ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES CERAMICOS Son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico, en un concepto más amplio los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Tienen amplias propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión. Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables. Pueden utilizarse en ambientes con temperatura alta, corrosivos y tribológicos. En dichos ambientes muchas cerámicas exhiben buenas propiedades electromagnéticas, electromagnéticas, ópticas óptic as y mecánicas. Una característica fundamental del termino material incluye que puedan fabricarse en formas con dimensiones determinadas. determinadas.
Estructura de los cerámicos Ø Enlace atómico: parcial o totalmente iónico Ø Iones metálicos: cationes (ceden sus electrones, +), aniones (aceptan electrones, - ). Ø Estructuras cristalinas, compuestas de dos o más elementos. Ø La estructura está determinada por: el valor de la carga eléctrica de los iones (el cristal debe ser eléctricamente neutro) neutro) y los tamaños relativos de los cationes y aniones (número de coordinación). coordinación).
a) Estructura cristalina tipo XY (X: catión, Y: anión) Ø Igual número de cationes y aniones. Ø Ejemplos: cloruro de sodio (NaCl), cloruro de cesio (CsCl), blenda (ZnS), etc. Enlace iónico
b) Estructura cristalina tipo XmYp Ø Número de cationes distinto del número de aniones Ø m y p son diferentes de 1. Ø Ejemplos: fluorita (CaF2), UO2, ThO2, etc. Fluorita (CaF2) (Ca2+, F-)
c) Estructura cristalina tipo XmZnYp Ø Dos tipos de cationes (X y Z) y un anión (Y) Ø Ejemplos: perouskita (BaTiO3), SrZrO3, SrSnO3, espinela (MgAl2O4, FeAl2O4). Perouskita (BaTiO3)
d) Densidad de los cerámicos cristalinos
n: N° de iones SAY, SAX: suma de pesos atómicos respectivamente Vc: volumen de la celda unitaria
de
cationes
y
aniones,
NA: N° de Avogadro (&,023 x 1023 iones/mol).
Cerámicas formadas por silicatos Ø Silicatos: materiales compuestos formados principalmente por silicio y oxígeno (mayoría de suelos, rocas, arcillas y arenas) Ø En vez de combinación de celdas unitarias, se usa combinación de tetraedros SiO44-
Tetraedro de SiO44-
a) Sílice Ø Silicato más simple: dióxido de silicio ó sílice
Sílice (SiO2)
b) Silicatos más complejos Ø Uno, dos o tres de los átomos de oxígeno del tetraedro son compartidos por otros tetraedros. Ø Ejemplos: SiO44-, Si2O6--, Si3O96-, etc. Ø Cationes, como Ca2+, Mg2+ y Al3+, compensan las cargas negativas de los tetraedros SiO44- de manera que alcancen la neutralidad y sirven de enlace iónico entre los tetraedros SiO4 4-
Estructuras de iones de Silicatos formados a partir de SiO44-
c) Vidrios de sílice Ø Sólido no cristalino, con un alto grado de distribución al azar. Ø Vidrios inorgánicos comunes (recipientes, ventanas, etc.): vidrios de sílice más óxidos (CaO y Na2O). Los cationes (Na+, Ca2+) enlazan los tetraedros, dando forma a una estructura vítrea, más probable que una cristalina.
Representación de un vidrio de sílice con sodio.
d) Carbono Ø Existe en varias formas polimórficas y en estado amorfo. Ø Carboncillo: amorfo Ø Grafito : compuesta por capas, los átomos de C de cada capa unidos con enlaces covalentes, y entre capas unidos por fuerzas de Van der Waals. Propiedades anisotrópicas.
Ø Diamante: poliformo metaestable de C a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cada átomo de C está unido con otros cuatro, con enlaces covalentes. Propiedades isotrópicas.
Propiedades mecánicas de los cerámicos Tenacidad de fractura Ø Fractura frágil Ø Tenacidad de fractura KIC: capacidad de un cerámico para resistir la fractura, cuando se ha formado una grieta.
Y: parámetro adimensional, función de la geometría de la probeta y de la grieta. s: tensión aplicada a: longitud de una grieta superficial o mitad de una grieta interna.
Influencia de la porosidad Ø En la fabricación del cerámico (compactación de polvos) se forman poros Ø En el tratamiento que le sigue al conformado se elimina gran parte de estos poros, quedando porosidad permanente. Ø Porosidad tiene efecto negativo en las propiedades mecánicas. Ø El módulo de elasticidad E disminuye con la fracción de volumen P de porosidad: E = E0 (1 – 1.9 P + 0.9 P2); E0 es el módulo de elasticidad
del material sin poros.
