Bases de Polimeros FINAL

Conceptos básicos de polímeros

Seminario para moldeadores

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2

Puntos clave

– ¿Cómo son fabricados los polímeros?

– ¿De dónde obtienen los polímeros sus propiedades?

– Diferencias entre materiales termoplásticos y termofijos.

– Diferencias entre estructuras amorfas y semicristalinas.

– ¿Por qué los polímeros amorfos y cristalinos se procesan diferente?

– Entendiendo el concepto de homopolímeros, copolímeros y mezclas.

– Conocer qué tipo de cargas proporcionan propiedades particulares.

– ¿Por qué las mezclas pueden ofrecer un balance de las propiedades necesarias?

– ¿Cómo los aditivos refuerzan el desempeño en propiedades deseadas?

Bases de Polímeros

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Empresa Petrolera

Fabricante de Plásticos

Convertidor

Fabricante de equipos originales.

Separa moléculas de un mismo tipo a partir de petróleo.

Polimeriza ciertos tipos de molécula para formar un polímero.

Procesa el polímero en una pieza moldeada.

Ensambla las piezas para hacer un producto.

Bases de Polímeros

Proceso de Manufactura

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Familias de Polímeros

Cycolac*, Lexan*,

Noryl*, Ultem*,

Grados LNP*

Valox*

Grados LNP*

Acrílicopoliestireno

PVC

PolipropilenoPolietileno

Materiales

Polímeros

Termofijos Termoplásticos

Ingeniería

Amorfos Cristalinos Amorfos Cristalinos

“Commodities”

Bases de Polímeros

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Polímero

Es un compuesto químico formado por varios monómeros entrelazados para formar una molécula de mayor tamaño que contiene varias veces repetida la misma unidad estructural.

Molécula de Polímero

Poli-muchos

Monómero

Mono-uno

Meros-partes

Bases de Polímeros

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Todas las moléculas estan hechas de átomos

Muchas moléculas de agua

Una molécula de agua(H2O)

H H

O

Bases de Polímeros

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Estado de la materia

Gas MetanoUn carbono

Líquido Octano(Gasolina)Ocho carbonos

Cera Parafina50 carbonos

Plástico Polietileno10,000 carbonos

HH

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

HCH H

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC…

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC…

Bases de Polímeros

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Termoplásticos

Cambian su estado FÍSICO cuando son procesados, similar al agua:

Sólido Líquido

Hielo Agua

Bases de Polímeros

9

TermofijosCambio QUÍMICO de su estado cuando son procesados, similar a hornear un pastel:

Bases de Polímeros

10

Termofijos

Un polímero ramificado que se entrecruza se le conoce como un termofijo.

Bases de Polímeros

11

Las propiedades de los polímeros dependen de:

– Composición química de los monómeros

– Forma y longitud de las cadenas de polímero

– Alineación de las cadenas de polímero

Bases de Polímeros

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La forma de las cadenas de los polímeros afecta su alineamiento

Alta densidad

Polímero lineal

Baja densidad

Polímero ramificado

Muchas moléculas lineales caben en cierto volúmen.

Menos moléculas ramificadas caben en el mismo volúmen.

Bases de Polímeros

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Características de los plásticos de ingeniería

Plásticos de ingeniería y commoditiesResistencia a la corrosiónResistencia térmica/eléctricaDureza, resistencia mecánica y tenacidadMenor peso

Plásticos de ingenieríaResistencia a altas temperaturasResistencia a la flamaPropiedades específicas buscadas

Bases de Polímeros

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Morfología de polímeros

Se refiere a la estructura del material polimérico

• Amorfo

• Cristalino

Bases de Polímeros

15

Modelo amorfo

Agrupación aleatoria de cadenas poliméricas

Bases de Polímeros - Morfología

16

Modelo cristalino

Áreas con orden en donde cadenas moleculares se acomodan de lado a lado

en una forma regular


17

Polímeros cristalinos son realmente semi-cristalinos

Regiones de cristalinidad en una masa amorfa

Bases de los Polímeros - Morfología

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Comparativo de propiedades

Amorfos

Amplio rango de ablandamiento

Estrecho punto de fusión.

