POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS

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1 POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS
USACH POLÍMEROS Y PLÁSTICOS EN NUESTROS DÍAS FRANCO M. RABAGLIATI CANESSA GRUPO POLÍMEROS DEPARTAMENTO CIENCIAS DEL AMBIENTE FACULTAD QUÍMICA Y BIOLOGÍA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE SANTIAGO, CHILE PROGRAMA EXPLORA-CONICYT 2 DE MAYO DEL 2006

2 Los polímeros poseen muchos atractivos: Primitivamente se andaba descalzo o se protegía los pies con cuero de animales. El cuero es un polímero natural ……… Esta zapatilla posee exteriores de cuero y también nylon. La suela es de un caucho rígido llamado caucho SBS. Los mismos materiales conforman estas botas de paseo incluyendo las plantillas, que son de espuma de poliuretano

3 También los hay revestidos con PVC el mismo plástico que suele encontrarse en los techos vinílicos de los autos y recubrimientos vinílicos. Los cordones de los zapatos están hechos a base de nylon y algodón. El algodón es otro polímero natural: celulosa.

4 “Calzado de pato” es excelente para mantener sus pies secos en días de lluvia. Está fabricado con caucho natural, el poliisopreno Los calcetines no se tendrían sin polímeros como el algodón y mate- riales sintéticos como el poliéster y el nylon. Y los que llevan una banda elástica contienen otro polímero el caucho natural..

5 CONTENIDO Características Aplicaciones
POLIMEROS: Definiciones, conceptos, Características PLASTICOS: Procesamientos, Aplicaciones

6 POLIMEROS Polímero: molécula muy grande, resultante de millares de moléculas pequeñas, unidas químicamente entre sí. Macromolécula gigante. Los términos macromolécula y polímero se utilizan como sinónimos, sin embargo polímero es la palabra más frecuentemente utilizada en lo relacionado a los plásticos. Describe mejor a las especies que presentan muchas (poli) de una unidad (mero).

7 POLIMEROS: ¿Que es un polímero?
Es una macromolécula formada por la unión de moléculas de menor tamaño que se conocen como monómeros. n OLIGOMEROS > 20 POLIMERO 2 DIMERO 1 MONOMERO 3 TRIMERO

8 Clasificación de Polímeros
Origen : Naturales y Sintéticos Estructura de la cadena: Lineales y Ramificados Composición de la cadena: Homopolímeros y Copolímeros.

9 POLIMEROS NATURALES PROTEÍNAS Hemoglobina

10 CELULOSA ALMIDÓN Hidrato de carbono

11 POLIMEROS NATURALES: ADN

12 POLIETILENO El polietileno de alta densidad (PAD):
es un sólido rígido translúcido se ablanda por calentamiento y puede ser moldeado como películas delgadas y envases a temperatura ambiente no se deforma ni estira con facilidad. Se vuelve quebradizo a -80 °C. es insoluble en agua y en la mayoría de los solventes orgánicos. El polietileno de baja densidad (PBD): Es un sólido blando translúcido Se deforma completamente por calentamiento. Sus films se estiran fácilmente, por lo que se usan comúnmente para envoltorios (de comida, por ejemplo). Es insoluble en agua, pero se ablanda e hincha en presencia de solventes hidrocarbonados También se vuelve quebradizo a -80 ° C

13 200 veces más resistente que el vidrio al impacto
POLICARBONATO 200 veces más resistente que el vidrio al impacto

14 GOMA: uniones S-S entre cadenas
La goma natural es un sólido opaco, blando y fácilmente deformable que se vuelve pegajoso al calentarlo y quebradizo al enfriarlo. Es impermeable al agua pero puede disolverse en solventes orgánicos. Puede pensarse como derivado del monómero isopreno, el cual es un líquido volátil. GOMA VULCANIZADA

15 NYLON: UNIONES PUENTE DE HIDRÓGENO ENTRE CADENAS

16 ESTRUCTURA DE LA CADENA
TIPOS DE POLÍMEROS Lineal Ramificado Entrecruzado

17 Composición de cadena HOMOPOLÍMEROS
Formados por la misma unidad monoméricas. COPOLÍMEROS Formados por distintas unidades monoméricas.

