Cobre y sus aleaciones

Propiedades básicas

Número atómico = 29. 

Cristaliza con estructura cristalina FCC. 

Temperatura de fusión = 1084 °C. 

Densidad = 8.96 g/cm3

Importancia del Cobre:

• Alta Conductividad eléctrica y térmica. 
• Resistencia a la corrosión 
• Facilidad de fabricación 
• El Cu y las aleaciones de Cu pueden ser soldadas por varios métodos (gas, arco eléctrico, resistencia y brazing). 
• Propiedades controlables por deformación en frío y TT
• Variedad de colores (depende de los elementos de aleación) 

PRODUCCIÓN DE COBRE

Extracción de la materia prima Mena de Cu rentable cuando posee 0,7 a 2 % de Cu Hay menas de Cu sulfuradas y oxidadas.

Flotación

La flotación es un proceso físico-químico que permite la separación de los minerales sulfurados de cobre y otros elementos como el molibdeno, del resto de los minerales Desde el fondo de las celdas se hace burbujear aire y se mantiene la mezcla en constante agitación. Luego de varios ciclos, se recolecta y seca esta espuma para obtener el concentrado de cobre que continua su purificación en los procesos de fusión y refinado Se obtiene un concentrado de minerales sulfurados con aproximadamente 30 % de Cu.

Fusión 

El concentrado de cobre seco se funde para obtener cobre metálico y otros elementos. 

Metal blanco: corresponde a la parte más pesada del material fundido y que se encuentra en la parte baja del convertidor. Contiene un 70% a 75% de cobre. 

Escoria: es la parte más liviana del fundido, la cual se envía de vuelta al horno de reverbero o a hornos de limpieza de escoria para recuperar el cobre Fusión El hierro se concentra en la escoria. El azufre se evacua a través de chimeneas donde son captados en gran parte para producir ácido sulfúrico (H 2SO 4 ).

Electrorefinación.

Mediante la electrorefinación se transforman los ánodos producidos en el proceso de fundición a cátodos de cobre electrolítico de alta pureza.

Este proceso químico de electrólisis, permite refinar el cobre anódico (ánodo) mediante la aplicación de la corriente eléctrica, obteniéndose cátodos de cobre de alta pureza (99,99%). La electrólisis se realiza en celdas electrolíticas donde se colocan en forma alternada un ánodo (plancha de cobre obtenido de la fundición), y un cátodo, (plancha muy delgada de cobre puro), hasta completar 30 ánodos y 31 cátodos en cada celda.

La electrólisis consiste en hacer pasar corriente eléctrica por una solución acuosa de 3 a 4% de sulfato de cobre (SO4 -2 ) y 10 a 16% de ácido sulfúrico (electrolito).

El sulfato de cobre (CuSO4 ) se disuelve fácilmente en agua formando un electrolito, con cationes Cu+2 y aniones SO4 -2 y se mueven libremente en la solución. Si 2 electrodos de cobre se sumergen en la solución, el Cu+2 será atraído hacia el cátodo, cada ion Cu+2 captará electrones de ella y se convertirá en átomos de cobre neutro. 

Similarmente, los iones SO4 -2 se moverán hacia el ánodo donde ceden 2 electrones y se convierten en radical SO4 , pero como no puede existir en estado eléctrico neutro, reaccionará en el ánodo de cobre y se formará sulfato de cobre CuSO4.

Este proceso es continuo durante 20 días. El día 10, se extraen los cátodos y se reemplazan por otros y los ánodos se dejan 10 días más.

Los componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es bombeado y almacenado para extraerle oro, plata, selenio, platino y paladio.

Lixiviación en pilas

La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una solución de ácido sulfúrico y agua.

Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas.

Sistema de riego

A través del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se vierte lentamente una solución ácida de agua con ácido sulfúrico en la superficie de las pilas.

Esta solución se infiltra en la pila hasta su base. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas.

El riego de las pilas (lixiviación) se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente el cobre lixiviable.

El material restante o ripio es transportado mediante cintas a botaderos donde se reinicia un segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre.

¿Qué se obtiene del proceso de lixiviación?

De la lixiviación se obtiene una solución de sulfato de cobre (CUSO4 ) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (grpl), la cual es llevada a diversos estanques donde se limpia, eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a la planta de extracción por solvente. En esta etapa la solución que viene de las pilas de lixiviación, se libera de impurezas y se concentra su contenido de cobre, pasando de 9grpl a 45 grpl, mediante una extracción iónica.

CU Y ALEACIONES BASE CU

Las aleaciones base Cu se pueden clasificar de acuerdo a su elemento principal de aleación.

Aleaciones de alto Cu

Esencialmente el Cu comercialmente puro pertenece a este grupo con cantidades menores a 0.7% de impurezas. 

Son dúctiles y blandos Pueden contener cantidades pequeñas de berilio, cromo, cadmio, hierro, etc. Cu comercialmente puro: Normalmente se denominan como C10100 a C13000

Cu Fire-refined tough pitch: C12500 Se obtiene de ánodos de Cu desoxidado, O entre 0.02 y 0.04%. Material con alta ductilidad y excelente conductividad eléctrica.

