Índice Introducción………………………………………………………………. 3 Historia de los Plásticos…………………… Plásticos……………………………………………… ……………………………. …. 3 Características Generales..………………………… Generales..……………………………………………... …………………... 4 Obtención ó Fabricación del Plástico………………………………… Plástico…………………………………… … 5 Clasificación de plásticos………………………… plásticos………………………………………………… ……………………… 7 Plásticos de Ingeniería…..…………………………………… Ingeniería…..……………………………………………….. ………….. 8 UHMWPE: Polietileno de Peso P eso Molecular Ultra Alto ............................ ............................ 8 Vidrio acrílico ........................... ..................................................... .................................................... ................................... ......... 9 Poliamidas ................................................... ............................................................................. ......................................... ............... 9 Policarbonato .................................................. ............................................................................ ..................................... ........... 9 Polioxido de metileno .......................................................... ........................................................................... ................. 10 Tereftalato de polietileno ........................................ .................................................................. .............................. .... 11 Polióxido de fenileno ........................................................... ............................................................................ ................. 12 Plásticos de ingeniería avanzados ....................................................... ....................................................... 12 El Radel® R PPSU ............................................... ......................................................................... ................................ ...... 12 El Ultem® PEI ................................................................... ...................................................................................... ................... 13 Teflón o PTFE ..................................................... ............................................................................... ................................ ...... 13 Fluorosint® PTFE ................................................. ........................................................................... ................................ ...... 14 Techtron PPS ............................................................... ....................................................................................... ........................ 15 Polietreterquetono PEEK ................................................ ..................................................................... ..................... 15 El Torlon PAI ..................................................... ............................................................................... ................................... ......... 16 ®
Celazole PBI .................................................. .............................................................................. ..................................... ......... 16 Tipos de ensayos de caracterización .......................................... ................................................... ......... 17 1
El comportamiento mecánico ............................................................... 17 Mediante ensayos de impacto .............................................................. 18 Caracterización térmica ........................................................................ 18 Envejecimiento acelerado .................................................................... 18 Composición cualitativa y cuantitativa de las formulaciones ................18 Prueba de tensión ASTM D 638 ........................................................... 19 Ensayo de tensión ................................................................................ 19 Densidad .............................................................................................. 20 Ensayo de compresión ......................................................................... 20 Ensayo de impacto ............................................................................... 20 Ensayo de resistencia al impacto ......................................................... 21 Ensayo de flexión-impacto ................................................................... 21 Ensayo de tracción-impacto ................................................................. 22 Ensato de dureza ASTM D 2240 .......................................................... 22 Ensayo de flexión ................................................................................. 23 Medición de propiedades térmicas ....................................................... 24 Evaluación del comportamiento al fuego .............................................. 25 Ensayos eléctricos ............................................................................... 25 Ensayos de fricción y desgaste ............................................................ 26
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INTRODUCCION Los materiales poliméricos son en la actualidad de valor imprescindible en la vida cotidiana debido a su amplia variedad de usos en todos los ámbitos. Actualmente son materiales insustituibles en sus diversas aplicaciones. Antes de conocerse los polímeros la naturaleza era la única fuente de materiales ligeros: madera, metales, caucho natural, etc., pero las propiedades de las sustancias naturales no bastaban para solucionar todos los problemas y fue así como se inició la búsqueda de materiales que suplieran las necesidades existentes. Es por eso que los plásticos de ingeniería juegan un papel muy importante en el mundo hoy en día, estos cada vez más se apoderan de nuestros hogares, de nuestra industria, en varios ambientes de la vida cotidiana. Producción mundial
HISTORIA DE LOS PLASTICOS •
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1839 Charles Goodyear inventa el proceso de vulcanización, que convierte la goma en un material seco, resistente y elástico. 1860 Pheland and Collander ofrece $ 10.000 US a quien consiguiera un sustituto del marfil natural para las bolas de billar 1870 John Wesley Hyatt comercializa el celuloide, un plástico hecho de celulosa modificada químicamente, también denominado nitrato de celulosa (Mangos de cuchillos, marcos para lentes, película cinematografica).
