INSTITUTO TECNOLOGICO DE DURANGO INGENIERIA MECATRONICA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES
Unidad 5 Tema: Polímeros, Cerámicos y Compuestos Equipo 5: Los Mecatronicos
Campos Rodriguez Manuel
14040358
Reyes Rodriguez Ivan Andres 13041266 Rocha Arreola Jesús Alejandro 14041624
Durango, Durango, a 11 de diciembre de 2014
Índice Subtema 5.1 Termoplásticos, Termofijos y Elastómeros Comentarios/Conclusiones/Fuentes Comentarios/Conclusione s/Fuentes de información Subtema 5.2 Adhesivos y aditivos utilizados en polímeros Comentarios/Conclusiones/Fuentes Comentarios/Conclusione s/Fuentes de información Subtema 5.3 clasificación, estructura y aplicaciones de las cerámicas (vidrios, arcilla y sus productos, refractarios) Comentarios/Conclusiones/Fuentes Comentarios/Conclusione s/Fuentes de información Subtema 5.4 Materiales Compuestos Comentarios/Conclusiones/Fuentes Comentarios/Conclusione s/Fuentes de información
Subtema 5.1 Termoplásticos, Termofijos y Elastómeros ¿Qué es un termoplástico? Los materiales termoplásticos son aquellos materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante fuerzas intermoleculares o fuerzas de Van der waals, formando estructuras lineales o ramificadas. Un material termoplástico lo podemos asemejar a un conjunto de cuerdas entremezcladas que tenemos encima de una mesa, cada una de estas cuerdas es lo que representa a un polímero, cuanto mayor sea el grado de mezclado de las cuerdas mayor será el esfuerzo que tendremos que realizar para separar las cuerdas unas de otras, dado a que el rozamiento que se produce entre cada una de las cuerdas ofrece resistencia a separarlas, en este ejemplo el rozamiento representa las fuerzas intermoleculares que mantiene unidos a los polímeros.
En función del grado de las fuerzas intermoleculares que se producen entre las cadenas poliméricas, estas pueden adoptar dos tipos diferentes de estructuras, estructuras amorfas o estructuras cristalinas, siendo posible la existencia de ambas estructuras en un mismo material termoplástico.
Estructura amorfa - Las cadenas poliméricas adquieren una estructura liada, semejante a de la un ovillo de hilos desordenados, dicha estructura amorfa es la responsable directa de las propiedades elásticas de los materiales termoplástico. Estructura cristalina - Las cadenas poliméricas adquieren una estructura ordenada y compacta, se pueden distinguir principalmente estructuras con forma lamelar y con forma micelar. Dicha estructura cristalina es la responsable directa de las propiedades mecánicas de resistencia frentes a esfuerzos o cargas así como la resistencia a las temperaturas de los materiales termoplástico.
Si el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con estructuras amorfas, dicho material tendrá una pobre resistencia frente a cargas pero una excelente elasticidad, si por el contrario el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con una estructura cristalina, el material
será muy resistente y fuerte incluso superior a los materiales termoestables, pero con poca elasticidad aportándole la característica de fragilidad en dichos materiales.
Propiedades de los termoplásticos. Las propiedades del material de un polímero termoplástico pueden ajustarse para satisfacer las necesidades de una aplicación específica mediante la mezcla de la resina termoplástica con otros componentes. Comportamiento Elástico. En los polímeros termoplásticos la deformación elástica es el resultado de dos mecanismos. Un esfuerzo aplicado hace que se estiren y distorsionen los enlaces covalentes de las cadenas, permitiendo que estas se alarguen elásticamente. Al eliminar el esfuerzo se recuperan de esta distorsión prácticamente de manera instantánea. Comportamiento Plástico. Los polímeros termoplásticos se deforman plásticamente cuando se excede al esfuerzo de cadencia. Sin embargo la deformación plástica no es una consecuencia de movimiento de dislocación. En lugar de eso las cadenas se estiran, se deslizan bajo la carga, causando una deformación permanente. Viscoelasticidad. La capacidad de un esfuerzo para provocar el deslizamiento de Viscoelasticidad. La cadenas y la deformación plástica esta relacionada con el tiempo y la rapidez de deformación. Si el esfuerzo se aplica lentamente, las cadenas se deslizan fácilmente una al lado de otra; si se aplica con rapidez, no ocurre deslizamiento y el polímero se comporta de manera frágil. Impacto. El comportamiento viscoelástico también ayuda a comprender las Impacto. propiedades al impacto de los polímeros. A muy altas velocidades de deformación, como en una prueba de impacto, no hay tiempo suficiente para que las cadenas se deslicen causando deformación plástica. En estas circunstancias, los
termoplásticos se comportan de manera frágil y tienen valores pobres al impacto. A bajas temperaturas en un ensayo al impacto se observa el compor tamiento frágil en tanto que a temperaturas más elevadas donde las cadenas se mueven con mayor facilidad, se observa un comportamiento más dúctil. Corrosión. El ataque por una diversidad de insectos y microbios es una forma de corrosión en los polímeros. El polietileno, el propileno y el poliestireno son resistentes a este tipo de corrosión. Propiedades eléctricas. Los polímeros termoplásticos son materiales aislantes pero algunos polímeros termoplásticos complejos como el acetal poseen una conductividad térmica útil.
Disposición molecular Los termoplásticos se pueden clasificar a grandes rasgos como amorfos o semi cristalinos basado en su disposición molecular. Los amorfos se caracterizan por su alto brillo y dureza. En estado normal, son sólidos claros. Pueden sufrir una transformación de la disposición molecular en altas temperaturas y bajo la aplicación de presión. Ejemplos de termoplásticos amorfos son los poliamidaimida, polietersulfona y polieterimida. Los sólidos semi cristalinos, por otra parte, solo muestran parcialmente tales características (brillo y dureza) dada el estado parcialmente amorfo que tienen. Ejemplos de termoplásticos semi cristalinos incluyen polieteretercetona, politetrafluoroetileno y poliamida 6.6.
Propiedades físicas La gravedad específica de varios termoplásticos en general varía desde los .92 del polibutileno a los 1.72 para los floruros poli-vinilideno. El límite elástico en tracción (definido como la tensión mecánica que causa deformación irreversible) en termoplásticos tiene una amplia variedad: baja como 2.8 (*10^3 libras por pie cuadrado –polietilenode enlaces cruzados hasta alta como 8.0 (*10^3 libras por pies cuadrado) para cloruros polivinílicos.