Cu electrolítico “Tough-Pitch” (ETP, CDA110, ASTM B224, C11000)  99,9 %Cu y 0,02 a 0,05 %O Contiene la misma cantidad de O que el C12500 pero menos de 50 PPM de impurezas metálicas  Es el más económico de los tipos de Cu empleados industrialmente  Se producen alambres, placas, flejes y barras  Este nivel de O no produce inconvenientes, ya que algunas impurezas insolubles se combinarán como óxidos complejos en lugar de estar en solución solida en el metal.

 Puede ocurrir que a T>400 ºC , el ETP se desoxida por reducción de gases, especialmente los que poseen H: El H difunde y reacciona con Cu2O  se obtiene Cu desoxidado, vapor de agua y poros Fragilización por H (fractura intergranular, debido a las altas presiones del vapor de agua generado) Problemas de soldabilidad del ETP en este rango de Temp

Cu libre de oxígeno: Refusión de cátodos de Cu refinados electrolíticamente, bajo una atmósfera reductora de CO y N:

el O no entra en contacto con Cu  no presenta eutéctico interdendrítico Cu2O ni porosidad  no sufre fragilización por H a Temp. elevadas

Cu desoxidado (DLP) Desoxidado con P  convierte el O en P2O5 P <0,009%  no reduce la alta conductividad eléctrica.

Cu desoxidados de alto P (DHP, CDA122) P > 0,04%  menor conductividad eléctrica (85% IACS) El P evita la adsorción de O durante operaciones realizadas a altas temperatura. (trabajado en caliente, recocido, soldadura)

Aleaciones Cu-Zn (Latones)

Latones (Cu-Zn) contienen hasta 45 %Zn, dependiendo las propiedades del contenido de este elemento de aleación Latones   FCC, monofásicos, disuelve hasta 39 %Zn a 456 ºC. Latones   BCC, en el rango 468-456 ºC pasa de una estructura desordenada () a una ordenada (’) Latones +  bifásicos, con Zn<48% (aleación más utilizada 60Cu-40Zn). Si aparece fase , muy frágil y sin aplicación ingenieril 

Latones aleados

Múltiples agregados de Mn, Fe, Sn, Pb, Ni  mejoran las propiedades 

• Agregados de Mn, Fe y Al al Muntz metal (60/40)  “Bronce al manganeso” ( C86100, C86200, C86300, etc)  gran aumento de resistencia Agregado plomo a los latones , mejora la maquinabilidad, sin empeorar la resistencia y dureza pero sí la ductilidad y no se trabajan en frío. 
• Agregado de 1 %Sn al 70-30  “Almirantazgo”  mejora la resistencia a la corrosión en agua de mar (condensadores marinos) 
• Agregado de 2 %Al  óxido superficial duro (aplicaciones en las que circula agua de mar a elevada velocidad) 
• Agregado de 1 %Sn al Muntz metal  “Latón naval”  mejora la resistencia a la corrosión 

Corrosión de latones

Aleaciones Cu-Sn (Bronces)

Entre las aleaciones para colada, las más utilizadas son: 

• Bronce naval (C90300) Cu88, Sn8, Zn4, utilizado en cojinetes, aros de pistón, impulsores de bombas, sellos, engranajes, etc. 
• Bronce de cañones (C90500, SAE62) Cu88, Sn10, Zn2, utilizado en cuerpos de bombas, impulsores, válvulas y accesorios de vapor. 
• Bronces fosforosos (C90700, SAE 65) Cu89, Sn9, utilizado en engranajes, sin fin / corona, piezas sometidas a carga elevada a velocidad moderada. Si se agrega 1,5%Ni (C91700, SAE 65 plus Ni) mejoran mucho las propiedades mecánicas. 
• Bronce mecánico o colorado (C83600, SAE 40) Cu85, Sn5, Zn5, Pb5, utilizado bujes, cuerpos de bombas, piezas con cargas y velocidades normales, piezas corrientes coladas. 
• Los bronces antifricción (SAE 64, 66, 67) poseen cantidades elevadas de Pb, hasta 10%, se utilizan en cojinetes sometidos a mucha carga y velocidades moderadas con posible deficiencia en la lubricación

Aleaciones Cu-Al (Bronces al Aluminio)

Propiedades mecánicas:

Aleaciones Cu-Ni (Cuproníqueles)

Designación y clasificación del cobre y sus aleaciones

Comportamiento Mecanico de Materiales no metalicos - Ceramicos y Polimeros

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES NO METALICOS

Todos los polímeros tienen un espectro de comportamiento mecánico, en función de la temperatura. Entre -20 ºC y 200 ºC, un polímero puede pasar por varios estados mecánicos (que luego analizaremos en detalle) y sus propiedades (módulo y resistencia) pueden variar en el orden de 1000 o mas. Los metales y los cerámicos, también varían sus propiedades mecánicas con la temperatura, pero, como sus puntos de fusión son altos, la variación en las cercanías de la temperatura ambiente no reviste importancia. Por lo tanto se puede considerar la resistencia y la rigidez de los materiales metálicos y cerámicos aproximadamente constantes para el diseño a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, pero esta consideración no es posible con los materiales poliméricos. En realidad es más valioso establecer las propiedades para temperaturas normalizadas: T/Tg (para sólidos no cristalinos) o T/Tf (para sólidos cristalinos), ya que éstas últimas son las que realmente determinan el estado del material en cuanto a su comportamiento mecánico.

