión.
6. PROPIEDADES.
6.1. Propiedades mecánicas. 6.1.1. Resistencia a compresión. 6.1.2. Resistencia a tracción. 6.1.3. Deformabilidad. 6.2. Propiedades físicas 6.2.1. Densidad. 6.2.2. Propiedades eléctricas. 6.2.3. Propiedades térmicas. 6.2.4. Durabilidad. 6.3. Propiedades químicas
**7. APLICACIONES
“Plástico” proviene de PLASTIKOS palabra griega que significa susceptible de ser modelado o moldeado.
Quizá la mejor manera de caracterizar los plásticos es describir un número de cualidades que tienen en común, eliminando de esta forma los materiales que no las tienen:
Pueden ser plásticos- sólo una vez, o pueden ser tantas veces como se quiera. Sin embargo, esta propiedad no basta para distinguir a los plásticos de otros materiales. El vidrio y el hormigón pueden tener, un comportamiento análogo, pero no son, plásticos.
gigantes formadas por numerosas unidades repetidas combinadas en agregados muy grandes.
Los primeros plásticos, como el celuloide o la galalita , partían de polímeros a los que se añadían sustancias plastificantes. El proceso que condujo a los plásticos modernos fue la sintetización: partir de monómeros o moléculas sencillas para obtener polímeros mediante una reacción química polimerizante.
Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. En la década de los 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno (PE).
Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC) , un plástico duro y resistente al fuego. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE) , conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.
Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS). También en esta época se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana.
Nacen en 1942 las melaminas , las resinas epoxi , el poliuretano y en 1952 el policarbonato.
La evolución ha sido muy rápida, hoy tenemos unos 50 materiales que con sus tipos, subtipos, mezclas, etc. pueden llegar a ser unos 2000.
Caseina. CS.
La caseína es una proteina que se encuentra en la leche. No es soluble en agua, pero si lo es en álcalis (amoniaco, bórax, aminas...).
Nitrato de celulosa. CN. Termoplástico.
Celuloide.
Es la primera de la materia plásticas artificiales, inventadas por J.W. Hyatt mezclando nitrato de celulosa y alcanfor. Tiene multiples usos por su facil elaboración y coloración y por su gran resistencia y resiliencia. Se puede cortar, laminar, plegar, perforar, estirar, tornear, estampar a presión, modelar calentándola con agua o aire caliente; se puede encolar y decorar en superficie. En cambio no se puede someter a inyección ni a compresión ni tampoco trabajarla con el extrusor, ya que se descompone.
Acetato de celulosa. CA. Termoplástico.
Como la Celuloide se obtiene mediante la modificación química de un polímero natural: la celulosa que es una de las substancias orgánicas más comunes en la naturaleza. El acetato de celulosa es la primera materia plástica estampada a inyección. Tiene el aspecto de un polvo blanco y debido a su aspecto agradable se utiliza principalmente para la fabricación de objetos transparentes, translúcidos y opacos como las teclas para las máquinas de escribir y calculadoras, pulsadores, revestimiento de volantes para automóviles, empuñadura de cuchillos, pantallas, vidrios de relojes, partes de máscaras de protección, plumas, mangos de paraguas, juguetes etc...
Galatita. Termoplástico.
Uno de los primeros plásticos fue la galalita. Es una materia plástica natural de origen proteica obtenida de substancias orgánicas como la leche (caseina), cuerno o de productos vegetales como semillas de soja. Fue obtenida en 1897 por Adolph Spitteler y W. Kirsche partiendo del suero de la leche al que se le añadían plastificantes y que luego se endurecía con formaldehido. Conocida con el nombre comercial Galalith (Galalite en Italia y Erinoid en el Reino Unido) se presentaba con un aspecto similar al de la Celuloide o bien al marfil o al cuerno artificial.
Ebonita.
