Pgina 1

UNIDAD VI. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES POLIMERICOS 1. Introduccin. 2. Estructura de los materiales polimricos 3. Clasificacion:

Termoplasticos Termoestables Elastomeros

Pgina 2

TEMA VI-ESTRUCTURA

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

POLIMRICOS

1. INTRODUCCIN. A lo largo de la historia, los diferentes tipos de materiales han evolucionado segn las necesidades del momento permitiendo el desarrollo de productos con mejores prestaciones. En otras ocasiones, ha sido la presin social por nuevos productos la que ha inducido el desarrollo de nuevos materiales capaces de satisfacer determinadas exigencias. La gama de materiales disponibles en la actualidad es muy amplia, y el ingeniero debe ser capaz de elegir y seleccionar el material ms apto para cada aplicacin. En la Figura 1 se muestra la evolucin de los materiales a lo largo de la historia segn la clasificacin tradicional en metales, cermicos, polmeros y materiales compuestos. En este grfico destacan el crecimiento que han experimentado dos familias de materiales: polmeros y materiales compuestos. Los materiales polimricos engloban una serie de materiales de origen sinttico que se obtienen a partir de productos derivados del petrleo.

Pgina 3

10.000 AC 5000 AC 0 1000 1500 1800 1900 1920 1960 1980 1990 2000 2010 2020

ORO COBREBRONCE

HIERRO

COLAS

MADERAPIELESFIBRAS

PAPEL

PIEDRA

VIDRIOCEMENTO

REFRACTARIOS

CAUCHO

ACEROS

FUNDICIONES

ACEROSALEADOS

ALEACIONES LIGERAS

SUPERALEACIONES

BAQUELITA

NYLONPE

ALEAC. TITANIOZIRCONIO...

PCPMMA

PPACRLICA

EPOXYPOLISTER

CEMENTOPORTLAND CEMENTOS SLICEFUNDIDA

PIROCERMICAS

PS

POLMEROS DE ALTO MDULO

POLMEROS DE ALTASTEMPERATURAS

METALES VTREOS

ALEACIONES Al-Ti

ACEROS EN FASE DUAL

ACEROS MICROALEADOS

NUEVAS SUPERALEACIONES

CFRPGFRP

KEVLAR-FRP

COMP. DEMAT. METL.

COMPOSITES CERMICOS

CERMICAS TENACES

DESARROLLO LENTO,EN GRAN PARTE CONTROLDE CALIDAD Y PROCESO

METALES

COMPOSITES

POLMEROSELASTMEROS

CERMICAS VIDRIOS

METALES

COMPOSITES

POLMEROSELASTMEROS

CERMICAS VIDRIOS

SILEX

Figura 1.- Utilizacin relativa de los materiales a lo largo de la historia. Por su parte los materiales compuestos engloban una serie de materiales que tal y como su nombre indica estn compuestos de varios materiales, cada uno con una funcin determinada con la finalidad de conseguir un material de prestaciones ptimas. Los materiales polimricos han experimentado un enorme crecimiento en los ltimos aos. Este crecimiento ha sido debido en gran medida a las excelentes propiedades que presentan de forma global. Se trata de materiales tcnicos que adquieren especial relevancia en el campo de la ingeniera debido a sus excelentes propiedades que son consecuencia de su estructura. Entre estas propiedades destaca bsicamente el bajo peso, la facilidad de transformacin, excelente aislamiento elctrico, buena resistencia a los agentes qumicos, ... En la actualidad los polmeros aparecen de forma apreciable en multitud de sectores, y slo basta echar un vistazo a nuestro alrededor para darnos cuenta de su presencia. Entre los sectores que mayor uso hacen de ellos, se encuentra el sector elctrico/electrnico, el sector qumico, la industria juguetera, la industria de envase/embalaje, pinturas, adhesivos, recubrimientos, ...

Pgina 4

2. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES POLIMRICOS. Los materiales polimricos son estructuras orgnicas que se obtienen a partir de derivados del petrleo, y en consecuencia, estn formados bsicamente por Carbono (C), Hidrgeno (H), y Oxgeno (O). En algunas ocasiones aparecen otros tomos como Flor (F), Nitrgeno (N), Azufre (S), Cloro (Cl), que confieren unas caractersticas especficas. La razn de ser de los materiales polimricos radica en el hecho de que a medida que aumenta el peso molecular de una cadena de tomos, se tiende al estado slido. As pues, el metano con un nico tomo de Carbono es un gas. Las gasolinas, con cadenas de 7, 8 y 9 tomos de Carbono ya se encuentran en estado lquido mientras que las ceras, formadas por cadenas de varios centenares de tomos de Carbono ya presentan un estado slido. Los polmeros estn formados por cadenas de tomos de Carbono unidas con diferentes tipos de enlaces . El tomo de Carbono permite 4 enlaces primarios tal y como se observa en la Figura 2.

REPRESENTACIN LINEAL REPRESENTACIN TRIDIMENSIONAL (REAL)

Figura 2.- Representacin de la estructura del tomo de Carbono con cuatro enlaces primarios.

Pgina 5

2.1. FORMACIN DE LAS CADENAS POLIMRICAS. POLIMERIZACIN.

La palabra polmero indica poli (muchos) meros (unidades bsicas). Los polmeros estn formados por la unin de cadenas polimricas. Estas cadenas polimricas se forman a travs de un proceso denominado polimerizacin. Con el proceso de polimerizacin se pretende aumentar el peso molecular de las cadenas hasta alcanzar el estado slido. En este proceso, se parte de los meros o monmeros que son los precursores del polmero o unidades bsicas que van a repetirse en las cadenas polimricas. Una de las condiciones indispensables que deben cumplir los monmenros es la presencia de al menos un doble o triple enlace. En la Figura 3 se muestra grficamente el proceso de polimerizacin.

C + +

CLORURO DEVINILO (MONMERO)

T,P,CC

H

Cl

H

H

C C C C C C

H H

H

H H H

H HCl Cl

H

Cl

C C

H H

HCl

n

C C

H H

HCl

C C

H H

HCl

C C

H

H H

Cl

C C

H H

HCl

Figura 3.- Esquema del proceso de polimerizacin del PVC.

Pgina 6

Este proceso de polimerizacin es bastante habitual y consta de 3 etapas: I.- Iniciacin.

En esta etapa, se debe romper el doble o triple enlace presente en el monmero para dejarlo abierto. Para ello puede recurrirse a emplear presin, calentarlo o simplemente emplear un catalizador precursor de la reaccin de rotura del doble o triple enlace. Esta rotura ocurre simultneamente en miles de molculas de monmeros, quedando todas ellas activadas.

II.- Propagacin.

En esta etapa, las diferentes molculas de monmero activadas en la etapa anterior se van uniendo unas con otras formado cadenas de mayor o menor longitud.

III.- Terminacin.

Cuando las cadenas han alcanzado una longitud determinada (segn el tipo de polmero) se completan los enlaces terminales y el proceso de polimerizacin se da por terminado.

Un aspecto de vital importancia en el proceso de polimerizacin es el control del tamao/longitud de las cadenas polimricas formadas, puesto que ello va a condicionar en gran medida el comportamiento mecnico del material, y no slo este sino que influir de forma decisiva en los procesos de transformacin tal y como se ver en unidades posteriores. Son muchos los polmeros que se obtienen mediante este proceso denominado poliadicin, en general, todos los derivados del etileno, tal y como se muestra en la Figura 4. Ahora bien, este no es el nico procedimiento de polimerizacin. Existen otros procedimientos de formacin de largas cadenas polimricas a partir de unidades ms pequeas (meros) como puede ser el proceso de policondensacin. La particularidad de este proceso radica en la formacin de agua durante el proceso de polimerizacin, agua que debe ser eliminada del medio de reaccin para obtener un material de buena calidad.

Pgina 7

CC

H H

H H Cl

CC

H H

H

CC

H H

HC

H

H HCC

F F

FF

CC

H H

HC

H

H

O CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H O

C

C

H

H H

O

CC

H

H C

C

H

H H

O

O

C

H

HH

CC

H

CC

H H

H

HC

H

HH

ETILENO CLORURO DE VINILO PROPILENO TETRAFLUORETILENO

ESTIRENO FORMALDEHIDO BUTADIENO

ACETATO DE VINILO

METACRILATO DE METILO ISOPRENO

Figura 4.- Monmeros tpicos con reaccin de polimerizacin por adicin.

