Facultad de Ingeniería Depto. Ing. Mecánica
Elastómer s en la Industria: “Innovaci n al servicio de la Eficiencia y alidad”
Nombre: Claudio Andrés Araya Quiroga Carrera: Ing. Civil Indus rial Profesor: Sr. Federico Grossmann Cormenzana
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Elastómeros en la Industria: Innovación al servicio de la Eficiencia y Calidad
Introducción.Cuando se habla de polímero, generalmente se le asocia el término a un “plástico”, el cual a simple vista de un número importante de la población, es lo mismo para una gran cantidad de plásticos. Aun más, si hablamos del término “elastómero”, lo asociamos vulgarmente a solo un elástico. Al interiorizarnos más en el tema de polímeros, y más detalladamente en un derivado especial de estos, como lo son los elastómeros, nos podremos dar cuenta de diversos factores que influyen al escoger un material que cumpla con las características que se desean en el ámbito de los elastómeros, ya que conoceremos una variedad importante de elastómeros utilizados en la industria, que día a día va creciendo en su utilización y rendimiento a partir de diversas investigaciones, con el fin de encontrar una relación directa entre eficiencia, calidad y ahorro. Aspectos importantes en los procesos productivos de las grandes empresas a nivel mundial como lo son las materias primas, traslado de estas y evaluación de calidad de sus productos, han llevado a la industria mundial dedicada al ámbito de los elastómeros, a buscar mejoras en el uso de estos, intentando abarcar con estos cambios, la mayor utilización de polímeros que cumplan con estándares de calidad adecuados y que representen un ahorro en sus procesos industriales. Cabe destacar a modo de información general, que la utilización de los elastómeros es tan importante en la industria mundial, por ejemplo, que el uso de polibutadieno, un tipo de elastómero, se utiliza en aproximadamente en un 70% de su producción mundial a la producción de neumáticos para autos y autos de carrera. En general, se intentara aclarar de mejor forma las diferencias existentes entre los distintos tipos de elastómeros y el porqué de la utilización de estos para los distintos productos que requieren de características de estos como: alto limite elástico, gran tenacidad, el algunos casos, ductilidad y diversas situaciones que se destacaran en el presente informe.
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Elastómeros en la Industria : Innovación al servicio de la Eficiencia y Cali ad
Elastomeros.Dentro de la Famili de los polímeros, existe una prototipo de ell os que se denominan ELASTOME OS. Estos plásticos se d forman cuando se someten a un esfuerzo, pe ro recuperan su forma original cuando deja de ejercerse esa fuerza sobre ellos. Esto se debe a que u temperatura de transición vítrea es inferior a la temperatura ambiente, por lo que a tem eraturas de trabajo permanecen blandos y dú ctiles. No soportan bien el calor, y se degradan a temperaturas no muy elevadas, lo que difi ulta su reciclado. En el proceso de fa ricación de los elastómeros se suele aplicar l a técnica del vulcanizado, que consiste n añadir azufre al material a la vez que se ca lienta y se somete a presión. El resultado es un p lástico que tiene gran resistencia a todo tipo e esfuerzos (tracción, compresión, torsi ón y flexión). La técnica del vulcanizado es muy utilizada en la fabricación de neumáticos ara automóviles. El polibutadieno y l poliisobutileno son ejemplos de elastómero s industriales sintéticos, mientras que el aucho natural es un elastómero no sintético. En muchas ocasiones, los elastómeros se mezclan con lásticos termoestables para conseguir produ tos con gran esistencia al impacto, flexibles y duros, com o los elastómeros de poliuretano.
“A” es un dibujo esquemático de un elastómero no sometido a tensión. Los puntos representan los enlaces. “B” es el mismo elastómero sometido a tensión. Cuando se deja de aplicar esta tensión, el elastómero regresa a la posición “A”
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Elastómeros en la Industria: Innovación al servicio de la Eficiencia y Calidad Para conseguir otros productos, los elastómeros se mezclan con algún plástico termoplástico. De esta unión se obtienen materiales que se pueden fundir y reciclar, denominados elastómeros termoplásticos. Algunos ejemplos de este tipo de plásticos son los termoplásticos poliolefínicos (TPO) y los termoplásticos vulcanizados dinámicamente (TPV). En la siguiente tabla, presentamos algunos tipos de plásticos elastómeros , con sus propiedades y algunas aplicaciones que detallaremos más adelante.