La ebonita es un material obtenido en el siglo pasado sometiendo la goma a un proceso de vulcanización. Algunos artículos fabricados con este material se expusieron en el 1851 en el Cristal Palace de Londres. Se trata de un compuesto a mitad de camino entre las materias plásticas autenticas y la goma natural. Durante el proceso de vulcanización se introduce en la masa azufre (30-50%), obteniendo un compuesto que posee gran poder dieléctrico, buena resistencia a los productos químicos, una cierta dureza y rigidez hasta temperaturas de 50 ºC y con un aspecto brillante. Se utilizó en separadores de baterías eléctricas, plumas estilográficas, boquillas de pipas, de instrumentos musicales...
Baquelita.
Termoplástico.
En 1909 el químico L. H. Baekeland sintetizó un polímero a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Este producto podía moldearse a medida que se formaba y resultaba duro al solidificar. No conducía la electricidad, era resistente al agua y los disolventes, pero fácilmente mecanizable. Se bautizó con el nombre de baquelita, el primer plástico totalmente sintético de la historia.
CARACTERISTICAS: Excelente resistencia mecánica. Buenas propiedades eléctricas, elevado poder aislante y gran resistencia a la humedad. Resistente al alcohol, tetracloruro de carbono, hidrocarburos aromáticos y petróleo. Difícilmente inflamable. Soporta los 110 o^ C.
USOS Y APLICACIONES: Aislante eléctrico (maquinarias, motores eléctricos, radio ...) Aislamiento de alta tensión para transformadores. Soportes para carretes.
Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen buenas resistencias mecánicas debido a la atracción entre sus grandes cadenas poliméricas. Estas fuerzas intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser:
Existen en moléculas de muy baja polaridad, generalmente en los hidrocarburos. Provienen de dipolos transitorios (como resultado de los movimientos de electrones, en cierto instante una porción de la molécula se vuelve ligeramente negativa, mientras que en otra región aparece una carga positiva equivalente). Estos dipolos producen atracciones electrostáticas muy débiles en moléculas de tamaño normal, pero en los polímeros, formados por miles de estas pequeñas moléculas, las fuerzas de atracción se multiplican llegando a ser enormes.
Polipropileno
Poliestireno
Poli(cloruro de vinilo)
Poli (metacrilato de metilo)
Los polímeros isómeros son polímeros que tienen esencialmente la misma composición de porcentaje, pero difieren en la colocación de los átomos o grupos de átomos en las moléculas.
2.1.2. Polimerización por condensación.
En la reacción de condensación, los monómeros se combinan con la formación y pérdida de moléculas pequeñas, como agua, alcohol, etc.
2.3. Homopolímeros y Copolímeros
Las diferentes combinaciones de monómeros se realizan para modificar las propiedades de los polímeros y lograr nuevas aplicaciones. Lo que se busca es que cada monómero imparta una de sus propiedades al material final; así, por ejemplo, en el ABS, el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el butadieno su flexibilidad y el estireno imparte al material la rigidez que requiera la aplicación particular.
No solo cambian las propiedades al variar las proporciones de los monómeros, sino también al variar su posición dentro de las cadenas.
Las mezclas físicas de polímeros, que no llevan uniones permanentes entre ellos, también constituyen a la enorme versatilidad de los materiales poliméricos. Son el equivalente a las aleaciones metálicas.
2.4. Concepto de Tacticidad
El término tacticidad se refiere al ordenamiento espacial de las unidades estructurales.
El mejor ejemplo es el polipropileno, que antes de 1955 no tenía ninguna utilidad. En ese año, Giulio Natta en Milán, utilizó para hacer polipropileno, los catalizadores que Karl Ziegler había desarrollado para el polietileno. Esos catalizadores, hechos a base de cloruro de titanio y tri- alquil-aluminio, acomodan a los monómeros de forma que todos los grupos metilos se sitúan al mismo lado en la cadena.
En esta forma, Natta creó el polipropileno isotáctico, que tiene excelentes propiedades mecánicas. Hasta ese momento, con los procedimientos convencionales, sólo se había podido hacer polímeros atácticos, sin regularidad estructural.
El polipropileno atáctico es un material ceroso, con pésimas propiedades mecánicas.
Otros catalizadores permiten colocar los grupos alternadamente, formando polímeros que se llaman sindiotácticos, los cuales, como los isotácticos, tienen muy buenas propiedades.
