Cuales son las caractersticas principales de los polmeros?

Cmo afecta el peso molecular a las propiedades de los polmeros? Cmo se acomodan los cristales en la cadena polimrica?

Polmeros

Qu es un polmero?

Poli mero muchos unidad repetida

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Polietileno (PE)

Cl Cl Cl

C C C C C C

H H H

H H H H H H

(PVC)

H H

H H H H

Polipropileno (PP)

C C C C C C

CH3

H H

CH3 CH3 H

Unidad

repetida

Unidad

repetida

Unidad

repetida

Historia de

los polmeros

Polmeros naturales

Madera Caucho

Algodn Lana

Piel/Cuero Seda

Usos en la antigedad

Pelotas de caucho usadas por los Incas

Brea de los rboles

Los polmeros en la actualidad

Isomerismo

Isomerismo

Dos compuestos pueden tener la misma frmula qumica pero estructura diferente

HCCCCH

H H H H

H H H H

H H H

HCCCH

HCH H H

Butano IsoButano

C4 H10

Polmeros comunes

Peso molecular, mi: La suma de los pesos atmicos de todos los tomos de la

molcula

Peso molecular

Bajo m Alto m

mi= # tomosE1 x PAE1 + # tomosE2 x PAE2

molculas de total#

polmero del totalpesonM

iiw

iin

MwM

MxM

Mw es ms sensible a

pesos moleculares altos.

Adapted from Fig. 14.4, Callister 7e.

Peso Molecular C

antidad d

e P

olm

ero

Mn

Mw

Xi= fraccin del numero de cadenas en el intervalo seleccionado

Mi= Peso molecular promedio en el intervalo

Wi= Fraccin del peso molecular en el intervalo

Mw= Peso molecular promedio msico

Mn= Peso molecular promedio numrico

Calcule el peso molecular para la

unidad repetida del butano C4 H10

HCCCCH

H H H H

H H H H

PA= Pesos atmicos de cada elemento

C= 12 g/mol

H= 1 g/mol

m= # tomosC x PAC + # tomosH x P AH

m= 4 x 12.01 g/mol + 10 x 1.08

m= 58.84 g/mol

Grado de polimerizacin

n = nmero de unidades repetidas por cadena

ii

w

iiw

n

iin

mfm

m

m

Mnwn

m

MnxnGP

repetida unidad la de promediomolecular peso Donde

C C C C C C C CH

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C C C C

H

H

H

H

H

H

H

H

H( ) ni = 6

peso mol. De la

unidad repetida

Fraccin de la

cadena

Calcule el peso molecular de la unidad repetida del

polipropileno y tambin calcule el del peso molecular

promedio numrico; si el grado de polimerizacin es

15,000

CC

H H

H CH3

PA= Pesos atmicos de cada elemento

C= 12 g/mol

H= 1 g/mol

m= # tomosC x PAC + # tomosH x P AH

m= 3 x 12.01 g/mol + 6 x 1.08

m= 42.08 g/mol

m

MnxnGP

n

iinnMx 08.4215000

molgM n /200,631

configuraciones y resistencia:

Incremento en la resistencia

Estructuras moleculares

Ramificada Entrecruzada Reticulados Lineal

Copolmeros

Dos o mas monmeros polimerizados juntos

Aleatorio A y B se acomodan aleatoriamente en la cadena

Alternados A y B se acomodan alternadamente en la cadena

Bloque Bloques grandes de A y bloques grandes B se acomodan en la cadena

Injerto Cadenas de B se injertan en la cadena principal de A

A B

Aleatorio

bloque

injerto

alternado

Unidades Monomricas

Cristalinidad de los polmeros

Los polmeros son raramente 100% cristalinos

Muchas complicaciones para alinear cadenas

% Cristalinidad: % del material que es cristalino.

-- TS y E por lo regular incrementan

con % Cristalinidad.

-- Recocido ocaciona el crecimiento de

regiones cristalinas. Por lo que

% Cristalinidad incrementa.

