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USACH
POLÍMEROS Y PLÁSTICOS
EN NUESTROS DÍAS
FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA
GRUPO POLÍMEROS
DEPARTAMENTO CIENCIAS DEL AMBIENTE
FACULTAD QUÍMICA Y BIOLOGÍA
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
SANTIAGO, CHILE
PROGRAMA EXPLORA-CONICYT
2 DE MAYO DEL 2006
Los polímeros poseen muchos atractivos: Primitivamente se andaba
descalzo o se protegía los pies con cuero de animales. El cuero es un
polímero natural ………
•Esta zapatilla posee
exteriores de cuero y también
nylon. La suela es de un caucho
rígido llamado caucho SBS.
Los mismos materiales
conforman estas botas de
paseo incluyendo las plantillas,
que son de espuma de
poliuretano
También los hay revestidos con PVC el
mismo plástico que suele encontrarse en
los techos vinílicos de los autos y
recubrimientos vinílicos.
Los cordones de los zapatos están
hechos a base de nylon y algodón. El
algodón es otro polímero natural:
celulosa.
“Calzado de pato” es excelente para
mantener sus pies secos en días de
lluvia. Está fabricado con caucho
natural, el poliisopreno
Los calcetines no se tendrían sin
polímeros como el algodón y materiales sintéticos como el poliéster y el
nylon. Y los que llevan una banda
elástica contienen otro polímero el
caucho natural..
Epoca Pre-Colombina. Coagulación del Latex – Pelota
L.H. Baekeland, 1909. Resinas Fenol-Formaldehido
Bakelita
Decada del 30: Ingleses, Polimerización de etileno
Alemanes, Desarrollo del poliestireno
W. Carothers (Dupont), Nylon
De la misma época, PVC
Decada del 50. G. Natta y K. Ziegler (premio Nobel 1963)
Cat.Ziegler-Natta. Estereoregularidad.
Tecnopolímeros, Polímeros de Ingeniería, Superpolímeros
CONTENIDO
POLIMEROS: Definiciones, conceptos,
Características
PLASTICOS: Procesamientos,
Aplicaciones
POLIMEROS
• Polímero: molécula muy grande, resultante
de millares de moléculas pequeñas, unidas
químicamente entre sí.
Macromolécula
gigante.
• Los términos macromolécula y polímero se
utilizan como sinónimos, sin embargo
polímero es la palabra más frecuentemente
utilizada en lo relacionado a los plásticos.
Describe mejor a las especies que presentan
muchas (poli) de una unidad (mero).
Polimerización
La reacción química por la cual se obtienen los polímeros se
denomina polimerización. Todas las polimerizaciones tienen un
detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que se van
uniendo entre sí para formar moléculas gigantes. Llamamos
monómeros a estas moléculas pequeñas que originan polímeros.
Se suele distinguir entre Polimerización por ADICION y por
CONDENSACION.
ADICION
A + A + A + A …….+ A = A-A-A-A-….A o -(A)nCONDENSACION :
n X-A-Y = X-A-A-A-A-Y + (n-1) XY
o
X-(A)n-Y + (n-1)XY
El etileno tiene dos átomos de carbono y cuatro de hidrógeno. La unidad
repetitiva del polietileno también tiene dos átomos de carbono y cuatro
de hidrógeno. No se gana ni se pierde.
Este átomo de cloro y este de hidrógeno no
entran en el polímero. Salen como HCl gas
COPOLIMERIZACION
La copolimerización consiste en la formación de
macromoléculas a partir de dos o más monómeros de
estructura química diferente. Esto conduce a la
obtención de una extensa gama de productos cuya
naturaleza va a depender de la naturaleza de los
monómeros, de su concentración relativa en la mezcla
reaccionante y de la secuencia en que se unan
durante el proceso de polimerización.
La copolimerización es importante para obtener
productos con determinadas características físicas,
útiles para aplicaciones específicas.
En los copolímeros según la ubicación de las unidades a lo
largo de la cadena se distinguen:
Copolímeros al azar o estadísticos:
A-B-B-A-B-A-A-A-……
Copolímeros alternados:
A-B-A-B-A-B-A-B-A-B……
Copolímeros en bloque:
A-A-….A-BBBBBB….BAAAAA…ABBBB…..
Copolímeros de injerto:
AAAAAAAAAAAAAA…….AAAA
BBBBBB
BBBBBB
CARACTERÍSTICAS, PROPIEDADES DE POLIMEROS
PROPIEDADES QUIMICAS
Similares a la de las moléculas pequeñas. Experimentan
las mismas reacciones aunque su velocidad de reacción
y eficiencia se ven influenciadas por el tamaño molecular.
