t7 polimeros version mixta s1 y s2

57
Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Tema 7: Materiales Poliméricos TEMA 7. Materiales poliméricos 1. Introducción Definición Características generales Introducción Histórica Polímeros: Ejemplos 2. Clasificación 3. Propiedades: aspectos estructurales 4. Estado sólido Cristalinidad Transiciones térmicas Comportamiento mecánico CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES 1

Upload: bashmachok

Post on 25-Jun-2015

115 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

TEMA 7. Materiales poliméricos

1. Introducción– Definición– Características generales– Introducción Histórica– Polímeros: Ejemplos

2. Clasificación3. Propiedades: aspectos estructurales4. Estado sólido

– Cristalinidad– Transiciones térmicas – Comportamiento mecánico

CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

1

Page 2: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos 1. INTRODUCCIÓN: DEFINICIÓN

POLÍMERO“Compuesto orgánico, natural o sintético, de elevado peso molecular constituido por unidades estructurales repetitivas”Cadenas de gran tamaño formadas por la unión covalente de varias unidades monoméricas (macromolécula)

PLÁSTICO1. Polímero cuya propiedad fundamental es la plasticidad (termoplástico). Se deforma plásticamente bajo acción de presión y/o calor.2. Mezcla (de un polímero con los aditivos y cargas) que pueda ser transformada por flujo o moldeo en forma líquida o fundida.

Page 3: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Ventajas Aplicaciones

Tf Fácil procesado Productos elevado consumo

Elevada ductilidad Neumáticos. Plásticos para embalaje

Productos ligeros I.automóvil, aeronautica y aeroespacial

t Aislantes térmicos Construcción

e Aislantes eléctricos

Recubrimiento cables

Rquímica Elevada Rcorrosión Tuberías. Recipientes. Recubrimientos

1. INTRODUCCIÓN: CARACTERÍSTICAS GENERALES

Page 4: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Poli (fluoruro de vinilideno) PFVD: alta resistencia eléctrica y a la llama

1. INTRODUCCIÓN: EJEMPLOS

Polietileno PE: plástico más popular

Polipropileno PP: uso como plástico y como fibra

Poliestireno PS: económico y resistente. StyrofoamTM: espuma de PS

Polimetacrilato de metilo PMMA: plástico transparente. Sustituto del cristal

Nylon (poliamidas): polímeros más comunes usados como fibras

Page 5: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

1 – PET

2 – HDPE

3 – PVC

4 – LDPE

5 – PP

6 - PS

CARACTERÍSTICAS

Transparente, flexible

Rígido, opaco o traslúcido

Rígido o flexible, brillante

Opaco o transp., muy flexible

Traslúcido, suave

Transp. u opaco, frágil, brillante

USOS TÍPICOS (EJEMPLOS)

Botella coca-cola 2 litros

Botella lejía, bolsas plástico

Cortina baño, tubos (rígido)

Bolsa plástico

Tapas y tapones, jeringa

Vasos desechables, yogures, carcasas PC

Símbolo de reciclado en los polímeros termoplásticos de uso común

INTRODUCCIÓN: Ejemplos

Page 6: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

FIBRAS

POLIACRILONITRILO

EJEMPLOS DE POLÍMEROS MAS COMUNES

Page 7: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos EJEMPLOS DE POLÍMEROS MAS COMUNES

Page 8: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos 2. CLASIFICACIÓN

Según su origenNaturales, sintéticos…

CLASIFICACION

Según su mecanismo de polimerización Adición, condensación

Según su composición químicaAcrílicos, vinílicos…..

Según su comportamiento con la temperaturaTermoplásticosTermoestables

Según sus aplicacionesElastómeros, plásticos, fibras, adhesivos….

Según su estructuraSemicristalinos y amorfos

Page 9: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

2. CLASIFICACIÓN

Elastómeros. Son materiales con muy bajo modulo de elasticidad y alta extensibilidad;Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, Fibras Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales Adhesivos Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión,

Según sus aplicaciones

Según su comportamiento con la temperatura

Termoplásticos. Fluyen al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ninguno) entrecruzamientos.

