Prácticas Virtuales Materia: CIENCIA DE LOS MATERIALES INDICE NOMBRE DE LA PRÁCTICA OBJETIVO JUSTIFICACION METODOLOGIA DATOS OBTENIDOS CONLUSION TECNICA FUENTES DE INFORMACION DIFUSIÓN EN POLÍMEROS OBJETIVO Comprender de forma digital que son los polímeros, sus características y aplicaciones en la ingeniería. JUSTIFICACIÓN 1.-Los polímeros han pasado a desplazar a otros materiales como el de principal uso en la ingeniería. 2.- Conforme a como son creados y según su composición, los polímeros tienen muchas propiedades que los hacen aplicables y económicos 3.-. Los polímeros se crean según la necesidad que se presente y los hay en variedad con propiedades que van de un extremo al otro METODOLOGÍA 1.- La elaboración de la práctica, dio inicio cuando el profesor nos asigno dos tópicos para la realización de prácticas digitales. 2.- Uno de los temas era “la difusión en polímeros” en el cual comenzaríamos a trabajar. 3.- Ya con el tema seleccionado el equipo de trabajo se organizo, y con ayuda de las Tics comenzamos a recabar información con todo lo relacionado al tema. 4.- Teniendo la información necesaria, procedimos a depurarla mediante el resumen y así manejar solo lo más relevante y necesario para la elaboración de nuestra práctica y la
comprensión del tema. 5.- Finalmente añadimos a nuestra práctica la información seleccionada acerca de la difusión en polímeros y agregamos nuestras conclusiones. DATOS OBTENIDOS POLIMEROS Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Los monómeros son los pequeños eslabones que se repiten para formar un polímero mediante un proceso llamado polimerización. Los polímeros se dividen en dos grandes grupos: aquellos naturales, como celulosa, almidones, ADN y proteínas. Por otro lado, existen aquellos sintéticos que fueron fabricados por el hombre y que incluyen todos los derivados de los plásticos. Polímeros naturales Son aquellos provenientes directamente del reino vegetal o animal, como la seda, lana, algodón, celulosa, almidón, proteínas, caucho natural (látex o hule), ácidos nucleicos, como el ADN, entre otros. La diferencia entre ambos es la forma en que los monómeros se encuentran dispuestos dentro del polímero. Otros polímeros naturales de destacada importancia son las proteínas, cuyo monómero son los aminoácidos. Por otro lado, la lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza, éstas utilizadas como fibras y telas. Todo lo que nos rodea son polímeros. Los tejidos de nuestro cuerpo, la información genética se transmite mediante un polímero llamado ADN, cuyas unidades estructurales son los ácidos nucleicos. CELULOSA EN LA MADERA Polímeros semisintéticos Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa o el caucho vulcanizado. CAUCHO: POLIMERO SEMISINTETICO Polímeros sintéticos Son los transformados o “creados” por el hombre. Están aquí todos los plásticos, los más
conocidos en la vida cotidiana son el nylon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC) y el polietileno. La gran variedad de propiedades físicas y químicas de estos compuestos
permite aplicarlos en construcción, embalaje, industria automotriz, aeronáutica, electrónica, agricultura o medicina. 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. Celulosa: La celulosa es un hidrato de carbono que forman las paredes de las células vegetales. Es el principal polímero constituyente de las plantas y los árboles. La madera, el papel y el algodón contienen celulosa. La celulosa es una excelente fibra. Almidón: es un polímero que se encuentra en las plantas y que forma parte importante de la dieta humana. Alimentos como el pan, el maíz y las papas se encuentran llenos de almidón. Polibutadieno: un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno. CH2 = CH – CH = CH2 1,3 -butadieno El polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos. Polimerización Para formar un polímero existen dos caminos factibles: polimerización por adición y polimerización por condensación. - Polimerización por adición: los monómeros se adicionan unos con otros, de tal manera que el producto polimérico contiene todos los átomos del monómero inicial. Un ejemplo de esto es la polimerización del etileno (monómero) para formar el polietileno, en donde todos los átomos que componen el monómero forman parte del polímero. Esquema de polimerización por adición - Polimerización por condensación: en este caso, no todos los átomos del monómero forman parte del polímero. Para que dos monómeros se unan, una parte de éste se pierde. DIFUSION Es el movimiento de los átomos, iones o moléculas, dentro de un material. Estos se mueven de manera predecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y producir una composición homogénea y uniforme. Ejemplo: Observar la evolución de una gota de tinta en un vaso de agua, los olores que llegan a
