ESCUELA UNIVERSITARIA INDUSTRIAL Iñaki Fernández de Arangiz Javier Ponce Hidalgo Edelio Pordomingo de las Heras DE INGENIERIA Curso : 4º TÉCNICA INDICE 1- HISTORIA DEL PLÁSTICO 2- COMPOSICIÓN DE LOS PLÁSTICOS 3- DIFERENCIAS ENTRE PLÁSTICO Y POLÍMERO 4- CARACTERÍSTICAS Y CERÁMICAS 5- ABREVIATURAS PLÁSTICOS DE LOS PLÁSTICOS INTERNACIONALES DE VS. NOMBRES 6- CLASIFICACION 7- MATERIAS PRIMAS 8- PROCESOS GENERALES DE POLIMERIZACIÓN 9- PROPIEDADES Y APLICACIONES 10-PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN 11-USOS 12- ESTADÍSTICA 13- BIBLIOGRAFÍA METALES DE 1- HISTORIA DEL PLASTICO El desarrollo de una resina fenólica comercial en 1909 porBaekland fue el inicio de la industria de los plásticos sintéticos. Su descubri miento estimulo la búsqueda de otros plásticos y dio lugar a una industria que ha llegado a ser una de las diez mayores de EE.UU. El primer plástico de importancia comercial fue el nitrato de celulosa ( Celluoid ), que se descubrió a mediados del siglo XIX, y se empleo por primera vez por Hyatt, quien estaba buscando un susti tuto del marfil. El acetato de celulosa se desarrollo en 1984 como un materialme nos inflamable y se utilizo ampliamente como base para películas fotográficas y como barniz para el revestimiento de aviones duran te la Primera Guerra Mundial. Desde entonces la introducción de nuevos materiales poliméricos fue rápida. La Tabla I muestra la fecha del descubrimiento y/o introducción de los primeros plásticos: Plástico NITRATO DE CELULOSA ACETATO DE CELULOSA FENOL-FORMALDEHIDO ETERES DE CELULOSA VINILOS UREA-FORMALDEHIDO ACRILATOS FURANOS POLIESTIRENO POLIAMIDAS POLIESTERES POLIETILENO POLIPROPILENO FENOXI Año introduccion 1868 1894 1909 1912 1927 1929 1931 1934 1937 1938 1942 1943 1957 1962 2- COMPOSICIÓN DE LOS PLÁSTICOS Las materias primas básicas comunes de los plásticos son : b CARBON b COMPUESTOS PETROQUÍMICOS b ALGODÓN b MADERA b GAS b AIRE b SAL Y AGUA Los plásticos son adecuados para gran numero de aplicaciones por su fortaleza, resistencia al agua , excelente resistencia a la corrosion, facilidad de fabricación y notable gama de coloración . El uso de un plastico para una aplicación especifica depende de su composición , propiedades particulares y el diseño de la parte. Las resinas fenolicas son la principal fuente de plásticos , seguidas de cerca por los derivados de celulosa. Todos estos materiales plásticos de construcción tienen sus limitaciones , pero seleccionados debidamente se pueden emplear con el mismo grado de confianza que los metales o las aleaciones. 3- DIFERENCIAS ENTRE PLÁSTICO Y POLÍMERO Según lo anterior la diferencia entre plástico y polímero : POLÍMERO : Compuesto químico , natural o sintético , formado por reacción química en la que dos o mas moléculas se combinan para formar otra en la que se repiten unidades estructurales de las primitivas y su misma composición porcentual cuando estas son iguales. Esta trasformacion química consiste en que dos o mas moléculas de la misma especie se combinen para formar otro compuesto mas complejo. ( Ver figura ) PLASTICO : se trata de ciertos materiales sintéticos que pueden moldearse fácilmente y en cuya composición se encuentran principalmente derivados de la celulosa , protesínas y resina. 