Instituto Institut o Te Tecnológico Superior de Cananea
Polímeros y Materiales Compuestos Materia: Procesos de Manufactura Nombre: Douglas Alan Galve !" Docente: !lanca Ibet# Alfaro $onapa
%&'()')%(*
INDICE 1- Introducción a los Polímeros……………..……….1 2- Polímeros……………………………………………...2 3- Polimeriación………………………………………..2 3.1- Polimeriación por adición 3.2- Polimeriación por Condensación !- Estructuras Estructuras de los Polímeros………… Polímeros………………….….. ……….…..." ." "- Cristalinid Cristalinidad ad de de los los Polímeros……… Polímeros…………………….." …………….." #- $ipos $ipos de Polímer Polímeros…… os……………… …………………… …………………. ………...# ..# #.1- Polímeros $ermopl%sticos $ermopl%sticos #.2- Polímeros $ermo&i'os $ermo&i'os #.3- Polímeros Elastómeros (- Introducción Introducción a los los Material Materiales es Compue Compuestos………) stos………) *- Materi Materiale ales s Compue Compuesto stos……… s………………… …………………… …………... ...1+ 1+ )- Propiedades Propiedades de los los Materiale Materiales s Compuesto Compuestos……..1 s……..1+ + ).1- Propiedades Mec%nicas ).2- ,esistencia a la Corrosión 1+- Estructuras de los Materiales Compuestos………12 1+.1- Matri 1+.2- Material de ,e&uero 11- ira de /idrio………………………………………..13 12- ira de Carono…………………………………….1! 13- Cementos y 0ormiones……………………………1# 1!- Importancia de los Materiales Compuestos……..1( 1"- Conclusión……………………………………………..1* 1#- iliora&ía…………………………………………….1)
Introducción a los Polímeros +a palabra pl,stico se usó originalmente como ad-etivo para denotar un cierto grado de movilidad . facilidad para ad/uirir cierta forma0 sentido /ue se conserva en el t1rmino plasticidad" Actualmente los pl,sticos se conocen formalmente como pol2meros" Antes de crearse los pol2meros0 la madre naturalea era la 3nica . e4clusiva fuente de materiales con /ue el #ombre contaba para la realiación de sus #erramientas0 3tiles . ob-etos de uso cotidiano" +as propiedades /ue ofrec2an las piedras0 las maderas o los metales no satisfac2an todas las demandas e4istentes as2 /ue0 el #ombre en su innato af,n de investigación . b3s/ueda comenó a aplicar sustancias /ue suplieran estas carencias5 se manipulan los pol2meros naturales: el asta natural0 la goma laca . la gutaperc#a son los precursores de los pol2meros actuales" +os pl,sticos #an sustituido en muc#os usos a otros materiales empleados desde #ace muc#o tiempo0 como los metales0 la madera0 el vidrio0 la lana . el algodón0 por/ue representan venta-as sobre ellos: son m,s ligeros0 m,s resistentes a los impactos . a la intemperie0 son moldeables .0 en general0 presentan un menor costo /ue los materiales a los /ue sustitu.eron"
1
Polímeros +a materia est, formada por mol1culas /ue pueden ser de tama6o normal o mol1culas gigantes llamadas pol2meros" +os pol2meros se producen por la unión de cientos de miles de mol1culas pe/ue6as denominadas monómeros /ue forman enormes cadenas de las formas m,s diversas" Algunas parecen fideos0 otras tienen ramificaciones0 algunas m,s se aseme-an a las escaleras de mano . otras son
como
redes
tridimensionales"
+a ma.or parte de los pol2meros est,n formados por estructuras de carbón . por tanto se consideran compuestos org,nicos" Aun/ue e4isten pol2meros naturales de gran valor comercial0 la ma.or parte de los pol2meros /ue usamos en nuestra vida diaria0 son materiales sint1ticos con propiedades . aplicaciones variadas"
Polimeriación +os dos m1todos principales para la obtención de pol2meros son la polimeriación por adición . la polimeriación por condensación" +as propiedades /u2micas de los pol2meros son similares a las de sus mol1culas pe/ue6as" 7n grupo funcional unido a una cadena pol2mera reacciona generalmente en la misma forma /ue si estuviera presente en un monómero" No obstante0 la rapide con la /ue reaccionan los grupos funcionales unidos a las cadenas pol2meras puede ser mu. diferente" Debido a las propiedades mec,nicas peculiares de los pol2meros0 algunos son sometidos a fuertes deformaciones sin /ue se rompan0 otros son duros . fuertes0 otros suaves . fle4ibles . otros pueden soportar impactos considerables sin romperse" 8l comportamiento inusual de un pol2mero se debe a la gran cantidad de interacciones entre sus cadenas" 8stas interacciones consisten de varios tipos de enlaces intermoleculares . de arreglos f2sicos" +a magnitud de dic#as interacciones depende de la naturalea de las fueras0 de la
