conceptos fundamentales memorias
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8/11/2019 Conceptos fundamentales memorias
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Captulo 1
Conceptos fundamentales sobre el
comportamiento de los materialesplsticos
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8/11/2019 Conceptos fundamentales memorias
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Objetivos Impartir los conocimientos bsicos en temas tales como estructura
macromolecular de los polmeros, estructura fsica y qumica de lospolmeros, propiedades y caractersticas de los polmeros.
Estos conocimientos sern la base para una buena asimilacin de los
dems cursos y para una eficaz transferencia de la tecnologa en el
control y aseguramiento de la calidad en empaque flexible para leche.
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Introduccin
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Un poco de Historia El Hombre viene utilizando los polmeros naturales desde tiempos
prehistricos (fibras de celulosa, protenas, ambar, carbohidratos,asfaltos, caucho, etc)
A pesar del uso masivo de los polmeros, hasta unas pocas dcadas atrs
virtualmente no se conoca sobre su estructura y composicin qumica
En las primeras dcadas del presente siglo se inicia el conocimiento
cientfico sobre la estructura de los polmeros (teora macromolecular deStaudinger)
A partir de este momento el desarrollo cientfico y tecnolgico de los
materiales polimricos ha sido vertiginoso. Los materiales polimricos
han pasado de ser materiales de reemplazo a irreemplazables
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Descubrimiento de la estructura
Macromolecular Raoult y Vant Hoff en 1880 sentaron los fundamentos para la medicin
de los pesos moleculares (primeras determinaciones PM en el rango de
10,000 a 40,000)
Sin embargo, se consideraban sustancias coloidales o miscelares
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Descubrimiento de la estructura
Macromolecular
Staudinger 1922 (premio Nobel 1953), propone la teoramacromolecular: sustancias orgnicas de muy alto peso molecular
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Descubrimiento
de la estructura Macromolecular
W. Carothers 1938, Conocimiento sistemtico de la qumica de
Polimerizacin y sntesis de cientos de polmeros (entre ellos la
Poliamida, Now you lost old Nipon, Nylon)
Flory 1937 (premio nobel en 1974), elucida el mecanismo de
reaccin de la polimerizacin en cadena, logrndose entender mas
claramente la naturaleza de los grupos terminales.
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Propiedades de los materialesplsticos
Los plsticos son livianos
Los plsticos permiten la elaboracin departes complejas en un solo paso.
Las temperaturas de procesamiento son
bajas.
Su resistencia trmica es limitada.Excelentes aislantes trmicos y elctricos
Se dejan colorear fcilmente.
Pueden ser reciclados y/o re-usados por
varios mtodos.
Los plsticos tienen una gran gama de
propiedades mecnicas
Tienen una gran resistencia qumica.
Son permeables.
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MATERIALES
NO METALICOS
(Molculas)
METALICOS
(Atomos)
ORGANICOS
(Macromolculas)
INORGANICOS
(Molculas)
METALES
PUROS
Hierro
Cobre
AluminioZinc
Plomo
Oro
Plata
Polmeros
Plsticos
Caucho
GranitoMrmol
Vidrio
Cermica
Cemento
Materiales plsticos
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Estructura Macromolecular de los
Polmeros
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Estructura Atmica
de la materia
Protones: Partculas positivas.
Electrones: Partculas negativas.
Neutrones:Partculas neutras
Otras partculas
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Cadenas Macromoleculares
Forman cadenas de muchos tomos
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Fuerzas intermoleculares
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Clasificacin de los Polmeros
De acuerdo con la forma de las cadenas:
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Lineales Ramificadas
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Clasificacin de los Polmeros
De acuerdo con el ordenamiento molecular
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Semicristalinos Amorfos
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POLIMEROS
RETICULADOSNO RETICULADOS
TERMOFIJOS
ELASTOMEROSSEMICRISTALINOS
AMORFOS
PFMFUP
PUREP
NBREPDM
EVAPUR
LDPEHDPE
LLDPEPP
PET
PBTPTFEPURPAPC
PSSB
SANABSASA
PVCPMMA
CACAB
PC
Clasificacin de los Polmeros
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Nomenclatura Polmeros Amorfos
Nombre tcnico Abrev.