4 – CARACTERÍSTICAS DE PLÁSTICOS VS. METALES Y CERAMICOS ( TABLA II ) Característica Ventaja/Desventaja Bajo punto de fusión Fácil procesado/Inferior Tª uso Alta elongación Baja fragilidad/Mayor fluencia Baja densidad Mat. ligero/Baja resist. estruct. Baja conductividad térmica Buen aislante térmico/Baja tran calor Resistencia eléctrica Buen aislante eléctrico/No conduce electricidad Transparencia( algunos) Útiles como Mat. transparente/ Degradación por el sol Inflamables La basura se puede quemar/ Riesgo de fuego y humo tóxico 5-ABREVIATURAS INTERNACIONALES DE NOMBRES DE PLÁSTICOS Abreviaturas Nombre plástico : -CA -ACETATO DE CELULOSA -CPVC -POLI(CLORUR. DE VINILO) -MF -RESINA MELAMINA FORMAL. -PAN -POLIACRILONITRILO -PC -POLICARBONATO DE BISFENOL -PE -POLIETILENO -PF -PESINAS FENOL-FORMALDEHIDO -PIB -POLISOBUTILENO -PMMA -POLI(METIL METACRILATO) -PP -POLIPROPILENO -PS -POLIESTIRENO -PVC -POLI(CLORURO DE VINILO) -PUR -POLIURETANO -PVAC -POLI(VINIL ACETATO) -PVB -POLI(VINIL BUTIRAL) 6. CLASIFICACIÓN Los plásticos se dividen en termofijos, termoplásticos, solubles en aceite y productos proteinados. Basándose en su origen se pueden agrupar como resinas naturales, derivados de celulosa, productos proteínicos y resinas sintéticas. Las resinas sintéticas se forman por dos reacciones fundamentales diferentes - Polimerización por condensación (reacción de polimerización por etapas) Las resinas sintéticas son termofijas (curándolas con calor producen un producto insoluble). Los polímeros de condensación tienen una unidad que se repite, a la que le falta ciertos átomos presentes en el manómero original. La reacción tiene lugar mediante la combinación de dos o más unidades con la eliminación de una molécula pequeña como el agua, metanol o cloruro de hidrógeno. Las cadenas largas del polímero pueden reaccionar entre sí para formar un material “eslabonado en cruz”, más duro y más resistente que el polímero de cadena lateral. - Polímeros por adición (reacción de polimerización en cadena) Las resinas sintéticas son termoplásticas (el calor las suaviza y el frío las endurece). Intervienen una serie de conversiones que producen un polímero con una unidad estructural que de repite y es idéntica a la del manómero del que se forma. Otra variación en el producto final se logra polimerizando simultáneamente dos o más tipos de manómeros, regulando sus cantidades relativas y las condiciones de reacción e iniciadores, controlándose las propiedades del polímero final, pudiéndose obtener tres tipos de polímeros: Copolímero al azar M1M2M2M1M1M1M2 Copolímero alternante M1M2M1M2M1M2 Copolímero en bloque M1M1M1M1M2M2M2M2 Existe una gran variedad de plásticos de ingeniería. Cada uno tiene sus propiedades especiales, por lo que hay que tener mucho cuidado al escoger una resina para un empleo determinado. Tabla Tipos de resina Clasificación de resinas 7. MATERIAS PRIMAS • Productos químicos intermedios y monómeros Fenol 1.- Peroxidación de cumeno (isopropil benceno). El hidroperóxido de cumeno a partir de la conversión del cumeno, tiene propiedades explosivas y se descompone formando acetona y fenol en presencia de ácido sulfúrico. 2.- A partir de tolueno. Formaldehido 1.- A partir de una oxidación exotérmica y de una deshidrogenización endotérmica del metanol realizada a partir del calor proporcionado por la reacción oxidante. Hexametilentetramina 1.- Evaporación del producto de la reacción de formaldehido con amoniaco. Uso principal en la fabricación de resinas de fenol-formaldehido. Esteres vinílicos 1.- Adición de ácidos al acetileno. Deshidroclorinación 1.- El cloruro de vinilo se prepara por oxiclorinación (deshidroclorinación) de etileno con CuCl2 como catalizador. Causa de desarrollo de cáncer del hígado. Anhídrido ftálico 1.- Oxidación controlada de orto-xileno o naftaleno. El agua y el dióxido de carbono y otras muchas sustancias oxidadas de los subproductos de la oxidación principal, acompañan a aun cambio de energía grande y exotérmico. Se debe mantener la temperatura dentro de los límites favorables, eliminando gran cantidad de calor liberado para evitar que la oxidación controlada se convierta en combustión. El catalizador V2O5 más TiO2 sobre un soporte inerte, sirve para detener una explosión. Es una de las materias primas intermedias más importante de la industria de los plásticos. Metil acrilato y metacrilato 1.