En la polimerizacin por condensacin, reaccionan dos monmeros de naturaleza distinta, se unen y desprenden una molcula sencilla que generalmente es agua. En la Figura 5 se muestra de forma esquemtica el desarrollo de esta reaccin.

Pgina 8

C

H

H

NN

6

H

H

H

H

C

H

H

CC

4H

O

O

O

O

+

HEXAMETILNDIAMINA CIDO ADPICO

C

H

H

NN

6

H

H

H

H

C

H

H

CC

4

H

O

O

O

O

+

POLIAMIDA 6,6 (NYLON 6,6) AGUA Figura 5.- Esquema del proceso de polimerizacin por condensacin. Ms adelante se vern otras formas de polimerizacin un poco ms complejas pero que permiten obtener una gran variedad de polmeros.

Pgina 9

3. CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES POLIMRICOS. Son muchas las formas en que se pueden clasificar los materiales polimricos, sin embargo, la ms apropiada es la que hace referencia a los tipos de uniones o enlaces presentes ya que estos condicionan en gran medida el comportamiento del material, tanto desde el punto de vista mecnico como trmico, qumico, fsico, ... e incluso en los procesos de transformacin. Segn este criterio, los materiales polimricos se clasifican en tres grandes grupos: Termoplsticos.

Presentan una estructura en forma de ovillo en la cual las distintas cadenas polimricas se encuentran unidas mediante enlaces secundarios dbiles.

Termoestables.

Su estructura difiere de la de los termoplsticos en que las cadenas se encuentran unidas mediante fuertes enlaces covalentes primarios.

Elastmeros o cauchos.

Su estructura es similar a la de los termoestables sin embargo, la densidad o cantidad de enlaces covalentes es muy inferior permitiendo que el material tenga unas buenas propiedades elsticas.

3.1. TERMOPLSTICOS. Los materiales termoplsticos tal y como su nombre indica son materiales que adquieren un comportamiento plstico (con alta capacidad de defromacin) por efecto de la temperatura. Ello se debe a la estructura, ya que como se ha comentado con anterioridad, este grupo de polmeros presenta una estructura en forma de ovillo donde las cadenas polimricas se unen mediante dbiles enlaces secundarios. Es precisamente la presencia de estos enlaces secundarios la que justifica este comportamiento plstico ya que al aumentar la temperatura, el calor suministrado al plstico es suficiente para romper estos enlaces tan dbiles haciendo fluir unas cadenas sobre otras y en definitiva deforrmando al polmero. La presencia de los enlaces secundarios no slo afecta al comportamiento mecnico del polmero. Tambin afecta, y en gran medida, a los procesos de transformacin ya que se trata de materiales que al calentarlos a cierta temperatura funden ya que el calor rompe los enlaces secundarios que son los responsables de mantener las cadenas polimricas unidas formando un material slido.

Pgina 10

Estos materiales funden al calentar y solidifican al enfriar. En consecuencia, pueden reprocesarse tantas veces como se desee y por lo tanto son reciclables. En el grupo de termoplsticos se engloban una gran cantidad de materiales polimricos con una gran variedad de comportamiento: duros, blandos, transparentes, opacos, ligeros, pesados, ... En la Tabla I muestran algunos ejemplos de termoplsticos junto con algunas de sus aplicaciones tpicas: Nombre Siglas Aplicaciones

Polietileno PE Bolsas de plstico, tapones de botellas, ...

Polipropileno PP Mangueras de plstico, recipientes para medicinas, fundas para pelculas, ...

Policloruro de vinilo PVC Perfiles de ventanas, botellas, ...

Poliestireno PS Bolgrafos, recipientes para yoghourts, ... Polimetilmetacrilato PMMA Gafas de plstico, ornamentacin, ... Policarbonato PC Farolas, carcasas ordenadores,

Acrilonitrilo-butadieno-estireno ABS Paragolpes de automviles, secadores, batidoras, ... Tabla I.- Ejemplos de termoplsticos y aplicaciones. A su vez los termoplsticos se pueden clasificar en dos grandes grupos segn la estructura de las cadenas polimricas sea ordenada o desordenada, lo cual condicionar en gran medida el uso del material. Segn el orden de las cadenas polimricas, los termoplsticos se dividen en:

Termoplsticos semicristalinos. Termoplsticos amorfos.

Pgina 11

3.1.1. TERMOPLSTICOS SEMICRISTALINOS. Durante el proceso de enfriamiento de un plstico en estado lquido empiezan a establecerse uniones de tipo secundario entre las cadenas polimricas. En este tipo de plsticos, las cadenas no se disponen de forma aleatoria sino que mantienen cierto orden tal y como se aprecia en la Figura 6.

Figura 6.- Esquema del plegamiento de las cadenas polimricas en un termoplstico

semicristalino. Estas zonas ordenadas se denominan esferulitas o cristalitas y son zonas en las que las cadenas polimrizas presentan cierto orden. Slo algunos termoplsticos son capaces de experimentar este fenmeno de la cristalinidad, ya que para que pueda establecerse un orden entre las cadenas polimricas es indispensable que estas sean sencillas y lo ms simtricas posible. La cristalinidad provoca opacidad en el material, de tal manera que a medida que aumenta el % de zonas ordenadas, el plstico se vuelve ms opaco. Adems la cristalinidad influye de forma decisiva en las caractersticas fsicas, ya que las cadenas polimricas ordenadas presentan mayor compacidad que las desordenadas y en consecuencia se modifica la densidad del material. Por otro lado, a medida que aumenta el grado de cristalinidad, el material se vuelve ms resistente, ya que las atracciones de naturaleza secundaria son ligeramente ms fuertes en las zonas ordenadas que en las desordenadas. En la Figura 7 se muestran las estructuras de algunos termoplsticos con estructura semicristalina debido a la simetra de sus cadenas.

Pgina 12

Figura 7.- Estructura de termoplsticos semicristalinos. La Figura 8 muestra una representacin tridimensional de la estructura ordenada de las cadenas de polietileno.

Figura 8.- Estructura tridimensional ordenada de las cadenas de polietileno.

El polietileno es uno de los termoplsticos que mayor grado de cristalinidad puede alcanzar debido a la naturaleza sencilla y simtrica de sus cadenas polimricas. Se emplea en la fabricacin de contenedores, botellas, ... y fundamentalmente en forma de film para el sector envase/embalaje.

CC

H H

H HCH

CC

H H

H

CC

H H

HC

H

H H3

n

n n

POLIETILENO POLIPROPILENO

Pgina 13

En la Tabla II se muestra cmo afecta la cristalinidad a algunas propiedades de dicho material. Propiedad PE-LD PE-HD Densidad (gr/cm3) 0.92 0.94 0.94 0.96 Tensin de Rotura (MPa) 4.1 - 20.6 20.6 - 37.8 % Alargamiento a la rotura. 50 - 800 15 - 130 Coeficiente dilatacin trmica (C-1105) 24 13 % Cristalinidad 65 95

Tabla II.- Influencia de las cristalinidad en las caractersticas del polietileno (PE) Otro de los plsticos que suele alcanzar valores considerables de cristalinidad es el polipropileno (PP) cuya estructura se muestra en la Figura 9.

Figura 9.- Diferentes ordenaciones tridimensionales del PP. El grupo metilo (CH3) puede provocar algn desorden en la estructura pero habitualmente se dispone de forma alterna como se aprecia en la figura anterior y ello permite que el plstico alcance grados de cristalinidad importantes. Existen algunos termoplsticos ms, capaces de alcanzar cierto grado de cristalinidad como el polietilenterftalato (PET) ampliamente utilizado en la fabricacin de botellas y la poliamida (PA) utilizada extensamente en el sector ingenieril puesto que se trata de un plstico tcnico capaz de satisfacer especificaciones rigurosas como las que se manejan en el campo de la ingeniera.

