Diapositiva 1 - Universidad Politécnica de Madrid
Anuncio
Introducción a los procesos de transformación de materiales plásticos Contexto General Materiales Dr. Juan de Juanes Márquez Sevillano Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación ETSII-UPM. Universidad Politécnica de Madrid Diseño y Transformación de Plásticos ¿ Qué es un plástico ? Es un material orgánico constituido por macromoléculas, que se fabrica por vía sintética Monómero : molécula de partida a partir del cual se formael polímero Polímero : agrupación química formada por la repetición de moléculas Homopolímero : Polímero que se obtiene a partir de un solo monómero Copolímero : Polímero formado por dos o más monómeros Diseño y Transformación de Plásticos Denominación de los plásticos I CA CAB CP EP MF PA PAI PAN PB PBT PC PCTFE PDAP PE PEI PEK PEEK PES PET PF Acetato de celulosa Acetobutirato de celulosa Propionato de celulosa Epoxi Melamina-formaldehído Poliamida Poli(amidaimida) Poli(acrilonitrilo) Polibuteno-1 Poli(tereftalato de butileno) Policarbonato Poli(clorotrifluoretileno) Poli(ftalato de dialilo) Polietileno Poli(eterimida) Poli(etercetona) Poli(eteretercetona) Poli(etersulfona) Poli(tereftalato de etileno) Fenol-formaldehído Diseño y Transformación de Plásticos PI Poliimida PIB PMI PMMA PMP POM PP PPE PPS PS PSU PTFE PUR PVC PVDC PVF SI UF UP Poliisobutileno Poli(metacrilinmida) Poli(metacrilato de metilo) Poli(4-metil-1-penteno) Poli(óxido de metileno); poliformaldehído; poliacetal Polipropileno Poli(éter de fenileno) [antes: PPO=Poli(óxido fenileno)] Poli(sulfuro de fenileno) Poliestireno Polisulfona Poli(tetrafuloretileno) Poliuretano Poli(cloruro de venilo) Poli(cloruro de vinilideno) Poli(fluoruro de vinilo) Silicona Urea-formaldehído Poliéster insaturado Denominación de los plásticos II Letra Propiedad indicada Letra Propiedad indicada C Clorado N Normal, novolaca D Densidad P Plastificado E Espumado, espumable R Mayor, resol F Flexible, líquido U Ultra, sin plastificantes H Alto V Muy I Resistente al impacto W Peso L Lineal, bajo X Reticulado, reticulable M Masa, medio, molecular Diseño y Transformación de Plásticos Denominación de los plásticos III Ejemplos: PA6 Poliamida obtenida de ε-caprolactama PVC_U PVC sin plastificar. PVC_P PVC plastificado PS-HI Poliestireno alto impacto. PE-LLD Polietileno lineal de baja densidad Copolímeros A/MMA Acrilonitrilo/metacrilato de metilo (antes sólo AMMA) VC/E/MMA Cloruro de vinilo/etileno/&metacrilato de metilo Mezclas de polímeros (PBT+PC) Mezcla de polímeros de poli(tereftalato de butileno) y policarbonato. (PC+ABS) Mezcla de polímeros de policarbonato y acrilonitrilo/butadieno/estireno (PPE+S/B) Mezcla de polímeros de polifeniléter y poliestireno resistente al impacto en forma de copolímero de estireno y caucho de estireno/butadieno. Diseño y Transformación de Plásticos Síntesis de plásticos Polimerización El polímero se forma a través de monómeros, con la ayuda de catalizadores y se obtienen siempre termoplásticos PE, PP, PVC, PS, ABS, POM, PMMA Policondensación La formación de macromoléculas se lleva a cabo a partir de monómeros con dobles enlaces, se suele liberar H2O PA, PC, PET, PBT, PPO, PPS Poliadición La formación de macromoléculas se hace como en la Policondensación, pero en este caso no se liberan otros compuestos PUR Diseño y Transformación de Plásticos Clasificación. Proceso de polimerización Homopolímero: Formado por un tipo de monómero Copolímero: Formado por dos o más tipos de monómeros Terpolímero: Formado por tres tipos de monómeros SB Diseño y Transformación de Plásticos ABS Clasificación. Ordenación espacial (Tacticidad) Isotáctico: Radicales al mismo lado de la cadena Sindiotáctico: Radicales alternados a lo largo de la cadena Atáctico: Radicales situados aleatoriamente a lo largo de la cadena Diseño y Transformación de Plásticos Enlaces moleculares Enlace fuerte 300 a 500 kJ/mol Van der Waals <50 kJ/mol Tipo de enlace Enlace Enlace covalente C-C