tecnologia de materiales

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALUnidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería

y Ciencias Sociales y Administrativas

TECNOLOGIA DE MATERIALES

TRABAJO FINAL

SECUENCIA: 2IV50

POLIMEROS

Arellano Moha Josue 2013601370

Maestro: Gutiérrez Gutiérrez Adrián

Fecha de entrega: 15 de Diciembre del 2015

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¿Qué son los polímeros?

La materia está formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros.

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.

Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.

Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

Fuerzas de Van der Waals.

También llamadas fuerzas de dispersión, presentes en las moléculas de muy baja polaridad, generalmente hidrocarburos. Estas fuerzas provienen de dipolos transitorios: como resultado de los movimientos de electrones, en cierto instante una porción de la molécula se vuelve ligeramente negativa, mientras que en otra región aparece una carga positiva equivalente. Así se forman dipolos no-permanentes. Estos dipolos producen atracciones electroestáticas muy débiles en las moléculas de tamaño normal, pero en los polímeros, formados por miles de estas pequeñas moléculas, las fuerzas de atracción se multiplican y llegan a ser enormes, como en el caso del polietileno.

En la tabla se observa cómo cambian la densidad y la temperatura de fusión, al aumentar el número de átomos de carbono en la serie de los hidrocarburos. Los compuestos más pequeños son gases a la temperatura ambiente. al aumentar progresivamente el número de carbonos, los compuestos se vuelven líquidos y luego sólidos, cada vez con mayor densidad y mayor temperatura de fusión, hasta llegar a los polietilenos con densidades que van de 0,92 a 0, 96 g / cm3 y temperaturas de fusión entre 105 y 135° C.

Hidrocarburo Fórmula Peso Densidad T. de

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molecular fusión

Metano CH4 16 gas -182 °CEtano C2H6 30 gas -183 °CPropano C3H8 44 gas -190 °Cbutano C4H10 58 gas -138 °CPentano C5H12 72 0,63 -130 °CHexano C6H14 86 0,66 -95 °CHeptano C7H16 100 0,68 -91 °COctano C8H18 114 0,7 -57 °CNonano C9H20 128 0,72 -52 °CDecano C10H22 142 0,73 -30 °CUndecano C11H24 156 0,74 -25 °CDodecano C12H26 170 0,75 -10 °C

Pentadecano C15H32 212 0,77 10 °C

Eicosano C20H42 283 0,79 37 °C

Triacontano C30H62 423 0,78 66 °C

Polietileno C2000H4002 28000 0,93 100 °C

OBTENCION DE LOS POLIMEROS

Procesos de Obtención de los Polímeros

Las clasificaciones descriptas anteriormente no son las únicas.

También, los polímeros pueden clasificarse de acuerdo con el tipo de reacción química utilizada para su obtención, o la técnica de polimerización usada en la reacción química.

Estos aspectos afectan significativamente las características de los polímeros resultantes.

Reacciones de PolimerizaciónLas reacciones de polimerización fueron clasificadas por Carothers, en 1929, en dos grupos, de acuerdo con la composición o la estructura de los polímeros:

Reacción por Poli adición (por adición)

Ocurre en monómeros que tienen al menos un doble enlace, y la cadena polimérica se forma por la apertura de este, adicionando un monómero seguido de otro. El polímero es sintetizado por la adición de monómero insaturado a una cadena de crecimiento. Por este procedimiento se sintetizan el polietileno (PE), y las distintas poli olefinas, polímeros vinílicos y acrílicos; los poliésteres o poli óxidos, como el POM El monómero puede formar enlace o un anillo, estable químicamente y estar en estado gaseoso o líquido volátil a temperatura ambiente.

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La polimerización por adición se puede esquematizar con la serie de reacciones en cadena:

1. Iniciación I-I → 2I* (1)2. Crecimiento 2I* +CH2 = CHX →I-CH2-C*HX (2)3. Crecimiento R*n + monómero → R*n+1 (3)4. Terminación R*n + R*P → Pn+p (4)

Reacción por poli condensación (por condensación): sucede entre monómeros que tienen dos o más grupos funcionales, formando adicionalmente moléculas de bajo peso molecular como agua u amoníaco.

