POLIMEROS La materia está formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Al gunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Existen polímeros naturales como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda y la lana son otros ejemplos. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.
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I.
CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y
estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo. Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene t iene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, pág. 2
cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo peso molecular y la m isma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeros y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en l os copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas de Van der Waals.
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II.
POLIMERIZACIÓN Y ESTRUCTURA
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se pr oduce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, molecular distinta, por lo que se habla de masa promedio para el polímero. La polimerización en etapas (condensación) necesita monómeros bifuncionales. Ejemplo: HOOC--R1--NH2 Si reacciona con sí mismo, entonces: 2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O
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La estructura puede ser lineal o también ramificada (aparte de poder presentar entrecruzamientos). También pueden adoptar otras estructuras, por ejemplo radiales.
Polimerización del estireno del estireno para para dar poliestireno dar poliestireno n indica el grado el grado de polimerización
Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramif icaciones de mayor o menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos de distintas cadenas. La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero pág. 5
presenta entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno. Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del orden estereoquímico de los enlaces, un polímero puede ser: atáctico (sin orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica. En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se ll ama copolímero o heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros. En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o en algunos polisacáridos. Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los adecuados. pág. 6
a) Homopolímero b) Copolímero alternante c) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatorio e) Copolímero de injerto Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la cadena polimérica, sin embargo es mucho más importante el resto de la cadena que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada con los extremos. III.
PROPIEDADES
Fotoconductividad
Electrocromismo
Fotoluminiscencia (fluorescencia y fosforescencia)
1.
Propiedades eléctricas
Los polímeros industriales en general son malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos pág. 7
años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS. Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha utilizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial de cargas eléctricas. Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C). Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales. Los polímeros conductores han sido recientemente (1974) desarrollados y sus aplicaciones están siendo estudiadas. pág. 8
2.
Propiedades físicas de los polímeros.
Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H. La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material. La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf) Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf. 3.
Las propiedades mecánicas
Son una consecuencia directa de su composición así como de la estructura molecular tanto a nivel molecular como supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los materiales polímeros y estas han de ser mejoradas mediante la modificación de la composición o morfología por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional. Normalmente el incentivo de estudios sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido a la necesidad de correlacionar la pág. 9
respuesta de diferentes materiales bajo un rango de condiciones con objeto de predecir el desempeño de estos polímeros en aplicaciones prácticas. Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recientes. Por lo tanto se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura. IV.
CLASIFICACIÓN
Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí. 1.
Según su origen
Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las
biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.
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Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros
naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a
partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno, etc. 2.
Según su mecanismo de polimerización
En 1929 Carothers propuso la reacción:
Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a
cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.
Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de
ningún compuesto de baja masa molecular.Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina. pág. 11
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 de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.
Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de
polímero se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monómero. 3.
Según su composición química
Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.
Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está
formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir:
Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.
Ejemplos: polietileno y polipropileno.
Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.
Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.
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Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos
(cloro, flúor...) en su composición. Ejemplos: PVC y PTFE.
Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.
Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de
oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia:
Poliésteres
Poliamidas
Poliuretanos
Polímeros inorgánicos. Entre otros:
Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.
Basados en silicio. Ejemplo: silicona.
4.
Según sus aplicaciones
Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:
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Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta
extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.
Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente
intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que
permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren
a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.
Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta
cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial. 5.
Según su comportamiento al elevar su temperatura
Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:
Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se
vuelven a endurecer (vuelven al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC. pág. 14
Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos
es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas. La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero el lo no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes). V.
NOMENCLATURA
Las normas internacionales publicadas por la IUPAC indican que el principio general para nombrar polímeros es utilizar el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero, escrita entre paréntesis. La UER debe ser nombrada siguiendo las normas convencionales de la IUPAC para moléculas sencillas. Las normas IUPAC se utilizan habitualmente para nombrar los polímeros de estructura complicada, ya que permiten identificarlos sin ambigüedad en las bases de datos de artículos científicos.2 Por el contrario, no suelen ser utilizadas para los polímeros de estructura más sencilla y de uso común pág. 15
principalmente porque estos polímeros fueron inventados antes de que se publicasen las primeras normas IUPAC, en 1952, y por tanto sus nombres "comunes" o "tradicionales" ya se habían popularizado. En la práctica, los polímeros de uso común se suelen nombrar según alguna de las siguientes opciones:
Sufijo poli- seguido del monómero del que se obtiene el polímero. Esta
convención es diferente de la IUPAC porque el monómero no siempre coincide con la UER y además se nombra sin paréntesis y en muchos casos según una nomenclatura "tradicional", no la IUPAC. Ejemplos: polietileno frente a poli (metileno); poliestireno frente a poli(1-feniletileno)
Monómero UER
Sistema tradicional etileno
Sistema IUPAC
eteno
Polímero
polietileno
metileno
Monómero UER
poli (metileno)
Polímero
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Sistema tradicional estireno
Sistema IUPAC
fenileteno
poliestireno
1-feniletileno poli(1-feniletileno)
Para copolímeros se suelen listar simplemente los monómeros que los
forman, a veces precedidos de las palabras caucho o goma si se trata de un elastómero o bien resina si es un plástico. Ejemplos: acrilonitrilo butadieno estireno; caucho estireno-butadieno; resina fenol-formaldehído.
Es frecuente también el uso indebido de marcas comerciales como
sinónimos del polímero, independientemente de la empresa que lo fabrique. Ejemplos: Nylon para poliamida; Teflon para politetrafluoretileno; Neopreno para policloropreno. La IUPAC reconoce que los nombres tradicionales están firmemente asentados por su uso y no pretende abolirlos sino solo ir reduciendo paulatinamente su utilización en las publicaciones científicas.1
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VI.
HISTORIA
Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide. Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear realiza el vulcanizado del caucho. El nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa. El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1909, cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído y fenol. Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912. En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular sólo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo. pág. 18
Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc. La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del caucho natural por caucho sintético. En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963. Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974. En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc. VII.
EJEMPLOS DE POLÍMEROS DE GRAN IMPORTANCIA
1.
Polímeros comunes
Polietileno (PE) (HDPE o LDPE, alta o baja densidad)
Polipropileno (PP)
Poliestireno (PS)
Poliuretano (PU) pág. 19
Policloruro de vinilo (PVC)
Politereftalato de etileno (PET)
Polimetilmetacrilato (PMMA)
2.
