Introducción a los Materiales Plásticos

Los plásticos los podemos encontrar en diversas aplicaciones de la vida moderna, son versátiles, fáciles de fabricar muy económicos.. El uso de los plásticos es cada día más común debido a que pueden remplazar a muchos materiales como madera, metal, papel, caucho, cerámica y un largo etcétera.

1. G eneralidades, clasificacíón, propiedades y procesos de fabricación. INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES PLÁSTICOS

2. José Jesús Manjarréz Pérez Daniel Eduardo Lugo Tapia Uber José Peralta Hernández

3. AGENDA Introducción Definición de Plásticos Polímeros Monómeros Obtención de Polímeros Clasificación de los Plásticos Propiedades generales Procesos de fabricación Plásticos y medio ambiente Usos y actualidad

4. 1. Introducción Los plásticos los podemos encontrar en diversas aplicaciones de la vida moderna, son versátiles, fáciles de fabricar y muy económicos. El uso de los plásticos es cada día más común debido a que pueden reemplazar a muchos materiales como madera, metal, papel, caucho, cerámica, vidrio, etc.

5. 2. Definición de Plásticos Los plásticos es la forma común como se denominan los polímeros de origen sintético. Polímero es una palabra de origen latín que significa poli = muchas y meros = partes . Los polímeros son moléculas grandes y largas, construidas a partir de otras moléculas más pequeñas y cortas llamadas monómeros o unidades estructurales.

6. Por ejemplo, una cadena de polietileno puede estar formada por 250,000 monómeros de etileno aproximadamente.

7. Se puede suponer que un polímero es un tren muy largo, compuesto por muchísimos vagones y que cada vagón es un monómero o unidad estructural.

8. 3. Polímeros El algodón formado por fibras de celulosa. La seda, poliamida similar al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas. Los polímeros sintéticos se obtienen a partir del petróleo, gas natural o carbón, siendo la materia prima más importante el petróleo. Este grupo de compuestos representan aproximadamente el 7% de la producción mundial de petróleo . Naturales Sintéticos

9. AÑO DESARROLLO DE LOS PLÁSTICOS 1862 Obtención de plásticos con materiales vegetales 1884 Origen de la película fotográfica a partir del Celuloide 1907 Baekeland desarrolló un polvo fenólico partir del alquitrán de hulla conocido como Baquelita. Años 30 Inicio de producción de plásticos a partir de productos químicos derivados del petróleo como PS acrílicos y PVC Años 40 Producción y fabricación de polietileno de baja densidad, poliuretano, politetrafluoretileno, poliésters, siliconas Años 50 Producción de policarbonatos Años 60 Producción de polietileno de alta densidad y polipropileno Años 70 Producción de plásticos de tercera generación, de alta tecnología, entre ellos poliamidas y poliacetales Años 80 Nuevos polímeros adaptados a requisitos específicos de diseño Hoy Producción de más de 700 tipos de plásticos

10. Los Plásticos frente a otros materiales Poco peso Elaboración sencilla y rápida Buenas propiedades eléctricas Resistencia a la corrosión y los agentes químicos Producción rentable Poca resistencia mecánica Limitada resistencia al calor Inestabilidad dimensional Las reparaciones Alto costo de la materia prima Ventajas Desventajas

11. 4. Monómeros Las materias primas son derivados del petróleo, gas natural y carbón. Los plásticos se obtienen principalmente del petróleo, tal como se indica en la figura.

12. Para la fabricación de plásticos se utiliza la gasolina, que mediante un proceso de disociación térmica (cracking) se separa en etileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos.

13. Los productos de la disociación térmica son los monómeros, moléculas muy reactivas, que se unen entre sí para formar moléculas gigantes. Recordemos que un polímero es como un tren muy largo, compuesto por muchísimos vagones y que cada vagón es un monómero .