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Polimerización por condensación

La polimerización por condensación exige moléculas distintas, bifuncionales y reactantes, en proporción estequiometria, con/sin eliminación de subproducto, normalmente agua, durante la polimerización.

Las familias principales que pueden obtenerse por este procedimiento están descriptas en la tabla 2. R, R' representan grupos orgánicos, alifáticos o aromáticos, que facilitan un gran número de combinaciones y materiales distintos posibles dentro de cada familia -

Al comparar con la polimerización por adición, hay que señalar la ausencia de iniciador, la práctica desaparición de monómeros al iniciarse la polimerización, generándose dímeros, trímeros, etc., y que el final del crecimiento se consigue al añadir moléculas mono funcionales.

Esta clasificación fue perfeccionada y generalizada por Flory en 1953, utilizando como criterio el mecanismo de reacción:

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2 Polimerización en cadena y en etapas

Estas corresponden a las poli adiciones y poli condensaciones respectivamente.

Comparación de los mecanismos de polimerización

Polimerizaciones en cadena

Este tipo de polimerizaciones presentan varias etapas conocidas como: reacciones de iniciación, propagación y terminación que son distintas y bien definidas.

La iniciación de una polimerización: en cadena puede ser inducida por calor, por agentes químicos (iniciadores) o por radiación (ultravioleta y rayos).

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El calor o la radiación provocan la rotura de los enlaces dobles del monómero (hemólisis), que dejan uniones libres (radicales libres) listas para enlazarse con otros monómeros en las mismas condiciones.

La industria emplea en gran medida iniciadores químicos, que provocan la hemólisis o la heterólisis del doble enlace. Este último término se refiere a la formación simultanea de radicales libres de distinta polaridad: con cargas negativas, los aniones, y carga positiva, los cationes. Esto significa que la polimerización puede desarrollarse por medio de radicales libres, por vía catiónica o por vía anicónica, o también, por coordinación.

La polimerización radical: se refiere a la polimerización iniciada por iniciador que formas radicales libres. Si el iniciador es un catión la polimerización se denomina catiónica, y si es un anión la polimerización se dice aniónica.

El caso de la polimerización por coordinación designa al hecho que los iniciadores son también catalizadores. Estos compuestos pueden estar constituidos por metales de transición o ser órgano-metálicos, como los de Ziegler-Natta.

Este tipo de catálisis se emplea con monómeros apolares, y tiene como ventaja, la obtención de polímeros altamente estéreo regulares (de estructura tridimensional regular).

La etapa propagación tiene como especie reactiva al radical libre (catión o anión) generado en la iniciación, que incorpora sucesivamente moléculas de monómero, formando la cadena polimérica. Esta etapa de La

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polimerización en cadena es muy importante, pues su velocidad influencia directamente la velocidad general de la polimerización.

La terminación de la polimerización consiste en la reacción espontánea del centro activo propagante o con alguna sustancia adicionada, interrumpiendo la propagación del polímero.

La terminación de la polimerización por radícales ocurre por reacciones de combinación, desproporciona miento o transferencia de cadena. La polimerización catiónica termina generalmente por efecto del vapor de agua u otras impurezas. Mientras que la aniónica termina cuando se añade al sistema alguna sustancia protónica (alcoholes o ácidos).

Las polimerizaciones en cadena pueden sufrir reacciones de inhibición o retardo.

La inhibición de la polimerización implica la detención de la reacción impidiendo la propagación de la cadena, que puede continuar cuando se consuma totalmente el inhibidor. Este compuesto se emplea para evitar la polimerización durante el almacenaje o el transporte. Los inhibidores más empleados son el nitrobenceno, el m-dinitrobenzeno, la hidroquinona, el poli-t-butil-catecol, la bnaftilamina, la difenil-picril-hidrazina (DPPH) y el oxígeno.

El retardo de la polimerización ocurre cuando la velocidad de polimerización disminuye levemente por acción de retardadores.

