POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA GRUPO POLÍMEROS

POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS

FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA

GRUPO POLÍMEROS

DEPARTAMENTO CIENCIAS DEL AMBIENTE

FACULTAD QUÍMICA Y BIOLOGÍA

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

SANTIAGO, CHILE

PROGRAMA EXPLORA-CONICYT

2 DE MAYO DEL 2006

US

AC

H

Los polímeros poseen muchos atractivos: Primitivamente se andaba descalzo o se protegía los pies con cuero de animales. El cuero es un

polímero natural ………

•Esta zapatilla posee exteriores de cuero y también nylon. La suela es de un caucho rígido llamado caucho SBS.

Los mismos materiales conforman estas botas de paseo incluyendo las plantillas, que son de espuma de poliuretano

Los cordones de los zapatos están hechos a base de nylon y algodón. El algodón es otro polímero natural: celulosa.

También los hay revestidos con PVC el mismo plástico que suele encontrarse en los techos vinílicos de los autos y recubrimientos vinílicos.

“Calzado de pato” es excelente para mantener sus pies secos en días de lluvia. Está fabricado con cauchonatural, el poliisopreno

Los calcetines no se tendrían sinpolímeros como el algodón y mate-riales sintéticos como el poliéster y elnylon. Y los que llevan una bandaelástica contienen otro polímero elcaucho natural..

CONTENIDO

POLIMEROS: Definiciones, conceptos, Características

PLASTICOS: Procesamientos, Aplicaciones

POLIMEROS• Polímero: molécula muy grande, resultante

de millares de moléculas pequeñas, unidas químicamente entre sí. Macromolécula gigante.

• Los términos macromolécula y polímero se utilizan como sinónimos, sin embargo polímero es la palabra más frecuentemente utilizada en lo relacionado a los plásticos. Describe mejor a las especies que presentan muchas (poli) de una unidad (mero).

Es una macromolécula formada por la unión de moléculas de menor tamaño que se conocen como monómeros.

1 MONOMEROn n 2 DIMERO3 TRIMERO4 -20 OLIGOMEROS> 20 POLIMERO

POLIMEROS:POLIMEROS:¿Que es un polímero?¿Que es un polímero?

Clasificación de Polímeros

• Origen : Naturales y Sintéticos

• Estructura de la cadena:

Lineales y Ramificados

• Composición de la cadena:

Homopolímeros y Copolímeros.

POLIMEROS NATURALES

– PROTEÍNAS

HemoglobinaHemoglobina

CELULOSA

Hidrato de carbonoHidrato de carbono

ALMIDÓNALMIDÓN

POLIMEROS NATURALES: ADN

AT

G

C

C

G

T

A

O

OH H

HHH H

CH2

N

N

N

N

O

N H

H

HNN

O

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H

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HPO2

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H HHH

CH2

O

OH

H HHH

CH2

O

PO2

O

OPO2

PO2

P

OH

POLIETILENO• El polietileno de alta densidad (PAD):

– es un sólido rígido translúcido – se ablanda por calentamiento y puede ser moldeado como películas delgadas y

envases– a temperatura ambiente no se deforma ni estira con facilidad. Se vuelve quebradizo a

-80 °C. – es insoluble en agua y en la mayoría de los solventes orgánicos.

• El polietileno de baja densidad (PBD):– Es un sólido blando translúcido– Se deforma completamente por calentamiento. Sus films se estiran fácilmente, por lo

que se usan comúnmente para envoltorios (de comida, por ejemplo). – Es insoluble en agua, pero se ablanda e hincha en presencia de solventes

hidrocarbonados– También se vuelve quebradizo a -80 ° C

POLICARBONATO

200 veces más resistente 200 veces más resistente que el vidrio al impactoque el vidrio al impacto

GOMA: uniones S-S entre cadenas• La goma natural es un sólido opaco, blando y fácilmente

deformable que se vuelve pegajoso al calentarlo y quebradizo al enfriarlo. Es impermeable al agua pero puede disolverse en solventes orgánicos. Puede pensarse como derivado del monómero isopreno, el cual es un líquido volátil.

GOMA GOMA VULCANIZADAVULCANIZADA

NYLON: UNIONES PUENTE DE HIDRÓGENO ENTRE CADENAS

NYLON 6,6NYLON 6,6

LinealLineal

RamificadoRamificado

EntrecruzadoEntrecruzado

ESTRUCTURA DE LA CADENAESTRUCTURA DE LA CADENATIPOS DE POLÍMEROSTIPOS DE POLÍMEROS

Composición de cadena

• HOMOPOLÍMEROS

Formados por la misma unidad monoméricas.

