Elastomeros. Resistencia de Materiales

Introducción

Elastómero es una elegante palabra que significa simplemente "caucho". Entre los polímeros que son elastómeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el polibutadieno, el poliisobutileno, y los poliuretanos. La particularidad que destaca a los elastómeros es su facilidad para rebotar. Pero decir "que rebotan" es poco preciso. Seamos más específicos. Lo particular de los elastómeros es que pueden ser estirados hasta muchas veces sus propias longitudes, para luego recuperar su forma original sin una deformación permanente. Actualmente con la industrialización se ha hecho indispensable la fabricación y comercialización de productos a base de caucho.

Elastómeros

Los elastómeros forman una gran familia de polímeros amorfos con una temperatura de transición vítrea baja. Tienen una capacidad característica de sufrir grandes deformaciones elásticas sin ruptura. Son blandos y tienen un bajo modulo elástico. El término elastómero se deriva de las palabras elastic y mero. La estructura de estos polímeros esta muy retorcida (apretadamente torcida o rizada). Se estiran pero después regresan a su forma original una vez retirada la carga. También pueden entrelazarse; el mejor ejemplo de este proceso es la vulcanización a temperatura elevada del hule con el azufre, descubierta por C. Goodyear en 1839, y llamada así en honor a vulcano, el dios romano del fuego. Una vez entrelazado el elastómero  ya no puede ser reprocesado. Por ejemplo una llanta de automóvil  que es un elastómero de molécula gigante, no puede ser ablandada y remoldada.

A menudo los términos hule y elastómero se utilizan indistintamente. En general, se define un elastómero como capaz de recuperarse substancialmente en forma y tamaño una vez eliminada la carga. Un hule se define como capaz de recuperarse con rapidez de grandes deformaciones.

Una propiedad de los elastómeros es su perdida por histéresis al estirarse o comprimirse. Esta propiedad es deseable para absorber energía vibracional (amortiguamiento) y para reducir el nivel del ruido.

La dureza de los elastómeros  que se mide utilizando un durómetro, se incrementa con el entrelazamiento de las cadenas moleculares. Igual que en caso de los plásticos, se pueden agregar una diversidad de aditivos en los elastómeros a fin de impartir propiedades específicas. Los elastómeros tienen una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, superficies antifricción y antiderrapantes, protección contra la corrosión y la abrasión  el aislamiento eléctrico y el aislamiento contra choque y vibración  los ejemplos incluyen las llantas, mangueras, burletes de interpie, calzado con suela de hule e industrial, recubrimientos, juntas, sellos, rodillos de imprenta y recubrimiento para pisos.

La vulcanización es un proceso mediante el cual se calienta el caucho crudo en presencia de azufre.

Durómetro

¿Qué es un elastómero?

Los materiales elastómeros  son aquellos materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante enlaces químicos, adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada.para entender un poco mejor lo que es un elastómero lo podemos asimilar al siguiente ejemplo, imaginemos que encima de una mesa tenemos un conjunto de cuerdas entremezcladas unas con otras, cada una de estas cuerdas es lo que llamamos polímeros  tendremos que realizar un esfuerzo relativamente pequeño si queremos separar las cuerdas unas de otras, ahora comenzamos a realizar nudos entre cada una de las cuerdas, apreciamos que entre más nudos realicemos más ordenado y rígido se vuelve el conjunto de las cuerdas, los nudos de nuestra cuerda es lo que representa los enlaces químicos  con un cierto grado de nudos, o enlaces químicos  necesitamos tensionar con mayor fuerza el conjunto de cuerdas con objeto de separarlas, además observamos que cuando tensionamos la longitud de las cuerdas aumentan y cuando dejamos de tensionar el tamaño de las cuerdas vuelven a la longitud inicial.

Las moléculas que conforman una porción de caucho, cualquier clase de caucho, no tienen ningún orden. Se enrollan y se enredan entre ellas, formando un gran revoltijo. Eso es lo que les gusta hacer.