Polímeros de ingeniería
Nylon (poliamida 6, PA 6)
Polilactona
Policaprolactona
Polieter
Polisiloxanos
Polianhidrido
Poliurea
Policarbonato
Polisulfonas
Poliacrilonitrilo
Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
Polióxido de etileno
Policicloctano
Poli (n-butil acrilato)
Poliéster
Tereftalato de Polibutileno (PBT)
Estireno Acrilonitrilo (SAN)
Poliuretano Termoplástico (TPU)
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3.
Polímeros Funcionales
Copolímeros
VIII.
TIPOS DE POLÍMEROS MÁS COMUNES
El consumo de polímeros o plásticos ha aumentado en los últimos años. Estos petroquímicos han sustituido parcial y a veces totalmente a m uchos materiales naturales como la madera, el algodón, el papel, la lana, la piel, el acero y el cemento. Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son los precios competitivos y a veces inferiores a los de los productos naturales, y el hecho de que el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes naturales. La crisis petrolera de 1974 también influyó en el aumento del consumo de los plásticos, sobre todo en la industria automotriz. Los plásticos permitían disminuir el peso de los vehículos, lo cual repercutía en un ahorro en el consumo de combustible por kilómetro recorrido. Entre los polímeros usados para reducir el peso de los automóviles se encuentran los poliésteres, polipropileno, cloruro de polivinilo, poliuretanos, polietileno, nylon y ABS (acrilonitrilo-butadienoestireno). Sin embargo, el mercado más grande de los plásticos es el de los empaques y embalajes. Veamos en qué forma los polímeros derivados del petróleo constituyen una parte muy importante de nuestra vida. Los encontramos en nuestros alimentos, medicinas, vestidos, calzado, casas, edificios, escuelas, oficin as, campos, fábricas y en todos los vehículos usados como medios de transporte.
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POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Los termoplásticos son polímeros de cadenas largas que cuando se calientan se reblandecen y pueden moldearse a presión. Representan el 78-80% de consumo total. Los principales son:
Polietileno Éste es el termoplástico más usado en nuestra sociedad. Los productos hechos de polietileno van desde materiales de construcción y aislantes eléctricos hasta material de empaque. Es barato y puede moldearse a casi cualquier forma, extruírse para hacer fibras o soplarse para formar películas delgadas. Según la tecnología que se emplee se pueden obtener dos tipos de polietileno Polietileno de Baja Densidad. Dependiendo del catalizador, este polímero se fabrica de dos maneras: a alta presión o a baja presión. En el primer caso se emplean los llamados iniciadores de radicales libres como catalizadores de polimerización del etileno. El producto obtenido es el polietileno de baja densidad ramificado; Cuando se polimeriza el etileno a baja presión se emplean catalizadores tipo Ziegler Natta y se usa el buteno-1 como comonómero. De esta forma es como se obtiene el propileno de baja densidad lineal, que posee características muy particulares, como poder hacer películas más delgadas y resistentes. Polietileno de alta densidad (HDPE). Cuando se polimeriza el etileno a baja presión y en presencia de catalizadores ZieglerNatta, se obtiene el polietileno de alta densidad (HDPE). La principal diferencia es la flexibilidad, debido a las numerosas ramificaciones de la cadena polimérica a diferencia de la rigidez del HDPE. pág. 22
Se emplea para hacer recipientes moldeados por soplado, como las botellas y los caños plásticos(flexibles, fuertes y resistentes a la corrosión). El polietileno en fibras muy finas en forma de red sirve para hacer cubiertas de libros y carpetas, tapices para muros, etiquetas y batas plásticas.
Polipropileno El polipropileno se produce desde hace más de veinte años, pero su aplicación data de los últimos diez, debido a la falta de producción directa pues siempre fue un subproducto de las refinerías o de la desintegración del etano o etileno. Como el polipropileno tiene un grupo metilo (CH3) más que el etileno en su molécula, cuando se polimeriza, las cadenas formadas dependiendo de la posición del grupo metilo pueden tomar cualquiera de las tres estructuras siguientes: 1. Isotáctico, cuando los grupos metilo unidos a la cadena están en un mismo lado del plano. 2. Sindiotáctico, cuando los metilos están distribuidos en f orma alternada en la cadena. 3. Atáctico, cuando los metilos se distribuyen al azar. Posee una alta cristalinidad, por lo que sus cadenas quedan bien empacadas y producen resinas de alta calidad. El polipropileno se utiliza para elaborar bolsas de freezer y microondas ya que tienen una buena resistencia térmica y eléctrica además de baja absorción de humedad. Otras propiedades importantes son su dureza, resistencia a la abrasión e impacto, transparencia, y que no es tóxico. Asimismo se usa para pág. 23
fabricar carcazas, juguetes, valijas, jeringas, baterías, tapicería, ropa interior y ropa deportiva, alfombras, cables, selladores, partes automotrices y suelas de zapatos.
Cloruro de polivinilo (PVC) Este polímero se obtiene polimerizando el cloruro de vinilo. Existen dos tipos de cloruro de polivinilo, el flexible y el rígido. Ambos tienen alta resistencia a la abrasión y a los productos químicos. Pueden estirarse hasta 4 veces y se suele copolimerizar con otros monómeros para modificar y mejorar la calidad de la resina. Las resinas de PVC casi nunca se usan solas, sino que se mezclan con diferentes aditivos. El PVC flexible se destina para hacer manteles, cortinas para baño, muebles, alambres y cables eléctricos; El PVC rígido se usa en la fabricación de tuberías para riego, juntas, techado y botellas.
Poliestireno (PS) El poliestireno(ps) es el tercer termoplástico de mayor uso debido a sus propiedades y a la facilidad de su fabricación. Posee baja densidad, estabilidad térmica y bajo costo. El hecho de ser rígido y quebradizo lo desfavorecen. Estas desventajas pueden remediarse copolimerizándolo con el acrilonitrilo (más resistencia a la tensión). Es una resina clara y transparente con un amplio rango de puntos de fusión. Fluye fácilmente, lo que favorece su uso en el moldeo por inyección; Posee buenas propiedades eléctricas, absorbe poco agua (buen aislante eléctrico), resiste moderadamente a los químicos, pero es atacado por los hidrocarburos pág. 24
aromáticos y los clorados. Se comercializa en tres diferentes formas y calidades: De uso común, encuentra sus principales aplicaciones en los mercados de inyección y moldeo. Poliestireno de impacto(alto, medio y bajo) que sustituye al de uso general cuando se desea mayor resistencia. Utilizada para fabricar electrodomésticos, juguetes y muebles. Expandible se emplea en la fabricación de espuma de poliestireno que se utiliza en la producción de accesorios para la industria de empaques y aislamientos. Los usos más comunes son Poliestireno de medio impacto: Vasos, cubiertos y platos descartables, empaques, juguetes. Poliestireno de alto impacto: Electrodomésticos(radios, TV, licuadoras, teléfonos lavadoras), tacos para zapatos, juguetes. Poliestireno cristal: piezas para cassettes, envases desechables, juguetes, electrodomésticos, difusores de luz, plafones. Poliestireno Expandible: envases térmicos, construcción (aislamientos, tableros de cancelería, plafones, casetones, etc.).
