Diapositiva 1 - Universidad Politécnica de Madrid

Transcripción

Introducción a los procesos de transformación
de materiales plásticos
Contexto General Materiales
Dr. Juan de Juanes Márquez Sevillano
Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación
ETSII-UPM. Universidad Politécnica de Madrid
Diseño y Transformación de Plásticos
¿ Qué es un plástico ?
Es un material orgánico constituido por macromoléculas, que se fabrica por vía sintética
Monómero : molécula de partida a partir del cual se
formael polímero
Polímero : agrupación química formada por la repetición
de moléculas
Homopolímero : Polímero que se obtiene a partir de un
solo monómero
Copolímero : Polímero formado por dos o más
monómeros
Denominación de los plásticos I
CA
CAB
CP
EP
MF
PA
PAI
PAN
PB
PBT
PC
PCTFE
PDAP
PE
PEI
PEK
PEEK
PES
PET
PF
Acetato de celulosa
Acetobutirato de celulosa
Propionato de celulosa
Epoxi
Melamina-formaldehído
Poliamida
Poli(amidaimida)
Poli(acrilonitrilo)
Polibuteno-1
Poli(tereftalato de butileno)
Policarbonato
Poli(clorotrifluoretileno)
Poli(ftalato de dialilo)
Polietileno
Poli(eterimida)
Poli(etercetona)
Poli(eteretercetona)
Poli(etersulfona)
Poli(tereftalato de etileno)
Fenol-formaldehído
PI
Poliimida
PIB
PMI
PMMA
PMP
POM
PP
PPE
PPS
PS
PSU
PTFE
PUR
PVC
PVDC
PVF
SI
UF
UP
Poliisobutileno
Poli(metacrilinmida)
Poli(metacrilato de metilo)
Poli(4-metil-1-penteno)
Poli(óxido de metileno); poliformaldehído; poliacetal
Polipropileno
Poli(éter de fenileno) [antes: PPO=Poli(óxido fenileno)]
Poli(sulfuro de fenileno)
Poliestireno
Polisulfona
Poli(tetrafuloretileno)
Poliuretano
Poli(cloruro de venilo)
Poli(cloruro de vinilideno)
Poli(fluoruro de vinilo)
Silicona
Urea-formaldehído
Poliéster insaturado
Denominación de los plásticos II
Letra
Propiedad indicada
Letra
Propiedad indicada
C
Clorado
N
Normal, novolaca
D
Densidad
P
Plastificado
E
Espumado, espumable
R
Mayor, resol
F
Flexible, líquido
U
Ultra, sin plastificantes
H
Alto
V
Muy
I
Resistente al impacto
W
Peso
L
Lineal, bajo
X
Reticulado, reticulable
M
Masa, medio, molecular
Denominación de los plásticos III
Ejemplos:
PA6
Poliamida obtenida de ε-caprolactama
PVC_U
PVC sin plastificar.
PVC_P
PVC plastificado
PS-HI
Poliestireno alto impacto.
PE-LLD
Polietileno lineal de baja densidad
Copolímeros
A/MMA
Acrilonitrilo/metacrilato de metilo (antes sólo AMMA)
VC/E/MMA Cloruro de vinilo/etileno/&metacrilato de metilo
Mezclas de polímeros
(PBT+PC) Mezcla de polímeros de poli(tereftalato de butileno) y
policarbonato.
(PC+ABS) Mezcla de polímeros de policarbonato y
acrilonitrilo/butadieno/estireno
(PPE+S/B) Mezcla de polímeros de polifeniléter y poliestireno resistente
al impacto en forma de copolímero de estireno y caucho de
estireno/butadieno.