- Comportamiento mecánico de materiales cerámicos

 Tanto en los cerámicos cristalinos como en los que presentan estructura vítrea, la deformación elástica es normalmente pequeña debido a los fuertes enlaces involucrados. La deformación permanente en los cerámicos amorfos sólo se da por medio de procesos viscosos a muy altas temperaturas. Por otra parte, los cerámicos cristalinos son intrínsecamente duros, debido a que los enlaces iónicos y covalentes presentes en estos materiales confieren una resistencia de red enorme para el movimiento de las dislocaciones. Los cerámicos cristalinos covalentes presentan enlaces covalentes, que son direccionales y localizados, donde los electrones que forman el enlace están concentrados en la región entre los átomos unidos. Por lo tanto el movimiento de dislocaciones en este tipo materiales deberá producirse mediante la rotura de enlaces covalentes y la formación de otros. Sería como atravesar un bosque talando los árboles y replantando nuevos a medida que se avanza. 

La mayoría de los cerámicos iónicos son duros, aunque por una razón levemente distinta. El enlace iónico como el metálico es electroestático, donde la fuerza atractiva entre un ión sodio y un ión cloruro es simplemente proporcional a q2 /r, donde q es la carga de un e- y r es la separación entre iones. En la Figura 29, puede observarse que si el cristal se somete a un esfuerzo de corte según un plano a 45 grados, los iones positivos permanecen separados (no hay iones positivos que queden sobre otros iones positivos) y este tipo de deslizamiento es relativamente fácil. En cambio, cuando el esfuerzo de corte es horizontal se da que iones positivos queden sobre otros iones positivos y la repulsión electrostática es muy fuerte, y por lo tanto la resistencia de la red es alta. En un material policristalino son necesarios varios sistemas de deslizamiento, y en el caso de los cerámicos iónicos hay algunos que son duros o resistentes al deslizamiento. 

En general, la resistencia de la red de los cerámicos a temperatura ambiente es grande. El esfuerzo requerido para mover las dislocaciones involucra una gran fracción del módulo elástico: típicamente E/30, comparado con E/103 o menos para los metales blandos como el cobre y el plomo. Esto confiere a los cerámicos tensiones de fluencia del orden de 103MPa. Al ser tan elevadas, la única forma de medirlas es mediante ensayos de dureza. En el diseño con cerámicos no es necesario considerar el colapso plástico del componente: la fractura siempre se produce primero.

En la Figura 30 se muestra la alta dispersión en los valores de resistencia a la rotura de un material cerámico comparada con la de un material metálico. Si se examinan dos piezas de material cerámico, se verá que presentan distintas distribuciones de poros y por lo tanto tendrán distintas tensiones de rotura. Por esta razón se dice que los cerámicos presentan una variación estadística en la resistencia. Al ser materiales con una resistencia de red grande, son frágiles, y por lo tanto su resistencia a la fractura es muy baja. Si bien puede presentarse cierta plasticidad en la punta de una fisura en un material cerámico, ésta es muy limitada y entonces la energía absorbida es pequeña y la fractotenacidad es baja. En cambio en los metales, la plasticidad asociada a la punta de la fisura hace que sean tan tenaces, debido a que la energía es absorbida en la zona plástica, haciendo la propagación de la fisura mucho mas dificultosa. 

Por otra parte, el volumen o tamaño de pieza de material cerámico influye sobre la resistencia a la rotura. Una pieza grande tiene mas probabilidad de contener las fisuras mas largas, como se observa en la Figura 31, por lo tanto fallará, en promedio, a esfuerzos mas bajos que una pieza pequeña. 

Por la misma razón, una barra de material cerámico es mas resistente en flexión que en tracción simple. En tracción simple o uniaxial toda la muestra o la probeta soporta el esfuerzo de tracción, en cambio en flexión sólo una capa delgada cercana a la superficie soporta el esfuerzo de tracción máximo. Por esta razón el módulo de ruptura (o resistencia a la flexión: máximo esfuerzo en las fibras exteriores al momento de la rotura) es mayor que la resistencia a la tracción.

Comportamiento mecánico de materiales poliméricos

El módulo elástico de los polímeros, considerado como el coeficiente de proporcionalidad entre esfuerzo y deformación a un tiempo de prueba, permite evaluar su comportamiento con la temperatura.