Estireno-acrilonitrilo (SAN) Este copolímero tiene mejor resistencia química y térmica, así como mayor rigidez que el poliestireno. Sin embargo no es transparente por lo que se usa
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en artículos que no requieren claridad óptica. Algunas de sus aplicaciones son la fabricación de artículos para el hogar.
Copolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) Estos polímeros son plásticos duros con alta resistencia mecánica, de los pocos termoplásticos que combinan la resistencia con la dureza. Se pueden usan en aleaciones con otros plásticos. Así por ejemplo, el ABS con el PVC nos da un plástico de alta resistencia a la flama que le permite encontrar amplio uso en la construcción de televisores. Sus cualidades son una baja temperatura de ablandamiento, baja resistencia ambiental y baja resistencia a los agentes químicos RESINAS TERMOFIJAS Estos materiales se caracterizan por tener cadenas poliméricas entrecruzadas, formando una resina con una estructura tridimensional que no se funde. Polimerizan irreversiblemente bajo calor o presión formando una masa rígida y dura. Las uniones cruzadas se pueden obtener mediante agentes que las provoquen, como en el caso de la producción de las resinas epóxicas. Los polímeros termofijos pueden reforzarse para aumentar su calidad, dureza y resistencia a la corrosión. El material de refuerzo más usado es la fibra de vidrio(la proporción varían entre 20-30%) El 90% de las resinas reforzadas son de poliéster. Cuando se hace reaccionar un glicol y un isocianato con más de dos grupos funcionales, se forma un polímero termofijo
Poliuretanos
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Los poliuretanos pueden ser de dos tipos, flexibles o rígidos, dependiendo del poliol usado. Los flexibles se obtienen cuando el di-isocianato se hace reaccionar con diglicol, triglicol, poliglicol, o una mezcla de éstos; Los poliuretanos rígidos se consiguen utilizando trioles obtenidos a partir del glicerol y el óxido de propileno. El uso más importante del poliuretano flexible son el relleno de colchones. En el pasado, los paragolpes de los autos se hacían de metal; actualmente se sustituyeron por uretano elastomérico moldeado, el mismo material usado para los volantes, defensas y tableros de instrumentos, puesto que resisten la oxidación, los aceites y la abrasión. Otros usos: bajo alfombras, recubrimientos, calzado, juguetes y fibras. Por su resistencia al fuego se usa como aislante de tanques, recipientes, tuberías y aparatos domésticos como refrigeradores y congeladores.
Urea, resinas y melamina La urea se produce con amoníaco y bióxido de carbono; La melamina está constituida por tres moléculas de urea. Tanto la urea como la melamina tienen propiedades generales muy similares, aunque existe mucha diferencia en sus aplicaciones. A ambas resinas se les conoce como aminorresinas. Estos artículos son claros como el agua, fuertes y duros, pero se pueden romper. Tienen buenas propiedades eléctricas. Se usan principalmente como adhesivos para hacer madera aglomerada, gabinetes para radio y botones. Las resinas melamina-formaldehído se emplean en la fabricación de vajillas y productos laminados que sirven para cubrir muebles de cocina, mesas y escritorios. pág. 27
Resinas fenólicas La reacción entre el fenol y el formaldehído tiene como resultado las resinas fenólicas o fenoplast. Existen dos tipos de resinas fenólicas, los resols y el novolac. Los resols se obtienen cuando se usa un catalizador básico en la polimerización. El producto tiene uniones cruzadas entre las cadenas que permiten redes tridimensionales Termofijas. El novolac se hace usando catalizadores ácidos. Aquí las cadenas no tienen uniones cruzadas por lo que el producto es permanentemente soluble y fundible. Las propiedades más importantes de los termofijos fenólicos son su dureza, su rigidez y su resistencia a los ácidos. Tienen excelentes propiedades aislantes y se pueden usar continuamente hasta temperaturas de 150'C. Se usan para producir controles, manijas, aparatos, pegamentos, adhesivos, material aislante., laminados para edificios, muebles, tableros y partes de automóviles. Estas resinas son las más baratas y las más fáciles de moldear. Pueden reforzarse con aserrín de madera, aceites y fibra de vidrio. Las tuberías de fibra de vidrio con resinas fenólicas pueden operar a 150'C y presiones de 10 kg/cm².
Resinas epóxicas Casi todas las resinas epóxicas comerciales se hacen a partir del bisfenol A (obtenido a partir del fenol y la acetona), y la epiclorhid rina (producida a partir del alcohol alílico). Sus propiedades más importantes son: alta resistencia a temperaturas hasta de 500°C, elevada adherencia a superficies metálicas y excelente resistencia a los productos químicos. Se usan principalmente en pág. 28
recubrimientos de latas, tambores, superficies de acabado de aparatos y como adhesivo.
