MATERIALES POLIMERICOS

MATERIALES POLIMÉRICOS

1. INTRODUCCIÓN:

A lo largo de cientos de años se han utilizado polímeros naturales procedentes de plantas y animales. Estos materiales incluyen madera, caucho, lana, cuero y seda. Otros polímeros naturales tales como las proteínas, los enzimas, los almidones y la celulosa tienen importancia en los procesos bioquímicos y fisiológicos de plantas y animales.

Desde principios del siglo XX, la moderna investigación científica ha determinado la estructura molecular de este grupo de materiales y ha desarrollado numerosos polímeros, sintetizados a partir de pequeñas moléculas orgánicas. Muchos plásticos, cauchos y materiales fibrosos son polímeros sintéticos.

Desde el fin de la Segunda Guerra Mundial, el campo de los materiales se ha visto revolucionado por la llegada de polímeros sintéticos. Las síntesis suelen ser baratas y las propiedades conseguidas comparables, y a veces superiores, a las de los análogos naturales.

En algunas aplicaciones, los metales y la madera se sustituyen por polímeros, que tienen propiedades idóneas y se pueden fabricar a bajo coste.

Los materiales plásticos actualmente en nuestra sociedad son, sin lugar a dudas, uno de los materiales más utilizados en casi todos los sectores industriales como consecuencia de las buenas propiedades que poseen.

Si se comparan polímeros como el polietileno y el nylon con materiales que son utilizados más comúnmente por los ingenieros, de inmediato se encontrarán algunas diferencias importantes. Unas pruebas simples muestran que los polímeros:

Tienen resistencia mecánica y rigidez (Módulo elástico) bajas, 7-100 MPa y 1-4 GPa respectivamente. Sin embargo, tienen una buena relación resistencia peso.

Su uso, frecuentemente, está limitado por condiciones de temperatura (< 150 °C). Los ensayos mecánicos, por ejemplo, los de tracción, muestran que se deforman

cuando se someten por un tiempo a una carga, o sea, sus propiedades dependen del tiempo, y esta es su característica mecánica más significativa. Las propiedades mecánicas también dependen marcadamente de la temperatura.

Expansión térmica elevada (30 - 200xl0-6 K-1) Problemas de disposición y reciclado.

MATERIALES POLIMÉRICOS Página 1

2014UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAL


Las características anteriores representan desventajas en comparación con los metales, la madera, los materiales cerámicos, etc. Obviamente, los polímeros también deben de poseer ventajas, ya que son muy utilizados e, incluso, substituyen a los materiales comunes en muchas áreas importantes

Por consiguiente, esta investigación estará enfocada en algunos términos relacionados con los polímeros, de los cuales se desarrollaran cada uno de estos puntos de manera clara y concisa, gracia al apoyo de diversas fuentes bibliográficas que sirvieron para recoger un buen contenido sobre este tema.

2. HISTORIA:

Los polímeros son muy grandes sumas de moléculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de UMAs que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.

El desarrollo de los polímeros fue inducido a través de las modificaciones de estos con el fin de mejorar sus propiedades físicas en pro del auge de las aplicaciones de los mismos. En 1839, Charles Goodyear modificó el hule a través del calentamiento con azufre (vulcanización), ya que este por lo general era frágil en temperaturas bajas y pegajosas a altas temperaturas.

Mediante la vulcanización el hule se convirtió en una sustancia resistente a un amplio margen de temperaturas. Otro acontecimiento que contribuyó al desarrollo continuo de los polímeros fue la modificación de la celulosa que permitió el surgimiento de las fibras sintéticas llamadas rayones. Posteriormente Leo Baekeland instauró el primer polímero totalmente sintético al que llamó baquelita; este se caracterizó por ser un material muy duradero y por provenir de otros materiales de bajo costo como el fenol y el formaldehído. Este compuesto llegó a tener gran éxito durante cierto tiempo. Sin embargo independientemente de los avances aplicativos de los polímeros, no se tenía mucha información en cuanto a la estructura de estos.