•  Comportamiento vítreo: Bien por debajo de Tg las moléculas están rígidas. Cuando el material se carga en este estado se producen estiramientos de enlaces, produciéndose deformaciones elásticas que se recuperan (instantáneamente) cuando se quita la carga. Existen dos tipos de enlaces, los enlaces covalentes que forman la columna vertebral de las cadenas, y los débiles enlaces intermoleculares (Figura 34). El módulo de Young es un promedio de la rigidez dada por estos dos tipos de enlaces.
• Región de viscoelasticidad: A medida que la temperatura se eleva por encima de Tg, los enlaces secundarios comienzan a fundirse. Los segmentos de cadenas pueden deslizar unos con respecto a otros como si fueran trozos de resortes lubricados, y el módulo cae marcadamente. Para comprender el mecanismo de deformación en esta región es conveniente imaginarse que cada cadena está contenida dentro de un tubo formado por el entorno de las moléculas vecinas y cuando el polímero es cargado, pequeños trozos de las molécula se deslizan levemente dentro del tubo (reptación) y esto provoca una deformación viscosa (Figura 35). Pero igualmente existen zonas sin deslizamiento viscoso, que presentan sólo deformación elástica. Durante la descarga, estas regiones elásticas empujan al polímero para recuperar su forma original, pero lo deben hacer en contra de deslizamiento viscoso de las moléculas, razón por la cual la recuperación no es instantánea. Este comportamiento similar al del cuero es el que presentan el polietileno de baja densidad y el PVC plastificado a temperatura ambiente.  En un material viscoelástico, la recuperación que sigue a un período de deformación bajo esfuerzo constante, puede ser solo parcial, y queda una deformación residual permanente (Figura 36-a), o bien si las condiciones son apropiadas puede desaparecer casi por completo con el transcurso del tiempo (Figura 36-b). 
• Comportamiento gomoso: A medida que la temperatura sigue incrementándose uno esperaría que el polímero pudiera fluir cada vez con mayor facilidad, hasta comportarse como un líquido viscoso. Así lo hacen los polímeros lineales de cadenas relativamente cortas (DP<103 ), pero los polímeros con cadenas largas (DP>104 ) pasan primero por un estado gomoso. Las largas moléculas enmarañadas, debido a su longitud y flexibilidad, presentan puntos donde las moléculas se anudan.

Ceramicos

 MATERIALES CERAMICOS

Desafortunadamente, muchas personas, incluyendo los estudiantes, tienen la creencia que todas las cerámicas son materiales duros y frágiles, que se utilizan en forma exclusiva para fabricar vasijas, sanitarios y vajillas. A estos tipos de cerámicas se las conoce como cerámicas tradicionales y están formadas principalmente por vidrios de silicato, cementos y arcillas. Esta categoría tradicional de cerámicas aun hoy en día constituye la mayor parte de la industria de las cerámicas. Sin embargo, una combinación de desarrollos tecnológicos, como el descubrimiento de compuestos nuevos de cerámica con propiedades especiales, métodos nuevos y mejores para procesar y manufacturar cerámicas, junto con una demanda de motores mas eficientes y sistemas de temperaturas altas, han incentivado el desarrollo y la aplicación de materiales mas modernos de cerámica. A esta categoría de cerámicas se las conoce con frecuencia como las nuevas cerámicas y consisten principalmente en cerámicas puras y mezcladas con óxidos, además de compuestos de carburo, nitrógeno, boro y silicio. Aunque la producción de estas cerámicas de nueva generación no es tan grande como la de las tradicionales, sus aplicaciones están muy difundidas y son únicas. Por ejemplo, las cerámicas nuevas son una parte vital de las industrias de la electrónica y el magnetismo. También tienen mucha demanda en aplicaciones como las de los motores de temperaturas altas, en donde una consideración de las más importantes es una eficiencia más alta; el maquinado de aleaciones metálicas duras con velocidades altas de corte; combustibles de reactores nucleares; recubrimientos que deben poseer una resistencia alta a las altas temperaturas combinada con estabilidad química; además de numerosas aplicaciones ópticas: pantallas fluorescentes, láseres y películas iridiscentes. 

El número de materiales cerámicos es muy grande, y aunque sus propiedades varíen, todos presentan una característica común: son intrínsicamente frágiles, y esto es lo que determina la forma de usarlos.

La aplicación satisfactoria de los cerámicos depende mucho de la habilidad del ingeniero para desarrollar estructuras y componentes de manera de aprovechar las propiedades ventajosas de los cerámicos y minimizar el impacto de las características limitantes. Además, las propiedades que se logren en un material cerámico de una determinada composición dependen casi enteramente del procesamiento de la materia prima.

Estructura de los cerámicos

Los cerámicos tienen una estructura a escala atómica: su estructura cristalina (si son cristalinos), o su estructura amorfa (si son vítreos). También tienen una estructura a mayor escala: la forma y el arreglo de sus granos o fases, el tamaño y la fracción volumétrica de poros que contengan (la mayoría de los cerámicos son porosos).

Se puede hacer una distinción importante entre los cerámicos que presentan enlaces predominantemente iónicos y los que presentan enlaces predominantemente covalentes.

