Materiales Polímeros
MATERIALES POLÍMEROS – 2012
Son los materiales de más reciente desarrollo, aunque algunos de ellos (los naturales) se conocen desde hace mucho tiempo, pero los artificiales son de reciente creación (no más de 200 años).
Los polímeros son compuestos de moléculas muy grandes formadas por cientos, miles y hasta millones de moléculas más pequeñas que se conectan entre sí, creando cadenas moleculares muy largas.
La palabra polímeros proviene de Poly = muchos y mero = partes.
La gran mayoría de los polímeros contienen al átomo de carbono (C), por lo que se les considera materiales Orgánicos y se estudian en la química Orgánica o “química del carbono”.
Muchos polímeros están presentes en los procesos vitales de todos los seres vivos, animales y vegetales, se les llama polímeros biológicos y se crean de forma natural.
Polímeros naturales son: Proteínas, ácidos nucleicos (ADN), polisacáridos, almidón, etc.
Los polímeros industriales o de ingeniería son productos sintéticos creados por procesos químicos, salvo el caucho natural (hule) que se obtiene del látex (savia) del árbol Heveas brasiliense, y la celulosa presente en las maderas, el algodón y la seda.
Históricamente se han desarrollado artificialmente polímeros tales como: la Ebonita o caucho duro usado en cajas de baterías eléctricas; el celuloide (nitrato de celulosa + alcanfor) que es un material que forma películas muy transparentes usadas en fotografías y películas cinematográficas.
La fibra de celulosa llamada rayón fue desarrollada en 1890; el celofán usado en envolturas se creó en 1910; la baquelita (polimerización del fenol + formaldehídos) fue el primer plástico sintético y es una resina termofija. En 1918 se descubrió el polímero Urea y en 1939 la melamina (usada en el enchape de placas aglomeradas); en 1927 se comercializó el cloruro de polivinilo (PVC) usado en recubrimientos, tubos y cañerías para fluidos.
Otros polímeros desarrollados son: el Poliestireno, el Polietileno (de baja y alta densidad). En 1930 la firma Du Pont (EE.UU.) creó el Nylon. En la década del 40 se desarrollaron el Teflón (fluorocarbono); las siliconas, los Poliuretanos; las resinas Epóxicas; las fibras de POLIÉSTER; el Propileno; el Policarbonato (1957). Los elastómeros termoplásticos aparecieron en la década del sesenta.
Clasificación de los Polímeros
Se dividen en: 1.- PLÁSTICOS y 2.- ELASTÓMEROS (Cauchos)
1.- Plásticos
Se agrupan en:
A.- Polímeros Termoplásticos (TP)
Son materiales sólidos a temperatura ambiente, pero cuando se calientan a temperaturas del orden de los 100°C se convierten en líquidos viscosos. Ello permite conformarlos fácil y económicamente para la fabricación de productos comerciales. Pueden someterse a varios ciclos de calentamiento y enfriamiento sin que se degraden significativamente.
Pertenecen a este grupo: el polietileno, el cloruro de polivinilo, el propileno, el poliestireno y el Nylon.
B.- Polímeros Termofijos (TS)
No toleran ciclos repetitivos de calentamientos y enfriamientos. Con un calentamiento inicial se ablandan y fluyen para moldearlos, pero la alta temperatura produce una reacción química que endurece al material y lo convierte en un sólido infusible. Si se recalienta se degrada por pirólisis sin ablandarse (arde sin llamas).
De este grupo son los plásticos: Fenólicos; los Epóxidos y algunos Poliéster.
2.- Elastómeros
Son los cauchos o hules. Son polímeros que tienen un gran alargamiento elástico cuando se solicitan con fuerzas relativamente bajas (alargan hasta 10 veces su longitud original).
Ejemplos son los cauchos o “gomas” naturales vulcanizadas y los cauchos sintéticos basados en el Neopreno.
Ventajas de los Materiales Polímeros
Los polímeros sintéticos en general superan crecientemente a las aplicaciones de los metales en volumen, y la razón técnica y comercial de ello se debe a las propiedades especiales de ellos, tales como:
Los polímeros se pueden moldear muy fácilmente en forma directa para lograr geometrías de diseño de simples a intrincados y con grados de terminaciones superficiales pulidas de tipo “final” que no requieren procesos posteriores. Ello reduce fuertemente sus costos de elaboración y favorece las producciones seriadas en grandes cantidades y de menores costos.