En el transcurso de la década de 1920, Herman Staudinger fue el primero en instituir que los polímeros eran compuestos de gran peso molecular que se encontraban unidos mediante la formación de enlaces covalentes. Tal idea fue apoyada años más tarde por Wallace Carothers, de DuPont, los cuales llegaron a establecer concepciones similares. Estos conceptos dieron paso al desarrollo de la química de los polímeros tanto sintéticos como naturales.




Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.

Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear realiza el vulcanizado del caucho. Elnitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa.

El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1907,3 cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído y fenol. Otros polímeros importantes se sintetizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.

En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular sólo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.

Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc.

La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del caucho natural por caucho sintético.

En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963.

Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.

En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia,polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.




3. CONCEPTO:

Los polímeros son sustancias formadas a partir de miles de moléculas pequeñas llamadas monómeros, las cuales se unen para formar moléculas de gran tamaño de las formas más diversas. Los monómeros reaccionan entre sí para formar esas grandes moléculas, cuyas masas moleculares son muy elevadas.

Los polímeros son moléculas lineales o ramificadas, formadas por la repetición indefinida de grupos funcionales simples (monómeros) que se componen básicamente de C, H, O, N.

Se llama grado de polimerización (G.P.) al número de veces que se repite el monómero para formar la macromolécula, en valor promedio.

Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan toda la misma composición química y la misma estructura molecular. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.

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 muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas de Van der Waals.

Existen polímeros naturales como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda y la lana son otros ejemplos. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. 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 intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.




4. VENTAJAS:

Entre estas tenemos

Versatilidad. Los materiales poliméricos, tanto los plásticos como los cauchos, son fácilmente

conformados a bajas temperaturas y bajas presiones, lo que hace que los procesos industriales de fabricación de objetos por moldeo con plásticos se abaraten sensiblemente respecto a aquéllos en los que se emplean otros materiales. Permite la obtención de formas complejas (Posibilidad de diseño de geometrías intrincadas) con un mínimo de operaciones de fabricación y acabado (facilidad de fabricación, baja energía para moldearlos y conformarlos, es decir menor energía de procesamiento).

3.- Fácil maquinabilidad, es decir, se trabaja fácilmente con herramientas que produzcan arranque de material como fresadoras, tornos y limas.

Su baja densidad da como resultado productos ligeros (800 – 1500 kg/m3), lo que los hace idóneos para piezas y componentes para la industria del transporte como en aviones, barcos, automóviles o trenes.

Alto grado de inalterabilidad ante agentes químicos y elevado grado de resistencia a la corrosión, lo que los hace muy adecuados para revestimientos en industrias químicas, conducciones de fluidos, objetos a la intemperie o en ambientes corrosivos.

Su conductividad térmica y eléctrica es muy baja por lo que se emplean como aislantes en la mayoría de los componentes o materiales eléctricos y como aislantes térmicos en cámaras frigoríficas o termostáticas, en los muros de las casas, etc. En algunos casos, pueden ser conductores eléctricos

7.- Durables y tenaces La flexibilidad natural de los polímeros los hace útiles. Esto es especialmente cierto

para los cauchos. Aunque los valores de la resistencia mecánica absoluta y del módulo de elasticidad

de los polímeros son bajos, los valores específicos por unidad de peso o volumen, son con frecuencia favorables. De aquí el uso de materiales poliméricos que se utilizan especialmente en proyectos aeroespaciales.

Los cauchos, los cuales se usan en resortes y montajes absorbentes de impacto por sus cualidades de elasticidad y amortiguamiento.

Posibilidad de transparencia u opacidad. Acabado superficial óptimo y buena posibilidad de coloración (metalizado), lo que origina, para cualquier aplicación, un acabado muy estético.

Bajo coste y bajo precio.




5. IMPORTANCIA Y USO DE POLÍMEROS

En la época actual resultaría difícil imaginar que alguno de los sectores de nuestra vida diaria, de la economía o de la técnica, pudiera prescindir de los plásticos. Sólo basta con observar a nuestro alrededor y analizar cuántos objetos son de plástico para visualizar la importancia económica que tienen estos materiales.

