Polímeros y Materiales Cerámicos

Corrosión - Tratamientos

• Los materiales se degradan por fatiga (uso y aplicación de fuerzas) y corrosión (o una combinación de ambos).

Corrosión

• La corrosión es la interacción de un material con su entorno, produciendo un cambio químico y deteriorando sus propiedades.
• El acero se corroe a una velocidad de una tonelada cada 90 segundos, mundialmente.
• Aproximadamente, el 50% de la producción mundial de acero se utiliza para reemplazar el acero ya corroído.
• La agresividad de los ambientes y los avances tecnológicos hacen que aumente la pérdida por corrosión.
• La ecuación química de la corrosión del hierro es Fe + O₂ → óxido de hierro.

Corrosión acelerada por un fluido

• La ruptura de una tubería en una central térmica, por vapor a alta temperatura, presión y velocidad, redujo el espesor de la tubería de 10 mm a 1,5 mm.

Corrosión - Cavitación

• La corrosión por cavitación se ilustró con un rotor de hierro de una bomba.

Corrosión visible y corrosión invisible

• No todos los procesos de corrosión son visibles a simple vista; la corrosión puede ocurrir internamente en el material.
• Se muestra la corrosión de una farola de acero por la acción del viento y la corrosión esperada en tuberías de cobre.

Algunas cuestiones sobre corrosión

• Todos los materiales se corroen, aunque algunos a una velocidad mayor.
• Los mecanismos de corrosión no son los mismos para todos los materiales. Los mecanismos dependen del tipo de material.

Corrosión metálica

• La corrosión se observa en varios ejemplos como: plata en el aire, cobre en el aire, cobre en agua de mar, bronce (Cu+Sn) en el aire, plomo en aceite, y plomo en agua.

Corrosión cerámica

• Se muestra la corrosión de cemento en la atmósfera, granito en ambientes con bacterias, arenisca en una atmósfera y caliza en agua.

Corrosión de plásticos

• Un ejemplo de corrosión de plásticos es la degradación de un plástico biodegradable expuestos a la atmósfera.
• Otro ejemplo de corrosión de plásticos es la decoloración e hinchamiento de plástico por ciclos de calor y frío, así como exposición a luz solar y líquidos de frenos.

Descomposición fotoquímica de un plato de plástico

• La exposición del plato de plástico a la luz solar muestra una descomposición fotoquímica a lo largo del tiempo (60-120 días, 90-150 días, 6-12 meses).

¿Por qué se corroen los materiales?

• Los materiales en su estado natural están corroídos y mezclados con otras sustancias; su transformación a un estado puro requiere energía.
• La corrosión implica la anulación de los procesos de tratamiento y formación de materiales.
• Cuanto más difícil es extraer un metal, es más susceptible a la corrosión.

Cloruros, CO2 y oxígeno en hormigón armado

• Los materiales corrosivos como cloruro, CO2 y oxígeno se disuelven en el agua y penetran en la estructura del hormigón armado, distribuyéndose a través de la red de poros.
• El CO₂ reacciona con Ca(OH)₂ en el hormigón, formando CaCO₃ y disminuyendo el pH, lo cual corroe el acero y modifica las propiedades del cemento.
• Se muestra hormigón contaminado por cloruro.

Sulfatos (SO₄²⁻) en hormigón

• La acción de los sulfatos (MgSO₄) en el hormigón implica la sustitución de Ca²⁺ por Mg²⁺, formando CaSO₄ y Mg(OH)₂.
• Los cristales de etringita causan un aumento del volumen del hormigón, produciendo fisuración.

Corrosión de metales

• Se muestran ejemplos de la corrosión metalica en estructuras como la Torre Eiffel y un faro.

Degradación de polímeros

• Se muestran ejemplos de la degradación de polímeros.

Protección frente a la corrosión

• Se muestra la protección contra la corrosión.
• Para proteger estructuras o materiales, se debe: elegir el material adecuado, diseñar el material de manera adecuada y utilizar métodos de protección adecuados.

Elegir el material adecuado

• La elección del material depende de la función y del entorno en el que se aplicará el material.
• Se muestran la aplicación del hierro y del titanio como ejemplos para la elección del material.

Diseñar el material de modo adecuado

• Se debe evitar la formación de celdas galvánicas usando dos metales con comportamientos corrosivos muy diferentes.
• Las uniones de materiales con un racor de polímeros se muestran como un diseño adecuado para la protección de la corrosión.
• El área del metal oxidado debe ser mayor que el área del metal que no se oxida.
• Para esto, se debe diseñar el material que se debe proteger y las partes del material que van a estar en contacto.
• Utilizar soldadura o uniones adhesivas en lugar de remaches o tornillos.