Para sus aplicaciones en ingeniería, en los casos donde las exigencias de grandes resistencias mecánicas no son determinantes, los polímeros poseen:
- Baja densidad respecto de los metales y cerámicos
- Buenas relaciones de resistencia en relación a sus pesos (No en todos los casos)
- Alta resistencia a la corrosión
- Baja conductividad térmica y eléctrica
- Requieren menos energía que los metales para su obtención y posteriores procesos
- Las temperaturas de trabajos en sus elaboraciones son muy menores que las de los metales
- Algunos plásticos son translúcidos y transparentes, lo que los hace competitivos con los vidrios (Ej. Las planchas de policarbonatos)
Limitaciones de los Polímeros
- Bajos valores de resistencias mecánicas en tenacidad y durezas respecto a metales y cerámicos (se rompen y rayan fácilmente)
- Bajo módulo de elasticidad o rigidez
- Las temperaturas de servicios son limitadas a sólo un poco más de 100°C, debido al ablandamiento de los (TP) y la degradación de los (TS)
- Algunos polímeros se degradan por efectos de la luz solar u otras radiaciones
- Algunos plásticos tienen propiedades viscoelásticas con una estructura vítrea amorfa
Estructura de los Polímeros
El carbono (C) es el elemento químico que está presente en casi todos los polímeros. El carbono forma con el hidrógeno (H) las moléculas de los llamados “hidrocarburos” (HC). Las moléculas de HC van desde un tamaño muy pequeño con pocos átomos de carbono hasta moléculas gigantes o macromoléculas con cientos y miles de átomos de C enlazados entre sí formando largas cadenas abiertas o ciclos cerrados de ellos.
La estructura de los polímeros se deriva en la mayoría de los casos de un hidrocarburo básico al cual se le adiciona o sustituye algunos de sus átomos componentes.
En la actualidad, la casi totalidad de los HC se extraen del PETRÓLEO crudo, por procesos de refinación.
Los Hidrocarburos (HC)
Se dividen en dos grandes grupos:
1.- HC de CADENAS ABIERTAS o Alifáticos (basados en el metano CH4), y
2.- HC CÍCLICOS O DE CADENAS CERRADAS (Aromáticos)
1.- Los HC de Cadena Abierta
Se subdividen en: ALCANOS, ALQUENOS Y ALQUINOS
Alcanos o Parafinas
Son HC saturados (Toda la capacidad de uniones del átomo de C está saturada con átomos de H). Todas las uniones del HC son de simple ligadura. Químicamente son inertes y estables. Este grupo se forma por la fórmula general (Cn-H(2n+2) con terminaciones “ANO”. Los primeros miembros del grupo son:
ETC.
Alquenos u Olefinas
Son HC insaturados por tener una doble ligadura entre dos átomos de carbono. Son reactivos químicamente. Obedecen a la fórmula (Cn-H(2n) con terminaciones “ENO”. No son productos naturales y se obtienen por destilación destructiva (cracking) del petróleo en las refinerías.
También existen en este grupo los “dienos” o moléculas con dos dobles ligaduras entre carbonos. Ej: BUTADIENO C4H6 y el ISOPRENO C5H8.
Alquinos
Estos HC se caracterizan por tener una triple ligadura entre dos átomos de carbono. Son muy activos químicamente. Obedecen a la fórmula (Cn-H(2n-2) con terminaciones “INO”. Ej:
ETINO C2H2 Es un gas combustible llamado ACETILENO que se obtiene de la mezcla del Carburo de calcio + agua y se emplea en las soldaduras oxiacetilénicas con sopletes (autógena).
Para la denominación y formulación de estos HC. Se usan las siguientes nomenclaturas que definen la cantidad de carbonos en la cadena de acuerdo a los siguientes prefijos:
Prefijo | Cant. Carbono |
Met | 1 |
Et | 2 |
Prop | 3 |
But | 4 |
Pent | 5 |
Hex | 6 |
Hept | 7 |
Oct | 8 |
Non | 9 |
Dec | 10 |
Undec | 11 |
Dodec | 12 |
Tridec | 13 |
|
|
|
Eicos | 20 |
Etc |
Los prefijos indicados en la Tabla. Se aplican a los tres tipos de HC de cadenas abiertas, agregando las terminaciones ANO , ENO; e INO respectivamente-
Cant. C | Prefijo | Serie (- ) | CnH2n+2 | Serie (–) | CnH2n | Serie (—) | CnH2n-2 |
Designa. | Formula | Designa. | Formula | Designa | Formula | ||
1 | Met | Metano | CH4 | Meteno |
| Metino |
|
2 | Et | Etano | C2 H6 | Eteno | C2 H4 | Etino | C2 H2 |
3 | Prop | C3 H8 | Propeno | C3 H4 | |||
4 | But | Butano | Buteno | Butino | |||
5 | Pent | Pentano | C5 H12 | Penteno | C5 H10 | Pentino | C5 H8 |
6 | Hex | Hexano | C6 H12 | Hexino | C6 H10 |
2.- HIDROCARBUROS CICLICOS.- Se nombran igual que los HC Alcanos, Alqueno y
Alquinos de igual numero de carbono pero anteponiendo el prefijo ciclo. Ej. Ciclobutano C4H8
Se dividen en NAFTENICOS y AROMATICOS.
