Parte 3: Materiales Poliméricos

La mayoría de los materiales poliméricos están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas. Estructuralmente, la mayoría no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de estos materiales varía ostensiblemente. La mayoría son malos conductores de la electricidad, por lo que se suelen utilizar como aislantes eléctricos. En general, tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o descomposición relativamente bajas.

1. Comportamiento Esfuerzo-Deformación

Los materiales poliméricos experimentan tres tipos distintos de comportamiento cuando se aplica un esfuerzo a tracción hasta la rotura:

• A) Polímero frágil: Deformación elástica y rotura.
• B) Comportamiento como los metales: Deformación elástica, fluencia, deformación plástica y rotura.
• C) Elastómeros: Grandes deformaciones elásticas producidas con pequeños esfuerzos y rotura.

En general, el módulo elástico y la resistencia a la tracción son muy inferiores a los de los metales, pero la ductilidad es muy superior (hasta 1000%). Con el incremento de temperatura, disminuyen el módulo elástico y la resistencia a la tracción, mientras que aumenta la ductilidad. A bajas temperaturas tienen comportamiento frágil. Cuanto menor sea la velocidad de deformación, más dúctil se comportan.

2. Fusión y Fenómeno de Transición Vítrea

Para su determinación, se representa el volumen específico (inverso de la densidad) frente a la temperatura. El comportamiento dependerá de si el polímero es cristalino, semicristalino o amorfo. Vamos a partir del polímero en estado líquido y lo vamos enfriando.

• Para un polímero cristalino, el comportamiento es como en los metales, hay un cambio brusco en el volumen específico a la temperatura de fusión (Tm).
• En los polímeros amorfos, cuando el líquido es enfriado, el volumen específico disminuye conforme desciende la temperatura, hasta alcanzar la temperatura de transición vítrea (Tg), a partir de la cual, la pendiente de la curva presenta una ligera disminución. Por debajo de Tg, se comporta como un sólido amorfo, y por encima de Tg primero como un sólido elástico y luego como un líquido viscoso.
• En los polímeros semicristalinos, el comportamiento es intermedio, tienen una temperatura de fusión y otra de transición vítrea.

3. Polímeros Termoplásticos y Termoestables

Los polímeros termoplásticos se ablandan al calentarse, pudiendo llegar a fundir, y se endurecen al enfriarse. Estos procesos son totalmente reversibles y pueden repetirse.

Los polímeros termoestables se endurecen al calentarse, debido a que se origina el entrecruzamiento covalente entre cadenas moleculares contiguas. No se ablandan al seguir calentando. Son polímeros más duros, resistentes y frágiles que los termoplásticos.

4. Tipos de Polímeros

4.1 Plásticos

Incluye la mayor cantidad de materiales poliméricos. Presentan una amplia variedad de combinación de propiedades. Algunos son muy duros y frágiles; otros son flexibles y presentan tanto elasticidad como plasticidad al estar sometidos a un esfuerzo, y a veces, experimentan gran deformación antes de la rotura. Pueden presentar cualquier grado de cristalinidad, y ser termoplásticos o termoestables. Ejemplos: polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo (PVC).

4.2 Elastómeros

Se caracterizan por una estructura molecular ligeramente entrecruzada. Por tanto, son materiales termoestables. El proceso de entrecruzamiento en los elastómeros se denomina vulcanización, y suele consistir en una reacción química a alta temperatura, en la que se añaden compuestos que forman enlaces entrecruzados entre los polímeros, con lo que aumenta el límite elástico del material, la resistencia a la tracción y al desgaste. Por ejemplo, el caucho sin vulcanizar es blando y pegajoso y tiene poca resistencia a la abrasión, añadiendo compuestos de azufre en la vulcanización, los átomos de azufre forman enlaces entrecruzados. Cuanto mayor sea la cantidad de azufre, más número de enlaces entrecruzados se forman, la dureza aumenta y disminuye la elasticidad.

4.3 Fibras

Son polímeros lineales, de alto peso molecular, cuya resistencia a la tracción aumenta con su grado de cristalinidad. Deben tener alto módulo elástico y resistencia a la abrasión. Por trefilado, se obtienen hilos con una relación longitud-diámetro de 100:1, además de aumentar su resistencia a la tracción, ya que las cadenas moleculares se orientan en la dirección de trefilado. La mayoría se utilizan en la industria textil, por lo que deben poseer propiedades como: estabilidad térmica y química, no inflamables y de fácil secado.

4.4 Recubrimientos

Se aplican a la superficie de los materiales para que desempeñe una o más de estas funciones:

• Proteger al material del ambiente, evitando la corrosión o degradación.
• Mejorar la apariencia.
• Proporcionar aislamiento eléctrico.

Se clasifican en: pinturas, barnices, esmaltes, lacas y goma-laca.

4.5 Adhesivos

Las fuerzas enlazantes, entre el adhesivo y las superficies adheridas, son de naturaleza electrolítica, similares a las fuerzas de enlaces secundarios entre las cadenas moleculares de los polímeros termoplásticos. Pueden ser materiales poliméricos termoplásticos, resinas termoestables, compuestos elastoméricos y adhesivos naturales (cola animal, caseína, almidón). Los polímeros orgánicos mantienen su resistencia mecánica a bajas temperaturas, y decrece rápidamente al aumentar la temperatura.

4.6 Películas

Para la fabricación de bolsas o empaquetar productos alimenticios u otras mercancías. Poseen baja densidad, alta flexibilidad, elevada resistencia a la tracción y torsión, resistencia al ataque por la humedad y otros reactivos, baja permeabilidad a algunos gases, especialmente al vapor de agua. Algunos polímeros que reúnen estas condiciones son: polietileno, celofán y acetato de celulosa.

4.7 Espumas

Los materiales termoplásticos y termoestables se pueden expandir dando lugar a sólidos muy porosos, en un proceso llamado espumación. Se consigue, introduciendo en el baño un agente que se descompone a elevada temperatura, generando un gas. Las burbujas se almacenan en la masa fundida y permanecen como poros al enfriar. Los polímeros más corrientemente expandidos son: polimetano, caucho, poliestireno y PVC.