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• Tatiana Bernal

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TEMA 6. MATERIALES POLIMÉRICOS

Procesos de fabricación

Materiales compuestos

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Procesos de fabricación

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Ejemplos de plásticos

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Propiedades mecánicas de algunos plásticos Material ABS ABS, reinforced Acetal Acetal, reinforced Acrylic Cellulosic Epoxy Epoxy, reinforced Fluorocarbon Nylon Nylon, reinforced Phenolic Polycarbonate Polycarbonate, reinforced Polyester Polyester, reinforced Polyethylene Polypropylene Polypropylene, reinforced Polystyrene Polyvinyl chloride

UTS (MPa) 28–55 100 55–70 135 40–75 10–48 35–140 70–1400 7–48 55–83 70–210 28–70 55–70 110 55 110–160 7–40 20–35 40–100 14–83 7–55

E (GPa) 1.4–2.8 7.5 1.4–3.5 10 1.4–3.5 0.4–1.4 3.5–17 21–52 0.7–2 1.4–2.8 2–10 2.8–21 2.5–3 6 2 8.3–12 0.1–1.4 0.7–1.2 3.5–6 1.4–4 0.014–4

Elongation (%) 75–5 — 75–25 — 50–5 100–5 10–1 4–2 300–100 200–60 10–1 2–0 125–10 6–4 300–5 3–1 1000–15 500–10 4–2 60–1 450–40 5

Termoplásticos

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Termoplásticos •Clasificación de termoplásticos: • Comerciales • Técnicos (y de altas prestaciones)

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Termoplásticos comerciales • Termoplásticos comerciales: • Polietileno (PE) • Polipropileno (PP) • Poliestireno (PS) • Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) • Policloruro de vinilo (PVC)

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Termoplásticos comerciales POLIETILENO (PE); 1939. • El mayor volumen de plástico comercial • Envases obtenidos por soplado, depósitos de combustible y productos extruidos (tuberías y filmes). Debido a su gran facilidad de extrusión para films, los polietilenos son muy utilizados para recubrimientos de otros materiales, papel, cartón, aluminio... y para embalajes (fundas de plástico) • Barato y buena tenacidad • Nombres comerciales: Marlex, Alathon, Hostalen

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Termoplásticos comerciales

 PE de Alta Densidad (PEAD o HDPE) (High density polyethylene): Es un plástico

incoloro, inodoro, no toxico, fuerte y resistente a golpes y productos químicos. Su temperatura de fusión es de 120º C.  PE de Baja Densidad (PEBD o LDPE) (low density polyethylene): Es un polímero con cadenas de moléculas menos ligadas y más dispersas. Es un plástico incoloro, inodoro, no toxico, mas blando y flexible que el de alta densidad. Se ablanda a partir de los 85 ºC.

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Termoplásticos comerciales POLIPROPILENO (PP); 1950's - Thermoplastic (crystalline). - Se utiliza para hacer jeringas de uso médico, vasos y piezas para el interior de automóviles. - Posee una alta lubricación, alta resistencia a la flexión (excelente para las bisagras), excelente rigidez dieléctrica y resistencia química, buena resistencia al impacto, resistencia a los disolventes y alta. Es barato y electroplatable. Es difícil de pintar, imprimir, enlazar. Será atacado por el ácido nítrico fumante y degradado por radiación UV e ionizante. - Nombre Comercial: Marlex HGL, Fortilene 1800 series (FDA materials).

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Termoplásticos comerciales  La fabricación del polipropileno se inició en 1957.  Este plástico, con una microestructura semicristalina, supera en propiedades

mecánicas al polietileno, su densidad es la más baja de todos los plásticos, y su precio también es bajo. Inicialmente, tenía una gran sensibilidad al frío, y a la luz ultravioleta, lo que le hacía envejecer rápidamente. Por este motivo su uso se vio reducido a unas pocas aplicaciones .  El descubrimiento de nuevos estabilizantes a la luz, y la mayor resistencia al frío

conseguida con la polimerización propileno-etileno, y la facilidad del PP a admitir cargas reforzantes, fibra de vidrio, talco, amianto, etc. y el bajo precio dieron gran auge a la utilización de este material .  Es generalmente opaco y con gran resistencia al calor pues funde a una

temperatura más elevada (160 ºC)(Tg = -28 ºC). Es muy resistente a los golpes, tiene poca densidad y se puede doblar muy fácilmente, resistiendo múltiples doblados por lo que es empleado como material de bisagras (buena resistencia a fatiga). También resiste muy bien a los productos corrosivos. 12

Termoplásticos comerciales POLIESTIRENO (PS); 1930 - Se utiliza para materiales de embalaje económicos, bolígrafos, maquinillas de afeitar, cubiertos, y cajas de CD joya. En el formato de espuma de poliestireno, PS se utiliza para hacer de alto rendimiento, de pared delgada, fácil de moldear partes donde la estructura no es primordial - Un material no es estructuralmente fuerte, pero fácil de moldear, es barato, el habitual: máquina bien, y posee una excelente transparencia. - Trade Name: Novacor 555.