- Síntesis de Dow-Badische-Reppe. 2.- Reacción de cianuro de hidrógeno con acetona y tratamiento subsecuente con alcohol metílico. • Otras materias primas Productos naturales 1.- Celulosa, materia estructural del mundo vegetal, polímero compuesto por 50 a 100 unidades de disacárido de celulosa. 8. PROCESOS GENERALES DE POLIMERIZACIÓN 1.- Polimerización a granel - Los monómeros y el activador se mezclan en un reactor, calentándose o enfriándose según lo necesario. - Se debe eliminar el exceso de calor al ser reacciones exotérmicas. - Los polímeros solubles en sus monómeros líquidos causan incremento e n la viscosidad. - Los polímeros no solubles en el monómero se precipita tras iniciar la polimerización. 2.- Polimerización en solución. - Calor exotérmico demasiado grande para controlarlo. - Monómero e iniciador se disuelven en un disolvente no reactivo para reducir la velocidad de reacción y controlar la cantidad de calor desprendido. - Concentración de polímero bajo para evitar gran viscosidad y peso molecular medio. 3.- Polimerización en suspensión. - El monómero se suspende en agua mediante agitación y se agregan estabilizadores para estabilizar la suspensión y evitar que los glóbulos de monómeros se adhieran entre sí. - Cada glóbulo de monómero se polimeriza como una perla de alto peso molecular. 4.- Polimerización en emulsión. - El monómero se rompe en pequeñas gotitas que forman agregados (micelas). - El monómero está en la micela y el iniciador en el agua, el cual se difunde en la micela para iniciar el crecimiento del polímero. - Son reacciones muy rápidas y se realizan a temperaturas bajas, pudiéndose preparar polímeros de alto peso molecular. - La fase acuosa absorbe el calor desprendido. • Productos de polimerización por condensación Fenólicos Se pueden fabricar de casi cualquier compuesto fenólico y un aldehído, empleando un catalizador alcalino produciendo alcohol bencílico. El formaldehído adicional reacciona produciendo di y tri metilol fenoles, éstos se condensan y polimerizan entre sí rápidamente. El producto obtenido depende de la concentración y naturaleza química de los reaccionantes, la naturaleza y concentración del catalizador utilizado, la temperatura y el tiempo de reacción, así como de los agentes modificadores, cargas y extendedores. Estas resinas, de acuerdo con la naturaleza de la reacción, son de dos tipos: - Resinas de un paso: Todos los reactivos se cargan en las proporciones correctas y reaccionan entre sí. Se emplea un catalizador alcalino. La resina descargada es termoestable y necesita calentamiento hasta un estado insoluble. - Resinas de dos pasos: Sólo se carga parte del formaldehído necesario para la producción y se emplea un catalizador ácido. Son permanentemente fusibles o termoplásticos cuando se descargan, pero reaccionan con más formaldehído para producir una resina termoestable. • Las resinas de una y de dos pasos se utilizan, separadamente o en combinación en los materiales comerciales de moldeo. Los compuestos fenólicos para moldeo se moldean principalmente en moldes de compresión y transferencia. Los fenólicos fundidos difieren de los compuestos moldeables en que no requieren presión para que la sustancia fluya. El fenol y el formaldehído con un catalizador básico. Resinas amina Los condensados de urea-formaldehído y melamina-formaldehído son las resinas amina, comercialmente importantes. La reacción inicial de la urea (o la melamina) con formaldehído es una adición simple para producir compuestos de metilol: Se necesita un catalizador y control de temperatura debido a que la melamina no es soluble en agua o formalina a la temperatura ambiente Resinas poliéster Esteres complejos formados cuando un alcohol bifuncional