Dicha importancia se refleja en los índices de crecimiento que, mantenidos a lo largo de algunos años desde principios de siglo, superan a casi todas las demás actividades industriales y grupos de materiales.

Los avances conseguidos por ésta en los últimos 30 años no habrían sido posibles sin estos materiales que son fundamentales en sectores como la agricultura, la industria, la alimentación, la medicina, las telecomunicaciones o el transporte.

Las actividades cotidianas giran en torno a artículos de plástico como jarras de leche, gafas, teléfonos, medias de nylon, automóviles, cintas de vídeo, etc. Sin embargo, hace cien años escasos, el plástico que hoy en día nos parece algo tan normal no era un material habitual o cotidiano. Mucho antes del desarrollo de los plásticos comerciales algunos materiales existentes presentaban características singulares. Los había resistentes, translúcidos, ligeros y moldeables, pero muy pocos combinaban a un tiempo estas propiedades. En la actualidad, estos materiales se denominan plásticos naturales y constituyen el punto de partida en la historia de los materiales plásticos.

Los polímeros sintéticos, comúnmente denominados plásticos, han sustituido en numerosas aplicaciones al papel, algodón, lana, cuero, acero, vidrio, etc. siendo los más usados los termoplásticos que representan el 80 % del volumen total en peso de la producción, con extensivas aplicaciones en los embalajes y en las fibras sintéticas, entre las más importantes. Esta última aplicación de los polímeros sintéticos es, por sí sola, de una importancia industrial tan considerable, que constituye un sector industrial claramente diferenciado en la estructura económica y de la producción de todos los países desarrollados.




6. ESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO:

- Peso molecular

El peso molecular del polímero influye en sus propiedades mecánicas en estado sólido, creciendo éstas de forma asintótica: la parafina y el polietileno tienen similar estructura química, diferenciándose en su peso molecular promedio. En sentido negativo, muy altos pesos moleculares van asociados a muy alta viscosidad del polímero fundido, y por tanto a dificultades en el procesado.

- Comportamiento térmico

Todos los polímeros termoplásticos y termoestables, experimentan, a una cierta temperatura Tg (temperatura de transición vítrea), una notable disminución de su módulo elástico. Este cambio va asociado a una transformación interna en estado sólido, que se manifiesta como un cambio en su capacidad calorífica; igualmente, esta temperatura marca un cambio marca un cambio en el coeficiente de expansión térmica. El fenómeno anterior está asociado a movimientos colectivos en las zonas amorfas del polímero.

En un modelo mecanicista de la macromolécula, puede imaginarse el polímero como un conjunto de barras articuladas, que puede tomar distintas geometrías, manteniendo la distancia entre extremos. A bajas temperaturas, la energía cinética de los átomos es insuficiente para provocar movimientos colectivos (cambios conformacionales), estando el polímero rígido, inmovilizado. Al alcanzarse la temperatura vítrea, el polímero puede moverse entre varias geometrías posibles, lo que le hace ser más elástico, y ocupar un mayor volumen. Estos cambios conformacionales sólo pueden producirse en la zona amorfa del polímero, ya que en la zona cristalina, si existiera, los segmentos de cadena adoptan una posición precisa unos respecto de otros, impidiendo cualquier cambio conformacional. La disgregación de estas zonas cristalinas, cuando existen, se produce a la temperatura de fusión Tf.

- Comportamiento Viscoelástico:

La viscoelasticidad de polímeros es el estudio de las propiedades mecánicas de los polímeros, que son materiales que presentan viscoelasticidad. Un material viscoelástico es un material que presenta tanto propiedades viscosas como elásticas. Es por ello que a los polímeros termoplásticos se les llama de forma común simplemente plástico.

La elongación en estos materiales depende no sólo de la tensión sino que depende del tiempo que ésta es aplicada. Mientras se aplica una tensión constante, la elongación incrementa lentamente, alcanzando un valor máximo de forma exponencial. La base de la explicación de este fenómeno obedece a fricciones internas en el material.




7. PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS:

a) Propiedades Mecánicas:

Hemos estados hablando en forma abstracta durante bastante tiempo, de modo que ahora sería una buena idea hablar sobre los polímeros que exhiben ese tipo de comportamiento mecánico, es decir, qué polímeros son resistentes, cuáles son duros, etc.

Por esa razón usted tiene un gráfico a su derecha. Compara curvas típicas tensión-estiramiento para diferentes clases de polímeros. Puede verse en la curva verde, que plásticos rígidos como el polietileno, el polimetil metacrilato o los policarbonatos pueden soportar una gran tensión, pero no demasiada elongación antes de su ruptura. No hay una gran área bajo la curva.

Decimos entonces que estos materiales son resistentes, pero no muy duros. Además, la pendiente de la recta es muy pronunciada, lo que significa que debe ejercerse una considerable fuerza para deformar un plástico rígido. (Creo que ésto es realmente lo que quiere decir "rígido", ¿no?). De modo que resulta sencillo comprobar que los plásticos rígidos tienen módulos elevados. Resumiendo, los plásticos rígidos tienden a ser resistentes, soportan la deformación, pero no suelen ser duros, es decir, son quebradizos.

Los plásticos flexibles difieren de los plásticos rígidos en el sentido que no soportan tan bien la deformación, pero tampoco tienden a la ruptura. El módulo inicial es elevado, o sea que resisten por un tiempo la deformación, pero si se ejerce demasiada tensión sobre un plástico flexible, finalmente se deformará. Usted puede comprobar esto en su casa con una bolsa plástica. Si la estira, será difícil al comienzo, pero una vez que la ha estirado lo suficiente, lo hará cada vez con mayor facilidad. Como conclusión, podemos decir que los plásticos flexibles pueden no ser tan resistentes como los rígidos, pero son mucho más duros.

Es posible alterar el comportamiento tensión-estiramiento de un plástico con aditivos denominados plastificantes. Un plastificante es una molécula pequeña que hace más flexible al plástico. Por ejemplo, sin plastificantes, el poli(cloruro de vinilo), o PVC, es un plástico rígido, que se usa tal cual para cañerías de agua. Pero con plastificantes, el PVC puede ser lo suficientemente flexible como para fabricar juguetes inflables para piletas de natación.




Las fibras tienden a exhibir curvas tensión estiramiento como la de color celeste que se ve en el gráfico de arriba. Al igual que los plásticos rígidos, son más resistentes que duras, y no se deforman demasiado bajo tensión. Pero cuando es resistencia lo que se requiere, las fibras tienen mucho que ofrecer. Son mucho más resistentes que los plásticos, aún los rígidos, y algunas fibras poliméricas como el KevlarTM, la fibra de carbono y el polietileno de peso molecular ultra-alto poseen mejor resistencia ténsil que el acero.

Los elastómeros muestran un comportamiento mecánico completamente diferente al de los otros tipos de materiales. Al observar la curva de color rosa en el gráfico de arriba apreciamos que los elastómeros tienen módulos muy bajos, puede verse en la suave pendiente de la recta. Si los elastómeros no tuvieran módulos bajos, no serían buenos elastómeros. Para que un polímero sea un elastómero, le hace falta algo más que tener módulo bajo. El hecho de ser fácilmente estirado no le da demasiada utilidad, a menos que el material pueda volver a su tamaño y forma original una vez que el estiramiento ha terminado. Las banditas de goma no servirían de nada si sólo se estiraran y no recobraran su forma original. Obviamente, los elastómeros recobran su forma y eso los hace tan sorprendentes. No poseen sólo una elevada elongación, sino una alta elongación reversible.

Se habla mucho de polímeros "resistentes" (o "fuertes"), "tenaces" y hasta "dúctiles". La resistencia, la ductilidad y la resiliencia y otras son propiedades mecánicas.