2
manera en /ue son compactadas las cadenas . de la fle4ibilidad /ue tenga la cadena pol2mero" Polimeriación por adición
+a primera reacción de adición implica la activación /u2mica e4terna de las mol1culas /ue las induce a combinarse en una reacción en cadena"
3
Polimeriación por Condensación
8n este proceso la unión /u2mica de dos mol1culas distintas en proporción este/uiom1trica se consigue mediante la formación de una mol1cula secundaria" 8l producto secundario residual se e4trae inmediatamente del pol2mero para evitar la in#ibición del proceso o la aparición de impureas en los productos finales" Al comparar este m1todo con el de adición #a. /ue se6alar la ausencia de iniciador0 la pr,ctica desaparición de monómeros al iniciarse la polimeriación0 gener,ndose d2meros0 tr2meros0 etc" . /ue el final del crecimiento se consigue al a6adir mol1culas mono funcionales"
4
Estructuras de los Polímeros HOMOPOLÍMEROS: formados por una única unidad repetitiva
!OPOL"MEROS: formados por m#s de una unidad repetitiva
Cristalinidad de Polímeros Antes de (9)%0 los investigadores /u2micos no sólo afirmaban /ue las macromol1culas no e4ist2an0
sino /ue tambi1n
los
productos
llamados
macromoleculares como las prote2nas0 los elastómeros del #evea . la celulosa no pod2an e4istir en forma cristalina" Sin embargo0 a principios de los a6os )%0 a;ort#0 utiliando t1cnicas de difracción de ra.os < demostró /ue la celulosa estirada era un pol2mero cristalino constituido por unidades repetitivas de celobiosa" 8n (9)*0 =at0 colocó una goma de cauc#o natural estirada en un espectrómetro de ra.os < . para su sorpresa0 comprobó /ue presentaba un patrón de interferencia t2pico de una sustancia cristalina" asta el a6o (9*> no se obtuvieron los primeros cristales de polietileno con un tama6o suficiente para ser estudiados" 8stos cristales0 obtenidos por precipitación de una solución mu. diluida0 . observados al microscopio electrónico0 ten2an la forma de discos de mu. pe/ue6o espesor ?(% @ )% nm" Sorprendentemente la dirección de alineamiento de las cadenas de pol2mero
$
coincid2a con la del espesor del cristal0 luego0 como las cadenas son mu. largas ?por e-emplo0 *%%% nm"0 deber2an doblarse m3ltiples veces en la formación del cristal" a. /ue tener en cuenta adem,s /ue las cadenas de los pol2meros cristalinos son mu. fle4ibles: el polietileno permite un doblado de (&%B con sólo tres enlaces sucesivos ?* ,tomos de carbono implicados" 8n los pol2meros cristalinos reales tenemos siempre meclas de onas cristalinas . amorfas" +a e4istencia de onas amorfas es inevitable0 en ma.or o menor grado0 por el propio proceso de cristaliación" +as macromol1culas de los pol2meros cristalinos a alta temperatura ?estado l2/uido tienen alta movilidad . se encuentran en un estado mu. desordenado . entrelaado0 e4istiendo una gran proporción de volumen libre entre las cadenas"
$ipos de polímeros Polímeros $ermopl%sticos $P4 +os pol2meros termopl,sticos son sólidos a temperatura ambiente . l2/uidos viscosos cuando se calientan a solo cientos de grados" 8sta caracter2stica los convierte en pol2meros f,cil . económicamente moldeables" Pueden calentarse . enfriarse repetidos ciclos sin sufrir degradación o modificación de sus propiedades"
%
E'emplos5
Polietileno5 de alta presión como material r2gido aplicado para cubiertas de
m,/uinas el1ctricas0 tubos0 etc""" Poli estireno5 aplicado para aislamiento el1ctrico0 empu6aduras de
#erramientas" Poliamida5 usada para la fabricación de cuerdas0 correas de transmisión0
