Materiales polimericos y compuestos



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PRACTICA 2 .

MATERIALES POLIMERICOS Y COMPUESTOS
Alumno:
La palabra polímero significa "muchas partes". Un material sólido polimérico es aquel que contiene muchas partes o unidades enlazadas entre sí químicamente. Los plásticos son un grupo grande y variado de materiales sintéticos, cuya forma se obtiene por procesos de conformado o moldeado. La división de plásticos se puede hacer en dos grupos: termoplásticos y plásticos termoestables, dependiendo de cómo están enlazados químicamente. Los elastómeros o gomas experimentan deformación elástica al aplicar una fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar su forma original (totalmente o casi totalmente cuando cesa la fuerza.

Termoplásticos: para ser conformados requieren la aplicación de calor previo al enfriamiento que les confiere la forma definitiva. Pueden ser recalentados y reformados varias veces sin sufrir cambios significativos en sus propiedades. Muchos termoplásticos poseen una larga cadena principal de átomos de carbono unidos covalentemente, a veces existen átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre unidos por enlace covalente en la cadena molecular principal. A esta cadena también se pueden unir otros átomos o grupos de átomos unidos mediante enlace covalente.

Plásticos termoestables: se fabrican con una forma permanente y endurecidos por reacciones químicas no se pueden refundir ni almacenar, y se degradan o descomponen por calentamiento a temperatura elevada, por ello los plásticos termoestables no se pueden reciclar.

Elastómeros o cauchos: son materiales poliméricos cuyas dimensiones pueden variar mucho si son sometidos a esfuerzos, volviendo a sus dimensiones originales (o casi) cuando deja de actuar el esfuerzo deformante. Hay muchos tipos de materiales elastoméricos, los más importantes son: caucho natural, poliisopreno sintético, caucho de estireno-butadieno, cauchos de nitrilo, policloropreno y siliconas.


REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN

La mayor parte de termoplásticos se sintetizan por el proceso de polimerización en el que muchas pequeñas moléculas se enlazan covalentemente para constituir cadenas moleculares muy largas.

La polimerización en cadena que nos permite obtener por ejemplo un polímero lineal tal como el polietileno a partir de monómeros de etileno se puede dividir en tres etapas:


  1. iniciación

  2. propagación

  3. terminación

Existen métodos de polimerización, como la polimerización por etapas, en la cual los monómeros reaccionan químicamente unos con otros para producir polímeros lineales, las unidades monoméricas pueden reaccionar con cualquier otra o con productos poliméricos de cualquier tamaño. En muchas de estas reacciones tiene lugar la eliminación de una pequeña molécula de subproducto, y este tipo de reacciones se llaman a veces reacciones de polimerización por condensación. Un ejemplo de este tipo de reacciones es la que se produce entre la hexametilendiamina con ácido adípico para producir nylon 6,6 y agua como subproducto.

La polimerización reticular se realiza cuando se involucran un reactivo químico con más de dos lugares activos, de forma que es posible la formación de una red cristalina tridimensional. Este tipo de polimerización se presenta en el curado de plásticos termoestables como los fenoles, las epoxi y algunos poliésteres.


METODOS INDUSTRIALES DE POLIMERIZACION

Se utilizan muchos procesos diferentes y continuamente se desarrollan nuevos. Las materias primas básicas como el gas natural, el carbón y el petróleo son las que se utilizan para producir los productos químicos básicos en los procesos de polimerización. Estos productos son polimerizados por distintos procesos hasta materiales plásticos en forma de bolitas, polvos o líquidos, que son nuevamente procesados y convertidos en productos definitivos. Algunos de los métodos más importantes son:



  • polimerización en bloque

  • polimerización por solución

  • polimerización por suspensión

  • polimerización por emulsión

PROCESADO DE MATERIALES PLASTICOS

Se utilizan muchos procesos diferentes para transformar gránulos y pastillas de plástico en productos conformados como láminas, barras, secciones extruidas, tuberías o partes moldeadas acabadas. El proceso utilizado depende de si el plástico es un termoplástico o un termoestable. Normalmente los termoplásticos se calientan en condiciones suaves y se vuelven a conformar antes de enfriarlos. Los materiales termoestables al no estar completamente polimerizados cuando se alcanza la etapa de procesado para dar la forma final, necesitan de una reacción química que entrecruce las cadenas poliméricas para dar lugar a un material polimérico reticulado. El final de la polimerización se consigue por aplicación de presión y calor o por acción catalítica a temperatura ambiente o a temperaturas más altas.

Los procesos más importantes en la fabricación de materiales termoplásticos son:



  • moldeo por inyección

  • extrusión

  • moldeo por soplado y termoconformación

Como ejemplo de este tipo de materiales tenemos: el polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), polipropileno (PP), poliestireno (PS), acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), polimetilmetacrilato (PMMA), acetato de celulosa y materiales relacionados, politetrafluoroetileno (PTFE, teflón), policarbonato (PC)………

En los materiales termoestables:



  • moldeo por compresión

  • moldeo por transferencia

  • moldeo por inyección

Algunos ejemplos de termoestables son: fenólicos, resinas epoxi, poliésteres insaturados y amino resinas (ureas y melaminas).


MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos son una de las clases de materiales más importantes de materiales de ingeniería. Un material compuesto es una combinación de dos o más fases químicamente distintas e insolubles: sus propiedades y rendimiento estructural son a aquellas de los constituyentes.

Los plásticos poseen propiedades mecánicas que son generalmente inferiores a las de los metales y aleaciones, en particular la resistencia mecánica, la rigidez y la resistencia a termofluencia bajas. Estas propiedades se pueden mejorar incrustando refuerzos de varios tipos (como fibras de vidrio o grafito) a fin de producir plásticos reforzados. Los metales y los cerámicos también se pueden reforzar para obtener compuestos de matriz metálica o cerámica.

