PILAR SAAVEDRA MELÉNDEZ Dra. Ciencias Químicas Profesora Titular Universidad Dpto. Mecánica, Química y Diseño Industrial Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industria (UPM)
PILAR SAAVEDRA MELÉNDEZ
Asignatura: Conocimiento Avanzado Materiales y Degradación Degradación
Máster en Ingeniería Diseño Industrial
POLÍMEROS: COMPORTAMIENTO EN ESTADO SÓLIDO Y APLICACIONES INDICE • • • • •
1. Importancia en la Industria 2. Conceptos Generales 3. Propiedades Térmicas 4. Propiedades Mecánicas 5. Propiedades Materiales Avanzados
LA INDUSTRIA DE LOS PLÁSTICOS EN ESPAÑA Y SUS APLICACIONES
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¿Qué son los plásticos? Productos sintéticos fabricados a partir de recursos naturales, como petróleo, gas natural, carbón y sal común.
En 1907, el químico neoyorquino Leo Baekeland sintetiza el primer material plástico: la baquelita. • En 1940, se inician la industrialización y la comercialización de los plásticos. • En 1976, los plásticos ya son los materiales más utilizados en todo el mundo. •
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En 1953, se inicia la producción de plásticos en nuestro país: el Policloruro de Vinilo, PVC.
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¿Los plásticos dependen del petróleo? La materia prima básica de los plásticos es el petróleo. A partir de la destilación de la nafta se obtienen las materias primas de estos materiales.
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Es importante destacar que sólo el 4% de la producción mundial de petróleo se destina a fabricar plásticos.
El 6% va a otras industrias. • Y el 90% restante se dedica a combustible para calefacción y locomociones. •
En los últimos años los polímeros han desarrollado una gran expansión que sigue en aumento, ya que en muchas aplicaciones han sustituido a materiales metálicos y materias naturales y actualmente se centran en microelectrónica, biomedicina y comunicaciones, etc. • La gran versatilidad y campo de aplicación de los polímeros se debe a la facilidad que ofrecen al diseño de nuevas composiciones con propiedades muy variadas •
APLICACIONES •
1. Envase y embalaje Los envases y embalajes plásticos constituyen un factor de desarrollo y progreso ya que son ligeros, suponiendo un ahorro de materia prima y combustible en el transporte de los productos envasados y, por tanto, una disminución de la contaminación atmosférica, además, son reciclables y representan una fuente de energía alternativa que equivale a la de otros combustibles. Polietileno y PET.
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2. Construcción La mayoría de los edificios públicos, nuestras viviendas, nuestros lugares de trabajo (fábricas u oficinas), los edificios destinados al ocio y servicios, hospitales, etc., tienen al plástico como elemento común. La razón es que éstos, permiten un abaratamiento de los costes en la producción de grandes series de piezas para la construcción, a la vez que facilitan el ahorro de energía por su bajo peso, sus grandes prestaciones y su alto poder aislante. PVC y Poliestireno.
APLICACIONES •
3. Transporte y Telecomunicaciones La fabricación de aviones, barcos, cohetes, trenes, motocicletas, globos, coches, bicicletas, teléfonos, antenas parabólicas, cámaras e incluso las nuevas redes de cable, se hace con plásticos. Al ahorro de combustible y a la disminución de la contaminación atmosférica, contribuyen de forma decisiva los plásticos. De las 5.000 piezas que lleva un automóvil fabricado en España, 1.700 son de plástico. Polipropileno y Polímeros técnicos como el ABS o las Poliamidas.
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4. Medicina La esperanza de vida y la mejor calidad de ésta se debe en gran parte a la utilización de los plásticos. En España, más de 125.000 personas disfrutan de un mejor nivel de vida gracias a un marcapasos fabricado con plástico, según datos facilitados por la Asociación Nacional de Cardiología. Además, otros productos del área sanitaria tienen al plástico como principal componente. Las jeringuillas, lentillas, prótesis, cápsulas, envases de productos farmacéuticos, bolsas de sangre y suero, guantes, filtros para hemodiálisis, válvulas, tiritas, gafas, e incluso, el acondicionamiento de cada una de las salas de un hospital se construye con materiales plásticos. PVC.