nosotros, son experiencias diarias de fenómenos de difusión en gases y líquidos, estados en los que por su misma situación de movilidad, los átomos difunden con rapidez. Los dos mecanismos importantes mediante los cuales ocurren estos procesos de difusión son la difusión por vacancia y la difusión intersticial: Difusión por vacancia: tanto en la autodifusión como en la difusión de átomos sustitucionales, un átomo puede abandonar su sitio en la red para llenar una vacancia cercana. Pero en el mismo momento se crea una vacancia en el sitio antes ocupado por él. Al progresar la difusión se observa un flujo de átomos y de vacancias en sentidos opuestos, conocido como difusión por vacancia. Difusión intersticial: si en la estructura cristalina está presente un átomo o ión pequeño en un sitio intersticial, éste pasará de un sitio intersticial a otro sin necesidad que existan vacancias. Este mecanismo será mucho más rápido que el anterior, ya que el número de sitios intersticiales es muchísimo mayor que el de vacancias. Velocidad de difusión La primera ley de Fick establece que el flujo J (el número de átomos, iones o moléculas que pasan en unidad de tiempo a través de un plano de superficie unitaria) es proporcional al gradiente de concentración C / x (en átomos/cm3cm). Entonces | | | J = - D C/x | | Donde el factor de proporcionalidad D, la difusividad o coeficiente de difusión ( en cm2/seg), está relacionado con la temperatura según una ecuación de Arrhenius análoga a la ya descripta ; | | | D = Do e -Q /RT | | con Q como la energía de activacián y D0 constante para cada sistema de difusión dado (los valores típicos se encuentran tabulados) Procesos en base a difusión Crecimiento de grano: un material compuesto por gran número de granos tiene muchos bordes de grano, que representan áreas de alta energía debido a una ineficiente compactación de los átomos. Si se reduce el área total de los bordes de grano mediante el crecimiento de estos, se tendrá en el material una energía general inferior. El crecimiento de los granos implica el desplazamiento de los bordes de grano, permitiendo que algunos granos crezcan a costa de otros. Implica en general mantener el material a temperaturas altas el período necesario de tiempo (ej. algunos metales). Soldadura por difusión: método utilizado para unir materiales. Se efectúa en tres pasos. Primero, aplicando presión que deforma ambas superficies obligándolos a unirse, fragmentando las impurezas y produciendo una gran área de contacto átomo-átomo. Mientras las superficies se mantienen en compresión y a temperatura elevada, los átomos difunden a lo largo de los bordes de grano hacia las vacancias restantes, reduciéndose el tamaño de las vacancias en la interfase (este paso es rápido). Finalmente, el crecimiento de los granos aleja los huecos remanentes de las fronteras de
grano. El tercer paso implica la eliminación completa de los huecos para lo que deberá ocurrir la difusión volumétrica que es relativamente lenta. Este proceso se utiliza para unir metales reactivos como el titanio, para unir metales y materiales distintos, y para unir cerámicos. Sinterización: Un cierto número de materiales se manufacturan en formas útiles mediante un proceso que requiere la consolidación de pequeñas partículas en una masa sólida. DIFUSIÓN EN POLÍMEROS The diffusion across an interface between miscible linear polymers is predicted to occur via reptation as suggested by de Gennes and Doi and Edwards and further extended by Graessley. La difusión a través de una interfaz entre miscible polímeros lineales se prevé que se produzca a través de reptation según lo sugerido por de Gennes y Doi y Edwards y prorrogado por Graessley. The reptation model predicts that there are a number of distinct power law dependencies for the early stages of the diffusion process. El modelo predice reptation que hay una serie de distintas dependencias de la ley de energía para las primeras etapas del proceso de difusión. The reptation model is an elegant explanation for the dynamics of entangled molecules in a network of fixed obstacles. El modelo reptation es una explicación elegante para la dinámica de las moléculas enredado en una red de obstáculos fijos. The molecule is described as sliding or 'reptating' through a 'tube' whose contours are defined by the locus of entanglements with neighbouring molecules. La molécula se describe como de deslizamiento o 'reptating a través de un "tubo", cuyos contornos se definen por el lugar de enredos con las moléculas vecinas. The motion of the polymer chain transverse