Apuntes Polímeros y Elastómeros PDF

TEMA 4. POLÍMEROS. ELASTÓMEROS 1. POLÍMEROS Los polímeros sintéticos se clasifican en 3 categorías: - Elastómeros - Materiales plásticos - Fibras Si la macromolécula está formada por: - Mismo monómero: homopolímero (polietileno) - Si son 2 o más: Copolímero (ABS: acrilonitrilo...

TEMA 4. POLÍMEROS. ELASTÓMEROS 1. POLÍMEROS Los polímeros sintéticos se clasifican en 3 categorías: - Elastómeros - Materiales plásticos - Fibras Si la macromolécula está formada por: - Mismo monómero: homopolímero (polietileno) - Si son 2 o más: Copolímero (ABS: acrilonitrilo (H2C=HC-CN), butadieno y estireno) Monómeros: - Bifuncional: tienen 2 posibilidades de enlace (estireno). Dará origen a cadenas largas. - Trifuncional: tiene 3 enlaces (o-, m-, p-) (fenol) respecto a su grupos –OH, puediendo dar redes tridimensionales. Los polímeros se clasifican según la respuesta que tengan al someterlos a altas temperaturas en: - Termoplásticos: se ablandan al calentarlos y se endurecen al enfriarse - Termoestables: mantienen su dureza cuando se calientan, por eso estos son más duros, resistentes y frágiles que los termoplásticos, presentando también mayor estabilidad tridimensional. 2. PROPIEDADES Y ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS A) PESO MOLECULAR Y GRADO DE POLIMERACIÓN B) CONFIGURACIONES MOLECULARES La disposición de grupos laterales en las cadenas, si existen, afecta mucho a las propiedades del polímero. Ej: Cloruro de polivinilo (PVC). Presenta 3 posibles situaciones del cloro: - Isotáctica: átomos de claro en el mismo lado - Sindiotáctica: cloros opuestos pero de manera regular - Atáctica: ordenación al azar. De las 3, la más resistente es la sindiotáctica, y además tiene la tiene la temperatura de ablandamiento más elevada, debido al resultado combinado de disposición regular de los sustituyentes con la polaridad de la macromolécula. La configuración atáctica es la que tiene menor temperatura de ablandamiento. Para elastómeros, como presentan dobles enlaces, pueden presentarse en: - Isómeros cis: los átomos o grupos de átomos están en el mismo lado de la cadena. - Isómeros trans: están situados alternativamente en los lados opuestos. Por ejemplo, el trans-isopreno (gutapercha) tiene propiedades diferentes al del caucho natural, por poseer distinta configuración. 2.1. GUTAPERCHA Gutapercha (del malayo getah = caucho y percha = árbol) es un tipo de goma parecida al caucho, translúcida, sólida y flexible, fabricada a base del látex proveniente de árboles del género Palaquium, indígenas en el sudeste asiático. 2.1.1. ESTRUCTURA Como el caucho, la gutapercha es un polímero del isopreno (2-metil,1,3-butadieno). Pero a diferencia del caucho (isómero CiS), la gutapercha es un isómero trans, que hace a esta última mucho menos elástica. 2.1.2. UTILIZACIÓN Se utiliza a escala industrial, entre otros, en la fabricación de telas impermeables y el aislamiento de cables eléctricos (sobre todo cables submarinos) dadas las buenas propiedades como aislante. El material se torna moldeable a una temperatura aproximada de 50ºC. No aguanta una exposición larga al sol. También se utiliza para la obturación de los conductos radiculares de los dientes en endodoncias 2.1.3. TÉCNICAS DE MOLDEO DEL CAUCHO MOLDEO POR COMPRESIÓN El moldeo por compresión es una técnica en la cual la materia prima (en forma de polvo) es introducida en un molde calefaccionado a una temperatura entre 140ºC y 160ºC, y sometida a una elevada presión. El calor y la presión se mantienen hasta que la reacción finaliza. Al cabo de unos minutos (determinados a partir del espesor de la pieza) se produce la plastificación y curado dentro del mismo molde, para luego retirar la pieza terminada. Este método de molde es utilizado para producir interruptores de electricidad y porta fusibles, electrodomésticos, maquinarias, medidores de gas y luz, entre otras aplicaciones. MOLDEO POR TRANSFERECIA En el moldeo por