APLICACIONES •
5. Electrónica El empleo de los plásticos ha permitido mejorar sensiblemente las comunicaciones, ya que por un lado contribuye al ahorro de los combustibles y por otro, su capacidad como aislante, protege de los agentes externos. Los plásticos han contribuido notablemente a la evolución de la denominada “Era de la Información”. Internet, comunicaciones por satélite, cable, ordenadores personales, telefonía fija y móvil, etc. Todos contienen plásticos en su diseño. El área más importante de consumo en este sector es el de equipamientos electrónicos. PVC y Polímeros técnicos como el Policarbonato y ABS.
APLICACIONES •
6. Agricultura La producción en el campo se ha triplicado gracias a la Plasticultura, o cobertura de los cultivos agrícolas con plásticos para protegerlos de los agentes externos.
Las aplicaciones más extendidas de la Plasticultura son: acolchamiento de suelos, túneles de cultivo, invernaderos, tuberías para conducción de agua y drenaje, cortavientos, láminas para embalses y cordelería. La resistencia al impacto y al rasgado, la transparencia a la radiación solar, la dispersión de la luz y la reducción del riesgo de heladas, son entre otros, los beneficios que ofrecen los plásticos en la agricultura. Poliestileno y PVC.
INDUSTRIA PLÁSTICOS EN ESPAÑA • • • • • • •
En España existen: Alrededor de 100 empresas productoras que dan trabajo a unas 10.000 personas Alrededor de 4.115 empresas transformadoras que dan trabajo a unas 85.000 personas. Además de éstas, alrededor de un centenar de empresas recicladoras del sector. En todas las Comunidades Autónomas de España hay empresas de plásticos. Las productoras presentan una concentración mayor en Cataluña. Las transformadoras, con un núcleo también importante en Cataluña, existen en todas las regiones, especialmente en la Comunidad Valenciana, Comunidad de Madrid, País Vasco y Andalucía.
RECICLADO • • •
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¿Qué se puede hacer con los plásticos ya utilizados? Aprovecharlos mediante el reciclado –mecánico o químico- o la valorización energética. El reciclado mecánico –posible para todos los plásticos- se lleva a cabo como en el caso de la transformación, por procedimientos físicos, y se obtienen materiales plásticos reciclados, que pueden volver a ser transformados. El reciclado químico, es un proceso que implica transformaciones químicas. En él se obtienen materias primas que pueden volver a ser utilizadas en la química básica o para volver a obtener polímeros. La valorización energética consiste en la incineración –posible también para todos los plásticos- en la que se puede recuperar la energía. Utilizando estos residuos en procesos de combustión, se puede sustituir parte de la combustión de material fósil (petróleo o carbón).
APLICACIONES DEL RECICLADO Con los materiales reciclados, hay todo un abanico de campos de aplicación: bolsas para basura, cajas para baterías, perchas para comercio, paneles señalizadores, calzado, cajas para interruptores, tuberías, indicadores de carreteras, losetas para suelos, mobiliario urbano y llegan a carpintería, tiestos, esterillas, revestimientos, instalaciones a la intemperie, piscinas, postes, divisores de fincas, etc. • Con la energía recuperada se puede producir electricidad para uso industrial y/o doméstico, calefactor, etc. •
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Por tanto, nada de unos materiales tan valiosos debe desperdiciarse.
CONCEPTOS GENERALES
CONCEPTO DE POLÍMERO •
POLÍMERO: Sustancia de alto peso molecular constituida por unidades iguales de un compuesto sencillo, monómero, que se repite a lo largo de la cadena.
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GRADO DE POLIMERIZACIÓN: Número de unidades que se repiten a lo largo de la cadena ( Xn) (n)
CH2=CH2 -(CH2-CH2)n-
CLASIFICACIÓN: Naturales y Sintéticos
NATURALES: Los seres vivos están constituidos por macromoléculas biológicas (polisacáridos, proteínas, etc) ADN Celulosa
Mioglobina
Ácidos nucléicos
Polisacáridos Caucho natural
Proteinas
POLÍMEROS SINTÉTICOS H CH2
CH2
C
n
CH2
A polietileno
B poliestireno
H C
n
F
F
C
C
F
F
H CH2
CH2
C CH2
n
politetrafluoretileno C
O C
n
CN
policloruro de vinilo E
polipropileno D
O C
C O CH2
O
O
C O CH2
O
poliacrilonitrilo F
4
O
H O
O H
H O
O R2 O C N
R1 N C
n
poliuretano I
CH2 N 6
O
C CH2 C 4
Nailon J 6,6
CH3 H n
2
polietilentereftalato G
H polibutilentereftalato
C
C
H
H
O n
Polióxido de propileno K
n
CH3
H
Cl
N H
C
n
n
n
SINTÉTICOS: Polímeros de Condensación: Nylon 6,6, Poliéster, Resinas Fenólicas, etc. Polímeros de Adición: PE, PP, PVC, PAN, PMMA, Teflón, etc. Polímeros de apertura de anillo: Nylon 6, Poliéteres, etc.