Pgina 14

3.1.2. TERMOPLSTICOS AMORFOS. Este grupo engloba aquellos termoplsticos cuyas cadenas polimricas no adquieren ningn orden durante el proceso de polimerizacin, dando lugar a un ovillo de cadenas polimricas unidas mediante enlaces secundarios pero sin ningn tipo de orden. La razn principal por la que estos plsticos no pueden conseguir cierta cristalinidad es por la naturaleza de sus cadenas polimricas, que suelen ser bastante asimtricas y complejas, lo cual dificulta el proceso de ordenacin. Otro de los factores importantes que conduce a la obtencin de un termoplstico amorfo es la velocidad con la que se enfra desde el estado slido. Si la velocidad de enfriamiento es alta, el proceso de solidificacin es muy rpido y se inhibe la posibilidad de formar estructuras ordenadas. Este aspecto adquiere especial relevancia en los procesos de transformacin. A la hora de transformar un termoplstico, lo habitual es llevarlo al estado lquido y a continuacin darle la forma deseada y por ltimo, someterlo a un proceso de enfriamiento para volver a solidificarlo. Si el diseo de la pieza no es el correcto y el proceso de enfriamiento no se lleva a cabo de forma adecuada es posible que en la misma pieza tenga zonas que se han enfriado rpidamente (zonas externas) y zonas que se han enfriado ms lentamente (zonas interiores) dando lugar a una pieza con zonas amorfas (externas) y semicristalinas (interiores). Una de las caractersticas ms relevantes de los termoplsticos amorfos es la transparencia. Los termoplsticos amorfos presenten muy buena transparencia, de ah que se empleen en gran medida aprovechando sus buenas propiedades pticas. Algunos polmeros amorfos son el polimetilmetacrilato (PMMA) ampliamente utilizado en la fabricacin de prtesis, luminarias, ..., el policarbonato (PC) empleado en farolas, intermitentes de automviles, cascos, equipamiento luminoso para trfico, ..., el poliestireno (PS) empleado en fibra ptica, ... La Figura 10 muestra las estructuras complejas del PMMA y el PC que impiden la formacin de zonas ordenadas durante el proceso de enfriamiento.

Pgina 15

CC

H

H C

C

H

H H

O

O

C

H

HH

C

C

H

HH

C HH

H

O C O

O

n

n

POLICARBONATO (PC) POLIMETILMETACRIALITO (PMMA)

Figura 10.- Estructuras de algunos polmeros amorfos. Otro aspecto que distingue a los termoplsticos amorfos de los semicristalinos es la existencia o no de una temperatura de fusin nica. Los termoplsticos semicristalinos poseen una temperatura de fusin nica y fija, temperatura a la que se produce la fusin o paso de slido a lquido de las esferulitas. Sin embargo, los termoplsticos amorfos, al carecer de zonas ordenadas, no poseen una temperatura de fusin fija, sino ms bien un rango de temperaturas en el cual los enlaces secundarios que mantienen al polmero en estado slido se han debilitado tanto que el material empieza a fluir. El comportamiento trmico de un termoplstico amorfo es similar al del vidrio. El vidrio no funde a una temperatura fija, sino que posee una rango de temperaturas en el cual la viscosidad es la adecuada para poder trabajarlo como si se tratara de un lquido.

Pgina 16

3.2. POLMEROS TERMOESTABLES. Los polmeros termoestables tambin denominados resinas termoestables son materiales polimricos que presentan una excelente estabilidad a la temperatura. El proceso de polimerizacin de estos materiales es algo distinto a los vistos anteriormente (poliadicin y policondensacin) que son tpicos de los termoplsticos. De forma general, los termoestables consisten en dos resinas lquidas que de forma individual no pueden polimerizar, pero que al entrar en contacto, se produce una reaccin de reticulacin a travs de mltiples enlaces covalentes entre las molculas de ambas resinas. Por ello la forma de suministro habitual de los termoestables es en forma de resinas bicomponentes, que combinadas en la proporcin adecuada dan lugar a la formacin de un material termoestable que soporta la temperatura de forma excelente. El proceso de polimerizacin por reticulacin, denominado curado se muestra en la Figura 11. En este caso corresponde al proceso de reticulacin de una resina de fenol-formaldehido ms comnmente conocida como Bakelita. Este proceso se lleva a cabo entre la totalidad de las dos resinas estableciendo uniones mediante enlaces covalentes dando lugar a uan estructura en forma de red tridimensional (Figura 12) donde no aparecen enlaces secundarios. Todos o prcticamente todos los enlaces presentes en la estructura reticulada son de naturaleza primaria y en consecuencia fuertes.

H

O

HH

H

H

H C

O

HH

H

O

HH

H

H

H

H

O

HH

H

H

C

H

H

O

HH

H

H

H

HH

O

+

Figura 11.- Reticulacin de una resina de fenol formaldehido.

Pgina 17

Figura 12.- Esquema de red tridimensional de la resina de fenol formaldehido.

Este tipo de materiales no pueden fundir con la aplicacin de calor ya que son estables a la temperatura. Una vez polimerizados ya no pueden fundirse y en consecuencia, no son, a priori, reciclables. Por otro lado, se trata de materiales muy duros, resistentes pero a la vez frgiles, es decir, rompen con muy poca deformacin. Estas caractersticas los hacen especialmente adecuados para la fabricacin de materiales compuestos o plsticos reforzados con fibra (PRF), donde actan como soportes para las fibras que son las encargadas de soportar todos los esfuerzos. La industria de los materiales compuestos hace un uso masivo de los termoestables debido a su bajo peso y excelentes propiedades resistentes. Entre los materiales termoestables ms corrientes, se encuentra la resina de polister, que suelen emplearse reforzadas con fibra de vidrio en la fabricacin de paneles para automviles, cascos de pequeos botes, tuberas, tanques, conductos, ... Otro de los termoestables ms empleado es la resina epoxi que tradicionalmente se viene empleando como adhesivo y reforzada con fibras de carbono se emplea en la fabricacin de componentes de alta tecnologa en el sector aeronutico y aeroespacial (satlites).

H

O

HH

H

H

H

C

H

H

A

AA

A

A

A

AA

A

A

AA

A

A

A

A

A

Pgina 18

A parte de estos dos, existe un tercero con gran relevancia. Se trata de las resinas fenlicas, empleadas en dispositivos elctricos, en tableros contrachapados de madera dadas sus excelentes propiedades adhesivas, ... En la Tabla III se muestran de forma comparativa las caractersticas mecnicas de algunos termoestables en comparacin con las de algunos termoplsticos tpicos.

Plstico E103

(Kg/cm2) R

(Kg/cm2) % A

Termoplsticos Polietileno de baja densidad (PE-BD) 1 2.6 100 - 170 500 725Poliestireno (PS) 27 - 34 420 - 560 1 3 Polimetilmetacrilato (PMMA) 29 - 33 450 - 750 3 10 Polipropileno (PP) 11 - 18 340 - 400 500 - 700 Termoestables Resina fenlica (PF) - 450 - 600 - Resina epoxi (EP) 20 140 2.6

Tabla III.- Caractersticas mecnicas de algunos termoplsticos y termoestables.

Pgina 19

3.3. POLMEROS ELASTMEROS. Los elastmeros o cauchos son materiales que estructuralmente se asemejan a los termoestables en tanto en cuanto, su estructura est formada por cadenas polimricas unidas entre s mediante enlaces primarios (covalentes). Sin embargo la cantidad o densidad de enlaces covalentes presentes en la estructura de un elastmero es muy inferior a la presente en un termoestable, consiguiendo as un material con excelentes propiedades elsticas. Los elastmeros pueden ser de origen natural o de origen sinttico. Tanto en un caso como en otro es necesario someterlos a un proceso de vulcanizacin cuya finalidad es establecer ligaduras o uniones primarias entre las diferentes cadenas polimricas para restringir el movimiento de las cadenas y obtener as, un material elstico. El proceso de vulcanizacin emplea azufre en cantidades del orden del 0.5 3 %, cantidad necesaria para unir las cadenas polimricas sin rigidizar en gran medida la estructura. En la Figura 13 se muestra el proceso de vulcanizacin del caucho natural (poliisopreno).

I)

II)

III)

Figura 13.- Esquema del proceso de polimerizacin del caucho. Entre los cauchos sintticos, el ms importante es el de butadieno estireno, que se obtiene mediante combinando monmeros de butadieno con los de estireno. Generalmente poseen un 20 23 % de estireno. El proceso de elaboracin de estos cauchos es sencillo. Partiendo de los monmeros, estireno y butadieno, se procede a

Pgina 20

lleva a cabo la polimerizacin para obtener cadenas polimricas que alternan monmeros de estireno y de butadieno. Una vez polimerizado, se calienta en presencia de azufre para establecer las ligaduras entre las distintas cadenas polimricas. Este proceso se muestra de forma esquemtica en la Figura 14.