transferencia, el proceso es similar al anterior, con la diferencia que la materia prima se precalienta antes de ser introducida en el molde y transferida hidráulicamente. Este sistema se usa generalmente en moldes con movimientos y que tenga hoyos, insertos, postizos, etc. MOLDEO POR INYECCIÓN En el moldeo por inyección, la materia prima es colocada en una tolva, y por gravedad cae dentro de la máquina que, a través de un tornillo calefaccionado, se inyecta a presión dentro del molde cerrado, con una temperatura inferior a la de la materia prima inyectada. Luego de unos segundos se retira la pieza terminada. La presión de la inyección es alta, dependiendo del material que se está procesando. El moldeo por inyección es un proceso rápido, muy apto para producir gran cantidad de productos idénticos. Desde componentes de ingeniería de alta precisión hasta bienes de consumo de uso común. PROCESO DE DESHUMIFICACIÓN La deshumificación es un proceso mediante el cual, a través de un sistema automático, se coloca la materia prima a utilizar a niveles deseados de humedad que son propios de cada material y del producto que se desea fabricar. Todas las materias primas hidroscópicas deben ser sometidas a procesos de deshumificación.  ATEMPERADORES DE MOLDE Los atemperadores son sistemas por medio de los cuales es posible aumentar o disminuir la temperatura del molde durante el proceso de premoldeado. La temperatura que debe alcanzar el molde en esta instancia depende de la materia prima que se va a utilizar. En la mayoría de los casos, la información sobre la temperatura de premoldeado es suministrada por el fabricante. Los procesos de atemperamiento se realizan con todos los materiales de la industria plástica. C) CRISTALINIDAD Es función del tamaño y complejidad de sus moléculas; en función de esto, los polímeros presentan regiones cristalinas (ordenadas), dispersas en otras amorfas (desordenadas). El grado de cristalinidad varía desde 0 a 95%, siendo la densidad de un polímero cristalino siempre mayor que la del mismo polímero en estado amorgo, puesto que el empaquetamiento de las cadenas de la estructura cristalina es siempre más compacto. D) COMPORTAMIENTO DE LOS POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Si se les somete a un esfuerzo, experimentan deformación elástica y plástica. La deformación plástica está relacionada con la viscosidad del material, y este depende de la temperatura. En cada polímero plástico existen 3 temperaturas de interés: - Temperatura de degradación (Td) o temperatura más elevada a la cual el material puede ser conformado (capacidad material para formar láminas termoplásticas). - Temperatura de fusión (Tf) o temperatura a la que el polímero se vuelve líquido. - Temperatura de transición vítrea (Tv): De 0,5 a 0,75 veces la temperatura de fusión. Por debajo de ella, el polímero se vuelve duro y frágil. 3. EL CAUCHO Es una macromolécula formada por la repetición de (C5H8)n. 2, metil-1,3-butadieno. Es un líquido de aspecto lechoso llamado látex en proporción variable, normalmente entre un 27 a un 40%. El más importante es el Hevea Brasilensis, árbol amazónico de 20 metros de altura, del que se extrae el latex mediante incisiones hechas en el tronco. Se obtiene entre 500 y 600 kg de caucho por hectárea al año. El latex coagula espontáneamente algunas horas después de ser sangrado, por lo que hay que tratarlo con dos fines: - Acidificarlo para preparar el caucho y separar éste. - Estabilizarlo para su transporte y utilización como látex. Antes, más del 90% se coagulaba para obtener el caucho, pero en la actualidad, debido a sus muchas aplicaciones convenientemente acondicionado, se estabiliza para su posterior tratamiento. 4. COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL LÁTEX Es una dispersión de caucho en un suero acuoso con sustancias orgánicas o minerales en solución. Su aspecto es blanco, opaco y similar a la leche. Los principales constituyentes del látex son: - Agua: 52 a 70% - Resinas: 1 a 1,7% - Materias minerales: - Caucho : 27 a 40% - Azúcares: 0,5 a 1,5% 0,2 a 0,9% - Prótidos: 1,5 a 2,8% 5. ESTABILIZACIÓN DEL CAUCHO Para que no coagule el látex se utiliza amoniaco. Este aumenta el pH y actúa como desinfectante destruyendo los microorganismos que colaborarían en la coagulación del látex. Como el látex contiene una media de 60% de agua, se suele concentrar para evitar un transporte inútil. Lo que se usa actualmente es la centrifugación para elevar la concentración de materias sólidas de látex. 6. EXTRACCIÓN DEL CAUCHO Se extrae del látex con ácido acético o fórmico, que lo coagula quedando en depósitos especiales formando una lámina continua, de donde se obtienen dos tipos de caucho: - Hoja ahumada: se obtiene haciendo pasar la lámina de caucho coagulado por un secador- ahumador donde se impregna de sustancias creosotadas (compuestos extraídos del petróleo por destilación). - Crepé: se prepara pasando la lámina de caucho laminado por unos laminadores llamados crepedores, compuestos de cilindros estriados que giran a velocidades diferentes y que estiran y desgarran el caucho. Se somete a lavado en corriente continua de agua, cuya función es arrastrar los constituyentes del látex indeseables, lo que hace que no se necesite ahumado del caucho para su conservación. Finalmente, se seca la lámina de crepé en corrientes de aire. 7. COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL CAUCHO NATURAL Está compuesto por el monómero isopreno (C5H8), sin embargo, la polimeración artificial, aunque da un producto elástico, tiene unas cualidades muy inferiores a las del caucho natural. El caucho natural tiene dos defectos fundamentales: - Plasticidad baja para poder moldearlo - Muy sensible a los agentes atmosféricos: se oxida con el oxígeno del aire, envejece con la luz, se hace pegajoso y blando con el calor y se endurece a temperaturas bajas. Se consigue su plasticidad mediante masticación, o desmenuzamiento del caucho en una malaxadora compuesta de un cilindro con puntas que gira en el interior de otro cilindro también con puntas que se entrecruzan con las del cilindro interior. Una vez moldeado, se consigue aumentar su elasticidad con la vulcanización: proceso por el cual se logra, además del caucho industrial, hacerlo prácticamente insensible al oxígeno, calor y luz. 8. VULCANIZACIÓN DEL CAUCHO Operación destinada a aumentar la elasticidad del caucho a costa de su plasticidad. El vulcanizado se hace amasando caucho y azufre en proporción mínima de 0,15%, y una vez que la mezcla homogénea se calienta hasta 110ºC (Tª de fusión del S), con el que éste se disuelve parcialmente en el caucho, reaccionando químicamente con el mismo, dándose uniones cruzadas entre las cadenas del polímero mejorando sus propiedades mecánicas. El producto final dependerá de la cantidad del S que tenga el producto final: - De 8 a 10%: caucho vulcanizado blando, es decir, normal. - De 10 a 25%: semi-ebonitas poco resistentes y poco elásticas. - Entre 25 y 32%: ebonita, materia dura, resistente y muy poco elástica. 9. INGREDIENTES QUE COMPONEN EL MODERNO CAUCHO VULCANIZADO El caucho vulcanizado suele tener los siguientes productos: - Caucho crudo: es el constituyente principal de la mezcla, y se incorpora en forma de hojas ahumadas o de crepé. - Plastificantes: aumentan la plasticidad de la mezcla, aumentando el moldeado y las propiedades adhesivas del caucho para que sea más aglutinante. - Acelerantes: son ingredientes que añadimos a la mezcla para acelerar la vulcanización reduciendo la duración del calentamiento necesario. - Activadores: su función es acelerar a los aceleradores. - Retardadores: se utilizan para evitar el tostado del caucho. - Antioxidantes: son catalizadores negativos que retardan la oxidación del caucho prolongando la duración de sus cualidades. - Cargas.  Reforzantes o activas: tienen como objeto mejorar la resistencia a la rotura, al desgarro y a la abrasión del caucho.  