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1887 El conde Hilaire de Chardonnet presenta un método par hilar soluciones de nitrato de celulosa en seda de Chardonnet, la primera fibra sintética. 1909 Leo Baekeland crea la baquelita, el primer plástico completamente sintético, apartir de un copolimero (fenol y formaldehído). Características: - No conductor de electricidad - Resistente al agua y a disolventes - Mecanizable Enchufes, manijas, interruptores Finales de la década de 1920 Wallace Hume Carothers y su grupo de investigación de DuPont sintetizan y desarrollan aplicaciones para los neoprenos y poliésteres sintéticos. Desarrollan la primera fibra sintética oficial NYLON y se fabrican los paracaídas para la fuerza aérea y se convierte en la principal fuente de fibras textiles. Los poliesteres se utilizan en la fabricación de blindajes y en las aeronaves destinadas a vuelos de gran altura. 1930 Los alemanes desarrollan dos tipos de caucho sintético (Buna-S y Buna-N) a partir del butadieno, un subproducto del petróleo. Aparece el PVC (policloruro de vinilo). 1938 Es sintetizado por primera vez el politetrafluoretileno y en 1950 se comercializó por primera vez. 1953 El químico alemán Karls Ziegler desarrolló el polietileno. 1954 El Italiano Guilio Natta desarrolló el polipropileno. •
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Caracteris ticas Generales Los materiales poliméricos provienen de una reacción de un monómero con algunos agentes químicos llamados agentes activadores o catalizadores y desencadenan una reacción produciendo unas cadenas que tienen similitud con el monómero de quien se originan, por ejemplo: el monómero del etileno de donde se produce el polietileno, del monómero del estireno se produce el poliestireno. Esas cadenas moleculares que se forman son infinitamente largas pueden tener cientos o miles de átomos enlazados. Estas macroestructuras de cadenas moleculares conforman finalmente lo que es la cristalinidad o el grado de cristalinidad. El cristal dentro del plástico no es una estructura molecular sola sino un grupo de las estructuras moleculares que se asocia con otras para formar estructuras de orden superior. Esto entonces hace que los plásticos de ingeniería estén representados en la fila de los polímeros llamados como semicristalinos, debido a la cristalinidad va a 4
ofrecer unas ventajas de tipo mecánico cuando se someten a esfuerzos de diferente orden, tracción, compresión, torsión, deformación bajo carga. Se llama semicristalino porque un plástico nunca logra uniformar todas sus cadenas moleculares en forma cristalina, siempre van a quedar intercaladas con zonas amorfas, estas zonas amorfas son las que van a permitir que el material también tenga una relativa resistencia al impacto porque permiten una deformación con mucha más facilidad que las zonas cristalinas. El grado de cristalinidad es variable, este se puede afectar por la forma como se procesa el polímero. Se puede favorecer el grado de cristalinidad con los enfriamientos lentos. Los polímeros semicristalinos, en conclusión, tienen cadenas moleculares largas de tipo lineal, orientadas. La orientación es la que permite que el material pueda soportar esfuerzos en algún sentido. A nivel industrial son muchos los materiales que han sido reemplazados por plásticos de ingeniería, ya que se han dado cuenta como estos materiales poseen características sorprendentes, además su diseño juega un papel importantísimo, ya que la comodidad y la flexibilidad que pueda proporcionar cualquier material por pequeño que este sea es muy importante cuando de costos se trata. Siempre la elección adecuada de un plástico técnico es vital para la construcción de una pieza, y para conseguir una duración y rendimiento espectacular, en comparación con el rendimiento que se obtiene sin adecuar el producto a la aplicación. Obtención ó Fabricación Del Plástico La fabricación de los plásticos y sus manufacturados implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva. Materias primas. En un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón. La caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del naylon se basaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el naylon 11 se fabrica todavía con semillas de ricino, la mayoría de los plásticos se elaboran hoy con derivados del petróleo. Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón.
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Síntesis del polímero. El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Como se comentaba anteriormente, los dos métodos básicos de polimerización son las reacciones de condensación y las de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en disolución se forma una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interface los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la interface entre los dos líquidos. Ad itiv os . Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen el polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas se utilizan también como aditivos. Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto, lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de carbono) a la matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas, compuestas de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera. Forma y acabado Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. La naturaleza de muchos de estos procesos es cíclica, si bien algunos pueden clasificarse como continuos o semicontinuos. Una de las operaciones más comunes es la extrusión. Una máquina de extrusión consiste en un aparato que bombea el plástico a través de un molde con la forma deseada. Los productos extrusionados, como por ejemplo los tubos, tienen una sección con forma regular. La máquina de extrusión también realiza otras operaciones, como moldeo por soplado o moldeo por inyección. Otros procesos utilizados son el moldeo por compresión, en el que la presión fuerza al plástico a adoptar una forma concreta, y el moldeo por transferencia, en el que un pistón introduce el plástico fundido a presión en un molde. El calandrado es otra técnica mediante la que se forman láminas de plástico. Algunos plásticos, y en particular los que tienen una elevada resistencia a la temperatura, requieren procesos de fabricación especiales. Por ejemplo, el politetrafluoretileno tiene una viscosidad de fundición tan alta que debe ser prensado para conseguir la forma deseada, y sinterizado, es decir, expuesto a temperaturas extremadamente altas que convierten el plástico en una masa cohesionada sin necesidad de fundirlo. 6
Clasificación de plásticos