Características de termoplásticos específicos El Acrilonitrilo Butadieno Estireno es un termoplástico fuerte que es también resistivo a la mayoría de las bases y los ácidos. Los hidrocarburos clorados pueden corroer y dañar este polímero. Se puede usar solo a los 71 grados C y se emplea en drenajes y tubos de ventilación. El polibutileno y el polietileno (en su versión normal o de enlaces cruzados) son polímeros flexibles que encuentran su aplicación más común en sistemas de agua presurizado. A pesar que los polibutilenos no salen afectados por temperaturas de agua extrema, el polietileno no se puede usar para agua caliente. El polipropileno es un polímero liviano y se puede usar hasta cerca de 82 grados C mientras que también es muy resistente a la mayoría de los ácidos, bases y solventes. Se lo usa principalmente para
cañerías de laboratorios. El cloruro de polivinilo es también un plástico fuerte y altamente resistente con una temperatura de uso de 60 C. Se lo aplica en cañerías pero se debería evitar en instalaciones de agua caliente. Se puede usar un polímero variante como el cloruro polivinílico clorado para temperaturas más altas del agua (hasta 82 C). El floruro de polivinideno es un termoplástico extremadamente fuere y resistente y que también es no resistente y no abrasivo. Se lo puede usar para temperatura de 138 C y su aplicación más común es en cañerías de laboratorios.
Ejemplos de termoplásticos. 1.- Polietileno. Los polietilenos se presentan en dos modalidades de alta y baja densidad. ·
Los polietilenos de alta densidad se hacen de tal forma que las cadenas de polímero son rectas, lo que permite que están apiñadas, produciendo un material de alta densidad. Al estar las cadenas muy juntas las fuerzas de atracción entre ellas son muy grandes y tienen menos libertad para moverse. El resultado es un plástico bastante rígido, fuerte y resistente. Se ablanda a una temperatura bastante alta (120 –130ºC) y es resistente al ataque químico. Aplicaciones: Cajas, juguetes, tuberías, botellas…
·
Los polietilenos de baja densidad se fabrican mediante un proceso que produce en las cadenas del polímero bifurcaciones laterales. Estas bifurcaciones impiden que las cadenas se apiñen, y como consecuencia la atracción entre ellas es más débil. El plástico es más blando y más flexible que el polietileno de alta densidad. Hace falta menos energía para separar las cadenas, lo que se traduce en que se ablanda a una temperatura inferior (85ºC). Este polímero puede ser transparente u opaco y es muy buen aislante. Es el plástico que probablemente más “consumimos” nosotros. Aplicaciones: Bolsas, sacos de dormir, invernaderos…
2.- Polipropileno. Pertenece a la misma familia de plásticos que los polietilenos. Sin embargo es más resistente y más rígido que el polietileno de alta densidad. También presenta mayor resistencia al calor, ablandándose aproximadamente a 150ºC.Otra de sus características más valiosa es su capacidad de ser doblado miles de veces sin romperse. Aplicaciones: Entre otros productos se fabrican con polipropileno los cubiertos desechables, los cascos de seguridad, sillas apilables, etc. 3.- PVC. Se presenta en forma rígida o flexible. El PVC rígido es muy duradero y se usa para hacer canalones y tuberías. El PVC flexible se consigue añadiendo un producto plastificante al PVC. El producto plastificante tiene moléculas pequeñas que separan las cadenas de polímero haciendo que se atraigan con menos fuerza. Como consecuencia de esta menos atracción el polímero se vuelve más blando y flexible.
4.- Acrílicos. Probablemente el acrílico más conocido es el metacrilato también conocido como plexiglás. El metacrilato puede tener una transparencia parecida a la del cristal o ser opaco. Las dos formas se pueden teñir con pigmentos de color. Sin embargo se puede agrietar y se raya con facilidad. Se le puede dar forma, doblar y torcer cuando se calienta a temperaturas entre 165 y 175ºC. En frío es muy frágil y hay que tener cuidado para evitar que se agriete cuando se corta o se taladra.
POLÍMEROS TERMOFIJOS Difieren a los termoplásticos ya que no tolera ciclos repetitivos de calentamiento; con el calentamiento fluyen para ser moldeados pero la reacción química hace que se endurezca y se fije su forma. Los polímeros termofijos a diferencia de los termoplásticos no son reutilizables, puesto que ellos presentan una estructura en forma de redes rígidas o fijas tridimensionales pues la forman cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados. PROPIEDADES GENERALES Y CARACTERÍSTICAS Debido a las diferencias en la composición química y estructura molecular, las propiedades de los plásticos termofijos son diferentes de los termoplásticos. En general, los termofijos son I) más rígidos, con módulos de elasticidad dos o tres veces más grandes; 2) frágiles, prácticamente no poseen ductilidad; 3) menos solubles en los solventes comunes; 4) capaces de funcionar a temperaturas más altas; y 5) no pueden ser refundidos, en lugar de esto se degradan o se queman. Las diferencias en las propiedades de los plásticos termofijos se atribuyen a las cadenas transversales que forman enlaces envalentes tridimensionales térmicamente estables. El encadenamiento transversal se logra en tres formas: I) Sistemas activados por temperatura. En los sistemas más comunes, los cambios son causados por fuentes de calor durante las operaciones de conformado de la pieza (por ejemplo, moldeado). La materia prima es un polímero lineal en forma granular suministrado por la planta química. El material se somete al calentamiento para ablandarlo y moldearlo, una mayor exposición al calor causa el encadenamiento transversal del polímero. el término termo fraguado se aplica apropiadamente a estos polímeros. 2) Sistemas activados catalíticamente. El encadenamiento transversal en estos sistemas ocurre cuando se añaden en forma líquida pequeñas cantidades de un catalizador al polímero. Sin el catalizador el polímero permanece estable, pero una vez combinado con el catalizador, cambia a la forma sólida.