Polimerización en etapas

Estas polimerizaciones se desarrollan por un mecanismo de repetición de la misma reacción química y a la misma velocidad. Aquí, no se diferencian las etapas de iniciación, propagación y terminación. La polimerización ocurre de forma análoga a las reacciones de algunas especies químicas de bajo peso molecular y está regida por la interferencia de impurezas, la ciclación (conversión de una molécula de cadena abierta en un compuesto cíclico) de la cadena propagante o del monómero. Ambos factores pueden disminuir significativamente la pureza del polímero resultante.

La funcionalidad del monómero determina en las polimerizaciones en etapas el polímero determina si el polímero sea lineal, ramificado, o con entrecruzamientos.

Los polímeros pueden también sintetizarse por medio de la modificación química sobre otros polímeros. Los grupos químicos de un polímero pueden reaccionar con determinadas sustancias modificándoles sus propiedades.

La obtención del poli (alcohol vinílico), PVA, es un ejemplo de la modificación química de un polímero. Este polímero se obtiene por la hidrólisis (reacción de descomposición química de una sustancia por la acción del agua) del poli (acetato de vinilo), pues no existe un monómero para el PVA.

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Técnicas de Polimerización

Las técnicas industriales empleadas en la polimerización de un monómero son:

La polimerización en masa. La polimerización en solución. La polimerización en suspensión. La polimerización en emulsión. La polimerización interfacial.

Cada una de estas técnicas tiene condiciones particulares que dan origen a polímeros con características diferentes

Comparación de las polimerizaciones en masa, solución, suspensión y emulsión.

Polimerización en Masa

Esta es la técnica más simple, homogénea, donde solo el monómero y el iniciador están presentes en el sistema. La iniciación inducida por efecto térmico o por radiactivo es la más económica y la que produce polímeros del mayor grado de pureza. Esta reacción es difícil de controlar térmicamente debido a que es altamente exotérmica (genera calor de formación).

Además, el polímero desde el inicio de la reacción se torna muy viscoso, dificultando la agitación necesaria para uniformar el calor en el líquido, evitando el sobrecalentamiento en determinadas zonas. Esta dificultad puede evitarse empleando inicialmente un pre-polímero (mezcla de polímero y monómero), producido a una temperatura más baja, y que conduce a una baja conversión de monómero a polímero en condiciones moderadas. La polimerización se

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completa por calentamiento del pre-polímero en el momento previo a la polimerización.

La polimerización en masa es muy usada en la fabricación de lentes plásticas amorfas, debido a las excelentes propiedades ópticas alcanzadas en las piezas moldeadas, sin presión, como en el caso del poli (metacrilato de metilo), PMMA.

Polimerización en Disolución

Esta polimerización requiere un disolvente para disolver al monómero y al iniciador y formar un sistema homogéneo. El solvente ideal debe tener bajo costo, bajo punto de ebullición y de fácil separación del polímero. Finalizada la polimerización, el polímero formado puede ser soluble o no en el disolvente usado.

La insolubilidad del polímero produce un barro, que puede extraíble por filtración. Si el polímero es soluble se introduce un no-disolvente para provocar la precipitación en forma de fibras o polvo.

La polimerización en solución tiene la ventaja de operar con una temperatura homogénea debido a la agitación sencilla del sistema, que evita el sobrecalentamiento. Sin embargo, el costo del disolvente y la lentitud de la reacción son inconvenientes. Esta técnica se utiliza cuando se desea aplicar la propia solución polimérica, y se emplea mucho en poli condensación.

Polimerización en Emulsión

La polimerización en emulsión es una polimerización heterogénea en medio líquido, que requiere una serie de aditivos con funciones específicas:

Emulsionante (generalmente un detergente), taponadores de PH coloides

Protectores Reguladores de tensión superficial, Reguladores de polimerización (modificadores) Activadores (agentes de reducción).