• COPOLÍMEROS

Formados por distintas unidades monoméricas.

Copolímero

• Copolímero al azar: A-B-C-A-A-B• Copolímero Alternado: A-B-A-B-A-B• Copolímero en Bloque: A-A-A-B-B-B• Copolímero Injertado:

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A B B B B B B

PolimerizaciónLa reacción química por la cual se obtienen los polímeros sintéticos se denomina polimerización. Todas las polimerizaciones tienen un detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que se van uniendo entre sí para formar moléculas gigantes. Llamamos monómeros a estas moléculas pequeñas que originan polímeros.

Se suele distinguir entre Polimerización por ADICION y por CONDENSACION.

ADICION

A + A + A + A …….+ A = A-A-A-A-….A o -(A)n-

CONDENSACION :

n X-A-Y = X-A-A-A-A-Y + (n-1) XY

o X-(A)n-Y + (n-1)XY

Características Polimerización por Adición

• Los monómeros poseen uno o dos enlaces dobles o triples Alquenos y Alquinos.

• Los monómeros utilizan los enlaces dobles o triples para unirse entre si.

• Presenta tres etapas: Iniciación, Propagación y Terminación

• El iniciador puede ser un Cation ,Anion o radical

Características de Condensación

• Se forma por un mecanismo de reacciones en etapas

• No depende de la reacción anterior• Los polímeros se forman por la reacción con

Diácidos carboxílicos, Diaminas y Dialcoholes.• Por cada enlace que se forma se libera una

molécula de agua.

Clasificación de sintéticos según propiedades

• Fibras:

- Son hebras ordenadas en una dirección.

- Fuerzas intermoleculares entre las cadenas

- Ejemplos: Nylon, Polietileno.

Elastómeros

• Son polímeros amorfos

• Las cadenas se extienden en sentido de la fuerza

• Vuelven a su forma original después de la aplicación de la fuerza.

• Ejemplo: Caucho y neopreno

Plásticos

• Presentan propiedades intermedias entre fibras y elastómeros.

• Se pueden moldear a diferentes formas

• Presentan elasticidad y flexibilidad.

• Ejemplos: Bolsas de plásticos

Clasificación frente al calor.

• Termoplásticos:

- Sus cadenas lineales o ramificadas no están unidas

- Se reblandecen con el aumento de la temperatura.

- Se pueden fundir y moldear varias veces.

- Son reciclables.

Termoestables

• Sus cadenas esta interconectadas.

• Tienen formas permanentes.

• No se pueden volver a procesar.

• Frágiles y rígidos.

• No pueden cambiar su forma.

Polimerización por adición

• Polimerización por adición catiónicas.

- Presenta tres etapas:

Iniciación, Propagación y Terminación.

- El iniciador es un acido.

- Se forma un Carbocation.

- Se finaliza cuando se encuentra el carbocatión y el anion del acido.

Polimerización por adición aniónica.

- Presenta tres etapas :

Iniciación , propagación y terminación

- El iniciador es un Metal.

- Se forma un carboanión.

- El termino de la polimerización se realiza con la adición de agua.

COPOLIMERIZACION

La copolimerización consiste en la formación de macromoléculas a partir de dos o más monómeros de estructura química diferente. Esto conduce a la obtención de una extensa gama de productos cuya naturaleza va a depender de la naturaleza de los monómeros, de su concentración relativa en la mezcla reaccionante y de la secuencia en que se unan durante el proceso de polimerización.

La copolimerización es importante para obtener productos con determinadas características físicas,útiles para aplicaciones específicas.

En los copolímeros según la ubicación de las unidades a lolargo de la cadena se distinguen:

Copolímeros al azar o estadísticos: A-B-B-A-B-A-A-A-……

Copolímeros alternados: A-B-A-B-A-B-A-B-A-B……

Copolímeros en bloque: A-A-….A-BBBBBB….BAAAAA…ABBBB…..

Copolímeros de injerto: AAAAAAAAAAAAAA…….AAAA BBBBBB BBBBBB

CARACTERÍSTICAS, PROPIEDADES DE POLIMEROS

PROPIEDADES QUIMICASSimilares a la de las moléculas pequeñas. Experimentanlas mismas reacciones aunque su velocidad de reaccióny eficiencia se ven influenciadas por el tamaño molecular.