C=C C ≡C C-H C-N Fe Cu Ni Ti Enlace metálico Van Der Waals Diseño y Transformación de Plásticos Energia enlace KJ/mol 370 680 890 435 305 418 339 423 473 4-45 Clasificación. Estructura molecular Termoplásticos: Carecen de enlaces entre cadenas. Moldeables por calor, sin modificación química y de forma reversible Termoestables: Existen enlaces entre cadenas. Moldeables por calor, con modificación química y de forma irreversible Elastómeros: Gran densidad de enlaces entre cadenas. Moldeables por técnicas específicas de la industria del caucho Diseño y Transformación de Plásticos Clasificación. Cristalinidad Amorfos No existe ordenación intermolecular transparentes menor contracción temperatura de fusión poco definida baja resistencia química PVC, PS, SAN, ABS, ASA, PMMA, PC Cristalinos opacos o traslúcidos mayor contracción intervalo temperatura de fusión estrecho (3-4°C) mejor comportamiento deslizante PE, PP, POM, PA, PBT, PET, PPS Diseño y Transformación de Plásticos Clasificación. Aplicaciones Plásticos estándar (comodities): PE-LD, PE-HD, PP, PS, PVC Plásticos técnicos: PA, POM, PC, SAN, ABS, ASA, PMMA, PBT, PET Plásticos de altas prestaciones: LCP, PPS, PSU, PEK, PES, PTFE Diseño y Transformación de Plásticos Familias de plásticos I Poliolefinas: PE, PP PE, tapones, tubería, láminas, contenedores,cajas,garrafas, botellas,... PP, carcasas, cuba lavadora, cajas, mobiliario jardín, tapón bisagra, jeringuillas, maletas, fiambreras,... Polímeros de cloruro de vinilo: PVC-U, PVC-P PVC-U:codos, tubos, perfiles, láminas PVC-P: recubrimientos,cinta aislante, suelas zapato, guantes, muñecas,... Diseño y Transformación de Plásticos Familias de plásticos II Polímeros de estireno: PS, ABS, SAN, ASA PS, envases transparentes, cubiertos, juguetes, peines, estuches, bisutería,... SB, carcasas aparatos, radio, TV, video; revestimientos, nevera, tacones, láminas,... SAN, teléfonos, pulsadores, carcasa reflector, triángulo de aviso de estacionamiento ABS, relojes, pulsadores, botiquines, rejillas, cascos, ... Diseño y Transformación de Plásticos lámparas, Familias de plásticos III Polimetacrilato: PMMA cristales gafas, lupas, duchas, vajillas, paneles , luminosos, tapas, transparentes,... Poliamidas: PA encendedores, linternas, fibras, poleas, tacos pared, sedales,… Poliacetales: POM mecanismos, bolígrafos, clips, grifos, válvulas, engranajes,resortes, cremalleras,... Diseño y Transformación de Plásticos Familias de plásticos IV Poliésteres lineales: PBT, PET enchufes, conectores, portalámparas, suelas planchas, tiradores horno,... Policarbonatos: PC,.... CDs, carcasa faros auto, tapas luminarias, carcasa PC, mirillas, lunas, paneles aparatos,... Diseño y Transformación de Plásticos Ventajas de los plásticos I Ligereza (densidad menor que los metales) Flexibilidad (10 a 15 veces más flexibles) Material Módulo elástico E GPa Resistencia a la tracción Densidad ρ σr MPa g/cm3 E/ρ σr/ρ Metales Alumnio 71 600 2,71 26 221 Titanio 110 500 4,54 24 110 Acero al C 210 460 7,86 27 58 Nylon 30%GF 4 80 1,15 3 70 PBT 30%GF 8 100 1,52 6 70 Poliester 40%GF 32 800 1,74 18 460 Epoxi 40%GF 158 880 1,5 105 590 Plásticos Compuestos Diseño y Transformación de Plásticos Ventajas de los plásticos II Transformación rápida y económica 150 ºC -300 ºC frente a 800 ºC-1500 ºC Sin mecanizados o acabados posteriores Transparencia Superior a cristales minerales con menor peso, resistencia al impacto y libertad de diseño Estabilidad química Corrosión atmosférica Disoluciones salinas Ácidos y bases minerales Disolventes orgánicos Detergentes y tensoactivos Diseño y Transformación de Plásticos Ventajas de los plásticos III Capacidad aislante Frente al calor: un plástico conduce 1000 veces menos el calor que un metal Frente a la electricidad: La conductividad eléctrica de los plásticos es 1000 trillones inferior a la de los metales Reciclabilidad RECICLADO QUÍMICO RECICLADO MECÁNICO : regranulado Baja contaminación Diseño y Transformación de Plásticos