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Plásticos de ingeniería UHMWPE: Polietileno de Peso Molecular Ultra Alto Este miembro de la familia del polietileno tiene muchas aplicaciones en varios sectores. Es el miembro más pesado de esta familia, y sus propiedades lo colocan entre los plásticos de ingeniería. Su uso comienza a popularizarse gracias a una aplicación que podemos ver muy fácilmente: las tablas para picar que encontramos en tiendas departamentales, de color blanco. De hecho su presentación comercial es en forma de tablas, bloques, barras, tubos huecos y perfiles, ya que este plástico tiene tan alto peso molecular que la maquinaria convencional para procesamiento de termoplásticos, como las extrusoras e inyectoras, no pueden procesarlo, y el polvo blanco que se obtiene de los reactores se procesa por compresión o por un proceso especial llamado extrusión RAM. Este plástico conserva su buen desempeño aún a bajas temperaturas y sus resistencias química y mecánica son superiores. Y como todos los miembros de la familia, no absorbe humedad, se puede utilizar en la industria alimentaria y su aspecto ceroso proporciona excelente lubricidad. Las propiedades que más se han explotado en este plástico son su excelente resistencia al impacto y al desgaste por abrasión. Por eso es el preferido cuando se trata de fabricar piezas maquinadas como engranes, husillos de transporte, juntas, y todo tipo de piezas mecánicas que necesiten excelente resistencia al desgaste por abrasión y que deban estar en ambientes húmedos; ya que su competencia directa, las poliamidas, tienen el inconveniente de ser grandes absorbedores de agua. Las propiedades que más se han explotado en este plástico son su excelente resistencia al impacto y al desgaste por abrasión. Por eso es el preferido cuando se trata de fabricar piezas maquinadas como engranes, husillos de transporte, juntas, y todo tipo de piezas mecánicas que necesiten excelente resistencia al desgaste por abrasión y que deban estar en ambientes húmedos; ya que su competencia directa, las poliamidas, tienen el inconveniente de ser grandes absorbedores de agua. Quizá sean estas aplicaciones netamente industriales las que mantienen al UHMWPE un poco desconocido para la mayoría de la gente. Las maquinarias para procesamiento de alimentos están dejando al acero inoxidable y usando los mismos elementos, pero de UHMWPE autolubricado, totalmente atóxico, que no absorbe humedad, resistente mecánicamente, más ligero y fácil de maquinar. Otra aplicación importante está en el campo de las prótesis (como las de rodilla o cadera). Tradicionalmente para esto se utilizaban piezas de platino u otros materiales, pero el problema era que el paciente no recuperaba ni siquiera un mínimo de movilidad en estas partes del cuerpo, pues una pieza de platino no podía rotar sobre un hueso, y así quedaba condenado a una silla de ruedas o a usar muletas o bastones, ni hablar de su vida deportiva. El UHMWPE puede entrecruzarse y hacerse mucho más resistente, y fabricar prácticamente cualquier forma caprichosa, pues la cabeza del fémur o la rótula de 8
estos pacientes se puede fabricar a su medida anatómica, brindando al paciente una nueva oportunidad de poder recuperar movilidad, e incluso se han reportado casos en los que el paciente puede volver a practicar deporte (no a nivel profesional). A casi ocho años de estos primeros implantes, no se han reportado rechazos ni problemas secundarios derivados del uso de este plástico. VIDRIO ACRÍLICO: Se le conoce con las siglas PMMA. Las resinas acrílicas, llamadas también acrílicos, se obtienen por la polimerización de los acrilatos u otros monómeros que contengan el grupo acrílico. Tienen una resistencia a la tracción de 55 N/mm2 y una densidad de 1.8 g/cm3. Tiene buenas características mecánicas y se puede pulir con facilidad. Por esta razón se utiliza para fabricar objetos de decoración. También se emplean como sustitutivo del vidrio para construir vitrinas, dada su resistencia a los golpes. Los compuestos acrílicos son termoplásticos (capaces de ablandarse o derretirse con el calor y volverse a endurecer con el frío), impermeables al agua, y tienen densidades bajas. Estas cualidades los hacen idóneos para fabricar distintos objetos y sustancias, entre los que se incluyen materiales moldeados decorativos, cristales de seguridad, gafas protectoras. Paneles luminosos, letreros. Etc.
POLIAMIDAS: Se le conoce con las siglas PA. Tiene una resistencia a la tracción de 60 − 80 N/mm2 y una densidad de 2.2 g/cm3, es duro y resiste tanto al rozamiento y al desgaste como a los agentes químicos. La poliamida puede presentarse de diferentes formas aunque los dos más conocidos son la rígida y la fibra. En su presentación rígida se utiliza para fabricar piezas de transmisión de movimientos tales como ruedas de todo tipo (convencionales, etc...), tornillos, piezas de maquinaria, piezas de electrodomésticos, herramientas y utensilios caseros, etc... En su presentación como fibra (nylon), debido a su capacidad para formar hilos, se utiliza este plástico en la industria textil y en la cordelería para fabricar medias, cuerdas, tejidos y otros elementos flexibles. Policarbonato (pc) El policarbonato es un grupo de termoplásticos fácil de trabajar, moldear y termoformar, y son utilizados ampliamente en la manufactura moderna. El nombre "policarbonato" se basa en que se trata de polímeros que presentan grupos funcionales unidos por grupos carbonato en una larga cadena molecular. También el monóxido de carbono fue usado para sintetizar C1 en escala industrial y producir difenil carbonato, que luego se esterifica con un derivado difenólico para obtener carbonatos poliaromáticos. 9
Teniendo en cuenta la síntesis de C1, se puede dividir a los policarbonatos en carbonatos poliaromáticos y carbonatos polialifáticos . Estos últimos son producto de la reacción del dióxido de carbono con epóxidos, teniendo en cuenta que la estabilidad termodinámica del dióxido de carbono requiere usar catalizadores. Propiedades • • • • • •
una densidad de 1.20 g/cm3 un rango de uso desde -100°C a +135°C un punto de fusión cercano a 250°C un índice de refracción igual a 1.585 ± 0.001 un índice de transmisión lumínica del 90% ± 1% una característica de incombustibilidad
Ap li cac io nes El policarbonato empieza a ser muy común tanto en los hogares como en laboratorios y en la industria debido a sus tres principales cualidades: gran resistencia a los impactos y a la temperatura así como a sus propiedades ópticas. El policarbonato viene siendo usado en una gran variedad de campos: • •
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Óptica: usado para crear lentes para todo tipo de gafas. Electrónica: se utilizan como materia prima para cd´s, dvd´s y algunos componentes de los ordenadores. Seguridad: cristales antibalas y escudos anti-disturbios de la policía. Diseño y arquitectura: cubrimiento de espacios y aplicaciones de diseño.
