Polímeros en la ingeniería Ingeniería Química Unlock Access to An Sebastián Arciniegas, María Paula Díaz, Brandon Espitia, Mayra Laguna, Katherine Moreno Resumen
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Esta práctica se realizó con el fin de conocer las propiedades mecánicas de ciertos informe polimeros .pdf polímeros a partir de ensayos de tensión-deformación en una máquina universal. Se realizaron probetas de cinco materiales distintos siguiendo las normas ASTM 638. A cada material se le determinó Access móduloNow de elasticidad, resiliencia, esfuerzo a la ruptura y esfuerzo máximo. Finalmente se obtuvo que el caucho silicona es un No thanks, I don'tde want my exclusive elastómero, el cual no presento esfuerzo r uptura ruptura solotrial presenta zona elástica. De igual forma materiales como el PMMA fue el de mayor resistencia y el más frágil fue el poliuretano.
Introducción
Los polímeros desde sus inicios han sido muy importante para el hombre, se caracterizan por ser unos de los materiales más utilizados para diferentes aplicaciones de uso diario como materiales de construcción e ingeniería, ropa, adhesivos, biomedicina entre otros. Estos materiales se diferencian de los otros por sus características como su bajo costo de producción, alta relación resistencia mecánica/densidad, alta resistencia al ataque de sustancias químicas, como los ácidos o las bases y no son conductores de la electricidad (Herradon, 2014). Las propiedades depende de varios factores su estructura química, su tamaño, la dispersión de masas moleculares de las macromoléculas que forman el polímero y el grado de entrecruzamiento de las cadenas para esto intervienen las propiedades
mecánicas (son las características inherentes, que permiten diferenciar un material de otro), las físicas (son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su composición) y su comportamiento frente al calor (IES, 2013) (Moreno, 2011). Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. 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. Polímeros semisintéticos: Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa o el caucho vulcanizado. 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 ante una fuerza que tiende a estirarlo polietileno. La gran variedad de a una velocidad constante (Beltran & Unlock Access to An propiedades físicas y químicas de Marcilla, 2012). Este ensayo estos compuestos permite aplicarlos proporciona la curva de tensiónen construcción, embalaje, industria deformación la cual sirve para definir automotriz, aeronáutica, electrónica, algunas propiedades útiles como agricultura o medicina (QuimiPRO, módulos o rigidez, tensión límite, 2014). Con estos últimos polímerosinforme se polimeros resistencia y alargamiento en ruptura. .pdf realizaron las diferentes pruebas de La figura 1 muestra una curva típica laboratorio sobre las propiedades para polímeros como el polietileno Access Now mecánicas. (Billmeyer, 1978).
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Marco teórico
Al considerar los plásticos como materiales para el diseño de cualquier artículo debe conocerse el comportamiento de los mismos frente a los diferentes agentes externos (acciones mecánicas, temperatura, tiempo. etc.). Así, el estudio de las propiedades mecánicas es imprescindible cuando estos materiales se utilizan como elementos estructurales. Se trata de conocer si un determinado tipo de polímero es lo suficientemente resistente para un empleo particular o si es lo suficientemente tenaz para aguantar determinados golpes sin romperse. Por otro lado, es conveniente saber las causas que hacen a un polímero ser frágil, a otro tenaz, mientras un tercero se comporta como un elastómero, así como la relación existente entre este comportamiento mecánico y sus estructuras. (Blanco, 2012) Ensayo de tracción
Los ensayos de tracción son una medida a la respuesta de un material
Figura 1. Gráfica generalizada de tensión-deformación para plásticos. (Billmeyer, 1978) Propiedades polímeros
mecánicas
de
los
Resistencia:
Se define básicamente como la tensión necesaria para fracturar algo. En polímeros existen diferentes tipos de resistencia:
Resistencia a la tracción: Un polímero tiene resistencia a la tracción si soporta cargas axiales que tienden a alargarlo. La resistencia a la tracción es importante para un material que va a ser estirado o a estar bajo