Clasificación de los cerámicos de acuerdo a su aplicación
Arcillas y porcelanas Ø Arcillas: aluminosilicatos (alúmina, Al2O3, y sílice, SiO2) más agua. Ejemplos: ladrillos de construcción, baldosas, tuberías de agua residuales. Ø Porcelanas: aluminosilicatos, adquieren el color blanco después de la cocción a altas temperaturas. Ejemplos: alfarería, vajillas, artículos
sanitarios, etc. Ø Estructura de las arcillas y porcelanas: caolinita Al2(Si2O5)(OH)4
Refractarios Ø Mezcla de Al2O3, SiO2, MgO, Fe2O3, CaO, y a veces Cr2O3, TiO2. Ø Capacidad de soportar altas temperaturas sin fundir ni descomponerse, no reaccionan cuando son expuestos a medios agresivos. Capacidad de producir aislamiento térmico. Ø Ejemplos: revestimientos de hornos. Ø Arcillas refractarias: mezclas de arcillas refractarias de alta pureza (alúmina y sílice), con un 25 a 45 % de alúmina) Ø Refractarios de sílice: principal ingrediente es la sílice. Ø Refractarios básicos: refractarios ricos en periclasa (MgO calcinada). Ø Refractarios especiales: óxidos de alta pureza, como alúmina, sílice, magnesia, circona (ZrO2), mullita (3Al2O3-2SiO2); otros son compuestos de carburos (por ejemplo SiC), carbón y grafito.
PLASTICOS Bajo el nombre de plásticos se engloba un variado grupo de materiales de origen orgánico cuya importancia crece día a día. Están constituidos por macromoléculas (moléculas gigantes) naturales o sintéticas de elevado peso molecular, cuyo principal componente es el carbono. Estas moléculas reciben el nombre de polímeros, de ahí que a los materiales plásticos se les conozca también por ese nombre. Las moléculas de alto peso molecular que constituyen los materiales plásticos se construyen por la repetición sucesiva de unidades químicas pequeñas y simples, llamadas monómeros, que se unen mediante una reacción llamada polimerización. Las moléculas que constituyen los polímeros se caracterizan por: _ Ser muy grandes (elevada masa molecular) _ Tener sus átomos unidos mediante enlaces covalentes _ Tener una estructura repetitiva
Reacciones de polimerización Como hemos dicho, los polímeros están constituidos por la repetición de una unidad simple llamada monómero, los cuales se unen mediante una reacción química de polimerización. Se forma así una macromolécula en forma de cadena cuyos eslabones son los monómeros. El número de unidades simples que se repiten en una misma molécula se conoce como grado de polimerización (n). Existen dos tipos fundamentales de polimerización, la polimerización por adición o poliadición y la polimerización por condensación o policondensación. a) Poliadición: Consiste en la unión y repetición de un mismo monómero, de modo que la macromolécula final es múltiplo entero de la del monómero, no existiendo una liberación de subproductos. Esquemáticamente podemos representarla así: nA An donde n es el grado de polimerización Ejemplo: El monómero etileno es CH2 = CH2 el cual, bajo una reacción de poliadición, se convierte en polietileno (se produce la rotura de un doble enlace de la molécula) n CH2 = CH2 - (CH2 - CH2 )n – b) Policondensación: Los monómeros que van a formar el polímero son diferentes además, en la polimerización se produce el polímero y una pequeña molécula, generalmente H2O, NH3 ,… En este caso también existe una cadena con un grupo característico que se repite muchas veces, como es el caso de: i. Poliamidas: - CO – NH ii. Poliuretano - O – CO – NH iii. Poliurea: - - NH – CO – NH – iv. Poliésteres: - CO- O –
Propiamente hablando, esta reacción no es una polimerización, puesto que además de la macromolécula resultante, se forman productos secundarios, de tal forma que la masa molecular del polímero, aunque sea elevada, no es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Entre los polímeros de poliuretanos y poliéster.