• Cerámicos iónicos 
•  Cerámicos covalentes

Formas de unión entre las unidades tetraédricas:

• Cadenas del tipo -Si-O-Si-O-Si-: donde dos oxígenos de cada tetraedro están compartidos (puente de oxígeno) y los otros oxígenos forman enlaces iónicos entre cadenas, unidos por MO (Figura 21). Estos últimos enlaces son mas débiles que los enlaces -Si-O-Si, y por lo tanto éste tipo de silicatos son fibrosos. Por ejemplo, el asbestos tiene esta estructura. 
• Estructuras laminares: la abundancia de unidades de tetraedros de silicio en un plano mas que en una línea, hace posible las estructuras de un grupo de materiales cerámicos como las arcillas, micas, talcos, etc (Figura 22). En la parte inferior cada oxígeno está totalmente satisfecho con un complemento de 8 e- disponibles, ya que tales oxígenos comparten e- con los silicios adyacentes; en consecuencia, sólo hay enlaces secundarios disponibles para unir cada lámina a las adyacentes. Las laminillas de mica, la plasticidad de la arcilla, y la característica lubricante del talco, son consecuencia de este acomodamiento estructural. 
• Estructuras en red: cuando los oxígenos de las cuatro esquinas del tetraedro SiO4 están compartidos, se forma una red de sílice. Esta disposición puede dar origen a estructuras cristalinas o amorfas

Temperatura de transición vítrea de los cerámicos

 Una de las propiedades características del vidrio es que no tiene una temperatura de solidificación, sino que a medida que se enfría se vuelve, gradualmente, más y más viscoso. El comportamiento frente a la solidificación de un vidrio es diferente al de un cristal. Si se analiza la variación del volumen específico (recíproco de densidad) en función de la temperatura para un material que solidifica cristalino y para uno que lo hace en forma amorfa (Figura 24), se observa que al enfriar el líquido del material que puede cristalizar, su volumen disminuye aumentando así su densidad. Este líquido cristalizará en su punto de fusión (Tf), con una disminución brusca de su volumen específico. La temperatura Tf permanece constante hasta que todo el líquido solidifica. Por el contrario, un líquido que forma un vidrio, no cristaliza y el líquido se vuelve más viscoso a medida que la temperatura va disminuyendo y se transforma desde un estado viscoso y blando a un estado vítreo y rígido en un margen reducido de temperatura, donde la pendiente de la curva del volumen específico frente a la temperatura es marcadamente decreciente. El punto de intersección de las dos pendientes de esta curva define un punto de transformación llamado temperatura de transición vítrea, Tg. 

Procesamiento de los materiales cerámicos

El vidrio, se presenta en estado líquido a temperaturas de aproximadamente 1000 ºC, y puede ser colado como un metal. A temperaturas mas bajas (alrededor de los 700 ºC) es muy viscoso, y puede ser conformado nuevamente con los métodos también utilizados para los metales: laminado, prensado y forjado.

Pero los cerámicos ingenieriles tienen altos puntos de fusión (en el entorno de los 2000ºC) lo que no posibilita la fusión y el moldeo por colada. No tienen la plasticidad que permita los procesos de conformado secundarios usados para los metales: forjado, laminado, maquinado, etc. Por lo tanto, la mayoría de éstos cerámicos son conformados mediante sinterizado. Los polvos o partículas cerámicas, son prensados y horneados, en distintas formas, para dar el producto final con la forma deseada y la mayor densidad posible (menor porosidad).

Los cerámicos vítreos son distintos. La arcilla, cuando se humedece, es hidroplástica: el agua se introduce entre las partículas de arcilla, lubricando el deslizamiento entre ellas, y permitiendo que la arcilla sea conformada a mano o con una simple máquina.

Utilización de los materiales cerámicos

Los cerámicos se seleccionan cuando los requerimientos son: resistencia mecánica a altas temperaturas, estabilidad térmica, dureza, resistencia química, propiedades eléctricas/ópticas/magnéticas y/o conductividad térmica. En particular, los cerámicos estructurales son usados cuando se requiere resistencia mecánica a alta temperatura, usualmente en el rango de 600 a 1600 C. A temperaturas inferiores a 600 C, los polímeros (en el rango de 22 a 300 C) y los metales/aleaciones (en el rango de 22 a 600 C) ofrecen la relación costo/comportamiento mas favorable. Aunque el procesamiento es determinante de las propiedades finales de la mayoría de los cerámicos, también es necesaria la selección de una apropiada composición química. Generalmente, los óxidos son menos costosos y más fáciles de procesar, mientras que los no-óxidos ofrecen propiedades mecánicas superiores y mayor estabilidad térmica.

 

 

 

Materiales no metalicos / Polimeros / Procesamiento de polimeros

 Procesamiento de los materiales poliméricos

Los materiales poliméricos se pueden presentar en las formas de gránulos, polvos o líquidos, los cuales, a su vez, son procesados para dar los productos terminados.

Los termoplásticos se ablandan cuando se calientan, permitiendo que puedan ser conformados por inyección, conformado en vacío, soplado y compresión. Los termorrígidos, como son materiales que consisten en una mezcla de dos componentes (una resina y un endurecedor), los cuales reaccionan y producen el endurecimiento del material, debido al entrecruzamiento de las cadenas de la resina o “prepolímero”, durante el proceso de “curado” o polimerización del material, son conformados y curados simultáneamente, usualmente mediante moldeo por compresión. 

Las gomas son conformadas como los termorrígidos, mezclando el elastómero y un agente vulcanizante y sometiéndolos a calor y presión en un molde.

Los polímeros pueden ser usados como recubrimientos superficiales. Para estas casos, los termoplásticos se aplican como una solución, luego el solvente se evapora dejando una capa protectora del polímero, en cambio los termorrígidos son aplicados como una mezcla fluida de resina y endurecedor, la cual debe ser mezclada justo antes de usarla, y cura casi al mismo tiempo que es aplicada.