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

Hx y

+

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H

H

CC

H

H

CC

H H

H

CC

H

H

CC

H

HH H H H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H H

H

CC

H

H

CC

H

H

CC

H H

H

CC

H

H

CC

H

HH H H H

S S S S

+ AZUFRE

i)

ii)

iii)

Figura 14.- Proceso de formacin del caucho de estireno butadieno (SBR). i) Monmeros. ii) Polimerizacin. iii) Vulcanizacin.

El caucho de butadieno estireno, es ms barato que el caucho natural y se emplea mucho en la industrial del automvil ya que presenta mayor resistencia al desgaste. Otros cauchos importantes son los de policloropreno (NEOPRENO) donde la presencia de un tomo de cloro mejora considerablemente la resistencia mecnica y qumica de estos materiales. Se emplean en recubrimientos de cables, mangueras y abrazaderas industriales, ...

Pgina 21

Por ltimo dentro de los elastmeros se engloba un grupo de gomas que presentan una estructura completamente distinta a las vistas hasta el momento. Se trata de las siliconas, en las que el tomo de carbono (C) es sustituido por el tomo de silicio (Si). Este tipo de materiales presentan un comportamiento similar al de los elastmeros pero no requieren proceso de vulcanizacin de ah que tengan un trato distinto a los cauchos.

Pgina 22

TEMA VI-APLICACIONES

APLICACIONES DE LOS MATERIALES

POLIMRICOS

4. INTRODUCCIN. La utilizacin de los polmeros ha ido en aumento desde su aparicin incorporndose a todos los sectores industriales. Su importancia queda reflejada en los ndices de crecimiento, que superan en gran medida al del resto de materiales. Un dato significativo es que en 1990 la produccin total de plsticos alcanz los 100 millones de toneladas, valor superior al del crecimiento apreciado en uno de los materiales ms utilizados como son los aceros. Este enorme crecimiento es indicativo de la gran importancia que estn alcanzando los materiales polimricos como materiales tcnicos, abarcando a todos los sectores y substituyendo a otros materiales por su gran versatilidad. Es difcil imaginar un sector de actividad en el que no estn presentes los plsticos en mayor o menor medida. Las numerosas posibilidades de modificacin de la estructura qumica, la utilizacin de aditivos y facilidad de procesado permiten obtener una amplia variedad de propiedades que los hace aptos para muchas aplicaciones.

Pgina 23

La utilizacin de un material determinado en la fabricacin de una pieza viene dado porque el material cumple una serie propiedades (fsicas, qumicas, de proceso, econmicas) que lo hacen adecuado para ese uso. La utilizacin de este material por otro que mejore las prestaciones de la pieza lleva consigo el evaluar los siguientes aspectos:

Que se ajuste a los requisitos mecnicos, qumicos, trmicos o cualquier otra

propiedad que sea de importancia, dentro de unos determinados limites, para el funcionamiento de la pieza.

Estudio econmico, donde adems del factor precio influye la facilidad de proceso y post-proceso, adecuacin de las herramientas de trabajo, posibilidad de ahorro de material, etc...

En general los materiales plsticos presentan una serie de caractersticas comunes: - Son ligeros, con una densidad que oscila entre 0.9 y 1,4 gr/cc - Por lo general son inertes frente agentes inorgnicos (agua, bases,

cidos,..) y dependiendo del tipo, pueden ser atacados pro productos orgnicos (aceites, disolventes,..)

- No sufren corrosin, pero por el contrario son muy susceptibles frente a la radiacin solar.

- Facilidad y economa de transformacin - Pueden fabricarse en infinidad de formas y presentarse en forma rgida o

flexible. - Son aislantes trmicos, acsticos y elctricos. - Sus propiedades pueden variar con el tiempo de aplicacin del esfuerzo y

con la temperatura - Pueden ser transparentes

Pero generalizar en plsticos es muy complejo, ya que estamos hablando de ms de 50 tipos comerciales diferentes, sin contar diferentes variedades para cada tipo, as como la posibilidad de mezcla entre ellos.

Respecto a las propiedades mecnicas encontramos que los materiales plsticos ms rgidos (algunos termoestables y termoplsticos reforzados) pueden tener una

Pgina 24

resistencia a la traccin de 200 MPa (El acero tiene entre 500-2000 MPa) disminuyendo hasta valores de 5-10 MPa de algunos elastomeros.

0.1 1 10 100 1.000 10.0000.1

1

10

100

1.000

10.000

Tens

in

de ro

tura

, f (

MP

a)

Contenido energtico, q (GJ/m ) 3

Vidrios

RefractariosLadrillos

Piedras

Aceros

Aleac. CuAleac. AlAleac. Mg

Aleac. Ti

GFRP

CFRP

Aleac. Zn

PAHormignreforzado

Cemento

HormignProductosde madera

Latex

algrano

algrano

Maderas

Polmerospara ingeniera

LDPE

HDPE

PVCPP

PS

CauchosSintticos

Aleac. PbFundiciones

Aleacionespara ingeniera

Composites

Cermicaspara ingeniera

Cermicas porosas

Lneasgua dediseo

q =C1/2f

q =C2/3f

q =Cf

CauchosNaturales

Espumaspolimricas

Corcho

Atendiendo a las propiedades mecnicas simplemente una primera seleccin de materiales plsticos y con referencia a su estructura tendramos que para piezas con requisitos de resistencia y rigidez podemos utilizar termoestables y algunos termoplsticos; en el extremo contrario (piezas muy blandas o deformables) utilizaramos elastomeros y algunos tipos de termoplsticos. Para propiedades intermedias utilizaremos termoplsticos.

Pgina 25

Encontramos que bien para piezas muy rgidas, o bien para piezas muy blandas tenemos dos posibilidades. Termoestable o termoplstico para piezas muy rgidas, elastomero o termoplstico en el segundo caso. Para una buena seleccin tenemos que tener en cuenta la estructura de las diferentes familias. Los termoplsticos presentan una ventaja frente a termoestables o elastomeros; al no presentar unin qumica entre sus cadenas pueden fundir de manera reversible, lo que los hace muy interesantes para la fabricacin de grandes series. Por el contrario esta falta de unin entre las cadenas hace que los termoplsticos pierdan caractersticas mecnicas antes esfuerzos continuados o a fatiga (plastodeformacin), as como a aumentos de temperatura, ya que las molculas deslizan entre ellas sin ningn impedimento. Esto no ocurre en el caso de termoestables o elastomeros. En el caso de que los requisitos que busquemos es la rigidez este problema se puede solucionar aadiendo refuerzos minerales (fibra o esferas de vidrio), que adems de dar rigidez actan anclando las cadenas he impidiendo la plastodeformacin. Esto permite utilizar indistintamente termoplsticos o termoestables en piezas rgidas que estn sometidas a esfuerzos continuos. El criterio para elegir en este caso un termoestable o un termoplstico viene dada por el proceso. Cuando debemos fabricar grandes series, un numero elevado de piezas, siempre optaremos por termoplsticos utilizando los termoestables cuando vayamos a fabricar series cortas, como puede ser el caso de piezas de gran volumen (depsitos, contenedores,..) o por ejemplo prototipos. En este caso adems los moldes y utillaje utilizados en la transformacin de termoestables son mucho ms econmicos que en el caso de los termoplsticos, por lo que al realizar series cortas los rentabilizaremos antes.

