Materiales poliméricos: tecnología, tipos, producción y aplicación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Los materiales poliméricos son compuestos químicos de alto peso molecular que constan de numerosos monómeros (unidades) de peso molecular pequeño con la misma estructura. A menudo, los siguientes componentes monoméricos se utilizan para la fabricación de polímeros: etileno, cloruro de vinilo, decloruro de vinilo, acetato de vinilo, propileno, metacrilato de metilo, tetrafluoroetileno, estireno, urea, melamina, formaldehído, fenol. En este artículo, consideraremos en detalle qué son los materiales poliméricos, cuáles son sus propiedades químicas y físicas, clasificación y tipos.

Tipos de polímeros

Una característica de las moléculas de este material es un gran peso molecular, que corresponde al siguiente valor: М>5103. Los compuestos con un nivel más bajo de este parámetro (M=500-5000) se denominan oligómeros. En compuestos de bajo peso molecular, la masa es inferior a 500. Se distinguen los siguientes tipos de materiales poliméricos: sintéticos y naturales. Entre estos últimos se encuentran el caucho natural, la mica, la lana, el amianto, la celulosa, etc. Sin embargo, el lugar principal lo ocupan los polímeros sintéticos, que se obtienen como resultado de un proceso de síntesis química a partir de compuestos de bajo peso molecular. dependientedel método de fabricación de materiales de alto peso molecular, se distinguen los polímeros, que se crean por policondensación o por una reacción de adición.

Polimerización

Este proceso es una combinación de componentes de bajo peso molecular en alto peso molecular para obtener cadenas largas. El nivel de polimerización es el número de "meros" en las moléculas de una composición dada. Muy a menudo, los materiales poliméricos contienen de mil a diez mil de sus unidades. Los siguientes compuestos comúnmente utilizados se obtienen por polimerización: polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo, politetrafluoroetileno, poliestireno, polibutadieno, etc.

Policondensación

Este proceso es una reacción por etapas, que consiste en combinar una gran cantidad de monómeros del mismo tipo o un par de grupos diferentes (A y B) en policondensadores (macromoléculas) con la formación simultánea de los siguientes subproductos: alcohol metílico, dióxido de carbono, cloruro de hidrógeno, amoníaco, agua, etc. La policondensación produce siliconas, polisulfonas, policarbonatos, aminoplásticos, plásticos fenólicos, poliésteres, poliamidas y otros materiales poliméricos.

Poliadición

Este proceso se entiende como la formación de polímeros como resultado de reacciones de adición múltiple de componentes monoméricos que contienen combinaciones de reacción limitantes a monómeros de grupos insaturados (ciclos activos o dobles enlaces). A diferencia de la policondensación, la reacción de poliadición transcurre sin subproductos. El proceso más importante de esta tecnología es el curado de resinas epoxi y la producción de poliuretanos.

Clasificación de polímeros

La composición de todos los materiales poliméricos se divide en inorgánicos, orgánicos y organoelementos. Los primeros de ellos (vidrio de silicato, mica, amianto, cerámica, etc.) no contienen carbono atómico. Se basan en óxidos de aluminio, magnesio, silicio, etc. Los polímeros orgánicos constituyen la clase más extensa, contienen átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, halógeno y oxígeno. Los materiales poliméricos organoelementales son compuestos que en las cadenas principales tienen, además de los enumerados, átomos de silicio, aluminio, titanio y otros elementos que pueden combinarse con radicales orgánicos. Tales combinaciones no ocurren en la naturaleza. Estos son exclusivamente polímeros sintéticos. Los representantes característicos de este grupo son los compuestos a base de organosilicio, cuya cadena principal está formada por átomos de oxígeno y silicio.

Para obtener polímeros con las propiedades requeridas, la tecnología a menudo no utiliza sustancias "puras", sino sus combinaciones con componentes orgánicos o inorgánicos. Un buen ejemplo son los materiales de construcción poliméricos: metal-plástico, plástico, fibra de vidrio, hormigón polimérico.

Estructura de polímeros

La peculiaridad de las propiedades de estos materiales se debe a su estructura que, a su vez, se divide en los siguientes tipos: lineal-ramificada, lineal, espacialcon grandes grupos moleculares y estructuras geométricas muy específicas, así como de escalera. Consideremos brevemente cada uno de ellos.

