PLASTICOS, CERAMICOS Y COMPUESTOS

CIENCIA DE LOS MATERIALES FACULTAD DE INGENIERÍA

Materiales PLÁSTICOS Materiales CERÁMICOS Materiales COMPUESTOS

1. MATERIALES PLÁSTICOS Los plásticos son materiales orgánicos compuestos fundamentalmente de carbono y otros elementos como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el azufre. Estos materiales se obtienen de la polimerización de compuestos derivados del petróleo y del gas natural. La mayoría de los materiales plásticos son transparentes, incoloros y frágiles. Pero si se les añade determinadas sustancias, sus propiedades cambian, y se les puede hacer ligeros, flexibles, coloreados, aislantes, etc.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Los

plásticos

son sustancias

químicas sintéticas

denominadas polímeros,

de

estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica. Los polímeros sintéticos, habitualmente llamados plásticos, son en realidad materiales sintéticos que pueden alcanzar el estado plástico, esto es cuando el material se encuentra viscoso o fluido, y no tiene propiedades de resistencia a esfuerzos mecánicos. Este estado se alcanza cuando el material en estado sólido se transforma en estado plástico generalmente por calentamiento, y es ideal para los diferentes procesos productivos ya que en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad. Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son: 

fáciles de trabajar y moldear,

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tienen un bajo costo de producción,

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poseen baja densidad,

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suelen ser impermeables,

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buenos aislantes eléctricos,

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aceptables aislantes acústicos,

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buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy elevadas,

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resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos;

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algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman son muy contaminantes.

ESTRUCTURA Y MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN Los

polímeros

o

plásticos

son

producidos

tras

un

proceso

denominado polimerización que consiste en enlazar mediante enlaces covalentes miles de pequeñas moléculas orgánicas denominadas monómeros. Si una molécula monomérica es denominada A, la macromolécula, formada por n monómeros A, tiene estructura lineal (A A A A...)n. Los monómeros son moléculas orgánicas fundamentalmente formadas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno entre los cuales se establecen uniones o enlaces covalentes. Metano (CH4), propano (C 2H2) y etileno (C 2H4), son algunos ejemplos de moléculas monoméricas. No todos los monómeros son aptos para realizar el proceso de polimerización que permite enlazar en cadena diversos monómeros idénticos. En el caso de monómeros iguales se pueden unir dos moléculas idénticas mediante el desdoblamiento del doble enlace de carbono, como lo muestra la figura 1.0.

Figura 1.0. Unión de dos moléculas de etileno

Así, con el proceso de desdoblamiento de los enlaces, pueden seguir adicionándose nuevos monómeros alargando la longitud de la macromolécula. La nueva molécula de polimerización del etileno se denomina polietileno y está constituida por una cadena lineal de n monómeros de etileno. El número n de monómeros ligados en la cadena del polímero se denomina  grado de  polimerización GP . La media del grado de polimerización para los grupos del polietileno varía

desde 3500 a 25000, correspondiendo a masas moleculares medias entre 100.000 y 700.000 g/mol. Para el caso de monómeros diferentes el principio de formación de polímeros es igualmente el desdoblamiento del enlace insaturado de los monómeros.

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CLASIFICACIÓN DE LOS PLÁSTICOS En forma general se clasifican en tres grandes grupos según su comportamiento frente al calor y según la disposición de las macromoléculas que los constituyen: 

Termoplásticos: Las macromoléculas están dispuestas libremente sin entrelazarse (figura 1.1.a). Con esta disposición se reblandecen con el calor adquiriendo la forma deseada, la cual se conserva al enfriarse. A temperatura ambiente son materiales plásticos o deformables. Al calentarse se convierten en líquido y al enfriarse se endurecen en un estado vítreo. Estos materiales después de calentarse y moldearse una vez pueden ser recalentados y moldeados nuevamente, pero sus propiedades físicas cambian gradualmente con cada nuevo proceso

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Termoestables: Sus macromoléculas se entrecruzan formando una red de malla cerrada (figura 1.1.b). Esta disposición no permite nuevos cambios de forma mediante calor o presión, sólo se pueden deformar una vez. Son materiales que una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. Por ejemplo resinas epoxi, baquelita, poliésteres, entre otros.