Síntesis de plásticos
Polimerización
El polímero se forma a través de monómeros, con la ayuda
de catalizadores y se obtienen siempre termoplásticos
PE, PP, PVC, PS, ABS, POM, PMMA
Policondensación
La formación de macromoléculas se lleva a cabo a partir
de monómeros con dobles enlaces, se suele liberar H2O
PA, PC, PET, PBT, PPO, PPS
Poliadición
La formación de macromoléculas se hace como en la
Policondensación, pero en este caso no se liberan otros
compuestos
PUR
Clasificación. Proceso de polimerización
Homopolímero:
Formado por un tipo de monómero
Copolímero:
Formado por dos o más tipos de monómeros
Terpolímero:
Formado por tres tipos de monómeros
SB
ABS
Clasificación. Ordenación espacial (Tacticidad)
Isotáctico:
Radicales al mismo lado de la cadena
Sindiotáctico:
Radicales alternados a lo largo de la
cadena
Atáctico:
Radicales situados aleatoriamente a lo largo de la cadena
Enlaces moleculares
Enlace fuerte 300 a 500 kJ/mol
Van der Waals <50 kJ/mol
Tipo de enlace
Enlace
Enlace covalente
C-C
C=C
C ≡C
C-H
C-N
Fe
Cu
Ni
Ti
Enlace metálico
Van Der Waals
Energia enlace
KJ/mol
370
680
890
435
305
418
339
423
473
4-45
Clasificación. Estructura molecular
Termoplásticos:
Carecen de enlaces entre cadenas. Moldeables por calor,
sin modificación química y de forma reversible
Termoestables:
Existen enlaces entre cadenas. Moldeables por calor, con
modificación química y de forma irreversible
Elastómeros:
Gran densidad de enlaces entre cadenas. Moldeables por
técnicas específicas de la industria del caucho
Clasificación. Cristalinidad
Amorfos
No existe ordenación intermolecular
transparentes
menor contracción
temperatura de fusión poco definida
baja resistencia química
PVC, PS, SAN, ABS, ASA, PMMA, PC
Cristalinos
opacos o traslúcidos
mayor contracción
intervalo temperatura de fusión estrecho (3-4°C)
mejor comportamiento deslizante
PE, PP, POM, PA, PBT, PET, PPS
Clasificación. Aplicaciones
Plásticos estándar (comodities):
PE-LD, PE-HD, PP, PS, PVC
Plásticos técnicos:
PA, POM, PC, SAN, ABS, ASA, PMMA, PBT, PET
Plásticos de altas prestaciones:
LCP, PPS, PSU, PEK, PES, PTFE
Familias de plásticos I
Poliolefinas: PE, PP
PE, tapones, tubería, láminas,
contenedores,cajas,garrafas, botellas,...
PP, carcasas, cuba lavadora, cajas, mobiliario
jardín, tapón bisagra, jeringuillas, maletas,
fiambreras,...
Polímeros de cloruro de vinilo: PVC-U, PVC-P
PVC-U:codos, tubos, perfiles, láminas
PVC-P: recubrimientos,cinta aislante, suelas
zapato, guantes, muñecas,...
Familias de plásticos II
Polímeros de estireno: PS, ABS, SAN, ASA
PS, envases transparentes, cubiertos,
juguetes, peines, estuches, bisutería,...
SB, carcasas aparatos, radio, TV, video;
revestimientos, nevera, tacones, láminas,...
SAN,
teléfonos,
pulsadores,
carcasa
reflector,
triángulo
de
aviso
de
estacionamiento
ABS,
relojes,
pulsadores,
botiquines, rejillas, cascos, ...
lámparas,
Familias de plásticos III
Polimetacrilato: PMMA
cristales gafas, lupas, duchas,
vajillas, paneles , luminosos,
tapas, transparentes,...
Poliamidas: PA
encendedores, linternas, fibras,
poleas, tacos pared, sedales,…
Poliacetales: POM
mecanismos, bolígrafos, clips,
grifos, válvulas,
engranajes,resortes,
cremalleras,...
Familias de plásticos IV
Poliésteres lineales: PBT, PET
enchufes, conectores, portalámparas,
suelas planchas, tiradores horno,...
Policarbonatos: PC,....
CDs, carcasa faros auto, tapas
luminarias, carcasa PC, mirillas, lunas,
paneles aparatos,...