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Termoplásticos comerciales • Propiedades generales (PS cristal): • Baja densidad • Altamente lineal, atáctico, amorfo y transparente • Alto límite de Young. Aceptable resistencia mecánica. Resiste a los golpes si HIPS. Muy baja ductilidad. Dureza Shore D de 85 a 90, similar a la del policarbonato (PC). • Buena resistencia al ataque químico • Fácil procesamiento (permite ser procesado en un amplio rango de temperaturas) • Fácil coloración • Bajo costo • Buen brillo • Temperatura de transición vítrea alrededor de 102ºC • Es el cuarto plástico más consumido tras PE, PP y PVC

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Termoplásticos comerciales ACRILONITRILO-BUTADIENO-ESTIRENO (ABS); 1960's. -

Se utiliza en carcasas para electrónica, productos de consumo, accesorios de tubería, tubos de desecho, carcasas de ordenador (galvanizado por dentro), y el interior del automóvil y molduras exteriores.

-

Es difícil, duro y rígido. Buena resistencia química y estabilidad dimensional, resistencia a la fluencia, resiste recubrimientos de plata, bajo costo. Tendencia a la fisuración por tensión.

-

Trade Name: Cycolac, Lustran.

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Termoplásticos comerciales  El ABS es más complicado que el SAN. Está hecho por medio de la polimerización de

estireno y acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. El polibutadieno tiene enlaces dobles carbono-carbono en su estructura, que pueden también polimerizar. Resulta una cadena de polibutadieno, conteniendo cadenas de SAN injertados en él. El ABS mejora la tenacidad del SAN y también del HIPS. No es transparente. En término de tonelaje es el quinto plástico en el mercado.

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Termoplásticos comerciales  El ABS es muy fuerte y liviano por lo que se usa en la fabricación de piezas para

automóviles. Es más fuerte que el poliestireno debido a los grupos nitrilo en sus unidades de acrilonitrilo. Los grupos nitrilo son muy polares por lo que se atraen mutuamente. Esto permite que las cargas opuestas de los grupos nitrilo puedan estabilizarse. Esta fuerte atracción sostiene firmemente las cadenas de ABS, haciendo el material más fuerte. También el polibutadieno, con su apariencia de caucho, hace al ABS más resistente que el poliestireno.

 El ABS se originó por la necesidad de mejorar algunas propiedades del poliestireno

de alto impacto que tiene tres desventajas importantes: ―Baja temperatura de ablandamiento. ―Baja resistencia ambiental. ―Baja resistencia a los agentes químicos.  La incorporación del acrilonitrilo en la siguiente fase, imparte mayor temperatura de ablandamiento y mejora considerablemente la resistencia química. Sin embargo, la resistencia ambiental se vuelve todavía menor. Las propiedades del ABS son suficientemente buenas para muchas aplicaciones. 17

Termoplásticos comerciales POLICLORURO DE VINILO (PVC); 1931 - Se utiliza en tuberías y accesorios, cables y aislamiento de los cables, film extruido y laminado, y aplicaciones médicas.

- Sus grados flexibles son fáciles de procesar. Sus grados rígidos tienen una alta

resistencia dieléctrica, estabilidad al aire libre, resistencia química, estabilidad de la humedad buena, y bajo costo. Ambos tienen baja resistencia al calor.

- Trade Name: Geon, Viclon.

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Termoplásticos comerciales  Existen, por tanto, dos variedades fundamentales de PVC:

― PVC rígido. También se le denomina PVC sin plastificar (unplasticided PVC), las siglas serían UPVC. ― PVC plastificado. El contenido de plastificante puede llegar al 40% y poseer un comportamiento muy cercano al caucho  Para los PVC de alto impacto se emplea como fase dispersa:

― ABS. Plástico opaco ― MBS (metacrilato-butadieno-estireno). Transparente (ambas fases poseen índices de refracción similares). Se fabrican botellas, films, etc. ― PE clorado. Mejor resistencia al envejecimiento. ― EVA  Es también posible obtener espumas flexibles de PVC

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Termoplásticos técnicos • Termoplásticos técnicos: • Polimetacrilato de metilo (PMMA, polímeros acrílicos) • Policarbonato (PC) • Politetrafluoretileno (PTFE, Teflón) • Politereftalato de etileno (PET) • Poliamida (PA, nylon) • Poliaramida (Kevlar, Nomex) • Polioximetileno (POM) • Polióxido de metileno (PPO, PPE) • Polisulfonas (PSU) • Polieteretercetona (PEEK) • Poliimida (PI) • Etc.