14. Elementos que componen los Polímeros Carbono (C) Hidrogeno (H) Oxigeno (O) Nitrógeno (N) Cloro (C) Azufre (S) Flúor (F) Principales Secundarios

15. Principales Monómeros Observe que la mayoría de los monómeros utilizados a nivel industrial, tienen una estructura química similar al etileno, en donde se reemplaza uno de sus hidrógenos por otro radical

16. 5. Obtención de Polímeros Homopolímeros Copolímeros Si el polímero se forma con monómeros de una misma especie Si el polímero se forma por la reacción de dos o mas tipos monómeros

17. La polimerización de Copolímeros se puede llevar a cabo de varias maneras: alternada, en bloque, al azar y de injerto, las cuales son esquematizadas en la figura

18. Polimerización En la polimerización el doble enlace entre los átomos de carbono tiene un papel decisivo, ya que el proceso consiste en el acoplamiento de monómeros, mediante la abertura de sus dobles enlaces y la consiguiente unión de eslabones individuales para formar la cadena, sin que el proceso desprenda ningún producto secundario. Ejemplo del cloruro de vinilo

19. El radical R (elemento altamente reactivo) entra en la molécula al romperse el doble enlace Carbono – Carbono. Si se adicionan más moléculas de cloruro de vinilo, se tendría:

20. El final del crecimiento de la cadena se obtiene cuando se encuentran los dos extremos o cuando uno de ellos se une al radical. La longitud de la cadena está determinada por el número de n elementos repetidos en la cadena. Para la obtención de un plástico por polimerización puede emplearse a la vez uno o más tipos de monómeros.

21. Policondensación En esta reacción se forman macromoléculas a partir de monómeros que posean dos grupos reactivos o funcionales. Durante el proceso se generan productos secundarios simples como agua, ácido clorhídrico y otras sustancias similares.

22. Por policondensación se producen plásticos como el PET, el policarbonato y las poliamidas (nylon). A continuación se indica una reacción de policondensación, para la formación de la poliamida 66 a partir de la hexametilendiamina y el ácido adipídico.

23. Poliadición Es similar a la policondensación. Un átomo de hidrógeno fluye de un grupo funcional a otro. Los monómeros utilizados deben tener cada uno dos grupos funcionales distintos. La reacción se realiza en tres etapas: 1. Por un lado se tiene un átomo de hidrogeno en el extremo de una molécula y por otro un enlace rompible en el extremo de la otra molécula. 2. Disociación del átomo de hidrógeno y apertura del enlace. 3. El átomo de hidrógeno pasa a formar un enlace con uno de los electrones del enlace roto. El lugar abandonado por el hidrógeno y el otro electrón del enlace roto forman un nuevo enlace y la cadena aumenta.

24. Esquema básico de la reacción de Poliadición

25. 6. Clasificación de los Plásticos Naturales Sintéticos Termoplásticos Termoestables Elastómeros De acuerdo a su naturaleza Estructura interna

26. En la grafica se muestra la clasificación de los plásticos de acuerdo a su estructura interna.

27. Termoplásticos Cadena molecular larga que en el momento de formarse se enreda y entrelaza Su estructura asimétrica no permite la cristalización Suelen ser transparentes en su forma natural. Buenas propiedades ópticas Intervalo de temperatura por debajo de la temperatura de solidificación ET Transformación por inyección, extrusión, termo formado al vacío. Es posible soldarse Partículas ordenadas, en zonas denominadas cristalinas Estructuras moleculares simétricas La cristalización hace que sean opacos. No son transparente Al aumentar la porción cristalina disminuye la transparencia Intervalo de temperatura entre la temperatura de solidificación y la zona de fusión de las cristalinas Amorfos Parcialmente cristalinos

28. Termoestables No se vuelven a ablandar una vez han sido moldeados Una vez adquirida su forma, ésta no puede ser alterada Moléculas de largas cadenas unidas por enlaces químicos fuertes Las uniones entre las cadenas son tan fuertes que no se pueden romper cuando se calienta el plástico El material termoestable siempre mantiene la forma Los polímeros basados en formaldehido son termoestables La transformación usual es la colada, el prensado y la inyección Los intervalos de temperatura de uso están por encima de los de los termoplásticos

29. Elastómeros Tienen propiedades elásticas a la temperaturas de uso Cuando se someten a tensión se alargan, pero cuando se suspende la tensión recuperan su forma original La estructura molecular es similar a la de los termoplásticos amorfos, con la diferencia que después del moldeo las macromoléculas se une químicamente generando una estructura de red floja y tridimensional No pueden ser fundidos, debido a sus puntos de reticulación Al contacto con disolventes presentan hinchamiento, pero sin llegar a disolverse Algunos ejemplos de elastómeros: caucho natural, caucho de estireno – butadieno y caucho de poliuretano