REACCIONES DE CONDENSACIÓN
Polímeros de condensación
ENLACE HIDRÓGENO POLIAMIDAS
FIBRAS DE ALTO MÓDULO •
Las poliamidas aromáticas dan fibras de altas prestaciones por formar cristales perfectamente estructurados, ya que combinan una estructura aromática para-sustituida y la existencia de enlaces de hidrógeno intercadena.
MONÓMEROS MULTIFUNCIONALES
•
•
Las propiedades de los polímeros dependen de diversos factores relacionados con la estructura molecular, morfología, etc. La caracterización de un polímero implica conocer: 1) Composición Química ( homopolímero, copolímero, etc.) 2) Tamaño Molecular (peso molecular y distribución) 3) Topología Molecular ( lineal, ramificada, entrecruzada) 4) Microestructura (isomería, estereoquímica, etc.) 5) Morfología ( cristalinidad, etc.) 6) Comportamiento frente a la Temperatura 7) Comportamiento frente a deformaciones o flujo Las técnicas experimentales que se utilizan para caracterizar un polímero van: desde el nivel microscópico, (relacionado con la estructura y conformación de la macromolécula) hasta el nivel macroscópico (relacionado con la resistencia del material y su procesabilidad
)
HOMOPOLÍMEROS Y COPOLÍMEROS HOMOPOLÍMERO: Material formado por cadenas de polímeros que repiten siempre la misma unidad. • COPOLÍMERO: Material formado por cadenas de polímeros compuestos por dos ó más unidades químicamente diferentes repetidas . •
– – – –
Copolímeros al azar Copolímeros alternantes Copolímeros en bloque Copolímeros de injerto
Iniciación
Propagación
ESQUEMA DE POLIMERIZACIÓN EN CADENA POR VIA RADICAL
Terminación
PESOS MOLECULARES Y SU DISTRIBUCIÓN Cl H C C
n
Peso molecular = n . M unidad repetitiva
H H
“Unidad repetitiva”
n = “grado de polimerización”
Peso molecular promedio M n
M w
N M Ni i
Peso molecular promedio en número
i
w M w i
Distribución de pesos moleculares
i
i
IP= Mw/Mn > 1
Mw/Mn= 1,28
Peso molecular promedio en peso Índice de
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18
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TOPOLOGÍA MOLECULAR
Las cadenas pueden ser lineales o ramificadas Con cadenas laterales de distinta longitud o ramificadas a su vez a lo largo de la cadena principal
ISOMERIA Y ESTEREOQUÍMICA H
H
C
C
H
R
H +
C H
CH R
ATÁCTICO
H
H
H
H
C
C
C
C
H
R
H
R
Átomo de carbono asimétrico
La microestructura de la cadena, está relacionada con la distribución espacial de los grupos o sustituyentes a lo largo de la cadena principal (tacticidad) SINDIOTÁCTICO
ISOTÁCTICO
Los polímeros b) y c) son estereorregulares y pueden cristalizar. Los polímeros desordenados (al azar) no pueden cristalizar
TACTICIDAD
Polímero isotáctico A
A
A
A
A
A
Polímero sindiotáctico A
A A
A A
A
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El estado sólido macromolecular es muy complejo debido: - Alto peso molecular - Flexibilidad - Conformaciones accesibles, etc. a) Polímero AMORFO: Las cadenas están distribuidas en el sólido de forma desordenada y al azar.
b) Polímero SEMICRISTALINO: Las cadenas de un polímero regular pueden formar estructuras ordenadas, permitiendo que las cadenas se agrupen entre sí formando cristales.