tensión. Las fibras necesitan muestra después del alargamiento (L), tener buena resistencia a la dividido por el largo original (Lo). Unlock Access to An tracción (Alfonso, 2002) resistencia a la compresión. Un % ó = ∗ 100 polímero tendrá resistencia a la compresión si soporta cargas Tenacidad: axiales que tienden a compactarlo. El concreto esinforme un polimeros La .pdf tenacidad es una medida de la ejemplo de material con buena energía que una muestra puede resistencia a la compresión. absorber antes de que se rompa. Cualquier cosa que debaAccess Now (Alfonso, 2002) soportar un peso encima, debe No thanks, my exclusive trial poseer buena resistencia a Iladon't wantMódulo: compresión El módulo de elasticidad es la medida resistencia a la flexión. Un de la tenacidad y rigidez del material polímero tiene resistencia a la del resorte, o su capacidad elástica. flexión si es capaz de soportar Mientras mayor el valor (módulo), más cargas que provoquen rígido el material. A la inversa, los momentos flectores en su materiales con valores bajos son más sección transversal. fáciles de doblar bajo carga resistencia al impacto (NewComb spring corp, 2015). Este se (tenacidad). Una muestra tiene calcula como la relación entre la resistencia al impacto si es tensión aplicada y el porcentaje de fuerte cuando se la golpea elongación: agudamente de repente. = /ó (Alfonso, 2002)
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La tensión se calcula como la fuerza ejercida sobre el área transversal de la muestra: = /
Elongación:
La elongación es un tipo de deformación, que expresa el cambio en la forma que experimenta cualquier material bajo tensión. Cuando se habla de tensión, la muestra se deforma por alargamiento. Esto precisamente es la elongación. Por lo general, se habla de porcentaje de elongación, que es el largo de la
Los polímeros, como grupo de materiales, resultan muy difíciles de clasificar desde el punto de vista de su comportamiento mecánico. Sus propiedades mecánicas difieren mucho de unas familias a otras y además están enormemente influenciadas por las condiciones de ejecución de los ensayos: velocidad de aplicación de la carga (velocidad de deformación), temperatura, magnitud de la deformación impuesta, naturaleza química del medio (presencia de agua, oxígeno,
disolventes orgánicos, etc). (Blanco, 2012)
son blandos y tenaces, clase (d) duros y resistentes y clase (e) duros y Unlock Access to An tenaces (figura 2). Cada uno de estos Los polímeros se pueden clasificar en polímeros tiene ciertas características 5 categorías. La clase (a) incluye que se resumen en la tabla 1. (Blanco, polímeros blandos y débiles, los de 2012) clase (b) son duros y frágiles, clase (c)
Exclusive 30 Day Trial Tabla 1. Rasgos característicos de las curvas de tensión-deformación en relación informe polimeros .pdf con las propiedades del polímero (Billmeyer, 1978)
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Figura 2. Curvas de tensión-deformación para diferentes tipos de polímeros de acuerdos a sus propiedades.
Como se explica anteriormente, estas propiedades se pueden identificar por
medio de un ensayo tensiónprueba de flexión de los materiales metálicos. En combinación con deformación el cual se realiza en una equipos de prueba opcional, la máquina universal. Unlock Access to An realizar pruebas en máquina puede MÁQUINA UNIVERSAL madera, hormigón, cerámica, caucho, plástico y muchos otros materiales. Esta máquina universal de ensayos (Universidad Distrital, 2016) realiza tracción, compresión, y la
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Ilustración 1. Diagrama de la máquina en la que se lleva a cabo el ensayo de tensión o ensayo de tracción. Materiales y métodos
-Probetas. -Máquina universal. -Regla. La metodología a seguir se presenta a continuación. 1. Medir las dimensiones de las probetas (longitud, espesor, ancho de la sección estrecha) antes de iniciar la prueba. 2. Activar el freno de la máquina. 3. Encender la máquina y el computador que se encuentra al lado. 4. Situar la probeta a ensayar entre las mordazas y acomodarla de
tal forma que esta quede de igual distancia dentro de la mesa móvil y la fija. 5. medir la distancia entre la mesa móvil y la mesa fija. 6. Configurar el ensayo en el software ingresando datos como espesor, longitud y área. 7. Realizar el test. 8. Retirar la probeta luego de la ruptura. NOTA: Para la realización del ensayo a tensión para los materiales, se hicieron probetas con base en la norma ASTM D638.