Los materiales compuestos han encontrado cada vez mayores aplicaciones en aeronaves, naves espaciales, estructuras en la plataforma continental, tuberías, electrónica, automóviles, embarcaciones y artículos deportivos.


ESTRUCTURA DE LOS PLÁSTICOS REFORZADOS

Los plásticos reforzados, llamados también compuestos de matriz polimérica y plásticos reforzados con fibra están constituidos de una matriz plástica (la fase continua) y fibras (la fase discontinua o dispersa). Las fibras más utilizadas son el vidrio, el grafito, las aramidas y el boro.


TIPOS Y CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS


MATERIAL

CARACTERÍSTICAS


Fibras





Vidrio

Alta resistencia, baja rigidez, densidad alta, costo más económico, los tipos de uso común son el E (aluminoborosilicato de calcio) y S (aluminosilicato de magnesio)


Grafito

Disponible de alto módulo o de resistencia elevada , coste bajo, menos denso que el vidrio


Boro

Resistencia y rigidez altas; tienen la máxima densidad, el costo más alto y llevan un filamento de tungsteno en la parte central.


Aramidas

La relación resistencia / peso es la más elevada , costo alto


Otras fibras

Nylon, carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de aluminio, mullita


Materiales de la matriz





Termoestables

Epóxico y poliéster, fenólicos, fluorocarbonos, poliestersulfona y poliimidas

Termoplásticos

PEEK, es más tenaz que los termoestables, pero con menor resistencia a temperatura.


Metales

Aluminio, aluminio-litio, magnesio y titanio; las fibras son de grafito, óxido de aluminio, carburo de silicio y boro


Cerámicos

Carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de aluminio y mullita; las fibras son cerámicas


EXPERIENCIA 1.RETICULACIÓN DE UNA RESINA TERMOESTABLE

OBJETIVO:


EQUIPOS:


MATERIALES:
PROCEDIMIENTO:


EXPERIENCIA 2. CONFORMADO DE UN POLÍMERO CON PRESIÓN Y CALOR

OBJETIVO:

EQUIPOS:

MATERIALES:


PROCEDIMIENTO:




EXPERIENCIA 3. LAMINADO DE UN MATERIAL COMPUESTO POLÍMERO-FIBRA DE VIDRIO
OBJETIVO: conocer procesos de conformado de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de vidrio

EQUIPOS: video, pantalla TV

MATERIALES:

PROCEDIMIENTO




EXPERIENCIA 4. ENSAYO DE FLEXIÓN A TRES PUNTOS
OBJETIVO: determinar módulo de elasticidad, deformación y resistencia de diferentes materiales poliméricos y laminados poliéster- fibra de vidrio en un ensayo de flexión a tres puntos

EQUIPOS: máquina universal de ensayos

MATERIALES: ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno)

poliéster laminado con fibra de vidrio

PROCEDIMIENTO: se cortan las probetas y se ensayan a flexión en la máquina universal de ensayos.

Se realiza el ensayo de flexión a tres puntos según norma DIN 53452

RESULTADOS:
Material 1:ABS


máximo

mm.


Fmáx.

(KN)


deformación

mm/mm


R

(Mpa)


Módulo (MPa)

Energía

(J)


6.457

0.1450

0.0572

69.49

2252

1.169

7.819

0.1423

0.0692

68.19

2387

1.473

7.405

0.1450

0.0656

69.49

2374

1.288

Material 2: laminado poliéster- fibra de vidrio




máximo

mm.


Fmáx.

(KN)


deformación

mm/mm


R

(Mpa)


Módulo (MPa)

Energía

(J)


15.61

0.037

0.0244

344.7

22360

0.6274

15.55

0.0405

0.0243

342.6

21910

0.5302

16.28

0.0402

0.0254

330.9

21490

0.7906






ABS-13*3.4*48 mm







POLIESTER-FIBRA VIDRIO

10*1*62 mm




Material 3:



máximo

mm.


Fmáx.

(KN)


deformación

mm/mm


R

(Mpa)


Módulo (MPa)

Energía

(J)
























































Material 4:



máximo

mm.


Fmáx.

(KN)


deformación

mm/mm


R

(Mpa)


Módulo (MPa)

Energía

(J)
























































EXPERIENCIA 5. ENSAYO CON EL PÉNDULO DE CHARPY

OBJETIVO:


EQUIPOS:

MATERIALES:


PROCEDIMIENTO:

RESULTADOS:


material






















sección






















energía






















resiliencia
























EXPERIENCIA 6. OBSERVACIÓN AL MICROSCOPIO DE MATERIALES COMPUESTOS
OBJETIVO: observación de la matriz y la disposición de las fibras en diferentes materiales compuestos laminados, así como los principales defectos que aparecen en los mismos

EQUIPOS: microscopio, cámara de video, pantalla TV

MATERIALES: probetas materialográficas

RESULTADOS:









EXPERIENCIA 7. OBSERVACIÓN DE MATERIALES DE REFUERZO
CUESTIONES PRÁCTICA 2


  1. Citar los diferentes tipos de refuerzos utilizados en materiales compuestos de matriz polimérica



  1. Significado del gramaje en las fibras de refuerzo



  1. Diferentes tejidos de refuerzo



  1. Principales defectos observados en los materiales compuestos

5. Diferencias entre termoplásticos y termoestables, citar ejemplos y aplicaciones de cada uno de ellos



6. Indicar de los materiales ensayados, cuál es más resistente a flexión y por qué






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