INSTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATECAS
Corrosión y Degradación UNIDAD No. 5: DEGRADACIÓN DE CERÁMICOS Y POLÍMEROS. Métodos de aná!s!s "a#a de$#ada%!&n de %e#á'!%os ( "o)'e#os Profesor: Ing. Omar Rocha Echavarra
Ingeniera en !a"eria#es Presenta:
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El conocimiento de la química de los polímeros y los avances de la industria asociada a su producción y procesado, han puesto en el mercado una gran variedad de productos con múltiples aplicaciones en el ámbito de la conservación del patrimonio cultural. Así, los polímeros sintéticos son utilizados dentro del conteto de la manipulación, eposición, almacenamiento y transporte de ob!etos patrimoniales. "gualmente son muy empleados en tratamientos de conservación. El interés de estos nuevos materiales en diversos campos ha propiciado el estudio de sus propiedades #ísicas, químicas y comportamiento a largo plazo. $on esta #inalidad se promueven investigaciones con el ob!etivo de determinar estas características y #avorecer el desarrollo de otros nuevos materiales que me!oren las prestaciones de los ya eistentes. Esta preocupación no es a!ena al campo de la conservación, prueba de ello son los traba!os realizados en las últimas décadas, dirigidos a seleccionar aquellos productos con me!ores características y compatibilidad con los ob!etos con los que van a estar en contacto
Métodos de aná!s!s "a#a de$#ada%!&n de %e#á'!%os ( "o)'e#os %A$&'(E) (E)*'+)A-E) E -A E/(AA$"0+ E -') *'-12E(')
*or degradación de un material se entiende todo tipo de trans#ormaciones que a#ectan a su composición original y repercuten en sus propiedades y prestaciones iniciales. $uando se trata de materiales constituidos por polímeros estas trans#ormaciones pueden ser de tipo #ísico,tal es el caso de la pérdida de algún aditivo, como por e!emplo plasti#icantes, o bien de tipo químico. En este último caso, el polí3 mero eperimenta cambios en su composición química y estos, a su vez, provocan variaciones en sus propiedades #ísicas iniciales 4color, resistencia, #leibilidad, solubilidad, etc.5. Además cualquiera de esos procesos puede ir acompa6ado de la emisión de compuestos orgánicos volátiles 4$'7s5. -as causas responsables de estas trans#ormaciones son, por una parte, la composición y estructura del polímero y, por otra, las condiciones ambientales en las que se encuentran. En los siguientes apartados se revisan estos #actores. $'2*')"$"0+ 8 E)&(9$&9(A E- *'-12E(' 9na de las principales causas de alteración de los polímeros es su propia composición química. entro de ésta hay que destacar la eistencia de determinados grupos químicos, que pueden estar presentes en la cadena principal o bien en las rami#icaciones, según se trate de un polímero de estructura lineal o rami#icada.$omo es sabido, cualquierreacción química que a#ecte a un compuesto orgánico implica una ruptura de enlaces covalentes, por tanto, el valor de las energías de enlace puede in#ormar sobre la estabilidad de una cierta unión o grupo químico :&abla ;<=. )in embargo, en el caso de los polímeros, éste no es el único #actor determinante y, en consecuencia, los grupos químicos o enlaces implicados en estas reacciones pueden mostrar una reactividad química di#erente que en las moléculas sencillas. 9na de las razones es que en los polímeros, estos grupos se encuentran unidos de manera repetitiva a lo largo de la cadena, ya que #orman parte de su unidad estructural y, por tanto, están muy próimos entre sí.Esta disposición
puede #avorecerla reacción
entre
intramoleculares5 dando lugar a estructuras cíclicas.