PLÁSTICOS ELASTÓMEROS
PROPIEDADES
APLICACIONES PRINCIPALES
Caucho natural
Resistente al desgaste y al impacto, buen aislante eléctrico.
Polibutadieno (BR)
Resistente a las bajas temperaturas y al Neumáticos. desgaste.
Resistente al calor y a los esfuerzos Policloropreno (CR) mecánicos.
Neumáticos, juntas, tacones y suelas de zapatos.
Cintas transportadoras, mangueras, cables, trajes de submarinista. Materiales aislantes eléctricos y térmicos, prótesis, adhesivos.
Polisiloxano (SL)
Ligero, alta resistencia mecánica y resistente al desgaste, buen aislante.
Neopreno (PCP)
Correas industriales, recubrimientos de Más resistentes que el cables, trajes de buceo. caucho, pero menos flexibles.
Poliuretano Termoplásticos (PUR)
Prendas de vestir elésticas (lycra o elastán) cintas transportadoras de la industria, mangueras de agua, ruedas industriales. En forma de espuma para asientos y colchones.
Siliconas (SI)
Buena estabilidad térmica y a Hules, aplicaciones resistentes al agua, la oxidación. Flexibles. prótesis médicas, sellado de juntas. Excelentes propiedades eléctricas
Son duros, resistentes a la abrasión y flexibles. Pueden presentar también la forma de espumas.
A continuación, se profundizara en algunos de los elastómeros más utilizados en las grandes industrias y de uso común a nivel mundial:
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Poliuretanos Ter oplásticos: Es una de las variedades existent es dentro de los
poliuretanos. Es un pol ímero elastomerico lineal y, por ello, termop lástico. No requiere vulcanización para su p rocesado, pero en el año 2008 se ha introduci do un novedoso proceso para reticularlo . Este elastómero puede ser conformado por os procesos habituales para termopl ásticos, como moldeo por inyección, extrusi n y soplado. El Poliuretano Termoplást ico se caracteriza por su alta resistencia a la brasión, al desgaste, al desgarre, al oxígen o, al ozono y a las bajas temperaturas. Esta combi nación de propiedades hace del Poliureta o Termoplástico un plástico de ingeniería; por e sta razón, se utiliza en aplicaciones especiales.
Utilizado en calzado, mangueras De agua, ruedas industriales, etc.
Entre sus aplicaciones se e cuentran: •
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Recubrimiento de c ables para robots, para sistemas de seguridad del automóvil y otros cables especia les. Mangueras, tubos y perfiles flexibles, para máquinas y aparatos. Fibra elástica textil, empleadas en ropa (deportiva y de baño) y a plicaciones industriales, tanto d e tejidos como de no tejidos (non wowen). Láminas y película , para embalaje y para impermeabilizaciones de ropa y colchones, dada su permeabilidad al vapor de agua. Componentes para utomóvil, tanto soft touch en el habitáculo c omo piezas del chasis y compartim nto motor. Pomos de cambio de marchas, re cubrimiento de tiradores de puerta consola central, topes de amortiguadores, c nectores y fijaciones eléctricas , antenas, taloneras y estribos, fuelles. Artículos deportivo s, suelas y otros componentes de calzado dep ortivo, por ejemplo botas de fútbol y bo tas de esquí. Suelas de calzado, t anto de moda como calzado profesional, y ta petas para tacones. Ruedas para maqui aria, juntas, cribas, topes de amortiguación mangos de herramientas. Placas de asiento p ra ferrocarril. Artículos para agric ultura, ganadería y pesca. Crotales para marc ado de animales.