3) Sistemas activados por mezcla. La mayoría de las resinas epóxicas son ejemplos de estos sistemas. El mezclado de dos sustancias químicas genera una reacción que forma un polímero sólido con cadenas transversales. Las temperaturas elevadas se usan algunas veces para acelerar las reacciones. Las reacciones químicas asociadas con el encadenamiento transversal se llaman curado o fraguado. El curado se ejecuta en la planta de fabricación donde se hacen las partes, y no en la planta química que surte la materia prima al fabricante. POLÍMEROS TERMOFIJOS IMPORTANTES Los plásticos termofijos no se usan tan ampliamente como los termoplásticos, quizá por las complicaciones adicionales relacionadas con el proceso de curación de los polímeros. Los termofijos con mayor volumen de uso son las resinas fenólicas, cuyo volumen anual es cerca del 6% del total tic plásticos en el mercado, cantidad significativamente menor al de los principales termoplásticos como el polietileno. Que tiene alrededor del 35% del mercado. - Aminoresinas: para recubrimiento de madera (fórmica) - Epóxicos: por mezclado de dos sustancias químicas que forman un polímero duro. - Fenólicos: tarjeras de circuitos impresos. - Poliesteres: se utiliza para tubos, tanques, cascos de botes, etc. - Poliuretanos: pertenecen a la gran familia de los polímeros y se presentan en termoplásticos , termofijos y elastómeros. - Silicones: se encuentran en los elastómeros y termofijos. ELASTÓMEROS Los elastómeros son polímeros capaces de sufrir grandes deformaciones elásticas cuando se les sujeta a esfuerzos relativamente bajos. Algunos elastómeros pueden soportar extensiones de hasta el 500% o más, pero retoman a su forma original. El ejemplo más popular de un elastómero es desde luego el hule. Podemos dividir a los hules en dos categorías: 1) hule natural, derivado de ciertas plantas y 2) polímeros sintéticos producidos por procesos de polimerización, similares a los que se utilizan para los termoplásticos y los temofijos Antes de analizar los hules naturales y sintéticos, consideremos las características generales de los elastómeros. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELASTÓMEROS
Los elastómeros consisten en moléculas de cadena larga que se encadenan transversalmente (como los polímeros termofijos). Sus impresionantes propiedades elásticas se deben u la combinación de dos características 1) cuando las moléculas largas no están estiradas, se encuentran estrechamente retorcidas y 2) el grado de encadenamiento transversal es sustancialmente más bajo que el de los termofijos. Clasificación de materiales elastómeros Elastómeros termoestables: Son aquellos elastómeros que al calentarlos no se funden o se deforman. •
Elastómeros termoplásticos: Son aquellos elastómeros que al calentarlos se funden y se deforman. Son una clase de copolimeros o mezcla física de polímeros (generalmente un plástico y un caucho) que dan lugar a materiales con las características termoplásticas y elastomericas. El entrecruzamiento en elastómeros termoplásticos se forman a partir de dipolos débiles o de enlaces por puentes de hidrógeno. •
Ejemplos y aplicaciones de materiales elastómeros Goma natural: Material usado en la fabricación de juntas, tacones y suelas de zapatos. Poliuretanos: Los poliuretanos son usados en el sector textil para la fabricación de prendas elásticas como la lycra, también se utiliza como espumas, materiales de ruedas, etc. Polibutadieno: Material elastómero utilizado en las ruedas o neumáticos de los vehículos dada la extraordinaria resistencia al desgaste. Neopreno: Material usado principalmente en la fabricación de trajes de buceo, también es utilizado como aislamiento de cables, correas industriales, etc. Silicona: Material usado en una gama amplia de materiales y áreas dado a sus excelentes propiedades de resistencia termina y química las siliconas se utilizan en la fabricación de chupetes, prótesis medicas, lubricantes, moldes, etc.
Comentarios Los termoplásticos se pueden clasificar en dos formas en amorfos y en semicristalinos, los termoplásticos amorfos presentan características elásticas y los semicristalinos son más rígidos y frágiles. Los termoplásticos pueden tener un comportamiento elástico, ser poco conductibles y en algunos casos de alta conductibilidad térmica, también ser resistentes a la corrosión y los termoplásticos entre más alta sea la temperatura son más resistentes a impactos y entre más baja sea la temperatura se vuelven frágiles y quebradizos. Los termofijos son polímeros más resistentes a comparación de los termoplásticos, pueden resistir temperaturas más altas pero este material no es reciclable ya que su estructura no le permite fundirse y volverse a moldear después de que ya fue moldeado. Los elastómeros son más elásticos dado que se pueden estirar hasta un 500% un ejemplo son el hule, donde su cadenas moleculares se encuentran estrechamente retorcidas lo que le permite estirarse aún más.
Conclusiones Los termoplásticos, los termofijos y los elastómeros son muy importantes en la actualidad ya que son muy utilizados en gran parte de los objetos o cosas que se utilizan cotidianamente. Los termoplásticos por ejemplo son utilizados en la elaboración de tuberías de drenaje o como aislante en los cables, los termofijos se pueden encontrar en las bases de los botes o en los mangos de los sartenes o cucharas o cuchillos. Y los elastómeros se utilizan en la elaboración de neumáticos o de trajes de buzos, o también en la industria textil. Por eso son muy importantes ya que se utilizan en la elaboración de muchas de las cosas que se utilizan hoy en día.
Fuentes de información http://www.ehowenespanol.com/caracteristicas-termoplasticos-lista_77567/
http://termoplas.blogspot.mx/2012/10/termoplasticos.html
http://quantum.cucei.udg.mx/~saguf/descargas/termoplasticos
http://materialesdehoy.blogspot.mx/2011/06/polimeros-termofijos.html
http://html.rincondelvago.com/polimeros_12.html
http://jennyosorio15.blogspot.mx/2012/10/introduccion-los-de-de-variosaditivos.html
Askeland, donald R. P HULE P.P.., CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES, 3 AR. EDICIÓN. MÉXICO Ed.. THOMSON
Subtema 5.2 Adhesivos y aditivos utilizados en polímeros ADHESIVO El adhesivo es una sustancia que puede mantener unidos a dos o más cuerpos por contacto superficial. Es sinónimo de cola y pegamento. Su importancia en la industria moderna es considerable. Aunque la adherencia puede obedecer a diversos mecanismos de naturaleza física y química, como lo son el magnetismo o las fuerzas electrostáticas, desde el punto de vista tecnológico los adhesivos son los integrantes del grupo de productos, naturales o sintéticos, que permiten obtener una fijación de carácter mecánico. Origen Los adhesivos se conocen desde tiempos inmemoriales y han sido empleados extensamente a lo largo de la historia hasta la actualidad. Existen ejemplos naturales de adhesión, como es el caso de las telas de araña, de los panales de abejas o de los nidos de pájaros. Se han hallado vestigios del uso de la sangre animal como adhesivo durante la Prehistoria. Los babilonios empleaban cementos bituminosos hacia el 4000 A.C, mientras que los egipcios preparaban adhesivos mediante la cocción de huesos de animales para la adhesión de láminas de madera hacia el 1800 A.C. Sin embargo, el uso masivo de los adhesivos no comienza hasta finales del siglo XIX, con la primera emisión de sellos de correos, en 1840. Poco después, Charles Goodyear en 1983 descubre que mediante los procesos de vulcanización se logra la adhesión directa de caucho sobre metal. Los adhesivos en base a látex aparecen en 1987. Clasificación en función de sus componentes •
Adhesivos sintéticos: a base de polímeros derivados del petróleo (colas de poli-vinil-acetato, colas etilénicas, colas de poliuretano, colas de caucho sintético, adhesivos anaeróbicos o de cianoacrilato, etc.);
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Adhesivos de origen vegetal: a base de derivados de la fécula de patata, el maíz (colas de almidón, dextrinas, cauchos naturales, etc.);
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Adhesivos de origen animal: cola tradicional, hecha a base de pieles de animales o su esqueleto (colas de pezuña, de gelatina); colas de derivados lácteos (caseína).