MORFOLOGÍA CRISTALINA •
•
Cuando se enfría un polímero semicristalino a partir del fundido, se forman agregados cristalinos: ESFERULITAS La gran viscosidad del fundido impide que las cadenas se desenreden para formar cristales aislados obteniendo al enfriar cristales formados por fibrillas que crecen de forma radial a partir del centro de la esferulita
MORFOLOGÍA CRISTALINA •
El número y tamaño de las esferulitas depende de las condiciones de cristalización subenfriamiento
TIPOS DE POLÍMEROS
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• •
TERMOPLÁSTICOS: Polímeros que se reblandecen (funden) al aumentar la temperatura, se pueden moldear con facilidad para darles su forma definitiva. Estos materiales plásticos necesitan calor para ser conformados y al enfriar mantienen la forma. Pueden ser ablandados por calentamiento y endurecidos por enfriamiento repetidas veces. Se componen de cadenas poliméricas con enlaces secundarios tipo dipolo. – a) Cristalizan al enfriar – b) No cristalizan (vidrios poliméricos)
FACTORES: Las cadenas pueden ser lineales o ramificadas (con cadenas laterales de distinta longitud o ramificadas a su vez a lo largo de la cadena principal) La microestructura de la cadena, es decir la distribución espacial de los grupos o sustituyentes a lo largo de la cadena principal (tacticidad)
Los termoplásticos mejoran la resistencia a la tensión a medida que se incrementa el grado de cristalinidad
•
ELASTÓMEROS: Polímeros que pueden sufrir grandes deformaciones, recuperando su forma original cuando cesa la fuerza que produjo la deformación.
FACTORES: • Son polímeros entrecruzados • Las cadenas están unidas por enlaces covalentes • Son materiales de gran importancia tecnológica, ya que se forman polímeros flexibles y elásticos (Ej: cauchos) •
Los elastómeros pueden transformarse en un vidrio termoplástico si T < Tg
ELASTÓMEROS
•
TERMOESTABLES: Son polímeros que conservan su forma al calentar, ya que sus cadenas son muy rígidas y están entrecruzadas entre sí por enlaces covalentes. Estos materiales plásticos al experimentar calentamiento, catálisis, etc. sufren una reacción química que genera una estructura macromolecular con redes ricas en entrecruzamiento de cadenas. No pueden ser refundidos o reprocesados una vez que son calentados, ya que se degradan o descomponen. Ej: resinas fenólicas, poliésteres insaturados, epóxidos, etc.
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ESTOS MATERIALES SON MUY UTILIZADOS EN AUTOMOCIÓN, AERONÁUTICA, ELECTRÓNICA, etc.
RESINAS TERMOESTABLES
DIAPOSITIVA 42
TRANSICIONES TÉRMICAS
TERMOGRAMA • •
El termograma se realiza a una cierta velocidad de calentamiento, a partir de una muestra fundida y subenfriada a una T
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•
• •
cambios en el calor específico con la temperatura son lineales) A T=Tg, comienzan a producirse movimientos de segmentos cadenas moleculares, aumenta el volumen libre, haciéndose el material mas blando. Produciéndose un salto en el calor específico. La Tg es una transición de segundo orden. A medida que T aumenta puede que tenga lugar la cristalización; ya que al enfriar rápidamente quedaron impedidos los movimientos moleculares y no se produjo la cristalización. Sin embargo, al ir calentando lentamente por encima de Tg las cadenas tienen suficiente movilidad para cristalizar a T
EJEMPLO DE TERMOGRAMA •
En cada pico puede observarse una transición de fase asociada a la temperatura
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Termograma de PET: Tg = 69ºC; Tc = 140ºC; Tm = 233ºC
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA La Tg es aquella en la que el polímero cambia del estado vítreo (duro) al estado gomoso (blando). • A T
• •
Los materiales con Tg T ambiente plásticos. (duro/quebradizo)
Tg TERMOPLÁSTICOS • • • • • •
Polietileno Polipropileno Poliacetato de vinilo Policloruro de vinilo Poliestireno Polimetacrilato de metilo
Tg (ºC ) -110 -18 29
82 (75-100) 72
La Tg depende del grado de cristalinidad, peso molecular promedio de las cadenas macromoleculares y velocidad de enfriamiento del termoplástico. • El PS y PMMA son plásticos duros ya que se usan a T
PROPIEDADES MECÁNICAS
PROPIEDADES MECÁNICAS • •