NOMENCLATURA
Diversas formas para nombrarlos:
Fuente de preparación: Es la forma más simple y más
usada para nombrar alos polímeros. Poli(nombre del
monómero), Polietileno, Poli(óxido de etileno)
Poli(metacrilato de metilo)
Basada en Estructura: Se usa en los polímeros de
condensacióna partir de dos monómeros. Poli(estructura
química), Poli(hexametilen adipamida), Poli(etilen
tereftalato).
Nombres Comerciales: Nylon 6,6, Nylon 6, Teflon, otros.
PESO MOLECULAR
Los polímeros a diferencia de las
moléculas pequeñas no presentan un
peso molecular único, sino que el
polímero resultante es una mezcla de
polímeros de la misma naturaleza pero
de diversos de tamaño moleculares. Se
tiene un peso molecular promedio.
Mn  Mv  Mw.
Distribución de Pesos Moleculares, DPM, indica cuan
disperso, en cuanto a tamaño molecular, es un polímero.
ESTRUCTURA DE LAS CADENAS POLIMERO
Como resultado del mecanismo y proceso de
polimerización como también de la naturaleza
de los monómeros que generan el polímero,
las cadenas polímero pueden ser lineales,
ramificadas e incluso entrecruzadas.
Lineal
Ramificado (A)
Ramificado (B)
Ramificado (C)
Entrecruzado
ESTRUCTURA DE POLIMEROS
CRISTALINO, AMORFO
La
mayoría
de
los
polímeros
pueden
presentar
características tanto de sólidos cristalinos como
de
líquidos altamente viscosos.
Se usa los términos Cristalino y Amorfo que indican
regiones ordenadas y desordenadas.
La mayoría
de
los
polímeros
parcial o semi cristalinos.
son
con
carácter
POLIMERO CRISTALINO NO-ORIENTADO
POLIMERO CRISTALINO ORIENTADO
ESTEREOREGULARIDAD
Se utiliza la terminología de polímeros
atácticos, isotácticos y sindiotácticos para
indicar el ordenamiento, a lo largo de la
cadena polímero,
de los grupos laterales
presentes
unidad
polímero.
en
la
repetitiva
del
ESTEREOREGULARIDAD EN POLIMEROS
6,65 A
5,06 A
Veloc. Cristn.
Tg, (ºC)
Tm, (ºC)
PS Atáctico
PS isotáctico
1955
G. Natta
PS sindiotáctico
1985
N. Ishihara
Amorfo
Cristalino
Cristalino
-----100
------
Lenta
99
240
Rápida
100
270
TRANSICIONES TERMICAS EN POLIMEROS
Se distinguen dos tipos de temperatura de transición:
Tg y Tm
Temperatura de Transición Cristalina, Tm, corresponde
a fusión de la componente cristalina del polímero.
Temperatura de Transición vitrea, Tg, por debajo de
ella la porción amorfa del polímero adquiere las características del estado vitreo.
TERMOPLASTICOS, TERMOESTABLES
La terminología termoplástico y termoestable se
usa para indicar el comportamiento en cuanto a
temperatura de un material polimérico.
Termoplástico, para aquellos que se ablandan,
funde y fluyen por aplicación de presión y
temperatura. Se pueden moldear una y otra vez.
Termoestable, materiales infusible e insolubles,
pueden ser moldeados sólo una vez. Corresponden
a polímeros altamente entrecruzados.
APLICACIONES DE LOS POLIMEROS
La utilidad de un polímero como material
depende de sus propiedades y características.
En estas están involucrados:
tamaño molecular (PM),
grado de cristalinidad,
grado de entrecruzamiento,
temperaturas Tg y Tm.
Dependiendo de la combinación particular
de estos parámetros, un polímero se podrá
utilizar como:
FIBRA
PLASTICO RIGIDO
PLASTICO FLEXIBLE
ELASTOMERO
FIBRAS
Alta resistencia a la deformación, bajas elongaciones.
Polímeros altamente cristalinos con cadenas polares
que presentan fuerzas secundarias fuertes.
Se usa estiramiento mecánico para alcanzar alta
cristalinidad.
Con Tm  200ºC y  300ºC. Tg intermedio aprox. 50ºC.
PLASTICOS RIGIDOS
Alta rigidez y resistencia a la deformación.
Polímeros amorfos con grupos laterales
voluminosos o con alto grado de entrecruzamiento.
PLASTICOS FLEXIBLES
Grado de cristalinidad de moderado a alto,
amplia variedad para Tm y Tg.
ELASTOMEROS
Pueden experimentar fácilmente elongaciones
reversibles muy grandes.
Corresponden a polímeros amorfos, con Tg
baja, fuerzas secundarias bajas, y con un
cierto grado de entrecruzamiento.