Los materiales poliméricos con una estructura ramificada linealmente, además de la cadena principal de moléculas, tienen ramificaciones laterales. Estos polímeros incluyen polipropileno y poliisobutileno.

Los materiales con una estructura lineal tienen largas cadenas en zigzag o en espiral. Sus macromoléculas se caracterizan principalmente por repeticiones de sitios en un grupo estructural de un eslabón o unidad química de la cadena. Los polímeros con estructura lineal se distinguen por la presencia de macromoléculas muy largas con una diferencia significativa en la naturaleza de los enlaces a lo largo de la cadena y entre ellos. Esto se refiere a los enlaces intermoleculares y químicos. Las macromoléculas de tales materiales son muy flexibles. Y esta propiedad es la base de las cadenas de polímeros, lo que conduce a características cualitativamente nuevas: alta elasticidad, así como la ausencia de fragilidad en el estado curado.

Y ahora averigüemos qué son los materiales poliméricos con estructura espacial. Estas sustancias forman, cuando las macromoléculas se combinan entre sí, fuertes enlaces químicos en la dirección transversal. Como resultado, se obtiene una estructura de malla que tiene una base no uniforme o espacial de la malla. Los polímeros de este tipo tienen mayor resistencia al calor y rigidez que los lineales. Estos materiales son la base de muchas sustancias estructurales no metálicas.

Las moléculas de materiales poliméricos con estructura de escalera consisten en un par de cadenas que están conectadas por un enlace químico. Éstos incluyenpolímeros de organosilicio, que se caracterizan por una mayor rigidez, resistencia al calor y, además, no interactúan con disolventes orgánicos.

Composición de fase de los polímeros

Estos materiales son sistemas que constan de regiones amorfas y cristalinas. El primero de ellos ayuda a reducir la rigidez, hace que el polímero sea elástico, es decir, capaz de grandes deformaciones reversibles. La fase cristalina ayuda a aumentar su resistencia, dureza, módulo elástico y otros parámetros, al tiempo que reduce la flexibilidad molecular de la sustancia. La relación entre el volumen de todas esas áreas y el volumen total se denomina grado de cristalización, donde el nivel máximo (hasta el 80%) tiene polipropilenos, fluoroplastos, polietilenos de alta densidad. Los cloruros de polivinilo, los polietilenos de baja densidad tienen un menor grado de cristalización.

Dependiendo de cómo se comportan los materiales poliméricos cuando se calientan, generalmente se dividen en termoendurecibles y termoplásticos.

Polímeros termoestables

Estos materiales tienen principalmente una estructura lineal. Cuando se calientan, se ablandan, pero como resultado de las reacciones químicas que ocurren en ellos, la estructura cambia a una espacial y la sustancia se vuelve sólida. En el futuro, esta calidad se mantiene. Los materiales compuestos de polímeros se basan en este principio. Su calentamiento posterior no ablanda la sustancia, sino que solo conduce a su descomposición. La mezcla termoestable terminada no se disuelve ni se derrite, por lo tantono está permitido reciclarlo. Este tipo de material incluye epoxi silicona, fenol-formaldehído y otras resinas.

Polímeros termoplásticos

Estos materiales, cuando se calientan, primero se ablandan y luego se derriten, y luego se endurecen cuando se enfrían. Los polímeros termoplásticos no sufren cambios químicos durante este tratamiento. Esto hace que el proceso sea completamente reversible. Las sustancias de este tipo tienen una estructura lineal ramificada o lineal de macromoléculas, entre las cuales actúan pequeñas fuerzas y no hay absolutamente ningún enlace químico. Estos incluyen polietilenos, poliamidas, poliestirenos, etc. La tecnología de materiales poliméricos de tipo termoplástico prevé su producción mediante moldeo por inyección en moldes enfriados por agua, prensado, extrusión, soplado y otros métodos.