Termoestables. Se descomponen químicamente al calentarlos, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura entrecruzada

Page 10: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos TIPOS DE POLÍMEROS

POLIMEROS TERMOPLÁSTICOS Fluyen al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ninguno) entrecruzamientos. Ej.:

POLIMEROS TERMOESTABLES Se descomponen químicamente al calentarlos, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura entrecruzada

ELASTÓMEROS Son materiales con muy bajo modulo de elasticidad y alta extensibilidad;

Page 11: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Termoplásticos Termoestables Elastómeros

Calor Funde No funde No funde

Disolventes Solubles Insolubles Insolubles, se hinchan

Estructura Lineales Entrecruzados Poco entrecruzados

Cristalinidad Amorfos o cristalinos

Amorfos Amorfos

Prop. Mecánicas

Rígidos a T<Tg

E 103 MPa

Rígidos, 4%E 104 MPa

100-1000%E bajos MPa

Procesado Sin reacción química

Con reacción química

Con reacción química

Ejemplos PE, PP, PVC, Poliamidas, Poliésteres

Resinas epoxi, Resinas fenol-formaldehido...

Caucho, Polibutadieno, Poliisopreno.

TIPOS DE POLÍMEROS

Page 12: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

ESTRUCTURA MOLECULAR

Lineal

Ramificada

Entrecruzada

ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 13: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Material Densidad (g/cm3)

Resistencia a la tracción x 1000 psi

R al impacto Izod pie.lb/pulg

Rigidez dieléctrica

V/mm

Maxima T de uso ªC

Polietileno

LDPE

HDPE

0,92-0,93

0,95-0,96

0,9-2,5

2,9-5,4

-

0,4-14

18912

18912

82-100

80-120

PVC rígido 1,49-1,58 7,5-9 1,0-5,6 - 110

PP uso general 0,90-0,91 4,8-5,5 0,4-2,2 25610 107-150

Estireno-acrilonitrilo SAN

1,08 10-12 0,4-0,5 69935 60-104

ABS, uso general 1,05-1,07 5,9 6 15169 71-93

Acrílico, uso general 1,11-1,19 11,0 2,3 17730-19700 54-110

Politetrafluoretileno 2,1-2,1 1-4 2,5-4,0 15760-19700 288

Poliacetato de celulosa

1,2-1,3 3,8 1,1-6,8 9850-23640 60-104

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Page 14: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Material Densidad (g/cm3)

Resistencia a la tracción x 1000 psi

R al impacto Izod pie.lb/pulg

Rigidez dieléctrica

V/mm

Maxima T de uso ªC

Nylon 6,6 1,13-1,15 9-12 2,0 15169 82-150

Policarbonato 1,2 9 12-16 14972 120

Poliéster

PET

PBT

1,37

1,31

10,4

8,0-8,2

0,8

1,2-1,3

-

23246-27580 120

Polisulfona 1,24 10,2 1,2 16745 150

Termoplásticos de uso en ingeniería

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Page 15: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Page 16: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

POLISULFONA Tm=315 ºC

Nylon 6,6 Tm=250 ºC

POLICARBONATO Tm=270 ºC

POLÍMEROS DE INGENIERÍA

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Page 17: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

TERMOESTABLES Estructura entrecruzada (a base de uniones covalentes) Son infusibles e insolubles no pueden ser reciclados ni

reutilizados Dar forma: intermedio (termoendurecible)

entrecruzamiento

Ventajas para aplicaciones en ingeniería1. Estabilidad térmica elevada2. Alta rigidez3. Alta estabilidad dimensional4. Resistencia a la termofluencia y deformación baja carga5. Peso ligero6. Aislamiento eléctrico y térmico elevado

Resinas epoxi (EP) , Poliuretanos (PU), Resinas fenólicas, ...