18 Copolímero Copolímero al azar: A-B-C-A-A-B
Copolímero Alternado: A-B-A-B-A-B Copolímero en Bloque: A-A-A-B-B-B Copolímero Injertado: A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A B B B

19 Polimerización A + A + A + A …….+ A = A-A-A-A-….A o -(A)n-
La reacción química por la cual se obtienen los polímeros sintéticos se denomina polimerización. Todas las polimerizaciones tienen un detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que se van uniendo entre sí para formar moléculas gigantes. Llamamos monómeros a estas moléculas pequeñas que originan polímeros. Se suele distinguir entre Polimerización por ADICION y por CONDENSACION. ADICION A + A + A + A …….+ A = A-A-A-A-….A o -(A)n- CONDENSACION : n X-A-Y = X-A-A-A-A-Y + (n-1) XY o X-(A)n-Y + (n-1)XY

20 Características Polimerización por Adición
Los monómeros poseen uno o dos enlaces dobles o triples Alquenos y Alquinos. Los monómeros utilizan los enlaces dobles o triples para unirse entre si. Presenta tres etapas: Iniciación, Propagación y Terminación El iniciador puede ser un Cation ,Anion o radical

21 Características de Condensación
Se forma por un mecanismo de reacciones en etapas No depende de la reacción anterior Los polímeros se forman por la reacción con Diácidos carboxílicos, Diaminas y Dialcoholes. Por cada enlace que se forma se libera una molécula de agua.

22 Clasificación de sintéticos según propiedades
Fibras: Son hebras ordenadas en una dirección. Fuerzas intermoleculares entre las cadenas Ejemplos: Nylon, Polietileno.

23 Elastómeros Son polímeros amorfos
Las cadenas se extienden en sentido de la fuerza Vuelven a su forma original después de la aplicación de la fuerza. Ejemplo: Caucho y neopreno

24 Plásticos Presentan propiedades intermedias entre fibras y elastómeros. Se pueden moldear a diferentes formas Presentan elasticidad y flexibilidad. Ejemplos: Bolsas de plásticos

25 Clasificación frente al calor.
Termoplásticos: - Sus cadenas lineales o ramificadas no están unidas - Se reblandecen con el aumento de la temperatura. - Se pueden fundir y moldear varias veces. - Son reciclables.

26 Termoestables Sus cadenas esta interconectadas.
Tienen formas permanentes. No se pueden volver a procesar. Frágiles y rígidos. No pueden cambiar su forma.

27 Polimerización por adición
Polimerización por adición catiónicas. - Presenta tres etapas: Iniciación, Propagación y Terminación. - El iniciador es un acido. - Se forma un Carbocation. - Se finaliza cuando se encuentra el carbocatión y el anion del acido.

28 Polimerización por adición aniónica.
Presenta tres etapas : Iniciación , propagación y terminación El iniciador es un Metal. Se forma un carboanión. - El termino de la polimerización se realiza con la adición de agua.

29 COPOLIMERIZACION La copolimerización consiste en la formación de macromoléculas a partir de dos o más monómeros de estructura química diferente. Esto conduce a la obtención de una extensa gama de productos cuya naturaleza va a depender de la naturaleza de los monómeros, de su concentración relativa en la mezcla reaccionante y de la secuencia en que se unan durante el proceso de polimerización. La copolimerización es importante para obtener productos con determinadas características físicas, útiles para aplicaciones específicas.

30 En los copolímeros según la ubicación de las unidades a lo
largo de la cadena se distinguen: Copolímeros al azar o estadísticos: A-B-B-A-B-A-A-A-…… Copolímeros alternados: A-B-A-B-A-B-A-B-A-B…… Copolímeros en bloque: A-A-….A-BBBBBB….BAAAAA…ABBBB….. Copolímeros de injerto: AAAAAAAAAAAAAA…….AAAA BBBBBB BBBBBB

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34 CARACTERÍSTICAS, PROPIEDADES DE POLIMEROS
PROPIEDADES QUIMICAS Similares a la de las moléculas pequeñas. Experimentan las mismas reacciones aunque su velocidad de reacción y eficiencia se ven influenciadas por el tamaño molecular. NOMENCLATURA Diversas formas para nombrarlos: Fuente de preparación: Es la forma más simple y más usada para nombrar alos polímeros. Poli(nombre del monómero), Polietileno, Poli(óxido de etileno) Poli(metacrilato de metilo) Basada en Estructura: Se usa en los polímeros de condensación a partir de dos monómeros. Poli(estructura química), Poli(hexametilen adipamida), Poli(etilen tereftalato). Nombres Comerciales: Nylon 6,6, Nylon 6, Teflon, otros.

35 PESO MOLECULAR Los polímeros a diferencia de las moléculas pequeñas no presentan un peso molecular único, sino que el polímero resultante es una mezcla de polímeros de la misma naturaleza pero de diversos de tamaño moleculares. Se tiene un peso molecular promedio. Mn  Mv  Mw. Distribución de Pesos Moleculares, DPM, indica cuan disperso, en cuanto a tamaño molecular, es un polímero.