Aplicaciones de Polímeros
Elastómeros
Plásticos
Poliisopreno
Poliisobutileno
Polibutadieno
Polietileno
Politetrafluoretileno
Poliestireno
Poli(metacrilato metilo)
fenol-formaldehido
urea-formaldehido
melamina-formaldehido
Fibras
Poli(cloruro vinilo)
Poliuretanos
Polysiloxanes
Poliamida
Poliéster
Polipropileno
SINTESIS, PREPARACION DE POLIMEROS
SINTESIS, PREPARACION DE COPOLIMEROS
MEZCLAS DE POLIMEROS/COPOLIMEROS
MEZCLA DE POLIMEROS
ALGUNOS COMPONENTES DE AUTOMOVILES
Limpiaparabrisas:
Poliisopreno
Parachoques,
ABS
Neumáticos: Rodaje: P(SBS),
Lateral: P(isopreno), Interior:
P(isobutileno), Refuerzo: Cuerda Kevlar, Nylon-6
Manguera: Polibutadieno
Bidon: Polietileno
Filtro de Aire:
Papel (celulosa)
Alfombra: Nylon
No hay mejor lugar para sumergirse en el mundo de los polímeros que un
negocio de piscinas e hidromasajes.
Pileta Natación: PVC
Antiparra: Poliisopreno, Polibutadieno
Cristales: Policarbonato
Salvavidas:
Espuma PS,
Cuerdas: Nylon
Bañera: Superficie, PMMA
Juguetes
Inflables:
PE, PVC
Balsa: PVC
Espuma PS
Redes: Nylon
Y en los deportes…
Pelota Basquet: Cuero,
Poliisobutileno
Pantalón ciclismo:
Cop en bloque: Spandex
Guante beisbol, cuero,
Algodón, Nylon, poliéster Raqueta tenis: marco
fibra carbono, cuerdas:
nylon
Pantalones: Poliéster
Pelota golf: Surlin,
Ionómero/elastómero
Producción Global de Plásticos
Produción en peso
(1970 = 100)
800
700
Plásticos
Crecimiento anual 1970-2004
Acero: 2% Aluminio: 3% Plásticos: 6%
600
500
400
Aluminio
300
200
Acero
100
0
70
72
74
76
Fuente: SPI, Milacron
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
00
02
04
Consumo Global de Plásticos
1990 – 86 M Ton
Europa
29%
5.7%
América del
Norte
25%
Europa
Sudeste Asia22%
tico 32%
América
del Norte
29%
Sudeste Asiatico 16%
Japón
12%
Europa
América Africa/Medio
Oriental
Oriente
Latina
6%
4%
4%
2003 – 176 M Ton
Europa
América
Japón
Oriental
Latina Africa/ 6%
4%
Medio
5%
Oriente
6%
fuente: VKE, Junio 2004
5.1%
2010 – 250 M Ton
América del
Norte
24%
Europa
19%
Sudeste Asiatico 36%
Europa América
Japón
Oriental Latina
Africa/
6%
4%
Medio
5%
Oriente
6%
Consumo de Plásticos en
Estados Unidos
Building &
Construction
24%
Other
13%
Electrical /
Electronic
6%
2ND Largest Market
Furniture
7%
Transportation
17%
Packaging
33%
Hoy en día:
• Los plásticos se han hecho una parte
integral de nuestras vidas, y de hecho
juegan un rol ireemplazable en las
actividades diarias
COMPOSICION
Polímero + Aditivos
Mezclado
“COMPOUND” Compuesto de Moldeo
“Pellets”, Gránulos de Moldeo
Transformación (Moldeo) Plásticos
• Técnicas de fabricación :
– Compresión
– Inyección
– Extrusión
– Soplado
– Maquinado
– Termoformado
– Moldeo Rotacional
Laminado
Resina
Refuerzo
Calor y presión parte superior e inferior del material
Plásticos Extruidos
Soplado
Polipropileno
Plásticos Termoformados
Plásticos: Moldeo Rotacional
Maquinado de Plásticos
Enormes Beneficios por los Plásticos
Los plásticos mejoran nuestra vida diaria y han hecho grandes
mejoras en areas como:
Empaque, frescura, estabilidad de almacenaje, protección de
bacteria.
Agricultura, invernaderos, en terreno, ductos de regadio, otros
Transporte, terrestre, marítimo, aereo, exploración espacial
Construcción, materiales varios, paneles, ductos, otros. Durabilidad,
estética, y alto “performance”
Protección personal, niños, atletas, trabajos riesgosos, policia,
bomberos, otros
Electrónica, información, comunicación, y entretenimiento
Medicina, ayudándonos a vivir más y más saludables
Reciclado y Reuso
EMPAQUE
AGRICULTURA
TRANSPORTE
PVC en Automóviles
Exterior
Interior
Tapicería, alfombras, paneles, consolas,
apoya brazos, protectores sol, protección
maletero
Otros
Recubrimiento superficie
exterior inferior, separador
platos batería, protección línea
combustible
Terminaciones externas, montaje ventanas/
vidrios, cubierta techo de convertibles,
protecciones parachoque, tapabarro
Cables eléctricos
Aislación de cables, tarugos
y fijación molduras
Corazón artificial
autosuficiente
Marcapasos
Venas y Arterias
Artificiales
Suturas Quirúrgicas
Piel Artificial
El Futuro de los Plásticos: Nanocompuestos
Nueva clase de materiales denominados “nanocompuestos” =
plásticos reforzados con fibras de carbono tamaño nano.