Resinas poliéster Estas resinas se hacen principalmente a partir de los anhídridos maleico y ftálico con propilenglicol y uniones cruzadas con estireno. E uso de estas resinas con refuerzo de fibra de vidrio ha reemplazado a materiales como los termoplásticos de alta resistencia, madera, acero al carbón, vidrio y acrílico, lámina, cemento, yeso, etc. Las industrias que mas la utilizan son la automotriz, marina y la construcción. Las resinas de poliéster saturado se usan en las lacas para barcos, en pinturas para aviones y en las suelas de zapatos. Homopolímeros y copolímeros Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los homopolímeros, a demás, contienen cantidades menores de irregularidades en los extremos de la cadena o en ramificaciones. Por otro lado los copolímeros contienen varias unidades estructurales, como es el caso de algunos muy importantes en los que participa el estireno. Estas combinaciones de monómeros se realizan para modificar las propiedades de los polímeros y lograr nuevas aplicaciones. Lo que se busca es que cada monómero imparta una de sus propiedades al material final; así, por ejemplo, en el ABS, el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el butadieno
pág. 29
su flexibilidad y el estireno imparte al material la rigidez que requiera la aplicación particular. Evidentemente al variar la proporciones de los monómeros, las propiedades de los copolímeros van variando también, de manera que el proceso de copolimerización permite hasta cierto punto fabricar polímeros a la medida. No solo cambian las propiedades al variar las proporciones de los monómeros, sino también al variar su posición dentro de las cadenas. Así, existen los siguientes tipos de copolímeros. Las mezclas físicas de polímeros, que no llevan uniones permanentes entre ellos, también constituyen a la enorme versatilidad de los materiales poliméricos. Son el equivalente a las aleaciones metálicas. En ocasiones se mezclan para mejorar alguna propiedad, aunque generalmente a expensas de otra. Por ejemplo, el óxido de polifenilo tiene excelente resistencia térmica pero es muy difícil procesarlo. El poliestireno tiene justamente las propiedades contrarias, de manera que al mezclarlos se gana en facilidad de procedimiento, aunque resulte un material que no resistirá temperaturas muy altas.. Sin embargo en este caso hay un efecto sinergístico, en el sentido en que la resistencia mecánica es mejor en algunos aspectos que a la de cualquiera de los dos polímeros. Esto no es frecuente, porque puede ocurrir únicamente cuando existe perfecta compatibilidad ente los dos polímeros y por regla general no la hay, así que en la mayoría de los casos debe agregarse un tercer ingrediente para compatibilizar la mezcla. Lo que se emplea casi siempre es un copolímero injertado, o uno de bloque que contenga
pág. 30
unidades estructurales de los dos polímeros. Otras veces se mezcla simplemente para reducir el costo de material. En otros casos, pequeñas cantidades de un polímero de alta calidad puede mejorar la del otro, al grado de permitir una nueva aplicación. Copolímeros estireno-butadieno Son plásticos sintéticos que han sustituído prácticamente en su totalidad al natural, en algunas aplicaciones como las llantas para automóviles; co ntienen 25 % de estireno y 75 % butadieno; sus aplicaciones incluyen en orden de importancia:
Llantas, Espumas,
Empaques, Suelas para zapatos,
Aislamiento de alambres y cables eléctricos, Mangueras. Los copolímeros de estireno-butadieno con mayor contenido de batadieno, se usan para hacer pinturas y recubrimientos. Para mejorar la adhesividad, en ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros. Polímeros isómeros Los polímeros isómeros son polímeros que tienen esencialmente la misma composición de porcentaje, pero difieren en la colocación de los átomos o grupos de átomos en las moléculas. Los polímeros isómeros del tipo vinilo pueden diferenciarse en las orientaciones relativas de los segmentos consecutivos (Monómeros).
pág. 31
Los Lubricantes y los Polímeros Los lubricantes mejoran la procesabilidad de los polímeros, realizando varias importantes funciones.
Reducen la fricción entre las partículas del material, minimizando el calentamiento por fricción y retrasando la fusión hasta el punto óptimo.
Reducen la viscosidad del fundido promoviendo el buen flujo del material.
Evitan que el polímero caliente se pegue a las superficies del equipo de procesamiento. A los lubricantes se los clasifican en:
Externos: Reducen la fricción entre las moléculas del polímero y disminuyen la adherencia polímero metal.
Ceras parafínicas: con pesos moleculares entre 300 y 1500, y temperaturas de fusión entre 65 a 75 °C. Las lineales son más rígidas, por su mayor cristalinidad. En las ramificadas, la cristalinidad es menor y los cristales más pequeños.
Ceras de polietileno: son polietilenos de muy bajo peso molecular, ligeramente ramificadas, con temperaturas de fusión de 100 a 130 °C. Son más efectivas que las parafinas.
Ceras tipo éster: obtenidos de cebos. Contienen ácidos grasos con 16 a 18 átomos de carbono. El más importante es el triesterato.
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IX.
PROCESOS DE POLIMERIZACIÓN
Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen estructuras monómeras o en las condiciones experimentales de reacción. X.
MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN. La polimerización puede efectuarse por distintos métodos a saber:
Polimerización por adición.
Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del doble enlace sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo.).
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un anillo sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxi.).
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un doble enlace con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del tipo diazo.).
Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo con eliminación de una parte de la molécula (polimerización del tipo a aminocarboxianhidro.).
Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno.).
Polimerización por condensación.
Formación de poliésteres, poliamidas, poliéteres, polianhidros, etc., por eliminación de agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como ácidos pág. 33
o glicoles, diaminas, diésteres entre otros (polimerización del tipo poliésteres y poliamidas.).
Formación de polihidrocarburos, por eliminación de halógenos o haluros de hidrógeno, con ayuda de catalizadores metálicos o de haluros metálicos (policondensación del tipo de Friedel-Craffts y Ullmann.).
Formación de polisulfuros o poli-polisulfuros, por eliminación de cloruro de sodio, con haluros bifuncionales de alquilo o arilo y sulfuros alcalinos o polisulfuros alcalinos o por oxidación de dimercaptanos (policondensación del tipo Thiokol.).
Polimerización en suspensión, emulsión y masa. a. Polimerización en suspensión En este caso el peróxido es soluble en el monómero. La polimerización se realiza en agua, y como el monómero y polímero que se obtiene de él son insolubles en agua, se obtiene una suspensión. Para evitar que el polímero se aglomere en el reactor, se disuelve en el agua una pequeña cantidad de alcohol polivinílico, el cual cubre la superficie de las gotitas del polímero y evita que se peguen. b. Polimerización en emulsión La reacción se realiza también en agua, con peróxidos solubles en agua pero en lugar de agregarle un agente de suspensión como el alcohol polivinílico, se añade un emulsificante, que puede ser un detergente o un jabón. En esas condiciones el monómero se emulsifica, es decir, forma gotitas de un tamaño tan pequeño que ni con un microscopio pueden ser vistas. Estas microgotitas quedan estabilizadas por el jabón durante todo el proceso de la polimerización, y acaban formando un látex de aspecto lechoso, del cual se hace precipitar el polímero rompiendo la emulsión. posteriormente se lava, quedando pág. 34
siempre restos de jabón, lo que le imprime características especiales de adsorción de aditivos. c. Polimerización en masa En este tipo de reacción, los únicos ingredientes son el monómero y el peróxido. El polímero que se obtiene es muy semejante al de suspensión, pero es más puro que éste y tiene algunas ventajas en la adsorción de aditivos porque no esta contaminado con alcohol polivinílico.
pág. 35
APLICACIÓN POLÍMEROS EN LA INGENIERIA CIVIL El empleo de los polímeros en este campo es muy antiguo, se comenzó con los biopolímeros obtenidos directamente de la naturaleza. I.