Cristalinos


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Amorfos

– Mantienen su estructura debajo de la temperatura de transición vitrea (TG) y se comportan como hule por encima de ella.

– Propiedades por debajo de TG están basadas en los enlaces físicos de las cadenas moleculares.

– TG – La temperatura en la cual una estructura polimérica se

convierte en hule después de ser calentada y en rígida cuando se

enfría.

Cristalino

– Tm – Temperatura en la cual las regiones cristalinas se disocian

(separan) y comienzan a fluir.

Bases de Polímeros – Amorfos vs Cristalinos

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Amorfos/Semi-Cristalinos

Cuando un polímero termoplástico se solidifica, las cadenas de moléculas se pueden combinar para formar estructuras moleculares ordenadas o cristalinas. Los polímeros amorfos son aquellos no capaces de formar cristales. Sus moléculas son aleatoriamente ordenadas y no presentan ninguna estructura molecular ordenada. La integridad estructural de las resinas amorfas está basada en aumentar la longitud de las cadenas (alto peso molecular). Su estructura asemeja a los espaguetis. Un polímero cristalino tiene una cadena que muestra una estructura molecular ordenada – regiones cristalinas rodeadas de amorfas. El término de “cristalino” es realmente equivocado, debido a que los polímeros cristalinos son sólo semi-cristalinos en la naturaleza. Una estructura cristalina pura no existe en ningún polímero. Hay regiones de estructuras moleculares ordenadas y también desordenadas.

Bases de Polímeros. Amorfos vs Cristalinos

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Comparación de amorfo y semi-cristalinoM

ódulo

(D

ure

za)

Temperatura

Semi-Cristalino

TM

Semi-Cristalino

TG

AmorfoTG

Amorfo

Semi-Cristalino

Bases de Polímeros – Amorfo vs. Cristalino

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Rango de procesamiento de los amorfos

TG

Aumento de la temperatura del polímero

Estructura del polímero define su procesamiento

Bases de Polímeros - Amorfo vs. Cristalino

Degradación

Rango de temperatura de proceso

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Rango de proceso de semi-cristalinos

TG

Aumenta la temperatura del polímero

TM

Estructura del polímero define su procesamiento


Rango de temperatura de proceso

Degradación

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Al procesar…

– Para incrementar la longitud de flujo de un semi-cristalino

• Recuerde la analogía del agua/hielo

• Aumente la temperatura del molde

• Reduzca la posibilidad de degradación

• Recuerde que incrementar la temperatura del molde reduce el enfriamiento y por lo tanto, incrementa la cantidad de cristalinidad en la pieza terminada

– Para incrementar la longitud de flujo de un polímero amorfo

• Recuerde la analogía de la mantequilla

• Incremente la temperatura de fundido

– ¡Evite la degradación!

• Piense en la analogía del pan tostado quemado

Bases de Polímeros - Amorfos vs. Cristalino

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Grado de cristalinidad

– Entre más lento se enfríe la masa fundida de un polímero hacia su TG – mayor será el grado de cristalinidad

– Entre más rápido se enfríe la masa fundida de un polímero hacia su TG – menor será el grado de cristalinidad

– Entre más lento un polímero semi-cristalino se enfría, mayor será el grado de cristalinidad y mayor será el encogimiento en el molde.

• Esta técnica puede llevarlo a ciclos largos de proceso


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Cristalización Post-moldeo

Complementar la cristalización calentando a temperaturas arriba de TG estabilizará las dimensiones de la parte:

Encogimiento libre – Partes sin dimensiones críticas son libres de encogerse durante las critalización.

Encogimiento arreglado – Dimensiones críticas deben controlarse durante la cristalización para mantener dentro de tolerancia la parte.

