Materiales utilizados en elementos mecánicos
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- Clasificación de los polímeros
- Algunos ejemplos de termoplásticos: POLIETILENO
- PVC (CLORURO DE POLIVINILO)
- ACRÍLICOS
- PLÁSTICOS TERMOESTABLES.
- Algunos ejemplos de termoestables: BAQUELITA (resinas fenólicas)
- Aplicaciones
- Estireno butadieno (SBR)
- Diferencias entre el caucho SRB y el caucho natural
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Materiales utilizados en elementos mecánicos Polímeros Introducción Los polímeros, que abarcan materiales tan diversos como los plásticos, el hule o caucho y los adhesivos, son moléculas orgánicas gigantes en cadena, con pesos moleculares desde 10,000 hasta más de 1,000,000 g/mol. La polimerización es el proceso mediante el cual moléculas más pequeñas se unen para crear estas moléculas gigantes. Los polímeros se utilizan en un número sorprendente de aplicaciones, incluyendo juguetes, aparatos domésticos, elementos estructura les y decorativos, recubrimientos, pinturas, adhesivos, llantas de automóvil, espumas y empa ques. Los polímeros son a menudo utilizados como fibra y como matriz en compuestos. Los polímeros comerciales o estándar son materiales ligeros resistentes a la corrosión, de baja resistencia y rigidez, y no son adecuados para uso a temperaturas altas. Sin embargo, son relativamente económicos y fácilmente conformables en una diversidad de formas, desde bol sas de plástico a engranes metálicos y tinas de baño. Los polímeros ingenieriles están diseñados para dar una mejor resistencia o mejor rendimiento a temperaturas elevadas. Estos últimos se producen en cantidades relativamente pequeñas y son costosos. Algunos de los polímeros ingenieriles pueden funcionar a temperaturas tan altas como 350°C; otros, usualmente en forma de fibra, tienen resistencias superiores a las del acero. Los polímeros también tienen muchas propiedades físicas útiles. Algunos, como el plexiglás, son transparentes y pueden remplazar a los vidrios cerámicos. Aunque la maye: parte de los polímeros son aislantes eléctricos, los polímeros especiales. Los compuestos basados en polímero, poseen una conductividad eléctrica útil. El teflón tiene bajo coeficiente de fricción y sirve de recubrimiento para utensilios de cocina antiadherente. Los polímeros también son resistentes a la corrosión y al ataque químico. Clasificación de los polímeros Los polímeros se clasifican de varias formas: primero, según la manera en que las moléculas son sintetizadas; segundo, en función de su estructura molecular y tercero, por su familia quí mica. Sin embargo, el método más usado para describir los polímeros es en función de su comportamiento mecánico y térmico. Termoplástico Cadenas lineales flexibles Termoestable Red rígida tridimensional Elastómero Cadenas lineales con enlaces cruzados
Los polímeros termoestables están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuer tes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímeros generalmente son más resistentes, aunque más frágiles, que los termoplásticos. Los termoestables no tienen una temperatura de fusión fija y es difícil reprocesarlos una vez ocurri da la formación de enlaces cruzados. Los elastómeros, incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre las cadenas. Los elastómeros tienen la capacidad de deformarse elásticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanentemente. La polimerización de estos tres tipos de polímeros normalmente se inicia con la producción de largas cadenas, en las cuales los átomos se unen fuertemente con enlaces covalentes. El número y la resistencia de los enlaces cruzados le dan a cada tipo sus propiedades especiales. Sin embargo, se debe hacer notar que las diferencias entre estos tres tipos a menudo son muy sutiles. Por ejemplo, existe toda una continuidad de variaciones entre la estructura simple del polietileno (un termoplástico) y la estructura más compleja de los epóxicos (un termoestable). Polimerización Iniciación de la polimerización por adición Para empezar la adición, es decir el proce so de polimerización por crecimiento de las cadenas, se añade un