Resultados Unlock Access to AnMódulo de
Poliuretano Promedio
elasticidad:
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Esfuerzo vs Deformacion ) 0,30000 a p 0,20000 M ( o 0,10000 z r e u 0,00000 f E 0
informe polimeros .pdf 0,01
0,02
0,03
0,04
Deformacion (mm/mm)
0,72 − 1,52
: 60,899654 0,09210909 − 0,10524545 Access Now Esfuerzo Máximo: 2,61
Esfuerzo a la Fluencia No thanks, I don't want my exclusive trial Gráfica 1. Esfuerzo Vs deformación (0,02%): 1,94 de poliuretano (Cambio de Región elástica a plástica) Módulo de elasticidad: Esfuerzo de Ruptura: 2,61
0,10504 − 0, 12255 0,00600644 − 0,00674532
: 23,69375
Esfuerzo Máximo:
Esfuerzo vs Deformacion
0,27136
Polietileno Promedio
Esfuerzo a la Fluencia (0,02%): 0,25385 (Cambio de Región elástica a plástica) Esfuerzo de Ruptura:
) 40 a p 30 M ( 20 o z r e 10 u f s 0 E
0
0,1
0,2
0,3
Deformacion (mm/mm)
0,10504
Gráfica 3.Esfuerzo Vs deformación de polietileno
Resina Epoxica Promedio
Esfuerzo vs Deformacion ) 3 a p 2 M ( 1 o z r 0 e u 0 f s E
0,05
0,1
0,15
Módulo de elasticidad:
0,2
Deformacion (mm/mm)
Gráfica 2.Esfuerzo Vs deformación de Resina epóxica
12,0684524 − 7,14285714 : 741,31 0,02205556 − 0,1541111
Esfuerzo Máximo:
Polimetilmetacrilato Promedio
21,8214286
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Esfuerzo a la Fluencia (0,02%): 25,5208333 (Cambio de Región elástica a plástica) Esfuerzo de Ruptura:
Esfuerzo vs Deformacion Exclusive 30 Day Trial
29,2113095
Caucho Silicona Promedio
50
) 40 a p informe polimeros ( .pdf M 30 o f r 20 e u f Access Now s E 10
0 Esfuerzo Vs Deformacion No thanks, I don't want my exclusive trial 0
0,250000
) a 0,200000 P M ( 0,150000 o z r 0,100000 e u f s 0,050000 E 0,000000 0,000000 5,000000 10,000000
0,02
0,04
0,06
Deformacion (mm/mm)
Gráfica 5.Esfuerzo Vs deformación de polimetilmetacrilato
Módulo de elasticidad:
Deformacion (mm/mm)
Gráfica 4. Esfuerzo Vs deformación de caucho silicona 14,64 − 9,24
Módulo de elasticidad: 0.0212 Esfuerzo Máximo: 0,208 Esfuerzo a la Fluencia (0,02%): No tiene esfuerzo de fluencia ya que solo hay región elástica Esfuerzo de Ruptura: No hubo ruptura de la probeta
0,01509 − 0,01163
: 1604,4095
Esfuerzo Máximo: 40,22 Esfuerzo a la Fluencia (0,02%): 28,53 (Cambio de Región elástica a plástica) Esfuerzo de Ruptura: : 40,22
Tabla 2. Resultados prueba de tensión
Poliuretano
Módulo de 21,8214 elasticidad Esfuerzo 0,27136 máximo (MPa) Esfuerzo 0,2538 de fluencia (MPa) Esfuerzo 0,10504 de ruptura (MPa)
Resina Polietileno Cauch Unlock Access to An o epóxica silicon a 0.0212 60,899654 741,31
Polimetilmetacrilat o
Exclusive 30 Day2,4131 Trial 0.208 2,61
40,22
1,64
28,53
informe polimeros .pdf
25,5208
Access Now
---------
No thanks, I don't want my exclusive trial
2,61
Análisis de resultados
De acuerdo a los valores obtenidos del módulo de elasticidad, se observa que el material más rígido es el polimetilmetacrilato (PMMA). Esto se debe a los ácidos carboxílicos presentes en su estructura química (ver figura 2), los cuales le brindan rigidez, dureza y resistencia. También, presenta el mayor esfuerzo de ruptura, lo que lo hace el polímero más resistente de los analizados (Mariano, 2011).
Ilustración 2. Estructura química del monómero del PMMA
29,2113095 ---------
1604,4095
40,22
Gracias a estas propiedades, este polímero se usa en la industria del automóvil, espectáculos, construcción y medicina para fabricación de prótesis (Resinex, 2016). Por el contrario, el caucho silicona al ser un elastómero, presenta enlaces de sílice entrecruzados (ver ilustración 2) que brinda propiedades elásticas al material (Mariano, 2011). Esto se ve reflejado en el módulo de Young dado que tiene el menor valor.
Ilustración 3. Estructura química del caucho silicona.