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Elastómeros o cauchos: Las macromoléculas se ordenan en forma de red de malla con pocos enlaces (figura 1.1.c). Esta disposición permite obtener los plásticos de gran elasticidad que recuperan su forma y dimensiones cuando deja de actuar sobre ellos una fuerza. Se caracterizan por su gran elasticidad y capacidad de estiramiento y rebote, recuperando su forma original una vez que se retira la fuerza que los deformaba. Esto se debe a las grandes moléculas constituyentes del material.

Figura 1.1. Disposición molecular de los plásticos

Los materiales plásticos pueden tener otras clasificaciones: clasifica ciones: 4

Según el monómero base -

Naturales: Los monómeros son derivados de productos de origen natural con ciertas características como la celulosa, la caseína y el caucho. Dentro de ellos pueden existir otros derivados.

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Sintéticos: Los monómeros tienen origen en productos elaborados por el hombre, en especial los derivados del petróleo, como el polietileno.

Según la reacción de síntesis -

Polímeros de adición: Implican siempre la ruptura o apertura de una unión del monómero para permitir la formación de una cadena. En la medida que las moléculas son más largas y pesadas, la cera parafínica se vuelve más dura y más tenaz. 2n H2C=CH2 → [-CH2-CH2-CH2-CH2-]n

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Polímeros de condensación: Son aquellos donde los monómeros deben tener, por lo menos, dos grupos reactivos por monómero para darle continuidad a la cadena. Ejemplo: R-COOH + R'-OH → R-CO-OR' + H2O

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Polímeros formados por etapas: La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez.

Según su estructura molecular -

Amorfos: Las moléculas están dispuestas desordenadamente sin corresponder a ningún orden. Al no haber orden entre cadenas se crean huecos por donde pasa la luz, así, los polímeros amorfos son transparentes.

-

Semicristalinos: Tienen zonas con cierto tipo de orden junto con zonas amorfas. Al existir un cierto grado de orden se crean menos huecos entre cadenas y la luz no pasa a menos que las cadenas sean de espesor pequeño.

-

Cristalizables: Se puede modificar el porcentaje de cristalinidad de un polímero semicristalino mediante la velocidad de enfriamiento, disminuyendo con enfriamientos rápidos o aumentando con enfriamientos lentos. En el caso de polímeros amorfos, éstos no 5

presentarán cristalinidad aunque su velocidad de enfriamiento sea extremadamente lenta. -

Comodities: Tienen fabricación, disponibilidad y demanda mundial. No requieren gran tecnología para su fabricación y procesamientos y tienen un rango de precios internacional.

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De ingeniería: Son creados para cumplir una determinada función. Requieren tecnología especializada para su fabricación y procesamiento y son de costo relativamente elevado.

PROPIEDADES Estas propiedades están determinadas por la estructura interna de los plásticos. 1. PROPIEDADES MECÁNICAS En comparación a los metales, los plásticos tienen una estructura molecular mientras los metales tienen una estructura atómica. Es por esto que los plásticos presentan una resistencia mecánica relativamente menor, un módulo de elasticidad menor, dependencia de las propiedades mecánicas respecto al tiempo, dependencia de la temperatura principalmente los termoplásticos, gran sensibilidad al impacto según sea plástico quebradizo (Poliestireno) o plástico resistente (Policarbonato), entre otros. En el caso de los plásticos termoestables no se producen deslizamientos internos debido a la disposición de sus moléculas (figura 1.b), por esta razón son más quebradizos que los termoestables. Por otro lado, los termoplásticos como el Polipropileno, Nylon, Polietileno y Poliésteres lineales, pueden someterse a estiramientos donde las moléculas se orientan en dirección del estirado. En este caso aumenta la fuerza de los enlaces de valencia manifestándose en una gran resistencia. Este comportamiento de deformación y recuperación interna de los plásticos se conoce como propiedad de memoria. El comportamiento mecánico de los plásticos reforzados varía en función de la cantidad, tipo de cargas y materiales que contienen. 2. PROPIEDADES TÉRMICAS El comportamiento térmico de los plásticos es función de su estructura. 6