POLÍMEROS TERMOESTABLES

Page 18: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Material Densidad (g/cm3)

Resistencia a la tracción x 1000 psi

R al impacto Izod pie.lb/pulg

Rigidez dieléctrica

V/mm

Maxima T de uso ªC

Fenólico

Relleno de serrín Relleno de vidrio

1,34-1,45

1,69-1,95

5-9

5-18

0,2-0,6

0,3-18

10244-15760

5516-15760

150-177

177-288

Poliester

Relleno de vidrio 1,7-2,1 8-20 8-22 12608-15760 150-177

Melamina

Relleno de celulosa

Relleno de vidrio

1,45-1,52

1,8-2,0

5-9

5-10

0,2-0,4

0,6-18

13790-15760

6698-11820

120

150-200

Urea

Rellena de celulosa 1,47-1,52 5,5-13 0,2-0,4 11820-15760 77

Epoxi

Sin relleno

Relleno de miniral

Relleno de vidrio

1,06-1,40

1,60-2,0

1,7-2,0

4-13

5-15

10-30

0,2-10

0,3-0,4

-

15760-25610

11820-15760

11820-15760

150-260

º50-260

120-260

POLÍMEROS TERMOESTABLES

Page 19: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

POLIESTER ENTRECRUZADO

RESINA EPOXI, Be: anillo bencénico

POLIESTER LINEAL

POLÍMEROS TERMOESTABLES

Page 20: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

ELASTÓMEROSEstructuras poco entrecruzadas, insolubles, infusibles pero hinchan

Caucho natural (NR)

Gutapercha: isómero trans no es un elastómero

Vulcanización del caucho: proceso de entrecruzamiento con S y carbonato de Pb

ELASTÓMEROS (CAUCHOS)

Page 21: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

POLIBUTADIENOPOLICLOROPRENO (NEOPRENO)

La fabricación de neumáticos consume en torno al 70% del producto mundial de polibutadieno

Traje de baño fabricado con tejido de policloropreno (neopreno)

ELASTÓMEROS (CAUCHOS)

Page 22: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Caucho de Butadieno- Estireno (SBR)

ELASTÓMEROS (CAUCHOS)

Page 23: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

PROCESADO PARA MATERIALES TERMOPLÁSTICOS

Moldeo por inyección

Depende si el plástico es termoplástico o termoestable Temperatura y viscosidad son parámetros críticos Los polímeros se procesan con aditivos, estabilizantes, cargas, ....

Secuencias de operación:

Molde

Válvula de retención

Bandas calefactoras

Varillas de final de recorrido de tornillo

Tuberías de líquido hidráulico

Motor hidráulico

Tornillo helicoidal alternativo

a) Granza cae tornillo

b) Granza es fundida a su paso por el tornillo

c) Tornillo llevado hacía adelante. Inyección fundido al molde

d) Tornillo cilíndrico es retraído

y se expulsa la pieza

PROCESADO

Page 24: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

1. Proceso más versátil y que produce mayor nº de piezas/año

2. Posibilita la producción de piezas de alta calidad a altas velocidades de producción

3. Proceso tiene bajo coste de trabajo

4. Se consiguen buenos acabados superficiales

5. Proceso altamente automatizado

6. Facilita la fabricación de formas complicadas

Principales VENTAJAS del moldeo por inyección

Principales DESVENTAJAS del moldeo por inyección

1. Alto coste de la maquinaria, y por tanto implica gran volumen de producción para su amortización

2. Proceso precisa ser controlado paso a paso con el fin de conseguir un producto de calidad.

PROCESADO

Page 25: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Extrusión

Moldeo por soplado

Productos manufacturados:

Tubos, barras, películas, hojas…

Matriz preparada adecuadamente para obtener configuraciones continuas

Tornillo rotatorio

Tolva

Conducción del aire

Matriz Molde

a) Se coloca un cilindro o tubo de plástico calentado: preforma

b) Se coloca la preforma semifundida dentro de las dos piezas del molde

c) Se cierra el molde y se inyecta aire o vapor a presióna) b) c)

PROCESADO

Page 26: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Se introduce el material en forma de granza dentro del molde que se calienta mientras gira simultáneamente en dos direcciones.

