POLIMEROS, CERAMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS Los Los plást plástic icos os son uno uno de los nume numeros rosos os mater material iales es polim polimér éric icos os y tien tienen en moléc molécula ulas s extr extrem emad adam amen ente te gran grande des s (macromoléculas o moléculas gigantes). Debido Debido a sus múltip múltiples les propie propiedade dades s únicas únicas y diversas diversas,, los polímer polímeros os han remplaz remplazado ado de manera manera crecien creciente te a los componentes metálicos en aplicaciones como automóviles, aeronaves civiles y militares, artículos deportivos, juguetes, electrod electrodomé oméstic sticos os y equipo equipo de oficin oficina. a. Estas Estas sustitu sustitucion ciones es refleja reflejan n las ventaj ventajas as de los polímer polímeros os en función función de las siguientes características: Resistencia a la corrosión y resistencia a los productos químicos Baja conductividad eléctrica y térmica Baja densidad Alta relación resistencia a peso (particularmente cuando son reforzados) Reducción del ruido Amplia lias opc opciones de colo olores y transparen arenc cias Facil acilid idad ad de man manuf ufac actu turra y pos posib ibil ilid idad ades es de dise diseño ño com complejo lejo Costo relativamente bajo Otras características que pueden ser deseables o no (lo que depende de la aplicación), como baja resistencia y rigidez, alto coeficiente de expansión térmica, gama de temperatura útil baja: 350°C (660°F), y menor estabilidad dimensional en servicio por cierto periodo. ESTRUCTURA DE LOS POLIMEROS Las propiedades de los polímeros dependen en gran medida de las estructuras de sus moléculas individuales, la forma y el tamaño de la molécula, y como se arreglan para formar la estructura de un polímero. Los polímeros son moléculas de cadena larga que se forman por POLIMERIZACION (esto es, mediante el enlace y el enlace cruzado de diferentes Monómeros). Un monómero (significa parte) es el elemento básico de un polímero. Polímero significa "muchos meros", por lo general repetidos cientos o miles miles en una estructura similar a una cadena.
Las propiedades de un polímero dependen no solo del tipo de monómeros, sino también de su arreglo en la estructura molecular. 1
En los polímeros ramificados, la ramificación interfiere en el movimiento relativo de las cadenas moleculares. En consecuencia, aumenta su resistencia a la deformación y al agrietamiento por esfuerzo. La densidad de los polímeros ramificados es menor que la de los polímeros de cadenas lineales, por que las ramas interfieren en el empaquetamiento eficiente de las cadenas de los polímeros. A los polímeros con una estructura de cadena de enlace cruzado se les llama termofijos o plásticos termofijos; ejemplos de ello son los epoxicos, fenólicos, y siliconas. El enlace cruzado influye de modo importante en las propiedades de los polímeros (por lo común aportando dureza, resistencia, rigidez, fragilidad y mejor estabilidad dimensional), así como en la vulcanización del hule. Los copolímeros contienen dos tipos de polímeros (por ejemplo, estireno-butadieno, que se utiliza ampliamente en llantas para automóviles). Los terpolimeros contienen tres tipos, por ejemplo, ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno), que se utiliza para cascos, teléfonos y recubrimientos de refrigeradores. Los polímeros como el polimetilmetacrilato, el policarbonato y el poliestireno suelen ser amorfos; esto es, las cadenas de polímeros existen sin un patrón repetitivo de largo alcance. Se dice con frecuencia que el arreglo amorfo de las cadenas de polímeros es como un plato de espagueti o como lombrices en una cubeta: todos enlazados unos con otros. Sin embargo en ciertos polímeros es posible impartir alguna cristalinidad. A las regiones cristalinas en los polímeros se les llama cristalitas. Se puede considerar un polímero parcialmente cristalino (semicristalino) como un material bifásico, con una fase cristalina y otra amorfa. El grado de cristalinidad afecta en gran medida las propiedades mecánicas y físicas de los polímeros: a medida que la cristalinidad aumenta, los polímeros se vuelven rígidos, más duros, menos dúctiles, más densos, menos flexibles, y más resistentes a los solventes y al calor. Los polímeros que son totalmente amorfos pueden ser transparentes, como el policarbonato y los acrílicos.