El iniciador es soluble en agua, mientras que el monómero es apenas parcialmente soluble. Esto motiva el empleo del emulsionante tiene como objetivo formar micelas, de tamaño entre 1 nm y 1 mm, formadas por el monómero. Algunas micelas son activas, pues la reacción de polimerización ocurre dentro de ellas, mientras que otras son inactivas (gotas de monómeros), siendo apenas una fuente de monómero. El progreso de la reacción provoca que las micelas inactivas sean consumidas por las activas, que crecen formando gotas de polímero, y finalmente el polímero sólido.

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La velocidad de reacción y conversión es alta, y resulta sencillo el control de la agitación y la temperatura. Los polímeros obtenidos tienen pesos moleculares grades pero son de purificación compleja debido a la gran cantidad de aditivos.

Polimerización en Suspensión

La polimerización en suspensión es también llamada polimerización en perlas. La polimerización es heterogénea y el monómero y el iniciador son insolubles en agua, que actúa como medio dispersante.

La polimerización ocurre dentro de las partículas en suspensión, de 2-10 mm de tamaño medio, y que contiene el monómero y el iniciador. La velocidad de agitación determina el tamaño de las partículas. Además, el sistema cuenta con agentes tensioactivos que mantienen separadas y no adheridas entre sí las partículas y evitan su precipitación como pelas. También, este efecto se mejora con la adición de un polímero hidrosoluble de peso molecular alto, por incremento de la viscosidad del medio. Sin embargo, estas ventajas se contraponen a la dificultad para la purificación del polímero resultante.

Polimerización Interfacial

Aquí, la polimerización ocurre en la interfase entre dos solventes inmiscibles, en que cada uno de los monómeros está en una de las fases. El polímero se forma en esta interfase, luego se remueve a fin de permitir la continuidad de la polimerización. Este método es limitado a un pequeño número de polimerizaciones en etapas, debido a las condiciones de reacción necesarias.

APLICACIONES INDUSTRIALES

También están los polímeros creados en laboratorios los cuales se denominan sintéticos. En esta rama entran todos los plásticos, nylon, polietileno, PVC, entre otros.Las propiedades mecánicas de los polímeros son la causa de que este material sea muy empleado en la industria y la vida cotidiana, ya que por tener más grandes sus cadenas moleculares, estas se atraen con mayor fuerza y los hace más resistentes. Esto depende directamente de la composición química que se realice en el laboratorio.

EN LA INDUSTRIA MECÁNICA

En la industria mecánica los polímeros son utilizados en gran cantidad que sus propiedades, permitiendo fabricar partes para máquinas y herramientas según las características que se necesiten. Los plásticos según sea su composición, pueden ser rígidos para transmitir fuerzas o resistir cargas, aun así tienden a ser quebradizos, o bien polímeros elásticos para adaptarse a espacios, ante una carga aceptable se deforma, pero vuelven a su forma original al retirar la carga.

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Ejemplos de partes plásticas rígidas envases cobertores estructuras transmisiones

Ejemplos de partes plásticas elásticas bandas de goma empaques o aislantes bandas de transmisión llantas

Los polímeros en general son muy utilizados gracias a su gran cantidad de ventajas, son livianos, maleables, resistentes a la compresión y tensión, torsión e impacto, elásticos, etc. Son referentes importantes a tomar en cuenta al diseñar algún elemento tanto para una maquina como para un artículo de uso cotidiano.

Poli-metil metacrilato (PMMA)

Polímero termoplástico especial Resistencia mecánica media y elevada rigidez. Baja resistencia al impacto (6 veces menor que la del vidrio normal). Dureza elevada. Transparente, brillante y absolutamente incoloro; se puede teñir (superficie pulible). Buen aislante eléctrico. Buena resistencia química a bases, ácidos en bajas concentraciones. No es resistente a disolventes polares (ésteres, cetonas, hidrocarburos clorados y similares) Poca absorción de agua. Excelente resistencia a la intemperie y al envejecimiento térmico. Temp. Uso: -40 a 75ºC.