etc""" N.lon5 usado para la fabricación de telas"
Polímeros $ermo&i'os $64 +os pol2meros termofi-os no toleran el calentamiento . enfriamiento en ciclos repetidos" Cuando se calientan inicialmente se ablandan . pueden moderase" A elevadas temperaturas se produce una reacción /u2mica de entrecruamiento /ue los endurece . los convierte en sólidos sin la capacidad de fundir0 si se calientan nuevamente sufren degradación"
E'emplos5
Acr2licos Aminorresinas 8pó4idos Poliuretanos
Se utilian como base de materiales compuestos en la industria marina0 aeroespacial0 automotri0 el1ctrica0 . en el dise6o de productos industriales"
&
Polímeros Elastómeros Ante una deformación vuelven a la forma original cuando cesa la fuera /ue la provoca" Alg3nos elastómeros pueden estirarse un factor de (% . recuperar completamente su forma original" Sus propiedades son mu. diferentes de los termofi-os0 aun/ue presentan una estructura similar . diferente a los termopl,sticos" Clasi&icación de los elastómeros
84isten dos principales clasificaciones de los elastómeros" 7na de estas clasificaciones #ace referencia a los ,tomos /ue conforman los elastómeros" A continuación se presenta dic#a clasificación: @ Grupo : 8st, compuesto por #idrógeno . carbono . se caracteria por tener enlaces dobles" @ Grupo M: No #a. enlaces dobles0 es saturado . contiene solamente ,tomos de carbono e #idrógeno" @ Grupo N: +a composición de su cadena principal contiene ,tomos de nitrógeno" @ Grupo : Su cadena principal contiene ,tomos de o42geno" @ Grupo E: 8n la cadena principal de este grupo de elastómeros #a. grupos so4ilano" @ Grupo 7: 8n su cadena principal se forma el llamado grupo 7retano ?NC" @ Grupo T: a. presencia de aufre en su cadena principal" tra clasificación de los elastómeros responde a su comportamiento al elevar la temperatura" De esta forma encontramos elastómeros termoestables0 /ue son a/uellos /ue mantienen su forma . estructura a3n en altas temperaturas0 . los elastómeros termopl,sticos0 /ue se vuelven blancos . moldeables cuando se les calienta"
7plicaciones
Fabricación de llantas para patines . patinetas" Fabricación de moldes0 empa/ues0 sellos . aplicaciones para la industria minera Fabricación de pieas con alta durea . buenas propiedades mec,nicas" Fabricación de moldes fle4ibles0 para el moldeado de pieas de poli1ster0 .eso0 etc
'
Introducción a los Materiales Compuestos
+os materiales compuestos est,n formados de materiales continuos . discontinuos0 al material continuo se le llama matri0 . al medio discontinuo /ue usualmente es el m,s fuerte . duro se le llama refuero" +as propiedades de los materiales compuestos son dependientes de los materiales /ue los constitu.en0 as2 como su distribución e interacción entre ellos" +os ingenieros pueden dise6ar los materiales compuestos de acuerdo a cu,les sean las condiciones en las /ue deben traba-ar las pieas o estructuras /ue necesitan fabricar" Sin embargo0 los primeros materiales compuestos utiliados por el #ombre son de origen natural como las maderas" Aun/ue #a. maderas mu. diferentes . con propiedades mec,nicas . de conducción de fluidos mu. variadas tienen en com3n una matri celulósica reforada con fibras de lignina . otros compuestos org,nicos0 /ue le dan las buenas propiedades de elasticidad . deformación sin ruptura"
(
Materiales Compuestos +os materiales compuestos son combinaciones macroscópicas de dos o m,s materiales diferentes /ue poseen una interface discreta . reconocible /ue los separa" Debido a ello0 son #eterog1neos ?sus propiedades no son las mismas en todo su volumen" Si bien algunos materiales compuestos son naturales5 como la madera o el #ueso0 la gran ma.or2a de los materiales compuestos utiliados en la actualidad son dise6ados . fabricados por el #ombre"
Propiedades de los Materiales Compuestos
Propiedades mec%nicas