Propiedades químicas

Los polímeros pueden estar en los siguientes estados: fase sólida, líquida, amorfa, cristalina, así como deformación altamente elástica, viscosa y vítrea. El uso generalizado de materiales poliméricos se debe a su alta resistencia a diversos medios agresivos, como ácidos concentrados y álcalis. No están sujetos a la corrosión electroquímica. Además, con un aumento en su peso molecular, disminuye la solubilidad del material en solventes orgánicos. Y los polímeros, que tienen una estructura tridimensional, generalmente no se ven afectados por los líquidos mencionados.

Propiedades físicas

La mayoría de los polímeros son aislantes, además, son materiales no magnéticos. De todos los materiales estructurales utilizados, solo ellos tienen la conductividad térmica más baja y la capacidad calorífica más alta, así como la contracción térmica (unas veinte veces más que la del metal). El motivo de la pérdida de hermeticidad de varios conjuntos de sellado en condiciones de baja temperatura es la llamada transición vítrea del caucho, así como la marcada diferencia entre los coeficientes de expansión de los metales y los cauchos en estado vitrificado.

Propiedades mecánicas

Los materiales poliméricos tienen una amplia gama de características mecánicas, que dependen en gran medida de su estructura. Además de este parámetro, varios factores externos pueden tener una gran influencia en las propiedades mecánicas de una sustancia. Estos incluyen: temperatura, frecuencia, duración o tasa de carga, tipo de estado de tensión, presión, naturaleza del ambiente, tratamiento térmico, etc. Una característica de las propiedades mecánicas de los materiales poliméricos es su resistencia relativamente alta a muy baja rigidez (en comparación a los metales).

Los polímeros suelen dividirse en sólidos, cuyo módulo de elasticidad corresponde a E=1–10 GPa (fibras, películas, plásticos) y sustancias blandas muy elásticas, cuyo módulo de elasticidad es E=1– 10 MPa (caucho). Los patrones y el mecanismo de destrucción de ambos son diferentes.

Los materiales poliméricos se caracterizan por una pronunciada anisotropía de propiedades, así como una disminución de la resistencia, el desarrollo de fluencia bajo carga a largo plazo. Junto con esto ellostienen una resistencia a la fatiga relativamente alta. En comparación con los metales, difieren en una mayor dependencia de las propiedades mecánicas de la temperatura. Una de las principales características de los materiales poliméricos es la deformabilidad (flexibilidad). Según este parámetro, en un amplio rango de temperatura, se acostumbra evaluar sus principales propiedades operativas y tecnológicas.

Materiales poliméricos para pisos

Ahora consideremos una de las opciones para la aplicación práctica de polímeros, revelando la gama completa de estos materiales. Estas sustancias se utilizan ampliamente en trabajos de construcción y reparación y acabado, en particular en pisos. La gran popularidad se explica por las características de las sustancias en cuestión: son resistentes a la abrasión, tienen baja conductividad térmica, tienen poca absorción de agua, son bastante fuertes y duras, y tienen altas cualidades de pintura y barniz. La producción de materiales poliméricos se puede dividir condicionalmente en tres grupos: linóleos (en rollo), productos de baldosas y mezclas para la instalación de pisos sin costura. Echemos un vistazo rápido a cada uno ahora.

Los linóleos se fabrican a base de diferentes tipos de rellenos y polímeros. También pueden incluir plastificantes, coadyuvantes de procesamiento y pigmentos. Según el tipo de material polimérico, se distinguen poliéster (gliftálico), cloruro de polivinilo, caucho, coloxilina y otros recubrimientos. Además, según la estructura, se dividen en sin base y con base aislante del sonido y el calor, monocapa y multicapa, con una textura suave y afelpada.y superficie corrugada, así como monocolor y multicolor.

Los materiales cerámicos hechos a base de componentes poliméricos tienen muy poca abrasión, resistencia química y durabilidad. Según el tipo de materia prima, este tipo de productos poliméricos se divide en cumarona-cloruro de polivinilo, cumarona, cloruro de polivinilo, caucho, fenolitas, baldosas bituminosas, así como tableros de partículas y tableros de fibra.

Los materiales para pisos sin costura son los más convenientes e higiénicos de usar, tienen alta resistencia. Estas mezclas suelen dividirse en cemento polimérico, hormigón polimérico y acetato de polivinilo.