Polioxido d e metileno (POM ) Es un acetal, cuyas materias primas principales son el formaldehido, el trioxano y el oxido de etileno. Se clasifican según su estructura química en homopolimeros y copolimeros. Ambos acetales son utilizados en la industria automotriz, pero en el caso del proveedor plástico, el acetal copolimero es el de mayor uso. Con este se producen clips para vestiduras, válvulas de control de calor y rejillas para bocinas entre otros. Propiedades El acetal es el material mas cristalino que se maquina en la industria, su densidad va de 1.4 a 1.44 g/ cm^3. Tiene alta resistencia al impacto y rigidez y tenacidad sobresalientes. Cuentan con una excelente resistencia a altas y bajas temperaturas intermitentes. Presentan resistencia a detergentes, aceites minerales y gasolinas. El POM presenta problemas al ser expuesto a acidos fuertes. Las 10
ventajas de acetal copolimeros sobre el homopolimeros son la mayor facilidad de procesamiento y mayor resistencia a la luz ultravioleta. Tereftalato de po lietileno PET Es un tipo de plástico muy usado en envases de bebidas y textiles. Algunas compañías manufacturan el PET y otros poliésteres bajo diferentes marcas comerciales, por ejemplo, en los Estados Unidos y Gran Bretaña usan los nombres de Mylar y Melinex. Químicamente el PET es un polímero que se obtiene mediante una reacción de policondensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres. Es un polímero termoplástico lineal, con un alto grado de cristalinidad. Como todos los termoplásticos puede ser procesado mediante Extrusión, inyección, inyección y soplado Soplado de preforma y termoconformado. Para evitar el crecimiento excesivo de las esferulitas y lamelas de cristales, este material debe ser rápidamente enfriado, con esto se logra una mayor transparencia, la razón de su transparencia al enfriarse rápido consiste en que los cristales no alcanzan a desarrollarse completamente y su tamaño no interfiere («scattering» en inglés) con la trayectoria de la longitud de onda de la luz visible, de acuerdo con la teoría cuántica. Propiedades Presenta como características más relevantes: • • • • • •
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Alta transparencia, aunque admite cargas de colorantes Alta resistencia al desgaste y corrosión Muy buen coeficiente de deslizamiento Buena resistencia química y térmica Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2 y humedad. Compatible con otros materiales barrera que mejoran en su conjunto la calidad barrera de los envases y por lo tanto permiten su uso en mercados específicos. Reciclable, aunque tiende a disminuir su viscosidad con la historia térmica. Aprobado para su uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios
Las propiedades físicas del PET y su capacidad para cumplir diversas especificaciones técnicas han sido las razones por las que el material haya alcanzado un desarrollo relevante en la producción de fibras textiles y en la producción de una gran diversidad de envases, especialmente en la producción de botellas, bandejas, flejes y láminas.
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Polióxido de fenileno PPO Aunque el Polióxido de Fenileno no modificado es un termoplástico semicristalino, todas las calidades comerciales disponibles están mezcladas con poliestireno (de alto impacto) para mejorar la transformabilidad mediante fusión. Una gran variedad de proporciones junto con la utilización de otros modificadores resultan en una amplia gama de calidades con propiedades diferentes creadas según las necesidades de los utilizadores. Estas mezclas son termoplásticos industriales amorfos, opacos, grisáceos con un equilibrio de propiedades (y de precio) similares al nylon pero sin tener su alta absorción de agua ni la inestabilidad dimensional consecuente. Sin embargo sus características de fatiga son débiles y su resistencia a los solventes es mala a pesar de una buena resistencia a la hidrólisis. Sus aplicaciones incluyen componentes de televisores y eléctricos, piezas de lava-vajillas, piezas de automóviles (especialmente los salpicaderos) y espumas estructurales.
Plásticos de ingeniería avanzados El Radel® R PPSU El Radel® R PPSU es una polifenilsulfona (PPSU) de color negro. Tiene una alta resistencia mecánica, al vapor y la mejor resistencia al impacto a temperaturas hasta de 205 °C. Ofrece superior resistencia a la hidrólisis es ampliamente usado como auto clave a vapor para esterilizar dispositivos médicos. Es resistente a los ácidos y bases comunes (incluyendo soluciones comerciales para lavado) a un amplio rango de temperaturas. Características princip ales: • Resistencia al impacto. • Altamente resistente al vapor en autoclave. • Alto módulo de elasticidad. • Resistencia al calor. Aplicaciones Típicas: • Esterilización de dispositivos médicos en auto claves • Asas o mangos de instrumental dental o quirúrgico • Dispositivos de ensamble electrónico • Tapas para dispositivos de filtrado en la Industria Farmacéutica • Componentes para la Industria electrónica • Componentes para la Industria Alimenticia
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El - Ultem® PEI El - Ultem® PEI es una polieterimida (PEI) de color ámbar traslúcido. Tiene una alta resistencia mecánica y térmica, además de excelentes propiedades dieléctricas. Se desempeña en uso continuo a 170 °C, haciéndolo ideal para aplicaciones de altos esfuerzos, calor y también cuando se requieren buenas propiedades dieléctricas en un amplio rango de frecuencia. Es resistente a la hidrólisis y altamente resistente a las soluciones ácidas y capaz de resistir ciclos repetidos en auto claves. Existen dos versiones el Ultem® PEI 1000 el cuál cumple don la FDA y UFP clase 4. y el Ultem® PEI 2300 el cuál está reforzado con el 30% de Fibra de Vidrio para mejorar su rigidez y su estabilidad dimensional. Características princip ales: • Alta resistencia mecánica y desempeño en uso continuo a temperatura de 170 °C. • Alta resistencia dieléctrica. • Flamabilidad en un rango UL94-V-0 con poca producción de humo. • También disponible en grado cargado con fibra de vidrio. Aplicaciones Típicas: • Dispositivos químicos • Instrumentación analítica • Aisladores eléctricos • Dispositivos estructurales de examinación • Sujetadores • Brazos posicionadores TEFLON o PTFE El politetrafluoretileno (PTFE) es un polímero similar al polietileno, donde los átomos de hidrógeno están sustituidos por flúor. Propiedades La virtud principal de este material es que es prácticamente inerte, no reacciona con otras sustancias químicas excepto en situaciones muy especiales. Esto se debe básicamente a la protección de los átomos de flúor sobre la cadena carbonada. Esta carencia de reactividad hace que su toxicidad sea prácticamente nula; de hecho es el material con el coeficiente de rozamiento más bajo conocido. Otra cualidad característica es su impermeabilidad, por lo que mantiene sus cualidades en ambientes húmedos. Es también un gran aislante eléctrico y sumamente flexible, no se altera por la acción de la luz y es capaz de soportar temperaturas desde -270ºC (3 K) hasta 300 ºC (573 K). Su cualidad más conocida es la antiadherencia. 13