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Elastómeros en la Industria : Innovación al servicio de la Eficiencia y Cali ad Polibutadieno (BR): El polibutadieno es un elastómero o caucho sint tico que se obtiene mediante la polimerización de 1,3-Butadieno. La molécula de butadieno puede polimerizar de tres maneras diferentes, originando tres isómeros llamados cis, trans vinilo. Las propiedades del polibutadieno son di ferentes según la proporción de cada uno de es os isómeros que contenga en sus moléculas. Así por ejemplo el polibutadieno llamado "alto-c is" tiene una alta elasticidad y es muy apreciado mientras que el denominado "alto-trans" es u plástico cristalino sin ninguna aplicación de utilida . Con una producción anual de 2,1 millones de toneladas (2000), el polibutadieno es el segundo caucho sintético en volumen, por detrás del caucho estireno-butadieno (SBR). Su principal aplicación es la fabricación de neumáticos, la cual consume alrededor del 70% de la producción. Otro 25% se utili za como aditivo para mejorar la resistencia mecáni a de plásticos como el poliestireno y el ABS. Tambi n se emplea para fabricar pelotas de golf y objetos elásticos diversos •
El primero en polime rizar el butadieno fue el ruso Sergéi Lébedev, en 1910. Gracias a él, la URSS se convirtió en el prim r país en lograr una producción industrial substa ncial de este material a finales de la década de 193 . Otras grandes potencias de la época como Ale ania y los Estados Unidos optaron por desarroll r el SBR como alternativa al caucho natural. A mediados de la década de 1950 se produjeron importantes avances en la tecnología de los catalizadores que condujeron al desarrollo de versiones mejoradas de polibuta ieno. Pocos años más tarde los principales fabr icantes de neumáticos y algunas empresas petroq uímicas se lanzaron a construir plantas de producci n de polibutadieno en todos los continentes, dur ndo este boom hasta la crisis del petróleo de 1973. Desde entonces el ritmo de crecimiento de la pr ducción ha sido más moderado, centrándose esenc ialmente en Extremo Oriente
La fabrica ión de neumáticos consume en torno a l 70% de la producción mundial de polibuta dieno .
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Elastómeros en la Industria : Innovación al servicio de la Eficiencia y Cali ad Caucho estireno-b tadieno: El caucho estireno-butadieno, frec entemente abreviado SBR (del ing lés Styrene-Butadiene Rubber) es un elastóm ero sintético obtenido mediante la p limerización de una mezcla de estireno y de butadieno. Es el caucho sintético con m yor volumen de producción mundial. Su pri cipal aplicación es en la fabricación de ne máticos. Una de las ventajas era que su roducción tenia una muy buena relación costo-utilidad. El caucho sintético fue usado para disminuir el consumo d las fuentes naturales de caucho, especialmente en l área de la fabricación de neumáticos, que en ese omento aún consistían de caucho sólido. Otros país s comenzaron a copiar los esfuerzos y a la década sigui nte, muchas naciones desarrolladas estaban en el ne ocio de la creación del SBR para ser usado en una variedad de productos. Algunas Propiedades tales com : •
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Mecánicas: - Mo erada resiliencia -Excelente resistencia a la abrasión -Mod rada resistencia al desgarro -Excelente resistencia al impacto -Mod rada resistencia a la flexión
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Físicas: -Tem eratura de servicio: –10 °C a 70 °C -Baja resistencia a la intemperie (oxidación, ozono, luz solar) -Excelente resistencia eléctrica -Muy baja permeabilidad a los gases
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Químicas: - Buena resistencia al agua pero pobre resistencia al vapor de agua -No poseen resistencia a los hidrocarburos (alifáticos, romáticos, Clorados) -Baja resistencia a ácidos diluidos, menor aún en caso e mayor conc entración -Baja resistencia a los aceites (animal y vegetal)
Entre otros usos se ncuentran la fabricación de cinturones, man ueras para maquinarias y motores, jun tas, y pedales de freno y embrague. En el ho ar se encuentra en uguetes, masillas, esponja , y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción de productos s nitarios, guantes quirúrgicos e incluso goma de mascar. Cubiertas de neumáticos d tamaño pequeño y medio - Sector calzado - Correas transportadoras y de trans isión - Artículos moldeados – Perfiles.