los
mismos
4reacciones
&E(2'E)$'2*')"$"0+ -as reacciones de termodescomposición o degradación térmica se pueden producir en ausencia de oígeno 4pirólisis5 o en presencia de éste 4termo3 oidación5. -a tendencia de los polímeros a eperimentarreacciones de tipo pirolítico tiene relación con las energías de enlace asociadas a su composición química 4&abla <5 y para que ocurran es necesario alcanzar niveles de temperatura relativamente elevados,tal es el caso de, p. e!.> poli4carbonato54*$54?@BC$5, copolímero
poli4etilenoDpolipropileno5
4?@
poli4etilentere#talato5
4*E&5
4?F;C$5, poli4estireno5 4*)5 4?GBC$5, poli4metacrilato de metilo54*22A5 4?;C$5, poli4acetato de vinilo54*7Ac54?<;C$5:
seleccionados.En etapas posteriores se estudiará la acción de la temperatura y la humedad
-os materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones comple!as, que contienen elementos metálicos y no metálicos. &ienen amplias propiedades mecánicas y #ísicas. ebido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, #rágiles, con un alto punto de #usión, ba!a conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión. -a estructura de los cerámicos cristalinos. Estructura *erovsIite )e encuentra en varios cerámicos eléctricos . En este tipo de celdas están tipos de iones, que son iones de bario, iones de oigeno y iones de titanio. -a distorsión de la celda unitaria produce una se6al eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores. Estructura del corindón
Es similar a una estructura heagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta estructura como son> $r' y %e'. Estructura de espinel &iene una celda unitaria cúbica , en cada uno de sus cubos menores hay iones de oigeno, hay @ intersticiales octaédricos y J sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan . En los espineles inversos, el ión bivalente y la mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos. /ra#ito A veces se le considera como cerámico, tiene una estructura heagonal por capas y se usa como material re#ractario, lubricante y como #ibra. -a estructura de los silicatos cristalinos En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan !unto @ átomos de oígeno, creando así una estructura retraédrica, esta es la unidad estructural #undamental del sílice, de las arcillas y de silicatos vítreos. -os compuestos de silicatos #orman una serie de soluciones sólidas conocidas como olivinos y ortosilicatos Estructuras de anillo y de cadena> se #orman cuando dos vértices del tetraedro se comparten con otros grupos tetraédricos. Kay una amplia cantidad de materiales cerámicos que tienen estructura de metasilicato. Estructuras laminares> cuando la relación ', )i resulta en la #órmula )i', los tetraedros se combinan para #ormar estructuras laminares, en una #ormación ideal, átomos de oígeno #ormando un patrón heagonal. -a caolinita que es una arcilla común esta compuesta por láminas de silicato enlazadas iónicamente a una ho!a compuesta por ciertos grupos, las arcillas son componentes importantes de muchos cerámicos.
)ílice> con#orme incrementa la temperatura, el sílice cambia de cuarzo al#a a cuarzo beta a tridimita beta a cristobalita beta y a líquido, la trans#ormación de cuarzo al#a a beta crea un cambio de dimensión en el sílice, acompa6ado por es#uerzos altos e incluso por agrietamiento. "mper#ecciones en las estructuras cerámicas cristalinas. e#ectos puntuales> en los cerámicos se #orman soluciones sólidas sustitucionales e intersticiales, es di#ícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones de solución sólida, pero a los cerámicos se puede acomodar de muchas maneras las de#iciencias o los ecesos en las cargas. El tipo y número de iones absorbidos a#ectan la química super#icial de las plaquetas, pero esto a su vez a#ecta la con#ormabilidad y resistencia de los productos cerámicos basados en arcillas. islocaciones> no se mueven con #acilidad, como no hay deslizamiento las grietas no se redondean, en consecuencia su propagación es continua. e#ectos super#iciales> son los límites de grano y las super#icies de las partículas. *orosidad> es un tipo especial de de#ecto super#icial en los cerámicos, los poros pueden estar interconectados o cerrados. -a estructura de los vidrios cerámicos. 7idrios de silicato> son los más utilizados. El sílice #undido puro, tiene un punto de #usión alto y sus cambios son dimensionales durante el calentamiento y en#riamiento, contienen óidos que se comportan como #ormadores de vidrio, los modi#icadores rompen la estructura reticular y hacen que el vidrio se cristalice. 7idrios de silicato modi#icados> la relación oígeno3silicio aumenta los modi#icadores y rompen la red de sílice, una relación alta de oígeno3silicio no permite que haya vidrio. -a modi#icación reduce el punto de #usión y la viscosidad del sílice, lo que hace que se produzca un vidrio a ba!as temperaturas.
