DEFINICIÓN * Grupo de materiales de origen orgánico que pertenecen a uno más amplio denominado polímeros, caracterizados por estar formados por macromoléculas, es decir, moléculas de elevado peso molecular, constituidas por la repetición de unidades moleculares más pequeñas (monómeros), pudiendo llegar a tener pesos moleculares de entre 10.000 y 1.000.000 de gr/mol.
* Pertenecen a este grupo materiales naturales como: madera proteínas, celulosa, resinas, ceras, algodón, látex, etc; e infinidad de productos sintéticos obtenidos por la industria química.
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES 1.- Estar formados por macromoléculas, es decir, moléculas gigantes constituidas por unidades más pequeñas que contienen carbono y se repiten formando cadenas lineales, ramificadas o entrecruzadas. 2.- Ser plásticos, pudiéndose conformar por moldeo, extrusión, estirado, laminado, hilado, soplado, etc. APLICACIONES Construcción. Medicina Transporte. Telecomunicaciones Embalaje y envasado. Industria Textil Electricidad y Electrónica Agricultura Electrodomésticos. Etc. Menaje del hogar.
PROPIEDADES GENERALES Baja densidad Alta estabilidad química Aislante eléctrico, térmico y acústico. Fácil de conformar y bajos costes de producción. Baja resistencia mecánica aunque alta relación resistencia/densidad. No soportan temperaturas elevadas. Algunos son muy elásticos, otros rígidos, en general son fáciles de colorear, muchos son transparentes y otros opacos
ORIGEN 1.- A PARTIR DE SUSTANCIAS VEGETALES O ANIMALES COMO: LA CELULOSA, EL LÁTEX LA CASEÍNA DE LA LECHE DE VACA.
2.- POR TRANSFORMACIÓN DE DERIVADOS DEL PETRÓLEO, EL GAS NATURAL O ELCARBÓN COMO: EL PVC POLIETILENO, POLIESTIRENO, BAQUELITA, CAUCHO ARTIFICIAL, ETC.
LINEA DE TIEMPO En 1838 el químico francés Regnault polimeriza el cloruro de vinilo mediante la luz solar. En 1839 Charles Goodyear descubre por casualidad el proceso de vulcanización del caucho. En 1869 Wesley Hyatt fabrica el celuloide al hacer reaccionar nitrato de celulosa y alcanfor, siendo este el primer plástico que se consiguió de importancia comercial. En 1906 el belga Leo Baekeland sintetiza el primer plástico termoestable a partir del fenol y el formaldehído, la baquelita. A partir de 1920 se sabía que la estructura interna de estos materiales estaba compuesta por macromoléculas. Entre 1920 y 1940 se fabricaron muchos plásticos de importancia en la actualidad: el metacrilato, el PVC, los poliuretanos, las resinas de poliester, el nailon, el teflón, el poliestireno.
LINEA DE TIEMPO Durante la segunda guerra mundial los suministros de materias primas se vieron dificultados. Esa circunstancia estimuló el desarrollo del caucho sintético y el uso masivo de otros plásticos sintéticos como los poliesteres y el nailon. Después de la guerra se desarrollaron los poliamidas, policarbonatos, polietileno (1953) y polipropileno (1954). En la actualidad los plásticos se emplean de forma masiva en todos los sectores. La industria química permite lograr materiales capaces de soportar temperaturas de servicio por encima de 300ºC y hasta 500ºC (sustituyendo en las macromoléculas el hidrógeno por cloro o flúor y el carbono por silicio), polímeros de altas prestaciones mecánicas, polímeros reforzados y materiales híbridos. Se investiga con la posibilidad de conseguir polímeros con conductividad metálica, superconductividad o magnetismo En la actualidad la industria química permite la fabricación de polímeros prácticamente “a la carta”.
POLIMERIZACIÓN La polimerización es el proceso por el cual unidades moleculares pequeñas (monómeros) se unen por repetición para formar el polímero. Para que tenga lugar, son necesarias unas determinadas condiciones de temperatura, presión y presencia de ciertas sustancias químicas. Si interviene un solo tipo de monómero se origina un homopolímero; si intervienen dos o más un copolímero. Las cadenas poliméricas, en las que los monómeros se unen mediante enlaces covalentes pueden ser: lineales, ramificadas o reticuladas (entramado tridimensional), dependiendo de si los monómeros tiene durante la polimerización dos o más enlaces o grupos reactivos libres.
MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN Existen dos mecanismos básicos:
1.- Polimerización de adición: cuando el polímero se constituye por yuxtaposición de unidades monoméricas que se repiten, siendo la masa molecular del polímero múltiplo entero de la del monómero.
-XYX-XYX-XYX-XYX-XYX-
2.-Policondensación: cuando la polimerización tiene lugar con separación de productos sencillos no polimerizables (agua, alcohol, amoníaco, etc).
-XYZ-XYZ-XYZ-XYZ-XYZ- + Subproducto
EJEMPLO DE POLIMERIZACIÓN POR ADICIÓN En presencia de calor, presión adecuadas y un catalizador como el peróxido de hidrógeno se rompe el doble enlace de la molécula de etileno. Un grupo –OH actúa como iniciador de la cadena. Una vez iniciada la reacción transcurre espontáneamente. Cuando quedan pocos monómeros libres la cadena puede unirse a otra por su extremo activo o bien capturar un grupo –OH que la cierra. POLIETILENO
OTROS EJEMPLOS DE POLÍMEROS DE ADICIÓN
EJEMPLO DE POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN La reacción del dimetiltereftalato y el etilenglicol, da como resultado poli(tereftalato de etilenglicol), Dacrón, una fibra poliester. Durante la plimerización, un grupo OH del etilenglicol se combina con un grup –CH3 del dimetiltereftalato produciendo un producto sencillo no polimerizable: el alcohol metílico. DACRÓN
OTROS EJEMPLOS DE POLICONDENSACIÓN Por reacción del ácido tereftálico y el etilenglicol se obtiene poli(tereftalato de etilenglicol), una fibra poliéster conocida como terylene Por reacción del ácido adípico y la exametilendiamina, se obtiene poli(adipato de exametilendiamina), un poliamida conocido como nylon 66.
CONSTITUCIÓN DEL PLÁSTICO La materia prima previa a la fabricación de piezas de plástico suele presentarse en forma de: Polvo Gránulos Resinas (líquidos viscosos)
Durante la fabricación del plástico se pueden añadir, además: Cargas: materiales como fibra de vidrio, fibras textiles, papel, sílice, serrín, para potenciar algunas propiedades. Aditivos: sustancias químicas entre las que destacan los colorantes o pigmentos y los plastificantes, que dificultan la unión de las cadenas poliméricas incrementando la flexibilidad.
CLASIFICACIÓN En función de su estructura interna los materiales plásticos se clasifican en:
TERMOPLÁSTICOS
TERMOESTABLES
ELASTÓMEROS
TERMOPLÁSTICOS De cadena lineal o ramificada, son fusibles y, en este estado, moldeables en teoría un número ilimitado de veces. Cuando se calientan a temperaturas relativamente bajas (100-150ºC) los enlaces intermoleculares entre las cadenas poliméricas se rompen y se posibilita el deslizamiento de las mismas (fluyen). No forman estructuras cristalinas, aunque pueden tener cierto ordenamiento, no tienen punto de fusión, sino intervalo de reblandecimiento, cuando se enfrían pueden ser duros y frágiles, no resisten temperaturas elevadas. Son ejemplos de este tipo de plásticos: polietileno, PVC, polipropileno, poliestireno, teflón, metacrilato, nailon, etc
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL POLIETILENO (PE) Es un plástico transparente, químicamente inerte, fácil de colorear, de gran resistencia eléctrica, blando, impermeable y de baja densidad. Se obtiene por polimerización del etileno. (CH2=CH2) Existen dos variedades: Se usa para: envases, depósitos, juguetes, tuberías, ruedas dentadas, mangos de herramientas, utensilios domésticos. Polietileno de alta densidad (HDPE): de cadena lineal y alto grado de polimerización
Polietileno de baja densidad (LDPE): de cadenas ramificadas y grado de polimerización más bajo. Tiene menor densidad, resistencia, rigidez y punto de fusión, pero mayor flexibilidad. EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL POLIETILENO (PE) Se usa para: bolsas, sacos, embalaje recubrimiento de cables, paletización, invernaderos, impermeables, recipientes para menaje del hogar, etc.