3.1. Modificantes.
Las diversas clases de plásticos y sus copolímeros proporcionan una amplia variedad de propiedades, pero no son suficientes para cubrir las muchas demandas de características y aplicaciones especiales que se requieren en el mercado. Los modificantes amplían el campo de aplicación de los plásticos y proporcionan una variación muy matizada de propiedades principalmente los plastificantes, estabilizadores, pigmentos o tintes...
3.1.1. Plastificantes.
Son materiales líquidos o sólidos que al mezclarlos con las resinas las vuelven blandas, más flexibles, más tenaces (y a veces más débiles) de lo que serían en cada caso. Posibilitan a bajas temperaturas lo que podría hacer el calor a temperaturas más altas, a base de atenuar las fuerzas de tracción entre las moléculas lineales y permitiendo que puedan moverse fácilmente unas con relación a las otras.
Un buen plastificante se caracteriza por:
3.1.2. Catalizador.
Sustancia cuya presencia hace reaccionar a dos o más productos entre sí, que por sí solos permanecerían prácticamente inertes unos frente a otros. En la química macromolecular también se denomina iniciador.
3.1.3. Estabilizadores.
Los plásticos sin mezcla, tales como la tubería de polietileno o la lámina de cloruro de polivinilo, pueden degradarse cuando se exponen aciertos ambientes, como por ejemplo la luz solar. Sin embargo, pueden reforzarse con estabilizadores, tales como los absorbentes de rayos ultravioleta y antioxidantes. El negro de humo, por ejemplo, convierte el polietileno, que es un material rápidamente degradable, en otro que resiste muy bien la luz solar y la intemperie.
Otros estabilizadores cumplen su cometido sin colorear ni volviendo opaco al plástico.
3.1.4. Cargas.
Material insoluble en polvo, granos o fibras incorporado a un compuesto polimérico para reducir su precio, su exotermia o su retracción y frecuentemente para aumentar su dureza, su resistencia a la abrasión o al calor u otra propiedad específica, como por ejemplo:
El material mezclado se contrae y se resquebraja menos, desgasta menos los moldes y cuesta menos que los fenólicos puros. Puede usarse cáscara de nuez molida o ingredientes semejantes. Con este material, de uso general, se hacen, por ejemplo, piezas de carpintería.
plastificantes o por copolimerización, incorporando cargas fibrosas, normalmente cortadas en longitudes de 1,5 m m a 15 m. Estos rellenos pueden ser fibras naturales tales como el algodón, cáñamo, o bien sintéticas, tales como el rayón, nylón, poliéster y fibra de vidrio.
3.1.6. Pigmentos
Muchos plásticos son transparentes e incoloros y por lo tanto coloreables; otros, admiten coloración limitada. Los acrílicos, por ejemplo, pueden incluirse en los de la primera clase, los fenólicos, en la segunda. En algunos casos, el color puede ser tanto en transparente como en opaco, en otros sólo en opaco.
Los tintes proporcionan colores transparentes; los pigmentos, opacos.
Los colores deben ser compatibles con el plástico y sus constituyentes, tales como plastificantes y estabilizadores, así como entre ellos. La estabilidad a la luz es normalmente función de la estabilidad inherente del tinte o del pigmento, pero puede ser afectada por interacciones a largo plazo con el plástico y sus constituyentes.
3.1.7. Armaduras y refuerzos.
Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto, lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de carbono) a la matriz de la resina plástica.
Los materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas, un material compuesto de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera.
3.1.8. Lubricantes.
Los lubricantes mejoran la procesabilidad de los polímeros, realizando varias importantes funciones.
Nota: Con el fin de favorecer el conocimiento de los distintos materiales plásticos, especialmente en el momento de su clasificación, la Sociedad de Industrias Plásticas de los Estados Unidos (SPI) ha difundido un código de identificación de uso corriente a nivel internacional, que es el utilizado en este tema. Existen más de 100 tipos de plásticos, los más comunes son sólo 6 y se los identifica con un número dentro de un triángulo (símbolo de reciclaje) para efecto de facilitar su clasificación para el reciclado.
