POLIMEROS - Procesos Industriales

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PROCESOS INDUSTRIALES Procesado de polímeros

I

Procesado de polimeros Obtención de productos a base de materiales poliméricos

Por polímero entendemos materiales cuyas moléculas son muy grandes, formadas por muchas partes o eslabones de una larga cadena llamados monómeros todos iguales. Dentro de los polímeros distinguimos dos variedades de grandes aplicaciones industriales, industriales, los plásticos y los elastómeros . Los plásticos son un grupo muy diverso de materiales sintéticos, cuya forma se obtiene por conformado y moldeado. Los plásticos se pueden clasificar en termoplásticos  y plásticos termoestables , dependiendo de como estén enlazados enlazados químicamente. Los elastómeros  o  o gomas experimentan deformación elástica al aplicar una fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar su forma original(total, o casi totalmente cuando cesa la fuerza).

Termoplásticos: Para ser conformados requieren la aplicación de calor previo al enfriamiento que les da la forma definitiva. Pueden ser recalentados y reformados varias veces sin alterar demasiado sus propiedades, por ello son reciclables .

Plásticos termoestables : Fabricados con una forma permanente, y vulcanizados o endurecidos por reacciones químicas, no se pueden refundir ni almacenar , y son degradados o descompuestos por calor a temperaturas muy elevadas. No son reciclables r eciclables.. En general, el uso de materiales plásticos para proyectos mecánicos los presenta como materiales técnicos importantes. Permiten el ahorro de determinados componentes por medio de diseños adecuados con estos materiales, la eliminación de muchas operaciones finales, simplificaciones en etapas de montaje, reducción de peso, reducción de ruido y, en casos, eliminación de lubricación al ciertos componentes.

II

Métodos Industriales de Polimerización

La obtención de productos poliméricos comienza en la obtención de recursos naturales, ya sea gas natural, petróleo o carbón. Ellos son hidrocarburos y, por lo tanto, disponen de cadenas carbonadas fundamentales para la aplicación de técnicas catalíticas en la búsqueda de nuevas sustancias. En el siguiente diagrama de bloques se muestra el proceso simplificado, partiendo de la materia prima hasta arribar a los productos definitivos. Gas Natural Petróleo Carbón

Proceso de Polimerización

Polímeros (gránulos, bolitas, polvos, líquidos, etc.)

Manufactura(iny ección, compresión, etc)

Productos definitivos

Fig. 1 Los procesos de polimerización son aquellos procesos químicos por medio de los cuales se obtiene el polímero, que se presenta en diversas formas, como polvo, gránulos, líquidos, etc. El proceso de polimerización polimerización consiste en la unión de los monómeros, permitiendo obtener largas cadenas, es decir los polímeros, que son moléculas pesadas, y su longitud permite el entrecruzamiento de las moléculas. De modo que los polímeros ofrecen características mecánicas(elasticidad, mecánicas(elasticidad, plasticidad, flexibili f lexibilidad) dad) a nivel molecular. La polimerización se realiza por diversos métodos que se describen en forma sintética en el punto siguiente.

Métodos de polimerización Ing. Roberto Piloñeta Página 1/10

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1- Polimerización en bloque:

Polimerización por condensación a baja temperatura de reacción.

Q

Fig. 2 2- Polimerización por solución:

Monómero en soluto no reactivo + catalizador. El calor administrado al soluto gobierna la velocidad de reacción.

Fig. 3 3- Polimerización por suspensión:

Monómero + catalizador en agua. Se extrae el agua por calentamiento, obteniéndose el polímero deshidratado.

medio acuoso

Gotas de monómero con indicador

PVC, poliestireno, piloacrilonitrilo, polimetil metacrilato.

Fig. 4 4- Polimerización por emulsión-suspensión (en agua):

Emulsionador para dispersar monómeros en pequeñas partículas. Se utilizan tensoactivos para mantener los monómeros en pequeñas gotas

Medio acuoso con indicador en suspensión

Gotas de monomeros

Fig. 5

5- Proceso UNIPOL(Du Pont):Proceso másico de polimerización continua para polímeros de baja densidad.