Resistencia:

La resistencia es una propiedad mecánica que se puede relacionar acertadamente, pero no se sabría con exactitud qué significa la palabra "resistencia" cuando se trata de polímeros. En primer lugar, existen varios tipos de resistencia. Está la resistencia a la tracción. Un polímero tiene resistencia a la tracción si soporta cargas axiales que tienden a alargarlo.

La resistencia a la tracción es importante para un material que va a ser estirado o a estar bajo tensión. Las fibras necesitan tener buena resistencia a la tracción. Luego está la resistencia a la compresión. Un polímero tendrá resistencia a la compresión si soporta cargas axiales que tienden a compactarlo.

El concreto es un ejemplo de material con buena resistencia a la compresión. Cualquier cosa que deba soportar un peso encima, debe poseer buena resistencia a la compresión.




También está la resistencia a la flexión. Un polímero tiene resistencia a la flexión si es capaz de soportar cargas que provoquen momentos flectores en su sección transversal.

Existen otras clases de resistencia de las que se podría hablar. Un polímero tiene resistencia a la torsión, si es resistente cuando en su sección transversal actúan momentos torsores. También está la resistencia al impacto (tenacidad). Una muestra tiene resistencia al impacto si es fuerte cuando se la golpea agudamente de repente, como con un martillo.

Para definir lo que significa ser resistente se presentará el ejemplo de la resistencia a la tracción: se toma la muestra y se trata de estirarla axialmente.

Generalmente esta operación se ejecuta en máquinas tipo prensa. Esta máquina simplemente sujeta cada extremo de la muestra y luego procede a alargarla. Mientras dura el alargamiento de la muestra, va midiendo la fuerza (P) que está ejerciendo. Cuando se conoce la fuerza que se está ejerciendo sobre la muestra, se divide ese número por el área (F) de su sección transversal; el resultado es la tensión que está experimentando la muestra:

P / F = Tensión ()

La tensión requerida para romper la muestra representa la resistencia a la rotura del material a la tracción.

De igual forma ensayos similares pueden ser ejecutados para medir la resistencia a la rotura por compresión y flexión. En todos los casos, la resistencia es la tensión necesaria para romper la muestra.

En el Sistema Internacional de Unidades (SIU) las tensiones se expresan en megapascales (MPa): 1 MPa = 106 N/m2 = 1 N/mm2 = 100 N/cm2, aunque en algunos casos se expresan en gigapascales (GPa): 1 GPa = 103 MPa. En el Sistema Americano de Unidades, generalmente, las tensiones se expresan en kilolibras por pulgadas cuadradas (Ksi): 1 Ksi 6,895 MPa. Otras veces, la tensión y la resistencia se miden en las viejas unidades del Sistema Inglés: libras por pulgada cuadrada (psi); para convertir psi en MPa, el factor de conversión es 1 MPa 145 psi.




Elongación

Mas, las propiedades mecánicas de un polímero no se remiten exclusivamente a conocer cuán resistente es; la resistencia indica cuánta tensión se necesita para romper algo, sin embargo no dice nada de lo que ocurre con la muestra mientras se trata de romper; ahí es donde corresponde estudiar el comportamiento de elongación de la muestra polimérica. La elongación es un tipo de deformación, que simplemente expresa el cambio en la forma que experimenta cualquier material bajo tensión. Cuando se habla de tensión, la muestra se deforma por alargamiento. Esto precisamente es la elongación.

Por lo general, se habla de porcentaje de elongación, que es el largo de la muestra después del alargamiento (L), dividido por el largo original (L0), y multiplicado por 100.

L/ L0 x 100 % = Elongación

Existen muchos fenómenos vinculados a la elongación, que dependen del tipo de material que se está estudiando; dos mediciones importantes son la elongación final y la elongación elástica.