Poliestireno PS
Poliestireno butadieno SB
Acrilonitrilo-butadieno-estireno ABSEstireno acrilonitrilo SAN
Policloruro de vinilo PVC
Polimetilmetacrilato PMMA
Acetato de celulosa CA
Acetato butirato de celulosa CAB
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Nomenclatura PolmerosSemicristalinos
Nombre tcnico Abrev.
Polietileno PE
Polipropileno PP
Poliamida PA
Polietilentereftalato PET
Polibutilentereftalato PBT
Policarbonato PC
Politetrafluoroetileno PTFE
Poliuretano PUR
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Nomenclatura Polmeros Termofijo
Nombre tcnico Elastmero Duroplstico Abrev.
Etileno-propileno-metil-dieno X EPDM
Caucho natural (Isopreno) X NR
Etilen-vinil-acetato X EVA
Silicona X X Si
Resinas fenlicas X PF
Rasinas melamnicas X MF
Resinas poliestricas no saturadas X UP
Poliuretanos X X PUR
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Estructura Qumica
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Estructura macromolecular
Estructura qumica
Constitucin Grupos atmicos (Cules)
Tamao (peso molecular) (Cuntos)
Forma de las cadenas (Lineal, ramificadas)
Configuracin(disposicin en el espacio) Isomera estructural
Isomera espacial
Conformacin
Otras Polaridad
Flexibilidad
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Copolmeros De acuerdo con el nmero de unidades estructurales constituyentes se
pueden tener:
Homopolmeros A - A - A - A - A - A - A Copolmeros
Aleatorio A - A - B - B - B - A - B - B - A - A
Poli(A- co - B)
Alternantes A - B - A - B - A - B - A - B
Poli(A-alt - B)
Bloque A - A - A - B - B - B - B - A - A - A
Poli(A- b - B)B - B - B - B
Injertos A - A - A - A - A - A - A
Poli(A- g - B) B - B - B - B
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Distribucin de pesos moleculares de un Polmero
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Promedio de Peso Molecular
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Promedio en nmero:
Ecuacin No. 1
Donde: ni: nmero de molculas de una fraccin determinadaMi: peso molecular de una fraccin determinadaMn: promedio en nmero
i
ii
n
n
MnM
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Promedio de Peso Molecular
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Promedio en peso:
Ecuacin No. 2
Polidispersidad:
Ecuacin No. 3
ii
ii
w
Mn
MnM
2
1n
w
M
MU
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Distribucin de peso molecular
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Peso molecular vs. Propiedades
A mayor peso molecular
Aumenta la viscosidad del
fundido.
Aumenta peligro de ruptura enla extrusin.
Aumenta temperatura de fusin.
Disminuye la solubilidad.
Mejora la resistencia al impacto.
Con una distribucin amplia
El comportamiento no newtoniano seacenta.
Baja la temperatura de solidificacin.
Menor peligro de ruptura.
Disminuye resistencia al impacto.Disminuye mdulo elstico.
Aumenta elongacin a rotura.
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Isomersmo
Diferencias en la distribucin espacial
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o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
R R R
R R R
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
R R RR R R
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
R
R
R R
R R
Isotctico Sindiotctico
Atctico
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Conformacin Qumica
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Polaridad
Mayor rigidez
Mayores temperaturas
de transicin (Tg, Tf).
Mayor grado de
cristalizacin.
Ms higroscpico.
Fuerzas
intermoleculares ms
altas.
Mayor dureza.
Mayor resistencia al
aceite.
Mayor permeabilidad al
agua
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A mayor polaridad:
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Polaridad
La polaridad influye sobre: Movilidad de la cadena (polaridad alta = menor movilidad)
Absorcin de agua
Calentamiento en campos elctricos
Comportamiento ante solventes
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Flexibilidad Disminuye con:
Grupos sustituyentes muy grandes Enlaces dobles en la cadena central
La presencia de anillos
A mayor flexibilidad:
Ms alta ser su temperatura de fusin
Ms fcil cristaliza
Menor es el mdulo elstico
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Estructura Fsica
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Estructura macromolecular
Estructura Fsica Estructuras primarias (sistemas cristalinos)
Supraestructuras (agrupaciones) Monocristales
Esferulitas
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Cristalizacin
Ciertos polmeros logran un cierto ordenamiento
macromolecular, formando cristales.