Clasificación en función de su presentación •
Adhesivos sólidos: destacan los adhesivos termofusibles que se utilizan en procesos industriales que los calientan para fundirlos, aprovechando su propiedad de enfriarse rápidamente para acelerar los procesos productivos.
También son adhesivos sólidos las barras de pegamento para papel o los adhesivos en polvo (a base de acetato o formaldehído entre otros). •
Adhesivos líquidos: comúnmente conocidos como colas blancas (en su mayoría tienen un color blanco o crema), utilizan en su composición un vehículo líquido (normalmente agua o disolvente) que una vez utilizado tiende a perder, hasta obtener un secado que hace que la unión sea resistente. Son usados en la construcción (adhesivos para pavimentos y revestimientos como moquetas, PVC, linóleum, etc.).
Clasificación en función de su curado • Adhesivos
químicamente reactivos: se encuentran incluidos los poliuretanos, epoxis, fenólicos, polimidas y anaeróbicos. Hay de uno y de dos componentes; los primeros se curan por reaccionar químicamente a la temperatura, a la humedad o al calor, mientras que los de dos componentes al entrar en contacto las dos resinas.
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Adhesivo por evaporación o difusión: estos se preparan como solución al disolverse en solventes orgánicos o en agua y se aplican sobre el lugar que se quiere mantener pegado. Hay una preferencia notable hacia los adhesivos de base agua por el hecho de la seguridad ambiental que representa su consumo. Vinilos y acrílicos son ejemplos.
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Adhesivos de fusión por calor: conformados por termoplásticos y elastómeros que se funden sobre la superficie a pegar si son calentados. El grupo de alto rendimiento está formado por las poliamidas y los poliésteres.
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Adhesivos sensibles a la presión: son principalmente elastómeros fabricados en forma de recubrimiento. Se les aplica presión para provocar la adherencia
COMPOSICION •
Polímero: Forma la masa del adhesivo y contribuye a su resistencia en las tres dimensiones.
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Solvente: Debe estar presente para llevar el adhesivo al estado líquido.
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Cargas: Se agregan para reducir costos o mejorar ciertas propiedades como la fluidez o la resistencia al despegue.
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Adhesivadores: Sustancias que contribuyen al pegado mientras el adhesivo está todavía húmedo o sin curar.
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Plastificantes: Ablandan la película final del adhesivo e imparten flexibilidad.
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Aditivos varios: Como, retardadores de inflamación, estabilizadores de luz, colorantes y los agentes de control de viscosidad, son los casos más típicos.
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Los adhesivos son puentes entre las superficies de los sustratos, tanto si son del mismo, como si son de distinto material. El mecanismo de unión depende de:
•
La fuerza de unión del adhesivo al sustrato o adhesión
•
La fuerza interna del adhesivo o cohesión
ADITIVOS El uso de aditivos en los materiales poliméricos ha sido conocido desde el principio del desarrollo de las tecnologías de polímeros. Su principal efecto en la formación de polímero es la modificación de una o varias de las propiedades físicas o químicas de una mejora general de las características del polímero. Los plásticos sintéticos se han venido desarrollando por parte de la industria química desde las primeras décadas del siglo XX, teniendo un máximo impulso durante la II Guerra Mundial. Debido a su utilidad, el crecimiento de la industria del plástico ha sido muy elevado, generando avances, innovaciones y satisfacción de infinidad de necesidades, razones que convierten a los plásticos en un material de consumo masivo que está presente en gran cantidad de artículos de la actualidad Objetivo general: •
Dar a conocer los aditivos empleados en los polímeros así como sus funciones para el uso de las industrias y conocer un poco más acerca de estos que son de mucha ayuda hoy en día.
Objetivos específicos: •
Conocer los aditivos que son componentes muy importantes para los polímeros y la vida cotidiana.
Polímeros naturales •
Una de las áreas de la ciencia de los polímeros más importante está experimentando un auge es la de los polímeros naturales.
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Existe un interés permanente y cada vez mayor por la biología molecular, es decir, por la química aplicada a los sistemas naturales. No existen diferencias físicas en el comportamiento, el estudio o el ensayo de los polímeros naturales o sintéticos; los métodos que se aplican a los polímeros sintéticos son igualmente aplicables a los polímetros naturales.
Aditivos plastificantes •
Los plastificantes hacen que disminuya la elasticidad al ser añadidos en pequeñas cantidades.
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Un plastificante es un material que se incorpora al plástico para facilitar su procesado y mejorar su flexibilidad o "distensibilidad". La adición de éste puede ser que disminuya la viscosidad en estado fundido, el módulo de elasticidad y la temperatura de transición vítrea (Tg) de un plástico.
Retardadores de llama •
Mientras algunos polímeros como el PVC no se inflaman con facilidad, la mayoría de los polímeros orgánicos, como otros materiales carbonáceos, arden a temperaturas elevadas como las que se presentan en incendios de edificios. Las poliolefinas, el SBR, el EPDM y por supuesto la madera, mantienen la combustión cuando se presentan bajo acción de una llama. Además de arder, los termoplásticos como las fibras de poliéster se funden. Otros plásticos como el PVC, los poliuretanos, las proteínas producen humos y gases tóxicos como CO, HCl y HCN al quemarse.
•
Dado que algunos polímeros se usan como materiales para tiendas de campaña, ropa tejidos del hogar, es fundamental que tengan una buena resistencia de llama. La combustión es una reacción en cadena que puede iniciarse y propagarse mediante radicales libres como el Radical libre de hidroxilo.
Colorantes •
El color es un fenómeno subjetivo cuyo valor estético se aprecia desde hace muchos siglos. Dado que depende de la fuente luminosa, del objeto y del observador, el color no puede medirse directamente. Los colorantes que proporcionan color a los polímeros pueden ser tintes solubles o pigmentos finamente divididos.