36 ESTRUCTURA DE LAS CADENAS POLIMERO
Como resultado del mecanismo y proceso de polimerización como también de la naturaleza de los monómeros que generan el polímero, las cadenas polímero pueden ser lineales, ramificadas e incluso entrecruzadas.

37 ESTRUCTURA DE POLIMEROS
Lineal Ramificado (A) Ramificado (B) Ramificado (C) Entrecruzado ESTRUCTURA DE POLIMEROS

38 CRISTALINO, AMORFO La mayoría de los polímeros pueden presentar características tanto de sólidos cristalinos como de líquidos altamente viscosos. Se usa los términos Cristalino y Amorfo que indican regiones ordenadas y desordenadas. La mayoría de los polímeros son con carácter parcial o semi cristalinos.

39 POLIMERO CRISTALINO NO-ORIENTADO

40 POLIMERO CRISTALINO ORIENTADO

41 ESTEREOREGULARIDAD Se utiliza la terminología de polímeros atácticos, isotácticos y sindiotácticos para indicar el ordenamiento, a lo largo de la cadena polímero, de los grupos laterales presentes en la unidad repetitiva del polímero.

42 ESTEREOREGULARIDAD EN POLIMEROS

43 6,65 A 5,06 A PS isotáctico 1955 G. Natta PS sindiotáctico 1985 N. Ishihara PS Atáctico Amorfo Cristalino Cristalino Veloc. Cristn Lenta Rápida Tg, (ºC) Tm, (ºC)

44 TRANSICIONES TERMICAS EN POLIMEROS
Se distinguen dos tipos de temperatura de transición: Tg y Tm Temperatura de Transición Cristalina, Tm, corresponde a fusión de la componente cristalina del polímero. Temperatura de Transición vitrea, Tg, por debajo de ella la porción amorfa del polímero adquiere las carac-terísticas del estado vitreo.

45 TERMOPLASTICOS, TERMOESTABLES
La terminología termoplástico y termoestable se usa para indicar el comportamiento en cuanto a temperatura de un material polimérico. Termoplástico, para aquellos que se ablandan, funde y fluyen por aplicación de presión y temperatura. Se pueden moldear una y otra vez. Termoestable, materiales infusible e insolubles, pueden ser moldeados sólo una vez. Corresponden a polímeros altamente entrecruzados.

46 APLICACIONES DE LOS POLIMEROS
La utilidad de un polímero como material depende de sus propiedades y características. En estas están involucrados: tamaño molecular (PM), grado de cristalinidad, grado de entrecruzamiento, temperaturas Tg y Tm. Dependiendo de la combinación particular de estos parámetros, un polímero se podrá utilizar como: FIBRA PLASTICO RIGIDO PLASTICO FLEXIBLE ELASTOMERO

47 FIBRAS Alta resistencia a la deformación, bajas elongaciones. Polímeros altamente cristalinos con cadenas polares que presentan fuerzas secundarias fuertes. Se usa estiramiento mecánico para alcanzar alta cristalinidad. Con Tm  200ºC y  300ºC. Tg intermedio aprox. 50ºC.

48 PLASTICOS RIGIDOS Alta rigidez y resistencia a la deformación. Polímeros amorfos con grupos laterales voluminosos o con alto grado de entre-cruzamiento. PLASTICOS FLEXIBLES Grado de cristalinidad de moderado a alto, amplia variedad para Tm y Tg.

49 ELASTOMEROS Pueden experimentar fácilmente elongaciones reversibles muy grandes. Corresponden a polímeros amorfos, con Tg baja, fuerzas secundarias bajas, y con un cierto grado de entrecruzamiento.

50 Aplicaciones de Polímeros
Elastómeros Plásticos Fibras Poliisopreno Poliisobutileno Polibutadieno Poli(cloruro vinilo) Poliuretanos Polysiloxanes Polietileno Politetrafluoretileno Poliestireno Poli(metacrilato metilo) fenol-formaldehido urea-formaldehido melamina-formaldehido Poliamida Poliéster Polipropileno

51 SINTESIS, PREPARACION DE POLIMEROS
SINTESIS, PREPARACION DE COPOLIMEROS MEZCLAS DE POLIMEROS/COPOLIMEROS

52 MEZCLA DE POLIMEROS

53 ALGUNOS COMPONENTES DE AUTOMOVILES
Limpiaparabrisas: Poliisopreno Neumáticos: Rodaje: P(SBS), Lateral: P(isopreno), Interior: P(isobutileno), Refuerzo: Cuer- da Kevlar, Nylon-6 Filtro de Aire: Papel (celulosa) Parachoques, ABS Alfombra: Nylon Bidon: Polietileno Manguera: Polibutadieno