Perspectiva brillante para propiedades mejoradas y producción
económica de plásticos moldeados por inyección y por extrusión.
Posible comercialización a gran escala.
Ventajas: materiales de costo más bajos, libertad de diseño,
estabilidad dimensional y estética.
Propiedades totalmente nuevas respecto de los materiales
existentes.
 Nueva frontera para el desarrollo de la ciencia de los
materiales y procesadores de polímeros.
Uso de Nanofibras Carbono en Autos del Futuro
Beneficios: menor peso, mejor eficiencia de
combustible, reducción de precio
Sistema híbrido de
fuerza (poder):
bateria ion litio,
celda de combustible
Paneles: Reducción de peso
y costo, mejores resultados
térmicos
Soportes del motor:
reducción de vibraciones
Hoses y belts: menor
mantención
Pintura y terminación:
mejorado en pintura,
disminución de costo
Sellos: menor costo
reducción de ruido
Neumáticos: mayor tracción y
durabilidad, mejor rendimiento
Potenciales aplicaciones en muchas otras industrias y mercados: artefactos médicos,
electrónicos, materiales de construcción, artículos de uso doméstico, empaque,etc.
POLIMEROS CONDUCTORES
Polímeros conductores, polímeros orgánicos
conjugados a través de los cuales se pueden
mover los electrones de un terminal al otro.
Los más comunes son polianilina (PAni) y
polipirrol (PPY).
Películas ´´sandwich´´ polianilina/película
ion-conductora para material de músculos
de robots. El flujo de corriente hace que un
terminal se expanda y el otro se contraiga.
Resulta un “plegado” del ´´sandwich´´.
PAni
Película
ion-conductora
Energia eléctrica y química se transforma en
energía mecánica.
Materiales Sensibles: Elastómeros Dieléctricos
Los elastómeros dieléctricos (también llamados
polímeros electroconstrictivos) exhiben fuerza
mecánica al ser sometidos a un campo eléctrico. Su
capacidad de contracción es mayor que la de los
piezocerámicos (10-30% vs. 0.1-0.3%).
Polímero electroconstrictivo
Electrodo
Los más comunes son los basados en PMMA. Debido
a su fuerza electroconstrictiva, pueden colocarse
entre dos electrodos imitando la acción de músculos.
En un campo eléctrico, el elástomero se expende en
el plano de los electrodos, amplificando la compresión
normal debido a las cargas electrostáticas de los
electrodos. Resulta un músculo con mayor fuerza y
actuación.
Materiales Sensibles: Polímeros Geles
Los polímeros geles consisten en polímeros
entrecruzados inflados con un solvente como agua.
Tienen la propiedad de hincharse y encogerse
reversiblemente (hasta 1000 veces en volumen)
debido a pequeños cambios en su ambiente (pH,
temperatura, campo eléctrico).
Las microfibras gel se contraen en milisegundos,
mientras que los polímeros gruesos requieren de
minutos para reaccionar (hasta 2 horas o aún días).
Tienen alta fuerza (aproximadamente igual a la de
los músculos humanos).
Los más comunes son poli(alcohol vinílico), PVA, poli(ácido acrílico), PAA, y
poliacrilonitrilo, PAN. Muchas aplicaciones potenciales (ej.,músculos artificiales,
movimiento en robots, adsorvedores de químicos tóxicos), aunque actualmente
tienen poca difusión comercial.
Los plásticos son una fuente
alternativa de energía
• Después de su uso, los plásticos pueden tener otra
vida como fuente de combustible
Una tonelada de plásticos puede desplazar dos
toneladas de carbón y quemar sin emisiones de
SO2 (los plásticos no contienen azufre).
• Hay una oportunidad significante: tomar el fin de la
utilidad de los plásticos y usarlos como fuente de
energía.
• Esto provee una solución para los desperdicios y
accede a fuentes de energía.
Investigación en Polímeros en el País
Universidad de Chile
P. Universidad Católica de Chile
Universidad Tecnológica Metropolitana
Universidad de Santiago de Chile
Universidad de Concepción
Universidad del Bio Bio
Universidad Austral de Chile
Universidad Católica de Valparaiso