¡CUIDADO! ¿La pieza va va a estar en presencia de calor en la aplicación

final?


27

Si aumento cristalinidad..aumento encogimiento

– Aumento de resistencia química

– Aumento de estabilidad dimensional

– Aumento de temperatura de calor de deflección (HDT)

– Menor probabilidad de un encogimiento adicional


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Materiales semi-Cristalinos tienen encogimientos más altos

Cavidad para materiales amorfos

Cavidad para materiales semi-cristalinos

Pieza Pieza

La estructura del polímero determina el molde


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Termoplásticos de ingeniería ofrecen altas temperaturas de desempeño

Polieterimida

Amorfos Semi-Cristalino

Re

sis

ten

cia

al ca

lor

Policarbonato

PPO Modificado

Acrílico

Poliestireno

PVC

Polipropileno

Polietileno

Polisulfuro de fenileno

PBT

Bases de Polímeros

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AditivosRefuerzo para

Rigidez

Modificando un polímero

Polímeros Básicos

HomopolímerosMezclas Copolímeros

Modificador de

Impacto

Polímero de mayor utilidad

Bases de Polímeros

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Propiedades únicas

Policarbonato(Lexan*)

PBT(Valox*)

Excelente

Resistencia al impacto

Excelente

Resistencia química

Bases de Polímeros

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Creando mezclas para combinar propiedades

Lexan* Xenoy* Valox*

100%Policarbonato Mezcla

100%PBT

Excelente

Resistencia

Al impacto

Excelente

Resistencia

químicaBuena

Resistencia al impacto

Buena resistencia

química

Bases de Polímeros

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Una faseDos fases

Sistema de una sola fase

Los materiales mezclados se disuelven entre ellos similar a lo que hace la sal en el agua….

Sal Agua Agua salada

Bases de Polímeros

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Sistema de multiples fases

Un sistema de multiples fases mantiene fases diseminadas similar a una gelatina con fruta.

Fruta Gelatina Gelatina moldeada

Dos FasesDos Fases

Bases de Polímeros

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Copolímeros combinados quimicamente

Los homopolímeros son copolimerizados a través de una reacción química similar a lo que sucede para producir una mula…

Caballo Burro Mula

Bases de Polímeros

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Modificadores de impacto

Para aumentar la tenacidad o la resistencia al impacto de un material, se adiciona un modificador de impacto. Este aditivo generalmente tendrá una temperatura de transición vítrea (TG) menor a la temperatura ambiente, transfiriendo sus propiedades al polímero y por lo tanto mejorando la resistencia al impacto del mismo.

Todas las resinas discutidas hasta ahora pueden ser modificadas con cargas y refuerzos para proporcionar un desempeño adicional.

Cargas

Bases de Polímeros

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Fibra de vidrio • Costo efectivo

• Pérdida de propiedades mecánicas y desempeño térmico

• Puede mejorar el desempeño al desgaste a la adhesión

• Aumenta la estabilidad dimensional y reduce el encogimiento

• Aumenta el encogimiento anisontrópico

• Pigmentable

Fibra de vidrio molido

• Más caro que la fibra de vidrio

• Un poco de pérdida en propiedades mecánicas y térmicas

• Mejor desempeño al desgaste a la adhesión que con vidrio

• Aumenta la estabilidad dimensional y reduce encogimiento

• Disminuye el encogimiento anisontrópico

• Pigmentable

Vidrio con reborde

• Mucho más caro que la fibra de vidrio molido

• Usado para control dimensional (isotrópico)

• Puede hacer quebradizo el material

• No recomendado para desgaste a la adhesión y bueno para desgaste a la abrasión

• Pigmentable

Mezcla de vidrio

• Mezcla de fibra, vidrio molido y vidrio con reborde

• Mezcla se ajusta para obtener propiedades deseadas

• Usado para balancear estabilidad dimensional, exactitud dimensional y desempeño mecánico