condensación
se
encuentran
el
nailon,
PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS Los plásticos son sustancias químicas sintéticas denominados polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica. De hecho, plástico se refiere a un estado del material, pero no al material en sí: los polímeros sintéticos habitualmente llamados plásticos, son en realidad materiales sintéticos que pueden alcanzar el estado plástico, esto es cuando el material se encuentra viscoso o fluido, y no tiene propiedades de resistencia a esfuerzos mecánicos. Este estado se alcanza cuando el material en estado sólido se transforma en estado plástico generalmente por calentamiento, y es ideal para los diferentes procesos productivos ya que en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad. Así que la palabra plástico es una forma de referirse a materiales sintéticos capaces de entrar en un estado plástico, pero plástico no es necesariamente el grupo de materiales a los que cotidianamente hace referencia esta palabra. Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:
fáciles de trabajar y moldear, tienen un bajo costo de producción, poseen baja densidad,
suelen ser impermeables, buenos aislantes eléctricos, aceptables aislantes acústicos, buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy elevadas, resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos; algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son muy contaminantes.
CLASIFICACION DE LOS PLASTICOS Según el monómero base En esta clasificación se considera el origen del monómero del cual parte la producción del polímero. Naturales: Son los polímeros cuyos monómeros son derivados de productos de origen natural con ciertas características como, por ejemplo, la celulosa, la caseína y el caucho. Dentro de dos de estos ejemplos existen otros plásticos de los cuales provienen: Los derivados de la celulosa son: el celuloide, el celofán y el cellón. Los derivados del caucho son: la goma y la ebonita.
o
o
Sintéticos: Son aquellos que tienen origen en productos elaborados por el hombre, principalmente derivados del petróleo como lo son las bolsas de polietileno
Según su comportamiento frente al calor Termoplásticos Un termoplástico es un plástico que, a temperatura ambiente, es plástico o deformable, se convierte en un líquido cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría suficiente. La mayoría de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los que poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals
(Polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace de hidrógeno; o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse éstos pueden recalentarse y formar otros objetos, ya que en el caso de los termoestables o termoduros, su forma después de enfriarse no cambia y este prefiere incendiarse.. Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces. Los principales son:
Resinas celulósicas: obtenidas a partir de la celulosa, el material constituyente de la parte leñosa de las plantas. Pertenece a este grupo el rayón. Polietilenos y derivados: Emplean como materia prima el etileno obtenido del craqueo del petróleo que, tratado posteriormente, permite obtener diferentes monómeros como acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, etc. Derivados de las proteínas: Pertenecen a este grupo el nailon y el perlón, obtenidos a partir de las diamidas. Derivados del caucho: Son ejemplo de este grupo los llamados comercialmente pliofilmes, clorhidratos de caucho obtenidos adicionando ácido clorhídrico a los polímeros de caucho.
Termoestables Los plásticos termoestables son materiales que una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. Generalmente para su obtención se parte de un aldehído.
Polímeros del fenol: Son plásticos duros, insolubles e infusibles pero, si durante su fabricación se emplea un exceso de fenol, se obtienen termoplásticos. Resinas epoxi. Resinas melamínicas. Baquelita.
Aminoplásticos: Polímeros de urea y derivados. Pertenece a este grupo la melamina. Poliésteres: Resinas procedentes de la esterificación de polialcoholes, que suelen emplearse en barnices. Si el ácido no está en exceso, se obtienen termoplásticos.
Según la reacción de síntesis También pueden clasificarse según la reacción que produjo el polímero:
Polímeros de adición Implican siempre la ruptura o apertura de una unión del monómero para permitir la formación de una cadena. En la medida que las moléculas son más largas y pesadas, la cera parafínica se vuelve más dura y más tenaz. Ejemplo: 2n H2C=CH2 → [-CH2-CH2-CH2-CH2-]n
Polímeros de condensación Son aquellos donde los monómeros deben tener, por lo menos, dos grupos reactivos por monómero para darle continuidad a la cadena. Ejemplo: R-COOH + R'-OH → R-CO-OR' + H 2O
Polímeros formados por etapas La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación, como por ejemplo los poliuretanos.
Según su estructura molecular Amorfos Son amorfos los plásticos en los que las moléculas no presentan ningún tipo de orden; están dispuestas desordenadamente sin corresponder a
ningún orden. Al no tener orden entre cadenas se crean unos huecos por los que la luz pasa, por esta razón los polímeros amorfos son transparentes.
Semicristalinos Los polímeros semicristalinos tienen zonas con cierto tipo de orden junto con zonas amorfas. En este caso al tener un orden existen menos huecos entre cadenas por lo que no pasa la luz a no ser que posean un espesor pequeño.