Ventajas de los plásticos I
Ligereza (densidad menor que los metales)
Flexibilidad (10 a 15 veces más flexibles)
Material
Módulo
elástico E
GPa
Resistencia
a la tracción Densidad ρ
σr
MPa
g/cm3
E/ρ
σr/ρ
Metales
Alumnio
71
600
2,71
26
221
Titanio
110
500
4,54
24
110
Acero al C
210
460
7,86
27
58
Nylon 30%GF
4
80
1,15
3
70
PBT 30%GF
8
100
1,52
6
70
Poliester 40%GF
32
800
1,74
18
460
Epoxi 40%GF
158
880
1,5
105
590
Plásticos
Compuestos
Ventajas de los plásticos II
Transformación rápida y económica
150 ºC -300 ºC frente a 800 ºC-1500 ºC
Sin mecanizados o acabados posteriores
Transparencia
Superior a cristales minerales con menor peso, resistencia
al impacto y libertad de diseño
Estabilidad química
Corrosión atmosférica
Disoluciones salinas
Ácidos y bases minerales
Disolventes orgánicos
Detergentes y tensoactivos
Ventajas de los plásticos III
Capacidad aislante
Frente al calor: un plástico conduce
1000 veces menos el calor que un metal
Frente a la electricidad: La conductividad
eléctrica de los plásticos es 1000
trillones inferior a la de los metales
Reciclabilidad
RECICLADO QUÍMICO
RECICLADO MECÁNICO : regranulado
Baja contaminación
Desventajas de los plásticos
Estabilidad térmica
Relajación de tensiones
Estabilidad dimensional
Aditivos para polímetros
POLIMERO (polvo puro)
ADITIVOS
PLASTICO (granza elaborada)
Aditivo-Refuerzo-Carga
ADITIVO: modifica diferentes propiedades
REFUERZO: modifica propiedades mecánicas
CARGA: reduce el coste del material
NECESARIOS: permiten técnicamente la transformación
del plástico
OPTATIVOS: mejoran y modifican las propiedades del
plástico
Tipos de aditivos
Para PROCESADO
ANTI-ENVEJECIMIENTO
Modificadores propiedades MECANICAS
Modificadores propiedades SUPERFICIALES
Modificadores propiedades OPTICAS
IGNIFUGANTES
ESPUMANTES,...
Empleo de aditivos
Dosificación correcta
Dispersión homogénea
Compatibilidad: evitar interacciones
Efectividad - precio
Aditivos Procesado
ESTABILIZANTES
ANTIOXIDANTES ( estabilizantes primarios). Efecto del O2
DESACTIVADORES DE PEROXIDOS ( estabilizantes
secundarios). Efecto del calor
LUBRICANTES
INTERNOS: evita degradación por cizalla durante
transformación
EXTERNOS: mejoran el proceso de inyección por la
disminución de la viscosidad y la adherencia
Aditivos Anti-Envejecimiento
ANTIOXIDANTES
Evitan la oxidación- degradación de los polímeros, retardan el
envejecimiento
fenoles estéricamente impedidos, aminas aromáticas
secundarias, tioéteres, fosfitos, ...
ESTABILIZANTES UV
Evitan la fotodegradación causada por la radiación ultravioleta
(luz solar y luz artificial)
pigmentos: negro de humo, TiO2,...,aminas retardadas
(HALSHindered Amine Light Stabilizers), fenoles impedidos,
fosfatos orgánicos, ...
Se precisan concentraciones altas y la eficacia dependerá:
•
•
•
•
Transparencia y color del material
Espesor de la pieza
Sensibilidad del polímero base
Condiciones de exposición
Aditivos para propiedades mecánicas I
PLASTIFICANTES
Mejoran la flexibilidad y procesabilidad, disminuyendo la
Tª de fusión y el módulo elástico
• PVC-P (plastificado): 20-50% plastificante
• PVC-U (rígido): no plastificante
ésteres ftálicos y fosfóricos, ésteres de ácidos grasos,..
REFUERZOS ( CARGAS )
minerales: talco, micas, carbonato,...
orgánicas: fibras de vidrio y bolas de vidrio
CARGAS aumentan: densidad, módulo elástico (rigidez),
resist. Tracción, dureza
CARGAS disminuyen: contracción, resistencia impacto,
brillo
Aditivos para propiedades mecánicas II
Elastómeros
Sustancias que mejoran significativamente la resistencia al
impacto del material base
caucho, EPDM, PUR, EVA, PE
Propiedades superficiales
ANTIESTATICOS
• Sustancias que disminuyen la acumulación de cargas electrostáticas para
evitar la adhesión de polvo
• internos: migran a la superficie lentamente parte hidrófila - parte hidrofóbica
• externos: se aplican sobre la superficie a partir de disoluciones acuosas o
alcohólicas
LUBRICANTES sólidos
• Productos que reducen la fricción y el desgaste
• bisulfuro de molibdeno, grafito, PTFE, PE – UHMW
CONDUCTORES
• Productos que forman caminos conductores que permiten incrementar la
conductividad eléctrica
• negro de humo, fibras de carbono, virutas metálicas
Aditivos para propiedades ópticas
COLORANTES
Productos con pigmentos que aportan color
• concentrados líquidos
• concentrados sólidos base polimérica: masterbatch
TiO2 - tonos blancos, negro de humo - tonos negros,
pigmentos orgánicos (más brillantes, menos estables),
pigmentos inorgánicos (Cd !!!)