NOMENCLATURADiversas formas para nombrarlos:Fuente de preparación: Es la forma más simple y más usada para nombrar alos polímeros. Poli(nombre del monómero), Polietileno, Poli(óxido de etileno)Poli(metacrilato de metilo)Basada en Estructura: Se usa en los polímeros de condensación a partir de dos monómeros. Poli(estructura química), Poli(hexametilen adipamida), Poli(etilen tereftalato). Nombres Comerciales: Nylon 6,6, Nylon 6, Teflon, otros.

Los polímeros a diferencia de las moléculas pequeñas no presentan un peso molecular único, sino que el polímero resultante es una mezcla de polímeros de la misma naturaleza pero de diversos de tamaño moleculares. Se tiene un peso molecular promedio. Mn Mv Mw.

PESO MOLECULAR

Distribución de Pesos Moleculares, DPM, indica cuandisperso, en cuanto a tamaño molecular, es un polímero.

ESTRUCTURA DE LAS CADENAS POLIMERO

Como resultado del mecanismo y proceso de

polimerización como también de la naturaleza

de los monómeros que generan el polímero,

las cadenas polímero pueden ser lineales,

ramificadas e incluso entrecruzadas.

ESTRUCTURA DE POLIMEROS

Lineal

Ramificado (A)

Ramificado (B)

Ramificado (C)

Entrecruzado

CRISTALINO, AMORFO

La mayoría de los polímeros pueden presentar

características tanto de sólidos cristalinos como de

líquidos altamente viscosos.

Se usa los términos Cristalino y Amorfo que indican

regiones ordenadas y desordenadas.

La mayoría de los polímeros son con carácter

parcial o semi cristalinos.

POLIMERO CRISTALINO NO-ORIENTADO

POLIMERO CRISTALINO ORIENTADO

ESTEREOREGULARIDAD

Se utiliza la terminología de polímeros

atácticos, isotácticos y sindiotácticos para

indicar el ordenamiento, a lo largo de la

cadena polímero, de los grupos laterales

presentes en la unidad repetitiva del

polímero.

ESTEREOREGULARIDAD EN POLIMEROS

PS Atáctico PS isotáctico 1955 G. Natta

PS sindiotáctico 1985 N. Ishihara

Amorfo Cristalino Cristalino

Veloc. Cristn. ------ Lenta RápidaTg, (ºC) 100 99 100Tm, (ºC) ------ 240 270

6,65 A5,06 A

TRANSICIONES TERMICAS EN POLIMEROS

Se distinguen dos tipos de temperatura de transición:Tg y Tm

Temperatura de Transición Cristalina, Tm, correspondea fusión de la componente cristalina del polímero.

Temperatura de Transición vitrea, Tg, por debajo deella la porción amorfa del polímero adquiere las carac-terísticas del estado vitreo.

TERMOPLASTICOS, TERMOESTABLES

La terminología termoplástico y termoestable se

usa para indicar el comportamiento en cuanto a

temperatura de un material polimérico.

Termoplástico, para aquellos que se ablandan,

funde y fluyen por aplicación de presión y

temperatura. Se pueden moldear una y otra vez.

Termoestable, materiales infusible e insolubles,

pueden ser moldeados sólo una vez. Corresponden

a polímeros altamente entrecruzados.

La utilidad de un polímero como material depende de sus propiedades y características. En estas están involucrados:

APLICACIONES DE LOS POLIMEROS

Dependiendo de la combinación particular de estos parámetros, un polímero se podrá utilizar como:

tamaño molecular (PM), grado de cristalinidad, grado de entrecruzamiento, temperaturas Tg y Tm.

FIBRA PLASTICO RIGIDO

PLASTICO FLEXIBLE ELASTOMERO

FIBRAS

Alta resistencia a la deformación, bajas elongaciones.

Polímeros altamente cristalinos con cadenas polaresque presentan fuerzas secundarias fuertes.

Se usa estiramiento mecánico para alcanzar altacristalinidad.

Con Tm 200ºC y 300ºC. Tg intermedio aprox. 50ºC.

PLASTICOS RIGIDOSAlta rigidez y resistencia a la deformación.Polímeros amorfos con grupos laterales voluminosos o con alto grado de entre-cruzamiento.

PLASTICOS FLEXIBLESGrado de cristalinidad de moderado a alto, amplia variedad para Tm y Tg.

Pueden experimentar fácilmente elongaciones reversibles muy grandes.

ELASTOMEROS

Corresponden a polímeros amorfos, con Tg baja, fuerzas secundarias bajas, y con un cierto grado de entrecruzamiento.