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Los polímeros amorfos a bajas temperaturas son duros, rígidos, frágiles y vítreos; a altas temperaturas son gomosos o correosos. La temperatura a la cual ocurre dicha transición se le llama temperatura de transición vítrea (Tg), una excepción es el policarbonato, que no es rígido ni frágil debajo de esta temperatura de transición vítrea. El policarbonato es tenaz a temperatura ambiente y se usa para fabricar cascos y escudos de seguridad. Temperaturas de transición vítrea y de fusión de algunos polímeros MATERIAL Tg (°C) Tm (°C) Nailon 6,6 57 265 Policarbonato 150 265 Poliéster 73 265 Polietileno Alta densidad -90 137 Baja densidad -110 115 Polimetilmetacrilato 105 ------Polipropileno -14 176 Poliestireno 100 239 Politetrafluoroetileno -90 327 Cloruro de polivinilo 87 212 Hule -73 ----El comportamiento frágil de los polímeros amorfos por debajo de su temperatura de transición vítrea se puede reducir mezclándolos, por lo general con pequeñas cantidades de un elastómero. Estas diminutas partículas se dispersan a través de todo el polímero amorfo, aumentando su tenacidad y su resistencia al impacto al mejorar su resistencia a la propagación de las grietas. A estas mezclas de polímeros se les conoce como polímeros modificados con hule. Conforme se eleva la temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea o del punto de fusión, algunos polímeros se vuelven más fáciles de formar o moldear. Los polímeros termofijos no tienen una temperatura de transición vítrea rigurosamente definida. Debido a la naturaleza de los enlaces, la resistencia y dureza de un termofijo no son afectadas por la temperatura o por la velocidad de deformación. Si se aumenta la temperatura lo suficiente, el polímero termofijo comienza a quemarse, degradarse y carbonizarse. En general los termofijos poseen mejores propiedades mecánicas, térmicas y químicas, resistencia eléctrica y estabilidad dimensional que los termoplásticos. Un termofijo común es el fenólico, producto de la reacción entre el fenol y el formaldehído. Los mangos y perillas de los recipientes de cocina y sartenes y de los componentes de interruptores y tomas de energia eléctrica son productos comunes fabricados a partir de este polímero. ADITIVOS EN PLASTICOS 1. Los plastificantes (solventes de bajo peso molecular con altos puntos de ebullición-no volátiles) se agregan para aportarles flexibilidad y suavidad, reduciendo su temperatura de transición vítrea. 2. Negro de humo (hollín) para la protección contra la radiación ultravioleta (como la luz solar) 3. colorantes ya sea orgánicos (tintas) o inorgánicos (pigmentos). Los pigmentos tienen mejor resistencia a la temperatura y a la luz que los tintes. 4. Compuestos de cloro, bromo y fósforo para reducir la inflamabilidad (la capacidad de tolerar la combustión) 5. Lubricantes para reducir la fricción durante su procesamiento posterior en productos útiles y para evitar que las partes se peguen a los moldes. Por ejemplo: aceite de linaza, mineral y ceras (naturales y sintéticas)
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CERAMICOS La palabra cerámica se deriva del griego keramos, que significa material quemado o de alfarería. Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Los cerámicos se pueden dividir en dos categorías generales: 1. Cerámicos tradicionales: objetos de cerámica blanca, losetas, ladrillos, tubos de drenaje, utensilios de cocina y discos abrasivos. 2. Cerámicos industriales (también conocidos como cerámicos de ingeniería, alta tecnología o finos): componentes de turbina, automotores y aeroespaciales, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos, prótesis y herramientas de corte. La estructura de los cristales de cerámico (que contienen varios átomos de diferentes dimensiones) es una de las más complejas de todas las estructuras de materiales. Por lo general, el enlace entre estos átomos es covalente o iónico (enlaces más fuertes que los metálicos). Por consiguiente, propiedades como la dureza y la resistencia térmica y eléctrica son sustancialmente más altas en los cerámicos que en los metales. Los cerámicos están disponibles en forma monocristalino o policristalina. El tamaño de grano tiene una influencia principal en la resistencia y las propiedades de los cerámicos, cuanto mas fino sea el tamaño del grano, mas altas serán la resistencia y tenacidad. Existen dos tipos principales de cerámicos a base de oxido: alumina y zirconia Alumina: También conocida como corindón o esmeril, la alumina (oxido de aluminio, Al 2O3) es el cerámico a base de oxido mas utilizado, ya sea en forma pura o mezclado con otros óxidos. Zirconia: La zirconia (oxido de zirconio, ZrO 2, de color blanco) presenta buena tenacidad, buena resistencia al impacto térmico, al desgaste y a la corrosión. Otros tipos: Carburos: Los carburos típicos están hechos de tungsteno y titano (utilizados como herramientas de corte) y de silicio (usados como abrasivos, especialmente en piedras de esmerilado) Nitruros, sílice, vidrios, cerámicos vidriados, grafito, diamante.
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En comparación con los metales, los cerámicos tienen las siguientes características: fragilidad, alta resistencia y dureza a temperaturas elevadas; alto modulo elástico; baja tenacidad, densidad, dilatación térmica, y baja conductividad térmica y eléctrica.