reacciona con un ácido dibásico o un anhídrido. Una variedad especial de poliéster son los policarbonatos, en la que se sustituye un derivado de ácido carbónico por adípico, ftálico u otro ácido, y un bifenol se sustituye por los glicoles más convencionales. El proceso de fundición y el de fosfenación son los más importantes Resinas epóxicas Las resinas epóxicas más comunes se forman mediante la reacción de bisfenol A con epiclorhidrina. El bisfenol A se obtiene de fenol y acetona: Cualquier resina que contiene uno o más grupos epóxidos es una resina epóxi. Las resinas epóxicas se tienen que curar o enlazar en cruz, para dar una resina útil. Dependiendo del peso molecular, las resinas epóxicas pueden tener muchas aplicaciones, desde adhesivos hasta recubrimientos para latas y tambores. Tiene excelente resistencia química, poca contracción al curar, excelentes propiedades adhesivas y de aislamiento eléctrico. Poliamidas Los compuestos que contiene dos grupos anhídrido, reaccionan con aminas primarias o isocianatos para formar polímeros poliamídicos (lineales y estables). Polisulfonas Son resistentes a las temperaturas altas y ultraestables. Una preparación típica es la reacción de disodio bisfenol A con 4,4 diclorodifenilsulfona • Productos de polimerización por adición Poliolefinas - Polietileno: El polietileno de alta densidad (HDPE), producido por métodos de baja presión, se emplea principalmente para envases moldeados por soplado, artículos moldeados por inyección y tubería. El polietileno de baja densidad (LDPE), producido por métodos de alta presión, se utiliza generalmente para películas plásticas. Las diferencias estructurales entre polietileno de alta y baja densidad se encuentra en la estructura de la cadena polimérica. La cadena del polietileno de baja densidad está altamente ramificada con ramas de cadenas largas y cortas, y el material de alta densidad tiene muy pocas cadenas laterales. - Polipropileno: Se emplea para moldear por inyección juguetes, piezas para automóviles y utensilios, fibras y películas, y se fabrica por varios procedimientos parecidos a los utilizados para el polietileno. El catalizador básico, es tricloruro de titanio con cloruro de aluminio. Los dos procesos típicos son el de fase gaseosa y el de suspensión de polipropileno. Resinas vinílicas Las resinas polivinílicas son materiales sintéticos obtenidos de compuestos que tienen un grupo vinilo (-CH=CH2). El acetato polivinílico se puede preparar introduciendo una solución de benceno con acetato de vinilo que contenga el catalizador deseado a un tanque enchaquetado. La rama más grande de la familia de vinilo es el cloruro de polivinilo (PVC). La popularidad del PVC se debe a sus excelentes propiedades físicas, facilidad con que se puede formular para gran número de aplicaciones, la comodidad con que se procesa y su costo relativamente bajo. El monómero líquido se transforma en pequeños glóbulos agitándolo vigorosamente en agua que contiene un agente de suspensión. Un compuesto de PVC se puede hacer a la medida para lograr cualquier balance de propiedades deseada utilizando plastificantes, estabilizadores, lubricantes y cargas. Casi el 40% de la producción en Estados Unidos se emplea para la fabricación de tubería para construcción. Los copolímeros de cloruro de vinilo y de otros vinilos retienen la fortaleza y la resistencia química del PVC, pero son más flexibles. Las resinas de alcohol vinílico y resinas de vinilideno forman la agrupación de resinas vinílicas. Resinas y plásticos acrílicos Los ésteres metil, etil y butil de los ácidos acrílico y metacrílico se polimerizan bajo la influencia de calor, luz y peróxidos. La reacción de polimerización es exotérmica y se puede llevar a cabo a granel para moldeo por vaciado, o por emulsión