PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS, CERAMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS

2.- Propiedades y aplicación de los materiales no metálicos, (cerámicos, polímeros, compositos)

PROPIEDADES FISICAS DE LOS POLIMEROS

Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.

La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas, debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material. La temperatura a la que funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que sea bastante superior a Tf.

Las propiedades físicas de los polímeros dependen de su estructura molecular.

Densidad, densidad relativa y densidad aparente

La densidad (simbolizada con la letra griega rho: ρ) es la masa (m) por unidad de volumen (V). La unidad del SI para la densidad es kilo¬gramos por metro cúbico, si bien habitualmente se expresa en gramos por centímetro cúbico.

ρ = m_

V

La densidad relativa se define como la relación entre las masas de un volumen determinado de material y de un volumen equivalente de agua a 23 ºC (densidad del agua 1 g / cm3). El resultado es adimensional, es decir, sin unidades.

Las propiedades físicas de los polímeros dependen de su estructura molecular.

Densidad, densidad relativa y densidad aparente

La densidad (simbolizada con la letra griega rho: ρ) es la masa (m) por unidad de volumen (V). La unidad del SI para la densidad es kilo¬gramos por metro cúbico, si bien habitualmente se expresa en gramos por centímetro cúbico.

ρ = m_

V

La densidad relativa se define como la relación entre las masas de un volumen determinado de material y de un volumen equivalente de agua a 23 ºC (densidad del agua 1 g / cm3). El resultado es adimensional, es decir, sin unidades.

Medición de densidad

La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos.

Instrumentos utilizados para medición de la densidad en sólidos:

Fluencia a la tracción

Cuando un contrapeso suspendido de una muestra de ensayo provoca un cambio en la for¬ma de la muestra durante un período de tiempo, la deformación se denomina fluencia. Si la fluencia se produce a temperatura ambiente, se denomina flujo en frío.

Los resultados de la prueba de fluencia a la tracción registran la deformación en milímetros.

La fluencia y el flujo en frío son propiedades muy importantes que se deben considerar cuando se diseñan recipientes, tuberías y vigas, en los que la carga es constante (presión o es¬fuerzo)

También existen viscosímetros rotacionales, que se basan en medir la resistencia de rotar de un cilindro sumergido en el fluido.

Debido a que los polímeros no son fluidos newtonianos debemos hablar de viscosidad relativa o intrínseca.

La viscosidad relativa, ηr, de una disolución se define como el cociente entre la viscosidad de la disolución, η, y la viscosidad del disolvente puro, η0, a la misma temperatura. Es una magnitud adimensional.

La viscosidad intrínseca, [η], de una disolución polimérica está definida por:

Donde Cp es la concentración de polímero en disolución, en unidades de g/dL.

La viscosidad intrínseca de una disolución polimérica está empíricamente relacionada con la masa molecular promedio del polímero mediante la ecuación:

Donde [η] viene dada en dL/g, Mv es el promedio viscoso de la masa molecular del polímero en g/mol, Mº = 1 g/mol, y K y a son parámetros que dependen del disolvente, de la temperatura y del tipo de polímero.

Contracción al moldeo

Como se ha expresado en Coeficiente de dilatación lineal, los materiales sufren una dilatación al calentarse y una contracción al enfriarse. Por lo que será útil conocer este índice para la confección de moldes de inyección o boquillas de extrusión debido a que deberán ser de mayor tamaño que el de la pieza que se desea obtener para que la misma se adapte a los requerimiento de dimensiones requeridos al solidificarse y enfriarse.

Las unidades utilizadas pueden ser mm / mm o también se pueden expresar en porcentajes.

Solubilidad

La solubilidad de un polímero varía en función de su estructura química y del peso molecular, siendo más fácilmente solubles las fracciones de bajo peso molecular. Por lo tanto no es extraño que durante un proceso de disolución se disuelvan las fracciones más ligeras del polímero, quedando insolubles las de alto peso molecular.

Resistencia a la inflamabilidad

Dependiendo de su composición los polímeros se comportan de forma distinta al aplicárseles una fuente de ignición. Pudiendo destacarse: facilidad de ignición, autoextinción de la llama, color de la llama, desprendimiento de algún olor, la presencia de humos, etc. Esta propiedad es muy útil conocer, por ejemplo, en los plásticos utilizados en recubrimiento de cables.

Propiedades eléctricas

Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como elPVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.

Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha generalizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial decargas eléctricas.

Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C).

Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.

Los polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún están siendo estudiadas.

PROPIEDADES TERMICAS DE LOS POLIMEROS

Al dejarse un balde u otro objeto de plástico a la intemperie durante el invierno se puede notar que se agrieta o rompe con mayor facilidad que durante 31 el verano; este fenómeno es conocido como transición vítrea. Esta transición es algo que sólo le ocurre a los polímeros, lo cual es una de las cosas que los hacen diferentes. Hay una cierta temperatura (distinta para cada polímero) llamada temperatura de transición vítrea, o Tg. Cuando el polímero es enfriado por debajo de esta temperatura, se vuelve rígido y quebradizo, igual que el vidrio. Algunos polímeros son empleados a temperaturas por encima de sus temperaturas de transición vítrea y otros por debajo. Los plásticos duros como el poliestireno y el polimetilmetacrilato, son usados por debajo de sus temperaturas de transición vítrea; es decir, en su estado vítreo. Sus Tg están muy por encima de la temperatura ambiente, ambas alrededor de los 100 °C. Los cauchos elastómeros como el poliisopreno y el poliisobutileno, son usados por encima de sus Tg, es decir, en su estado caucho, donde son blandos y flexibles. Este comportamiento puede ser entendido en término de los materiales vítreos, los cuales están formados

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