Regin cristalina

Regin

amorfa

Regin

amorfa

Regin de alta

cristalinidad

Ordenamiento de las molculas

Forma de los cristales polimricos

Monocristal de polietileno solo si el creciemiento es

lento

100*)(

)(%

acs

ascdadcristalini

s

a

c

Densidad de la muestra para la cual se pretende

determinar el porcentaje de cristalinidad

Densidad del polmero totalmente amorfo

Densidad del polmero totalmente cristalino

La densidad total del Nylon 6,6 totalmente cristalino a temperatura

ambiente es de 1.263 g/cm3 . Tambin se sabe que la estructura del

material es triclnica y presenta los parmetros siguientes:

a=0.497 nm = 48.4 b=0.547 nm =76.6 c=1.729 nm =62.5

ACNV

nA

n= nmero de tomos asociado a cada celda unitaria

A= Peso atmico

Vc= Volumen de la celda unitaria

NA= Numero de Avogadro 6.023x1023 Atomos/mol unidades rep/ mol

Si el volumen de la celda triclnica

CosCosCosCosCosCosabcVtri 21222

Determine el # de unidades repetidas

Comportamiento mecnico de los polmeros

Curva esfuerzo- deformacin de un polmero

deformaciones > 1000% (para metales,

deformacin mxima. 10% o menos)

Polmero frgil

plstico

elastmero

Mdulo Elstico

menor al de los metales

Esfu

erz

o

Deformacin

nM

ATSTS

TS= resistencia a la traccin

TS= Resistencia a la traccin

para un peso molecular infinito

A= Constante

Respuesta a la Traccin: Frgil & Plstico

Fractura frgil

Fractura plstica

(MPa)

x

x

Deslizamiento de la

Regin cristalina

fibras

Cerca de la

fractura

Alineamiento en dircc. esfuerzo

De la regin cristalina

Estriccin

necking

Inicial

Cerca de romperse

Caso

Semi cristalino

alineamiento,

del caso

entrecruzado

Caso

reticulado

Elongacin

De la regin amorfa

Sin carga/ con carga

Stress-strain curves

Predeformacin por trefilado

Trefilado(ej: monofilamento hilo de pescar) -- Se estira el polmero antes de usarse

-- alinean las cadenas en la direccin de la carga

Resultado del trefilado: -- Incremento en el mdulo elstico (E) en la

direccin del estirado

-- Incrementa la resistencia a la traccin (TS) en la

direccin del estirado

-- disminuye la ductilidad (%EL)

Recocido despus del trefilado... -- disminuye la alineacin de las cadenas

-- Efecto contrario al trefilado.

Se Compara con el trabajo en fro en metales!

Compara a las respuestas de otro tipo de polimeros: -- Respuesta Frgil (polimeros lineales, entrecruzados y reticulados )

-- Respuesta Plstica (polimeros semi-cristalinos)

Stress-strain curves

Respuesta a la traccin: Elastmero

(MPa)

inicial: Cadenas son amorfas rizados, Entrecruzados.

x

final: cadenas estan estiradas,

aun entrecurzadas

elastmero

Deformacin es reversible!

Fractura frgil

Fractura plstica x

x

Viscoelasticidad

La viscoeleasticidad, tambin conocida como anelasticidad, es el tipo de comportamiento que presentan ciertos materiales que

exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elsticas

cuando se deforman.

Reologa

Estudio de los principios fsicos que regulan el movimiento de los fluidos.