o en solución. Los polímeros no son cristalinos y por tanto son muy claros. Debido a su excelente resistencia dieléctrica se emplean en muchas ocasiones como aisladores en líneas de alto voltaje y como abrazaderas de cables. Las emulsiones tienen muchas aplicaciones en acabados y pinturas. • Productos naturales Derivados de celulosa La celulosa es una cadena de unidades glucosídicas, estas cadenas elongadas y las reacciones del alcohol polihídrico celulósico son responsables por la formación de plásticos celulósicos resistentes y flexibles. Las propiedades dependen del grupo sustituyente, la cantidad de sustitución, el tipo de tratamiento y la cuantía de degradación se las cadenas largas y cortas. Derivados proteínicos El plástico suave sin curar se puede moldear, pero requiere endurecimiento en una solución de formaldehído y las secciones más delgadas se endurecen antes que las partes más gruesas, con lo que se generan esfuerzos internos que causan distorsiones severas. En la actualidad, los derivados de proteína se emplean mucho en colas, adhesivos y recubrimientos de papel. Tabla1 9. Propiedades y aplicaciones 10.-METODOS DE TRANSFORMACION Sobre todo los métodos de transformación más utilizados en la industria del plástico son los siguientes : -Moldeo por inyección Es el principal método de transformación de materiales termoplásticos , y también se usa para materiales termoestables. En el moldeo por inyección el material plástico se introduce en una tolva que alimenta a un cilindro caliente. Se aplica calor y presión hasta que el material se ablanda lo suficiente para que fluya. Usando un pistón se inyecta el fluido bajo presión en un molde metálico. Se mantiene el molde cerrado hasta que el material solidifica , entonces abrimos el molde y extraemos la pieza. -Moldeo por extrusión Se emplea para moldear materiales termoplásticos y obtener planchas , filmes , tubos , varillas , perfiles , filamentos y recubrimientos de alambre , cables y cuerdas. En este proceso , el material plástico se carga también en la tolva , desde donde alimenta a un cilindro caliente. En el interior del cilindro el material se funde y es transportado hasta una pequeña abertura que tendrá la forma deseada para el producto final. La pieza obtenida se enfría generalmente por agua o aire. -Moldeo por compresión y transferencia. Estos dos métodos se utilizan principalmente para materiales termoestables. El polvo de moldeo plástico se introduce directamente en las cavidades de moldeo abiertas. Se cierra el molde y al aplicarle calor y presión el material fluye adoptando la forma del molde y sufre un cambio químico. El moldeo de transferencia se diferencia con el de compresión ya que el plástico se calienta hasta un punto de plasticidad antes de que alcance el molde. Luego es trasladado al molde cerrado mediante un émbolo sumergido que opera hidráulicamente. 11.-USOS Y ECONOMIA La utilización de plásticos actualmente está totalmente extendida en prácticamente todos los campos de la industria y economía. En cuanto al conjunto del estado español se refiere , estos son los usos principales: -Agricultura Las principales aplicaciones del plástico en la agricultura son el acolchamiento de suelos , túneles de cultivo e invernaderos. *Acolchado de suelos: Consiste en cubrir total o parcialmente el terreno de cultivo con una lámina de plástico. El tipo de película más utilizado es la de polietileno lineal , junto con la de polietileno de baja densidad. Se utiliza sobre todo para el cultivo de algodón , y también para cultivos como el melón , sandía , fresón y espárragos. *Túneles de cultivo: Se emplea con la finalidad de obtener una mayor precocidad de cultivos como melones , sandías , calabacines , pimientos , berenjenas etc... El material plástico más