EVOLUCION DE LOS POLIMEROS EN LA CONSTRUCCION La evolución de este sector h r ha sido lenta hasta la mitad del siglo pasado, per o a r aíz de la “r evolución del plástico” la sociedad y este sector s r suf r ri er on un cambio excepcional con la entr ada de los polímer os sintéticos. Gr acias a que los ar quitectos, ingenier os y especialistas del sector empezar on a adquir ir conocimientos de las venta jas que pueden br indan estos polímer os, hoy en día nos podemos benef iciar de múltiples y dif er entes aplicaciones en la constr ucción y equipamiento de una vivienda y r esto de obr as públicas.
Ad Además otr o ob je jetivo de estos pr of esionales es la de conseguir u r un equilibr io entr e las necesidades de constr ucción de la población y la pr otección del medio ambiente, así como de la salud de sus habitantes. Estos polímeros resultaron ser materiales idóneos para satisfacer todas estas necesidades debido a sus características particulares. En general serian las siguientes:
Durables y resistentes a la corrosión, por ello se aplican en elementos
que están expuestos al aire libre pudiendo durar décadas.
Aislantes tanto de frío como del calor, lo cual permite el ahorro de
energía, y también aislantes acústicos.
Muy ligeros frente a otros materiales usados en la construcción, siendo
así manejables y fáciles de transportar y almacenar. pág. 36
Tienen buena relación costo / beneficio
La mayoría (a excepción del PVC) son respetuosos con el medio
ambiente, se pueden reciclar, reutilizar o trasformar en una fuente de energía. Estas son las características más generales pero luego cada uno posee propiedades particulares que hacen que sean mas adecuados para unas aplicaciones que para otras. Existe una gran variedad de polímeros usados en la construcción pero los más utilizados son el PVC, PSE, PU, y PE (alta y baja densidad). Más del 50% de los plásticos utilizados en la construcción se reducen únicamente a PVC, de ahí la gran importancia de este polímero. II.
APLICACIONES o
PVC
- Características Fundamentales: Versatilidad, ligero,resistente a la intemperie, alta tenacidad (soporta altos requerimientos mecánicos), fácil instalación, Baja toma de humedad (cañerías), Resistente a la abrasión, al impacto, y a la corrosión, buen aislante térmico, eléctrico y acústico, no propaga llamas, resistente a la mayoría de los reactivos - Aplicaciones: Membranas para impermeabilizar suelos, laminas para carteles, sobretodo en una gran variedad de cañerías tanto de domicilios como públicos. Electricidad: recubrimiento aislante de cables, cajas de distribución, enchufes. Recubrimiento de paredes, techos, piscinas. Alfombras, cortinas tapizados, ventanas puertas, persianas muebles de exterior e interior, mangueras, carpas y recintos inflables. pág. 37
PU
o
- Características Fundamentales: Resistente a la corrosión, Flexibilidad, ligero, no tóxico, alta resistencia a la temperatura, propiedades mecánicas y productos químicos. - Aplicaciones: Sobre todo su uso en construcción se basa como materiales de aislamiento. Paneles o
EPS y PS
-Características Fundamentales: Baja conductividad térmica, gran capacidad aislante (térmico), resistencia a la compresión, alto poder de amortiguación, fácil de trabajar y manipular, estabilidad a bajas temperaturas y soporta también altas temperaturas (cañerías de agua fría y caliente) - Aplicaciones: Se basan fundamentalmente en aislamientos sobretodo térmicos, en cañerías, suelos flotantes, ladrillos, techos, paredes y suelos, en hormigón liviano. Construcción prefabricada, sistemas de calefacción, cámaras f rigoríficas. Embalajes de transporte frágil (amortiguación).Espuma de EPS se utiliza como relleno de vacío por ejemplo en puentes reduciendo peso total. Electrodomésticos. o
HDPE:
-Características Fundamentales: Resistente a las bajas temperaturas Ligero , impermeable ,flexible duradero , siendo así de bajo mantenimiento y económico -Aplicaciones: Recubrimiento de cañerías, como aislante ya que el HDPE aguanta de-20ºC a85ºC. Revestimiento de cables. Caños para gas, telefonía, agua potable, minería… pág. 38
Laminas plásticas para aislamiento hidrófugo. o
LDPE
-Características Fundamentales: Características similares, Flexible, ligero transparente, impermeable, económico -Aplicaciones: Revestimiento para suelos, recubrimiento de obras en construcción(cobertores de seguridad). Protección, tuberías par riego
o
PP
-Características Fundamentales: Es el más ligero de todos los materiales plásticos buenas propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Alt a temperatura de reblandecimiento, óptima resistencia química, a la abrasión, impermeable, larga vida útil… -Aplicaciones: Alfombras, cañerías e instalaciones de agua fría y calie nte, cajas de electricidad, enchufes …Sacos y bolsas para cargar cemento y arena y otros materiales granulados o en polvo. Se distinguen por que repelen el agua, no se ensucian ni pudren y son resistentes a la luz. Membranas de asfalto modificado para techos, fibras de PP para reforzar. Ideal para elementos de electrodomésticos. En maquinaria para la construcción. o
PC
-Características Fundamentales: Inerte, alta resistencia a la temperatura, propiedades mecánicas, y productos químicos
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-Aplicaciones: Se utilizan como “vidrios” de seguridad, como vallas y cercos de seguridad transparentes. o
PET
-Características Fundamentales: Gran resistencia al impacto transparente ligero impermeable -Aplicaciones: Carteles y exhibidores por su resistencia a la radiación UV, el viento, clima... Alfombras, cortinas, muebles de exterior (jardín…)
Hay otros materiales poliméricos menos usados, pero importantes también como son el PMMA que por su aspecto vítreo se emplea para realización de rótulos, lámparas, muebles y otros elementos decorativos. También podemos nombrar el poliacetato de vinilo que se emplea mucho como adhesivo así como en masillas, pavimentos y pinturas. Poliesteres, se utilizan en carrocerías, estructuras ligeras, placas para cubiertas, depósitos... Poliamidas como aislantes eléctricos y como fibras textiles de tapicerías en decoración. Todos estos materiales tienen muchas ventajas a la hora de hacernos más fácil y cómoda la vida. A la vez, la mayoría son no contaminantes y respetuosos con el medio ambiente, pero hay algunos que no cumplen esto, es por ejemplo el caso del PVC. A pesar de ser el material plástico más usado en este sector es el que presenta más inconvenientes ya que en su obtención participan pág. 40
sustancias tóxicas. Además cuando se elimina va a los vertederos o incineradoras (emitiendo sustancias tóxicas al aire (cloro).Aunque es un material perfecto por sus propiedades y aplicaciones también conlleva riesgos lo que implica buscar otro material que lo pueda sustituir. III.