Las fibras poliméricas se obtienen forzando el polímero fundido o una solución del mismo a través de unas finas boquillas. Las fibras así formadas son retorcidas y entramadas.

Los polímeros también pueden presentarse como espumas (polímeros expandidos), mezclando reactivos que liberen burbujas de CO2 dentro del polímero fundido o la resina curándose, o bien disolviendo otro gas.

Extrusión:

Es un proceso para producir formas continuas de sección constante, como tubos, barras, placas, cintas, etc. Los gránulos del termoplástico son alimentados dentro de un tornillo que gira dentro de paredes calefaccionadas. El tornillo compacta y mezcla el termoplástico hasta que, al alcanzar la zona más caliente al final del barril, se presenta en estado pastoso y es forzado a pasar por una matriz o boquilla, con la forma de la sección deseada, y luego es enfriado por debajo de la Tg para mantener la forma y estabilidad dimensional (Figura 11). El diámetro del vástago del tornillo varía pero los filetes siempre están prácticamente tocando el cilindro, y de ésta manera se logra un incremento de presión. Los esfuerzos de corte en el orificio orientan las moléculas en la dirección de extrusión e incrementan su resistencia. El proceso es tan rápido y económico que es muy utilizado (el 60% de los termoplásticos son conformados con esta técnica).

Moldeado por inyección:

Con esta técnica los gránulos del termoplástico son comprimidos y calentados en un tornillo, y cuando el termoplástico presenta la fluidez necesaria, es introducido dentro de un molde frío bajo presión (Figura 12). El termoplástico moldeado es enfriado por debajo de Tg, el molde luego se abre y se retira el producto (Figura 13). Las moléculas se orientan paralelas a la dirección de flujo durante la inyección, adquiriendo el material mayor resistencia en esa dirección, pero las propiedades son anisotrópicas. El proceso permite un moldeo de alta precisión porque el termoplástico se enfría con presión. Las temperaturas típicas de moldeo de termoplásticos están entre los 150ºC y 350ºC (1.3 a 1.6Tg) y las presiones por encima de los 120 MPa

Conformado por vacío

Una placa de material termoplástico (proveniente del proceso de extrusión) es ablandada con calor y presionada contra un molde por la presión atmosférica cuando se hace vacío entre la placa y el molde.

Conformado por soplado

Con esta técnica se hacen las botellas (Figura 15). Se calienta un tubo de material termoplástico y luego se expande con aire comprimido para darle la forma deseada.

Moldeado por compresión

Tanto los termoplásticos como los termorrígidos pueden ser moldeados con esta técnica. El material termoplástico o la mezcla de la resina y endurecedor, que generarán el material termorrígido, se calientan y comprimen entre los moldes (Figura 17). El método también es muy apropiado para el conformado de los compuestos de matriz termorrígida (por ejemplo, para obtener los paragolpes de los automóviles). Como los componentes de material termorrígido pueden removerse cuando aun están calientes, se acorta el ciclo de operación con respecto al proceso de inyección, Figura 16: Proceso de soplado de una botella de material termoplástico Figura 15: Obtención de botellas de material termoplástico mediante el proceso de soplado y además las presiones de operación son menores que para el caso de moldeo por inyección.

Aditivos de los materiales poliméricos

Existe una variedad de materiales que se pueden añadir a un polímero para obtener metas especiales, como resistencia a la oxidación, resistencia a la degradación térmica y resistencia a la luz ultravioleta. Se pueden añadir tintes para cambiar el color del producto, también se pueden añadir retardantes de flama para minimizar su flamabilidad y hacerlos autoextinguibles. Incluso se puede añadir grafito a ciertos polímeros para hacerlos eléctricamente conductores.

Estos aditivos son de varios tipos y en general entran en una de las categorías siguientes: * Rellenos: Son partículas finas o fibras que se añaden a los polímeros para modificar las propiedades mecánicas del material. En algunos casos, la función del relleno es proporcionar cuerpo y disminuir la cantidad de polímero en el producto. Por ejemplo, con el agregado de negro de humo a la goma, que se utiliza en la fabricación de neumáticos, se logra incrementar tenacidad y resistencia al desgaste y disminuir costos. Otros rellenos, como el óxido de zinc y el óxido de titanio, se usan como pigmentos para impartir color al polímero básico. Los rellenos también pueden impartir características especiales a un polímero, como por ejemplo incremento de la resistencia al calor o a la fricción. Por ejemplo, la adición de polvos metálicos a las resinas fenólicas en la manufactura de las zapatas de los frenos. 

*Plastificantes: Se añaden a los termoplásticos para incrementar su flexibilidad y reducir su fragilidad. En general son materiales que se pueden clasificar como líquidos de pesos moleculares altos y baja presión de vapor, para evitar que se evaporen excesivamente de la aleación polimérica. Su efecto es incrementar la distancia entre las cadenas adyacentes y reducir los efectos de las fuerzas intermoleculares y la tendencia a la cristalización, con lo que se facilita la movilidad relativa de las moléculas del polímero y se obtiene una disminución de la Tg. Los plastificantes vuelven al polímero mas flexible, pero también producen una disminución en la resistencia. Por esta razón, el agregado de plastificantes debe ser moderado. 