Moldeo rotacional o rotomoldeo

Termoconformado

Una lámina se calienta y se moldea por presión y/o vacío.

Colada

El material plástico fundido se coloca dentro de un molde y se deja solidificar

PROCESADO

Page 27: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Moldeo por compresión Moldeo por transferencia

PROCESADO PARA MATERIALES TERMOESTABLES

a) sección transversal de un molde abierto que contiene una preforma en polvo

b) Sección transversal el molde cerrado mostrando la muestra moldeada y el exceso de rebaba

a) Porción de plástico preformado es forzada hacia el interior del molde

b) Se aplica presión sobre el polímero y es forzado a introducirse dentro de las cavidades del molde

c) Después del curado el émbolo se retira y se abre la cavidad del molde

PROCESADO

Page 28: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Moldeo por compresión Moldeo por transferencia

PROCESADO PARA MATERIALES TERMOESTABLES

VENTAJAS1. Costes iniciales de los moldes son

bajos dada su simplicidad y por tanto se fabrican moldes más compactos

2. Producción de grandes piezas

3. Durante el proceso los gases que se desprenden de la R de curado pueden escapar

DESVENTAJAS1. Difícil manufacturar piezas

complicadas

2. Se debe recortar la rebaba de las piezas moldeadas

VENTAJAS1. No se forman rebabas y por tanto la

pieza moldeada requiere menos acabado

2. Se pueden fabricar muchas piezas a la vez con un sistema de conectores

3. Útil para piezas pequeñas

PROCESADO

Page 29: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Se añaden aditivos para modificar las propiedades y aumentar la utilidad del polímero

ADITIVOS

Rellenos

Plastificantes

Estabilizantes

Colorantes

Ignífugos

ADITIVOS

Page 30: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

FIBRAS

RECUBRIMIENTOS

ADHESIVOS

Polímeros fibrosos: largos hilos con relación longitud/diámetro 100:1Industrial textilPropiedades físicas y químicas: elevada Rtracción (para un amplio T) y un alto grado de cristalinidad. Alto E y Rabrasión y alta estabilidad química.

Se aplican a superficies de los materiales para:Protección ambientalMejora de la aparienciaComo aislante térmico

Pinturas, barnices, lacas….

sustancia utilizada para unir las superficies de dos materiales sólidos, con una elevada R cizalla. Combinaciones de materiales: metal-metal, metal-cerámico, metal-plástico, etc.. Sirven como adhesivos: TP, TS, elastómeros

OTRAS APLICACIONES

Page 31: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

espesores: 0,025 y 0,125 nm y se utilizan como bolsas para productos alimentarios.

baja densidad y alto grado de flexibilidad y elevadas Rtracción , R al ataque químico y humedad y baja permeabilidad a gasesPE, celofán y acetato de celulosa

ESPUMAS

PELÍCULAS

Materiales plásticos muy porosos producidos en un proceso denominado espumaciónLos materiales TP y TS se pueden expandir:

Añadiendo un agente que se descompone a elevada T generando gasHaciendo burbujear un gas inerte en el material fundido

Cauchos, PS, PVC, PU, poliéster…

OTRAS APLICACIONES

Page 32: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Las propiedades de los polímeros dependen de múltiples factores:

Naturaleza monomérica (familias de polímeros) Número de unidades monoméricas (peso molecular) y su distribución Funcionalidad monomérica (ramificaciones y entrecruzamientos) Posición relativa de grupos (tacticidad y cambios conformacionales) Ordenamiento de unidades (secuencias) Posicionamiento ordenado de tramos de cadena (cristalinidad)