RIGIDEZ

FLEXIBILIDAD

TERMOSTABLES

TERMOSTABLES

TERMOPLASTICOS

Pgina 26

En el caso de que busquemos fabricar piezas flexibles, si estas estn sometidas a esfuerzos continuos o a abrasin (por ejemplo una suela de zapato) no podemos solucionar el problema de plastodeformacin los termoplsticos mediante la adicin de refuerzos, ya que daramos rigidez a la pieza. En este caso estamos abocados a utilizar elastomeros, independientemente si vamos a fabricar series cortas o largas. Cuando la pieza sea flexible y sin grandes requisitos mecanicos (por ejemplo la cabeza de una mueca) podemos utilizar un termoplstico flexible, ya que tendremos ventajas a la hora de la fabricacin. En piezas de carcter intermedio, objetos de uso comn (desde una silla de jardin hasta un peine) la opcin ser la de un termoplstico (tendremos que buscar aquel que mejor se adapte a nuestras necesidades) y solo en casos excepcionales se recurre a termoestables o elastomeros (por ejemplo en la fabricacin de prototipos). Tipo de Pieza

Tipo de material plastico

Termoestable

Termoplstico Elastomero

Piezas Rigidas Piezas de gran Volumen o Tamao Serie Cortas

Siempre reforzados Series Largas, Piezas medias o pequeas

No se utilizan

Piezas Intermedias Series muy cortas

La opcin ms utilizada

Piezas Flexibles Grandes series sin requisitos mecnicos de fatiga o abrasin

Series cortas o largas de piezas con requisitos mecnicos continuos

Pgina 27

2. SELECCION DE LOS TERMOPLASTICOS Frente a termoestables y elastomeros son los materiales plsticos ms utilizados (representan un 75 % del consumo total) debido a su facilidad de transformacin. Son los materiales que comnmente conocemos como plsticos.

A la hora de seleccionar un termoplstico determinado la primera seleccin la realizaremos teniendo en cuenta si se trata de un material amorfo o semicristalino, ya que este es un aspecto que influye en el comportamiento del material tanto en el uso como en la transformacin. Cuando hablamos de un termoplstico amorfo (PS, PC, PMMA) lo que indicamos es que sus cadenas estn completamente al azar, sin presentar ningn tipo de estructura u orientacin. Para que una estructura de este tipo tenga consistencia las cadenas deben estar fijas, por debajo de la temperatura de transicin vtrea (Tg), ya que por debajo de esta temperatura (que es diferente dependiendo del tipo de molcula) las cadenas no tienen suficiente energa. Cuando en un plstico amorfo sobrepasamos su temperatura de transicin vtrea caracterstica, las cadenas comienzan a moverse y tenemos un material pegajoso, comienza a reblandecer. Si seguimos aumentando la temperatura las cadenas presentan cada vez ms movimiento hasta que presentan la fluidez de un liquido, es en este intervalo cuando lo transformamos. Al aumentar la temperatura alcanzamos la temperatura de degradacin (el plstico se quema). Esta estructura se nos vera reflejada en el comportamiento del material en los siguientes aspectos:

- Los materiales amorfos, debido a esa estructura congelada suelen ser rgidos y frgiles (este aspecto se mejora con la incorporacin de caucho), admitiendo poca deformacin antes de romper (no se pueden utilizar en uniones de bisagras, por ejemplo).

- La falta de orientacin interna permite que la luz los atraviese, por lo que pueden ser materiales transparentes (la inclusin de aditivos hace que pierdan esa transparencia) .

Porcentajes de consumo de materias plsticas

10%15%

75%

Termoestables

Adhesivos/CelulosicosTermoplsticos

Pgina 28

- Los materiales amorfos debido a la falta de estructura interna definida son bastante propensos a la plastodeformacin y sus propiedades se ven afectadas por la temperatura.

- Son materiales poco resistentes a los disolventes y productos qumicos, lo que en ocasiones hace que no podamos utilizarlos en determinados usos, pero por el contrario nos favorece procesos como el pintado o la adhesin.

- Su fluidez es fcilmente controlable con la Temperatura, lo que facilita su procesado.

- Al enfriar, por carecer de estructura ordenada, no presentan una contraccin importante, por lo que es fcil de obtener piezas sin distorsin.

Respecto a los materiales semicristalinos (PE; PP, PA), son aquellos en los que parte o partes de sus cadenas forman una estructura orientada. El porcentaje o grado de cristalinidad depende en primer lugar del tipo de material, as el polietileno que no tiene substituyentes en su cadena presenta mayor grado de cristalinidad que el polipropileno; polmeros con grupos voluminosos, como el Poliestireno no son nunca cristalinos. Ya dentro del mismo tipo de material, por ejemplo dentro de los diferentes polietilenos, factores como son la longitud de la cadena, las posibles ramificaciones o la inclusin de otros monomeros (copolimeros) nos van a modificar el grado de cristalinidad. Pero incluso cuando nos referimos a un material concreto y especifico, el modo como ese material haya sido enfriado nos modificara la cristalinadad (al enfriar con ms lentitud favorecemos la cristalinidad) y podemos encontrarnos con que en una misma pieza el material tenga diferente cristalinidad segn zonas. Si observramos un termoplstico semicristalino a muy bajas temperaturas encontraramos que tanto las zonas orientadas (cristalinas) como las zonas amorfas se encuentran congeladas, sin movimiento. El material se comporta de manera rgida y frgil, como un amorfo. A estas temperaturas no resulta interesante utilizar estos materiales por ese motivo. Si aumentamos la temperatura hasta la Temperatura de Transicin vtrea caracterstica de ese material, tendremos que la zona amorfa ya presenta capacidad de moverse, pero por el contrario la zona cristalina no sufrir ningn cambio; tendremos que una parte del material tendr capacidad de deformarse y de absorber energa por ejemplo de impactos, pero por otra parte la zona cristalina todava dar consistencia al material; hemos perdido rigidez y ganado resistencia al impacto, es en estas condiciones cuando el material presenta las condiciones optimas de uso. A medida que aumentamos la temperatura la parte amorfa sigue aumentando el movimiento pero la parte cristalina se mantiene, hasta alcanzar la Temperatura de Fusin; al alcanzar esta temperatura, y como en cualquier slido cristalino, el plstico funde pasando de slido a liquido con una disminucin brusca de la viscosidad. Ya en estado liquido (el intervalo que utilizamos para su transformacin) si seguimos aumentando la temperatura llegaremos a la temperatura de degradacin. De igual forma que en el caso de los amorfos su estructura influye en su comportamiento aqu ocurre lo mismo y nos encontramos que:

Pgina 29

- Los termoplsticos semicristalinos presentan mayor capacidad de deformacin frente a esfuerzos y poder de recuperacin, por lo que su uso ser imprescindible en algunas aplicaciones (por ejemplo una cajas plegables)

- La estructura orientada los hace menos influenciables por el proceso de plastodeformacin o la temperatura.

- La estructura cristalina origina procesos de difraccin cuando la luz incide en estos materiales; esto hace que sean materiales translucidos; y su transparencia depende del espesor.

- Son ms resistentes a los productos qumicos, lo que tambin dificulta los procesos de adhesin o decoracin.

- Su viscosidad varia bruscamente con la temperatura, lo que hace ms difcil su proceso.

- Al enfriar, la cristalinidad origina contracciones; adems pueden existir zonas con diferente refrigeracin, lo que implica mayor dificultad a la hora de disear moldes y mayor necesidad del control del proceso.

En resumen, escogeremos un materiales semicristalinos frente a uno amorfo de similares caractersticas cuando la pieza este sometida a esfuerzos alternados y se necesite que parte de la pieza recupere. Tambin en aquellos casos que necesitemos mayor inercia qumica. En aquellos casos que estos requisitos no sean importantes podemos optar por un termoplstico amorfo, ya que son ms fciles de trabajar. Tambin en aquellas piezas que necesitemos transparencia estamos obligados a utilizar un material amorfo. Conceptos aclaratorios acerca de la cristalinidad:

- No hay que confundir el uso cotidiano que utilizamos de la palabra cristal y cristalinidad con el termino cientifico-tcnico. Un cristal de ventana es un slido amorfo, que no posee ningn tipo de estructura cristalina; la definicin correcta sera la de vidrio, sin embargo debemos adaptarnos al lenguaje comn, aunque no sea correcto desde el punto de vista tcnico. As por ejemplo el termoplstico denominado comnmente como Poliestireno Cristal es el ejemplo tpico de termoplstico amorfo.

- La rigidez y fragilidad siempre depende en primer lugar del tipo de material que se trate (PE,PC...). Un termoplstico amorfo no es necesariamente ms rgido o frgil que un termoplstico cristalino o viceversa. As el Policarbonato, termoplstico amorfo, es ms rgido que el Polietileno pero menos que el PET, ambos cristalinos. Ahora bien cuando nosotros hablamos de un tipo especifico de plstico semicristalino, por ejemplo Polietileno, ser ms rgido y frgil aquel que sea ms cristalino. En una pieza de material semicristalino enfriada de manera desigual ser ms rgida y frgil en las zonas ms cristalinas, las enfriadas ms lentamente.