iniciador al monómero. El iniciador forma radicales libres con un sitio reactivo, que atrae a uno de los átomos de carbono de un monómero de etileno. Cuando ocurre esta reacción, el sitio reactivo se transfiere al otro átomo de carbono del monómero y se empieza a formar una cadena. Una segunda unidad de repetición de etileno se puede fijar en este nuevo sitio, alargándose la cadena. Este proceso continuará hasta que quede formada una larga cadena de polietileno, es decir un polímero por adición. Termoplásticos Se caracterizan porque se ablandan al calentarse y pueden ser moldeados para darles distintas formas, sabiendo que al enfriarse volverán a endurecerse manteniendo sus características iníciales. Al calentarse, a las moléculas se les da la energía necesaria para que se separen, y esto les da libertad para cambiar su posición relativa y dar lugar a una nueva forma cuando están bajo presión. Este proceso de ablandamiento y endurecimiento puede volverse a repetir una y otra vez sin que el material modifique su aspecto o sus propiedades. Algunos ejemplos de termoplásticos: POLIETILENO Se representa por la fórmula empírica (CH2)n, consistiendo en un 85'7% de C y 14'3% de H, obtenido por polimeración aditiva del etileno. Este termoplástico es de cadena ramificada, con la posibilidad de contener grupos químicos derivados del catalizador usado en su proceso de fabricación, lo que influirá de forma importante en sus propiedades. Un producto comercial normal tiene una distribución amplia de pesos moleculares, aunque el número de enlaces dobles y la frecuencia de las ramificaciones se pueden considerar independientes del peso molecular de la fracción considerada. La presencia de la ramificación implica cierta cristalinidad en estado sólido. Esto significa que su fusión no se producirá a una temperatura dada, sino que el material, al ir aumentando la temperatura, cambiará gradualmente su estado hasta fundirse y convertirse en un líquido amorfo. El polietileno es, en general, poco soluble sobre todo si la temperatura es inferior a 60°C, su peso molecular es muy bajo y presenta poca ramificación. Sí se produce la absorción del disolvente, provocando hinchazón del material. Esta característica se hace menos importante al aumentar el peso molecular, el grado de cristalinidad y bajar la ramificación. En cuanto a la permeabilidad, es elevada para vapores orgánicos y al oxígeno, y escasa para el vapor de agua. En cualquier caso, aumenta con la temperatura En cuanto a sus propiedades eléctricas, destaca por sus bajas conductividad eléctrica y permisividad, siendo elevada su resistencia dieléctrica. Por lo que se refiere a sus propiedades químicas, es uno de los polímeros más estables e inertes, siempre que no haya presencia de oxígeno, en cuyo caso se produce degradación autocatalítica a temperaturas en torno a 50°C. Si además hay luz, la degradación puede presentarse a temperatura ambiente.
Dadas su buena resistencia química, no tener olor, no ser tóxico, su poca permeabilidad al vapor de agua, ser aislante eléctrico y su poco peso, tiene un amplio campo de aplicación. * Aislante de cables: se utilizaron habitualmente como protectores de cables submarinos por su baja permitividad eléctrica y su elevada resistencia al agua. Actualmente se usan como envolturas generales exteriores de cables.
POLIPROPILENO Pertenece a la misma familia de plásticos que los polietilenos. Sin embargo es más resistente y más rígido que el polietileno de alta densidad. También presenta mayor resistencia al calor, ablandándose aproximadamente a 150 °C. Es el termoplástico de menor densidad y sin embargo tiene una resistencia muy grande al hociqué. Otra de sus características más valiosa es su capacidad de ser doblado miles de veces sin romperse.
Se presenta en forma rígida o flexible. El PVC rígido es muy duradero y se usa para hacer canalones y tuberías. El PVC flexible se consigue añadiendo un producto plastificante al PVC. El producto plastificante tiene moléculas pequeñas que separan las cadenas de polímero haciendo que se atraigan con menos fuerza. Como consecuencia de esta menos atracción el polímero se vuelve más blando y flexible.