Uno de los primeros usos que se dio a este material fue en el Proyecto Manhattan como recubrimiento de válvulas y como sellador en tubos que contenían hexafluoruro de uranio (material altamente radioactivo). El PTFE tiene múltiples aplicaciones, aunque no se dio salida en un principio (no se empezó a vender hasta 1946): En revestimientos de aviones, cohetes y naves espaciales debido a las grandes diferencias de temperatura que es capaz de soportar. En la industria se emplea en elementos articulados, ya que su capacidad antifricción permite eliminar el uso de lubricantes como el Krytox. En medicina, aprovechando que no reacciona con sustancias o tejidos y es flexible y antiadherente se utiliza para prótesis, creación de tejidos artificiales y vasos sanguíneos... En electrónica, como revestimiento de cables o dieléctrico de condesadores por su gran capacidad aislante y resistencia a la temperatura. En pinturas y barnices. En estructuras y elementos sometidos a ambientes corrosivos, así como en mangueras y conductos por los que circulan productos químicos. Hoy en dia tambien se le ha buscado un uso estético, se utiliza en el body piercing por que es un material inerte y fexible con lo cual no tenemos el riesgo ni de alergias ni de posibles desgarros de la piel cuando se nos enganchan en la ropa
Fluorosint® PTFE Es un politetrafluoroetileno (PTFE). Es el material a base de PTFE más dimensionalmente estable y que brinda gran resistencia química y al desgaste. Se ofrece en dos versiones: Fluorosint® 500 y Fluorosint® 207. Las propiedades únicas del Fluorosint® PTFE son el resultado propiamente del proceso en el cuál la mica sintéticamente fabricada es ligada químicamente al PTFE. Esta ligadura da como resultado propiedades normalmente no alcanzadas en productos en PTFE reforzados. El Nylamid® - Fluorosint® PTFE ofrece una excelente combinación de propiedades de baja fricción y estabilidad dimensional. El Fluorosint® 207 Está aprobado para trabajar en contacto con alimentos por la FDA y la USDA (organismos equivalentes a la secretaría de Salud y la SECOFI en México). Características princip ales: • Resistencia química paralela al PTFE. • Temperatura de uso continuo hasta 260 °C. • Comparado contra el PTFE: o mayor capacidad de carga. o un noveno de la deformación bajo carga. o menor coeficiente de expansión térmica. Aplicaciones Típicas: • Sellos laberínticos y cubiertas • Sellos de válvula • Brazo de desgaste en lavavajillas 14
• Empaques para gobernadores transmisión y potencia TECHTRON PPS Alta temperatura máxima de servicio en aire (220°C en continuo, hasta los 260°C para periodos cortos de exposición) Excelente resistencia mecánica, a la fluencia y rigidez, incluso a altas temperaturas Excelente resistencia química y a la hidrólisis Excelente comportamiento al desgaste y al rozamiento Muy buena estabilidad dimensional Excelente resistencia a las radiaciones de alta energía (rayos gamma y X) Muy buena resistencia a los rayos ultravioletas Resistencia intrínseca a la llama Buenas propiedades dieléctricas y como aislante •
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POLIETRETERQUETONO PEEK Es un material termoplástico parcialmente cristalino, que ofrece una combinación única de altas propiedades mecanicas, resistenca a la temperatura y excelente resistencia química. Por el conjunto de sus características distintivas es un material adecuado para aplicaciones que requieres altas prestaciones mecanicas bajo condiciones extremas de temperatura, agresividad química o alta energía radiante. Consecuentemente es empleado en toda la industria en general, y mas aun en los sectores de alta tecnología como los de la industria aeroespacial, nuclear, química, eléctrica y alimenticia. Características princip ales: Rango de temperatura de trabajo -60 ºC y 250 ºC Muy alta resistencia mecánica, rigidez y dureza Resistencia sobresaliente a la corrosión química y a la hidrólisis. Buena resistencia a la fluencia, incluso a temperaturas elevadas. Alto limite de fatiga Alta tenacidad Muy buena resistencia al desgaste Muy buena estabilidad dimensional Resistencia intrínseca a la llama Muy bajo nivel de humo durante la combustión Buenas propiedades dieléctricas y de aislamiento eléctrico Resistencia excepcional a los rayos de alta energía • • • • • • • • • • • •
APLICACIONES - Procesos químicos. - Cojinetes y jaulas de cojinetes. 15
- Levas y juntas. - Anillos roscadores y de fricción para pistones. - Componentes de válvulas y bombas. - Tecnología nuclear. El Torlon PAI ®
El Torlon PAI es una poliamidaimida (PAI) de color Negro / Amarillo Ocre. Rigidez y resistencia mecánica a temperaturas extremas. Se ofrece en diferentes versiones, de acuerdo a la necesidad específica. Por su versátil desempeño posibilita y aprueba usos en un amplio ramo de ® aplicaciones, el Torlon PAI se fabrica por extrusión, moldeo por inyección y moldeo por compresión. ® En formas extruídas o moldeadas por inyección, el Torlon PAI es el más alto desempeño a la fusión en el procesamiento de plásticos. Tiene superior resistencia a elevadas temperaturas. Es capaz de desempeñarse bajo severas condiciones de esfuerzos a temperaturas continuas de 260 °C. Las piezas ® maquinadas de Torlon PAI proveen más resistencia a la compresión y más resistencia al impacto que la mayoría de los plásticos avanzados de ingeniería. ® El Torlon PAI tiene un extremadamente bajo coeficiente lineal de expansión térmica y una alta resistencia al reblandecimiento dando como resultado una excelente estabilidad dimensional por arriba de su rango de servicio. Para grandes formas geométricas comunes como las barras tubulares, las ® presentaciones de Torlon PAI moldeadas por compresión ofrecen a los diseñadores la más grande economía y flexibilidad. Características princip ales: • Mantiene su resistencia y rigidez a 260 °C. • Mínimo rango de expansión a 200 °C. • En sus grados cojinete tiene un excelente resistencia al desgaste. • Capas de resistir condiciones severas de temperatura, ataque químico y esfuerzo. Ap li cacio nes Típi cas : Nidos para Chips y conectores Sellos laberínticos Conectores eléctricos de alta temperatura Jaulas para cojinetes Mandril para latas • • • • • •