Pgina 30

3. CLASIFICACION PRACTICA DE LOS TERMOPLASTICOS. Una vez hemos optado por un termoplstico, nos encontramos con un gran numero de posibilidades tanto para materiales amorfos como cristalinos. Desde el punto de vista practico, vamos a encontrar tres grandes grupos, en una clasificacin que es puramente arbitraria en funcin del consumo, que adems puede variar segn fuentes.

- Plsticos comunes o comodities - Plsticos Tcnicos o para Ingeniera - Plsticos de altos prestaciones.

Comodities Dentro del grupo de los comodities o comunes se incluyen aquellos que son de consumo mayoritario (Representan ms del 90% de consumo total). En ellos encontramos dos termoplsticos semicristalinos, Polietileno, Polipropileno, y dos materiales amorfos, Polivinilcloruro y Poliestireno (y sus derivados). Algunas fuentes incluyen tambin al PET, debido al aumento de su consumo debido al empleo en las bebidas carbnicas.

Consumo de termoplsticos

Polietileno41%

Poliestireno10%

PVC22%

PET4%

ABS y SAN3%

Otros4%

Polipropileno16%

Pgina 31

Al tratarse de una clasificacin puramente comercial no se deben buscarse similitudes fsicas entre ellos, sin embargo si que tienen una serie de caractersticas comunes:

- Al ser los plsticos ms consumidos (los ms fabricados) son los ms baratos, entre 0.75-1.25 Euros/Kg.

- Por la misma razn son los materiales que ms proveedores tienen, lo cual es una ventaja a la hora de recibir suministros (Hay una mayor competencia).

- Cualquiera de ellos presenta una gran variedad de posibilidades (grados), lo que permite seleccionar el material que mejor se adapte a nuestras necesidades.

- Son plsticos que se trabajan con relativa facilidad, a temperaturas bajas, entre los 160 C y los 250 C). Por este motivo no son muy resistentes a la temperatura.

No hay que considerar que por ser baratos sean plsticos que tengan malas propiedades, sino por el contrario, generalmente, uno de ellos (o varios) nos cubrirn satisfactoriamente nuestras necesidades de Diseo (En el 90% de los casos). Su empleo es la primera opcin que nos debemos plantear. Plsticos Tcnicos o de Ingeniera. En ocasiones las especificaciones de nuestro diseo no pueden cubrirse con los materiales citados anteriormente; puede ser una propiedad, por ejemplo si necesitamos un material que se autolubrifique (para construir engranajes) o un conjunto de ellas, por ejemplo transparencia y resistencia a la temperatura (para un bibern). Cuando esto ocurre, y dependiendo de cual sea la propiedad o propiedades que buscamos, debemos acudir a los denominados Plsticos Tcnicos. Son un grupo numeroso de plsticos (cerca de los20) y de carcter muy heterogneo. Entre ellos encontramos los Poliesteres, el PoliCarbonato, las Poliamidas, la Resina Acetlica, etc... Es un grupo todava ms heterogneo que el anterior, pero podemos destacar algunas caractersticas comunes:

- Son de mayor precio que los anteriores, entre 3 y 15 Euros/kg, dependiendo del tipo que busquemos.

- Aunque con menor disponibilidad que en el caso anterior, no son plsticos difciles de encontrar y suele haber varios posibles suministradores.

- Para cada material existen menos grados, es decir dispondremos menos posibilidades a la hora de seleccionar un material. En muchos casos los grados para extrusin no se fabrican, ya que la extrusin es una tcnica que utiliza mucho material.

- Suelen incorporar aditivos que potencian sus propiedades (estabilizadores, refuerzos, etc...)

Pgina 32

- Al ser ms resistentes o soportar temperaturas ms elevadas son ms difciles de trabajar tanto en mquina como en molde.

Como conclusin recurriremos a estos materiales en caso de que no nos sirvan los comodities, ya que su uso implica mayor coste, no solo por el precio del material sino porque son ms difciles de trabajar. Sin embargo hay que tener en cuenta que a pesar de tener un precio ms elevado, en ocasiones podremos obtener unas piezas de mayor calidad que nos puede compensar econmicamente. Plsticos de altas prestaciones. Existen determinados termoplsticos con unas propiedades mecnicas elevadas y que adems las mantienen a unas temperaturas relativamente elevadas de uso (por encima de los 150C). Son los denominados plsticos de altas prestaciones (Polifenilsulfona, Polietercetonas, Poliimidas y Polisulfuro de fenileno). Son un grupo poco numeroso y ms homogneo que el anterior. Entre sus caractersticas comunes, adems de su resistencia mecnica y estabilidad con la temperatura:

- Son plsticos caros, por encima de los 30 Euros/Kg. - Suelen suministrarse con fibra de vidrio, para incrementar su rigidez. - Existen pocos fabricantes, dos o tres como mucho, e incluso a veces son el

desarrollo de una sola casa. - Los grados que existen para cada tipo de material son escasos, y son todos

para inyeccin. - Al ser materiales con alta estabilidad a la temperatura, las temperaturas de

transformacin tambin son elevadas; a la dificultad de transformacin que esto implica, podemos sumar que algunas mquinas que se emplean en plsticos tcnicos o en los comunes no podran utilizarse.

- Los moldes son complejos y deben trabajar en caliente. - Al incorporar agentes de refuerzos, son materiales abrasivos y desgastan

los equipos. Por tanto son materiales a los que recurriremos en contadas ocasiones; generalmente para la substitucin de piezas metlicas, y solo cuando las ventajas que obtengamos en esa substitucin compensen los esfuerzos ha realizar. Sern pues piezas u objetos de alto valor aadido

Pgina 33

Caractersticas de Polimeros de Altas Prestaciones Nombre Siglas Modulo de elasticidad con

Fibra de vidrio (N/mm2)

Rango Superior de Temeperaturas de uso

Polisulfonas PSU, PES 9000-11000 180-200 C Poliarilimida PI

8000-100000 260 C

Polieterimida PEI 400C Poliamidaimida PAI 260-350C Poliariletercetona PEK, PEEK 10000 250-300 C Polisulfuro Fenileno PPS 15000-18000 240-300C

Pgina 34

POLIETILENO Es el termoplstico de mayor consumo (desde 1959), y procede de la polimerizacin del etileno, que es el monmero ms sencillo. Es un compuesto de la familia de las poliolefinas (al igual que las ceras). Pertenece al grupo de los termoplsticos semicristalinos. El primer polietileno fue desarrollado por ICI en 1933 y su primera aplicacin consista en el aprovechamiento de sus propiedades dielctricas para el aislamiento de altas frecuencias: cables submarinos, instalaciones militares,... por lo que era considerado un material estratgico. Segn las condiciones y procesos de polimerizacin obtenemos plsticos con propiedades diferentes. Los diferentes sistemas empleados dan lugar a diferente porcentaje de ramificacion de las cadenas, lo que influye en la cristalinidad ( cuanto ms ramificada esta la cadena menos cristalinidad) y en las propiedades mecnicas y trmicas.

Porcentaje de ramificacin

Densidad Punto de Fusin (C)

0.8 0.939 123 2.6 0.929 113 4.8 0.919 110 8.5 0.910 105

Cuando el polietileno se fabrica a presiones relativamente altas (presin ambiente) el grado de ramificacin es alta y obtenemos el Polietileno de Baja Densidad (LDPE). Es un plstico blando, con baja cristalinidad (un 33%) y que fluye bajo esfuerzos. Cuando se polimeriza a bajas presiones el grado de ramificacion es tambin bajo, obteniendo un plstico rgido, muy cristalino (50-70%), resistente a la plastodeformacin. Es el denominado polietileno de alta densidad (HDPE) o Baja Presin. Su comportamiento es completamente diferente al de baja densidad, pareciendo materiales diferentes. Estos fueron los dos primeros tipos de Polietileno, pero ms tarde se desarrollaron ms tipos; as encontramos el LLDPE (denominado Lineal), que presenta unas propiedades intermedias entre los dos primeros. Se han desarrollado tipos de

C

H

Hn

C

H

H

Polietileno (PE)