Si añadimos al PVC una gran proporción de plastificante podremos usarlo para revestir telas, asientos, bolsos, algunos muebles, etc. ACRÍLICOS Probablemente el acrílico más conocido es el metacrilato también conocido como plexiglás. El metacrilato puede tener una transparencia parecida a la del cristal o ser opaco. Las dos formas se pueden teñir con pigmentos de color. Sin embargo se puede agrietar y se raya con facilidad. Se le puede dar forma, doblar y torcer cuando se calienta a temperaturas entre 165 y 175 °C. En frío es muy frágil y hay que tener cuidado para evitar que se agriete cuando se corta o se taladra. También podemos encontrar metacrilato en forma de granulo, para usarlo en máquinas de moldeo por inyección, y en esta forma se le conoce como POLVO PLÁSTICO ACRÍLICO.
Probablemente la forma más conocida del nailon son las fibras, que se usan para la fabricación de alfombras, ropa, cepillos, medias, etc. Es un material bastante duro y resistente al desgaste. El nailon, además de en fibras se utiliza en piezas mayores para fabricar rieles y accesorios de cortinas, carcasas para enchufes y clavijas, peines, etc., y en ingeniería para fabricar piezas móviles de engranajes y cojinetes, debido a su durabilidad y a su pequeño coeficiente de rozamiento, además de su temperatura de fusión bastante alta.
Las dos formas más habituales en las que nos vamos a encontrar el poliestireno son como sólido cristalino transparente y como plástico esponjoso conocido como poliestireno expandido (porexpán). En su forma más "sólida", es muy frágil, y se puede identificar por el sonido metálico que hace cuando se deja caer. El poliestireno expandido es blando y esponjoso. Durante su elaboración se produce un gas que queda atrapado dentro de su estructura. Tiene buenas propiedades como aislante térmico y acústico y por ello se usa en la industria de la construcción. Además su baja densidad hace que pese muy poco y su naturaleza esponjosa hace que amortigüe bien los golpes, por lo que se usa para embalaje. Usos: Piezas rígidas con brillo e impacto · Industria del envase y empaque (platos y vasos desechables) · Artículos Escolares · Juguetes · Asientos sanitarios · Carretes Industriales · Carcasas de Electrodomésticos · Juguetes · Cubiertas de cassettes PLÁSTICOS TERMOESTABLES. Se comportan de forma muy diferente a los termoplásticos. Al calentarlos por primera vez el polímero se ablanda y se le puede dar forma bajo presión. Sin embargo, debido al calor, comienza una reacción química en la que las moléculas se enlazan permanentemente. Esta reacción se conoce con el nombre de degradación. Como consecuencia el polímero se hace rígido permanentemente y si se calienta no se ablandará sino que se destruirá. Algunos ejemplos de termoestables: BAQUELITA (resinas fenólicas) Fue el primer plástico que se fabricó artificialmente a partir de productos químicos. Se le llamo así por el hombre que la fabricó por primera vez (Leo Baekeland). Es un plástico duro y frágil, de un color oscuro y brillante. Es un plástico termoestable, luego resiste el calor sin ablandarse, pero hasta una cierta temperatura, porque a temperaturas muy altas se descompone quedando carbonizado. La baquelita es un buen aislante térmico y eléctrico, de ahí sus utilidades y aplicaciones en accesorios eléctricos, para hacer mangos de cazos y sartenes, mandos de cocina, mangos para soldadores, etc.
