01 Polimeros TP - TE bases conceptuales.pdf

8/20/2019 01 Polimeros TP - TE bases conceptuales.pdf

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Manuel Cabrera C. Bases Polímeros 1

MATERIALES POLIMÉRICOS Y

COMPUESTOS:BASES CONCEPTUALES …

ESTRUCTURA ; PROPIEDADES; PROCESAMIENTO


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UNA MIRADA ENERGÉTICA LOS MATERIALES…

100MJ equivale

23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo


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100MJ equivale23.884 Kcal> 2,5 lt petróleo


4/60Manuel Cabrera C. Bases Polímeros 4

100MJ equivale23.884 Kcal

> 2,5 lt petróleo



100MJ equivale23.884 Kcal

> 2,5 lt petróleo



TEMARIO

Bases conceptuales polímeros Propiedades y selección: Materiales

poliméricos Termoplásticos, Termoestables y

Elastómeros Caracterización de Polímeros Termoplásticos Caracterización y procesamiento de

Polímeros termoestables y compuestos Aplicaciones

Propiedades diferenciadas Aspectos de Diseño en Materiales

Compuestos



MATERIALES POLIMÉRICOSUNA FORMA DE VERLOS…

TermoplásticosFundibles, ReciclablesProcesamiento múltiple

TermoestablesNo reciclables.

Un sola aplicaciónOrientación principal:MATERIALES COMPUESTOS



VARIAS FORMAS DE CLASIFICACIÓN

Termoestables – termoplásticos Termoplásticos: Amorfos – Semicristalinos

Commodity – Ingeniería – Altas prestaciones Método de síntesis: adición –condensación Homopolímeros – Copolímeros Estereoisomerismo: Atáctico - sindiotáctico

isotáctico Materiales compuestos: plásticos reforzados y

concretos poliméricos



TP: MUCHAS CADENAS(TRENES) FORMADAS

POR MUCHOS (POLI)MEROS (CARROS)



Grado de polimerización: largo de la cadena, que se expresa enN° de meros o en el peso molecular

Caso extremo

PEUHMW hasta8.000.000 de meros

PROPIEDADES PARTE DE LA RESISTENCIA DE LOS POLÍMEROS ES



PROPIEDADES… PARTE DE LA RESISTENCIA DE LOS POLÍMEROS ESCAUSADO POR ENTRAMPAMIENTO MECÁNICO DE LAS CADENAS… SU

MOVIMIENTO EN ESTADO “ FUNDIDO” ES MÁS DIFICULTOSO… PROPIEDADESREOLÓGICAS



CONTEXTO: COMPARACIÓN DE PROPIEDADES

POLÍMEROS TP Y TERMOESTABLES (THERMOSET)



POLÍMEROS TP Y TERMOESTABLES (THERMOSET)

EN ESTADO SÓLIDO, CONDICIÓN DE APLICACIÓN: Los polímeros termoplásticos (TP) están formados por cadenas

de polímeros enrolladas entre ellas y unidas químicamente por

enlaces débiles o enlaces Van der Waals Los polímeros termoestables (TE) las cadenas están unidas

entre ellas por enlaces muy fuertes (de alta energía), del mismoorden de magnitud que los enlaces EN LAS CADENAS…

ESTÁN ENTRECUZADAS

CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS POLÍMEROS


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CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS POLÍMEROSTERMOPLÁSTICOS: TP

Antes de nada debe entenderse que los polímerostermoplásticos son fundibles, en el sentido de que lascadenas quedan “ sueltas” sobre la temperatura de fusión

y a partir de este estado se les da la nueva forma porextrusión, inyección, rotomoldeo, etc. Largo de la cadena. Afecta a la propiedades de resistencia

mecánica, rigidez… y afecta a la viscosidad(procesabilidad del estado líquido) Expresado a través del número de meros por cadena = GRADO DE

POLIMERIZACIÓN (GP)

Expresado por el PESO MOLECULAR de las cadenas = Pesomolecular del mero * GP

Nivel de ramificación de las cadenas. Afecta a la densidady a la cristalinidad Cadenas LINEALES (más densas y cristalinas) versus

RAMIFICADAS


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REPRESENTACIÓN ESTRUCTURA DEL PE

(a) Modelo sólidotridimensional

(b) Modelo espacialtridimensional

(c) Modelo simpledimensional

GRADO DE POLIMERIZACIÓN PESO MOLECULAR


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GRADO DE POLIMERIZACIÓN – PESO MOLECULAR

Los monómeros se unen formando una cadena en la cual el número de

monómeros es el GRADO DE POLIMERIZACIÓNEspecie Molécula "PM" Peso de un mol, gr

Agua H2O 18 18

UHMWPE -C2H4- 4.000.000 8.000.000 28 168.000.000Pesos Atómicos: H=1; O=16 Pesos Atómicos: C=12; H=1