 

Materiales No Metalicos / Polimeros / Plasticos y Elastomeros

MATERIALES POLIMERICOS

Los polímeros son materiales ingenieriles importantes por varias razones. Tienen un amplio rango de propiedades, y en la mayoría de los casos son relativamente de bajo costo. El uso de los polímeros en diseños mecánicos ofrece varias ventajas como, eliminación de operaciones de acabado, simplificación en los ensamblajes, ahorro en peso, reducción de ruidos, y en algunos casos la eliminación de ciertas partes.

Los polímeros son menos rígidos, menos fuertes y menos tenaces que la mayoría de los metales. El diseño con polímeros requiere especial cuidado debido a que el comportamiento mecánico de estos materiales es muy dependiente de la temperatura y de la velocidad de aplicación de carga. Muchos polímeros contienen aditivos, plastificantes, rellenos, colorantes, los cuales cambian las propiedades mecánicas. El productor especifica el polímero que vende, pero raramente especifica los aditivos. Por lo tanto es esencial que tanto el polímero como sus fuentes sean identificados y se utilicen los datos especificados por el fabricante para los cálculos de diseño. 

• Plasticos
• Termoplasticos: La mayoría de los termoplásticos consisten en largas cadenas de átomos de carbono unidos covalentemente. También pueden presentar ramificaciones, constituidas por grupos de átomos laterales, covalentemente unidas a las cadenas principales. Entre éstas largas cadenas principales se establecen enlaces de tipo secundario. Requieren la entrega de calor para darles forma y luego de enfriados mantienen esa forma. Estos materiales pueden ser recalentados y conformados nuevamente, sufriendo, en cada proceso térmico, cierto grado de deterioro en sus propiedades.
• Termoestables o termorrigidos: Estos materiales consisten en una mezcla de dos componentes (una resina y un endurecedor) los cuales reaccionan y producen el endurecimiento del material, debido al entrecruzamiento de las cadenas de la resina o “prepolímero”. Este entrecruzamiento presenta fuerzas intermoleculares fuertes y da origen a un polímero amorfo con una estructura de red tridimensional . Por lo tanto el proceso final de entrecruzamiento se denomina “curado” o polimerización del material, y partir de éste estado el material no puede moldearse nuevamente. Cuando se los calienta a temperaturas muy elevadas, pueden degradarse o descomponerse. Por esta razón los plásticos termorrígidos o termoestables no pueden ser reciclados.
• Elastomeros o gomas; Los elastómeros o gomas presentan la característica de deformarse elásticamente con deformaciones superiores al 100% y luego recuperar su longitud inicial cuando se quita la carga. Sus cadenas moleculares se encuentran unidas por muy pocas (y muy distanciadas) uniones de tipo primario y las uniones secundarias no están presentes a temperatura ambiente.

Estructura de los polímeros

La palabra polímero significa literalmente "muchas partes". La molécula de polímero se construye a partir de unidades moleculares menores: los monómeros, que se repiten cientos o miles de veces en una estructura en cadena. Los monómeros que forman las cadenas lineales tienen dos enlaces activos (son bifuncionales). Los monómeros con tres o mas sitios activos (monómeros polifuncionales) forman redes: ellos son la base de los polímeros termorrígidos o resinas.

Termoplásticos

El polietileno es el mas común de los termoplásticos. En la Figura 2 se presenta un esquema bidimensional de la estructura en cadena del polietileno. Las líneas rectas entre C y C, y entre C y H, representan enlaces fuertes covalentes. Entre las secciones vecinas de las largas cadenas moleculares sólo existen enlaces débiles o secundarios. 

La elección de los monómeros y el modo en que éstos se ensamblan definen las propiedades del material resultante.

Obteniéndose el grupo de los plásticos vinílicos. R es un radical o grupo de átomos, R=Cl da el cloruro polivinílico (PVC); R=CH3 da el polipropileno; R=C6H5 da el poliestireno.

El radical confiere asimetría a la unidad del monómero, y hay mas de una manera en la cual la unidad puede presentarse en la cadena. En la Figura 3 se muestran los tres arreglos posibles. Si todos los grupos laterales están del mismo lado, la molécula se llama isotáctica. Si están alternados de un forma regular se llama sindiotáctica. Y si están alternados al azar se llama atáctica. Esto es importante, ya que la tacticidad influye en las propiedades. En las moléculas regulares se puede producir un acople entre las cadenas moleculares y se pueden presentar regiones con orden cristalino, en un empaquetamiento denso y regular, como se muestra en la Figura 4. En cambio las moléculas irregulares, atácticas, no lo pueden lograr y están forzadas a presentarse en un arreglo no cristalino de baja densidad. 

Por otra parte, si el grupo es pequeño, y las cadenas son lineales, el polímero también puede cristalizar parcialmente. Este carácter parcialmente cristalino, lleva consigo un aumento de la densidad y rigidez del material, así como su resistencia a los disolventes y a la temperatura. Sin embargo, si el grupo lateral es grande y está distribuido al azar a lo largo de las cadenas (atáctico), se produce invariablemente una estructura no cristalina 

Otro grupo simple de polímeros lineales es el grupo de vinildienos, que se construyen a partir de la unidad:

El polimetilmetacrilato (PMMA, Perspex®, Plexiglas® ) es uno de ellos y los radicales son -CH3 y -COOCH3. En este tipo de termoplásticos, las dificultades para lograr un arreglo regular se incrementan y la mayoría de estos polímeros son amorfos. En los polímeros termoplásticos, se presentan dos dificultades estructurales que se oponen a la cristalización. Una es la longitud de las cadenas y otra es la estructura de las mismas.