CONCLUSIONES
Durante los últimos 20 años, el consumo de plásticos en el sector de la construcción ha ido aumentando drásticamente a medida que los arquitectos y especialistas empezaron a tener conocimiento de los beneficios que pueden brindar estos materiales en sus muy diferentes aplicaciones. La facilidad de procesamiento el poco peso que caracteriza a los polímeros, además de su fuerza y durabilidad, hacen que estos materiales resulten ideales para satisfacer los requerimientos del sector. Estos polímeros ofrecen cada vez más ventajas y brindan confort y eficiencia a lo cotidiano. Las diversas propiedades que ya hemos mencionado de cada uno de ellos los hacen convenientes para una gran variedad de aplicaciones importantes para vivir con comodidad y seguridad. El equilibrio entre las necesidades de la construcción y la protección del medio ambiente es uno de los mayores desafíos que enfrentan hoy a los responsables del planeamiento urbano.
pág. 41
IV.
IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL GENERADO POR EL USO DE LOS POLÍMEROS
o
Aspectos positivos
Un gran número de materiales están construidos por polímeros y muchos de ellos son irremplazables en el actual mundo tecnológico. o
1.
Aspectos negativos La inadecuada eliminación de los polímeros contribuye en buena parte a
la degradación ambiental por acumulación de basura. 2.
Muchos artículos de plástico son peligrosas armas destructivas. Por
ejemplo, las bolsas plásticas pueden ser causantes de asfixia si se recubre la cabeza con ellas y no se logra retirarlas a tiempo. 3.
Especies como la tortura gigante, mueren al ingerir bolsas plásticas que
flotan en el mar, confundiéndolas con esperma de peces, su alimento habitual. 4.
La no biodegradación impide su eliminación en relleno sanitario y
además disminuye notablemente la presencia de colonias bacterianas en torno a los plásticos. 5.
La incineración puede generar compuestos venenosos. Por ejemplo, HCl
(g) y HCN (g) 6.
Los envases plásticos empleados para alimentos no pueden volver a
usarse ya que no existen métodos efectivos de esterilización.
pág. 42
GEOSINTETICOS Los “geosintéticos” son productos de última tecnología, cuyo campo de acción abarca temas como el control de la erosión, tratamiento de aluvionales, drenaje y filtración, o relleno sanitario, entre otros. Son materiales que se fabrican a partir de varios tipos de polímeros y que se utilizan para mejorar y hacer posible la ejecución de ciertos proyectos de construcción de ingeniería civil y geotécnica. En la práctica, se denomina geotextil a aquel material textil, plano y polimérico que presenta ciertas aplicaciones en el mundo de la construcción. Se dividen principalmente en geotextiles, geomallas y geomembranas. Los primeros son materiales textiles que tienen una menor "abertura" de malla que las geomallas, y se utilizan para realizar funciones de protección diferentes a estas últimas, que se utilizan solamente para refuerzo. Por su parte las geomembranas son láminas poliméricas impermeables, utilizadas como barrera de líquidos y sólidos. Según los fabricantes también los geosintéticos se pueden clasificar según la materia prima que los componen. Los polímeros más utilizados son las poliolefinas (polietileno y polipropileno) y el poliéster. De acuerdo con el proceso de fabricación, los geosintéticos se pueden clasificar en geosintéticos tejidos y geosintéticos no tejidos. En los geosintéticos tejidos las fibras que los componen se presentan en dos direcciones principales, llamadas trama y urdimbre y perpendiculares entre sí. En los geosintéticos no tejidos las fibras tienen direcciones aleatorias. Asimismo los geosintéticos no tejidos se dividen en termosoldados y en pág. 43
agujeteados. En los primeros el proceso de producción emplea el calor para unir las fibras. En tanto que en los segundos, las fibras se unen por un proceso de compactación por agujas.
GEOMALLA
APLICACIONES DE LOS GEOSINTÉTICOS EN LA INGENIERIA CIVIL En el presente se describen las funciones que los geosintéticos desempeñan en la ingeniería civil. Se hace hincapié en los geosintéticos de refuerzo ya que su utilización es una parte fundamental del diseño de las estructuras y los ingenieros deben conocer perfectamente sus características para poder proyectar con ellos. El autor no ha pretendido definir de una manera exhaustiva y técnica estos materiales, el autor ha pretendido clasificar las funciones de los geosintéticos desde un punto de vista didáctico para aclarar las aplicaciones de estos materiales novedosos todavía para algunos técnicos.
pág. 44
Foto 1. - Es necesario conocer cual es la función que se le exige a un material geosintético antes de proceder a su diseño e instalación.
I.
INTRODUCCIÓN
Los geosintéticos son materiales, que se fabrican a parti r de varios tipos de polímeros y que se utilizan para mejorar y hacer posible la ejecución de ciertos proyectos de construcción de ingeniería civil y geotécnica. En la práctica, se denomina geotextil a aquel material textil, plano y polimérico que presenta ciertas aplicaciones en el mundo de la construcción. Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los geosintéticos han posibilitado su desarrollo en los proyectos de construcción y mecánica de suelos. II.