4.1. Polímeros termoplásticos. (También llamados pistómeros o termoplastos).
Son polímeros (lineales, ramificados o no), que de manera reiterativa se pueden reblandecer (plastificar) por la acción del calor y endurecer al enfriase. Pueden llegar a fundirse sin que tenga lugar su descomposición químico siempre que no se alcance una determinada temperatura, denominada de descomposición.
Están constituidos por macromoléculas líneales o ramificadas que, a partir de cierta temperatura, inferior a la de descomposición, deslizan entre sí de modo que el material adquiere una fluidez viscosa.
Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición vítrea Tg (si se trata de un material amorfo), o una temperatura de fusión Tm (si se trata de un material cristalino), superior a la temperatura ambiente.
Por lo general los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar, reciclables y bastante económicos. La principal desventaja deriva del hecho de que son materiales que funden, de modo que no tienen aplicaciones a elevadas temperaturas puesto que comienzan a reblandecer por encima de la Tg, con la consiguiente pérdida de propiedades mecánicas.
4.1.1. Poliolefinas. (polietileno, polipropileno, polibuteno, polisobutileno, etc.)
Polietileno. PE. Termoplástico.
El polietileno es un termoplástico fabricado a partir del etileno (elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas natural) , en forma de gránulos o de polvo blanco. Sus propiedades técnicas depende de la masa molecular, la ramificación de la cadena y el grado de cristalinidad, por lo que el método de elaboración influye considerablemente, especialmente la presión.
Todos los polímeros derivados del etileno tienen una gran resistencia a los productos químicos , acidos , bases, aceites, grasas, disolventes ... Sin embargo, su resistencia es moderada para los hidrocarburos normales y clorados.
Debido a su gran facilidad de extrusion para film, los poliestilenos son muy utilizados para recubrimientos de otros materiales , papel, cartón, aluminio...y para embalajes.
El etileno, según la temperatura a que se someta puede transformarse en dos tipos de polimeros:
Polietileno de alta densidad
El polietileno de alta densidad es un termoplástico fabricado a partir del etileno a temperaturas inferiores a 70 ºC y presión atmosférica (proceso Ziegler-Natta).
Polimeriza con estructura lineal (de tipo cristalino), y densidad comprendida entre 0,94 y 0´96 kg/dm 3.
Es muy versátil y se lo puede transformar de diversas formas: Inyección, Soplado, Extrusión, o Rotomoldeo.
USOS Y APLICACIONES: El PEAD , polietileno de alta densidad, se utiliza para fabricar bolsas, cajas de botellas, tuberías, juguetes, cascos de seguridad laboral .. Gracias a su estructura lineal sirve para cuerdas y redes de pesca, lonas para hamacas .. La resistencia térmica permite usarlo para envases que deban ser esterilizados en autoclave (leche , sueros ..) También en construcción se utiliza en tuberías para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario.
CARACTERISTICAS:
Resistente a las bajas temperaturas - Irrompible - Impermeable - No tóxico.
Polipropileno
Es un termoplástico que se obtiene por polimerización del propileno. Los copolímeros se forman agregando etileno durante el proceso.
Soporta bien temperaturas cercanas a los 100 ºC por lo que se utiliza para tuberías de fluidos calientes.
Piezas de automóviles (parachoques) y electrodomésticos, cajas de baterías , jeringas desechables, tapas en general, envases, baldes, todo tipo de cartelería interior y exterior.
Al tener una estructura lineal se utiliza para rafias y monofilamentos , fabricación de moquetas , cuerdas , sacos tejidos , cintas para embalaje, pañales desechables...
Plástico rígido de alta cristalinidad y elevado Punto de Fusión, excelente resistencia química y baja densidad (la más baja de todos los plásticos). Al adicionarle cargas (talco, caucho, fibra de vidrio...), se refuerzan sus propiedades hasta transformarlo en un polímero de ingeniería. Muy sensible al frío y a la luz ultravioleta (envejece rápidamente), por lo que necesita estabilizantes a la luz.
Barato, resistente a la temperatura, y no tóxico.
Es transformado en la industria por los procesos de inyección, soplado y extrusión/termoformado. Fácil manipulado, se puede cortar, perforar y troquelar.