Estructura molecular de un elastómero

¡Funciona debido a la Entropía!

Entropía significa desorden. Todas las cosas en nuestro universo son propensas a la entropía y tienden a desordenarse. Eso explica por qué mantener desarreglada nuestra habitación es más fácil que mantenerla prolija. Esta perra se llama Entropía, nombre francamente apropiado, ya que corre alocada detrás de cualquier humano que la deje entrar en su casa. Las moléculas poliméricas son iguales. Las que conforman una porción de caucho, cualquier clase de caucho, no tienen ningún orden. Se enrollan y se enredan entre ellas, formando un gran revoltijo. Eso es lo que les gusta hacer.

Pero si estiramos esa porción de caucho, todo cambia. Las moléculas son forzadas a alinearse en la dirección en la que se está produciendo el estiramiento. Cuando lo hacen, se vuelven más ordenadas. Si usted estira lo suficiente, las cadenas se alinearán tanto como para cristalizar. Claro que así no se encuentran cómodas. Recuerde, a ellas les gusta la entropía (estar desordenadas).

Pero cuando usted afloja la presión y deja de estirar, las moléculas volverán rápidamente a su estado enredado y desordenado. Lo hacen para retornar a un estado de entropía, porque es así como les gusta permanecer. Cuando esto sucede, el trozo de caucho recupera su forma original.

¿Vidrio o Caucho?

Obviamente, no todos los polímeros amorfos son elastómeros. Algunos son termoplásticos. ¿Por qué? Que el polímero amorfo sea un termoplástico o un elastómero, depende de su temperatura de transición vítrea, o Tg. Esta es la temperatura por encima de la cual un polímero se vuelve blando y dúctil, y por debajo de la cual se vuelve dura y quebradiza, como el vidrio. Si un polímero amorfo tiene una Tg por debajo de la temperatura ambiente, será un elastómero, porque es blando y elástico a temperatura ambiente. Si un polímero amorfo tiene una Tg por encima de la temperatura ambiente, será un termoplástico, ya que a dicha temperatura es duro y quebradizo. De modo que, por regla general para los polímeros amorfos, tenemos que los elastómeros poseen bajas Tg y los termoplásticos poseen altas Tg. (Pero cuidado, éste sólo es aplicable para polímeros amorfos, no para polímeros cristalinos.)

Una molécula puede hacer mucho

Para facilitar aún más que los elastómeros recuperen su forma original, resulta útil entrecruzarlos. De este modo, se forman enlaces covalentes entre las diferentes cadenas poliméricas, uniéndolas en una única molécula reticulada. ¡Así es, la mayoría de los objetos hechos de caucho contienen una sola molécula! Cuando las cadenas poliméricas se encuentran unidas de esta forma, resulta aún más difícil estirarlas, por lo tanto retornan más fácilmente a su forma original.

Pero esto hace que los elastómeros sean difíciles de reciclar. Piénselo. ¿Cómo se hace para fundir una sola molécula? Para hacer que los elastómeros sean reciclables, necesitamos encontrar un modo de mantener las moléculas unidas mientras el caucho se está utilizando y que luego permita que las mismas se separen cuando el caucho se procesa. La respuesta está en lo que llamamos un elastómero termoplástico.

Molécula de butadieno.

Propiedades de los materiales elastómeros

• No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso

• Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes

• Generalmente insolubles

• Son flexibles y elásticos

• Menor resistencia al fenómeno de fluencia que los termoplásticos

Clasificación de materiales elastómeros

• Elastómeros termoestables: Son aquellos elastómeros que al calentarlos no se funden o se deforman.

• Elastómeros termoplásticos: Son aquellos elastómeros que al calentarlos se funden y se deforman. Son una clase de copolimeros o mezcla física de polímeros (generalmente un plástico y un caucho) que dan lugar a materiales con las características termoplásticas y elastómeras. El entrecruzamiento en elastómeros termoplásticos se forman a partir de dipolos débiles o de enlaces por puentes de hidrógeno.