Elastómeros Plásticos Fibras

Poliisopreno

Poliisobutileno

Polibutadieno

Poli(cloruro vinilo)

Poliuretanos

Polysiloxanes

Polietileno

Politetrafluoretileno

Poliestireno

Poli(metacrilato metilo)

fenol-formaldehido

urea-formaldehido

melamina-formaldehido

Poliamida

Poliéster

Polipropileno

Aplicaciones de Polímeros

SINTESIS, PREPARACION DE POLIMEROS

SINTESIS, PREPARACION DE COPOLIMEROS

MEZCLAS DE POLIMEROS/COPOLIMEROS

MEZCLA DE POLIMEROS

ALGUNOS COMPONENTES DE AUTOMOVILES

Parachoques, ABS

Neumáticos: Rodaje: P(SBS), Lateral: P(isopreno), Interior:P(isobutileno), Refuerzo: Cuer-da Kevlar, Nylon-6

Limpiaparabrisas: Poliisopreno

Filtro de Aire:Papel (celulosa)

Manguera: Polibutadieno Bidon: PolietilenoAlfombra: Nylon

No hay mejor lugar para sumergirse en el mundo de los polímeros que unnegocio de piscinas e hidromasajes.

Antiparra: Poliisopreno, PolibutadienoCristales: Policarbonato

Pileta Natación: PVC

Bañera: Superficie, PMMA

Salvavidas:Espuma PS,Cuerdas: Nylon

JuguetesInflables:PE, PVC

Balsa: PVCEspuma PS Redes: Nylon

Y en los deportes…

Pelota Basquet: Cuero, Poliisobutileno

Guante beisbol, cuero, Algodón, Nylon, poliéster Raqueta tenis: marco

fibra carbono, cuerdas: nylon

Pantalón ciclismo:Cop en bloque: Spandex

Pantalones: Poliéster

Pelota golf: Surlin,Ionómero/elastómero

0

100

200

300

400

500

600

700

800

70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 02 04

Plásticos

Aluminio

Acero

Producción Global de Plásticos

Produción en peso(1970 = 100)

Crecimiento anual 1970-2004Acero: 2% Aluminio: 3% Plásticos: 6%

Fuente: SPI, Milacron

Consumo Global de Plásticos

2003 – 176 M Ton1990 – 86 M Ton

Europa29%

América del Norte 29%

Sudeste Asia-tico 16%

Japón12%

América del Norte 25%

Europa 22% Sudeste Asia-

tico 32%

Sudeste Asia-

tico 36%

América del Norte 24%

Europa 19%

Europa Oriental

6%

América Latina 4%

Africa/Medio Oriente

4%

Europa Oriental 4%

América Latina 5%

Africa/Medio Oriente 6%

Japón6%

Europa Oriental

4%

América Latina 5%

Africa/Medio Oriente

6%

Japón6%

2010 – 250 M Ton

fuente: VKE, Junio 2004

5.7% 5.1%

Consumo de Plásticos en Estados Unidos

Building & Construction

24%

Packaging33%

Furniture7%

Other13%

Transportation17%

Electrical / Electronic

6%

2ND Largest Market

• Los plásticos se han hecho una parte integral de nuestras vidas, y de hecho juegan un rol ireemplazable en las actividades diarias

Hoy en día:

COMPOSICION

Mezclado

Polímero + Aditivos

“COMPOUND” Compuesto de Moldeo

“Pellets”, Gránulos de Moldeo

Transformación (Moldeo) Plásticos

• Técnicas de fabricación :– Compresión

– Inyección– Extrusión– Soplado

– Maquinado– Termoformado

– Moldeo Rotacional

Laminado

Calor y presión parte superior e inferior del material

Resina

Refuerzo

Plásticos Extruidos

Soplado

Polipropileno

Plásticos Termoformados

Plásticos: Moldeo Rotacional

Maquinado de Plásticos

Enormes Beneficios por los Plásticos Los plásticos mejoran nuestra vida diaria y han hecho grandes

mejoras en areas como:

Empaque, frescura, estabilidad de almacenaje, protección de

bacteria.

Agricultura, invernaderos, en terreno, ductos de regadio, otros

Transporte, terrestre, marítimo, aereo, exploración espacial

Construcción, materiales varios, paneles, ductos, otros. Durabilidad,

estética, y alto “performance”

Protección personal, niños, atletas, trabajos riesgosos, policia,

bomberos, otros

Electrónica, información, comunicación, y entretenimiento

Medicina, ayudándonos a vivir más y más saludables

Reciclado y Reuso

EMPAQUE

AGRICULTURA

TRANSPORTE

PVC en Automóviles

InteriorTapicería, alfombras, paneles, consolas, apoya brazos, protectores sol, protección maletero

OtrosRecubrimiento superficie exterior inferior, separador platos batería, protección línea combustible

ExteriorTerminaciones externas, montaje ventanas/ vidrios, cubierta techo de convertibles, protecciones parachoque, tapabarro

Cables eléctricosAislación de cables, tarugos y fijación molduras

Corazón artificial autosuficiente Marcapasos

Venas y Arterias Artificiales

Suturas Quirúrgicas

Piel Artificial

El Futuro de los Plásticos: Nanocompuestos

Nueva frontera para el desarrollo de la ciencia de los materiales y procesadores de polímeros.