•
Algunos artículos de materiales poliméricos, como los neumáticos de caucho, son negros debido a la presencia de grandes proporciones de negro carbón como relleno. Otros muchos productos, entre los que se
incluyen algunas pinturas, son blancos debido a la presencia de dióxido de titanio, que es el pigmento inorgánico de uso más extendido. Agentes de curado •
El uso de agentes de curado empezó a raíz del descubrimiento casual y sorprendente de la vulcanización del caucho de hevea con azufre en 1838 por Charles Goodyear. La conversión de una resina novolaca fenoluíca en estado A o B con hexametilenitetramina a principios del siglo es otro ejemplo relativamente temprano del uso de agentes de curado (de reticulación). Loa aceleradores orgánicos o catalizadores de la vulcanización con azufre del caucho fueron descubiertos en 1912 por Oeslanger. Aunque estos aceleradores no son completamente inocuos, su toxicidad es inferior a la de la anilina, que se usaban antes del descubrimiento de dichos aceleradores. Como acelerador típico puede citarse la tiocarbanil y el 2 mercaptobensotiazol (captax).
COMENTARIOS El adhesivo es una sustancia que puede mantener unidos a dos o más cuerpos por contacto superficial. Es sinónimo de cola y pegamento. Su importancia en la industria moderna es considerable Las propiedades que dan los aditivos a los polímeros son de gran ayuda, de acuerdo al objetivo de la utilización que se le quiera dar. El conocer un poco más de los aditivos que se le agregan a los plásticos, los cuales como se mencionó son mezclas que se forman durante el proceso de fabricación o de experimentación han sido de mucha utilidad para las industrias y sus la tecnologías que, aunque mucha gente no lo sepa y piense que no está familiarizado con estos aditivos se usan cotidianamente en los hogares y hacen la vida
más
fácil
mejor aprendizaje.
y
cómoda para
un
mejor desarrollo y
hasta
para
un
CONCLUSIONES Los adhesivos son utilizados para la unión de dos cuerpos. Los adhesivos se pueden encontrar en distintas presentaciones o con distintas características pero destinados a un fin en común, los adhesivos juegan un papel
de suma
importancia en la industria. Los aditivos de los polímeros cambian sus propiedades; algunos los hacen más rígidos, otros más flexibles, etc. Algunos aditivos solo le dan color. Todos los aditivos son para beneficio del polímero ya que en la industria deben modificarse de acuerdo a la función que se le quiera dar al polímero.
FUENTES DE INFORMACIÓN. http://termoplas.blogspot.mx/2012/10/termoplasticos.html
http://html.rincondelvago.com/polimeros_12.html
http://jennyosorio15.blogspot.mx/2012/10/introduccion-los-de-de-variosaditivos.html
http://quantum.cucei.udg.mx/~saguf/descargas/termoplasticos
Subtema 5.3 clasificación, estructura y aplicaciones de las cerámicas (vidrios, arcilla y sus productos, refractarios) Las cerámicas pueden definirse como materiales cristalinos inorgánicos. La arena de la playa y las rocas son ejemplos de cerámicas en estado natural. Las cerámicas avanzadas son materiales preparados por medio de la refinación de cerámicas de estado natural y otros procesos especiales. Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sustratos que albergan chips de computadora, sensores y activadores, capacitores, comunicaciones inalámbricas, generadores de chispa, inductores y aislantes eléctricos. Algunas cerámicas se utilizan como recubrimientos de barrera para proteger los sustratos metálicos en motores de turbinas. Las cerámicas también se utilizan en productos como pinturas, plásticos, neumáticos y en aplicaciones industriales tales como losetas para transbordadores espaciales, soporte de catalizadores y los sensores de oxigeno utilizados en los automóviles. Las cerámicas tradicionales se utilizan para fabricar ladrillos, vajillas, sanitarios, tinas de baño, refractarios (material resistente al calor) y abrasivos. En general, debido a la presencia de porosidad, las cerámicas no conducen bien el calor; deben calentarse a temperaturas muy altas antes de fundirse. Las cerámicas son resistentes y duras, pero también son quebradizas. Por lo general se preparan polvos finos de cerámicas y se convierten en distintas formas. Existen muchas formas de clasificar los materiales cerámicos. Una de ellas es definirlos con base en la clase de sus compuestos químicos (por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros, sulfuros, fluoruros, etc.). Otra forma, es clasificar los materiales cerámicos según su función principal. Los materiales cerámicos se utilizan en una amplia gama de tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricos en capacitores, sensores, abrasivos, medios de grabación magnética, etc. El transbordador espacial utiliza ~ 25000 losetas cerámicas ligeras, reutilizables y muy porosas, que protegen al fuselaje del aluminio del calor generado durante el reingreso en la atmosfera terrestre. Estas losetas están fabricadas de fibra de sílice de alta pureza y sílice coloidal recubierta con un vidrio de silicato de boro. Los materiales cerámicos también pueden aparecer en la naturaleza en forma de óxidos o como materiales naturales; el cuerpo humano tiene la capacidad asombrosa de fabricar hidroxiapatita, un material que se encuentra en los huesos y en los dientes. Los materiales cerámicos se utilizan también como recubrimientos.
A continuación se expone un breve resumen de las aplicaciones de algunos de los materiales cerámicos de más amplio uso.
Alúmina (Al2O3) se utiliza para contener metales fundidos o en las aplicaciones donde el material debe operar a altas temperaturas, pero donde también se requiere una elevada resistencia. La alúmina también se utiliza como un sustrato con una constante dieléctrica reducida para receptáculos o para empaques electrónicos que alojan chips de silicio. Una aplicación clásica es en los aisladores de las bujías. También se han encontrado algunas aplicaciones únicas para uso médico y dental. La alúmina contaminada con cromo se utiliza para fabricar aparatos de rayos laser. También se utilizan finas partículas de alúmina como soportes de catalizadores. El diamante (C) es el material más duro que existe en la naturaleza. Los diamantes industriales se utilizan como abrasivos para pulverizar y pulir. Mediante procesos de depósitos químicos al vapor, se preparan los recubrimientos de diamante y materiales tipo diamante resistentes a la abrasión, para muchas aplicaciones diferentes, por ejemplo herramientas de corte. La sílice (SiO2) es posiblemente el material más utilizado; es el ingrediente esencial de vidrios y de muchos otros materiales vidrio-cerámicos. Los materiales basados en la sílice se usan en aislamientos térmicos, refractarios, abrasivos. Como compuestos reforzados con fibras, cristalería para laboratorio, etc. En forma de fibras largas continuas, la sílice se utiliza en la fabricación de fibras ópticas en comunicaciones. Polvos hechos que usan partículas finas de sílice se emplean en neumáticos, pinturas y muchas otras aplicaciones. El carburo de silicio (SiC) tiene extraordinaria resistencia a la oxidación temperaturas incluso por arriba del punto de fusión del acero. El SiC se usa con frecuencia como recubrimiento para metales, materiales compuestos de carbono-carbono y otros materiales cerámicos, para protegerlos a temperaturas extremas. También se utiliza para la fabricación de elementos calefactores para hornos. El carburo de silicio es semiconductor y muy bien candidato para dispositivos electrónicos a altas temperaturas. El nitruro de silicio (Si3N4) tiene propiedades parecidas a las del SiC, aunque su resistencia a la oxidación y a las altas temperaturas es algo menor. Tanto el nitruro de silicio como el carbono de silicio son candidatos para componentes para motores de automóvil y turbinas de gas, ya que permiten temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias en el combustible con menos peso que los metales y las aleaciones tradicionales.