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La Tg es la responsable de las propiedades mecánicas de los polímeros Los polímeros cuyas cadenas se muevan con facilidad tendrán Tg menores, ya que necesitan menos energía para pasar del estado vítreo rígido al estado blando y flexible. Resistencia a la tracción Si soporta cargas axiales que tienden a alargarlo Resistencia a la compresión Si soporta cargas axiales que tienden a compactarlo Resistencia a al flexión Si soporta cargas de flexión en su sección transversal Resistencia a la torsión Si soporta cargas de torsión en su sección transversal Resistencia al impacto (tenacidad) Si es resistente a los golpes
La RESISTENCIA es la tensión necesaria para romper la muestra P/S = Tensión(σ) P = fuerza ejercida S = área • •
En un material elastomérico el estado de equilibrio tensión-deformación se debe al entrecruzamiento de cadenas . En un material no entrecruzado la deformación ocasionada por la tensión no alcanza una
PROPIEDADES MECÁNICAS •
Elongación Deformación en la forma que experimenta un material bajo tensión (alargamiento) ΔL/L0 x 100% = Elongación ΔL=L-L0 L0 (muestra inicial) L (muestra después del alargamiento)
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Elongación final mide cuánto puede alargarse una muestra antes de romper
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Elongación elástica mide el porcentaje de elongación de una muestra sin llegar a deformación permanente
DEFORMACIÓN DE TERMOPLÁSTICOS •
La deformación en termoplásticos puede ser: elástica (TTg), o una combinación de ambas.
DEFORMACIÓN DE TERMOPLÁSTICOS •
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• •
El tramo OA lineal muestra proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación (sigue ley de Hooke) Punto A límite de proporcionalidad. El tramo AB aunque no hay proporcionalidad, el material todavía se comporta de forma elástica (aunque no es instantánea). Punto B límite elástico o punto de fluencia, a partir de este punto las deformaciones son irreversibles. El tramo BC horizontal, el material se hace dúctil y fluye con poco esfuerzo. En D el material rompe( σD=resistencia a la rotura) (δD=alargamiento a la rotura) El área OABCDO tenacidad. Cuanto mayor cantidad de energía pueda absorber un material experimentando grandes deformaciones será mas tenaz, en caso contrario será frágil
Las fibras presentan los módulos de tracción más altos. • Los elastómeros los más bajos • Los plásticos presentan módulos intermedios •
ENSAYOS DE TRACCIÓN La velocidad de ensayo es muy importante, normalmente se trabaja con velocidades de deformación lentas para que las moléculas puedan sufrir cambios conformacionales y se orienten en la dirección del esfuerzo aplicado. • Presentan mayor tenacidad y elongación a la rotura a velocidades lentas que a velocidades altas . •
ENSAYOS DE TRACCIÓN Las propiedades mecánicas de muchos plásticos cambian al aumentar la temperatura. • Si la temperatura aumenta se produce una expansión gradual del material, aumenta el volumen libre y disminuyen las fuerzas de cohesión entre cadenas. • Por tanto, a mayor temperatura la res is tencia a la tracción y el módulo dis minuyen y la elong ación aumenta •
PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas de polímeros cristalinos varían en función de la dirección de las fuerzas aplicadas anisótropos • En general los polímeros con buena resistencia a la tracción y a la flexión, tienen baja resistencia a la compresión •
ENSAYOS DE IMPACTO • • • • •
La resistencia al impacto es la energía absorbida por un material por unidad de área ante un impacto. No sólo depende del material, también de su forma, tamaño, espesor, etc. Los plásticos son mas susceptibles de fallo cuando son sometidos a un impacto, que cuando se aplica una carga lentamente . Los materiales no pueden compensar el impacto con movimientos moleculares, es decir no pueden orientarse ni relajarse. Los ensayos de impacto mas comunes son el de tipo péndulo y el de tipo dardo
ENSAYOS DE IMPACTO
TERMOFLUENCIA Y FRACTURA EN POLÍMEROS • •
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Los materiales poliméricos sometidos a una carga pueden “ termodeformarse”. La deformación se incrementa con el tiempo, al aplicar una carga constante a temperatura constante. La deformación aumenta con el incremento del esfuerzo aplicado y la temperatura. Los ensayos de fluencia, como los de recuperación de esfuerzos, se realizan en tiempos largos da más información del comportamiento real de material. El ensayo consiste en aplicar una carga fija a una probeta y determinar la deformación en función del tiempo hasta que la muestra rompe o la variación en la deformación es muy pequeña.