%allas mecánicas en los materiales cerámicos. -os cerámicos son #rágiles por imper#ecciones como grietas, porosidad e inclusiones etra6as, se intensi#ica la #ractura #rágil que es una #alla mecánica, los de#ectos varían en tama6o, #orma y orientación. -a #ractura #rágil es cualquier grieta o imper#ección que limita la capacidad de un cerámico a resistir un es#uerzo. -a #ractura #rágil tiene un tratamiento estadístico. eisten métodos para me!orar la tenacidad que resultan en una mayor resistencia a la #ractura y en es#uerzos mayores, un método es el de rodear las partículas #rágiles con un material motriz más suave y tenaz. e#ormación de los cerámicos a altas temperaturas. %lu!o viscoso del vidrio> a temperaturas altas se convierte en un mecanismo importante de de#ormación, ocurre en los vidrio y cerámicos que contienen una mezcla de #ases vítrea y cristalina. &ermo#luencia en los cerámicos> los cerámicos tienen buena resistencia a la termo3#luencia, esta ocurre como resultado del deslizamiento de los bordes de grano, lo que reduce la resistencia a ésta. -as causas de que se reduzca la termo#luencia son> tama6o de grano, porosidad, impurezas y temperatura. *rocesamiento y aplicaciones de los vidrios cerámicos. $on los vidrios se #abrican artículos útiles a altas temperaturas, con la viscosidad ba!o control, de tal #orma que el vidrio pueda ser con#ormado. )e lleva a cabo el proceso en #unción de los rangos de viscosidad que se divide en tres>
(ango líquido
(ango de traba!o
(ango de recocido
Es importante mencionar la composición del vidrio, la mayoría de los vidrios comerciales están basados en el sílice, se agregan modi#icadores como sosa para desordenar la estructura de la red y reducir el punto de #usión, se agrega calcita para reducir la solubilidad del vidrio. *rocedimiento y aplicación de los vidrios cerámicos. Estos vidrios son en parte cristalinos y en parte vítreos. El primer paso en la producción de un vidrio cerámico es asegurarse de que no haya cristalización en el en#riamiento, la nucleación de la #ase cristalina se controla y una vez que haya ocurrido la proporción de cristalización dependerá de la velocidad de crecimiento de los cristales. Estos materiales se usan para utensilios de cocina y en cubiertas cerámicas para estu#as. *rocesamiento y aplicaciones de productos de arcilla. -os cerámicos cristalinos se usan para la manu#actura. -os productos de arcilla se utilizan para producir tubos, ladrillos y arte#actos de cocina. Eisten técnicas de con#ormado para productos de arcilla. -os productos de arcilla pasan por un secado y horneado.. -as aplicaciones de productos de arcilla son por e!emplo> los ladrillos que se aplican en la construcción. *rocesamiento y aplicaciones de cerámicos avanzados. Estos están dise6ados para optimizar las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Algunos procesos para llegar a los cerámicos avanzados son>
•
$ompresión y sinterizado.
•
9nión por reacción
•
*roceso sol gel. -as aplicaciones estructurales incluyen el motor del automóvil Ltodo de cerámicaM, componentes para turborreactores y turbinas, sirven como sensores en la detección de gases peligrosos. Algunos materiales avanzados son> el nitruro de aluminio, el carburo de silicio, el sialón, etc. (e#ractarios )on componentes importantes del equipo utilizado en la producción, re#inación y mane!o de metales y vidrios. Estos deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse, están compuestos por partículas de oido aglutinadas con un material re#ractario mas #ino. )e dividen en grupos> ácido, básico y neutro.
Con%*s!&n $on el #in de establecer esta relación se pueden aplicar distintas técnicas instrumentales de análisis, entre las que destacan las de espectroscopia vibracionalN en nuestro caso se ha utilizado la espectroscopia %&"( en modo A&(. *or otra parte, muchas de las reacciones relacionadas con el enve!ecimiento de los polímeros van asociadas a su amarilleamiento y a cambios en su mor#ología inicialN por esta razón, también se han realizado medidas colorimétricas y análisis mor#ológico. En los siguientes apartados se eplican las etapas desarrolladas en esta investigación y los resultados correspondientes al enve!ecimiento acelerado de algunos materiales. $oncretamente, estos resultados se re#ieren a una variedad de cartón pluma, un adhesivo termo#undible 4Archibond Osin soporteO5, dos tipos de #undas utilizadas para el almacenamiento de material #otográ#ico 4)E$'- y P$(5 y una lámina espumada 4$ell3AireQ5.
(e#erencias ,tt":--.'e%d.$o/.es-%*t*#a0'e%d-d's-'e%d-%*t*#a0'e%d-a#eas0 %*t*#a-"at#!'on!o-'%-"o(e1a#t-/!/!o$#a+!a0(0ena%es0de0 !nte#es-2a%t#es"3IRe!naSo+."d+ ,tt":--,t'.#!n%onde1a$o.%o'-'ate#!aes0%e#a'!%os4.,t'