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Termoestables

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Termoestables • El proceso de polimerización se suele dar en dos etapas: en la primera se produce la polimerización parcial, formando cadenas lineales mientras que en la segunda el proceso se completa entrelazando las moléculas aplicando calor y presión durante el conformado. La primera etapa se suele llevar a cabo en la planta química, mientras que la segunda se realiza en la planta de fabricación de la pieza terminada. También pueden obtenerse plásticos termoestables a partir de dos resinas líquidas, produciéndose la reacción de entrecruzamiento de las cadenas al ser mezcladas (comúnmente con un catalizador y un acelerante). • La reacción de curado es irreversible, de forma que el plástico resultante no puede ser reciclado, ya que si se incrementa la temperatura el polímero no funde, sino que alcanza su temperatura de degradación. • Los plásticos termoestables poseen algunas propiedades ventajosas respecto a los termoplásticos. Por ejemplo, mejor resistencia al impacto, a los solventes, a la permeación de gases y a las temperaturas extremas. Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del material (frágil). • Los termoestables que se presentan en resina, se puede reforzar en forma relativamente fácil con fibras, como las de fibras de vidrio, por ejemplo, formando así, los plásticos reforzados. Los termoplásticos también se pueden ocupar con esta técnica. 22

Termoestables • Resinas termoestables:

• Fenólicas (baquelita) • Ureícas y de Melamina • Poliéster • Epoxi • Poliuretano

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RESINAS DE POLIÉSTER Están fabricados con una fina lámina de aluminio y una lámina de poliéster

Carretes de fotos en poliéster (anteriormente en nitrato de celulosa y después en acetato de celulosa) 24

RESINAS DE POLIÉSTER

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RESINAS DE POLIÉSTER RESINAS DE POLIÉSTER; 1942  



Se trata de poliésteres insaturados obtenidos por policondensación. Estos difieren de los poliésteres saturados que son termoplásticos (PET, PBT, etc.) Características: ― Elevada rigidez dieléctrica ― Buena resistencia a las corrientes de fuga superficiales ― Buena resistencia a la humedad ― Buena resistencia a los disolventes ― Buena resistencia al arco eléctrico ― Excelente estabilidad dimensional ― Arden con dificultad y con un humo muy negro Se designa con la abreviatura RP. Su principal propiedad es que polimeriza a temperatura ambiente con ayuda de un elemento químico endurecedor, lo que confiere gran facilidad para utilizarlo en elementos con un proceso de fabricación sencillo. Este tipo de plástico es rígido, duro y frágil.

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RESINAS EPOXI RESINAS EPOXI (EP); 1946

Un circuito encapsulado sobre un circuito impreso

Grupo epoxi

Grupo epoxi

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RESINAS EPOXI  Propiedades y características generales

― No se desprenden gases durante su endurecimiento ― El material no se contrae una vez terminado el proceso de endurecimiento ― Se emplean puras o diluidas con carga. ― Una vez endurecidas, se adhieren a casi todos los cuerpos ― Se utilizan a temperatura ambiente o algo más elevada ― Buena resistencia mecánica ― Buena resistencia a los agentes químicos

Reacción de polimerización de un epoxi con diaminas (endurecedor)

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RESINAS EPOXI  Aplicaciones  En resinas epoxídicas, solo se pueden nombrar algunas de las aplicaciones, ya que

la lista es extensa, debido a la extrema utilidad que estos polímeros tienen en la industria, en la electromecánica, en la vida diaria, etc.