utilizado es el polietileno de baja densidad , aunque también se utilicen el PVC y los copolímeros EVA. *Invernaderos: La mayoría está fabricada con polietileno de baja densidad , aunque también se utilizan los copolímeros EVA y el PVC. Se utilizan para el cultivo de fruts , verdura y flores. -Automovil En un automovil puede haber hasta 100 kg de plástico , como es el ejemplo del Seat Toledo , fabricado en España. El plástico dominante es el polipropileno , gracias a sus excelentes propiedades y su relación calidad/precio. Otro material muy utilizado es el poliuretano , con el que se fabrican los asientos moldeados , los volantes y los apoyacabezas entre otras cosas. También son utilizadas las poliamidas. -Construcción El PVC es el más utilizado en la industria de la construcción , siendo el 60 % de los plásticos utilizados PVC. El principal destino del PVC es la fabricación de tubos y sus accesorios. Otros materiales utilizados son el polietileno y los poliuretanos. -Envase y embalaje Dentro de a lo que envases se refiere , lo más destacable es el imparable aumento que ha protagonizado el PET respecto al resto de los plásticos , el PVC sobre todo. En cuanto a los embalajes , decir que en la fabricación de filme estirable el polietileno lineal es el gran dominador del mercado. Con este material se consiguen filmes con menores espesores y con mayores resistencias. -Electrodomésticos El poliestireno es el material plástico más utilizado seguido por los poliuretanos. La principal aplicación de ambos es la producción de frigoríficos y frío industrial. Otro material a tener en cuenta es el poliestireno que se emplea para la fabricación de carcasas de televisión. -Electricidad y electrónica. El material más utilizado en este sector es el PVC , utilizado para el recubrimiento de cables eléctricos. El PVC representa el 40 % de los plásticos utilizados en electricidad y electrónica. También se utilizan bastante los policarbonatos y las poliamidas. -Mobiliario Dentro de los plásticos , el 83 % de los utilizados son termoestables , y el 17 % termoplásticos. *Termoestables : Dentro de éstas , el principal material son las Colas de Urea , utilizadas como ligantes en la fabricación de tableros aglomerados. En la construcción de tableros decorativos de muebles de cocina y oficina , los materiales utilizados son la resina fenólica y la melamina. También destacar el empleo de los poliuretanos para la fabricación de colchones , cojines , tresillos y demás. *Termoplásticos: El principal material dentro de los termoplásticos es el polipropileno , utilizado para la fabricación de sillas y mesas de jardin y sillas de recintos deportivos. Otro material es el poliestireno , utilizado para la elaboración de manparas de ducha y baño. -Piezas industriales El polipropileno es el plástico mas utilizado en la producción de piezas industriales , con un 51 % del total. El poliéster es el segundo material plástico más empleado. -Menaje El polipropileno , gracias a su relación calidad/precio es el gran dominador del menaje de plástico. El 82 % del material plástico es polipropileno , y sigue aumentando año tras año. -Colas , adhesivos y pinturas Los plásticos más utilizados son los vinílicos , seguido de las resinas alcídicas. Dentro de la producción de adhesivos cabe destacar el uso de los copolímeros EVA. -Textil y calzado En aplicaciones textiles el polipropileno es el dominador del mercado , utilizándose para la obtención de filamentos y fibras para pañales y moquetas. También son utilizados el polietileno y los vinílicos , estos últimos como adhesivos. En cuanto al calzado , se ve un claro descenso del PVC y un aumento de los poliuretanos. -Juguetes , ocio Los plásticos más utilizados son , por este orden , el poliestireno , el polipropileno y el PVC.