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Neopreno: El neopreno, conocido originalmente como dupreno (duprene en inglés), fue la primera goma sintética producida a escala industrial. Se usa en una gran cantidad de entornos, como trajes húmedos de submarinismo, aislamiento eléctrico y correas para ventiladores de automóviles. Su inercia química lo hace útil en aplicaciones como sellos (o juntas) y mangueras, así como en recubrimientos resistentes a la corrosión. También puede usarse como base para adhesivos. Sus propiedades lo hacen útil como aislante acústico en transformadores. Su elasticidad hace que sea muy difícil plegarlo. Su flexibilidad también lo hace apto para diseñar fundas que se ajusten perfectamente al objeto a proteger. •
Un uso común del neopreno es la confección de botas para la pesca con mosca, ya que es un excelente aislante térmico. Su grosor generalmente suele ser de 5 mm, y tiene un precio intermedio entre materiales baratos como el nylon y el caucho y otros más caros como las prendas transpirables (GoreTex por ejemplo). En la confección de trajes para el buceo y protección en ambientes hostiles, el aire que queda atrapado en el neopreno durante la fabricación, es sustituido por nitrógeno puro. Los trajes de buceo húmedos se realizan generalmente con un grosor de hasta 7 mm, aptos para su uso incluso en aguas frías (alrededor de 14 °C). No así el grosor de los trajes habituales está en torno a los 2-3mm. Debe destacarse que a una profundidad de 30 m la presión hace que disminuyan sus propiedades aislantes. Esto ha dado origen a una variedad de neopreno, super-flex, que combina spandex dentro del neopreno para permitir una mejor flexibilidad.
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Elastómeros en la Industria : Innovación al servicio de la Eficiencia y Cali ad Alguno de los Usos del Ne preno son: •
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Moldeado: juntas, t berías, sellos mecánicos, correas, propelent sólido, bolas. Extruído: manguera s domésticas, tubos de laboratorio. Láminas: bote infla ble, guantes, sacos de dormir, botas de talle a lto, prendas de protección, material absorbente de radar. Espuma: trajes de b uceo, guantes, pasamontañas. Adhesivo: cinta adh esiva, adhesivo líquido Fundas protectoras de rayones y golpes: ordenadores portátiles.
El Neopreno como tal, viene de un proceso industrial proveniente d l
POLICLOROPRENO es el polímero del cloropreno, cuya goma sintética conocida como neopreno.
Los polímeros de neopr eno son principalmente fabricados usando p limerización por emulsión en reactores batc y el polímero es aislado mediante procedim ientos de secado en frío. La polimerización del c loropreno involucra los mismos pasos de la olimerización por emulsión de otros monóme ros de dienos, principalmente:
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Emulsificación Iniciación y catálisi s Transferencia de ca lor Conversión del mo ómero Recuperación del m onómero Aislamiento del mo nómero
Las cantidades apropia as de azufre son disueltas en el cloropreno la solución se emulsiona en una fase acu sa conteniendo hidróxido de sodio y la sal de sodio producto de la condensación del ácid o naftalensulfonico. Las dos fases liquidas s on emulsionadas mediante recirculación a tr vés de una bomba centrífuga, con el objetivo e darle a las partículas un tamaño de 3 micr metros de diámetro. Cuando la se ha ompletado la emulsión, le mezcla se lleva al polimerizador, el cual está enchaquetado y c n agitación. La polimerización se inicia con una solución acuosa de persulfonato de otasio. La temperatura se mantiene a 40 °C ediante recirculación de salmuera control en la velocidad de agitación.
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Elastómeros en la Industria : Innovación al servicio de la Eficiencia y Cali ad La conversión del mon mero es seguida de la medición de la densid ad de la emulsión. La polimerización se detie e al 91% de conversión (densidad de 1,069) añadiendo una solución de xileno y disulf ro de tetraetiltiurano (un plastificante y esta ilizador). La emulsión se pasa por un fil ro de vapor para recoger el monómero que n o ha reaccionado y se enfría entonces a 20 °C, esta temperatura se mantiene durante 8 horas con el fin de estabilizar el polímero (pla tificación). Luego el látex alcalino se acidifi a a un pH de 5,5 – 5,8. Esto termina la acción plastificadora del disulfuro de tiurano, prepa ando el látex para el asilamiento del polímero . El neopreno es aislado del látex mediante un procedimiento de coag lación continua de la película de polímero seg uida de un lavado y un secado. El polímero s co es seccionado en tiras continuas y empac do. El éxito de este proceso depende de la lo grar la completa coagulación del látex en un os pocos segundo a una temperatura de entre -10 °C y -15 °C, lo cual le proporciona a la pel ícula suficiente resistencia para soportar el la vado y el secado. La principal innovació n ha sido probablemente el desarrollo de pro esos de la polimerización continua, l cual tiene influencias significativas en el co to de fabricación. En plantas de producción últiple es preferible usar un proceso por lote s.