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL POLIPROPILENO (PP) Es un plástico transparente o claro, resistente químicamente, fácil de colorear, de gran resistencia eléctrica, densidad inferior a la del agua, más rígido y de punto de fusión más elevado que el polietileno, resistente al choque y a la tracción, se puede doblar muchas veces sin romperse, impermeable. Se obtiene por polimerización del propileno (CH2=CHCH3) Se usa para: Recipientes, botellas, utensilios de cocina, aislamiento de cables, bolsas, sacos, tacos de presión, cascos, tuberías, engranajes, bisagras, césped artificial, sillas apilables, menaje del hogar, etc
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL PVC El policloruro de vinilo (PVC) es un plástico incoloro pero fácil de colorear, de elevada resistencia química, difícil de trabajar por su alta viscosidad, es resistente, duro y rígido, de baja tenacidad, inestable a la luz y al calor. Los plastificantes separan las cadenas poliméricas dando un PVC mucho más flexible y de menor resistencia. Procede de la polimerización de acetileno con ácido clorhídrico (CH2=CHCl) Se usa para: Tuberías, carpintería de exteriores, depósitos, discos de música, recubrimiento de cables y suelos, juguetes, cuero artificial, mangueras, impermeables, etc
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL POLIESTIRENO (PS) Es un plástico transparente, fácil de colorear, de elevada resistencia química, poco resistente al calor, aislante eléctrico y térmico, destaca por su elevada fluidez y durante mucho tiempo ha sido el plástico más usado para obtener piezas por inyección. Procede de la polimerización del monómero estireno: CH2=CH- Existen dos variedades: Poliestireno rígido: Resistente, muy frágil y con sonido metálico al golpear. Se usa para: envases, carcasas de electrodomésticos, Faros de automóvil juguetes, vasos y platos, envases de yogurt, difusores de lámparas ….
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL POLIESTIRENO (PS) Poliestireno expandido (corcho blanco): Durante su elaboración se produce un gas que queda atrapado en su estructura y luego se volatiliza dejando huecos. Proporciona un material blando y esponjoso y de altas prestaciones como aislante térmico. Se usa para: Envases de alimentos, (bandejas), aislamiento térmico, embalajes ..
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL METACRILATO (PMMA) El polimetacrilato de metilo (plexiglás) se caracteriza por su elevada transparencia, aunque es fácil de colorear. Inalterable químicamente, rígido y frágil, se raya fácilmente y no resiste temperaturas elevadas. Se usa para: Faros de automóvil, lentes, farolas, luminosos, diales, difusores de lámparas, sustituto del vidrio Procede del ácido acrílico (CH2=CH-COOH) y metilacrílico.
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL NAILON (PA) Es un poliamida que se obtiene de la reacción de condensación entre un ácido adípico y la exametilediamina. Se repite el grupo –CO-NH-. Es transparente, incoloro, insípido, de gran elasticidad y alta resistencia a la tracción. Impermeable, resistente a temperaturas elevadas, bajo coeficiente de fricción y resistencia a la abrasión. Posibilidad de ser hilado Sólido se utiliza para: engranajes, cojinetes, soportes, piezas de ferretería… Hilado se utiliza para: Medias, tela de paracaídas, hilo de pescar, airbags, tiendas de campaña, Cerdas para cepillos y peines, cuerdas de escalar.
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: EL TEFLÓN (PTFE) El politetrafluoetileno se obtiene a partir del acetileno por repetición del grupo –CF2- CF2- Es un plástico de alta estabilidad química incluo en caliente, resiste temperaturas elevadas (300ºC), de gran tenacidad y muy aislante eléctrico, de alta densidad (2,2gr/cm3), no absorbe nada de agua. De coeficiente de rozamiento bajo, antiadherente y resistente a la abrasión. Se usa para: Engranajes, cojinetes, juntas, piezas de motores, tuberías de combustibles y aceites, material de laboratorio, recubrimiento antiadherente de sartenes y cacerolas, componentes eléctricos, aislantes para alta tensión…
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: POLICARBONATOS (PC) Son polímeros con el grupo –O-R-O-CO- y eslabones –CH- y –OCOO-. Son materiales muy transparentes, de gran brillo y fáciles de colorear, de elevada resistencia al calor (140ºC) y gran estabilidad química, altas prestaciones mecánicas (resistencia, rigidez, tenacidad), no producen astillas al romperse. Se usa para: Carcasas, engranajes, vajillas, hélices de barco, ventiladores, cristales irrompibles para aviones y trenes de alta velocidad , cascos de seguridad, escudos de la policía, CD,s, cámaras de fotografía y vídeo…