A partir de etileno fluidificado con adicionado de comonómeros, en presencia de catalizador en un reactor de lecho fluidificado(100°C y 100psi). En el sistema de descarga, se adiciona nitrógeno gaseoso y se extrae el producto, polietileno granulado. Ing. Roberto Piloñeta Página 2/10

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La novedad de este proceso fue la posibilidad de obtención continua del polímero. Este objetivo es perseguido por todos los intentos de innovación sobre cualquier proceso de fabricación. (Fig. 15. Esquema de planta de Polimerización para adición de Comonómero)

Compresor a ciclos Compresor Refrigeración a ciclos Catalizador

Etileno

Reacto r de lecho fluidi’ ficado

Purga

Sistema descarga producto

Comonomero

de del

N2

Polietileno

Fig. 6 III

Termoplásticos de uso general

Polietileno de baja densidad

de baja densidad lineal

de alta densidad

Fig. 7 Cloruro de polivinilo y copolímeros(PVC) Aditivos utilizados: plastificantes(esteres ftalato), estabilizadores de calor(organometálicos de cadmio, calcio, cinc, estaño y plomo), lubricantes para evitar adherencias(ceras, esteres grasos, jabones metálicos), cargadores o productos de relleno para bajar el costo del material(carbonato cálcico) y pigmentos para dar color, opacidad e impermeabilidad a los compuestos de PVC. Variedades cloruro de polivinilo rígido: en cañerías cloacales y pluviales. cloruro de polivinilo plastificado: recubrimiento de techos de automotores, revestimiento de conductores eléctricos y pisos flexibles. Polipropileno: más resistente pero menos flexible que el polietileno. Se aplica en electrodomésticos, embalajes y varios tipos de botellas. Su aspecto lustroso y satinado lo hace adecuado para sobreenvoltura de mercaderías. Ing. Roberto Piloñeta Página 3/10

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Poliestireno: Ser un material quebradizo es su principal inconveniente, que puede ser resuelto por adición de aditivos. Se aplica en revestimientos de automóviles, electrodomésticos, manillares y utensilios de cocina en general. Poliacrilonitrilo: Se emplea en forma de lana en tejidos de punto, como jersey y mantas. También se usa como comonómero para producir copolimeros estirenoacrilonitrilo(resinas SAN) y termopolímeros acrilonitrilo-butadieno-estireno(resinas ABS). Estireno acrilonitrilo(SAN): Son rígidos y duros, se procesan fácilmente y exhiben la transparencia y claridad del poliestireno. Se aplican en espejos, componentes de automóviles, manillares, jeringuillas descartables, como medio flexible de cristales de seguridad y menajes de cocina(platos y tasas). ABS(acrilonitrilo-butadieno-estireno): Se aplica en tuberías y accesorios de drenaje y ventilación de edificios. También para recubrimiento de puertas de cámaras frigoríficas, maquinaria de oficina, carcazas de teléfonos y ordenadores y en aplicaciones de escudo frente a interferencias electromagnética de radio frecuencia. Metacrilato de polimetilo(PAMMA): Es más conocido con el nombre de Plexiglas o Lucite y es el material más importante del grupo de termoplásticos conocidos como acrílicos . Se utiliza en las ventanillas de aviones, claraboyas, iluminación exterior y señales publicitarias, en pantallas de seguridad, antiparras de protección, picaportes y asas. Fluoroplásticos: en ellos, el fluor actúa otorgándoles propiedades antilubricantes. Politetrafluoroetileno(teflón), material desarrollado por Du Pont, de propiedades antideslizantes y resistente al calor con aplicaciones muy diversas. Procesado: Debido a su elevada viscosidad no es posible vaciarlo en moldes por inyección o extrusión en matrices. Se conforma por compresión de sus gránulos a elevadas presiones(14 a 69 Mpa). Luego de conformados son sinterizados entre 360 a 380 °C. Aplicaciones: como recubrimiento de tuberías resistentes a reactivos químicos, aislamiento de cables a altas temperaturas, componentes eléctricos, cintas de grabación y recubrimientos anti-adherentes. Se aplica también en manguitos, juntas, cojinetes, en general piezas sometidas a desgaste. Policlorotrifluoretileno(grillón). En este compuesto, cada cuatro átomos de fluor se intercala uno de cloro. es un material más blando que el teflón y sus propiedades en los mismos campos son inferiores.