3. PROPIEDADES

• Peso molecular y su distribución

• Aspectos estructurales

• Cristalinidad

• Peso molecular y su distribución

• Aspectos estructurales

• Cristalinidad

Page 33: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

PROPIEDADESPROPIEDADES

Estados

Conformacionales

Estados

Conformacionales

Secuencia en copolímeros

Secuencia en copolímeros

TacticidadTacticidad

EntrecruzamientoEntrecruzamiento

RamificaciónRamificaciónPeso

Molecular

Peso

Molecular

3. PROPIEDADES

Los factores que determinan la aplicación del polímero

Page 34: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Cadenas de las moléculas poliméricas NO son estrictamente rectas:

ESTADOS CONFORMACIONALES

PESO MOLECULAR

Peso molecular macromolécula: Mn = M0 Xn

Para un polímero distribución de longitudes de cadena o pesos moleculares: PESOS MOLECULARES PROMEDIOS Definición de varios pesos moleculares:

Mn = Mi xi

Mw = Mi wi

xi= fracción en número

wi= fracción en peso

3. PROPIEDADES: PESO MOLECULAR Y ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 35: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos Calculo de PESO MOLECULAR

Peso molecular macromolécula: Mn = M0 Xn

Polímero: distribución de longitudes de cadena o pesos molecularesPesos moleculares promedios Definición de varios pesos moleculares

ii

iii

ii

iii

nn

Mn

N

MNM

Peso molecular promedio en número (relacionado con el primer momento de la distribución)

Ni y ni nº de moléculas y moles de peso molecular Mi

Peso molecular promedio en peso (relacionado con el segundo momento de la distribución)

ii

iii

iii

iii

wm

Mm

MN

MNM

2

y mi=niMi (peso en gramos)

iii

ii

nMm

mM

/

M

Mo

lec

.

Mn

MV

MW

Mn = Mi xi

Mw = Mi wi

xi= fracción en número

wi= fracción en peso

Indice de polidispersidad:

n

w

M

Mr

Page 36: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Cambio

Conformacional

Cambio

Conformacional FlexibilidadFlexibilidad

Representación esquemática de una cadena molecular de un polímero simple con numerosos pliegues producidos por rotación del enlace:

Este comportamiento provoca el enmarañamiento entre cadenas alta elasticidad

r

<r2> : distancia entre extremos de la cadena

<s2> : radio promedio de giro

3. PROPIEDADES: ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 37: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

ESTRUCTURA MOLECULAR

Lineal

Ramificada

Entrecruzada

3. PROPIEDADES: ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 38: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

TACTICIDADEl mejor ejemplo es el polipropileno

PP isotáctico

PP atáctico

PP sindiotáctico

polipropileno atáctico es un material ceroso, con pésimas propiedades mecánicas

polipropileno isotáctico, que tiene excelentes propiedades mecánicas

3. PROPIEDADES: ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 39: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

SECUENCIA EN COPOLÍMEROS

Copolímero con unidades al azar

Copolímero con unidades alternadas

Copolímero con unidades en bloque

Copolímero de injerto

3. PROPIEDADES: ASPECTOS ESTRUCTURALES

Page 40: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

CRISTALINIDAD DE LOS POLÍMEROS

Empaquetamiento cadenas macromoleculares para producir una disposición atómica con un ordenamiento periódico.

POLÍMEROPOLÍMERO

Regiones Amorfas(desordenadas)

Regiones Amorfas(desordenadas)

Regiones Cristalinas(ordenadas)

Regiones Cristalinas(ordenadas)

Propiedades = dependen del grados de cristalinidad

Cristalización grado empaquetamiento

densidad(polímero cristalino) > densidad (polímero amorfo)

3. PROPIEDADES: CRISTALINIDAD

Page 41: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Morfología de los cristales poliméricosMonocristales poliméricos

Diferentes tipos de plegamientos:

4. ESTADO SÓLIDO: CRISTALINIDAD

Modelo de cadenas plegadas

Esquema de la estructura de cadena plegada de una laminilla

Modelo de micela con flecos:

Monocristal de PE (a partir disolución)

Page 42: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Fotomicrografía de transmisión con luz polarizada de PE

Laminilla cristalina

Conexiones interlaminares condicionan las propiedades del polímero

La mayoría de los polímeros que cristalizan a partir de líquidos forman:

ESFERULITAS

Laminilla cristalina

4. ESTADO SÓLIDO: CRISTALINIDAD

Page 43: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

FACTORES QUE AFECTAN A LA CRISTALINIDAD

1. FACTORES CINÉTICOS

Condiciones de Cristalinidad:El número de cristales formados y el tamaño = depende de T = Tfusión-Tcristalización

Al aumentar T el tamaño del cristal disminuye y aumenta el número de cristales

Polímeros lineales mayor grado de cristalinidad que polímeros ramificados

Estructuras monoméricas complejas disminuye el grado cristalinidad

La FLEXIBILIDAD de las cadenas dependen de su estructura:

4. ESTADO SÓLIDO: CRISTALINIDAD

Para que un polímero cristalice, sus moléculas deben tener suficiente elasticidad para que puedan moverse y colocarse con precisión

Page 44: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

2. FACTORES ESTRUCTURALES QUE AFECTAN A LA CRISTALINIDAD Mayor cristalinidad mayor Tm

• Simetría• Tacticidad:

Atácticos amorfosIsotácticos, sindiotácticos cristalinos

• Ramificaciones• Configuración CIS frente a TRANS• Nº de C par entre heteroátomos• Peso molecular• Copolimerización • Plastificantes• Polaridad: favorece la ordenación

4. ESTADO SÓLIDO: CRISTALINIDAD

Page 45: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

↑ % cristalinidad↑ M

POLÍMERO

Regiones Amorfas Regiones Cristalinas

Propiedades = f(grado de cristalinidad)Cristalización grado empaquetamiento

)(

)(idad%cristalin

ac

ac

(polímero cristalino) > (polímero amorfo)

↑R, E, ρ

Factores que influyen en comportamiento mecánico

45

Peso molecular↑ M : ↓ cadenas cortas ↑ fácil ordenamiento ↑ M : ↑ tamaño microcristales

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS POLÍMEROSTema 4: Propiedades Mecánicas

Page 46: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Curvas tensión-deformación en polímeros

Polímero frágil

Polímero tenaz

Elastómero

Importantes:Módulo de elasticidad (entre 0,01 y 4 GPa)Resistencia a rotura (10 a 100 MPa)Deformación porcentual a rotura (2 a 1000 %)

PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS

46

Prop. Mecánicas = f (T, vdef, ambiente)

Tema 4: Propiedades Mecánicas

Page 47: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS

47

PVCPVC 40-80 MPa40-80 MPa

PEPE 17-36 MPa17-36 MPa

Factores que influyen en comportamiento mecánico: Introducción grupos laterales

Grupos voluminosos ↑rigidez, R, ↓ductilidad Introducción grupos polares ↑fuerzas intermoleculares ↑ R Predeformación ↑ R, ↓ deformación

Mecanismos de deformación

2 lamelas con Zonas Amorfas

Estructura orientada

Los segmentos de cadena se orientan

Tema 4: Propiedades Mecánicas

Page 48: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

PROPIEDADES MECÁNICAS DE POLÍMEROS

48

Deformación macroscópica

Los segmentos de cadena se orientan cuando aparece la estricción Aumenta la resistencia en la zona donde se orientan las cadenas Crece la estricción en lugar de hacerse más aguda Se prolonga la estricción y el ordenamiento de cadenas

Tema 4: Propiedades Mecánicas

Page 49: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

1 mm/s

0,05 mm/s

Velocidad Deformación

Si ↑vel. Def.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS POLÍMEROS

49

Prop. Mecánicas = f (T, vdef, ambiente)