Pgina 35

polietileno ms rgidos que el HDPE, con una ramificacin mnima, dando lugar a un material muy inerte como es el UHMWPE (Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular). Tambin se ha trabajado en sentido contrario, es decir materiales ms blandos que el LDPE, como es el EVA, Etilen Vinil Acetato. Propiedades Mecnicas Al ser termoplsticos semirigidos, las piezas fabricadas en polietileno presentan una rigidez aparente diferente segn el espesor de la pieza. Su rigidez y resistencia depende en primer lugar de su densidad (sistema de polimerizacin), y encontramos que su modulo de elasticidad puede oscilar entre los 150-1500 Mpa. Al aumentar la densidad aumentamos la rigidez y resistencia, pero por el contrario aumentamos la fragilidad y sobre todo la contraccin del material, que puede alcanzar hasta un 4,5 %, lo que dificulta su transformacin. Otro factor importante es el peso molecular (la longitud de las cadenas). Cuanto menor es el peso molecular la cristalinidad aumenta, y por tanto la rigidez. Propiedades Trmicas. El polietileno presenta un rango de temperaturas que va desde varias decenas de grados bajo cero (temperatura de fragilizacin) hasta 80-85 C (Temperatura de reblandecimiento. De manera similar a la rigidez mecnica, al aumentar la cristalinidad aumenta su resistencia a la temperatura. En general el Polietileno no soporta temperaturas por encima de los 100 C, por lo su utilizacin en piezas que se deben esterilizar no es posible. Propiedades elctricas Las propiedades de aislamiento elctrico son excepcionales; la permeabilidad relativa y el factor de disipacin dielectricas son bajas y la rigidez dielectrica elevada. Estas propiedades son poco influenciadas por las variaciones de temperatura mantenindose a voltajes y frecuencias elevadas. No son tampoco alteradas por la humedad. Estabilidad Qumica y a Agentes externos. El polietileno presenta una estabilidad qumica extraordinaria, y no es atacado ni por productos inorgnicos (cidos y bases) ni por disolventes orgnicos. En el polietileno de baja densidad se puede producir el fenmeno de la tensofisuracin cuando entra en contacto con el jabn. La tensofisuracin consiste en la aparicin de grietas cuando el material esta sometido a tensiones (esfuerzos) que pueden ser externas o internas (debido a enfriamiento desigual). Respecto a la radiacin UV (radiacin solar) el polietileno se ve afectado, por lo que para aplicaciones al exterior es necesario la utilizacin de estabilizadores.

Pgina 36

Aplicaciones Las aplicaciones del polietileno son muy numerosas, adems en sectores de gran consumo de materia prima como el envase y embalaje, de ah que sea el material plstico ms consumido. As tenemos que se emplea en:

- Piezas fabricadas por extrusin: Bolsas, sacos, Tubos de riegos, Film, Plstico de invernadero, etc..

- Piezas fabricadas por inyeccin: menaje, juguete, cajas de botellas; etc... - Piezas fabricadas por extrusin soplado (huecas): botellas, garrafas,

juguetes. - Piezas fabricadas por moldeo rotacional (piezas muy grandes y huecas)

Pgina 37

POLIPROPILENO

El polipropileno (PP) esta formado por monomeros de propileno, y pertenece a la familia de las poliolefinas, como el polietileno, con el que comparte muchas propiedades.

Existen tres tipos principales, que son: - El polipropileno Homopolimero, formado solo por monomeros de propileno.

Es un material rgido, pero frgil. Su modulo de elasticidad alcanza los 1500 Mpa.

- El polipropileno Copolimero en bloque (vulgarmente llamado copo). Este material incorpora monomero de polietileno (sobre un 7%) en bloques. Esto hace que su estructura pierda regularidad y por tanto cristalinidad. El modulo de elasticidad se rebaja hasta los 1200 Mpa, pero queda compensado por el aumento de la resistencia al impacto; de hecho este es el tipo de polipropileno ms utilizado.

- Copolimero Estadistico o al Azar (Random). Se trata de un copolimero que tambien incorpora monomeros de polietileno, pero estn repartidos al azar con lo que se pierde todava ms regularidad y cristalinidad. La perdida de rigidez es muy importante (Modulo de elasticidad cercano a 900 Mpa), pero se gana mucho en transparencia, por lo que es un material utilizado por ejemplo en fiambreras.

El polipropileno adems se presenta reforzado por cargas minerales (esferas y fibras de vidrio). Esto hace que alcance una gran rigidez (5000 MPa); adems contrae menos y es ms resistente a la plastodeformacin lo que permite su utilizacin en piezas tcnicas que estn sometidas a esfuerzos permanentes. Propiedades Mecnicas El polipropileno presenta una rigidez similar a la del HDPE, aunque con una contraccin menor. El conjunto de propiedades ms interesante (compromiso entre rigidez y fragilidad) lo presenta el PP Copolimero en bloque. Una propiedad muy interesante es que se trata de un material que puede deformarse hasta un 7% antes de alcanzar su limite elstico y por tanto es ideal en aquellas piezas

C

H

H

C

H

n CH 3

Pgina 38

donde su uso exija una deformacin (por ejemplo la unin de bisagra de un maletin o una caja de cinta de video). Su punto dbil es la contraccin que presenta durante el moldeo, y en piezas con diferentes espesores se pueden originar deformaciones y tensiones. Propiedades Trmicas El PP presenta mayor estabilidad trmica que el polietileno, superando los 100C (se puede esterilizar). Sin embargo presenta menor resistencia a la oxidacin que el PE, por lo que se degrada con mayor rapidez en presencia de oxigeno. Estabilidad Qumica y a Agentes externos. El polipropileno tambien presenta una estabilidad qumica extraordinaria, y no es atacado ni por productos inorgnicos (cidos y bases) ni por disolventes orgnicos. Esta estabilidad qumica hace tambin que sea muy difcil realizar operaciones como el pintado o la adhesin, siendo necesario en estos casos activar la superficie. Respecto a la radiacin UV (radiacin solar) el polipropileno se ve afectado ms que el polietileno, por lo que para aplicaciones al exterior es necesario la utilizacin de estabilizadores. Aplicaciones. Es menos utilizado en cantidad que el Polietileno, pero es el material que se utiliza ms en inyeccin, por lo que presenta mayor variedad de usos. Practicamente se encuentra presente en todos los sectores industriales, destacando:

- Automovil (parachoques, baterias, accesorios) - Hogar (menaje, muebles, electrodomesticos, juguetes)

Los tipos reforzados se utilizan tambin en aplicaciones tcnicas (fontaneria, electrodomsticos, etc..).

Pgina 39

POLIESTIRENO Y DERIVADOS La familia del poliestireno y sus derivados es una de las ms interesantes debido a la gran diversidad de aplicaciones que presentan. Son materiales amorfos, con unos valores de Modulo de rigidez comprendida entre 1500- 2500 MPa y una densidad aproximada de 1.05 gr/cc. El material ms sencillo es el denominado poliestireno cristal. Es un plstico muy difundido (el de los boligrafos bic) y a pesar de su nombre es un material amorfo, de ah su transparencia. Su composicin bsica es la formada por la unin de monomeros de estireno:

CH

CH

H

n

Debido a su carcter amorfo presenta una serie caracteristicas que influyen a la hora de su eleccin:

- Es transparente - Presenta una baja contraccin( entre el 0.4%-0.7%) y por tanto es facil de

transformar. - Es rigido y quebradizo; se rompe en forma de astillas. No soporta

deformaciones. Otras caracteristicas que presenta son:

- Resistencia media-baja a la temperatura, y por encima de los 80C reblandece.

- Muy mal comportamiento frente a luz solar, incluso con estabilizantes y no es aconsejable su uso al exterior.

- Muy baja resistencia a disolventes orgnicos (acetonas, clorados,...); por el contrario es fcil de adherir y decorar (pintar).

De acuerdo con estas caractersticas utilizaremos este material cuando busquemos transparencia y buena estabilidad dimensional (Sobre todo en el sector del envase: vasos, cajas de cintas de casette o CD, etc..) pero teniendo en cuenta las limitaciones derivadas de su fragilidad y su mal comportamiento frente a agentes externos.