El dióxido de titanio (TiO 2). Su uso más extenso es en forma de pigmento blanco para la fabricación de pinturas y blanquear la leche. El titanio se utiliza en ciertos vidrios-cerámicos como agente de formación de núcleos. Se utilizan pequeñas partes de TiO 2 para fabricar lociones bronceadoras que sirven de protección contra los rayos UV. La zirconia (ZrO2) se usa para fabricar muchos otros materiales cerámicos como el zirconio. También se usa para fabricar sensores del gas oxigeno utilizados en los automóviles y para medir el oxígeno disuelto en los aceros líquidos. La zirconia se utiliza como aditivo en muchos materiales cerámicos electrónicos, así como material refractario. La forma cubica de los cristales individuales de zirconia se utiliza para hacer artículos de joyería.
El vidrio es un material amorfo, con frecuencia, aunque no siempre, derivado de un líquido fundido. El término “amorfo” se refiere a materiales que no poseen un
arreglo regular y periódico de átomos. La industria de la fibra óptica se basa en fibras ópticas basadas en sílice de alta pureza. Los vidrios también se utilizan en casas, automóviles, pantallas de computadora y televisores y en cientos de aplicaciones. Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para hacerlos más resistentes. La formación de vidrios y la nucleación (formación) de cristales pequeños dentro de ellos por medio de un proceso térmico especial crean materiales a los que se les conoce como vidrio-cerámicos. El Zerodur TM es el ejemplo de un material vidrio-cerámico que se utiliza para construir los sustratos de espejos para telescopios grandes. Los vidrios y los vidrios-cerámicos se procesan por lo general por fusión y colado. Los vidrios-cerámicos son materiales cristalinos derivados de los vidrios amorfos. Por lo común, los vidrios-cerámicos tienen un nivel considerable de cristalinidad (~> 70-99%). La formación del vidrio-cerámico fue descubierta por casualidad por Don Stookey. Con los vidrios-cerámicos se puede aprovechar su conformabilidad y su densidad. Se puede obtener un producto con baja porosidad produciendo una forma mediante técnicas de conformación convencionales, por ejemplo prensado o soplado. El primer paso para la producción de un vidrio-cerámico es asegurarse que no ocurra cristalización durante el enfriamiento a partir de la temperatura de conformado. Para los vidrios basados en silicatos, se puede estudiar un diagrama de transformación de enfriamiento continuo e isotérmico, muy parecido a los diagramas TEC y TTT para los aceros. La figura a continuación muestra un diagrama TTT para un vidrio.
Si el vidrio se enfría demasiado lentamente, se cruzara una línea de transformación; la formación de núcleos y crecimiento de los cristales se iniciara, aunque de forma no controlada. La adición de óxidos modificadores al vidrio, algo muy parecido a agregar a elementos de aleación al acero, traslada la curva de transformación hacia tiempos más extendidos y evita la devitrificación, incluso a rapideces reducidas de enfriamiento. La formación de núcleos de la fase cristalina se controla de dos maneras. En la primera el vidrio contiene agentes como el TiO 2 que reaccionan con otros óxidos y forman fases que proporcionan sitios para la formación de núcleos. En las segunda se Producción de un vidrio cerámico: a) el enfriamiento diseña un tratamiento térmico debe ser rápido, para evitar el inicio de la cristalización. para obtener un numero apropiado de núcleos; la temperatura debe ser relativamente baja para aumentar la rapidez de formación de los núcleos. Sin embargo, la rapidez general de cristalización depende, en cuanto ocurre la formación de núcleos, de la rapidez de crecimiento de los cristales; se requiere de Producción de un vidrio cerámico: la rapidez de temperaturas más elevadas para llevar al formación de núcleos de precipitados es elevada a máximo la rapidez de crecimiento. En temperaturas más altas. consecuencia, se puede utilizar un programa de tratamiento térmico similar al que aparece en la figura que aparece más abajo en el texto para el vidrio-cerámico (pyroceram TM). El paso de baja temperatura aporta los sitios de formación de núcleos, y la etapa a alta temperatura acelera la rapidez de crecimiento de los cristales; la pieza puede llegar a cristalizarse hasta en 99%. Esta estructura especial de los vidrios-cerámicos puede dar buena tenacidad y resistencia mecánica, con frecuencia aunada a un bajo coeficiente de expansión térmica y a una resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Quizá el vidriocerámico de mayor importancia es el que se basa en sistema Li 2O-Al2O3-SiO2. Estos materiales se utilizan para la formación de utensilios de cocina (Corning WareTM) y cubiertas cerámicas para estufas. Otros vidrios-cerámicos se utilizan en Producción de un vidrio cerámico: Perfil de tratamiento térmico común para la fabricación de vidrio cerámico, ilustrado aquí para vidrios Li2Oal2O3-SiO2
comunicaciones, computadoras y aplicaciones ópticas. Los vidrios inorgánicos, como los vidrios de silicato, tampoco se cristalizan con facilidad por razones cinéticas. Mientras exista fuerza motriz termodinámica, de manera similar a la solidificación de metales y aleaciones, las fundiciones con frecuencia son muy viscosas y las difusión es demasiado lenta para que proceda la cristalización durante la solidificación. El proceso de vidrio flotado se emplea para fundir y colar piezas planas y grandes de vidrio. En este proceso se hace que el vidrio flote sobre estaño fundido. Dado que la resistencia de los vidrios inorgánicos depende de manera crítica de las imperfecciones superficiales producidas por el proceso de fabricación o por la reacción con la humedad atmosférica, la mayoría de los vidrios se fortalece por medio del templado. Cuando la seguridad no es una preocupación primaria, se utiliza el recocido para reducir esfuerzos. Se producen grandes longitudes de fibra de vidrio, como las utilizadas en las fibras ópticas, fundiendo una barra de vidrio de pureza alta conocida como preforma. Anteriormente mencionado, el control cuidadoso de la formación de núcleos en los vidrios puede conducir a vidrioscerámicos, vidrios de colores y vidrios fotocrómicos (vidrios que pueden cambiar su color o polarizarse al exponerse a la luz del sol).