Dado /ue los materiales compuestos combinan resinas con fibras de refuero0 las propiedades del material resultante combinar,n de alguna manera las propiedades de cada uno de estos dos componentes" +as propiedades del material compuesto estar,n determinadas por: • • • •
+as propiedades de la fibra +as propiedades de la matri +a relación entre la cantidad de fibra . de resina en el material +a geometr2a . orientación de las fibras en el compuesto +a ma.or2a de los materiales compuestos poseen una alta resistencia
mec,nica al mismo tiempo /ue una ba-a densidad0 lo cual permite realiar estructuras . dispositivos resistentes . a la ve livianos" A la relación entre la resistencia mec,nica . la densidad se la denomina resistencia espec2fica" +os cer,micos . los metales aventa-an a los compuestos en ma.or resistencia0 mientras /ue los pol2meros poseen en general la menor densidad0 pero al evaluar ambas propiedades -untas0 los materiales compuestos son la opción m,s conveniente"
1)
,esistencia a la Corrosión
8n otras aplicaciones0 los materiales compuestos son preferidos en lugar de los metales0 no por permitir el dise6o de estructuras m,s livianas0 sino por/ue nos permiten obtener materiales con me-or resistencia a los medios corrosivos" +os metales son susceptibles a la corrosión en muc#os medios agresivos0 como los relacionados con la industria del petróleo" 8n cambio0 los pol2meros . los cer,micos son0 en general0 m,s resistentes0 cuando no totalmente inertes en dic#os medios" 8ntonces0 si logramos un material compuesto como una resina con fibras de vidrio0 con la resistencia mec,nica . tenacidad adecuadas para aplicaciones como tuber2as para la industria petrolera0 esta opción poseer,0 adem,s0 la capacidad de resistir me-or las condiciones de servicio"
Estructuras de los Materiales Compuestos Matri 11
+a matri es la fase continua en la /ue el refuero /ueda embebido" Tanto materiales met,licos0 cer,micos o resinas org,nicas pueden cumplir con este papel" A e4cepción de los cer,micos0 el material /ue se elige como matri no es0 en general0 tan r2gido ni tan resistente como el material de refuero"
unciones de la matri
+as funciones principales de la matri son: •
• •
Definir las propiedades f2sicas . /u2micas Transmitir las cargas al refuero Protegerlo . brindarle co#esión
Propiedades de las Matrices
+a matri de un material compuesto: • • •
Soporta las fibras manteni1ndolas en su posición correcta" Transfiere la carga a las fibras fuertes" +as protege de sufrir da6os durante su manufactura . uso . evita la propagación de grietas en las fibras a todo lo largo del compuesto" +a matri0 por lo general0 es responsable del control principal de las
propiedades el1ctricas0 el comportamiento /u2mico . el uso a temperaturas elevadas del compuesto" +as matrices polim1ricas son las m,s com3nmente utiliadas" +a ma.or2a de los pol2meros0 tanto termopl,sticos como termoestables est,n disponibles en el mercado con el agregado de fibras de vidrio cortas como refuero"
12
Material de ,e&uero 8l material de refuero es la fase discontinua o dispersa /ue se agrega a la matri para conferir al compuesto alguna propiedad /ue la matri no posee" 8n general0 el refuero se utilia para incrementar la resistencia . rigide mec,nicas pero0 tambi1n0 se emplean refueros para me-orar el comportamiento a altas temperaturas o la resistencia a la abrasión"
ira de 8idrio 8l vidrio a nadie se le ocurrir2a decir /ue es m,s resistente /ue el acero u otro metal" Ni si/uiera /ue es m,s resistente /ue los pol2meros /ue utiliamos de manera corriente" 7na varilla de vidrio dir2amos /ue es0 sin temor a e/uivocarnos0 muc#o menos resistente /ue un revolvedor de pl,stico0 o /ue una cuc#arita de metal" Cuando sometemos a estos materiales fr,giles a tensiones0 los defectos presentes al aar en el sólido0 provocan la ruptura del mismo a esfueros muc#o menores /ue su resistencia teórica" Para solucionar este problema0 estos materiales son producidos en forma de fibras