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Celazole PBI ®
Celazole PBI es un polibenzimidazole (PBI) de color Negro. Este material tiene las mejores propiedades mecánicas de cualquier plástico arriba de 207 °C. 16
Tiene la temperatura más alta de deflexión al calor (427 °C), con una capacidad de servicio continuo de (399 °C) en ambientes inertes o (343 °C) en aire y de (538 °C) en periodos cortos de tiempo. Tiene el coeficiente más bajo de expansión térmica y la resistencia más alta a la compresión de todos los plásticos reforzados. ® El Celazole PBI puede ser la única solución donde ningún material sea utilizable. Es un material muy solicitado para sectores industriales de alta tecnología como los semiconductores, la industria aeronáutica y aeroespacial. Características principales: • Excelente resistencia química. • Muy baja absorción de humedad. • Buena resistencia al desgaste y la abrasión. • Excelente para exposición continua a vapor y agua caliente. • Temperatura máxima de servicio en aire extremadamente alta (343 °C continuos y hasta 538 °C en periodos cortos). • Excelente retención de su resistencia mecánica a la fluencia y rigidez, a lo largo de una amplia gama de temperaturas. • Resistencia intrínseca a la flama. • Buenas propiedades dieléctricas. • Baja emisión de gases contaminantes en vacío. • Elevada pureza iónica. • Excelente resistencia a las radiaciones de alta energía. Ap li cacio nes Típi cas : Bushings Dedos sujetadores para la fabricación de lámparas incandescentes y fluorescentes Conectores eléctricos Sellos y asientos para válvulas de bola • •
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ENSAYOS De los ensayos de plásticos pueden obtenerse resultados muy dispersos debido tanto a la fabricación y aditivado de las materias como a los procesos de transformación. Por ello, son precisos diversos análisis para determinar los parámetros del material. Tipos de ensayos de caracterización El comportamiento mecánico - Para conocer el comportamiento mecánico de los materiales se realizan habitualmente ensayos de tracción, compresión o flexión, donde se evalúa la resistencia del plástico a ser deformado y la magnitud de esa deformación en el punto donde se rompe el material, si es el caso, y en el punto donde cambia su comportamiento, pasando de un comportamiento elástico a plástico. También obtenemos información de su módulo de elasticidad, el cual indica si el material es rígido o flexible. 17
Mediante ensayos de impacto (Izod, Charpy, impacto a alta velocidad, ensayos de caída...) se determina la cantidad de energía que es capaz de absorber el material cuando recibe un golpe. Otra característica, como la dureza del material se puede determinar mediante durómetro (dureza Shore) o el método Rockwell (penetración de una bola). El comportamiento mecánico de los plásticos reforzados es diferente según la cantidad y tipo de carga que contengan. Caracterización térmica - Dada la gran sensibilidad que presentan los plásticos frente a la temperatura, la caracterización térmica es tan importante como la mecánica. Las técnicas de termoanálisis proporcionan gran cantidad de información sobre la estructura y composición del plástico. Por ejemplo, mediante termogravimetría (TG) se puede conocer si el material es puro o contiene cargas u otras materias inorgánicas. La estructura amorfa o cristalina de los termoplásticos se observa claramente mediante DSC, así como la temperatura de fusión, en el caso de los parcialmente cristalinos, la temperatura de transición vítrea, el calor específico, entalpías de fusión etc. La determinación del índice de fluidez proporciona información sobre el peso molecular del polímero y su fluidez en estado fundido; y otra de las características interesantes en vista a una aplicación práctica es la temperatura de reblandecimiento del material, la cual nos da una idea sobre el intervalo de temperatura de uso. Esta temperatura la podemos obtener mediante el método Vicat, análisis termomecánico o deflexión bajo carga. Envejecimiento acelerado - Estos ensayos sirven de gran ayuda para conocer la potencial duración y/o comportamiento de una pieza o producto acabado, cuando están sometidos a un ambiente o condiciones determinadas. Dependiendo de la estructura del plástico y del medio en el que se encuentre, éste se comportará de forma diferente. Utilizando cámaras de ensayo (niebla salina, cámara climática y de envejecimiento a la luz) se puede reproducir la influencia de la radiación solar, la temperatura, la lluvia, la humedad, etc. y comprobar si el material se degrada, cambia de color, si presenta tensiones en su estructura, si el recubrimiento o pintura, si es el caso, es atacado o no está bien adherido, etc. Composición cualitativa y cuantitativa de las formulaciones - es analizada mediante otras técnicas más sofisticadas, las cuales requieren una preparación de muestra más elaborada y que permite identificar los diversos aditivos que contienen los plásticos, como colorantes, plastificantes, estabilizantes, perfumes, y otros. Para ello se dispone de técnicas espectroscópicas (espectroscopía de infrarrojo, IR, y ultravioleta-visible), cromatográficas (cromatografía de gases y líquida de alta resolución, HPLC), espectrometría de masas, extractor de fluidos supercríticos, microondas. Además, mediante espectroscopía IR y HPLC se identifica la estructura y componentes del material plástico pudiendo conocer si se trata de una mezcla de plásticos.