Inertes: tienen como objetivo disminuir el precio a costa de aumentar su cuerpo, pero disminuyendo sus propiedades mecánicas. - Ingredientes secundarios diversos: se añaden en pequeñas cantidades, pero son imprescindibles para mejorar ciertas cualidades organolépticas. Ej: pigmentos, odorantes, hinchantes, abrasivos e ignífugos. El agente vulcanizante es el ingrediente que se añade en último lugar. 10. FABRICACIÓN DE ARTÍCULOS DE CAUCHO Comprende 4 operaciones fundamentales: - Plastificación: las balas de caucho, una vez “desheladas” (calentadas durante un tiempo), se cortan y trocean, y se someten a un proceso de amasado (malaxado), para dar plasticidad al caucho. Esta operación se realiza en malaxadores de cilindros que giran en sentido opuesto a diferentes velocidades, haciendo que el caucho se desgarre, comprima y caliente. - Mezclado: se hace en malaxadores análogos a la plastificación. Aquí se añaden todos los ingredientes del caucho. - Modelado: se hace en calandrias, que son como laminadores de cilindro, que dan a la lámina de caucho un grosor constante, o en budinadoras, donde se perfila el caucho por extrusión, debido a la presión sale con la forma que se quiere obtener. - Vulcanización: se coloca la mezcla, cruda o modelada, en moldes o estufas donde se calienta, durante un tiempo que varía en función de lo que se quiera obtener. Finalmente, se deja enfriar, se desbarba con tijeras o muelas y se almacena, a ser posible sin luz. 11. FABRICACIÓN DE ARTÍCULOS DE LÁTEX El látex tiene 2 ventajas respecto del caucho: - Tiene todas las cualidades del producto natural, y no sufre degradaciones comparables a las plastificaciones mecánicas del caucho, ni elevación de temperatura importante en el proceso de su manufactura. - Muchos productos cuya fabricación es más sencilla partiendo del látex y con mejores propiedades. Inconveniente: al transportarlo queda mucha agua en disolución, además de no soportar la adición de cargas inertes.  El látex se utiliza para fabricar objetos por: - Inmersión: se sumerge en las hornas adecuadas en función del objeto a obtener. - Impregnación: suele ser de tejidos. Se pasan por un baño de látex con aceites sulfonados para reducir la tensión superficial de látex. - Moldeo: se hace con nitrato amónico como coagulantes, además de ingredientes de carga, coloración, vulcanización, etc. Después a los moldes, se caliente, coagula y se retira de los moldes. Se lava con agua tibia para eliminar restos, se seca y se vulcaniza con aire caliente. - Formación de espuma: se puede hacer por adición de un agente hinchante, que forma gases que quedan aprisionados, o por insuflación de aire. Después, se vulcaniza. 12. CAUCHOS SINTÉTICOS - GR-S (Govermente Rubber Styrene): es el copolímero butadien-estireno (Butadieno- NAtrium, catalizador Styrene). - GR-A (Govermente Rubber Acrilnitrilo): es el caucho nitrilo (Butadieno-NAtrium Nitrilo acrílico). - GR-M o Neopreno: es un policloropreno (buradieno clorado). - GR-I (goverment Rubber Usobutileno) o caucho butilo. 13. CAUCHO REGENERADO Es un caucho vulcanizado, que se vuelve a utilizar como materia prima con características similares a las del caucho bruto. La regeneración consiste en transformar el caucho vulcanizado, que es elástico pero no plástico, en una sustancia plástica, y moldeable, susceptible, después de vulcanizarse y volverla elástica. 14. EBONITA Producto derivado del caucho por vulcanización con azufre en proporciones comprendidas entre el 24 y 32%. 15. DERIVADOS QUÍMICOS DEL CAUCHO - Caucho clorado: Caucho + Cl. - Clorhidrato de caucho: HCl + caucho - Cauchos oxidados o rubbones: caucho + O2 - Cauchos ciliados o thermoprenes: caucho + metales, sobre todo al hierro y acero. - Resinas pliolite y plio-form: resisten mucho los ácidos, álcalis y humedad. 16. APLICACIONES DEL CAUCHO Actualmente, existen más de 40000 artículos de caucho. En un coche hay más de 500 piezas de caucho.