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.