La elongación final es crucial para todo tipo de material, representa cuánto puede ser alargada una muestra antes de que se rompa. La elongación elástica es el porcentaje de elongación al que se puede llegar, sin una deformación permanente de la muestra; es decir, cuánto puede estirarse, logrando que ésta vuelva a su longitud original luego de suspender la tensión. Esto es importante si el material es un elastómero. Los elastómeros tienen que ser capaces de estirarse bastante y luego recuperar su longitud original. La mayoría de ellos pueden estirarse entre el 500% y el 1000% y volver a su longitud original sin inconvenientes.

Módulo.

Los elastómeros deben exhibir una alta elongación elástica, pero para algunos otros tipos de materiales, como los plásticos, por lo general es mejor que no se estiren o deformen tan fácilmente. Si se quiere conocer cuánto un material resiste la deformación, se mide algo llamado módulo. Para medir el módulo de tracción, se hace lo mismo que para medir la resistencia y la elongación final; esta vez se mide la resistencia ejercida sobre el material, tal como se procede con la resistencia a la tracción, incrementándose lentamente la tensión y midiendo la elongación que experimenta la muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se rompe.




Luego, se grafica la tensión versus elongación, de este modo:

En el gráfico, la altura de la curva cuando la muestra se rompe, representa la resistencia a la tracción y la pendiente representa el módulo de tracción. Si la pendiente es pronunciada, la muestra tiene un alto módulo de tracción, lo cual significa que es resistente a la deformación, si es suave, la muestra posee bajo módulo de tracción y por tanto puede ser deformada con facilidad.

Hay ocasiones en que la curva tensión-elongación no es una recta, como en el gráfico anterior, algunos polímeros, especialmente plásticos flexibles, se obtienen otros tipos de dependencia, como ésta: medida que la tensión se incrementa, la pendiente, es decir el módulo, no es constante, sino que va experimentando cambios con la tensión. En casos como éste, generalmente se toma como módulo la pendiente inicial, como puede verse en la curva de arriba. En general, las fibras poseen los módulos de tracción más altos, y los elastómeros los más bajos, mientras que los plásticos exhiben módulos intermedios.

El módulo se mide calculando la tensión y dividiéndola por la elongación. Pero dado que la elongación es adimensional, no tiene unidades por cual dividirlas. Por lo tanto el módulo es expresado en las mismas unidades que la resistencia, es decir, en MPa.




Tenacidad.

El gráfico de tensión versus alargamiento puede darnos otra valiosa información. Si se mide el área bajo la curva tensión-alargamiento, coloreada de rojo en la figura de abajo, el número que se obtiene es algo llamado tenacidad.

La tenacidad es en realidad, una medida de la energía que una muestra puede absorber antes de que se rompa. Si la altura del triángulo del gráfico es la resistencia y la base de ese triángulo es el alargamiento, entonces el área es proporcional a resistencia por alargamiento. Dado que la resistencia es proporcional a la fuerza necesaria para romper la muestra y el alargamiento es medido en unidades de distancia (la distancia a que la muestra es alargada), entonces la resistencia a la tracción es proporcional a la fuerza por la distancia y según la Física: fuerza por distancia es energía:

Resistencia x Deformación Fuerza x Distancia = Energía.

Desde el punto de vista físico la resistencia plantea cuánta fuerza es necesaria para romper una muestra, mientras que la tenacidad plantea cuánta energía hace falta para romperla, aunque en realidad, ambas no reflejan las diferencias desde el punto de vista práctico.

Lo importante es saber que justamente, dado que un material es resistente, no necesariamente tiene que ser tenaz. Esta situación se ilustra mejor gráficamente (Fig. 2.25):




La curva en azul (1) representa la relación tensión-elongación de una muestra que es resistente, pero no tenaz. Como puede verse, debe emplearse mucha fuerza para romperla, pero no mucha energía, debido a que el área bajo la curva es pequeña. Asimismo, esta muestra no se estirará demasiado antes de romperse. Los materiales de este tipo, que son resistentes, pero no se deforman demasiado antes de la ruptura, se denominan frágiles.

Por otra parte, la curva en rojo(2) representa la relación tensión-elongación para una muestra que es tenaz y resistente. Este material no es tan resistente como el de la curva en azul (1), pero su área bajo la curva es mucho mayor, por lo tanto puede absorber mucha más energía.