EJEMPLO DE TERMOPLÁSTICOS: POLIÉSTERES (PC) Grupo de materiales obtenidos por condensación del ácido dicarboxílico y un dialcohol. En la cadena se repite el grupo éster (-CO-O-). Se obtiene, fundamentalmente fibras (tergal, terylene, enkalene, dacrón) de gran resistencia a tracción y al desgaste, produciendo tejidos de fácil mantenimiento e inarrugables. Muy aislante, resistente a tª elevada y alta estabilidad química. Se combina bien con el algodón y la lana. Se usa para: Trajes, camisas, vestidos, blusas, mangueras contra incendios, cintas transportadoras, lonas impermeables, tejidos para neumáticos, filtros, cuerdas de remolque…
TERMOESTABLES Proceden de resinas cuyas cadenas poliméricas (lineales o ramificadas) contienen grupos funcionales susceptibles de reaccionar, estableciendo uniones cruzadas y dando lugar a un entramado tridimensional con enlaces fuertes. Cuando se someten a presión y temperatura adecuadas se establecen estas uniones cruzadas (curado) y resultan materiales infusibles e insolubles en muchos disolventes. No se pueden volver a remoldear. Si se calientan en exceso, su estructura interna se degrada y el material queda inservible. No forman estructuras cristalinas, son generalmente más duros y resistentes que los termoplásticos, más rígidos y soportan temperaturas más elevadas (200ºC). Son ejemplos de este tipo de plásticos: baquelita, melamina, poliuretano, resina epóxi, resina de poliester….
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: BAQUELITA (PF) Resinas fenólicas de la policondensación del fenol y el formaldehído. Material con buena resistencia mecánica y al calor, frágil, de alta estabilidad química, buen aislante térmico y eléctrico, se oscurece al exponerse a la luz y tiene un olor característico (no apto para contener alimentos). Se usa para: Componentes eléctricos (casquillos, interruptores, circuitos impresos), mangos y asas de utensilios de cocina, carcasas de electrodomésticos, muelas de abrasión, moldes, barnices, adhesivos, revestimiento de madera…
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: MELAMINA (MF) Aminorresina obtenida por policondensación de la melamina con formaldehído. Nombre comercial: formica. Incoloro, se colorea fácilmente, sin olor ni sabor, inalterable a la luz, de gran resistencia mecánica, al rayado y al desgaste, más tenaz que la baquelita, gran resistencia al calor, aislante térmico y eléctrico. Se usa para: Revestimiento de muebles de cocina y encimeras, chapeado de tableros de muebles en general, juguetes, vajillas irrompibles, cuberterías, recipientes de alimentos, tiradores, piezas de ajedrez, adhesivos…
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: UREA FORMALDEHIDO (UF) Aminorresina obtenida por policondensación de la urea con formaldehído. Pertenece también a la familia de las aminorresinas y tiene propiedades parecidas a las de la melamina. Se usa para: Vajillas, Interruptores, portalámparas, clavijas, revestimiento de muebles, tiradores de cajones, mandos de electrodomés- ticos, colas y barnices…
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: RESINAS DE POLIESTER (UP) Las resinas de poliéster o poliésteres no saturados, contiene grupos funcionales disponibles para formar uniones. Polimerizan a tª ambiente al mezclar con un catalizador. Son materiales que duros y frágiles que, Con frecuencia, se combinan con fibra de vidrio que confiere resistencia y rigidez.. Son incoloros y resisten temperaturas elevadas. Se usan para: Construcción de embarcaciones, automóviles, depósitos, tuberías, esquíes, placas transparentes de tejados, cascos de moto, piscinas, piezas de aviones, maletas, condensadores, bandejas…
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: RESINA EPOXI (EP) Una resina epoxi o epoxídica es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o "endurecedor". Las más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol-a. Son inodoras e insípidas en estado sólido y venenosas en estado líquido. alta resistencia química y al calor y buenas prestaciones mecánicas, fáciles de mecanizar, resistentes a la abrasión, buenos aislantes eléctricos y se adhieren bien a otros materiales. Se usan para: Revestimiento de latas conserva, barnices y lacas muy resistentes, recubrimiento de conductores, encapsulados de componentes electrónicos, circuitos impresos, pinturas antipolvo de suelos de garaje, herramientas, adhesivos (pegan hormigón y metales)…
EJEMPLO DE TERMOESTABLES: POLIURETANOS (PUR) Polímero que se obtiene por polimerización de determinados compuestos que contienen el grupo isocianato (-N=C=O-). Los poliuretanos son resinas que van desde las formas duras y aptas para recubrimientos resistentes a los disolventes hasta cauchos sintéticos resistentes a la abrasión, espumas flexibles y fibras de gran elasticidad (lycra). Se utiliza para: Espuma para paneles aislantes, espuma inyectable, rellenos de almohadas y colchones, juntas, mangueras, ruedas de fricción, prendas deportivas, de corsetería y bañadores (lycra y elastán), pegamentos y barnices duros…..