UHMWPE POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR

1

Número de moléculas

Afecta a la densidad… a la cristalinidad… a la transparencia

Lineal (figura a) – Ramificado (b)

PARÁMETRO PROPIEDAD INFLUENCIA


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PARÁMETRO PROPIEDAD INFLUENCIA

Grado de ramificación Densidad Cristalinidad

Peso Molecular Fluidez Procesabilidad

Distribución de peso molecular

Tropismo “Homogeneidad”

LDPEMDPE HDPE

Norma ASTM D1248 Densidad Norma BS

PE Tipo I LDPE 0.910-0.925 0.910-0.930

PE Tipo II MDPE 0.926-0.940 0.931-0.944

PE Tipo III HDPE 0.941-0.959 >0.945

PE Tipo IV HDPE >0.960

PESO MOLECULAR

200.000 A 500.000

500.000 A 8.000.000

HMWPE

UHMWPE

POLÍMEROS TERMOESTABLES: ENLACES


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POLÍMEROS TERMOESTABLES: ENLACESFUERTES ENTRE CADENAS…. SON MÁS

RÍGIDOS!

c) POLÍMERO TERMOESTABLE (Thermoset) sin ramificación decadenas y entrecruzadas por enlaces covalentes de altaenergía. Los puntos de unión o de entrecruzamiento estándestacados con puntos.

d) Polímero TERMOESTABLE CON CADENAS RAMIFICADAS EINTERCONECTADA (ENTRECRUZADA) POR ENLACES

COVALENTES.

POLÍMEROS TERMOESTABLES TE


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POLÍMEROS TERMOESTABLES: TE

El polímero Termoestable, se

comercializa en estado líquido… y alpasar al estado sólido las cadenaspierden libertad AL PRODUCIRSEREACCIONES CON LOS MONÓMEROS

quedando ENTRECRUZADAS…

LIQUIDO

SOLIDO

LOS ELASTÓMEROS


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LOS ELASTÓMEROS… Presentan enlaces fuertes entre

cadenas, que se producen alvulcanizarse…

El nivel de entrecruzamiento(CROSS-LINK) de cadenas seproduce en pocos puntos y así

las cadenas se pueden“ estirar” o deformarelásticamente

COMPARACIÓN DE POLÍMEROS


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COMPARACIÓN DE POLÍMEROS

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURA GENERAL EJEMPLO

TERMOPLÁSTICOS Cadenas lineales flexibles(lineales o ramificadas)

Polietileno

TERMOESTABLES

(TERMORIGIDAS)

Red de cadenas tridimensional

rígidaz (las cadenas pueden serlineales o ramificadas)

Poliuretano,

epóxicas, fenólicas

ELASTÓMEROS,CAUCHOSPueden ser termoplásticos o

termoestables débilmente

entrecruzadas.. Cadenas actúan

como resortes…

Cauchonatural

CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS TP


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CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS TP –PARTE DOS

COPOLIMEROS. Las cadenas de los polímerospueden: Tener un solo tipo de mero: HOMOPOLÍMEROS Más de un tipo de mero: COPOLÍMEROS La existencia de los copolímeros es para aportar

atributos complementarios: fricción, desgaste,flexibilidad, fatiga, lubricación, moldeabilidad, etc.

Pueden ser del tipo: BLOQUE; ALTERNANTE; AL AZAR; RAMIFICADOS

Gran parte de los polímeros son COPOLÍMEROS BLENDS o ALEACIONES. El polímero presenta

mezcla de cadenas de diferentes POLIMEROS

(cada una de ellas)

COPOLÍMEROS


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COPOLÍMEROS

En muchas situaciones en la CADENA, sepresentan INTENCIONALMENTE, más de un tipode mero…

De esta forma se logran mejora de propiedades…fricción, fatiga, desgaste…

Existen cuatro tipos de configuraciones: al azar;alternante, en bloque y ramificadas…

RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DE


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RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DEPOLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

POLÍMEROS Una macromolécula (trenes) hecha depequeños bloques (carros) o meros

MONOMEROS Los bloques (carros del tren) o meros ounidades repetitivas básicas

HOMOPOLÍMEROS El polímero que se obtiene si todos los

bloques son iguales

COPOLÍMEROS Un polímero elaborado – sintetizado dediferentes bloques o meros en la

cadenaBLEND (ALEACIONES OMEZCLAS)

Una mezcla de cadenas de polímeros

OTRAS CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES


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RELEVANTES… TP

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA: temperaturabajo la cual no hay espacio para mover las cadenas alaplicar esfuerzos, el TP no es deformable, es más frágil ymás rígido