La deformación permite que la muestra pueda disipar energía. Si una muestra no puede deformarse, la energía no será disipada y por lo tanto se romperá.

En la vida real, generalmente se desean materiales que sean tenaces y resistentes. Idealmente sería genial tener un material que no se doblara ni rompiera, pero eso es prácticamente imposible. Deben hacerse concesiones en dependencia de las necesidades para cumplir cada asignación de servicio, inclusive de un mismo material. Al observar las curvas de la fig. 2.25. Detenidamente: la muestra (1) tiene mucho mayor módulo que la muestra (2). Si bien es deseable que para muchas aplicaciones los materiales posean elevados módulos y resistencia a la deformación, en el mundo real es mucho mejor que un material pueda doblarse antes que romperse y si el hecho de flexionarse, alargarse o deformarse de algún modo impide que el material se rompa, tanto mejor. De modo que cuando se diseñan nuevos polímeros o nuevos compositos, frecuentemente se sacrifica un poco de resistencia con el objeto de conferirle al material mayor tenacidad.




8. CLASIFICACIÓN

Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

SEGÚN SU ORIGEN

Polímeros naturales.

Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

Polímeros semisintéticos.

Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.




Polímeros sintéticos.

Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el Policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

SEGÚN SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN

En 1929 Carothers propuso la siguiente clasificación:

Polímeros de condensación.

La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.




Polímeros de adición.

La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular. Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina.

Clasificación de Flory (modificación a la de Carothers para considerar la cinética de la reacción):

Polímeros formados por reacción en cadena.

Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo radicalario). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica).

Polímeros formados por reacción por etapas.

El peso molecular del polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.




SEGÚN SU COMPOSICIÓN QUÍMICA

Polímeros orgánicos.

Posee en la cadena principal átomos de carbono.

Polímeros orgánicos vinílicos.

La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono.

Dentro de ellos se pueden distinguir: Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.

Ejemplos: polietileno y polipropileno.Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.

Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición.

Ejemplos: PVC y PTFE.Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.

Polímeros orgánicos no vinílicos.

Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.

Algunas sub-categorías de importancia: Poliésteres Poliuretanos

Polímeros inorgánicos. Entre otros: Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

SEGÚN SUS APLICACIONES

Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

Elastómeros.

Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.




Plásticos.

Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.

Fibras.

Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.

Recubrimientos.

Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

Adhesivos.

Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

SEGÚN SU COMPORTAMIENTO AL ELEVAR SU TEMPERATURA

Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian tres tipos de polímeros:

Termoplásticos

Que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.

Termoestables

Que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.




Elastómero

Plásticos con un comportamiento elástico que pueden ser deformados fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura.

La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).

SEGÚN SU ESTRUCTURA

Un polímero puede clasificarse en lineal o ramificado dependiendo de su estructura. Por

ejemplo, el polietileno, componente de las bolsas de plástico, es un polímero lineal. En este

caso, los monómeros se enlazan entre sí formando una cadena carbonada continua. Un

ejemplo es el polietileno, en su estructura se observa que todos los átomos de carbono están

en la cadena principal, enlazados entre sí.

Sin embargo, el policloruro de vinilo o el polipropileno son polímeros ramificados, ya

que hay grupos voluminosos fuera de la cadena principal:




En algunos casos, los grupos fuera de la cadena principal pueden ser más grandes que los

mostrados, llegan a ser una nueva cadena. Esto ocurre durante la reacción de

polimerización, por reacciones paralelas a la que sufren los monómeros.

Figura 8.3. Polímero lineal y ramificado.




SEGÚN SU COMPORTAMIENTO TÉRMICO

Se pueden clasificar en termoplásticos y termoestables. Los polímeros termoplásticos

pueden ser moldeados al calentarse. Ejemplos son el polietileno y polipropileno, que

pueden ser fácilmente reciclados. Otro ejemplo es el polietilentereftalato (PEt, con el que se

hacen las botellas de plástico.