Costura de latas metálicas, medidores de flujo de alta velocidad y las bombas de oxigeno e hidrogeno liquido del cohete principal del transbordador espacial. Bioceramicos: debido a su resistencia y a que son inertes, los cerámicos se utilizan como biomateriales (bioceramicos9 para reemplazar articulaciones en el cuerpo humano, como dispositivos protésicos y en trabajos dentales. Los implantes de cerámico pueden hacerse porosos, por lo que el hueso puede crecer dentro de la estructura porosa (al igual que en los implantes de titanio poroso) y desarrollar una fuerte unión con integridad estructural. Los vidrios son líquidos superenfriados y están disponibles en una amplia variedad de composiciones y propiedades mecánicas, físicas y ópticas. El grafito, los fulerenos y el diamante son formas de carbono que presentan combinaciones poco comunes de propiedades. El grafito se usa en procesos de alta temperatura y eléctricos, las fibras de grafito se utilizan para reforzar plásticos. Los diamantes (natural y sintético) se utilizan como herramientas de corte en operaciones finas de maquinado, como matrices para estirado de cables delgados y como abrasivos para disco de rectificado. El carbono similar al diamante se aplica como material de recubrimiento que mejora la resistencia contra el desgaste. Actividad: Liste las piezas de cerámico que puede encontrar en su casa y en su auto. Explique porque están hechas de cerámico. 6
MATERIALES COMPOSITOS Un material composito es una combinación de dos o más fases químicamente distintas e insolubles con una interfaz reconocible, de manera que sus propiedades y su desempeño estructural son superiores a las de los componentes cuando actúan de manera independiente. A estas combinaciones se les llama compositos de matriz metálica y de matriz cerámica. Se han descubierto cada vez mas aplicaciones de los materiales compositos en aeronaves, vehículos espaciales, estructuras submarinas, tubería, electrónica, automóviles, embarcaciones y productos deportivos.El ejemplo mas antiguo de composito es la adición de paja a la arcillas para construir chozas de adobe y ladrillo de uso estructural. En términos mas generales, los materiales compositos pueden ser considerados como los que poseen una amplia variedad de materiales, como los cermets, las aleaciones de dos fases, los materiales naturales como la madera y los huesos, y los materiales reforzados y combinados, como las llantas de automóvil reforzadas con acero.
Los plásticos reforzados, también conocidos como compositos de matriz polimérica (PMC) y plásticos reforzados con fibra (FRP), están constituidos por fibras en una matriz polimérica; estas fibras son resistentes y rígidas y presentan alta resistencia especifica (relación de resistencia a peso) y rigidez especifica (relación de resistencia a peso).
Esquema de los métodos para reforzamiento de plásticos (la matriz) con a) partículas, b) fibras cortas o largas, u hojuelas y c) a todo lo largo e) de fibras continúas. Las estructuras laminadas mostradas en d) se pueden obtener mediante capas de fibras continuas o estructuras tipo sándwich utilizando un núcleo de espuma o tipo panal.
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TIPOS Y CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS MATERIALES COMPOSITOS MATERIAL CARACTERISTICAS Fibras - vidrio Alta resistencia, baja rigidez, alta densidad; costo mas bajo; tipos comúnmente utilizados: E (aluminoborosilicato de calcio) y S (magnesia-aluminosilicato). - grafito Alta resistencia; costo bajo; menos denso que el vidrio - boro Alta resistencia y rigidez; la densidad mas alta; el costo mas alto; tiene filamento de tungsteno en el centro - aramidas La relación de resistencia a peso más alta de todas las fibras; alto costo. (kevlar) - otras fibras Nailon, carburo de silicio, nitruro de silicio, oxido de aluminio, carburo de boro, nitruro de boro, carburo de tantalio, acero, tungsteno, molibdeno. Materiales para matrices Termofijos Epoxico y poliéster; fenólicos, fluoro carbonos, polietersulfona, silicio y poliamidas Termoplásticos Polieteretercetona, más tenaz que los termofijos pero de menor resistencia a la temperatura. Metales Aluminio, aluminio y litio, magnesio y titanio; las fibras son grafito, oxido de aluminio, carburo de silicio y boro. Cerámicas Carburo de silicio, nitruro de silicio, oxido de aluminio y mulita; las fibras son varios cerámicos.
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Caliper de frenos mediante una aleación de aluminio reforzado localmente con insertos de composito prefundido, utilizando fibras cerámicas continuas, este produce un ahorro de 50% en peso y proporciona ventajas adicionales de fácil reciclaje y resistencia a la corrosión.
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Los blindajes duros utilizan varios diseños, pero en general constan de placas de acero, cerámica (comúnmente oxido de aluminio y sílice) o polietileno, localizadas de modo estratégico para evitar la penetración de partículas de balas en áreas criticas. Los diseños que se evalúan en la actualidad utilizan fluidos con nanoparticulas de sílice suspendidas. A bajas velocidades de deformación, estos fluidos no son viscosos y fluyen con facilidad; a latas velocidades de deformación, características de las partículas de balas, los fluidos son muy resistentes y pueden proporcionar protección adicional. La malla de fibra tejida contiene el fluido (actúa como una esponja que mantiene el fluido en su lugar) y a su vez es contenida por la tela exterior. Además, ya se ha desarrollado un casco militar de compositos que, a pesar de que pesa lo mismo que un casco convencional de manganeso y acero, cubre una parte mayor de la cabeza y ofrece el doble de protección balística y contra fragmentos. Un casco de composito esta construido con fibra tejida hecha de fibras Spectra en una matriz polimérica termofija, lo que detiene de manera eficaz la bala, aplastándola cuando golpea la primera capa del material.
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