No fue posible determinar las demás tanto fuertes fuerzas intermoleculares propiedades del caucho-silicona y resistencia a la tracción. Esto se ve Unlock Access to An debido a que la máquina universal reflejado en los resultados obtenidos, presentó problemas técnicos en el ya que el segundo material más momento del ensayo; además, la gran resistente y duro. Por esto es usado en elasticidad del material no permitió implementos de seguridad personal, llegar a un esfuerzo máximo de envases de alimentos, botellas y ruptura. juguetes (Mariano, 2012). informe polimeros .pdf
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Este polímero es usado La resina epóxica según el tipo de principalmente para fabricación deAccess Now gráfica puede calificarse dentro del moldes, juguetes, piedras artificiales grupo de duro y tenaz, presenta buena (Resinex, 2016). resistencia mecánica que se ve No thanks, I don't want my exclusive trial reflejado con su esfuerzo máximo En cuanto al poliuretano, se sabe que razón por la cual es utilizada en este puede ser flexible o rígido de pinturas y adhesivos. acuerdo a su conformación. El analizado en este ensayo es rígido por lo que su estructura química Conclusiones posiblemente sea como la presentada en la ilustración 4. Tiene el menor - Es fundamental conocer las esfuerzo de fluencia por lo que el paso propiedades mecánicas de los de región elástica a plástica sucede de materiales para determinar sus manera casi inmediata. Lo que a su aplicaciones y futuras vez indica que este polímero es frágil tecnologías que pueden ser (Mariano, 2011). desarrolladas mejorando dichas propiedades. -
Se considera que el caucho silicona al no presentar ruptura durante el ensayo tiene gran cantidad de aplicaciones.
-
El material más resistente es el PMMA reflejado por su esfuerzo de ruptura contrario al poliuretano, siendo este el más frágil de los materiales analizados.
Ilustración 4. Estructura química del poliuretano.
Además de estas propiedades mecánicas, este polímero también presenta propiedades térmicas y químicas que lo hacen ideal para ser usado en construcción, como cubiertas y fachadas de interiores y exteriores (Construmatica, 2015). El polietileno usado, fue el polietileno de alta densidad (HDPE) el cual tiene bajo grado de ramificación y por lo
Mariano. (26 de Julio de 2012). Obtenido de http://tecnologiadelosplasticos.blogs Alfonso, E. (2002). Propiedades básicas de los Unlock Access to An pot.com.co/2012/07/polietileno polímeros. Cuba. pe.html Beltran, M., & Marcilla, A. (2012). Tecnología Moreno, K. (08 de Mrzo de 2011). Obtenido de polímeros. Obtenido de Estructura de y propiedades de los polímeros: http://tecnopolimeros.blogspot.com. http://iq.ua.es/TPO/Tema1.pdf informe polimeros .pdfco/2011/03/propiedades-de-losBillmeyer, F. (1978). Ciencia de los polímeros polimeros.html (Segunda ed.). Barcelona: Reverté. NewComb spring corp. (8 de Septiembre de Access Now Blanco, F. (2 de octubre de 2012). Materiales 2015). Módulo de elasticidad. no metálicos. Obtenido de Obtenido No thanks, I don't want my exclusive trial de http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/L http://www.newcombspring.com/Sp eccion14.ResistenciaPolimeros.pdf anish/article_elasticidad_sp.html
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Construmatica. (2015). Obtenido de http://www.construmatica.com/con strupedia/Poliuretano_R%C3%ADgid o Herradon, B. (30 de Abril de 2014). Obtenido de https://educacionquimica.wordpress .com/2014/04/30/algunasaplicaciones-de-los-polimeros/ IES. (mayo de 2013). Obtenido de https://tecnologiamateriales.wikispaces.com/Propieda des+Mecanicas Mariano. (27 de Mayo de 2011). Obtenido de http://tecnologiadelosplasticos.blogs pot.com.co/2011/05/polimetacrilato -de-metilo.html Mariano. (23 de Junio de 2011). Obtenido de http://tecnologiadelosplasticos.blogs pot.com.co/2011/06/poliuretano.ht ml Mariano. (19 de Diciembre de 2011). Obtenido de http://tecnologiadelosplasticos.blogs pot.com.co/2011/12/siliconas.html
QuimiPRO. (2014). Obtenido de http://www.profesorenlinea.cl/Quim ica/PolimerosCeluloAlmid.htm Resinex. (2016). Obtenido de http://www.resinex.es/tipos-depolimeros/pmma.html Universidad Distrital. (26 de Abril de 2016). Máquina universal de ensayos . Obtenido de http://www.udistrital.edu.co:8080/e n/web/laboratoriomecanica/maquina-universal-deensayos