Arcilla Los productos de arcilla forman un grupo de cerámicas tradicionales utilizadas para fabricar tuberías, ladrillos, utensilios de cocina y otros productos de uso común. La arcilla, igual que la caolinita, y el agua sirven como aglutinante inicial para los polvos cerámicos, que comúnmente son de sílice. Durante los tratamientos térmicos posteriores, se utilizan otros materiales como agentes fundentes (formadores de vidrio), por ejemplo el feldespato [(k,Na)2O·Al2O3·6SiO2].
Técnicas de conformado de productos de arcilla. Los polvos, la arcilla, el fundente y el agua se mezclan y se les da forma. Las mezclas secas o semi-secas se comprimen mecánicamente formando piezas “verdes” (sin hornear) con
suficiente resistencia para poder manejarlas. Para una compactación más uniforme de piezas complejas, se puede utilizar un prensado isostático; los polvos se colocan en un molde de hule y se someten a elevadas temperaturas en un medio gaseoso o líquido. Contenidos más elevados de humedad hacen que los polvos sean más plásticos o conformables. Los procesos de conformado hidroplástico, como la extrusión, el modelo por tarraja (dar forma a una arcilla en un molde giratorio usando una herramienta de perfiles para formar la superficie interior), y el formado a mano, pueden aplicarse a estas mezclas plásticas. Las lechadas cerámicas pueden inyectarse en molde cuando contienen grandes cantidades de plastificantes orgánicos en sustitución del agua.
Un contenido aún más alto de humedad permite la formación de barbotina, es decir, de una lechada que se puede vaciar y que contiene polvo cerámico fino. Esta barbotina se vacía en un molde poroso. El agua presente en la barbotina más cercana a la pared del molde es atraída hacia este, dejando atrás un sólido blando con un contenido bajo en humedad. Cuando se ha extraído suficiente agua de la borbotina para producir el espesor deseado de un sólido, el resto se vacía y queda en el molde una cascara hueca. El vaciado o moldeo por escurrimiento se utiliza en la manufactura de lavamanos y otros productos comerciales. Después del formado. Las piezas cerámicas, todavía no tienen resistencia, contienen agua y otros lubricantes y son porosas, por lo que se requiere un secado y quemado subsiguientes.
Secado y quemado de productos de arcilla Durante el secado, se elimina el exceso de humedad y ocurren grandes cambios dimensionales. Inicialmente el agua existente entre las plaquetas de arcilla se evapora y produce la mayor parte de la contracción. Después ocurrirá un cambio dimensional relativamente pequeño cuando se evapore el agua restante entre los poros. Para obtener un secado uniforme en toda la pieza y minimizar de esta manera los esfuerzos, la distorsión y las grietas, se controlan cuidadosamente tanto la temperatura como la humedad. La rigidez y la resistencia de una pieza cerámica se obtienen durante su horneado o quemado. Durante el calentamiento, la arcilla se deshidrata, eliminando el agua que forma parte de la estructura cristalina de la caolinita y la vitrificación o la fusión, se inicia.
Las impurezas y el fundente reaccionan con las partículas cerámicas (SiO 2) y la arcilla, produciendo una fase liquida de bajo punto de fusión en la superficie de los granos. El líquido ayuda a eliminar la porosidad y, después del enfriamiento, se convierte en un vidrio rígido que une las partículas cerámicas. Esta fase vítrea proporciona una unión cerámica, pero también casusa una contracción adicional en todo el cuerpo cerámico. munchos productos de arcilla Aplicaciones de productos de arcilla estructurales y loza blanca se fabrican en estos procesos. Los ladrillos y las losas
utilizadas en la construcción se prensan o extruyen para darles forma, se secan y se queman para producir la unión cerámica. Las temperaturas más elevadas o los tamaños más finos de partículas originales producen una mayor vitrificación, menos porosidad y mayor densidad. La mayor densidad mejora las propiedades mecánicas, pero reduce las cualidades aislantes de los ladrillos o de las losas. Los productos de barro son formas de arcilla porosa horneadas a temperaturas relativamente bajas. Se presenta poca vitrificación, la porosidad es muy elevada e interconectada y los materiales cerámicos de barro pueden tener filtraciones. En consecuencia, estos productos deben estar recubiertos con un vidriado impermeable. A temperaturas más altas de horneado, que proporcionan mayor vitrificación y menor porosidad, se produce el gres. El gres, que se utiliza para tuberías de drenaje y aguas negras, contiene solo de 2 a 4% de porosidad. Los productos cerámicos conocidos como porcelana requieren temperaturas de horneado aún más elevadas para obtener una vitrificación completa sin porosidad alguna.
Refractarios Los materiales refractarios son componentes importantes que se utilizan para la producción, refinación y manejo de metales y vidrios, para la construcción de hornos de tratamiento térmico y otros equipos de procesos a altas temperaturas. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin sufrir corrosión o debilitamiento por el entorno circundante. Los refractarios comunes están compuestos de partículas gruesas de óxido unidas por un material refractario más fino. Este último se funde durante el horneado proporcionando la unión. En algunos casos los ladrillos refractarios tienen una porosidad aparente entre 20 y 25% con objeto de obtener un mejor aislamiento térmico. Los refractarios suelen clasificare en tres grupos: acido, básico, neutro, en función a su comportamiento químico.
Comentarios Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sustratos que albergan chips de computadora, sensores y activadores, capacitores, comunicaciones inalámbricas, generadores de chispa, inductores y aislantes eléctricos. Las cerámicas tradicionales se utilizan para fabricar ladrillos, vajillas, sanitarios, tinas de baño, refractarios (material resistente al calor) y abrasivos. Materiales como la Alúmina (Al2O3) El diamante (C) La sílice (SiO2),El carburo de silicio (SiC), El nitruro de silicio (Si3N4 ), El dióxido de titanio (TiO2), La zirconia (ZrO2) son componentes cerámicos. Los vidrios también se utilizan en casas, automóviles y en cientos de aplicaciones. Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para hacerlos más resistentes. Con los vidrios-cerámicos se puede aprovechar su conformabilidad y su densidad. Los productos de arcilla forman un grupo de cerámicas tradicionales utilizadas para fabricar tuberías, ladrillos, utensilios de cocina y otros productos de uso común.