30. 7. Propiedades generales A continuación se mencionan algunas de las propiedades más significativas de los plásticos:

31. Comportamiento mecánico Resistencia mecánica menor que los metales Módulo de elasticidad (rigidez) menor que los metales Dependencia de propiedades mecánicas con respecto al tiempo (fluencia y relajación), sobre todo los termoplásticos Marcada dependencia de la temperatura en especial los termoplásticos Gran sensibilidad al impacto , aunque en los termoplásticos hay quebradizos (PS) y resistentes (PC) Los termoplásticos son más quebradizos que los termoestables

32. Densidad Los plásticos se diferencian de otros materiales por tener baja densidad. El rango de densidades de los plásticos se encuentra entre 0.9 y 2.0 gr/cm 3 . El polietileno (PE) y el polipropileno (PP) tienen una densidad menor a la del agua y por tanto flotan en ella. Material Densidad (gr/cm 3 ) Plásticos PE PC PA (nylon) PVC PTFE (teflón) 0.9 – 1.0 0.9 – 1.0 1.0 – 1.2 1.2 – 1.4 >1.8 Acero 7.8 Aluminio 2.7 Madera 0.2 – 0.95 Agua 1.0

33. Conductividad calórica La conductividad calórica (medida del transporte de calor) se encuentra entre 0.15 y 0.5 W/ mK , siendo un valor pequeño lo que hace considerar a los plásticos como mal conductor de calor (aislante) Material Conductividad calórica (W/ mK ) Plásticos PE PA (nylon) 032 – 0.4 0.23 – 0.29 Acero 17 – 50 Aluminio 211 Cobre 370 – 390 Aire 0.05

34. Conductividad eléctrica La conductividad eléctrica (facilidad para conducir corriente eléctrica) es muy baja por la ausencia de electrones libres. Para mejorar la conductividad de un plástico se puede adicionar un metal en polvo. Material Conductividad eléctrica (m/ Ω mm 2 ) PVC 10 -15 Acero 5.6 Aluminio 38.5 Cobre 58.5

35. Transparencia La transparencia (grado de transmisión de luz) depende de la estructura del plástico. Los termoplásticos amorfos como el PC, PMMA, PVC y las resinas UP tienen transparencia similares a las del vidrio. Material Transparencia (%) PC 72 – 89 PMMA 92 Vidrio 90

36. 8. Procesos de fabricación

37. Extrusión

38. Inyección

39. Soplado

40. Termoformado

41. 9. Plásticos y medio ambiente En la actualidad, aproximadamente el 65% de todos los plásticos se utilizan para usos a mediano y largo plazo y el 35% se utilizan a corto plazo . Esto último genera un problema de contaminación por la costumbre de descarte de nuestra sociedad. Frecuentemente resulta más económico y seguro desechar un elemento plástico que lavarlo, reacondicionarlo y reutilizarlo.

42. Códigos de plásticos reciclables

43. 10. Usos y actualidad Telas: Poliéster Hilos: nylon, poliéster, acrilonitrilo Calzado: nylon, PVC, poliuretano y cordones en nylon Medias: algodón, poliéster y nylon Lentes: policarbonato Lentes de contacto: rígidos en polimetacrilato de metilo y blandos en policrilamidas Calzado, vestido y uso personal

44. Carrocería: ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) Llantas: material de refuerzo fibras sintética como kevlar Farolas: policarbonato Tanques de agua: polietileno Tapetes: PVC, polietileno, nylon Industria automotriz

45. Tuberías: PVC Flotadores para tanques de inodoro: polietileno Persianas: PVC Envase para alimentos: polietileno, polipropileno Carcazas de electrodomésticos: Poliestireno de alto impacto Artículos para el hogar

46. Aislante de cables: polietileno, polifluoruro de vinilideno (para altas temperaturas) Carcazas de equipos: poliestireno, poliestireno de alto impacto Parlantes: conos internos en polipropileno, tweeters en polifluoruro de vinilideno, telas en nylon y marcos en poliestireno Cintas para grabadoras: poliéster Electrónica

47. EJERCICIOS

48. GRACIAS http://bit.ly/aA1mCK