Tiene forma de resina y debe mezclarse con un producto llamado endurecedor. Solidifica y forma un plástico rígido, duro y frágil. Para darle más resistencia se refuerza con una capa de fibra de vidrio. Aplicaciones: recubrimientos de fibra de vidrio (aviones, embarcaciones, piscinas.) y como placas transparentes para cubiertas y tejados. ELASTOMEROS Generalidades de los elastómeros (a) Cuando un elastómero no contiene enlaces cruzados, la aplicación de una fuerza causa a la vez deformación elástica y plástica; una vez removida la carga, el elastómero queda permanentemente deformado. (b) Cuando existen enlaces cruzados, el elastómero quizá puede sufrir una deformación elástica grande; sin embargo, al eliminar la carga, el elastómero vuelve a su forma original. Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, de ahí esa considerable capacidad de deformación. Los elastómeros están formados por largas cadenas de monómeros lineales o ramificadas y entrelazadas tridimensionalmente. La elasticidad proviene de la habilidad de las cadenas para cambiar su posición por sí mismas y así distribuir una cierta tensión aplicada. El enlace covalente asegura que el elastómero retornará a su posición original una vez deje de aplicarse la tensión. Como resultado de esa extrema flexibilidad, los elastómeros pueden alargarse de un 5% a un 700%, dependiendo del material en concreto. Sin los enlaces o con pocos de ellos, la tensión aplicada puede provocar una deformación permanente. Los efectos de la temperatura están también presentes en la elasticidad de un polímero. Los elastómeros que han sido enfriados llevándolos a una fase vítrea o cristalina tendrán menos movilidad en las cadenas, y consecuentemente menos elasticidad que aquellos manipulados a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea (Tg) del polímero. Las temperaturas de transición vítrea de los elastómeros más comunes se encuentran por debajo de la temperatura ambiente. La Tg es la temperatura a la que un polímero fundido, sometida a enfriamiento, se convierte en un sólido vidrioso. La temperatura de reblandecimiento es la temperatura en la que el polímero alcanza un grado de ablandamiento específico. Es una medida arbitraria para establecer la temperatura superior de servicio del polímero, sin significado a nivel molecular. La transición vítrea no es lo mismo que el fundido. El fundido es una transición que se manifiesta en los polímeros cristalinos. Ocurre cuando las cadenas poliméricas abandonan sus estructuras cristalinas y se transforman en un líquido desordenado. La transición vítrea es una transición que se manifiesta en los polímeros amorfos; es decir, polímeros cuyas cadenas no están dispuestas según un ordenamiento cristalino, sino que están esparcidas en cualquier ordenamiento, aún en estado sólido (elastómeros). Elastómeros más comunes Caucho natural (poliisopreno) En estado natural, el caucho aparece en forma de suspensión coloidal en el látex de plantas productoras de caucho. La principal fuente de látex es el árbol de la especie Hevea Brasiliensis, de la familia de las Euforbiáceas (también se denomina caucho natural al hule, obtenido de las plantas Castilla elástica y Guayule). Se recoge el látex líquido de los árboles y se los lleva a un centro de procesado donde se diluye el látex primario hasta un 15% de contenido en caucho y se coagula con acido fórmico. El material coagulado se comprime a través de unos rodillos para eliminar el agua y producir un material en hojas. Las hojas se secan con corriente de aire seco o por el calor del humo de un fuego. Éstas junto con el caucho en bruto se trituran por acción mecánica de cizalla rompiendo algunas de las largas cadenas poliméricas y reduce su peso molecular promedio. El caucho natural es principalmente el cis-1,4 poliisopreno mezclado con pequeñas cantidades de proteínas, lípidos, sales inorgánicas y otros numerosos componentes. El cis-1,4 poliisopreno es un polímero de cadena larga.
El prefijo cis- indica que el grupo metilo y el átomo de hidrógeno están en el mismo lado del doble enlace C=C. El 1,4 indica que las unidades químicas que se repiten de las cadena de polímero están enlazadas de forma covalente en el primero y en el cuarto átomo de C. Policloropreno El policloropreno se vende generalmente bajo el nombre comercial Neopreno. Fue el primer elastómero sintético que tuvo éxito a nivel comercial. Fue inventado por Arnold Collins, mientras trabajaba con Wallace Carothers, creador del nylon. El policloropreno se obtiene a partir del monómero cloropreno. 