de manera tal /ue0 si bien e4isten esos mismos defectos orientados al aar0 estos se observar,n en algunas de las miles de fibras0 mientras /ue el resto podr, dar cuenta de la resistencia esperada del material sin defectos Sin embargo0 las fibras sólo pueden e4#ibir esta alta capacidad de resistir esfueros en la dirección de las mismas0 como ocurre con los filamentos /ue forman una soga" +uego0 las propiedades mec,nicas son generalmente anisotrópicas . var2an muc#o seg3n el grado de ordenamiento de las fibras en el interior del material: ordenadas unia4ialmente0 parcialmente ordenadas . desordenadas" Son las fibras m,s com3nmente utiliadas0 en principio por/ue su costo es menor a las de carbono o aram2dicas" +as matrices m,s comunes son las resinas de poli1ster" Tienen una densidad . propiedades a
13
la tracción comparable a las fibras de carbono . aramida pero menor resistencia . módulo de tensión0 aun/ue pueden sufrir ma.or elongación sin romperse" +as aplicaciones m,s comunes son: • •
Carrocer2as de automóviles . barcos" ecipientes de almacena-e principalmente la industria del transporte en general"
ira de Carono +a estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito0 consiste en l,minas de ,tomos de carbono arreglados en un patrón regular #e4agonal" 8l grafito es el material de las minas de l,pi negro" De la misma manera /ue cuando pensamos en la fibra de vidrio0 no se nos ocurrir2a pensar /ue la mina de l,pi es un material s3per resistente" +a diferencia recae en la manera en /ue las l,minas #e4agonales /ue forman el grafito se intercruan" 8l grafito es un material cristalino en donde las #o-as se sit3an paralelamente unas a otras regularmente" Cuando uno escribe0 ma.ormente lo /ue pasa es /ue las #o-as se deslian f,cilmente unas sobre otras0 transfiri1ndose al papel" +as uniones /u2micas entre las #o-as son relativamente d1biles0 d,ndoles al grafito su blandura . brillo caracter2sticos" +a fibra de carbono es una forma de grafito en la cual estas l,minas son largas . delgadas" +os mano-os de estas cintas se empa/uetan entre s2 para formar fibras0 de a#2 el nombre fibra de carbono" +a fibra de carbono es un material amorfo: las cintas de ,tomos de carbono est,n aarosamente empa/uetadas o apretadas0 -untas" 8sto #ace /ue ante una tensión de tracción0 las #o-as se traben unas con otras0 previniendo su corrimiento entre capas e incrementando0 grandemente0 su resistencia"
14
+a fibra de carbono /ue utiliamos en la actualidad como refuero de materiales compuestos se fabrica a partir de un pol2mero llamado poliacrilonitrilo ?PAN0 a trav1s de un complicado proceso de calentamiento" +os filamentos de fibra de carbono tienen un di,metro /ue oscila entre * . & mm . est,n combinados en mec#as /ue contienen entre *%%% . ()%%% filamentos" 8stas mec#as pueden retorcerse en #ilos . formar te-idos" +as fibras de carbono tienen alta resistencia mec,nica . alta rigide0 pero son poco resistentes al roce . al impacto de ba-a energ2a"
Cementos y 9ormiones
1$
Actualmente0 el #ormigón es el material m,s importante . m,s usado como componente estructural en la construcción" Tiene la venta-a de la fle4ibilidad de dise6o puesto /ue0 en su estado pastoso inicial0 se puede verter . ad/uiere la forma /ue lo contiene0 es mu. barato0 posee alta durea0 resistencia al fuego . puede ser fabricado en el lugar" +os inconvenientes son su escasa resistencia a la tracción0 ba-a ductilidad . sufre problemas de dilatación'contracción con las variaciones de temperatura" 8l #ormigón es un material compuesto formado por part2culas dispersas de grava . arena de gran tama6o ?%"* H )% mm generalmente Si) ?dió4ido de silicio o s2lice en una matri dura de silicatos . aluminatos /ue provienen de la #idratación del cemento" 8l #ormigón es un material compuesto formado por cer,micos . tiene una resistencia a la compresión muc#o ma.or /ue a la tracción" +a me-ora de las propiedades de resistencia a la tracción se puede llevar a cabo mediante el refuero con barras de acero /ue pueden estar pretensadas" Si las barras est,n tensadas en el momento del fraguado el #ormigón aumenta m,s la resistencia" 8l #ormigón reforado con acero se conoce como #ormigón armado . constitu.e la etapa de encofrado de un edificio para construir la estructura b,sica de pilares"