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Cristalizacin
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Estructura esferoltica del Nylon
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Factores que influyen en la cristalinidad
La favorecen
Las cadenas moleculares
lineales sencillas.
Grupos laterales bien
distribuidos (tacticidad).
Enlaces secundarios fuertes.
La dificultan
Estructura atctica.
Grandes grupos
substituyentes. Reticulaciones.
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Grado de cristalizacin vs. Propiedades
A mayor grado de cristalizacin, aumentan:
La resistencia a la tensin.
El mdulo elstico.
La temperatura de fusin.
La estabilidad de forma al calor.
La temperatura de fragilidad en frio.
La resistencia a agentes qumicos.
Las propiedades de barrera.
La resistencia al impacto.
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C i t li i
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Cristalizacin
C i t li i
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Cristalizacin
C istali acin
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Cristalizacin
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Propiedades Fsicas
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P i d d i t t P l
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Propiedades importantes en Polmeros
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Resistencia a la tensin
Deformacin
Flexibilidad
Precio
Densidad
Resistencia al
Impacto
Brillo,
Opacidad,
Haze, ColorPermeabilidad
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Propiedades importantes en Polmeros
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Conductividad trmica
Inflamabilidad
Resistencia a
perforacin
Temperatura de uso
continuo
1
F
Rigidez
Resistencia
Qumica
ESCR
P i d d F i
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Propiedades Fsicas Temperaturas de transformacin
Temperatura de transicin vtrea
Temperatura de cristalizacin
Temperatura de fusin de cristales
Temperatura de procesamiento
Estados fsicos
Propiedades mecnicas Diagramas de esfuerzo deformacin
Comportamiento a largo plazo
Resistencia al impacto
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Propiedades Fsicas
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Propiedades Fsicas
Propiedades Reolgicas
Curvas de Fluidez
Comportamiento no Newtoniano
Anomalas de flujo
Propiedades Opticas
Luz reflejada
Luz transmitida
Haze
Brillo
Permeabilidad a los gases y vapores
Propiedades tribolgicas
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Temperaturas de Transformacin
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Temperatura de
transicin vtrea, Tg
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Las macromolculas poseen un mecanismo derelajacin macromolecular, dependiente delnivel de temperatura.Tg: es la temperatura en la cual se descongelael movimiento de relajacin macromolecular.
F t f t l T t d
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Factores que afectan la Temperaturas de
transicin Vitrea
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Velocidad de enfriamiento
Presin Contenido de sustancias de bajo peso molecular
(plastificantes) Movilidad de cadena
Velocidad Enfriamiento Tg
Presin Tg
Plastificantes Tg
Movilidad cadenas Tg
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Resumen de propiedades
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PROPIEDADES
POLIMEROS
CONDUCTIVIDAD
TERMICA CALOR ESPECIFICO DENSIDAD
TRANSICION
VITREA PUNTO DE FUSION INDICE DE FLUIDEZ
PS 0,12 1,20 1,06 101 --- 0,30
PVC 0,21 1,10 1,40 80 --- 0,30
PMMA 0,20 1,45 1,18 105 --- 0,25
SAN 0,12 1,40 1,08 115 --- 0,30
ABS 0,25 1,40 1,02 115 --- 0,25
PC 0,19 1,40 1,20 150 --- 0,70
LDPE 0,24 2,30 0,92 -120/--90 120 0,35
LLDPE 0,24 2,30 0,92 -120/-90 125 0,60
HDPE 0,25 2,25 0,95 -120/-90 130 0,50
PP 0,15 2,10 0,91 -10 175 0,35
PA-6 0,25 2,15 1,13 50 225 0,70
PA-6.6 0,24 2,15 1,14 55 265 0,75
PET 0,29 1,55 1,35 70 275 0,60
PBT 0,21 1,25 1,35 45 250 0,60
PVF2 0,16 1,38 1,76 -40 170 0,38
FEP 0,20 1,18 2,15 70 275 0,60
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Temperatura de crisitalizacin y fusin
de cristales, Tk
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Temperatura de cristalizacin, Tk: se mide enenfriamiento. Temperatura en la cual ocurre el
reordenamiento macromolecular para formar cristales. Temperatura de fusin de cristalizacin, Tm: se mide
en calentamiento. Temperatura en la cual destruye todoordenamiento cristalino.