Por otra parte, el tipo de monómero a partir del cual el polímero es producido influirá en el enlace entre cadenas, lo que está relacionado con la facilidad con la cual las cadenas deslizan entre sí, así como en la rigidez de las cadenas individualmente.

Los átomos o grupos grandes adicionados a las cadenas (ej. : Cl , estireno) interfieren en el deslizamiento entre cadenas al aplicar un esfuerzo, lo que ayuda a incrementar la resistencia y la rigidez del polímero. Por otra parte, los átomos o grupos de átomos mas polares producen uniones de van der Waals mas fuertes entre cadenas; así por ejemplo el átomo de Cl en el PVC produce este doble incremento en resistencia. El politetrafluoroetileno (mas conocido como Teflon®), tiene los 4 átomos de H reemplazados por F, el monómero es simétrico y la resistencia del polímero no es muy superior a la del polietilieno, sin embargo el enlace C-F permite al Teflon tener un punto de fusión alto con el beneficio adicional de una baja fricción.

En el caso de aplicaciones especiales, se utilizan polímeros formados por monómeros mas complejos, en donde se introducen átomos o grupos de átomos dentro de la cadena molecular, y entonces el enlace dentro de la cadena se incrementa significativamente: las cadenas son mas difíciles de retorcer y así estos polímeros tienen resistencia, rigidez y punto de fusión mas elevados que los polímeros simples. A veces, como en el caso del policarbonato, es posible obtener muy buenas propiedades al impacto (por esta razón se lo utiliza en la fabricación de cascos para motociclistas). Algunos termoplásticos de cadenas complejas son tan rígidos que actúan como cilindros rígidos. Estos materiales se comportan como líquidos cristalinos, donde las cadenas rígidas se comportan como troncos en el curso de un río, y, por este comportamiento, es fácil hilarlos como fibras de alta resistencia

Si se unen dos o tres monómeros ya se tiene un polímero termoplástico, pero para crear un sólido con propiedades mecánicas útiles las moléculas deben ser mucho mas largas, para permitir que se establezcan un gran número de enlaces secundarios entre las cadenas, y así lograr la rigidez y la resistencia de un material estructural.

Termorrígidos o termoestables

Los mayoría de los termorrígidos se establecen a partir de grandes monómeros polifuncionales. Debido al entrecruzamiento, no se ablandan cuando se los calienta (aunque si la temperatura es muy elevada pueden descomponerse), no se disuelven en solventes (como lo hacen los polímeros lineales), y no pueden conformarse después de la polimerización. Pero por estas razones son químicamente mas estables, son utilizables a temperaturas mas elevadas y generalmente son mas rígidos que los termoplásticos. La irreversibilidad en el entrecruzamiento de las moléculas los hace particularmente buenos adhesivos, recubrimientos y matrices para materiales compuestos. En la Figura 9 se muestran las estructuras de los termorrígidos mas comunes

Elastómeros o gomas

Los elastómeros son una clase especial de polímeros con entrecruzamientos. Existen gomas naturales y gomas sintéticas, y ambas tienen dos características principales: 1- Son polímeros lineales con muy pocos entrecruzamientos entre cadenas, presentando un entrecruzamiento cada cien o mas unidades de monómero. 2- A temperatura ambiente, los enlaces secundarios entre las cadenas están fundidos, no existen.

Temperatura de transición vítrea de los polímeros

La temperatura de transición vítrea es tan importante para los polímeros como lo es el punto de fusión para los metales. Por debajo de Tg, los enlaces secundarios unen a las moléculas y se presenta un sólido amorfo. Por encima de Tg, algunos de ellos comienzan a fundirse y esto le confiere movilidad a las moléculas. La Tg del PMMA es 100ºC, por lo tanto a temperatura ambiente se presenta como un sólido frágil. La Tg de la goma natural es de aproximadamente -70ºC, y por eso permanece flexible aun en el invierno, pero si la enfriamos a temperatura de nitrógeno líquido, se convertirá en dura y frágil como el PMMA a temperatura ambiente.

A temperatura ambiente. A temperaturas aun mayores (T>1.4Tg) los enlaces secundarios se funden completamente y los puntos de anudado pueden deslizar. Los termoplásticos son moldeados cuando se presentan en este régimen. Los polímeros lineales se convierten en líquidos viscosos

Si el polímero se calienta demasiado, la energía térmica excede la energía cohesiva de algunas partes de la cadena molecular, causando depolimerización o degradación. Algunos (como el PMMA) se descomponen en unidades de monómeros, y otros (como el PE) se degradan al azar en distintos productos. Es importante que las altas temperaturas del moldeo no provoquen la descomposición, por lo tanto deben especificarse las temperaturas máximas seguras de trabajo para cada polímero.