ELASTÓMEROS Grupo de materiales caracterizados por su elevada elasticidad, formados por largas cadenas enrolladas susceptibles de desenrollarse por la acción de tensiones internas y recuperar su forma cuando cesan. Ofrecen la posibilidad de establecer uniones cruzadas entre sus cadenas por vulcanización, para impedir el flujo plástico. No forman estructuras cristalinas, son extraordinariamente blandos, su módulo elástico es inferior al del resto de los materiales. Su temperatura de trabajo es, por lo general, la ambiente. Son ejemplos: caucho natural, caucho sintético, neopreno, siliconas…
ELASTÓMEROS Constitución de elastómeros y vulcanización El proceso de vulcanización, descubierto por casualidad por Goodyear en 1839, consiste en añadir azufre al caucho crudo o a las gomas sintéticas y calentar a unos 160º con el fin de que el azufre actúe como puente entre las cadenas poliméricas para que se establezcan uniones cruzadas. La cantidad de azufre adicionado determina el grado de rigidez alcanzado por las gomas. Para mantener la elasticidad no debe ser superior al 8%.
Caucho natural vulcanizado El mónomero isopreno tiene dos dobles enlaces. Una vez rotos puede polimerizarse quedando libres muchos de estos enlaces Por vulcanización, algunos de estos enlaces libres se unen a otras cadenas poliméricas actuando el azufre como puente. La cantidad de uniones depende de la cantidad adicionada de azufre. Con el tiempo, el resto de los enlaces libres forman uniones intermoleculares con otras cadenas por acción del oxígeno, la luz o el calor. Esto provoca una disminución de la elasticidad y un aumento de la rigidez (envejecimiento)
EJEMPLO DE ELASTÓMERO: CAUCHO NATURAL El caucho natural vulcanizado se obtiene por coagulación del látex y mezcla con una cantidad no superior al 8% de azufre a 160ºC. Es un material muy elástico, con elevada resistencia mecánica, no adherente y que no se ablanda con el calor. Es bastante resistente a la abrasión y al impacto, a la fatiga, muy aislante eléctrico, insoluble en disolventes orgánicos y con elevada resistencia química. Se utiliza para: Neumáticos (la mayor parte, especialmente neumáticos grandes y para condiciones duras de trabajo), cilindros de impresoras, ,juntas, suelas de zapatos, tubos flexibles, correas, guantes..
EJEMPLO DE ELASTÓMERO: CAUCHO SINTÉTICO Se utilizan para: Neumáticos, juntas, mangueras, suelas de zapatos, correas de transmisión, cámaras de neumáticos, cintas transportadoras, guantes, botas de agua, tubos … Se incluyen aquí un grupo de polímeros elastómeros que proceden de derivados del petróleo (polibutadieno, butadieno-estireno, butadieno-acrilonitrilo, cauchos de etileno-propileno, caucho butílico, etc). Estos elastómeros suelen presentar mas resistencia al calor, a la abrasión, al endurecimiento por envejecimiento, a las bajas temperaturas, a los disolventes y ser más impermeables que el caucho natural, pero también son menos elásticos y flexibles que este.
EJEMPLO DE ELASTÓMERO: NEOPRENO O CLOROPRENO (CR) Se utiliza para: Trajes de inmersión, fundas, asientos de grandes vigas de puentes y cimentaciones de edificios protegidos contra terremotos, juntas, correas de transmisión, recubrimiento de cables, mangueras, cintas transportadoras, etc Se obtiene por polimerización del neopreno en presencia de HCl y catalizadores. Contiene el grupo –CH2-CCl=CH-CH2-. Tiene mayor resistencia mecánica, química, al calor, al envejecimiento e impermeabilidad que el caucho, es buen aislante térmico y eléctrico pero menos elástico y flexible y su precio es mas elevado que el caucho.
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