Para un mismo polmero se puede desmostrar que:
Tk < TmTk > Tg
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Temperatura de procesamiento, Tf
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Temperatura a la cual es posible obtener en el material unaviscosidad lo suficientemente baja que permita suprocesamiento primario en las mquinas normales deproduccin.
Para los amorfos: Tf = Tg + 100C
Para los semicristalinos: Tf = Tk + 70C
Estados fsicos para un material
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Estados fsicos para un material
amorfo
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Estados fsicos para un material
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Estados fsicos para un material
semicristalino
Estados fsicos de los Polmeros
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Estados fsicos de los Polmeros
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Estado vtreo (fragilidad)T < Tg
Estado cristalinoT < Tm
Estado Caucho-ElsticoT > TmEstado Viscoelstico
T > Tf
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Mdulo de Rigidez
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1
Poco rgido
E1
F
2
Muy rgido
E2
F
1= F / A1
F
2= F / A2
E1 >
2
Propiedades Mecnicas
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Propiedades Mecnicas
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Propiedades Mecnicas
https://www.youtube.com/watch?v=1dXPKTYVqJg -
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Propiedades Mecnicas
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Propiedades Mecnicas
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Propiedades Mecnicas
A. Acero
B. CobreC. PC
D. PMMA
E. HDPE
F. Caucho
G. LDPE
H. P-PVC
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Propiedades mecnicas a largo
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Propiedades mecnicas a largo
plazo
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Propiedades mecnicas a largo
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Propiedades mecnicas a largo
plazo
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Resistencia al Impacto
https://www.youtube.com/watch?v=dmc3UXU7PAE -
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Resistencia al Impacto
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https://www.youtube.com/watch?v=bF2qFwirgUw&list=PLA331D983C3E4442E -
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Propiedades Reolgicas
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MFI (Indice de fluidez)
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MFI (Indice de fluidez)
MFI Peso molecular promedio
MFI Mw Y MFI h
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https://www.youtube.com/watch?v=M19YZVeEy2Yhttps://www.youtube.com/watch?v=M19YZVeEy2Y -
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MFI
Para el mismo MFI (Melt Flow Index) al aumentar ladensidad:
Aumentan las propiedades de barrera.
Aumenta la dureza
Aumenta la resistencia a la tensin
Aumenta la resistencia qumica
Al disminuir la densidad:
Aumenta la flexibilidad
Aumenta la elongacin
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MFI (Indice de fluidez)
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MFI (Indice de fluidez)
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Rata de cizalladura
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Rata de cizalladura
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Curva de viscosidad
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Curva de viscosidad
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Curva de viscosidad
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Efecto de la MWD sobre la curva de
https://www.youtube.com/watch?v=LJ_JexGam28https://www.youtube.com/watch?v=LJ_JexGam28 -
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viscosidad
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Anomalas de flujo
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Anomalas de flujo
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L/D 10/1 40/1
PP
App s-1
5760 2304 1152 720 576 438 317 230 5760 2304 1152 720 576 438 317
App kPa314 240 197 171 158 143 127 112 250 207 178 160 152 142 129
-
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Propiedades Opticas
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Propiedades pticas
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Haze
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Es la fraccin de luz
que dispersa la
muestra en un ngulode 2.5 y 90 sobre la
vertical
81
Brillo
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82
Relacin entre el flux incidente y el reflejado,cuando la luz incide en un ngulo determinadoy es reflejada especularmente.
Brillo
-
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Izquierda:mayor impresin de brillo por la reflexin sobre
una superficie lisa.