to the contour of the tube is severely restricted. El movimiento transversal de la cadena de polímero para el contorno del tubo está muy restringido. Within the reptation model it is shown that the diffusion process measured by the diffusion coefficient, D , is dominated by the chain length, degree of polymerisation, N , and chain architecture. Dentro del modelo reptation se demuestra que el proceso de difusión medida por el coeficiente de difusión, D, está dominado por la longitud de la cadena, el grado de polimerización, N, y la arquitectura de la cadena. Polymer-polymer inter-diffusion at an interface proceeds in two stages. Polímero-polímero entre la difusión de un producto de interfaz en dos etapas. The first corresponds to times less than the longest reptation time, t r , for a polymer. La primera corresponde a veces menos que el reptation mayor tiempo, r t, por un polímero. Portions of the chain, other than the ends, are effectively prevented from crossing the interface due the surrounding tube, formed from the entanglements with other chains that also lie on the same side of the interface. Algunas partes de la cadena, excepto los extremos, se previene con eficacia desde el cruce de la interfaz por el tubo circundante, formado a partir de los enredos con otras cadenas que también se encuentran en el mismo lado de la interfaz. Hence, for wellentangled polymers, the reptation model suggests that the presence of the chain ends at the interface dominate the early stages of inter-diffusion. Por lo tanto, para la enredada polímeros así, el modelo reptation sugiere que la presencia de la cadena termina en la interfaz de dominar a las primeras etapas de inter-difusión. It is expected that polymer
loop diffusion has a negligible effect for high molecular weights. Se espera que el lazo de la difusión del polímero tenga un efecto insignificante de alto peso molecular. By considering the reptation motion of chain ends across the interface (t < t r ), it has been shown that the interfacial width increases with t ¼ . Al considerar el movimiento reptation de la cadena termina en la interfaz (t
sido aplicada con éxito para explicar los resultados experimentales en un amplio rango de pesos moleculares, las temperaturas y composiciones. A variety of techniques has been used to study the diffusion process which include attenuated total reflection infra-red spectroscopy (ATR-IR), forward recoil spectroscopy (FReS), Rutherford back scattering (RBS), nuclear reaction analysis (NRA), dynamic secondary ion mass spectroscopy (DSIMS) and neutron reflection (NR). Una variedad de técnicas se ha utilizado para estudiar el proceso de difusión que incluyen atenuada infraestructura reflexión rojo espectroscopia total (ATR-IR), espectroscopia de retroceso hacia adelante (FRES), dispersión de Rutherford espalda (RBS), el análisis de las reacciones nucleares (NRA), dinámica secundaria espectrometría de masas de iones (dsims) y la reflexión de neutrones (NR). NR has proved especially valuable for interfacial studies of polymers not only because of the sub-nanometer resolution even for buried interfaces but also due to the possibility of highlighting chains of parts of chains using deuterium labeling. NR ha demostrado ser especialmente valioso para los estudios de la interfase de polímeros no sólo a causa de la resolución sub-nanométrica, incluso para las interfaces de enterrados, sino también debido a la posibilidad de poner de relieve las cadenas de las partes de las cadenas con deuterio etiquetado. MEDICION DEL COEFICIENTE DE DIFUSION CONCLUSION TÉCNICA En los polímeros puede existir difusión de átomos ó de pequeñas moléculas por entre las largas cadenas poliméricas (las bolsitas plásticas dejan pasar gases líquidos al estado de vapor, por ejemplo). De hecho, el polímero a emplearse deberá ser seleccionado según su función eligiendo los que permitan ó no la difusión: ésta será más rápida cuanto más pequeño sea el elemento en difusión y cuantos más huecos haya entre las cadenas del polímero. A través de los polímeros amorfos, de menor densidad, la difusión es mucho más rápida que a través de los polímeros cristalinos, con un orden de largo alcance. FUENTES DE INFORMACIÓN http://www.unlu.edu.ar/~qui10192/qi00211b.htm http://www.textoscientificos.com/polimeros/introduccion http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=956d0e27-85f448ec-bd90-137b6963f06c&ID=136400 http://pslc.ws/spanish/natupoly.htm http://www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/bio_008231-03.html http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/PolimerosCeluloAlmid.htm
http://users.ox.ac.uk/~dgbuck/people/bucknall/research/diffusion.htm