Algunos materiales elastómeros

Poliisopreno

• Características: Es muy elástica y flexible y además de ser extremadamente impermeable. El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro.

• Nombre comercial: Caucho natural.

• Propiedades: Elevado valor de fricción, propiedad de resistencia al desgaste más uniforme, sensible al ozono. A bajas temperaturas se vuelve rígido y cuando se congela en estado de extensión adquiere estructura fibrosa.

• Densidad: la densidad del caucho a 0ºC es de 0,950, a 20ºC es de 0,934.

• Otra información: Posee buena resistencia al amoniaco, sales orgánicas, ácidos débiles y álcalis.

Polisiloxano

• Características: Polímero inodoro e incoloro, hecho principalmente de silicio, es inerte y estable a altas temperaturas

• Nombre comercial: silicona

• Propiedades:Tiene una excelente resistencia al envejecimiento, no es afectada por la luz solar ni el ozono, posee poca resistencia mecánica, así como también al vapor, hidrocarburos alifáticos, aromáticos.

• Densidad: 1,19 gr/cm3

• Otra información: La temperatura para este material va de los -100ºC a los +260º.

Estireno – Butadieno

• Características: El caucho estireno butadieno más conocido como caucho SBR es un copolimero (polímero formado por la polimerización de una mezcla de dos o más monómeros) del estireno y el 1,3-butadieno. Este es el caucho sintético más utilizado a nivel mundial.

• Nombre comercial: Goma sintética

• Propiedades: Moderada resiliencia, excelente resistencia a la abrasión, moderada resistencia al desgarro, excelente resistencia al impacto, excelente resistencia eléctrica.

• Densidad: 0,909gr/cm3

• Otra información: Es el caucho más importante en el mercado, entre sus aplicaciones más importantes son: neumáticos para automóviles y suelas de zapatos.

Ejemplos y aplicaciones de materiales elastómeros

• Goma natural: Material usado en la fabricación de juntas, tacones y suelas de zapatos.

• Poliuretanos: Los poliuretanos son usados en el sector textil para la fabricación de prendas elásticas como la lycra, también se utiliza como espumas, materiales de ruedas, etc.

• Polibutadieno: Material elastómero utilizado en las ruedas o neumáticos de los vehículos  dada la extraordinaria resistencia al desgaste.

• Neopreno: Material usado principalmente en la fabricación de trajes de buceo, también es utilizado como aislamiento de cables, correas industriales, etc.

• Silicona: Material usado en una gama amplia de materiales y áreas dado a sus excelentes propiedades de resistencia termina y química  las siliconas se utilizan en la fabricación de chupetes, prótesis médicas, lubricantes, moldes, etc.

Clasificación según su composición química

• Grupo R (del inglés Rubber) – la cadena principal se compone de carbono e hidrógeno y contiene dobles enlaces

• Caucho natural (NR)

• Poliisopreno (IR, forma artificial del caucho natural)

• Polibutadieno

• Caucho estireno-butadieno (SBR)

• Caucho butilo (IIR)

• Caucho nitrilo (NBR)

• Neopreno (CR)

• Grupo M (del inglés Methylene) – su cadena principal sólo contiene átomos de carbono e hidrógeno y está saturada (no dobles enlaces)

• Caucho etileno-propileno (EPM)

• Caucho etileno-propileno-dieno (EPDM)

• Caucho etileno-acetato de vinilo (EVM)

• Caucho fluorado (FKM)

• Caucho acrílico (ACM)

• Polietileno clorado (CM)

• Polietileno clorosulfurado (CSM)

• Grupo N - contiene átomos de nitrógeno en la cadena principal

"Pebax", copolímero de poliamida y poliéster

• Grupo O – contiene átomos de oxígeno en la cadena principal

Caucho de epiclorhidrina (ECO)