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Prueba de tensión ASTM D 638:
Es la más importante relación con la resistencia de un material. Fuerza necesario para estirar un material hasta romperlo: Elongación. Produce curvas esfuerzodeformación. Graficas Esfuerzo-Elongación
La forma de la curva Esfuerzo-elongación nos relaciona la rigidez y la resistencia del material. A mayor área bajo la curva entontes más rígido es el plástico. Ensayos de Tensión
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Densidad - Se utiliza una balanza hidrostática en
que la muestra, después de pesarla en el aire (masa m), se pesa suspendida (masa m) dentro de un líquido de ensayo (agua destilada, o metanol para goma, PE y PP) cuya densidad (F) viene dada por un aerómetro y la densidad se calcula según la fórmula = (m x F)/(m-m), con resultado en g/cm o bien kg/m si se trata de espumas. El test de análisis de densidad es el método ASTM D792. Ensayo de compresión
Métod o para determinar el comporta-miento de materiales bajo cargas aplastantes. La probeta se comprime y se registra la deformación con distintas cargas. El esfuerzo y la deformación de compresión se calculan y se trazan como un diagrama carga-deformación, utilizado para determinar el límite elástico, el límite proporcional, el punto de fluencia, el Esfuerzo de fluencia y, en algunos materiales, la resistencia a la compresión. Norma ASTM D-695 (plásticos)
Ensayo de Impacto ASTM D256 Que es Impacto? 20
Es la energía requerida para romper una probeta bajo una condición estándar Significado: Mide el trabajo requerido para crear nuevas superficies Habilidad del material para absorber energía (J/pulgada) Donde aplicarlo: Materiales de alto impacto Comparación de plásticos •
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Ensayo de impacto mide la relación de las cargas dinámicas con: 1. Energía de formación de fractura 2. Energía de propagación de fractura Que afecta el impacto? Velocidad de carga Temperatura Procesamiento Orientación Cristalinidad/Peso molecular Muesca de la muestra • • • • • •
Ensayo de resistencia al impacto - Se suelen utilizar tres tipos de probetas; la
varilla de 50x6x4 mm es la clásica para termoplásticos, la de 120x15x10 mm para reforzados con fibras y la Dynstat DIN 53435 de 15x10x(1,2 a 4,5) mm la indicada para tomarla a partir de piezas inyectadas. Se utilizan con entallas en U, W o perforadas para el ensayo con entalla. Se utilizan aparatos de tipo de péndulo con un martillo que desarrolle enre el 80% y el 10% de su capacidad de trabajo. El ensayo Charpy es de flexión entre tres puntos, estando fijada la probeta en ambos extremos y golpeando el martillo en el centro.
Ensayo de flexión-impacto - En el
impacto Izod se sujeta la probeta entallada por un solo extremo con una mordaza fija y otra móvil, en posición lateral. El cálculo de resistencia al impacto se realiza a partir del diferencial de los trabajos de choque que se lee en el mismo aparato. 21
Puede efectuarse con la entalla en la cara que recibe el choque (ISO 180/1A) o en la cara opuesta (ISO 180/1C), en la zona de compresión/flexión ( reversed notch).
Ensayo de tracción-impacto -
La probeta puede o no tener entalla y se somete a una fuerza repartida por toda la sección, hasta la rotura. Este ensayo, más costoso, se suele utilizar cuando no ha habido rotura en el ensayo Charpy. La probeta se fija por un extremo y se sujeta por otro a un yugo móvil que es el que recibe, por ambos lados de la probeta, el golpe del martillo que tiene la parte inferior hendida convenientemente, de modo que la probeta sufre siempre un golpe a tracción.
Relación Impacto vs. Temperatura
Ensayo de Dureza ASTM D 2240 Que es la dureza? 22
Resistencia a la deformación permanente Durómetro : plásticos suaves, elastómeros o cauchos Dureza Rockwell : plásticos duros y reforzado No significa resistencia a la abrasión o rallado Variables que afectan la dureza Condiciones ambientales Condiciones de superficies Relleno o aditivos Anisotropía •
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Ensayo de dureza a la presión de la bola - Se efectúa mediante un durómetro con
una bola en la punta que, tras apoyarla libremente sobre la muestra, al aplicar una fuerza determinada, penetra en una profundidad que registra el aparato para dar la medida de dureza. Si la muestra tiene 4 mm o menos de espesor, debe registrarse para tener en cuenta el posible efecto de la base de apoyo. Ensayo de flexión Método para medir el comportamiento de los materiales sometidos a la carga de la viga simple. Con algunos materiales, también se denomina ensayo de la viga transversal. La probeta está soportada por dos cuchillas como viga simple y la carga se aplica en su punto medio. El esfuerzo máximo de la fibra y la deformación máxima se calculan en incrementos de carga. Los resultados se trazan en un Diagrama carga-deformación y el esfuerzo máximo de la fibra es la resistencia a la flexión. Se presenta la resistencia de fluencia de la flexión en aquellos materiales que no se rompen. Los procedimientos de ensayo estándares se especifican en ASTM D-790 Propiedades térmicas Porque las propiedades térmicas son importantes? Los plásticos son extremadamente sensibles a los cambio de temperatura Transición vítrea afecta a todas las propiedades Orientación tiende a disminuir la estabilidad dimensional a elevadas temperatura El peso molecular afecta la temperatura a la cual el polímero es flexible o frágil • • •
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Cambio de cristalinidad, enlace intermolecular o reticulacion puede variar en partes Aditivos pueden degradarse Variación en el tiempo
Medición de prop iedades térmicas Resistencia a deformación por calor s egún Martens - Se sitúa la probeta en
vertical anclada por la parte inferior y en la superior se sujeta un brazo de l=240 mm y se mide la temperatura a cada 6 mm de descenso de la punta del brazo. Conviene efectuar el ensayo en cámara para evitar la influencia de las corrientes de aire. Determinación de la temperatura de deformación po r c alor - Según DIN 53461,