El cloropreno tiene dos enlaces dobles, por lo que lo llamamos un dieno. El poli cloropreno tiene características similares a las de otros polímeros dieno, como el poli isopreno y el poli butadieno, excepto que el grupo metilo adjunto al doble enlace de carbono se sustituye por un átomo de cloro. La presencia de un átomo de cloro aumenta la resistencia de los dobles enlaces al ataque del oxigeno, ozono, calor, luz y el ambiente. El neopreno también tiene buena resistencia a los combustibles y al aceite siendo superior su resistencia respecto de los cauchos ordinarios. Sin embargo, tiene peor flexibilidad a bajas temperaturas y es más caro. El neopreno compacto se transforma en productos moldeados, perfiles extrusionados o láminas calentadas. Se utiliza para la fabricación de tuberías para transporte de líquidos, revestimiento de cables eléctricos, correas industriales, en cierres y diafragmas de automóviles, juntas rápidas para canalizaciones empotradas, como sustituto del plomo. El neopreno celular se transforma en productos esponjosos y espumas de caucho. Se usan para juntas de estanqueidad, materiales isolantes o aislantes acústicos, mastiques, gomas de espumas. Su flexibilidad también lo hace apto para diseñar fundas que se ajusten perfectamente al objeto a proteger. El neopreno líquido o en látex es una dispersión acuosa de caucho. Es el principal componente de muchos adhesivos (cola de neopreno usada para adherir tableros estratificados a base de madera natural o aglomerada, fáciles de extender, secan rápidamente, resisten la humedad y calor), pinturas, aislantes térmicos y eléctricos, etc. Estireno butadieno (SBR) El estireno butadieno, más conocido como caucho SRB es un copolímero (polímero formado por la polimerización de una mezcla de dos o más monómeros) del Estireno y del 1,3-Butadieno. Es el caucho sintético más utilizado a nivel mundial. Después de la polimerización, este material contiene de 20 a 23% de estireno. SRB 
Puesto que los monómeros de 1,3-Butadieno contienen dobles enlaces, el copolímero puede vulcanizarse con azufre por ligamento entrecruzado, aumentando la elasticidad del mismo. La presencia de estireno en el copolímero produce un caucho más duro y fuerte. El grupo lateral fenilo del estireno disperso a lo largo de la cadena principal del copolímero reduce la tendencia del polímero a cristalizar bajo grandes tensiones. El caucho SRB se usa principalmente para fabricar cubiertas de automóviles livianos, puro o mezclado con caucho natural. También se utiliza para fabricar correas, cintas transportadoras, suelas de zapatos. Diferencias entre el caucho SRB y el caucho natural
Cauchos de silicona La silicona constituye una familia de compuestos químicos que tienen muchas aplicaciones comunes. Utilizados a diario por cualquiera de nosotros sin siquiera darnos cuenta. La silicona es un compuesto sintético o inorgánico (es decir, no contienen átomos de carbono en su cadena principal) inodoro e incoloro, cuya base estructural es el elemento químico silicio, que se encuentra de forma natural en la arena, en el cuarzo y en las rocas, cuando se combina principalmente con oxígeno, carbono e hidrógeno, el silicio se transforma en silicona. El polímero de silicona tiene unidades estructurales repetitivas que contienen silicio y oxígeno. Cada silicio tiene dos grupos R unidos a la misma y éstos pueden ser átomos de hidrógeno o grupos orgánicos como metilo (CH3-), fenilo (C6H5-). Los enlaces entre un átomo de silicio y los dos átomos de oxígeno unidos, son altamente flexibles.