El más simple de los HC cíclicos saturado o cicloalcanos es el CICLOPROPANO C3H6
Entre los HC cíclicos aromáticos están el BENCENO que esta formado por 6 atomos de C y 6 de Hidrógeno (C6H6), con tres dobles ligaduras, formando un hexagono.,
También están ; El TOLUENO, el ANTRACENO y, El naftaleno
HC. DE CADENAS LINEALES Y RAMIFICADAS
Los HC. De cadenas lineales abiertas pueden tener una o más ramificaciones laterales que se denominan Radicales los cuales se nombran en función de los carbonos que contienen agregando la terminación il.
Radical | Nombre |
(CH3)- | Metil |
(CH2 – CH3) – | Etil |
(CH2-CH2.CH3) – | Propil |
En las cadenas ramificadas debe indicarse el número de orden del carbono de la cadena principal al cual está ligado el Radical.
Ej: 6 5 4 3 2 1
CH3-CH2-CH2-CH2-CH-CH3 = Molécula de : 2 – metil Hexano
CH3 (radical)
REFINACION DEL PETRÓLEO NATURAL.
El petróleo natural se encuentra en yacimientos subterráneos de la corteza terrestre sub continental y/o sub marina. Y corresponde a sepultaciones de hace millones de años de fondos marinos ricos en algas, peces, y moluscos marítimos. Las grandes presiones y temperaturas de la corteza transformaron estas sustancias vivas a sus estructuras básicas de carbono e hidrógeno que dieron origen a la gran mezcla de hidrocarburos que forman hoy en día al petróleo.
El petróleo natural es un líquido viscoso y denso de color oscuro (más liviano que el agua de mar) formado por la mezcla de cientos y miles de moléculas diferentes de hidrocarburos que van de los que tienen muy pocos átomos de carbono (C) hasta las que tienen 300 o más átomos (macro moléculas).
Las combinaciones Q, entre el C y el H son casi ilimitadas y cada una de ellas da origen a una sustancia diferente con propiedades específicas y propias.
Los H-C del petróleo dan origen hoy en día a la totalidad de los polímeros artificiales creados por la ingeniería de materiales.
DESTILACION FRACCIONADA DEL PETRÓLEO
Es una operación que se realiza en las Plantas Refinadoras del petróleo y que tiene por objeto lograr la separación de los distintos tipos de HC existentes en el petróleo crudo . Es imposible la separación uno a uno de los miles de HC que lo forman, por ello, la destilación se hace por grupos o fracciones de HC afines para un mismo uso.
En sus fundamentos el proceso consiste primeramente en calentar el crudo a unos 400°C para producir su ebullición y vaporización y luego introducir estos vapores por la parte inferior de una torre de destilación. Los vapores ascienden a la parte superior de la torre (tope) pasando por una serie de bandejas colectoras y placas de condensación colocadas a distintas alturas en el interior de la torre. A medidas que los vapores suben se van enfriando y se condensan como líquidos (según sus temperaturas de ebullición) en las bandejas colectoras de donde son posteriormente extraídos.
Según se incrementa el número de átomos de carbono en un HC, su densidad, peso especifico y temperatura de ebullición se van incrementado.
La destilación se puede realizar a la presión atmosférica o al vacío. En el primer caso los HC se evaporan a sus temperaturas normales de ebullición y en el segundo caso, la menor presión sobre el líquido facilita su mayor cantidad de evaporización de HC livianos.
PRODUCTOS DE LA DESTILACIÓN
Por la parte superior (tope) de la torre se extraen en una primera fracción, HC livianos (con pocos átomos de C) en estado gaseoso (ej: Propano y Butano) los cuales posteriormente se licuan como GLP para usos domiciliarios.
EN las fracciones siguientes los HC se extraen en estados líquidos y por grupos similares de aplican para usos como:
- Solventes y alcoholes industriales
- Combustibles para motores de CI. (Bencinas para motores de explosión de automóviles)
- Parafinas líquidas para motores de aviación (jet) y quemadores de calefacción domiciliaria
- Petróleo Diesel para motores de combustión de camiones ,buses, trenes, etc
- Aceites lubricantes de uso industrial
- Fuell Oil combustible para calderas de plantas térmicas de electricidad
- Grasas lubricantes (semi sólidas), Ceras y parafinas sólidas .de uso industrial
- Breas y alquitranes usados en carreteras y pavimentos y para la impregnación de materiales contra humedad
- Pets o carbón sólido usado como combustible
En la parte baja e inferior de la torre se acumulan los HC más pesados (moléculas con más carbonos y estructuras más complejas con mayores temperaturas de ebullición y mayor densidad) De este grupo se extraen HC a los cuales se les aplica el proceso de “craking” que consiste en dividir estas grandes moléculas en dos o más de tamaño pequeño correspondientes a HC más livianos ( y de mayor demanda)