Conclusiones Las cerámicas pueden definirse como materiales cristalinos inorgánicos. Hay cerámicas en estado natural y cerámicas avanzadas. Las cerámicas se utilizan para fabricar ladrillos productos como pinturas. Las cerámicas son resistentes y duras, pero también son quebradizas. El vidrio es un material amorfo se utiliza en cientos de aplicaciones. Los vidrios-cerámicos son materiales cristalinos derivados de los vidrios amorfos. Los productos sirven para fabricar tuberías, ladrillos, utensilios de cocina y otros productos de uso común. Los materiales refractarios son componentes importantes que se utilizan para la producción, refinación y manejo de metales y vidrios
Fuentes de información Askeland, donald R. P HULE P.P.., CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES, 3 AR. EDICIÓN. MÉXICO Ed.. THOMSON
Subtema 5.4 Materiales Compuestos La idea principal en el desarrollo de compuestos es combinar las propiedades de distintos materiales. Se forman a partir de dos o más materiales produciendo propiedades que no se encuentran en ningún material sencillo. El concreto, la madera laminada y la fibra de vidrio son ejemplos de materiales compuestos. La fibra de vidrio se prepara por medio de la dispersión de fibras de vidrio en una matriz de polímero. Las fibras de vidrio hacen más rígido el polímero, sin incrementar de manera significativa su densidad. Con los compuestos se pueden producir materiales ligeros, resistentes, dúctiles y resistentes a las temperaturas o pueden producirse herramientas de corte rígidas, pero resistentes al impacto de otra manera se romperían. Los aviones avanzados y los vehículos aeroespaciales dependen de gran medida de compuestos como los polímeros reforzados con fibra de carbono. El equipamiento deportivo tal como bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis y similares también hacen unos de distintos tipos de materiales compuestos que son ligeros y rígidos. Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.
Clasificación de los materiales compuestos 1.- Clasificación según la forma de los constituyentes Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio .
Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.
Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles sándwich (compuestos de núcleo y tapas)
2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes Composites de matriz orgánica (polímeros). - presentan baja densidad - posibilidad de obtención de piezas complicadas - son los más utilizados en la actualidad Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego. Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio) - mayor duración - elevada conductividad térmica y eléctrica - no absorben humedad - mayor resistencia al desgaste Su principal desventaja es su alto precio Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc. Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.
3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa
Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites, también presentan problemas: - dificultad de procesado - no se pueden procesar para obtener láminas o fibras Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase. Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo de composite:
Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10 -9 m=103 micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.
Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales. Ventajas que presentan los materiales compuestos - Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad)
- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.
Frente de camión (Resina poliéster y fibra de vidrio)
Avión espía no tripulado (Resina epoxi y fibra de carbono)
Fibra de vidrio Es la más utilizada debido las siguientes características: - Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. La resistencia específica se define: resistencia tracción/densidad - Buena relación propiedades/costo - Estabilidad dimensional - Facilidad de fabricación - Buena resistencia térmica
Fabricación de la fibra de vidrio
El vidrio está formado por sílice (SiO 2) y óxidos (Al2O3, MgO, CaO, etc.). La fibra de vidrio se obtiene mediante la fusión de sus componentes en un horno y posterior estiramiento del material a su salida por una serie de hileras La fibra de vidrio se recubre con un material denominado ensimaje que protege la superficie del deterioro por fricción o abrasión y facilita la unión entre la fibra y la matriz. Tipos de fibra de vidrio
Existen varios tipos que se diferencian en su composición química y que por lo tanto presentan diferentes propiedades: - E (eléctrico) (vidrio-E): es el más utilizado por su buena relación propiedades/precio. - R (resistance) y S (strength): destaca por sus buenas propiedades mecánicas. - C (chemical): destaca por su buena resistencia química. Se puede utilizar en las capas superficiales de estructuras sometidas a atmósferas agresivas. - D (dielectric): tiene excelentes propiedades dieléctricas y se utiliza en circuitos electrónicos.
Presentaciones de la fibra de vidrio
Se caracterizan por medio de dos valores: - Titulo: relación entre el peso y longitud de un hilo (depende del diámetro y número de filamentos de un hilo) (g/km). - Gramaje: relación entre el peso de un tejido y su superficie (g/mm 2) Existen varios tipos de presentaciones:
- Roving: bobina de hilos continuos (conjunto de filamentos) - Mat de hilos cortados: fieltros de hilos cortados y aglomerados entre sí mediante un ligante químico. - Mat de hilos continuos: fieltro de hilos continuos y aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Permite un alargamiento regular en todas las direcciones - Mat de superficie o velo: fieltros de hilos cortados, ligados fuertemente y calandrados - Tejido: formados por conjuntos de hilos entrelazados en dos direcciones.
Fibra de carbono La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos hexagonales de átomos de carbono unidos covalentemente. La unión entre planos es por medio de débiles fuerzas de Van der Waals. Las capas de grafito se orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de alto módulo y resistencia. La fibra de carbono se puede obtener por dos materias primas: PAN (poliacrilonitrilo) (-CH2-CHCN-) y brea. La forma más económica es la obtención a partir de brea, sin embargo, es más frecuente obtener la fibra de carbono a partir del PAN: Para obtener fibra de carbono a partir del PAN, las fibras de este material se carbonizan en presencia de oxígeno. Dependiendo de la temperatura de tratamiento se pueden obtener fibras con diferentes propiedades mecánicas: a mayor temperatura, mayor costo del tratamiento y mayor módulo elástico de la fibra. Existen dos tipos principales de fibra de carbono: - Fibras HT (High Toughness, alta tenacidad): tienen mejores propiedades mecánicas que la fibra de vidrio, pero peores que el otro tipo de fibra de carbono. Su ventaja es su precio económico.
- Fibras HM (High Modulus, alto módulo) tienen las mejores propiedades mecánicas. Su desventaja es su alto precio. Entre las ventajas de la fibra de carbono destacan: - Resistencia química - Coeficiente de dilatación térmica bajo - Propiedades específicas elevadas Entre sus desventajas cabe resaltar: - Alto precio - En contacto con los metales se genera diferencia de potencial que provoca corrosión
Comentarios La idea principal en el desarrollo de compuestos es combinar las propiedades de distintos materiales. Se forman a partir de dos o más materiales produciendo propiedades que no se encuentran en ningún material sencillo Con los compuestos se pueden producir materiales ligeros, dúctiles y con gran resistencia a las temperaturas o pueden producirse herramientas de corte rígidas, con gran durabilidad ante el impacto, de otra manera se romperían.
Conclusiones Los materiales compuestos se fabrican para tener materiales con más propiedades agregadas de la combinación de dos o más materiales. Se clasifican de diferentes formas como lo son: según la forma de sus constituyentes o según el tamaño de la fase dispersa que es el tamaño de cada uno de sus componentes. La fibra de vidrio es las más utilizada debido a sus características como: - Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. - Estabilidad dimensional. - Facilidad de fabricación. - Buena resistencia térmica. Otra Fibra es la de carbono. Su estructura está formada por planos de anillos hexagonales de átomos de carbono unidos covalentemente. Su desventaja es su alto precio, pero tiene ventajas como su buena resistencia química y que tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica.