―Revestimiento e impregnación aislante (por ejemplo, en los bobinados de los motores) ―Adhesivos. Se considera que los adhesivos epoxídicos son, después de los naturales, los mas consumidos en el mundo, en cualquiera de sus formas y aplicaciones. ―Barnices aislantes ―Recubrimientos varios: pantallas metálicas, elementos activos de máquinas eléctricas, piezas de conexión eléctricas, etc. ―Uno de sus usos mas difundidos es la construcción con este material de transformadores de medida para tensiones de hasta 80 kV. ―Las resinas epoxi pueden modificarse de acuerdo al uso previsto mediante la adición de "cargas" o refuerzos de fibras. 29

RESINAS DE POLIURETANO

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RESINAS DE POLIURETANO

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RESINAS DE POLIURETANO RESINAS DE POLIURETANO (PUR); 1940 

El poliuretano es una materia sintética sobre una base de dos componentes líquidos. El poliol (Componente A) y el isocianato (Componente B) se unen en la cabeza mezcladora de la máquina (es un mezclador-agitador ultrarrápido que es similar a un tornillo sin fin). Variando la proporción de la mezcla, pueden modificarse las propiedades físicas resultantes. Hay una gran variedad de plásticos identificados como poliuretanos.



Propiedades: ―Altamente resistentes al desgaste. ―Muy resistentes al impacto. ―Alta rigidez dieléctrica. ―Inalterables a los agentes químicos (solventes, ácidos, etc.). ―Se hacen frágiles (degradación) por exposición al exterior que puede ser resuelto mediante la adición de aditivos.

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RESINAS DE POLIURETANO 

Se utilizan adhesivos y sellantes de poliuretano en construcción, transporte, y otras aplicaciones donde su alta resistencia mecánica y a la humedad y su durabilidad son requeridas. Amount of polyurethane used (millions of pounds)

Percentage of total

Building & Construction

1459

26.8%

Transportation

1298

23.8%

Furniture & Bedding

1127

20.7%

Appliances

278

5.1%

Packaging

251

4.6%

Textiles, Fibers & Apparel

181

3.3%

Machinery & Foundry

178

3.3%

Electronics

75

1.4%

Footwear

39

0.7%

Other uses

558

10.2%

Total

5444

100.0%

Application

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Cauchos

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Cauchos

Arandelas y ruedas dentadas para uso industrial

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Cauchos Materiales espumados

Rodillos

Aislantes

Tornillos

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Cauchos La rodadura de este neumático está fabricada con un caucho de poliestirenobutadieno. Los laterales son de caucho de poliisopreno. Y el revestimiento interior es de poliisobutileno. Además, los neumáticos están reforzados con hilo de acero o con Kevlar. El caucho natural está presente a modo de mezclas.

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Cauchos INTRODUCCIÓN • Los cauchos se clasifican principalmente en: cauchos termoestables y termoplásticos. • De estos dos grupos, los cauchos termoestables constituyen la industria más antigua que usa materiales poliméricos. Originalmente sólo se trabajaba con caucho natural, pero ahora hay muchos tipos de elastómeros sintéticos. Así, los cauchos también pueden clasificarse en naturales y sintéticos. • Características fundamentales: • Tg por debajo de la ambiente. • Amorfos en condiciones normales pero algunos cristalizables por estiramiento. • El grado de entrecruzamiento condiciona el grado de elasticidad. • Métodos habituales de transformación: compresión, transferencia, inyección, extrusión y calandrado. Si hay vulcanización ocurre durante el proceso de moldeo salvo en los dos últimos que es posterior.

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Cauchos • Aditivos específicos: • Vulcanizantes • Azufre y peróxidos para cauchos saturados • Acelerantes de la vulcanización • Activadores y retardadores • Otros aditivos: • Antioxidantes • Cargas (ej. negro de humo) • Plastificantes • Lubricantes • Colorantes y pigmentos • Antiozonantes, etc. Influencia sobre las propiedades al aumentar el negro de humo

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Cauchos

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Cauchos • Hay muchos tipos de caucho, podemos dividirlos en dos grupos: • Cauchos hidrocarbonados: • Caucho natural (NR) y poliisopreno sintético (IR) • Polibutadieno (BR) • Caucho butadieno-estireno (SBR y SBS) • Cauchos de etileno-propileno (EPM y EPDM) y etileno-acetato de vinilo • Caucho butílico (IIR)

Siglas y Abreviaturas para cauchos

• Cauchos con heteroátomos: NR

Caucho Natural

SBR

estireno Butadieno

• Caucho de butadieno-acrilonitrilo (NBR)

NBR

NITRILO

CR

Cloropreno (Neopreno)

• Caucho de polietileno clorosulfonado

EPDM

Etileno - Propileno

• El caucho de silicona

Butyl

IIR

CSM

Etileno Clorosulfonado ( Hypalon)

• El caucho de poliuretano (PUR)

VMQ

Silicona

FPM

elastomero Fluorado (VITON)