CRISTALINOS? Las cadenas de los polímeros TP puedenplegarse (parte cristalina) y/o estar en estado AMORFO(sin orden). Las cadenas lineales presentan mayor gradode plegado – parte critalina. O los polímeros pueden ser

semicristalinos ESTEROISOMERISMO. Ciertos polímeros (ejemplo el

polipropileno) presentan radicales o grupos funcionales(CH

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en este caso) a un solo lado de la cadena –ISOTÁCTICO; alternadamente a cada lado de la cadena –SINDIOTÄCTICO o sin ninguna regularidad – ATACTICO.La importancia es que para el caso del PP solo tieneimportancia de ingeniería el PP isotáctico por ser máscristalino…

Volúmenes de


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POLÍMEROS

TERMOPLÁSTICOS AMORFOS

SEMICRISTALINOS

Volúmenes decadenas plegadas

DEFORMACIÓN DE PARTE AMORFA EN TP… PARTE


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DEFORMACIÓN DE PARTE AMORFA EN TP… PARTECRISTALINA SE ORIENTA SEGÚN LA DEFORMACIÓN

Si el polímero tiene pocaparte AMORFA es másrígida y más resistente a

la deformación

PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS


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PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROSTERMOPLÁSTICOS

Las propiedades de los polímeros son fuertementedependiente de:

Temperatura Velocidad de deformación

Grado de cristalinidad del polímero

Temperatura de transición vítrea del polímero

De otros aspectos de la estructura tales como: largo de lascadenas, distribución de largo, nivel de ramificación y en casostambién de la tacticidad del polímero.

El comportamiento mecánico es elástico no l ineal y ensituaciones se comporta viscoelásticamente, condeformaciones dependiendo del tiempo….


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CURVAS CARACTERÍSTICAS ESFUERZO -


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CURVAS CARACTERÍSTICAS ESFUERZO DEFORMACIÓN

GENERALIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES


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GENERALIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES…

POLÍMEROS AMORFOS Y


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SEMICRISTALINOS

SEMICRISTALINOS

Acetal POM

Nylon- PA Technyl

Polietileno PE

Polipropileno PP

Polyester

AMORFOS

Poliestireno

ABS

SAN

Policarbonato

PVC

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA


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TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA

Temperatura bajo la cual las cadenas no disponen de“ espacio” para moverse o desplazarse frente aesfuerzos aplicados

Se determina empíricamente al evaluar los cambiosvolumétricos de un polímero al variar la temperatura

En general bajo la temperatura de transición vítrea

los materiales poliméricos presentan unadeformación plástica muy limitada

En otras palabras al emplear un polímero a

temperaturas menores que TG, presenta uncomportamiento frágil (ejemplo del PS de las cajasde los CD, vasos de bebida…)


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MOVIMIENTO DE CADENAS SOBRE Y BAJO TG


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G

A) Movimiento de cadenas sobre Tg.B) Imposibilidad de movimiento de cadenas a Temperaturas menores que Tg

(no hay “ volumen libre” disponible para mover cadenas)

RECICLADO DE PLASTICOS


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SIMBOLO SIGLA NOMBRE PRODUCTO

1PET Polietileno

TereftalatoBotellas, …

2

PEAD Polietileno dealta densidad

Tambores, Cajas,…

3

PVC Cloruro de

Polivinilo

Frascos, Tubos, …

4

PEBD Polietileno debaja densidad

Films, Bolsas, …

5

PP Polipropileno Sacos, Potes, …

6 PS Poliestireno Packings alimentos.


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OTRA PROPIEDAD… ESTEROISOMERISMO


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TACTICIDAD: CASO POLIPROPILENO

Esta característicaESTRUCTURAL de lospolímeros, se explica comoejemplo para el caso de

Polipropileno La estructura de MERO, presenta

una molécula de CH3 “colgando”en vez de H como es el caso delPE …

El PP es ISOTÁCTICO es cuandoel CH3 siempre está al mismolado de la cadena…

El PP es SINDIOTÁCTICO,

cuando el CH3 estáalternadamente “ arriba-abajo” El PP es ATACTICO, cuando el

CH3 está ubicado aleatoriamentearriba-abajo en la cadena

El PP comercial esISOTÁTICO y con ello es

más cristalino y por endese asocian las propiedadesde materialessemicristalinos…

ESTEROISOMERISMO


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ESTEROISOMERISMO

A) Estereoisómeroatáctico. El grupometilo que sobresale delpolipropileno estáaleatoriamentedispuesto en cada lado

de la cadena principal decarbono

B) Estereoisómeroisotáctico. El grupometilo que sobresale

está siempre en elmismo lado de la cadenaprincipal de carbono

C) Estereoisómerosindiotáctico. Elgrupo que sobresale sealterna regularmente deun lado a otro de lacadena principal.