Bases de Polímeros – Selección de materiales y cargas

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Fibra de carbón • Generalmente aumenta del 30 al 50% el módulo de tensión sobre el vidrio

• Costo de la fibra es generalmente 10x mayor que fibra de vidrio

• Temperatura de desempeño más elevada

• Aumenta la resistencia al desgaste

• Propiedades eléctricas al 10% de la carga y mayores

• Reduce el encogimiento, mejora la estabilidad dimensional

• Encogimiento anisontrópico

Limitado para pigmentar

Fibra de carbón molido • Ligeramente menor costo que la fibra

• Necesita 15% de carga para obtener propiedades eléctricas

• Encogimiento similar a la fibra (anisontrópico)

• Limitado para pigmentar (grises y negros)

• Una mejora en el desgaste

Polvo de carbón • Bajo costo

• Puede ser sucio (deslizarse)

• Necesita 10-20% para propiedades eléctricas

• Ligera mejora en el desgaste

• Isotrópico


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Nanotubos de carbón •Muy caro

•Isotrópico

•Necesita 3 - 5% para obtener propiedades eléctricas

•Sensible al proceso

•Puede deslizarse, no tan mal como el polvo de carbón

Mezclas conductivas •Proveen propiedades anti-polvo y disipativas de estática

•Limitadas resinas donde se puede aplicar por la temperatura

•Pigmentable

Fibra de acero inoxidable

•No hay mejoría en propiedades

•No hay cambio en el encogimiento

•Usado para detección de metales o propiedades eléctricas

•Pigmentable


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Fibra de aramida

•Refuerza la dureza sólo ligeramente

•El límite es 10% de carga

•Excelente desgaste a los aditivos

– Bueno contra metales suaves

– Bueno para la abrasión y desgaste a la adhesión

•Casi isotrópico

•Precio similar a la fibra de carbón

•Naturalmente amarilla, en cierta manera pigmentable

Polvo de aramida •No hay aumento significativo en las propiedades mecánicas o

térmicas

•El límite es 10%

•Isotrópico

•Naturalmente amarillo, en cierta medida pigmentable

Minerales:

Talco, arcilla,

Wollaston, Mica, Carbonato

de Calcio, Cerámica, Bario

Sulfato, otros.

•Generalmente hace al material más duro y quebradizo

•Mejora estabilidad dimensional y control

•Reduce encogmiento, isotrópico

•No se pueden combinar diferentes metales


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PTFE • El mejor lubricante para plásticos en desgaste por metal

• Generalmente escoger 15 – 20% carga para mayor beneficio

• Efectivo en muchos plásticos y en aplicaciones plásticas con desgaste

• Funciona por transferencia, debe haber movimiento entre las partes

• Pigmentable

Silicón • Buen lubricante para plásticos y metales

• Reduce la fricción rápido y el tiempo de ruptura

• 2% es lo más efectivo

• Funciona por migración, no usado generalmente cerca de operaciones electrónicas o de pintura

• Pigmentable

PTFE/Silicon • Bueno en applicaciones de alto PV

• Bueno en oscilación

• Pigmentable

Aramida

(fibra or polvo)

• Bueno contra metales suaves

• 10% es el límite efectivo, 15% el máximo

• Naturalmente amarillo, en cierta manera pigmentable

– Desgaste por adhesión: Dos superficies lisas, una contra otra

– Resinas: Materiales semi-Cristalinos tienden a mayor desgaste que amorfos


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Bisulfuro de molibdeno

• “Moly” es un agente nucleante y hace más dura la superficie

• Mejora la resistencia al desgate, disminuye la fricción

• 5% es el límite efectivo


• Limitado a gris y negro

Grafito • Bueno para metal o plástico

• Generalmente usado con PTFE en agua

• Mejor desgaste cuando es usado con PTFE


• Efectivo en costo

• Limitado a gris y negro

Mezclas • Tecnologías patentadas para desempeño al desgate acercándose al PTFE contra metales