Pgina 40

Poliestireno antichoque Con el fin de evitar el problema de la fragilidad, la solucin es aadirle mecnicamente caucho (formamos un blend o aleacin), en este caso butadieno. El butadieno e incorpora dentro de la matriz de polestireno dndole resistencia al impacto, aunque perdemos algo de rigidez, es el denominado como poliestireno antichoque (realmente estireno-butadieno, SB). Respecto al poliestireno cristal:

- Pierde la fragilidad, y algo de rigidez. - Al incorporarse el butadieno el material se vuelve opaco. - Tiene similar contraccin, y tampoco admite deformaciones. - Su comportamiento frente a disolventes es similar, y frente a la radiacin

solar su comportamiento incluso empeora. - - Es totalmente miscible con el PS cristal.

La operacin de adicin del butadieno mecnicamente, mediante extrusin no encarece el producto y su precio es similar. Las aplicaciones derivadas de su caractersticas son objetos de envase, o de uso cotidiano (juguetes, cajas, etc..) que no requieren excesivas prestaciones trmicas o mecnicas y sean fciles de moldear. En ocasiones necesitamos conservar la transparencia y perder la fragilidad del material. Esto lo podemos lograr incorporando el butadieno en el proceso de polimerizacin (en forma de copolimero). Al introducirlo de manera qumica, a diferencia del proceso mecnico, la transparencia se mantiene, siendo todas las dems propiedades similares al poliestireno antichoque. El inconveniente es que al introducir el butadieno en el proceso de copolimerizacin el precio aumenta (El precio de un plstico depende en gran manera de la cantidad que se polimeriza), y por tanto ya no resulta tan econmico como los dos anteriores y es muy caro para usarlo por ejemplo en envases. Existen pocos fabricantes (Bayer, Phillips Petroleum) y este material es en ocasiones conocido por su nombre comercial, Resina K. SAN, ABS y ASA. Otro de los inconvenientes que presenta el poliestireno es su mal comportamiento frente a los productos qumicos y a la radiacin solar; para solucionarlo se incorpora de manera qumica, en forma de copolimero , acrilonitrilo, dando lugar al SAN. Frente al PS cristal sus caractersticas son:

- Es tambin transparente - Es ms rgido, pero tambin algo menos frgil. - Mejor comportamiento frente a disolventes. - Mejor comportamiento frente a la radiacin solar (aunque es necesario su

estabilizacin para uso al exterior).

Pgina 41

Como en el caso de la resina K, la incorporacin como copolimero del acrilonitrilo incrementa el precio del material. Es un material que se utiliza en piezas inyectadas transparentes para el exterior, sobre todo en el sector automvil. Aunque menos frgil que el poliestireno, puede presentar problemas. Por este motivo se le aade butadieno de forma mecnica, mediante extrusin, obteniendo el ABS (Acrilonitrilo-Butadieno-eStireno). El ABS es un excelente plstico que combina las siguientes propiedades:

- Un conjunto de propiedades mecnicas excelente, con un buen compromiso entre rigidez y resistencia al impacto. (podemos utilizarlo en piezas tcnicas)

- Buena resistencia a la temperatura, por encima de los 100 C. - Buena estabilidad dimensional, con baja contraccin. - Se puede obtener gran brillo superficial, dando un aspecto de calidad al

producto. - Es el nico plstico que se puede metalizar por electrodeposicin

(embellecedores de los automoviles). - No es excesivamente caro.

Existen grados transparentes, donde el butadieno se incorpora en forma de copolimero (en el proceso de polimerizacin), pero su precio aumenta. Una de las desventajas del ABS es que la incorporacin del butadieno empeora su resistencia a la luz solar, por lo que al exterior tiende a amarillear. Por eso en estos caso se utiliza el ASA, donde el Butadieno es substituido por Acrilonitrilo. En resumen el ABS es ideal para utilizarlo en piezas tcnicas y de calidad . Es un plstico con gran implantacin en el sector elctrico y de electrodomsticos (carcasas), informtica y telefona. Polivinilo de Cloruro (PVC) Despus del Polietileno es el material plstico ms consumido, sobre todo por ser utilizado principalmente en extrusin. Sintetizado a partir del cloruro de vinilo, incorpora un tomo de cloro (en forma de cloruro).

CH

CH

H

Cl n

Pgina 42

La presencia del cloruro es la principal causa del comportamiento peculiar del PVC, que lo hacen diferente de otros materiales plsticos. En primer lugar, si el Cloruro representa cerca del 60% del peso del plstico; esto hace del un plstico muy denso (en comparacin a otros) con una densidad de 1.35 gr/cc y por otra parte supone que el 60% del peso del material no proviene del petroleo sino de la sal comn.

Peso Molecular del PVC

n x (2 PM Carbono + 3 PM Hidrogeno + PM Cloro) = n (2x12+3x1+ 35.5) = n x 62.5

Peso Procedente de la Sal Comn

n x PM del Cloruro = n x 35.5

Porcentaje Peso Procedente de la Sal Comn

% = (n x 35.5)/(n x 62.5) *100 = 57 %

De hecho el primer desarrollos del PVC se debe en gran medida para aprovechar el Cl2 que se genera en la fabricacin de la Sosa Custica (NaOH). La sosa es uno de los productos qumicos ms utilizados (fabricacin de vidrio, jabones, fundente de ceramicos,...) y su produccin se basa en la descomposicin de la sal comn (NaCl). Adems de producirse la sosa en este proceso se obtiene Cl2 en forma gaseosa, mucho menos utilizado y que adems es txico y venenoso. La fabricacin de PVC fue una forma de dar salida a este excedente. La presencia del cloruro hace del PVC un material muy rgido y resistente, ms que plsticos considerados tcnicos como la Poliamida (E>2500 Mpa) . No presenta adems un comportamiento excesivamente frgil. La incorporacin del Cloruro dota al PVC de polaridad y su superficie es activa, con lo que se puede adherir quimicamente y pintar. Frente a la radiacin solar es necesario estabilizarlo, pero se puede utilizar en el exterior, persianas y ventanas por ejemplo. Presenta buena resistencia, aunque le atacan los disolventes cetonicos. Presenta la peculiaridad de poder plastificarse. Para ello se le aaden plastificantes (Esteres de tamao medio). Los plastificantes se introducen entre las cadenas de polimeros rebajando la rigidez; cuanto ms plastificante aadimos ms flexible se vuelve el material. Cuando alcanzamos proporciones del 40 % en peso del plastificante tenemos

Pgina 43

un material con aspecto de goma. Podemos pues encontrar el PVC en piezas muy rgidas (tuberas, perfiles de ventana) y en piezas muy blandas (recubrimientos de cables, juguetes flexibles.). Otra de las caractersticas importantes que se debe a la presencia del cloro es el carcter ignfugo del PVC, ya que es autoextinguible (se apaga cuando deja de aplicarsele la llama). Este aspecto es muy interesante en aplicaciones de instalaciones elctricas, ya que en caso de producirse un cortocicuito no se propagan los incendios. En el lado negativo, la presencia del enlace C-Cl presenta una seria desventaja por su baja estabilidad trmica, y a solo 200C se descompone desprendiendo cido clorhidrico. Teniendo en cuenta que el PVC se transforma sobre los 180 C, siempre se desprende algo de clorhidrico, que es corrosivo y va degradando el utillaje. Trabajar con PVC es engorroso y hay que tener en cuenta:

- Aadir estabilizantes trmicos al material durante el proceso. - Tener el material poco tiempo en mquina (permanencia en maquina) para

evitar que se degrade. Por ello no se pueden hacer interrupciones en el proceso, y si se realizan hay que limpiar la mquina.

- Tanto mquinas como moldes deben estar protegidas contra la corrosin. Es conveniente adems tener grupos electrgenos en previsin de cortes de suministro elctrico.

- Es menos problemtica la extrusin que la inyeccin, ya que la inyeccin somete al material a mayor esfuerzos de cizalla.

En general en un mismo equipo podemos trabajar casi todos los tipos de plsticos (PP, PS, ABS,..) pero no PVC. El trabajo con PVC requiere cierta especializacin y sino se conoce la tcnica o no se tienen los equipos necesarios es mejor no trabajar con este material. En cuanto aplicaciones, las principales son productos por extrusin rgidos (perfiles de ventanas y persianas, tuberas, canalones) o flexibles (mangueras, recubrimiento de cables). En la fabricacin de botellas por extrusin-soplado el PVC ha perdido el terreno frente al PET. En inyeccin se utiliza para piezas rgidas (fontanera, envases) y flexible (juguetes, hogar). Plastificado se utiliza para la fabricacin de juguetes flexibles y huecos (muecas) mediante moldeo rotacional.