CLASIFICACIÓN DE LOS GEOSINTÉTICOS
Los geosintéticos se dividen principalmente en geotextiles, geomallas y geomembranas. Los geotextiles son materiales textiles que tienen una menor "abertura" de malla que las geomallas. Los geotextiles se utilizan para realizar todas las pág. 45
funciones que se describen a continuación y las geomallas se utilizan solamente para refuerzo. Las geomembranas son láminas poliméricas impermeables, utilizadas como barrera de líquidos y sólidos. También los geosintéticos se pueden clasificar según la materia prima que los componen. Los polímeros más utilizados son las poliolefinas (polietileno y polipropileno) y el poliéster. De acuerdo con el proceso de fabricación, los geosintéticos se pueden clasificar en geosintéticos tejidos y geosintéticos no tejidos. En los geosintéticos tejidos las fibras que lo componen se presentan en dos direcciones preferentes, llamadas trama y urdimbre y perpendiculares entre sí. En los geosintéticos no tejidos las fibras tienen direcciones aleatorias. Los geosintéticos no tejidos se dividen en termosoldados y en agujeteados. En los primeros el proceso de producción emplea el calor para unir las fibras. En los segundos, las fibras se unen por un proceso de compactación por agujas.
pág. 46
Foto 2. - Cada tipo de geosintético presenta unas características mecánicas e hidráulicas, que el fabricante debe suministrar de una manera certificada.
III.
FUNCIONES DE LOS GEOSINTÉTICOS
Los geosintéticos se utilizan para satisfacer las siguientes funciones principales:
Separación
Drenaje
Filtración
Protección
Refuerzo
Debido a su estructura de lámina continua, se utiliza un geosintético con el fin de separar dos tipos de suelo o material diferente. La capacidad drenante de un geosintético viene determinada por la permeabilidad que el geosintético pág. 47
presenta para que los fluidos circulen en su plano. Su función de filtro se debe a su capacidad para retener partículas sólidas mayores de una determinada granulometría, permitiendo el paso de agua y aire. Se consigue una función protectora, cuando el geosintético tiene un espesor suficiente para evitar los daños mecánicos que las aristas del terreno pudieran o casionar en elementos susceptibles de rotura por punzonamiento. Su estructura tejida le permite absorber esfuerzos de tracción y distribuirlos en el medio en el que se instala. Existen otros tipos de geotextiles que se utilizan para sustituir las arcillas de impermeabilización en los vertederos. Estos geotextiles están rellenos de arcilla bentonítica y presentan unos valores de permeabilidad muy bajos cuando están en contacto con humedad. Otros geotextiles están formados por dos telas paralelas, se pueden rellenar de hormigón bombeable y forman un cuerpo de encofrado perdido. Su aplicación se centra sobretodo en la ejecución de canales y la protección de orillas en ingeniería hidráulica. Es necesario conocer cual es la función que se le exige a un material geosintético antes de proceder a su diseño e instalación. Cada tipo de geosintético presenta unas características mecánicas e hidráulicas, que el fabricante debe suministrar de una manera certificada. Después el proyectista elegirá la materia prima y el proceso de fabricación de manera que el geosintético producto final cumpla satisfactoriamente todos los requisitos del diseño.
pág. 48
Foto 3. - Un geosintético de refuerzo consigue un mejor reparto de las cargas y un mejor comportamiento de las capas de base.
1.
FUNCIÓN DE SEPARACIÓN
Se coloca un geotextil de separación entre dos capas de suelo de diferentes propiedades, para evitar la mezcla entre ambos. Los geotextiles crean una barrera permeable entre suelos de diferente textura y estructura. Estos diferentes materiales quedan separados y por ello mantienen intactas sus propiedades mecánicas e hidráulicas, mientras que el agua puede fluir a su través. Se buscará un geotextil que resista los daños mecánicos de la instalación. La función del geotextil puede perderse por rotura o desgarro. Este geotextil, llamado anticontaminante, debe ser capaz de retener las partículas finas de una determinada granulometría bajo carga estática o dinámica. Es necesario tener en cuenta la durabilidad del geotextil en el medio en el que se instale. pág. 49
2.
FUNCION DE DRENAJE
El agua dentro de un material de relleno aumenta los empujes y reduce la resistencia del suelo a esfuerzo cortante. El sistema de drenaje de una estructura puede estar formado por gravas o por un material geosintético tridimensional que permita el flujo de agua en su seno, posibilitando la reducción de los empujes y una más rápida consolidación del terreno. Un geosintético de drenaje debe tener la suficiente transmisividad (permeabilidad en su plano) para permitir la salida de agua y gases del medio. Es necesario que el espesor del geotextil permita el drenaje cuando se aplica una carga estática normal sobre él. El geotextil de drenaje debe acompañarse de un sistema de filtración que evite la colmatación del conjunto, por acumulación de finos. El geotextil debe tener una durabilidad tal que garantice la función de drenaje durante la vida útil. 3.
FUNCIÓN DE FILTRACIÓN
Un geosintético de filtración debe colocarse entre el material drenante y el suelo, cumpliendo ciertos requisitos de retención de partículas y de permeabilidad. Los geosintéticos realizan una labor de filtro sobre las partículas de suelo, para permitir que el agua llegue al sistema de drenaje.
pág. 50
La permeabilidad del geosintético debe ser mayor que la permeabilidad del suelo que se pretende filtrar. La lámina filtrante debe evitar la migración de finos, que puede conducir al colapso de una estructura en ingeniería hidráulica. El geosintético de filtración también se debe diseñar para evitar la acumulación de finos que provoquen la colmatación del sistema de acuerdo con la granulometría del terreno. La porometría del geosintético es un parámetro muy i mportante. El geosintético filtrante se define por su abertura de filtración y por su permisividad. Es necesario que el geosintético de filtración sea resistente a la perforación, putrefacción y estable ante posibles ataques de agentes químicos. La pérdida gradual de permeabilidad que el sistema geosintético sufre no debe dar lugar a presiones intersticiales significativas.
Foto 4. - Las soluciones de refuerzo se emplean sobretodo para ejecutar taludes de fuertes pendientes y para construir ter raplenes sobre suelos de baja capacidad portante.
pág. 51
4.
FUNCIÓN DE PROTECCIÓN
Un geotextil de protección se coloca sobretodo para evitar el deterioro de las láminas de impermeabilización y de tuberías de materiales semirrígidos. Un geotextil de un determinado espesor protege contra la perforación una geomembrana de impermeabilización, por ejemplo en túneles y vertederos. Las aristas y zonas punzantes del terreno, e incluso las basuras en el caso de los vertederos, pueden punzonar la lámina. Los daños mecánicos se pueden producir en fase de construcción o con posterioridad. El espesor del geotextil de protección y su resistencia a punzonamiento son los parámetros más importantes de estos materiales geosintéticos. La putrefacción química de estos materiales debe ser acorde con la vida útil del conjunto. 5.