NUCLEANTES
Sustancias que promueven la formación de núcleos de
cristalización y reducen sus dimensiones
benzoatos de Na, K, Li, arcillas, silica flúor, ...
Aditivos Ignifugantes
Sustancias que reducen y dificultan la combustibilidad de
los plásticos
COMPUESTOS HALOGENADOS y con P., mezclas
HALOGENOS/Sb2O3, COMPUESTOS de Br.
COMBUSTIBILIDAD:
INCOMBUSTIBLES (PTFE)
AUTOEXTINGUIBLES aditivados (PS, ABS, PA...)
AUTOEXTINGUIBLES intrínsecos (PPS, PES)
COMBUSTIBLES (PP, POM, PE,...)
fácilmente COMBUSTIBLES (PS, PMMA,...)
Aditivos espumantes
Sustancias que por reacción química, durante el proceso
de fabricación y por la acción de la temperatura generan
gases que generan materiales “celulares” ( se reduce la
densidad)
azodicarbonamida
Procesos de transformación de plásticos
Extrusión
Calandrado
Inyección
Soplado
Termoconformado
Rotomoldeado
Compresión
Micro-Inyección
Micro-Compresión
Extrusión
La extrusión es una técnica de fabricación para la
obtención de productos lineales al hacer pasar mediante
presión a través de una hilera un polímero fundido
Los productos que se obtienen son: perfiles, tuberías,
placas, láminas, cables, etc.
Extrusión-Goflado
El goflado es un proceso para la obtención de película
de plástico
Extrusión-Calandrado
El calandrado es un proceso de fabricación para la
obtención de placas y películas por laminación de una
materia termoplástica fundida a través de varios cilindros
Inyección
La inyección es un proceso discontinuo de producción de
piezas complejas mediante la introducción por presión
de un polímero fundido en el hueco de un molde
Soplado
El soplado es una técnica de fabricación que obtiene
piezas huecas a partir de la expansión de una preforma
caliente en estado semirígida mediante la introducción
de aire a presión
Termoconformado
El termoconformado es un proceso de producción de
piezas abiertas a partir de placas, hojas o películas
calentadas hasta el estado semirígido y presionadas
contra una matriz
Rotomoldeado
El rotomoldeado es un proceso de fabricación para la
obtención de piezas en el que se extiende el polímero
fundido mediante un movimiento de giro de un molde
Compresión
Los procesos de compresión son técnicas
transformación que permiten obtener piezas a partir
presionar un polímero entre dos matrices calientes
de
de
MicroInyección
Proceso derivado de la Inyección para la fabricación de
piezas con características microgeométricas
MicroCompresión (Hot-Embossing)
Proceso para imprimir (nanoimprinting) en pequeñas
láminas de plástico, características nanogeométricas
Comparativa de costes de fabricación
Laminado
Rotomoldeado sencillo
Termoconformado
Rotomoldeado complejo
Soplado
Inyección
Mecanizado
Distribución mundial de la producción
Producción mundial de plásticos
Consumo mundial de plásticos
Consumo de plástico
Previsiones de consumo
Consumo per cápita
Mercado español
2,2% del PIB
4.000 empresas
85.000 trabajadores
4.700.000 tn de producción
105 kg/persona año de consumo
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Extrusión
Inyección
Goflado
Soplado
Calandrado
Resto
procesos
Campos de consumo
Agentes del mercado
Transformadores
Suministradores
Polímeros
Otras materias primas
Propios
Subcontratistas
Moldistas
Oficinas técnicas
Mercado
productos de
plástico
Fabricantes de equipos
Maquinas de transformación
Equipos auxiliares
Entidades de certificación

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