• Generalmente menor costo respecto a lubricantes análogos de PTFE

• Disponible en POM, PA6/6, PPA y PPO

• Pigmentable

PFPE •Costoso pero se usa <1%

•Migra como el silicón, actúa como el PTFE

•Inerte, aprobado para aplicaciones médicas


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– Retardantes a la flama

– Ayudantes de flujo

– Agente desmoldante

– Sistemas para estabilizar

• Oxidantes

• Térmicos

• UV

– Colorantes

Aditivos dan un toque fino al perfil de propiedades de desempeño de un polímero:

Extienden su vida

Adicionan desempeño

Mejoran apariencia

Bases de Polímeros – Selección de materiales y aditivos

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Modificador

De impacto

Refuerzo de vidro (alto módulo)

Aumenta resistencia al impacto

Aumenta elongación

Disminuye la dureza

Disminuye la resistencia

Aumenta la resistencia

Disminuye la elongación

Disminuye la expansión térmica

Posible alabeo

Impacto es sacrificado para aumentar la dureza y viceversa

Bases de Polímeros – Selección de materiales

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Las fibras afectan el encogimiento al enfriar

Fibra de vidrio se orienta en la dirección al flujo

Dirección al flujo

Flujo cruzado

También debido a la baja expansión térmica de la fibra de vidrio, ocurre un mejor encogimiento en dirección al flujo

y mayor en dirección al flujo cruzado

Bases de Polímeros

46

EN ESTE MOMENTO COLOCAREMOS UN CUESTIONARIO EN LA

PARTE DERECHA DE SU PANTALLA.

POR FAVOR, TOME UNOS MOMENTOS PARA COMPARTIRNOS SU

RESPUESTA A ESTAS PREGUNTAS.

GRACIAS!

47

Encontrar un material que satisfaga una aplicación

SABIC Innovative Plastics ofrece

7 homopolímeros básicos…

12 diferentes líneas de productos…

Y miles de grados.

¿Cómo es posible obtener tantas combinaciones de propiedades de siete homopolímeros básicos?

Bases de Polímeros

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Modificación de un polímero

• Mezclar dos o más homopolímeros

• Copolimerizar dos o más homopolímeros

• Adicionar un modificador de impacto

• Adicionar un refuerzo rígido

• Usar aditivos

• Todas las opciones anteriores

Bases de Polímeros

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Puntos clave

– ¿Cómo son fabricados los polímeros?

– ¿De dónde obtienen los polímeros sus propiedades?

– Diferencias entre materiales termoplásticos y termofijos

– Diferencias entre estructuras amorfas y semicristalinas

– ¿Por qué los polímeros amorfos y cristalinos se procesan diferente?

– Entendiendo el concepto de homopolímeros, copolímeros y mezclas

– Conocer qué tipo de cargas proporcionan propiedades particulares

– ¿Por qué las mezclas pueden ofrecer un balance de las propiedades necesarias?

– ¿Cómo alteran los aditivos el desempeño en propiedades deseadas?

Bases de Polímeros

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¿Por qué algo de esto es importante para usted?– Las diferentes aplicaciones necesitan diferentes propiedades

– Los fabricantes de resinas proveen propiedades específicas

– Se requiere proveer partes con dichas propiedades

– En estos conceptos básicos de polímeros mostramos que la

ventana de proceso varía para cada resina

– En los siguientes seminarios veremos:

• Cómo un mal diseño de una pieza puede reducir considerablemente la ventana de proceso.

• Las necesidades de secado y su impacto en la pieza final.

• La características de equipos y su compatibilidad con las resinas.

• La calidad de los moldes puede variar.

• El control de la temperatura de masa fundida y sus consideraciones.

Conocimiento es clave para

mantener esas propiedades

Bases de Polímeros

Conceptos básicos de polímeros

*Los esperamos en nuestro siguiente seminario:

Fundamentos de diseño para un rendimiento óptimo,

el día lunes 28 de febrero del 2011 a las 12:00 p.m.

Seminario para moldeadores

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