el ensayo se monta situando la probeta de canto en un baño (de aceite de silicona) a 100 mm de distancia entre apoyos y se aplica la fuerza en el centro de la probeta mediante un peso. La temperatura de deformación se mide al alcanzar una flecha específica correspondiente a la altura de la probeta. Temperatura de ablandamiento VICAT ASTM D 1525 Con la probeta sumergida en un líquido de acondicionamiento térmico, el ensayo se realiza mediante la presión de un punzón cilíndrico de acero, cargado con un peso constante, cuya punta tiene una superficie de apoyo de 1 mm y se inicia a unos 50 K por debajo del Vicat esperado, incrementando luego la temperatura a razón de 50 K/hora o 120 K/hora, hasta que el punzón penetra hasta 10,1 mm. Intervalos de temperatura de uso - Son las temperaturas máxima en que una
pieza de un plástico no rebasa la deformación o tensión admisibles como consecuencia de la pérdida de módulo elástico, y mínima en que no se produce una fragilización importante. Como dependen también del nivel de solicitación, estos datos tienen una validez relativa y para determinarlos en función de las cargas es mejor tomar como guía el ensayo de vibración torsional arriba descrito. Ensayo de conduc tividad térmica - Se efectúa situando en sandwich dos
probetas entre tres planchas metálicas de Poensgen, la central calefactora y las externas refrigerantes, situando el conjunto en un aislante térmico. Las temperaturas superficiales se miden con termoelementos, con diferenciales entre la cara caliente y fría de la probeta de 10 K y la conductividad se mide en relación con el flujo térmico. Medición del coeficiente de dilatación lineal - Debe tenerse en cuenta, al utilizar
el dilatómetro para metales que, debido a la contracción posterior y a la absorción de humedad, los plásticos dan errores mayores. Puede efectuarse el ensayo por 24
aumento constante de la temperatura (1 K/min), o bien por medición entre dos puntos a dos temperaturas y se determina el coeficiente durante el calentamiento y enfriamiento posterior, sin que en el intervalo de temperaturas elegido puedan ocurrir cambios de estado (puntos de transición térmica). Evaluación del c omportamiento al fuego El comportamiento frente a la llama de pende de varios factores: el espesor del material, si existe un porcentaje elevado de cargas inertes o de absorción de humedad (PA) y, en el caso de los composites, del porcentaje de fibras. Si éstas superan el 50% en volumen, el material arde con dificultad y sólo superficialmente (la matriz en superficie) y luego es incombustible. Ensayos de combustibilidad- Existen varios ensayos cuya aplicación depende de
la legislación de cada país. El más universal es el de la norma UL 94 V de los Underwriters Laboratories, que usa 5 probetas de 127 mm suspendidas verticalmente sobre un mechero en una vitrina sin tiro de aire. La distancia de la boca de la llama, de 19 mm de longitud, al extremo inferior de la probeta es de 9,5 mm y se somete al fuego dos veces durante 10 seg. La clasificación depende de los tiempos en que continúa encendida la probeta (si arde), de si se quema por completo o de si se funde y gotea. Ensayos eléctrico s Rigidez dieléctrica- Al aumentar la diferencia de potencial entre dos electrodos
separados por un material aislante se produce una perforación en éste y, a veces, una descarga a través del aire en su superficie. Este voltaje de perforación o disruptivo, dividido por el espesor del material define la rigidez dieléctrica, que no es la misma para todos los espesores. Para el ensayo se utilizan varios tipos de electrodo: de plancha contra plancha P/P, de bola contra bola B/B o de bola contra plancha B/P, siendo el más frecuente el B20/P50 en aceite de transformador (bola Ø20 mm/plancha Ø50 mm) y probeta de s = 3 mm. Se utiliza voltaje alterno técnico incrementando desde cero hasta producir la perforación. Resistencia superficial específica - Al
colocar dos electrodos sobre una placa de plástico, la corriente circula por la superficie de la misma y también por el interior. Esta resistencia aumenta cuando disminuye el espesor de la probeta, el ancho de los electrodos y el voltaje aplicado. Influyen además la humedad de la probeta y del aire, así como la contaminación o suciedad superficial del plástico. 25
Los electrodos suelen ser dos cuchillas metálicas elásticas o trazos adherentes de plata. Resistencia transversal específica - En este caso, el electrodo es un disco con
anillo de protección de toma de tierra y el contraelectrodo una placa con pies aislantes, situándose entrambos una probeta con una presión de 0,2 N/cm. Si el contacto no es perfecto se aplican trazos de plata adherente. La resistencia transversal se calcula por la resistencia medida, multiplicada por la superficie y dividida por el espesor de la probeta. Formación de caminos de fuga- Éstos resultan de la formación de atajos conductores en la superficie del plástico ( tracking) y se ensaya con una
disposición en la que sobre la probeta contactan dos electrodos en forma de cuchilla inclinados a 30 y separados por 40,1 mm. En la franja entre ambos se dejan caer gotas de una solución de NH 4Cl al 0,1% o con otros aditivos a intervalos de 30 s. En la determinación de índice comparativo (CTI) se halla el voltaje máximo después de 50 gotas sin formar camino de fuga con erosión superficial. Constante dieléctrica y factor de pérdida - La constante es el cociente de la
capacidad de un condensador con aislante del material a medir con la del mismo con los electrodos separados por vacío y representa el grado de polarización del aislante. El factor de pérdida tan de un aislante es la tangente del ángulo de pérdida, equivalente a un desfase /2 entre intensidad y voltaje en el condensador. El instrumento de medida es un puente Schering de alta tensión (50 Hz) o puente de baja tensión con o sin derivación de Wagner (50 Hz, 1 kHz, 1 MHz). Ensayos de fricción y desgaste- Para obtener estas características deben
relacionarse los pares de materiales entre los que se produce la fricción, teniendo en cuenta la temperatura, calidad y presión superficiales y velocidad de deslizamiento. Los ensayos se efectúan con discos abrasivos Böhme o con volantes de fricción.
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