Derecha: menor impresin de brillo por la reflexin sobre una
superficie burda y en el material de relleno
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Propiedades de Permeabilidad a
gases y vapores
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L P bilid d d l
-
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La Permeabilidad de los
Polmeros Termoplsticos
1: Capa 1
2: Capa 2
3: Capa 3
X: Espesor de CapaAt: Area de flujo
Q: Volmen de gas
o permeante
p: Presin parcial
del gas
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La Permeabilidad de los Polmeros
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Termoplsticos
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Polmero N2 O2 CO2 SO2 H2O 90% HR
30 C 30C 30C 25C 25C
Polietileno de baja densidad 4909.6 14211.9 90956.1 51679.6 206718.3
Polietileno de alta densidad 697.7 2739.0 9043.9 14728.7 33591.7
Polipropileno -------- 5943.2 23772.6 1808.8 175710.6
PVC Rgido 103.4 310.1 2584.0 299.7 403100.8
Acetato de Celulosa 723.5 2015.5 17571.1 -------- 19379845.0
Poliestireno 749.4 2842.4 22739.0 56847.5 3100775.2
Nylon 6 25.8 98.2 413.4 5684.8 1808785.5
PET 12.9 56.8 395.3 516.8 335917.3
PVDC 2.4 13.7 74.9 --------- 3617.6
Permeabilidad para varios polmeros y permeantes
P [mL(STP) mil / (m2 da atm)
*Food Packaging
-
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Propiedades Tribolgicas
87
Coeficiente de friccin, COF
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88
La experiencia ha demostrado que pelculas
con COF altos presentan dificultades en elprocesamiento tales como: adherencia a los
rodillos y a los marcos de colapsamiento,
con la consecuente generacin de arrugas y
limitando las velocidades de procesamiento.En las mquinas selladoras modernascaracterizadas por una alta velocidad de
operacin resulta vital tener unos adecuados
valores de COF.
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Propiedades
Tribolgicas
selladora VFFS
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Coeficiente de friccin, COF
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Se ha encontrado que para la mayora de lasaplicaciones modernas, caracterizadas por las altas
velocidades de embobinado y desembobinado,valores de COF de 0.2 o menos son adecuados.
Sin embargo, COFs demasiado bajos puedenocasionar problemas tales como rollos telescpicos.
Se ha encontrado que el coeficiente de friccin estamuy relacionado con la fase amorfa y cristalina delpolmero:
Fase amorfa:confiere un alto valor de COFFase cristalina:confiere menores valores de COF
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PROPIEDADES
POLIMEROS
CONDUCTIVIDAD
TERMICA CALOR ESPECIFICO DENSIDAD
TRANSICION
VITREA PUNTO DE FUSION INDICE DE FLUIDEZ
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Taller No. 3 - Resumen de propiedades
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PS 0,12 1,20 1,06 101 --- 0,30
PVC 0,21 1,10 1,40 80 --- 0,30
PMMA 0,20 1,45 1,18 105 --- 0,25
SAN 0,12 1,40 1,08 115 --- 0,30
ABS 0,25 1,40 1,02 115 --- 0,25
PC 0,19 1,40 1,20 150 --- 0,70
LDPE 0,24 2,30 0,92 -120/--90 120 0,35
LLDPE 0,24 2,30 0,92 -120/-90 125 0,60
HDPE 0,25 2,25 0,95 -120/-90 130 0,50
PP 0,15 2,10 0,91 -10 175 0,35
PA-6 0,25 2,15 1,13 50 225 0,70
PA-6.6 0,24 2,15 1,14 55 265 0,75
PET 0,29 1,55 1,35 70 275 0,60
PBT 0,21 1,25 1,35 45 250 0,60
PVF2 0,16 1,38 1,76 -40 170 0,38
FEP 0,20 1,18 2,15 70 275 0,60
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Taller No. 3
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Solucin:
Envase opaco: se requiere de un material semicristalino, comopor ejemplo: HDPE, LDPE y PP
Congelacin a -15C: materiales semicristalinos cuya Tg sea
inferior a -15C, por ejemplo: HDPE y LDPE
Resistencia al impacto an a -15C: materiales semicristalinos
cuya Tg sea inferior a -15C, por ejemplo: HDPE y LDPE
Empaque muy rgido: materiales alto mdulo de rigidez, por
ejemplo: HDPE
Resistencia qumica a los alcoholes: HDPE. LDPE resistencia
moderada
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