¿Sabes cómo se fabrican y moldena las botellas de plástico hechas con PET? El siguiente

vídeo te explicará cómo se producen:

Los polímeros termoestables son aquellos que, al calentarse, se descomponen

químicamente. Un ejemplo es la baquelita, polímero usado en la fabricación de asas para

ollas.

Figura 8.4. La baquelita (polímero termoestable) se usa para fabricar asas para ollas.




SEGÚN LA UNIÓN DE SUS MONÓMEROS

Cuando un polímero se forma por la unión de un único monómero, se denomina

homopolímero. En un caso general:

Si tenemos dos tipos de monómeros diferentes, el polímero se llama copolímero.

Dependiendo del orden en que se distribuyan los dos monómeros en la estructura, podemos

tener un copolímero alternado, en bloque o al azar. En un copolímero alternado, los

monómeros se repiten uno a continuación del otro. En un copolímero en bloque, los

monómeros de un mismo tipo están agrupaos en una zona de la molécula, al igual que el

otro tipo de monómeros. Por último, en un copolímero al azar, no existe ningún orden en la

repetición de monómeros.




Los copolímeros son útiles porque combinan las propiedades de ambos monómeros en una

misma estructura. Un ejemplo es el caucho estireno butadieno (abreviado, del inglés, SBR

o también SBS), donde se combina la elasticidad y la durabilidad de ambos componentes.

Un uso de este copolímero es en la fabricación de suelas de zapatillas.

9. PREPARACIÓN DE UN POLÍMERO: POLIMERIZACIÓN

Para preparar un polímero, debemos enlazar entre sí una gran cantidad de monómeros de

bajo peso molecular. Este proceso se denomina polimerización. Existen dos tipos de

reacciones de polimerización: adición y condensación. Consecuentemente, existen dos

tipos de polímeros: polímeros de adición y polímeros de condensación.

En la polimerización por adición, los monómeros se unen unos con otros, de tal manera

que el polímero final contiene todos los átomos del monómero inicial.




Figura 8.5. Polimerización por adición.

El poliestireno y el policloruro de vinilo son ejemplos de polímeros de adición.

Observación

Observa que la unidad repetitiva del polímero tiene el mismo número de átomos que el

monómero. La única diferencia es que el doble enlace se ha convertido en un enlace simple.

El par de electrones en mención se ha usado para el nuevo enlace con el otro monómero.

En la polimerización por condensación, no todos los átomos del monómero forman parte

del polímero final. Para que los monómeros se unan, es necesario que una parte de ellos se

pierda.




Figura 8.6. Polimerización por condensación.

El nylon 6,6 es un ejemplo de un polímero de condensación. Este polímero se prepara a

partir de ácido adípico y hexametilendiamina. Para que ambas moléculas se unan, el ácido

adípico debe perder un grupo -OH, mientras que la hexametilendiamina debe perder un

átomo de hidrógeno. Estos átomos eliminados se unen, formando agua y produciéndose, a

su vez, la unión entre ambos monómeros.




http://iq.ua.es/TPO/Tema1.pdf+www.utp.edu.co/~publio17/temas_ pdf / polimeros . pdf

Referencias Bibliográficas

1. INTRODUCCION A LA CIENCIA DE MATERIALES PARA

INGENIEROS.Shackelford, James F. Sexta edición

2. 2010 Instituto Colombiano del Petróleo (ICP) - ECOPETROL S.A.

Colombia Santander Bucaramanga

Km 7 via Bucaramanga - Piedecuesta

Bucaramanga - Colombia

Referencias Informáticas

1. http://www.monografias.com/trabajos14/polimeros/polimeros.shtml

2. http://genesis.uag.mx/edmedia/material/quimicaII/

enzimas.cfm#iniciopolimeros

3. http://www.textoscientificos.com/polimeros/plasticos

4. www.systemcover.com/descarga/55.doc




http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/polimeros.pdf

http://iq.ua.es/TPO/Tema1.pdf

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