Las aplicaciones: Es utilizado en el recub rimiento de cables fuertes y de alta dureza, e adhesivos acuosos y en solventes. También se usa en recubrimientos de láminas de alumini o (y superficies flexibles), llantas de autom óvil, corchos. El neopreno es útil par adhesivos sensibles a la presión, además es útil para la construcción de estructuras para autos y partes internas de automóviles. En automóviles se usa t ambién para sistemas de insonorización y co ntrol de vibración.
Recubrimiento de cables de Fibra óptica a base de policl oropreno
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Elastómeros en la Industria: Innovación al servicio de la Eficiencia y Calidad Preguntas a responder.1.- Si se está buscando una mayor efectividad en el ámbito de los elastómeros ¿Por qué no se han hecho estudios más acabados, y que se masifiquen, y que no ganen más terreno en este ámbito otros materiales?
R: // Al contrario, se ha trabajado de forma importante en el desarrollo de los polímeros y de gran parte de los elastómeros, ya que dia a dia, materiales que comúnmente son a base de metales, madera, etc., se están reforzando o más aun, cambiando por otros en base a elastómeros, que cumplen una función mucho mejor que el mismo componente original, y con el pasar del tiempo, se convierte en un ahorro. 2.- ¿Qué factores pueden influir de forma negativa o positiva en la elección de un elastómero como un material adecuado para una aplicación determinada?
R: // Todo dependerá de en que situación se trabaje y con que tipo de elastómero. Por ejemplo, para la temperatura, los elastómeros que han sido enfriados llevándolos a una fase cristalina tendrán menos movilidad en las cadenas, y consecuentemente menos elasticidad que aquellos manipulados a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea del polímero. Esto pasa con correas de algunas bombas, o caso contrario, elásticos de alguna prenda de vestir. También ahí que ver aspectos importantes como lo son: medio a trabajar, esfuerzos aplicados, temperatura, elasticidad deseada, etc. 3-. ¿Puede darse en algún momento una falta de materias primas para la producción de elastómeros?
R: // En algún momento si podría darse, pero siempre se busca algún mecanismo en el cual estos puedan reciclarse y reutilizarse. En este sentido es que generalmente se trata de utilizar los denominados ELASTOMEROS TERMOPLASTICOS cuya característica es que tienen un entrecruzamiento molecular reversible, lo que permite que no se funda y pueda reciclarse y posiblemente reutilizarse. 4-. ¿Qué características debe tener un material para denominarse un elastómero? •
Mostrar un comportamiento elástico (esto conlleva que tenga un entrecruzamiento molecular).
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Deformables y que vuelvan a su estado original después de haber sido quitada la carga aplicada (algunos tienes un alargamiento de un 500% su tamaño original).
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Elastómeros en la Industria: Innovación al servicio de la Eficiencia y Calidad
Conclusión. En General, referirse al termino elastómero tiene varios sinónimos que debieran familiarizarse de una a otra forma con plasticidad o elasticidad. Sin embargo, también tiene un valor agregado el hecho de cómo ingenieros, saber identificar y proponer una visión crítica y constructiva a qué tipo de elastómero uno se puede ver enfrentado en algún momento, con el fin de tomar una decisión con criterio formado y fundamentado para una correcta elección o la que más se acerque al optimo de material que necesitemos. Por lo mismo, no es de extrañar que el presente informe, presente una visión más macro de los diferentes tipos de elastómeros en la industria mundial, ya que dia a dia se esa innovando, con el fin de conseguir una mayor eficiencia y calidad, que permita dia a dia optimizar las materias primas a utilizar e intercambiar materiales por otros a base de elastómeros o polímeros en general, que sirvan para un rendimiento aun mejor del que ya se tiene. Finalmente, queda mucho más claro el objetivo y características de los elastómeros como un material altamente utilizable y provechoso, del cual, valiéndose de sus distintas propiedades, se puede tener un conocimiento mas claro y de visión responsable sobre posibles decisiones en torno a su utilización y beneficios.
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Bibliografía.•
www.wikipedia.com
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www.odontochile.cl
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www.textoscientificos.com
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www.termoplaex.com
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www.quiminet.com
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Enciclopedia libre mundial en español