TERMOFLUENCIA Y FRACTURA EN POLÍMEROS • • •
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La temperatura a la cual tiene lugar la termofluencia es importante en el material polimérico. En termoplásticos a TTg se deforman fácilmente por una combinación de deformación elástica y plástica comportamiento viscoelástico. En estas condiciones las cadenas se pueden deslizar entre sí flujo viscoso. La presencia de grupos laterales voluminosos y el incremento de las fuerzas intermoleculares entre cadenas reduce la termofluencia en polímeros.
En la industria la termofluencia se determina por la relación entre el esfuerzo inicial aplicado ( σ0 ) y la deformación por termofluencia producida Є (t) después de un tiempo determinado a una temperatura de ensayo constante.
ENSAYOS DE FLUENCIA •
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La fractura de fluencia o fatiga es muy común en los plásticos; ya que aunque puedan soportar grandes cargas estáticas durante largo tiempo no lo suelen hacer indefinidamente como ocurre con los metales. Puede ocurrir que plásticos tenaces en un intervalo corto de tiempo se vuelvan frágiles a largo plazo. Si la carga se retira antes de producirse la fractura, los plásticos pueden, al menos en parte, recuperar la deformación producida. Al retirar la carga se produce una recuperación elástica inmediata. Parte no se recupera instantáneamente y el material tarda en recuperar su tamaño inicial. Si la recuperación no es total deformación permanente La deformación permanente depende del esfuerzo aplicado, el tiempo y la temperatura del material.
FRACTURA DE MATERIALES POLIMÉRICOS En general los plásticos TERMOESTABLES no reforzados presentan fractura frágil . • Los termoestables a temperaturas superiores a la ambiente se debilitan y se rompen a un nivel de esfuerzo menor, aunque la red de enlaces covalentes se mantiene hasta altas temperaturas. • Los TERMOPLÁSTICOS pueden romperse de forma frágil o dúctil: – Si TTg fractura dúctil • La velocidad de deformación es un factor importante, si es lenta permite el realineamiento de la cadena molecular y la fractura es dúctil •
FRACTURA FRÁGIL EN POLÍMEROS • •
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Las fisuras en los termoplásticos vítreos se forman en zonas de grandes esfuerzos del material En las fisuras se produce alineamiento de cadenas moleculares junto a una gran densidad de huecos dispersados. La rotura se propaga a lo largo de la fisura El trabajo requerido en alinear las moléculas de polímero dentro de la fisura es la causa de la gran energía que se requiere para romper un material polímero vítreo.
FRACTURA DÚCTIL EN POLÍMEROS Los termoplásticos a T>Tg presentan deformación plástica antes de romperse. • Durante la deformación plástica las cadenas lineales se desenrollan, se deslizan unas sobre otras y poco a poco se juntan alineándose en la dirección del esfuerzo aplicado. • Si el esfuerzo es elevado los enlaces covalentes de las cadenas principales se rompen y se fractura el material. • Los elastómeros se comportan de igual manera, aunque sus cadenas se pueden desenrollar más (deformación elástica). No obstante, si el esfuerzo es demasiado alto y el alargamiento de sus cadenas demasiado elevado, los enlaces covalentes de las cadenas principales también rompen causando la factura del material. •
FACTORES QUE AFECTAN A LAS PROPIEDADES DE POLIMEROS
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS
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La resistencia de un material termoplástico depende: 1) Longitud de las cadenas 2) Grado de cristalinidad 3) Sustituyentes voluminosos en la cadena principal 4) Átomos polares en la cadena principal 5) Anillos aromáticos en la cadena principal 6) Adición de fibras de refuerzo
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS ENDURECIMIENTO MEDIANTE EL INCREMENTO DEL GRADO DE CRISTALINIDAD: • Al incrementarse el porcentaje de cristalinidad aumenta la resistencia a la tensión, el módulo de elasticidad y la densidad del material. • Los materiales altamente cristalinos son muy resistentes, debido al mayor empaquetamiento de las cadenas de polímeros permitiendo mayores fuerzas intermoleculares entre las cadenas.