PUR

Poliuretano

• Caucho de cloropreno

• El caucho de polisulfuro

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Abreviaturas comunes ABS

acrylonitrile-butadiene-styrene

DMC

dough moulding compound

ASA

acrylate-styrene-acrylonitrile

TPX*

polymethyl pentene copolymer

ATH

aluminium trihydrate

UHMWPE

ultra high molecular weight PE

BDS

butadiene-styrene block copolymer

VCM

vinyl chloride monomer = VC

BMC

bulk moulding compound

ECTFE

BOPP

biaxially oriented polypropylene

ethylene chlorotrifluoro ethylene copolymer

BR

butadiene rubber

EPDM

ethylene-propylene-diene monomer (elastomer)

CA

cellulose acetate

EPM

ethylene-propylene rubber = EPR

CAB

cellulose acetate-butyrate

EPR

ethylene-propylene rubber = EPM

CAP

celluse acetate propionate

EPS

expanded polystyrene

CE

cellulose

EVA

ethylene vinyl acetate

CMC

carboxymethyl celluse

EVOH

ethylene vinyle achol

CN

cellulose nitrate

FEP

fluorinated ethylene-propylene

CP

cellulose propionate

FRP

fibre reinforced polyester/plastics

CSM

chopped strand mat (or) chlorosulphonated polyethylene (rubber)

GMT

glass mat thermoplastic

GPPS

general purpose polystyrene

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Abreviaturas comunes GRP

glass reinforced plastic

PA 66

nylon 66

HDPE

high density polyethylene

PA 46

nylon 46

HEMA

hydroxyethyl methacrylate polymer

PA 610

nylon 610

HIPS

high impact polystyrene = TPS

PA 66/610

nylon 66/610 copolymer

LCP

liquid crystal polymer = SRP

PA 11

nylon 11

LDPE

low density polyethylene

PA 12

nylon 12

LLDPE

linear low density polyethylene

PAI

polyamide imide

MBS

methacrylate-butadiene-styrene terpolymer

PAN

polyacrylonitrile

MDPE

medium density polyethylene

PB

polybutylene

MF

melamine formaldehyde

PBT

polybutylene terephthalate = PTMT polycarbonate

NBR

nitrile rubber = acrylonitrile butadiene rubber

PC PE

polyethylene

NR

natural rubber

PEBA

polyether block amide

OPP

oriented polypropylene

PEEK

polyetheretherketone

PA

polyamide = nylon

PEEL

polyester elastomer

PAA

polaryl amide

PEI

polyester imide

PA 6

nylon 6

PEK

polyetherketone

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Abreviaturas comunes PES

polyether sulphone

PSU

polysulphone

PETP

polyethylene terephthalate

PTFE

polytetrafluoroethylene

PETG

PET copolymer

PTMT

polytetramethylene terephthalate = PBT

PF

phenol formaldehyde

PUR

polyurethane

PFA

perfluoro alkoxyl alkane

PVA

polyvinyl acetate

PHB

polyhydroxybutyrate

PVB

polyvinyl butytral (butyrate)

PI

polyimide

PVC

polyvinyl chloride

PIR

polyisocyanurate rigid (foam)

PVCC

chlorinated polyvinyl chloride

PMMA

polymethyl methacrylate

PVCP

polyvinyl chloride plasticised

PMP

polymethyl pentene

PVCU

polyvinyl chloride unplasticised

POM

polyoxymethylene

PVDC

polyvinylidene chloride

PP

polypropylene

PVDF

polyvinylidene flouride

PPE

polyphenylene ether

PVF

polyvinylflouride

PPO

polyphenylene oxide

PVOH

polyvinyl alcohol

PPS

polyphenylene sulphide

SAN

styrene acrylonitrile (copolymer)

PPSS

polyphenylene sulphide sulphone

SBR

styrene butadiene rubber

PS

polystyrene

SBS

styrene-butadiene-styrene (block copolymer)

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Abreviaturas comunes SEBS

styrene-ethylene-butadiene-styrene

SIS

styrene-isoprene-styrene

SMA

styrene maleic anhydride

SMC

sheet moulding compond

SRP

self reinforcing polymer = LCP

TPE

thermoplastic elastomer

TPO

thermoplastic olefin (rubber)

TPR

thermoplatic rubber

TPS

toughened polystyrene = HIPS

TPU

thermoplastic polyurethane (rubber) = TPUR

TPUR

thermoplastic polyurethane (rubber) = TPU

UF

urea formaldehyde

VC

vinyl chloride = VCM

XLPE

cross-linked polyethylene

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