Los termoestables son quebradizos a lo largo del intervalo de temperaturas, no reblandecen, no funden y un poco por debajo de su temperatura de descomposición se observa una pérdida de rigidez. Los termoplásticos, en cambio, se vuelven quebradizos a bajas temperaturas (específicas para cada tipo de termoplástico), mientras que al aumentar la temperatura se produce un descenso constante del módulo de elasticidad (disminuye la rigidez). Al aplicar calor continuo a los termoplásticos amorfos sufren una transición a un estado termo elástico (reblandecimiento). En esta zona, con pequeñas fuerzas se provocan grandes deformaciones. Si se sigue calentando se incrementa la movilidad térmica de las moléculas provocando que las cadenas puedan deslizarse unas frente a otras limitando esta zona con la temperatura de descomposición. Los termoplásticos semicristalinos poseen fragmentos amorfos (flexibles) en el intervalo de temperaturas de uso, así como los cristalinos (rígidos). Al aumentar la temperatura es posible moldearlos cuando los fragmentos cristalinos alcanzan el intervalo de la temperatura de fusión. Luego le sigue el estado termoplástico, y al seguir aumentando la temperatura el estado que se alcanza se caracteriza por la transparencia que adopta el plástico antes opaco. Esta zona limita con la temperatura de descomposición del plástico. Por la estructura de los plásticos, éstos sufren una dilatación volumétrica relativamente grande con el aumento de la temperatura. En los plásticos reforzados esta dilatación es menor, y está en función del tipo y cantidad de material de refuerzo. 3. PROPIEDADES ELÉCTRICAS Los plásticos, al no disponer de electrones libres móviles, tienen un buen comportamiento como aislantes y pueden ser usados en la industria eléctrica y electrónica, por ejemplo, para aislantes, enchufes, recubrimiento de cable y alambre, entre otros. Por esto, las propiedades más importantes son: resistencia superficial, resistencia transversal, propiedades dieléctricas, resistencia volumétrica, resistencia al arco. 4. PROPIEDADES QUÍMICAS Los plásticos son materiales inertes (no reactivos) frente a la mayoría de las sustancias líquidas, sólidas y gaseosas comunes. Si se selecciona el tipo de plástico ideal, tomando en cuenta las condiciones de presión, temperatura, humedad y otras, 7

pueden ser usados en aplicaciones que requieren contacto con diversos tipos de solventes y materiales corrosivos. 5. ABSORCIÓN DE HUMEDAD Consiste en la absorción de humedad presente en el aire o por la inmersión en agua siendo dependiente del grado de polaridad de cada plástico. Esta propiedad es distinta para los diferentes tipos de plásticos. Por ejemplo, los plásticos no polares como el PE, PP, PS, absorben muy poca aguan, mientras los plásticos polares como los Poliésteres termoplásticos absorben gran cantidad de agua. En estos materiales el porcentaje de humedad afecta las propiedades finales de las piezas que se fabriquen. 6. PERMEABILIDAD Esta propiedad tiene gran importancia en la utilización de los plásticos usados para envases, por ejemplo, en láminas, películas y botellas. La permeabilidad frente a gases y vapor de agua es un criterio esencial para la selección del tipo de material según el producto a envasar: alimentos, frutas, bebidas, embutidos, otros. Además del tipo de plástico, la permeabilidad depende del grosor y de la temperatura. 7. FRICCIÓN Y DESGASTE El comportamiento de los plásticos ante la fricción se caracteriza por la interacción de los materiales involucrados en el fenómeno, la estructura superficial, el lubricante, la carga específica y la velocidad de desplazamiento. Una aplicación común son los rodamientos formados por el par plástico-acero. Para la selección de los plásticos se considera el fenómeno del desprendimiento de calor a través del elemento metálico.

TERMOPLÁSTICOS Estos materiales pueden ser recalentados y reformados varias veces sin cambios significativos en sus propiedades. Deben su nombre a que se ablandan y plastifican y su estructura molecular es mayoritariamente lineal, con o sin si n ramificaciones.

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