Ventajas• Disponible en todo el rango de transparencia óptica, incluso totalmente opaca• Rigidez• Superficie dura• Pesa la mitad que un vidrio convencional• Resistencia al calorDesventajas• Modifica su color frente al rad. UV• No resistente a los disolventes orgánicos• Pobre resistencia al desgaste y abrasión• Baja resistencia al impacto

Poli-estireno (PS)

Polímero termoplástico técnico Resistencia mecánica media. Elevada rigidez. Transparente, superficie brillante y buena transmisión de la luz Aislante eléctrica (peor que el PE). Buena resistencia química a bases, ácidos (excepto

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a los concentrados y oxidante). Poca absorción de agua. No resiste la intemperie. Arde formando un humo denso. Se puede pegar Temp. Uso: -10 a 50/70ºC.

Ventajas

• Barato• Fácil y rápido de unir• DecorarDesventajas

• Baja resistencia al impacto• Brillante después de la exposición al rad.UV• Tensiones mecánicas• No buena resistencia a la temperaturaAplicaciones• Envases desechables de alimentos (envases de yogur).• Equipos de aire acondicionado• Dispositivos médicos• Vidrios/envases de bebidas desechables• Productos que reemplazan a la madera etc.

Poli-carbonato (PC)

Polímero termoplástico Resistencia mecánica y dureza media-alta. Elevada rigidez y excelente resistencia al impacto. Transparente, con ligera tonalidad amarillenta. Aislante eléctrico. Buena resistencia química a ácidos diluidos, aceites y etanol. No resiste a bases, ácidos concentrados, hidrocarburos aromáticos. Media absorción de agua. Resiste la intemperie. Ignífigo Temp. Uso: -100 a 135ºC

Ventajas

Excelente transparencia Excelente dureza Buena resistencia al calor Excelente propiedades eléctricas Intrínseca retardo al fuego Excelente resistencia

Limitaciones

perdidas de propiedades en continua exposición en agua caliente

La mayoría de los disolventes aromáticos producen agrietamiento

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PE (polietileno)

Termoplástico estándar. Síntesis por adición. Tres tipos principales: •PE de baja densidad (PE-LD) con cadenas don frecuentes ramificaciones, relativamente flexible y blando; se puede utilizar hasta Temp de 80ºC. •PE de alta densidad (PE-HD) cadena con pocas ramificaciones y de escasa longitud; menos flexible y duro; se puede utilizar hasta Temp de 100ºC. •PE lineal de baja densidad (PE-LLD) características intermedias entre los dos anteriores. Buen aislante eléctrico y excelente resistencia química.

Usos

– Rollo para conserva de alimentos/carretes/láminas– Molduras– Cables– tuberías

Poli-propileno (PP)

Isostático: Termoplástico semicristal no Prop. Similares al PE-HD, pero más resistente, más rígido y más duro, absorbe mayores esfuerzos que el PE Excelente aislante Buena resistencia química Temp. Uso: 0-100ºC

Atático: Termoplástico amorfo. Densidad y resistencia mecánica baja. Bajas temperaturas de reblandecimiento y fusión. El PP a Temp. Ambiente es pegajoso y elástico como el caucho. Temp. Uso: -15-120ºC

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Policloruro de vinilo (PVC)

Polímero termoplástico Buena Resistencia mecánica. Elevada rigidez y buena dureza. Aislante eléctrico moderado. Buena resistencia química a bases, ácidos. No resiste hidrocarburos aromáticos ni clorados, cetonas ni ésteres. Relativa absorción de agua. Ignífugo. Resiste la intemperie utilizando estabilizadores Se puede pegar y soldar. Temp. Uso: -5 a 65ºC.

PET, poli-etilen-tereftalato

Polímero termoplástico blanco que es estado amorfo puede ser transparente, o translúcido cuando está en un estado semicristal no. Ejerce una excelente barrera al fenómenos de la premiación de O2 y CO2, y buenas propiedades mecánicas, es la mejor elección para botellas de bebidas (zumos de frutas, agua y cerveza), incluso sustituyendo envases tradicionales de metales y vidrios. Puede ser utilizado para recipientes de comida e introducido al microondas.

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