Importancia de los Materiales Compuestos
1%
+as resinas tales como epo4ies . Poli1steres como materiales polim1ricos tienen un uso limitado para la manufactura de elementos estructurales por s2 mismas0 dado /ue sus propiedades mec,nicas no son mu. altas comparadas con0 por e-emplo0 la ma.or2a de los metales" Sin embargo0 poseen algunas caracter2sticas importantes0 como su e4celente capacidad de ser f,cilmente conformadas en pieas geom1tricamente mu. comple-as" Por otro lado0 materiales tales como el vidrio0 las aramidas . el boro tienen una resistencia mec,nica e4tremadamente alta" Sin embargo0 esta caracter2stica no es aparente cuando consideramos al material como un sólido macio" 8sto se debe a /ue cuando sometemos a estos materiales a tensiones0 defectos presentes al aar en el sólido0 provocan la ruptura del mismo a esfueros muc#o menores /ue su resistencia teórica" Sucede /ue cuando combinamos las resinas con las fibras de refuero0 se obtienen sólo entonces0 propiedades e4cepcionales" +a matri de resina distribu.e la carga aplicada al material compuesto entre cada fibra individual0 al tiempo /ue protege a las fibras del da6o causado por abrasión o impacto" 8ntonces0 mediante esta configuración de dos tipos de materiales tan diferentes entre s20 en una manera en la /ue traba-an dando sus me-ores caracter2sticas cada uno0 logramos alta resistencia mec,nica . tenacidad0 facilidad para la conformación de pieas comple-as0 alta resistencia a la corrosión0 todo acompa6ado con ba-a densidad" 8sto #ace /ue muc#as veces los materiales compuestos resulten superiores a los met,licos en diferentes aplicaciones"
Conclusión
1&
+os pol2meros son sustancias mu. importantes debido a /ue pueden tener varios . mu. diversos usos en la vida cotidiana" +os pol2meros pueden ser descriptos como sustancias compuestas en las cuales se entremeclan varias mol1culas de monómeros formando mol1culas m,s pesadas . /ue pueden ser encontradas en diversos ob-etos . elementos naturales" +os pol2meros pueden ser tambi1n artificiales o creados por el #ombre cuando los pol2meros naturales son transformados"
+os materiales compuestos son a/uellos /ue se constru.en a partir de dos o m,s materiales distintos con el ob-etivo de me-orar sus cualidades positivas .'o de reducir sus cualidades negativas" +os materiales /ue se utilian para constituir los materiales compuestos suelen poseer en m3ltiples ocasiones0 propiedades complementarias0 alcanando unas propiedades inaccesibles para el resto de materiales empleados en ingenier2a" +a estructura b,sica de estos materiales se compone de un material ma.oritario
denominado matri /ue
sirve
de aglutinante
para el material
denominado refuero0 .a sea en forma de part2culas o de fibras0 /ue suma sus propiedades con la matri para obtener los comportamientos deseados"
1'
iliora&ía (" +os pol2meros sint1ticos en el siglo <<0 Georgina osales ivera . +u Margarita Gum,n Arellano0 Fondo de Cultura 8conómica0 8stampas de la Ciencia ol" )0 col" +a Ciencia para Todos0 n3m" (>J0 M14ico0 (999 )" Fundamental Principles of Polimeric Materials0 Step#en +" ose"$o#n Kile. LSons0 (990 88770 )" 8dición" rganisc#e C#emie II0 8ber#ard !reitmaier und GOnt#er $ung0 Georg T#ieme erlag0 Stuttgart0 ep3blica Federal de Alemania0 (9& " +os materiales compuestos de fibra de vidrio 0 Ante/uera0 P0 Miravete0 A"0 $im1ne0 +" 7niversidad de aragoa0 aragoa ?(99(" J" Tecnolog2as de producción de materiales compuestos0 Garc2a Alonso0 A"0 INASM8T0 San Sebasti,n ?(99&" $ Materiales compuestos0 ull0 D0 !arcelona ?(9&>
1(