Cristalizables Según la velocidad de enfriamiento, puede disminuirse (enfriamiento rápido) o incrementarse (enfriamiento lento) el porcentaje de cristalinidad de un polímero semicristalino, sin embargo, un polímero amorfo, no presentará cristalinidad aunque su velocidad de enfriamiento sea extremadamente lenta.
Comodities Son aquellos que tienen una fabricación, disponibilidad, y demanda mundial, tienen un rango de precios internacional y no requieren gran tecnología para su fabricación y procesamiento.
De ingeniería Son los materiales que se utilizan de manera muy específica, creados prácticamente para cumplir una determinada función, requieren tecnología especializada para su fabricación o su procesamiento y de precio relativamente alto.
Elastómeros o cauchos Los elastómeros se caracterizan por su gran elasticidad y capacidad de estiramiento y rebote, recuperando su forma original una vez que se retira la fuerza que los deformaba. Comprenden los cauchos naturales obtenidos a partir del látex natural y sintéticos; entre estos últimos se encuentran el neopreno y el polibutadieno.
APLICACIONES TERMOPLÁSTICOS - Polietileno (PE): Es uno de los plásticos más utilizados. Hay dos variedades. Se emplea en envases, juguetes, aislamientos eléctricos, envases para productos de limpieza. El polietileno tiene textura sedosa, es flexible, tenaz y ligero.
Teflón (PETFE: Politetrafluoroetileno): Tiene la misma composición que el polietileno, pero con átomos de flúor, en lugar de hidrógeno. Tiene una gran estabilidad química, es muy resistente a los ataques químicos y resistente a temperaturas relativamente altas. Es un buen aislante eléctrico y es antiadherente. - Polipropileno (PP): Es tenaz, ligero y barato. Se puede doblar muchas veces sin romperse. Se usa en cubos, carpetas, carcasas de electrodomésticos, botellas, resistentes, cañitas para beber. - Cloruro de polivinilo (PVC): Hay dos variedades, la flexible y la rígida. En la forma flexible se usa mucho para recubrir conductores eléctricos, mangueras de jardín, y en la forma rígida, que tiene alta resistencia mecánica y dureza, su aplicación más conocida es en tuberías, canaletas, perfiles, marcos de puertas y ventanas. - Poliestireno (PS): Es un plástico bastante frágil y ligero, pero muy resistente a los ataques químicos y a la humedad. Se usa para bandejas de comida, envases de yogurt, vasos y platos de plásticos. - Poliamidas (PA): El más conocido es el nylon. Plástico muy resistente a la tracción y tenaz. Se emplea para correas, engranajes. - Polimetracrilato (PMMA): Conocido como metacrilato, es un plástico transparente que imita al vidrio, pero más tenaz, duro, rígido y transparente. - Policarbonato (PC): Son plásticos de gran resistencia mecánica, térmica y química. Gran resistencia al impacto. Se emplea para cascos, viseras, armazones, ventanas de aviones, CD`s.
- Polietilentereftalato (PET): Es transparente e impermeable a componentes gaseosos como el CO2 de las bebidas gaseosas, resistente a los ácidos y temperaturas extremas. Se usa para botellas de refrescos, envases para horno y congelador, cintas de video y audio, ropa de tergal.
TERMOESTABLES - Fenoles (PF: Baquelita): Excelente aislante eléctrico y térmico. Alta dureza y rigidez. Se encuentra en mangos de de utensilios de cocina, placas de circuitos impresos electrónicos. - Resinas de poliéster: Es un plástico con alta resistencia mecánica. Se emplea para cascos de barcos, tejados, depósitos,paneles de coches, cañas de pescar, esquíes. - Resinas Epoxi (EP): Buena resistencia mecánica y química, buenos aislantes eléctricos. Se usa en revestimientos de latas de alimentos, adhesivos.
ELASTÓMEROS - Siliconas: Tienen como base el silicio. Son resistentes a los agentes químicos, la humedad, el calor, a la oxidación. Se utiliza para sellar juntas contra la humedad, prótesis, recubrimientos. - Caucho: Se obtiene del árbol del caucho. Se mezcla con azufre para aumentar la dureza y su resistencia a la tracción y agentes químicos. Se emplea en neumáticos, juntas, suelas de zapatos. - Neopreno: Es un caucho sintético incombustible. Se emplea para trajes de buceo, correas industriales. - Poliuretano: Se emplea para colchones, asientos, prendas de vestir elásticas (lycra o elastán). Pueden presentar la forma de espumas (es la famosa gomaespuma).