PROPIEDADES DE TERMOPLÁSTICOSBAJAR BASE DE DATOS DESDE: WWW CAMPUSPLASTICS COM


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BAJAR BASE DE DATOS DESDE: WWW.CAMPUSPLASTICS.COM

ALGO MÁS DE LOS TERMOPLÁSTICOSSE PUEDEN SOLDAR???


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SE PUEDEN SOLDAR???

Se pueden soldar???

Por el hecho de ser fundibles se puedensoldar con fusión… WeldingTermofusión, electrofusión, placa caliente, aire

caliente, ultrasonido, vibración…Aparte de otros sistemas de unión…


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Ejemplos de MATERIALES COMPUESTOS.a) Madera laminada

b) Fibra de vidrio en material compuesto

c) Concreto polimérico

POSIBILIDADES DE MATERIALES COMPUESTOS


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Componente 1 Componente 2 MATERIALCOMPUESTO

ResinaTermoestable

Fibra de Vidrio Plástico Reforzadocon Fibra de Vidrio(PRFV)

ResinaTermoestable

Carga de cuarzo ConcretoPolimérico

PRFV Piliuretanoespumado

Sandwich

Termoplástico 1 Termoplástico 2 Coextruido

Acero Plástico Revestimiento

PRFV Termoplástico Doble lámina

PROPIEDADES FIBRAS


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Datos de Fibra

DENSIDAD FIBRAS(kgr/m3)

MODULO ELÁSTICO RELATIVO

RESISTENCIATRACCIÓN Fibras (ksi)

RESISTENCIATRACCIÓN

(MPa) DEF (%)VIDRIO

A-Vidrio 2.465 10 480 3.309 4,8C-Vidrio 2.548 10 480 3.309 4,8

E-Vidrio 2.604 11 500 3.447 4,8

S-2 Vidrio 2.493 14 700 4.826 5,2

CARBONO

Heavy Tow 1.745 33 525 3.620 1,6Medium Tow 1.801 35 740 5.102 2,1

Low Tow 1.801 43 900 6.205 2,1ARAMIDA

Kev29 1.440 6 525 3.620 8,8Kev149 1.468 27 504 3.475 1,9


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MORFOLOGÍAS FIBRAS


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SISTEMAS DE MATERIALES COMPUESTOS


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REGLAS DE LAS MEZCLAS – Establece que la propiedad de uncompósito es una función de la fracción volumétrica de cadamataerial en el compuesto.

RESISTENCIA DE LOS COMPÓSITOS: La resistencia a la tracciónde los compósitos reforzados con fibras es fuertemente dependientede la unión entre la fibra y la matriz

EJEMPLOS DE PROCESOS: PULTRUSIÓNAPLICACIÓN: VIGAS


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APLICACIÓN: VIGAS…

EJEMPLOS DE PROCESOS: BOBINADOAPLICACIÓN: TUBERÍAS


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APLICACIÓN: TUBERÍAS…


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EFECTO DE LA

ORIENTACIÓN

COMO LOGRAR PROPIEDADESISOTRÓPICAS: LÁMINAS Y 3D


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ISOTRÓPICAS: LÁMINAS Y 3D

MODULO ESPECÍFICO Y RESISTENCIA ESPECÍFICADE VARIOS COMPÓSITOS EN COMPARACIÓN CON

METALES Y POLÍMEROS


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METALES Y POLÍMEROS

CONCLUSIONES


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Los polímeros son materiales que hoy debenconocerse desde el punto de vista de suspropiedades para su adecuada aplicación

Los polímeros termoplásticos son materialescon “estructura” – arquitectura que se hadiseñado para lograr propiedades

específicas Los materiales compuestos son materialesque aún requieren determinación – modelamiento de sus propiedades, dado elcarácter semiindustrial en la elaboración deproductos

PROPIEDADES COMPARATIVAS


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• Energía Costos

• Reciclado Costos

• Resistencia Costos

• ResistenciaDensidad

• ResistenciaDuctilidad

• Resistencia

temperatura• Resistencia Costos

• Rigidez Costos• Rigidez Densidad

• Rigidez Resistencia

ALGUNAS DIRECCIONES DE INTERÉS


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www.campusplastics.com (bajar y actualizarbase de datos)

www.strongwell.com www.femoglas.cl

www.plastigen.cl Recorra “Edificio de Polímeros”

http://pslc.ws/mactest/maindir.htm…


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Sólo las botellas de agua que seproducen en Estados Unidos es de

1,5 millones de toneladas dedesperdicios de plástico al año,

cantidad que requiere 178 millonesde litros de petróleo para suproducción.

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