Temperatura

-40ºC

68 ºC

40 ºC

86ºC

104 ºC

122 ºC

140ºC

PMMA

T. Transición dúctil-quebradizo [86-104] ºC

PVC

Fragilidad ↓ Def. porcentual a rotura Dificultad de desenrredo

↓ Módulo de elasticidad ↓ Resistencia a rotura Def. porcentual a rotura

Si T

Tema 4: Propiedades Mecánicas

Page 50: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Temperatura

Vo

lum

en e

spec

ífic

o

Cambio de pendiente

Termoplástico no cristalino

Termoplástico parcialmente cristalino

A= liquido, B=liquido de alta viscosidad C= liquido subenfriado (gomoso) D= sólido vítreo

E=regiones cristalinas sólidas en matrices líquidas subenfriadas F= regiones cristalinas sólidas en matriz vítrea

Tg= temperatura de Transición VítreaTm= Temperatura de Fusión

Los termoplásticos no cristalinos se enfrían a lo largo de la línea ABCD

Los termoplásticos parcialmente cristalinos se enfrían a lo largo de la línea ABEF

Curvas de enfriamientos para polímeros termoplásticos

4. ESTADO SÓLIDO: TRANSICIONES TÉRMICAS

Page 51: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Transiciones térmicas: Tm y Tg

Tm : Temperatura de Fusión regiones cristalinas

Tg : Temperatura de Transición Vítrea regiones amorfas

Movimiento de segmentos en región

amorfa

Sólo movimiento de grupos laterales

Movimiento de segmentos en

Región amorfa y cristalina

Tg Tm

Transición de primer orden: discontinuidad en las 1er derivada de G:(paso de una fase a otra)

VP

GyS

T

G

Tp

Transición de segundo orden: discontinuidad en las derivadas segundas:

VT

V

PT

GyTCp

T

S

T

G

pppp

2

2

2

/

Transición vítrea cambios en el calor específico y el coef de dilatación

T

4. ESTADO SÓLIDO: TRANSICIONES TÉRMICAS

Page 52: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Factores que influyen en la Tg

PESO MOLECULARAl aumentar el peso molecular disminuye la movilidad de las cadenas ↑ Tg

INTERACCIONES INTERMOLECULARESAl aumentar las interacciones ↑ Energ. Movimiento ↑ Tg

FLEXIBILIDAD DE LA CADENAMayor movilidad Disminuye la energía conformacional y aumenta la entropía y disminuye la Tg

SIMETRÍAMoléculas simétricas presentan un bajo momento dipolar momento dipolar y por tanto baja Tg

[–CH2-CHX-]n con X Tg (ºC)

-H (PE) -110

-CH3 (PP) -20

-Cl (PVC) 81

-CN (AN) 97

-C6H5 (PS) 100

M

CTT gg

4. ESTADO SÓLIDO: TRANSICIONES TÉRMICAS

Page 53: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Temperaturas de fusión y de transición vítrea de materiales poliméricos

4. ESTADO SÓLIDO: TRANSICIONES TÉRMICAS

Page 54: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Influencia del Peso Molecular

4. ESTADO SÓLIDO: TRANSICIONES TÉRMICAS

Page 55: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

COMPORTAMIENTO MECÁNICO: Polímero termoplástico

Comportamiento termoplástico totalmente amorfo, cristalino y 50%50 amorfo/cristalino

4. ESTADO SÓLIDO: COMPORTAMIENTO MECÁNICO

POLÍMERO SEMICRISTALINO: PMMA

Page 56: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

Datos de módulo de elasticidad para diferentes polímeros

4. ESTADO SÓLIDO: COMPORTAMIENTO MECÁNICO

Page 57: T7 Polimeros Version Mixta s1 y s2

Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Tema 7: Materiales Poliméricos

COMPORTAMIENTO MECÁNICO: Polímero termoplástico

Efecto de la cristalinidad en el módulo de elasticidad:

4. ESTADO SÓLIDO: COMPORTAMIENTO MECÁNICO