Desventajas de los plásticos Estabilidad térmica Relajación de tensiones Estabilidad dimensional Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos para polímetros POLIMERO (polvo puro) ADITIVOS PLASTICO (granza elaborada) Diseño y Transformación de Plásticos Aditivo-Refuerzo-Carga ADITIVO: modifica diferentes propiedades REFUERZO: modifica propiedades mecánicas CARGA: reduce el coste del material NECESARIOS: permiten técnicamente la transformación del plástico OPTATIVOS: mejoran y modifican las propiedades del plástico Diseño y Transformación de Plásticos Tipos de aditivos Para PROCESADO ANTI-ENVEJECIMIENTO Modificadores propiedades MECANICAS Modificadores propiedades SUPERFICIALES Modificadores propiedades OPTICAS IGNIFUGANTES ESPUMANTES,... Diseño y Transformación de Plásticos Empleo de aditivos Dosificación correcta Dispersión homogénea Compatibilidad: evitar interacciones Efectividad - precio Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos Procesado ESTABILIZANTES ANTIOXIDANTES ( estabilizantes primarios). Efecto del O2 DESACTIVADORES DE PEROXIDOS ( estabilizantes secundarios). Efecto del calor LUBRICANTES INTERNOS: evita degradación por cizalla durante transformación EXTERNOS: mejoran el proceso de inyección por la disminución de la viscosidad y la adherencia Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos Anti-Envejecimiento ANTIOXIDANTES Evitan la oxidación- degradación de los polímeros, retardan el envejecimiento fenoles estéricamente impedidos, aminas aromáticas secundarias, tioéteres, fosfitos, ... ESTABILIZANTES UV Evitan la fotodegradación causada por la radiación ultravioleta (luz solar y luz artificial) pigmentos: negro de humo, TiO2,...,aminas retardadas (HALSHindered Amine Light Stabilizers), fenoles impedidos, fosfatos orgánicos, ... Se precisan concentraciones altas y la eficacia dependerá: • • • • Transparencia y color del material Espesor de la pieza Sensibilidad del polímero base Condiciones de exposición Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos para propiedades mecánicas I PLASTIFICANTES Mejoran la flexibilidad y procesabilidad, disminuyendo la Tª de fusión y el módulo elástico • PVC-P (plastificado): 20-50% plastificante • PVC-U (rígido): no plastificante ésteres ftálicos y fosfóricos, ésteres de ácidos grasos,.. REFUERZOS ( CARGAS ) minerales: talco, micas, carbonato,... orgánicas: fibras de vidrio y bolas de vidrio CARGAS aumentan: densidad, módulo elástico (rigidez), resist. Tracción, dureza CARGAS disminuyen: contracción, resistencia impacto, brillo Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos para propiedades mecánicas II Elastómeros Sustancias que mejoran significativamente la resistencia al impacto del material base caucho, EPDM, PUR, EVA, PE Propiedades superficiales ANTIESTATICOS • Sustancias que disminuyen la acumulación de cargas electrostáticas para evitar la adhesión de polvo • internos: migran a la superficie lentamente parte hidrófila - parte hidrofóbica • externos: se aplican sobre la superficie a partir de disoluciones acuosas o alcohólicas LUBRICANTES sólidos • Productos que reducen la fricción y el desgaste • bisulfuro de molibdeno, grafito, PTFE, PE – UHMW CONDUCTORES • Productos que forman caminos conductores que permiten incrementar la conductividad eléctrica • negro de humo, fibras de carbono, virutas metálicas Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos para propiedades ópticas COLORANTES Productos con pigmentos que aportan color • concentrados líquidos • concentrados sólidos base polimérica: masterbatch TiO2 - tonos blancos, negro de humo - tonos negros, pigmentos orgánicos (más brillantes, menos estables), pigmentos inorgánicos (Cd !!!) NUCLEANTES Sustancias que promueven la formación de núcleos de cristalización y reducen sus dimensiones benzoatos de Na, K, Li, arcillas, silica flúor, ... Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos Ignifugantes Sustancias que reducen y dificultan la combustibilidad de los plásticos COMPUESTOS HALOGENADOS y con P., mezclas HALOGENOS/Sb2O3, COMPUESTOS de Br. COMBUSTIBILIDAD: INCOMBUSTIBLES (PTFE) AUTOEXTINGUIBLES aditivados (PS, ABS, PA...) AUTOEXTINGUIBLES intrínsecos (PPS, PES) COMBUSTIBLES (PP, POM, PE,...) fácilmente COMBUSTIBLES (PS, PMMA,...) Diseño y Transformación de Plásticos Aditivos espumantes Sustancias que por reacción química, durante el proceso de fabricación y por la acción de la temperatura generan gases que generan materiales “celulares” ( se reduce la densidad) azodicarbonamida Diseño y Transformación de Plásticos Procesos de transformación de plásticos Extrusión Calandrado Inyección Soplado Termoconformado Rotomoldeado Compresión Micro-Inyección Micro-Compresión Diseño y Transformación de Plásticos Extrusión La extrusión es una técnica de fabricación para la obtención de productos lineales al hacer pasar mediante presión a través de una hilera un polímero fundido Los productos que se obtienen son: perfiles, tuberías, placas, láminas, cables, etc. Diseño y Transformación de Plásticos Extrusión-Goflado El goflado es un proceso para la obtención de película de plástico Diseño y Transformación de Plásticos Extrusión-Calandrado El calandrado es un proceso de fabricación para la obtención de placas y películas por laminación de una materia termoplástica fundida a través de varios cilindros Diseño y Transformación de Plásticos Inyección La inyección es un proceso discontinuo de producción de piezas complejas mediante la introducción por presión de un polímero fundido en el hueco de un molde Diseño y Transformación de Plásticos Soplado El soplado es una técnica de fabricación que obtiene piezas huecas a partir de la expansión de una preforma caliente en estado semirígida mediante la introducción de aire a presión Diseño y Transformación de Plásticos Termoconformado El termoconformado es un proceso de producción de piezas abiertas a partir de placas, hojas o películas calentadas hasta el estado semirígido y presionadas contra una matriz Diseño y Transformación de Plásticos Rotomoldeado El rotomoldeado es un proceso de fabricación para la obtención de piezas en el que se extiende el polímero fundido mediante un movimiento de giro de un molde Diseño y Transformación de Plásticos Compresión Los procesos de compresión son técnicas transformación que permiten obtener piezas a partir presionar un polímero entre dos matrices calientes Diseño y Transformación de Plásticos de de MicroInyección Proceso derivado de la Inyección para la fabricación de piezas con características microgeométricas Diseño y Transformación de Plásticos MicroCompresión (Hot-Embossing) Proceso para imprimir (nanoimprinting) en pequeñas láminas de plástico, características nanogeométricas Diseño y Transformación de Plásticos Comparativa de costes de fabricación Laminado Rotomoldeado sencillo Termoconformado Rotomoldeado complejo Soplado Inyección Mecanizado Diseño y Transformación de Plásticos Distribución mundial de la producción Diseño y Transformación de Plásticos Producción mundial de plásticos Diseño y Transformación de Plásticos Consumo mundial de plásticos Diseño y Transformación de Plásticos Consumo de plástico Diseño y Transformación de Plásticos Previsiones de consumo Diseño y Transformación de Plásticos Consumo per cápita Diseño y Transformación de Plásticos Mercado español 2,2% del PIB 4.000 empresas 85.000 trabajadores 4.700.000 tn de producción 105 kg/persona año de consumo 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Extrusión Diseño y Transformación de Plásticos Inyección Goflado Soplado Calandrado Resto procesos Campos de consumo Diseño y Transformación de Plásticos Agentes del mercado Transformadores Suministradores Polímeros Otras materias primas Propios Subcontratistas Moldistas Oficinas técnicas Diseño y Transformación de Plásticos Mercado productos de plástico Fabricantes de equipos Maquinas de transformación Equipos auxiliares Entidades de certificación