54 No hay mejor lugar para sumergirse en el mundo de los polímeros que un
negocio de piscinas e hidromasajes. Pileta Natación: PVC Antiparra: Poliisopreno, Polibutadieno Cristales: Policarbonato Salvavidas: Espuma PS, Cuerdas: Nylon Bañera: Superficie, PMMA Juguetes Inflables: PE, PVC Balsa: PVC Espuma PS Redes: Nylon

55 Y en los deportes… Guante beisbol, cuero, Algodón, Nylon, poliéster Pelota Basquet: Cuero, Poliisobutileno Raqueta tenis: marco fibra carbono, cuerdas: nylon Pantalón ciclismo: Cop en bloque: Spandex Pelota golf: Surlin, Ionómero/elastómero Pantalones: Poliéster

56 Acero: 2% Aluminio: 3% Plásticos: 6%
Producción Global de Plásticos Produción en peso (1970 = 100) Crecimiento anual Acero: 2% Aluminio: 3% Plásticos: 6% Plásticos Aluminio Acero Fuente: SPI, Milacron

57 Consumo Global de Plásticos
1990 – 86 M Ton 5.7% 2003 – 176 M Ton 5.1% 2010 – 250 M Ton América del Norte 24% América del Norte 29% América del Norte 25% Europa 29% Europa 22% Europa 19% Sudeste Asia- tico 36% Sudeste Asia-tico 16% Sudeste Asia- tico 32% Japón 12% Europa Oriental 6% América Latina 4% Africa/Medio Oriente 4% Europa Oriental 4% América Latina 5% Japón 6% Africa/ Medio Oriente 6% Europa Oriental 4% América Latina 5% Japón 6% Africa/ Medio Oriente 6% fuente: VKE, Junio 2004

58 Consumo de Plásticos en Estados Unidos
2ND Largest Market

59 Hoy en día: Los plásticos se han hecho una parte integral de nuestras vidas, y de hecho juegan un rol ireemplazable en las actividades diarias

60 COMPOSICION Polímero + Aditivos “COMPOUND” Compuesto de Moldeo
Mezclado “COMPOUND” Compuesto de Moldeo

61 “Pellets”, Gránulos de Moldeo

62 Transformación (Moldeo) Plásticos
Técnicas de fabricación : Compresión Inyección Extrusión Soplado Maquinado Termoformado Moldeo Rotacional

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65 Laminado Resina Refuerzo
Laminates can be defined as combinations of liquid thermosetting resins with reinforcing materials that are bonded together by the application of heat and pressure, forming an infusible matrix. Plywood is a good example of a thermosetting laminate with the phenolic resin serving as the binder to bond the layers of wood sheets together when compressed with heat in a molding press. Glass fibers are the most commonly used laminate reinforcement and are available in some six formulations with the E glass providing excellent ties along with other valuable properties. Many different fabrics are made for reinforced plastics, E glass being the most common. Filament laminates using glass types of D, G, H, and K are also common with the filaments combined into strands, and the strands plied into yarns. These yarns can be woven into fabrics on looms. Calor y presión parte superior e inferior del material

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70 Plásticos Extruidos

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74 Soplado

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76 Polipropileno

77 Plásticos Termoformados

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82 Plásticos: Moldeo Rotacional

83 Maquinado de Plásticos

84 Enormes Beneficios por los Plásticos
Los plásticos mejoran nuestra vida diaria y han hecho grandes mejoras en areas como: Empaque, frescura, estabilidad de almacenaje, protección de bacteria. Agricultura, invernaderos, en terreno, ductos de regadio, otros Transporte, terrestre, marítimo, aereo, exploración espacial Construcción, materiales varios, paneles, ductos, otros. Durabilidad, estética, y alto “performance” Protección personal, niños, atletas, trabajos riesgosos, policia, bomberos, otros Electrónica, información, comunicación, y entretenimiento Medicina, ayudándonos a vivir más y más saludables Reciclado y Reuso

85 EMPAQUE

86 AGRICULTURA

87 TRANSPORTE

88 PVC en Automóviles Exterior Interior Otros Cables eléctricos
Terminaciones externas, montaje ventanas/ vidrios, cubierta techo de convertibles, protecciones parachoque, tapabarro Interior Tapicería, alfombras, paneles, consolas, apoya brazos, protectores sol, protección maletero Otros Recubrimiento superficie exterior inferior, separador platos batería, protección línea combustible Cables eléctricos Aislación de cables, tarugos y fijación molduras