Termoplsticos: -- poco entrecruzamiento

-- dctiles

-- ablandan con calor

-- polietileno

polipropileno

policarbonato

poliestireno

Termofijos: -- mayor entrecruzamiento

(10 a 50% )

-- Duros y frgiles

-- No se ablandan con el calor

-- Hule vulcanizado, epxicos,

resina poliester, resina fenlica

Termoplsticos vs. Termofijos

Callister, Fig. 16.9

T

Peso Molecular

Tg

Tm Liquido fluido

Liquido viscoso

Hule

Plstico tenaz

Slido

parcialmente crsitalino Slido

Cristalino

Polmeros termo-plsticos y termofijos

Termo-plsticos

Ablandan con la T

Fundirse pero al enfriarse regresan al estado inicial

Termo-fijos

Se endurecen al calentarse

No se ablandan

Disminuyendo T... -- incrementa E

-- incrementa TS

-- disminuye %EL

Incrementando Razn de deformacin... -- mismos efectos

que disminuyendo T.

T y Razn de deformacin: Termoplsticos

20

4 0

6 0

8 0

0 0 0.1 0.2 0.3

4C

20C

40C

60C to 1.3

(MPa)

Datos para un

polmero

semicristalino : PMMA (Plexiglas)

Fusin vs. Temp Transicin Vtrea

Que factores afectan a Tm y Tg?

Ambas Tm y Tg incrementan al incrementar la resistencia de las

cadenas

La resistencia de las cadenas incrementa por:

Peso molecular, tipos de enlaces,

elementos presentes.

Slido semicristalino

Slido cristalino

Temperatura

Liquido

Amorfo

Vo

lum

en

esp

ecf

ico

Tg temperatura crtica en la cual

el polmero deja de ser rgido y

comienza a ser blando.

Relajacin de esfuerzos:

-- Se mantiene la deformacin .

-- Disminuye el esfuerzo

con el tiempo.

o

r

ttE

)()(

Mdulo de relajacin:

Tg( C) :

PE (baja densidad)

PE (alta densidad)

PVC

PS

PC

- 110

- 90

+ 87

+100

+150

Deformacin dependiente del tiempo

time

deformacin

Prueba de traccin

o

(t)

(Poliestireno

amorfo)

10 3

10 1

10 -1

10 -3

10 5

60 100 140 180

Slidos rgidos (relajacin pequea)

Regin de

Transicin

T(C) Tg

Er (10s)

en MPa

Liquido viscoso

(Relajacin grande)

)()( 0

ttEc

Mdulo de cedencia:

Esfuerzo= Cte

Monitorea def. en t

Deformacin Cte.

Monitorea Esf. en t

Fractura de polmeros

Puente de fibras Micro huecos Grieta

Cadenas alineadas

Adapted from Fig. 15.9,

Callister 7e.

Crazing Fractura en metales

Procesado de plsticos Moldeo

Compresin y por transferencia

termoplsticos o termofijos

Base del

molde

Calentamiento

y

enfriamiento

Embolo

hidrulico

Platina

Platina

Cavidad del molde

Relieve

Guas

material

Procesado de Plsticos - Moldeo

Inyeccin de plsticos

termoplsticos y algunos termofijos

Adapted from Fig. 15.24,

Callister 7e. (Fig. 15.24 is from

F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of

Polymer Science, 2nd edition,

John Wiley & Sons, 1971. )

Cavidad

Del molde

Molde Boquilla

Cmara de calentamiento

Embolo

hidrulico

Alimentacin

Distribuidor

Procesado de Plsticos - Extrusin

Alimentacin Materia prima

(pellets) Calentadores

Dado de

extrusin

Gusano

transportador

Plstico fundido Producto

Tubos

Lminas y pelculas

Perfiles

Can de extrusin

Aire

Aire calentadores

Dado extrusor

Plstico Fundido

Burbuja de aire Rodillos Gua

Rodillos

moldeadores

Burbuja

de aire

Extrusin por soplado

Bolsas y pelculas

La resistencia a la traccin y el peso molecular de dos polmeros se

muestra en la siguiente tabla:

TS (MPa) Peso molecular Promedio

numrico (g/mol)

90 20 000

180 40 000

nMDetermine el peso molecular

promedio numrico que se requiere

para alcanzar una resistencia a la

tensin de 140 MPa

nM

ATSTS