Al unirse la unidad básica a otras unidades básicas, forma moléculas complejas lineales con ramificaciones y los radicales R que se unen al silicio son de variada índole. El número de unidades puede llegar a moléculas gigantes de 1000 o más unidades entre sí variando sus propiedades físicas en cuanto a su viscosidad, dureza y resistencia. Los cauchos de silicona se usan para variadas aplicaciones, las que incluyen el sellado (retenes, o'rings), adhesivos, juntas, aislantes eléctricos, cables de encendido, cebadores de bujía, moldes, mangueras. También son usados en la industria textil, en las naves espaciales se utilizan para las piezas resistentes al calor. Son muy utilizadas en medicina para mangueras o drenaje de fluidos e implantes por su resistencia a desnaturalizarse y por sus propiedades hidrófobas. Tienen buena estabilidad y resistencia a condiciones extremas, además de tener un largo período de vida de almacenamiento. PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN CON PLÁSTICOS. Los productos plásticos se fabrican de diferente manera según la forma de la materia prima utilizada (en grano, polvos o resina). Normalmente se añaden otras sustancias que les proporcionan nuevas características, como la opacidad, el color o una mayor consistencia. Los métodos de fabricación varían según sean termoplásticos o termoestables. La mayoría de ellos se fabrican aprovechando la facilidad con que funden o se reblandecen. Entre los métodos más empleados están: MOLDEO POR INYECCIÓN Los gránulos se funden en el interior de un cilindro. La pasta formada es empujada por un émbolo o un tronillo para llenar el molde correspondiente a la pieza que se desea fabricar. Este molde consta de dos o más piezas que encajan una con otra formando un hueco con la forma de la pieza que queremos fabricar. Se hace circular agua fría por el interior del molde para reducir el tiempo de enfriamiento de la pieza moldeada y después de un rato se puede abrir el molde y sacar la pieza moldeada. A continuación podremos repetir el ciclo completo para formar otra pieza exactamente igual que la primera. Este tipo de moldeo fabrica productos con dimensiones muy exactas y un acabado de primera calidad. La producción es rápida y el proceso ocasiona muy pocos residuos. De esta forma se fabrican una gran variedad de productos, como cubos de basura de pedal, cubiertos y recipientes de cocina, carcasas de electrodomésticos, secadoras, aspiradoras, etc., cubos y barreños, juguetes, 
MOLDEO POR EXTRUSIÓN La pasta de gránulos fundidos es empujada por un tornillo y obligada a pasar por un troquel o molde de salida. Este procedimiento se emplea para fabricar piezas "largas", como tubos, rieles de cortinas, etc. Según va saliendo por el troquel el producto se deja enfriar en agua templada o con chorros de aire templado. Entonces la extrusión, sin llegar a enfriarse del todo, se corta en trozos, o se enrosca, dependiendo del producto.
MOLDEO POR SOPLADO Se usa como material base un tubo del material plástico extruído, y se insufla aire a presión en el tubo caliente. El tubo de plástico se habrá colocado en el interior de un molde con lo que al insuflar el aire el plástico se dilata y toma la forma del molde. Después bastará con abrir el molde y sacar el producto. El PVC, el polietileno y el polipropileno se moldean generalmente por soplado.
Una variante del moldeo por soplado es el MOLDEO POR VACÍO, que utiliza una lámina termoplástica caliente que se coloca sobre un molde. Se hace salir el aire que queda entre la lámina y el molde, con lo que la lámina se verá forzada a tomar la forma del molde. Después de un periodo de enfriamiento apropiado la pieza moldeada endurecida puede sacarse del molde. De este modo se fabrican hueveras, cubiteras de hielo y otros muchos envases de alimentos. El acrílico, el poliestireno y el PVC son materiales que se conforman por vacío. MOLDEO POR COMPRESIÓN En este proceso se emplean fuerzas enormes para comprimir una cantidad determinada de polímero dándole forma entre los moldes calientes. El polímero que se usa como materia base está en forma de polvo. Este tipo de moldeo por compresión se utiliza para los plásticos termoestables. El calor del molde inicia la reacción química conocida como degradación. Después de un periodo de tiempo corto, conocido como "tiempo de curado", la degradación ha concluido y podremos abrir el molde y sacar la pieza moldeada. Estas piezas tienen un acabado de primera calidad, y hay que rematar su fabricación quitándoles la rebaba que queda en la zona de unión de los dos moldes. De este modo se fabrican accesorios eléctricos como clavijas y enchufes, mangos de cazos y cubiertos, asientos de inodoros  Yüklə 66 Kb. Dostları ilə paylaş:
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