4.1.2. Polimerizados del estireno. (poliestirenos, copolímeros ABS y ASA, etc.)
Poliestireno
El poliestireno estructuralmente, es una larga cadena hidrocarbonada, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono.
Las materias primas para la fabricación del estireno son el etileno y el benzeno
Hay tres clases de poliestireno:
Es Termoplástico y fácilmente moldeable a través de procesos de: Inyección, Extrusión/Termoformado, Soplado.
Se usa en envases, vasos, platos y cubiertos desechable, neveras portátiles, máquinas de afeitar desechables, juguetes, cassettes, aislantes térmicos y acústicos ...
Ignífugo - No tóxico - Transparente - Irrompible - Fácil limpieza. Fácil de serigrafiar. Fácil de manipular, se puede cortar, taladrar, perforar, troquelar
Acrilonitrilo-estireno. SAN.
Termoplástico.
El SAN fue desarrollado para conseguir altas fluideces y rigidez a la vez que un buen comportamiento al impacto y transparencia, caracteristicas que no cumplía el PS ni el ABS.
Se podria definir como un PS mezclado con cauchos, o un copolímero de estireno/acrilonitrilo.
CARACTERISTICAS:
Resistente a altas temperaturas y al ataque de agentes químicos. Excelentes propiedades mecánicas Fácil procesabilidad Muy buena transparencia Buena estabilidad dimensional.
USOS Y APLICACIONES: Industria: Encendedores: por su transparencia y buena resistencia al ataque de los agentes químicos. Cubre lámparas, por su transparencia y buenas propiedades mecánicas, pudiendo ser aditivado contra los rayos UV. Embalajes de todo tipo, como recipientes de cocina que requieran aptitud alimentaria, transparencia, y o buen comportamiento a bajas temperaturas. Piezas interiores de neveras. Ventiladores de aire acondicionado.
Electricidad: Carcasas de secadoras, piezas de aparatos de TV, cajas de baterias. Aparatos de vídeo, se utiliza por su extraordinaria rigidez y elevada temperatura de distorsión.
Plásticos de estireno-butadieno. SBP. Termoplástico.
Los copolímeros de estireno-butadieno con mayor contenido de butadieno, hasta de 60%, se usan para hacer pinturas y recubrimientos ahulados. Para mejorar la adhesividad, en ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros.
4.1.3. Polímeros halogenados. (policloruros de vinilo, copolímeros vinílicos, politetrafluoretileno o teflón, polifluoruro de vinilo, etc.).
PVC. Cloruro de polivinilo
Se produce a partir de dos materias primas naturales: gas 43% y sal común (*) 57%.
Estructuralmente, el PVC es similar al polietileno, con la diferencia que cada dos átomos de carbono, uno de los átomos de hidrógeno está sustituido por un átomo de cloro.
A este polímero termoplástico es necesario añadirle aditivos, plastificantes, elastificantes, cargas y otros polímeros para que adquiera las propiedades que permitan su utilización en las diversas aplicaciones.
Así, puede ser flexible o rígido; transparente, translícido o completamente opaco; frágil o tenaz; compacto o espumado.
El PVC rígido no lleva aditivos plastificantes. El flexible o plastificado, sí los lleva.
USOS Y APLICACIONES:
Envases. Perfiles para marcos de ventanas, puertas. Tuberías de desagües, mangueras, aislamiento de cables. Juguetes, envolturas para golosinas, películas flexibles para envasado, papel vinílico (decoración)... Objetos termoconformados industriales y domésticos. Tableros para mesas de trabajo y estanterías para laboratorios. Aparatos electrodomésticos.
CARACTERISTICAS:
Su capacidad para admitir todo tipo de aditivos permite que pueda adquirir propiedades muy distintas y teniendo en cuenta su precio relativamente bajo le hace ser un material muy apreciado y utilizado para fabricar multitud de productos.
Ignífugo (con altas temperaturas los átomos de cloro son liberados, inhibiendo la combustión).
Resistente a la intemperie, no tóxico, impermeable y no quebradizo.
Buenas propiedades de aislamiento.
Fácil de manipular, se puede cortar, taladrar, clavar, enroscar, perforar, pegar...
Resistente a los agentes químicos y corrosivos.