IV

Termoplásticos industriales

Se mencionan en este apartado plásticos que tienen propiedades que los hacen particularmente útiles para aplicaciones industriales. Poliamidas(nylons): Policarbonados Resinas basadas en óxidos de fenileno Acetales Poliésteres termoplásticos Polisulfonas Sulfuro de polifenileno Polieterimidas

V

Procesado de plásticos

Los materiales plásticos son procesados mediante diversas técnicas para obtener componentes y piezas que con ellos pueden producirse. Se aplica una propiedad especial de ellos, es decir su capacidad de fluir en estado semilíquido o pastoso a temperaturas Ing. Roberto Piloñeta Página 4/10

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por encima de su punto de fusión, con el límite superior de su oxidación a alta temperatura o combustión. Estas características determinan los aspectos principales de los procesos de fabricación de piezas con estos materiales. Los procesos aplicados son: 1- Moldeo por Inyección 2-Moldeo por extrusión 3- Moldeo por soplado y termoconformación 4- Moldeo por compresión 5- moldeo por transferencia

1- Moldeo por Inyección

- Fricción - Compresión - Aporte exterior

Fig. 8

El equipo consta de un tornillo de paso variable, que garantiza buena uniformidad del material. Ventajas del proceso: a. Alta calidad con alto nivel de producción. b. Relativo bajo costo de trabajo. c. Buena terminación de la pieza. d. Proceso totalmente automatizado. e. Se pueden producir piezas con formas complicadas. Desventajas: a. Alto precio de la maquinaria, lo que exige elevada escala de producción. b. Controles estrechos para conseguir productos de alta calidad (las exigencias en tolerancias y recorridos son muy estrictos) Características del molde:

Bebedero Piezas

Canales

Fig. 9 Funcionamiento del proceso: a) Los granos son liberados desde la tolva al tornillo rotatorio

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Fig. 10.a b) El material se funde por la acción de calor aplicado en la carcaza del tornillo, Al llegar al material al final del recorrido, el tornillo girante se retira, acumulando material fundido en la antecámara del molde.

Fig. 10.b c)El tornillo avanza hacia adelante(embolada) ejerciendo la inyección del material hacia el molde, por medio del bebedero y puertas.

Fig. 10.c d) El tornillo re retira hacia atrás y el molde se abre liberando la pieza.

Fig. 10.c 2- Extrusión

1

2

4

3

Fig. 11 (1) zona de embudo, enfriamiento y transporte de sólido. (2) espera en la fusión. (3) zona de fusión. (4) zona de extracción de material derretido. Por este método se obtienen tubos, barras, películas, hojas, etc. Se obtienen también piezas en bruto como pastillas y otras por aprovechamiento de material reciclado. Las piezas recién terminadas deben ser enfriadas por debajo de la temperatura de transición vítrea, para evitar deformidad. Se enfría con aire o agua.

3- Moldeo por soplado y termoconformación Ing. Roberto Piloñeta Página 6/10

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se trata del soplado y conformación de láminas. Es un proceso de plásticos que proviene de una adaptación de métodos apocados en la industria del vidrio. Airea a presión Se abre al molde

Tubo de material

se cierra el extremo con resión calor

Pieza terminada

Molde o matriz

Fig. 12 4- Moldeo por compresión Se aplica para procesar polímeros como fenol-formaldehido, urea-formaldehido, melamina- forlaldehido, resinas que en general no presentan buenas propiedades de fluidez por encima de la temperatura de transición vítrea. Procedimiento: 1- se precalienta la resina en estado de gránulos. 2- Se carga el molde con la resina. 3- Se aplica calor para lograr el entrecruzamiento de la resina y presión para aumentar la densidad del material constituyente de la pieza. 5- Extracción de la pieza terminada

Fig. 13 Ventajas: 1- Moldes sencillos y de bajo costo. 2- Poco flujo de resinas implica durabilidad de las matrices. 3- Alta producción. 4- Moldes más compactos debido a su sencillez. 4- Los gases de reacción de curado escapan durante el moldeo. Ing. Roberto Piloñeta Página 7/10

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Desventajas: 1- Es difícil de producir por este medio piezas complicadas. 2- Las tolerancias son difíciles de mantener a tolerancias pequeñas. 3- La rebabas deben ser cortadas de las partes moldeadas.