Utilizar métodos de protección

• Recubrimientos: pinturas, recubrimientos metálicos y recubrimientos de óxidos metálicos.
• Protección catódica: método utilizado para la protección de tuberías enterradas utilizando un ánodo de sacrificio (Mg, Zn).
• Se muestra protección de una estructura en agua de mar.
• Inhibidores: sustancias que disminuyen la velocidad de corrosión formando películas finas sobre la superficie de los materiales para una protección temporal.

Polímeros

• Los polímeros son sustancias orgánicas, generalmente de origen natural o artificial, formados por la unión de moléculas de bajo peso molecular (monómeros).
• Número de monómeros en un polímero puede ser miles o millones.
• La polimerización es el proceso por el que el monómero se convierte en un polímero.
• Los ejemplos incluyen PVC, policloruro de vinilo.
• Grado de polimerización (n): número de unidades repetidas en una cadena polimérica. Mayor n significa mayor resistencia mecánica y viscosidad.
• Tipos de polímeros: homopolímeros (mismo monómero), copolímeros (dos o más monómeros diferentes), lineales (repetición de uniones lineales), ramificados (cadenas laterales), entrecruzados (enlaces entre cadenas).
• Clasificación de polímeros según sus propiedades térmicas:
• Termoplásticos. Las cadenas son lineales o ramificadas, se funden sin descomponerse y son fáciles de reciclar sin degradación.
• Termoestables. Las cadenas son reticuladas, más resistentes y menos flexibles. Su estructura se endurece al calentarse y no se derriten.
• Elastómeros. Las cadenas son flexibles con cierto grado de entrecruzamiento, se deforman elásticamente sin cambios permanentes, son elásticos.
• Estado de polímeros: amorfo (cadenas desarregladas), cristalino (cadenas ordenadas), semicristalino (partes ordenadas y desordenadas).
• Grado de cristalinidad y propiedades: aumenta la densidad, aumenta la rigidez y la resistencia, y aumenta la resistencia térmica. El polímero amorfo es transparente y el semicristalino es opaco.
• Temperatura de transición vítrea (Tg): temperatura donde el polímero amorfo pasa de duro a flexible o de quebradizo a gomoso.
• Propiedades térmicas de los polímeros: la temperatura de transición vítrea, estado de goma, estado vítreo y estado cristalino.
• Ejemplos y propiedades de polímeros como polietileno HD, LD, polipropileno, etc.

Polímeros en la construcción

• Ejemplos de uso de polímeros en la construcción: aislamiento, revestimientos, carpintería, cubiertas, aislamiento eléctrico, tuberías.

Cerámica

• Son compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos con enlaces iónicos, con altas temperaturas de fusión, son frágiles, duros con baja tenacidad y ductilidad.
• Son muy sensibles al cambio de temperatura.
• Los cerámicos pueden tener una estructura no cristalina (vidrio).
• Ejemplos de cerámicas: ladrillos, cemento, tejas, óxidos, carburos.
• Silicatos, sílice, alúmina: componentes importantes de las rocas y la corteza terrestre.
• Ejemplos de nuevos cerámicos: Al₂O₃, SiC, Si₃N₄.
• La unidad básica de los vidrios es SiO₄.
• Propiedades de los vidrios: muy viscosos, altas temperaturas de fusión.

Hormigón

• Hormigón convencional: material compuesto de áridos, aglomerante (cemento) y agua.
• Áridos: materiales granulados resistentes (arena, grava, gravilla).
• Clinker: producto granulado obtenido por la calcinación de caliza y arcilla utilizado para la fabricación de cemento.
• Composición química del clínker: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O + K₂O, SO₃, CaO libre.
• Hormigón polimérico: material que sustituye una parte o todo el cemento con polímeros, mejorando las cualidades físicas y mecánicas.
• Propiedades: resistencia mecánica, poco permeable, resistencia a la corrosión, falta de porosidad, estabilidad dimensional, absorción de vibraciones, fácil coloración, resistencia al impacto.

Metales y aleaciones

• Composición: hierro y acero, aceros de baja y alta aleación, fundiciones, otros metales (Mg, Ti, Al, Cu).
• Aleaciones no férreas: aleaciones de cobre y aluminio.
• Estructura cristalina: BCC (cuerpo centrado), FCC (cara centrada).
• Tratamiento térmico: recocido, normalizado, templados, ensayo Jominy.
• Componentes: carbonos y aleaciones.
• Propiedades mecánicas de los metales (diagramas tensión-deformación).
• Tratamientos superficiales: cementación y nitruración.