89 Corazón artificial autosuficiente Marcapasos

90 Suturas Quirúrgicas Venas y Arterias Artificiales

91 Piel Artificial

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93 El Futuro de los Plásticos: Nanocompuestos
Nueva clase de materiales denominados “nanocompuestos” = plásticos reforzados con fibras de carbono tamaño nano. Perspectiva brillante para propiedades mejoradas y producción económica de plásticos moldeados por inyección y por extrusión. Posible comercialización a gran escala. Ventajas: materiales de costo más bajos, libertad de diseño, estabilidad dimensional y estética. Propiedades totalmente nuevas respecto de los materiales existentes. Nueva frontera para el desarrollo de la ciencia de los materiales y procesadores de polímeros.

94 Uso de Nanofibras Carbono en Autos del Futuro
Beneficios: menor peso, mejor eficiencia de combustible, reducción de precio Sistema híbrido de fuerza (poder): bateria ion litio, celda de combustible Paneles: Reducción de peso y costo, mejores resultados térmicos Soportes del motor: reducción de vibraciones Hoses y belts: menor mantención Pintura y terminación: mejorado en pintura, disminución de costo Sellos: menor costo reducción de ruido Neumáticos: mayor tracción y durabilidad, mejor rendimiento Potenciales aplicaciones en muchas otras industrias y mercados: artefactos médicos, electrónicos, materiales de construcción, artículos de uso doméstico, empaque,etc.

95 Película ion-conductora
POLIMEROS CONDUCTORES Polímeros conductores, polímeros orgánicos conjugados a través de los cuales se pueden mover los electrones de un terminal al otro. Los más comunes son polianilina (PAni) y polipirrol (PPY). Películas ´´sandwich´´ polianilina/película ion-conductora para material de músculos de robots. El flujo de corriente hace que un terminal se expanda y el otro se contraiga. Resulta un “plegado” del ´´sandwich´´. PAni Energia eléctrica y química se transforma en energía mecánica. Película ion-conductora

96 Polímero electro-constrictivo
Materiales Sensibles: Elastómeros Dieléctricos Los elastómeros dieléctricos (también llamados polímeros electroconstrictivos) exhiben fuerza mecánica al ser sometidos a un campo eléctrico. Su capacidad de contracción es mayor que la de los piezocerámicos (10-30% vs %). Los más comunes son los basados en PMMA. Debido a su fuerza electroconstrictiva, pueden colocarse entre dos electrodos imitando la acción de músculos. En un campo eléctrico, el elástomero se expende en el plano de los electrodos, amplificando la compresión normal debido a las cargas electrostáticas de los electrodos. Resulta un músculo con mayor fuerza y actuación. Polímero electro-constrictivo Electrodo

97 Materiales Sensibles: Polímeros Geles
Los polímeros geles consisten en polímeros entrecruzados inflados con un solvente como agua. Tienen la propiedad de hincharse y encogerse reversiblemente (hasta 1000 veces en volumen) debido a pequeños cambios en su ambiente (pH, temperatura, campo eléctrico). Las microfibras gel se contraen en milisegundos, mientras que los polímeros gruesos requieren de minutos para reaccionar (hasta 2 horas o aún días). Tienen alta fuerza (aproximadamente igual a la de los músculos humanos). Los más comunes son poli(alcohol vinílico), PVA, poli(ácido acrílico), PAA, y poliacrilonitrilo, PAN. Muchas aplicaciones potenciales (ej.,músculos artificiales, movimiento en robots, adsorvedores de químicos tóxicos), aunque actualmente tienen poca difusión comercial.

98 Los plásticos son una fuente alternativa de energía
Después de su uso, los plásticos pueden tener otra vida como fuente de combustible Una tonelada de plásticos puede desplazar dos toneladas de carbón y quemar sin emisiones de SO2 (los plásticos no contienen azufre). Hay una oportunidad significante: tomar el fin de la utilidad de los plásticos y usarlos como fuente de energía. Esto provee una solución para los desperdicios y accede a fuentes de energía.

99 Investigación en Polímeros en el País
Universidad de Chile P. Universidad Católica de Chile Universidad Tecnológica Metropolitana Universidad de Santiago de Chile Universidad de Concepción Universidad del Bio Bio Universidad Austral de Chile Universidad Católica de Valparaiso