4- Moldeo por transferencia Se usa también para polímeros termoestables: fenoles, ureas, melaminas, resinas alquilicas. Difiere del moldeo por compresión en como se introduce el material en el molde. La resina plástica no se introduce directamente en el molde sino a través de una cámara exterior a la cavidad del molde. 1

2

3

a

b

Fig. 14 Pasos del proceso: 1) el molde cerrado, está previamente cargado con plástico preformado (sinterizado) en la galería de admisión, para ser presionado por el émbolo compresor. 2) El la acción del émbolo es acompañada por aplicación de calor, el material llena la cavidad del molde. La presión y el calor consiguen el entrecruzamiento de las fibras de la resina, lo que le confiere propiedades las mecánicas requeridas. 3) Se retira el émbolo y la parte superior de la matriz o molde, y la pieza es expulsada por un dispositivo automático. Luego, se reinicia el ciclo con una nueva carga de preforma de material. Ing. Roberto Piloñeta Página 8/10

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a) detalle de la red rígida de material polimérico que se forma. b) detalle del dispositivo móvil de la matriz. Las ventajas de este proceso con respecto al moldeo por compresión radican en: a- la obtención de piezas sin rebabas, y con menor acabado, b- producción de muchas piezas al mismo tiempo por medio de galerías en la matriz, c- pueden fabricarse por este proceso piezas pequeñas de formas intrincadas, difíciles de obtener por compresión.

Consideraciones finales: Para componentes termoestables, la máquina constituida por rosca alternativa más calentamiento específico y posterior enfriamiento con recuperación de resina en el proceso, hacen de este método el más eficiente. Permite la liberación de gases de reacción producidos por las resinas termoestables. Estas características le dan al proceso un gran futuro.

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Esquema de planta de Polimerización para adición de Comonómero

Fig. 15

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Práctica del Capítulo Importante: Presentar siguiendo las normas de presentación de trabajos prácticos de la cátedra.

Actividad 1

PREGUNTAS

1 Realizar una lista de veinte(20) productos donde los materiales plásticos hallan reemplazado a otroa materiales en forma total o en algunos de sus componentes. 2

Distinguir la diferencia entre los términos : a. b.

monómero y polímero monómero y comonomero

3 Señalar los procesos de polimerización conocidos. Describir en forma general los recursos necesarios para que alguno de dichos procesos se puedan llevar a cabo por una planta industrial. 4 Un fabricante de bujes para procesadoras del hogar desea abandonar el uso del latón en sus productos. Indicar que materiales no metálicos puede adoptar y el proeso de obtención de los pequeños bujes. 5 Describa el proceso para obtener botellas plásticas destinadas a envasar agua mineral. Identica consigna para las tapitas de los envases. 6 Indicar que materiales poliméricos son reciclables y cuales no. Describir el proceso más adecuado para la obtención de productos a partir de material reciclado. 7 Indicar el método apropiado para producir varillas de contravidio en PVC. Dicho método tiene sus características propias, describirlas. 8

Describir el moldeo por conpresión y compararlo con el moldeo por transferencia.

9 Comentar la acción del calor en los procesos de materiales plásticos que factor gobierna los niveles térmicos a tener en cuenta. 10 El moldeo por inyección tiene ventajas que lo presentan como un proceso prometedor. Describir el proceso y señalar sus ventajas y alcances.

Actividad 2

SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

Realizar un diagrama de bloques para representar la planta induatrial de una pequeña fábrica de envases plásticos. a. Elaborar el LAY OUT de la planta y distinguir la circulación del proceso. b. Indicar insumos y materias primas requeridos y el establecimiento de puntos de control. c. Elaborar una lista con la información nesesaria para poder derterminar el costo de producción de una planta similar a la propuesta.

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