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS ENDURECIMIENTO DEBIDO A LA INTRODUCCIÓN DE GRUPOS VOLUMINOSOS SUSTITUYENTES EN LA CADENA PRINCIPAL: • Los módulos de tensión que miden la
rigidez del material se incrementan notablemente al introducir grupos laterales el deslizamiento de cadenas durante la deformación permanente se hace más difícil (Ej: PP y PS frente a PE) • Los grupos voluminosos colaterales en
la cadena principal de termoplásticos aumentan su rigidez y resistencia, pero reducen su ductilidad
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS ENDURECIMIENTO DEBIDO A LA INTRODUCCIÓN DE ÁTOMOS Y GRUPOS POLARES SUSTITUYENTES EN LA CADENA PRINCIPAL :
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La presencia de átomos voluminosos y polares incrementa notablemente las fuerzas de atracción entre las cadenas de polímero el PVC presenta una resistencia a la tensión elevada frente al PE
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS ENDURECIMIENTO DEBIDO A LA INTRODUCCIÓN DE ÁTOMOS POLARES EN LA CADENA PRINCIPAL : • •
La presencia de átomos de oxígeno en la cadena principal (poliéteres) aumenta la rigidez aumentando el enlace dipolo permanente entre cadenas. La presencia de nitrógeno en la cadena principal (poliamidas) alta resistencia a la tensión enlaces de hidrógeno entre las uniones amida de las cadenas de polímero.
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS ENDURECIMIENTO DEBIDO A LA PRESENCIA DE ANILLOS AROMÁTICOS EN COMBINACIÓN CON HETEROÁTOMOS EN LA CADENA PRINCIPAL: •
La presencia de grupos fenilo forma polímeros de altas resistencia los anillos aromáticos causan impedimento estérico al rotar dentro de la cadena del polímero se provoca gran atracción entre las moléculas adyacentes por la atracción entre electrones resonantes
•
Los materiales de óxido de polifenilo, poliésteres termoplásticos y policarbonatos son altamente resistentes.
ENDURECIMIENTO DE TERMOPLÁSTICOS
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ENDURECIMIENTO POR ADICIÓN DE FIBRAS : Muchos termoplásticos son reforzados con fibra de vidrio, fibra f ibra de carbono, aramida, etc. El contenido de fibra (refuerzo) varía entre el 20% y el 40% El contenido óptimo de fibra es el que logra el equilibrio entre la resistencia deseada, el coste y la facilidad de procesamiento. El nylon 6,6 con un contenido en fibra de vidrio v idrio del 40% incrementa la resistencia a la tensión a más del doble del valor inicial del polímero sin carga; aunque la elongación se reduce drásticamente.
ENDURECIMIENTO DE TERMOESTABLES • • • • •
Los termoestables se endurecen al formar una red de enlaces covalentes a través de la estructura del material. La reacción química se produce dentro del material después de un proceso de fusión o mediante compresión a baja temperatura y presión. Los poliésteres insaturados, epoxi, fenoles, etc. presentan alta resistencia y rigidez; pero baja ductilidad por su estructura reticular. La adición de refuerzos a las resinas anteriores, como fibra de carbono, c arbono, genera materiales compuestos de alta resistencia. Los materiales compuestos fabricados con fibra de carbono en el reforzad reforzado o de plásticos (epoxi) (epoxi) generan materiales de bajo peso, peso, gran consistencia y tenacidad. tenacidad.
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA REFORZADOS CON FIBRAS
VENTAJAS
INCONVENIENTES
• Altas características mecánicas
•Costosos programas de evaluación,
específicas. • Diseño a medida • Isotropía/anisotropía • Reducción del número de componentes /elementos de unión • Buen comportamiento a fatiga. • No existen problemas de corrosión. • Gran estabilidad dimensional • Ahorro en peso.
calificación y certificación de estructuras. •Costosas inversiones en instalaciones y
equipos. • Coste de los materiales elevado. • Entrada de agua en estructuras sándwich. • Baja resistencia a impacto • Isotropía/anisotropía DIAPOSITIVA 75
BIBLIOGRAFÍA •
“Técnicas de caracterización de polímeros” Horta. A.; Llorente. M.A. (U.N.E.D.)
•
“Ciencia y Tecnología de Materiales Poliméricos”. Editado por Instituto Ciencia y
Tecnología de Polímeros (C.S.I.C.) •
“Técnicas de Análisis y Caracterización de Materiales” Faraldos. M.; Goberna. C.
(C.S.I.C.) •
“Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales” Smith.W. Editorial McGraw-Hill.
•
http://www.anaip.es