FUNCIÓN DE REFUERZO
Cuando el valor del esfuerzo cortante supera el valor de la resistencia del suelo es necesario el empleo de un geosintético de refuerzo. Con un geosintético de refuerzo embebido en la masa de suelo se consigue mejorar las características mecánicas, aumentando la resistencia al corte del conjunto. El geosintético consigue un mejor reparto de las cargas y un mejor comportamiento de las capas de base. En definitiva, el geosintético aporta una mayor resistencia a tracción a la capa donde se instale. Estos materiales se emplean para reforzar suelos o asfaltos.
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Foto 5. - El refuerzo de las capas de asfalto permite aumentar la resistencia a tracción de las capas, retardando de manera notable la aparición de fisuras reflejas.
En suelos y hasta ahora en España, las soluciones de refuerzo se emplean sobretodo para ejecutar taludes de fuertes pendientes y para construir terraplenes sobre suelos de baja capacidad portante. En asfaltos, los geosintéticos se emplean como refuerzo de las capas bituminosas para incrementar su resistencia a fatiga, retardando de manera notable la aparición de fisuras reflejas. Los mayores fracasos que han ocurrido en el refuerzo de asfaltos se deben a una incorrecta instalación, a la utilización de geosintéticos no tejidos con funciones de refuerzo, a la utilización de geosintéticos con una escasa capacidad de adherencia a las capas de firme o a la utilización de polímeros cuyo punto de fusión es incluso menor que la temperatura de asfaltado (por ejemplo, polipropileno). El geosintético deberá tener una elevada resistencia a tr acción y una baja deformación (alto módulo elástico). La fluencia del geosintético es un valor de pág. 53
gran importancia. La pérdida de resistencia con el paso del tiempo debe ser baja. El coeficiente de interacción de un geosintético de refuerzo con el suelo que lo rodea define su longitud de anclaje. Las geomallas tienen una mayor adherencia al terreno y una mayor durabilidad en el medio que los geotextiles. La resistencia a agentes químicos y biológicos, rayos UVA y los daños mecánicos que los procesos de instalación y compactado pueden ocasionar también deben ser tenidos en cuenta para diseñar con estos materiales. Los fabricantes deben homologar los coeficientes de minoración de resistencia de estos materiales por cada uno de estos conceptos. Para las funciones de separación, drenaje, filtración y protección normalmente se utilizan geosintéticos no tejidos. Para la función de refuerzo es necesario que el geosintético tenga una elevada resistencia a tracción y presente una baja fluencia y una escasa deformación unitaria. Estos requisitos imponen la utilización de materiales tejidos para estas funciones. La industria de geosintéticos ha creado productos únicos que satisfacen varias funciones al mismo tiempo. Por ejemplo, existen geosintéticos tejidos de refuerzo unidos en un mismo producto con geosintéticos no tejidos de separación, de gran aplicación en obras de infraestructura ferroviaria.
pág. 54
Foto 6. - Existen geosintéticos tejidos de refuerzo unidos en un mismo producto con no tejidos de separación de gran aplicación en obras de infraestructura ferroviaria.
Estos productos se utilizan en la rehabilitación de vías construidas sobre plataformas de baja capacidad portante. En estas actuaciones, es necesario aumentar la resistencia a cortante del conjunto con un material tejido. El material no tejido que lleva adherido permite la separación entre el balasto y la subbase. Con el paso del tiempo, el agua penetra a través del balasto y satura la plataforma inferior. Las cargas dinámicas provocan un aumento de la presión intersticial en la plataforma y se puede llegar a la plastificación del suelo ya que la capacidad de drenaje es cada vez menor. Se reduce la resistencia a cortante y el balasto y el suelo se mezclan, llegándose a la contaminación del balasto por los finos que ascienden de las capas inferiores. Estos productos compuestos se han utilizado en un gran número de experiencias internacionales llevadas a cabo con éxito. Debido a la importante función que desempeñan estos geosintéticos de refuerzo, su instalación exige que el fabricante certifique la idoneidad del producto con la correspondiente homologación de calidad.
pág. 55
INDICE Pág. -POLIMEROS……………………………………………………………………
1
I.
CONCEPTO Y CLASIFICACION………………………………………….
2
II.
POLIMERIZACIÓN Y ESTRUCTURA…………………………………….
4
III.
PROPIEDADES…………………………………………………………….
7
1.
Propiedades eléctricas……………………………………………………..
7
2.
Propiedades físicas de los polímeros.....................................................
9
3.
Las propiedades mecánicas………………………………………………
9
CLASIFICACIÓN……………………………………………………………
10
1.
Según su origen…………………………………………………………….
10
2.
Según su mecanismo de polimerización ………………………………...
11
3.
Según su composición química…………………………………………..
12
4.
Según sus aplicaciones……………………………………………………
13
5.
Según su comportamiento al elevar su temperatura ……………………
14
V.
NOMENCLATURA………………………………………………………….
15
VI.
HISTORIA…………………………………………………………………… 18
VII.
EJEMPLOS DE POLÍMEROS DE GRAN IMPORTANCIA…………….
19
1.
Polímeros comunes………………………………………………………..
19
2.
Polímeros de ingeniería…………………………………………………… 20
3.
Polímeros funcionales……………………………………………………..
IV.
21
pág. 56
VIII.
TIPOS DE POLÍMEROS MÁS COMUNES……………………………… 21
IX.
PROCESO DE POLIMERIZACION………………………………………. 33
X.
MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN…………………………………. 33
- APLICACIÓN DE LOS POLIMEROS EN LA INGEMIERIA CIVIL……..
36
I.
EVOLUCION DE LOS POLIMEROS EN LA CONSTRUCCION…….
36
II.
APLICACIONES…………………………………………………………..
37
III.
CONCLUSIONES………………………………………………………….. 41
IV.
IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL GENERADO POR EL USO DE LOS POLÍMEROS…………………………………… 42
-GEOSINTETICOS…………………………………………………………… 43 -APLICACIÓN DE LOS GEOSINTETICOS EN LA INGENIERIA CIVIL………………………………………………….. 44 I.
INTRODUCCION…………………………………………………………. 45
II.
CLASIFICACIÓN DE LOS GEOSINTÉTICOS………………………… 45
III.
FUNCIONES DE LOS GEOSINTÉTICOS……………………………... 47
1. Separación………………………………………………………………... 49 2. Drenaje……………………………………………………………………. 50 3. Filtración…………………………………………………………………… 50 4. Protección…………………………………………………………………. 52 5. Refuerzo…………………………………………………………………… 52 -INDICE……………………………………………………………………… 56 -BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………….58
pág. 57