Nueva clase de materiales denominados “nanocompuestos” = plásticos reforzados con fibras de carbono tamaño nano.

Perspectiva brillante para propiedades mejoradas y producción económica de plásticos moldeados por inyección y por extrusión. Posible comercialización a gran escala.

Ventajas: materiales de costo más bajos, libertad de diseño, estabilidad dimensional y estética.

Propiedades totalmente nuevas respecto de los materiales existentes.

Pintura y terminación: mejorado en pintura, disminución de costo

Uso de Nanofibras Carbono en Autos del Futuro

Paneles: Reducción de peso y costo, mejores resultados térmicos

Neumáticos: mayor tracción y durabilidad, mejor rendimiento

Hoses y belts: menor mantención

Sellos: menor costo reducción de ruido

Beneficios: menor peso, mejor eficiencia de combustible, reducción de precio

Potenciales aplicaciones en muchas otras industrias y mercados: artefactos médicos, electrónicos, materiales de construcción, artículos de uso doméstico, empaque,etc.

Soportes del motor:reducción de vibraciones

Sistema híbrido de fuerza (poder): bateria ion litio, celda de combustible

POLIMEROS CONDUCTORES

Energia eléctrica y química se transforma en energía mecánica.

PAni

Película ion-conductora

Polímeros conductores, polímeros orgánicosconjugados a través de los cuales se puedenmover los electrones de un terminal al otro.Los más comunes son polianilina (PAni) y polipirrol (PPY).

Películas ´´sandwich´´ polianilina/película ion-conductora para material de músculos de robots. El flujo de corriente hace que un terminal se expanda y el otro se contraiga. Resulta un “plegado” del ´´sandwich´´.

Materiales Sensibles: Elastómeros Dieléctricos

Los elastómeros dieléctricos (también llamados polímeros electroconstrictivos) exhiben fuerza mecánica al ser sometidos a un campo eléctrico. Su capacidad de contracción es mayor que la de los piezocerámicos (10-30% vs. 0.1-0.3%).

Los más comunes son los basados en PMMA. Debido a su fuerza electroconstrictiva, pueden colocarse entre dos electrodos imitando la acción de músculos.

En un campo eléctrico, el elástomero se expende en el plano de los electrodos, amplificando la compresión normal debido a las cargas electrostáticas de los electrodos. Resulta un músculo con mayor fuerza y actuación.

Electrodo

Polímero electro-constrictivo

Materiales Sensibles: Polímeros Geles

Los polímeros geles consisten en polímeros entrecruzados inflados con un solvente como agua. Tienen la propiedad de hincharse y encogerse reversiblemente (hasta 1000 veces en volumen) debido a pequeños cambios en su ambiente (pH, temperatura, campo eléctrico).

Las microfibras gel se contraen en milisegundos, mientras que los polímeros gruesos requieren de minutos para reaccionar (hasta 2 horas o aún días). Tienen alta fuerza (aproximadamente igual a la de los músculos humanos).

Los más comunes son poli(alcohol vinílico), PVA, poli(ácido acrílico), PAA, ypoliacrilonitrilo, PAN. Muchas aplicaciones potenciales (ej.,músculos artificiales,movimiento en robots, adsorvedores de químicos tóxicos), aunque actualmentetienen poca difusión comercial.

Los plásticos son una fuente alternativa de energía

• Después de su uso, los plásticos pueden tener otra vida como fuente de combustible

Una tonelada de plásticos puede desplazar dos toneladas de carbón y quemar sin emisiones de SO2 (los plásticos no contienen azufre).

• Hay una oportunidad significante: tomar el fin de la utilidad de los plásticos y usarlos como fuente de energía.

• Esto provee una solución para los desperdicios y accede a fuentes de energía.

Investigación en Polímeros en el País

Universidad de ChileP. Universidad Católica de ChileUniversidad Tecnológica MetropolitanaUniversidad de Santiago de ChileUniversidad de ConcepciónUniversidad del Bio BioUniversidad Austral de ChileUniversidad Católica de Valparaiso