• Grupo Q – contiene grupos siloxano en la cadena principal

Caucho de silicona (MQ)

• Grupo U (de Uretano) – contiene átomos de nitrógeno, oxígeno y carbono en la cadena principal formando el grupo NCO (uretano)

Elastómeros de poliuretano (AU y EU)

• Grupo T – contiene átomos de azufre en la cadena principal

Caucho de polisulfuro o "Thiokol"

Prefijos

• X indica presencia de grupos carboxilo (por ejemplo, XNBR)

• C y B indican cauchos halogenados (por ejemplo, CIIIR y BIIR)

• H indica caucho hidrogenado (por ejemplo, HNBR)

• S, normalmente minúscula, indica polímero obtenido mediante un proceso en solución (por ejemplo, sSBR)

• E ó EM, normalmente en minúsculas, indican polímero obtenido mediante un proceso en emulsión (por ejemplo, eSBR)

• OE indica un polímero al que se ha añadido aceite (por ejemplo, OE-SBR)

• Y suele indicar propiedades termoplásticas.

Familias principales

• Estirénicos (SBCs)

• Estireno-butadieno-estireno (SBS) de alto y bajo contenido en estireno

• Estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS)

• Estireno-isopreno-estireno (SIS)

• Olefínicos (TPOs)

• Vulcanizados termoplásticos (TPVs)

• Poliuretano termoplástico (TPUs)

• Copoliésteres (COPEs)

• Copoliamidas (COPAs)

Conclusión

La elaboración del trabajo anterior nos ayudó a comprender mejor el comportamiento de los materiales heterogéneos, principalmente las características de los elastómeros, además nos permitió ahondar en temas más profundos relacionados con estos importantes materiales, como son sus propiedades mecánicas, principalmente la visco elasticidad que es una de las características más importantes de estos materiales.

También podemos concluir que estos materiales forman una parte fundamental, dentro de los materiales que se ocupan hoy en día en todo orden de aplicaciones, ya que su fácil aplicación, así como su baja dificultad en diseñar todo tipo de partes y piezas de uso en todas las áreas imaginables, hacen que estos materiales sean encontrados en cada momento en la vida diaria.

Tras la realización de este trabajo pudimos enterarnos de los distintos procesos de producción de estos materiales, así como también del bajo costo que estos procesos representan en comparación con los procesos de producción de otros materiales, lo que es una fuerte razón más de que estos materiales se impongan sobre otros.

Podemos concluir que este trabajo nos resultó muy útil, y nos dimos cuenta que el mundo de los polímeros es en realidad muy amplio y difícil de abarcar en todas sus formas. Con esto pudimos darnos cuenta del rol fundamental que cumplen los polímeros y elastómeros en nuestra vida diaria.

Como conclusión final podemos decir, que este trabajo nos ayudó a entender mejor el mundo de los materiales en general, y nos entregó las herramientas necesarias para explayarnos con propiedad sobre este tema ya que la información recopilada nos pareció suficiente para tener un conocimiento bastante aceptable y nos permitió entender, mejor el comportamiento y características de estos materiales.

Referencias

William D. Callister, Jr

Ciencia e ingeniería de los materiales V.2

Editorial Reverte.

Internet.

• Treloar L.R.G., The Physics of Rubber Elasticity, Oxford University Press, 1975. ISBN 0-19-85027-9.

• Meyers and Chawla. Mechanical Behaviors of Materials, Prentice Hall, Inc. (Pearson Education) 1999.

• Budinski, Kenneth G., Budinski, Michael K., Engineering Materials: Properties and Selection, 7th Ed, 2002. ISBN 0-13-030533-2.

Autor:

Jairol Alonso Solana Martínez.

Harvey Coto

Jefferson Rodríguez

Alejandro Coto

Campus GML.

Instituto Invenio de tecnologías Emergentes.

DOM 121

Facilitador:

HELÍ FUNMAYOR PIRELA.

02/10/2014