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• AngelYahirAlvarezGonzalez

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UNIDAD 5 5.1. Generalidades La fabricación de productos plásticos en gran escala, data de una fechacomparativamente reciente. El descubrimiento de la ebonita o hule duro por CharlesGoodyear en 1839 y el descubrimiento del celuloide por J. W. Hyatt en 1869 marcaronel comienzo de esta industria. No fue, sin embargo, sino hasta 1909 cuando uno de losmateriales más importantes, la resina de fenolformaldehído, fue desarrollada por el Dr.L.H. Baekeland y sus colegas. Desde entonces la investigación ha agregadonumerosos materiales sintéticos que varían ampliamente en propiedades físicas.En general el término plástico se aplica a todos los materiales capaces de ser moldeados o modelados. El uso moderno de ésta palabra ha cambiado su significadohasta incluir un extenso grupo de materiales orgánicos sintéticos que se hacenplásticos por la aplicación del calor y son capaces de formarse bajo presión.Sustituyen a materiales tales como el vidrio, madera y metales en la construcción y sehacen muchos artículos útiles, incluyendo revestimientos y filamentos para tejidos.Ventajas y limitaciones de los Materiales plásticosLos productos hechos de materiales plásticos pueden producirse rápidamente contolerancias dimensionales exactas y excelentes acabados en las superficies. Confrecuencia has sustituido a loa metales en los casos en que han de ser cualidadesesenciales, la ligereza de peso, la resistencia a la corrosión y la resistencia dieléctricason factores para ser considerados. Estos materiales pueden hacerse ya seatransparentes o en colores, tienden a absorber vibración y sonido y a menudo son másfáciles de fabricar que los metales. Existen diferentes clases de plásticos enproducción comercial, que ofrecen hoy en día una amplia variedad de propiedadesfísicas.El uso de los plásticos queda limitado por su comparativamente baja fuerza, por supoca resistencia al calor y en algunos casos por el alto costo de los materiales y pocaestabilidad dimensional. Comparados con los metales, éstos son más suaves, menosdúctiles y más susceptibles a deformaciones a deformaciones bajo carga yquebradizos a baja temperatura. Algunos plásticos son flamables y puedendeteriorarse a la luz del sol. 5.2. Tipos de plásticos Las materias plásticas se dividen en dos clases fundamentales: termofraguantes ytermoplásticas. La diferenciación se basa sobre la estructura molecular de suscompuestos y sobre su comportamiento en presencia de calor en la fase deelaboración. Durante el estampado de un termoplástico no se verifica ninguna reacciónquímica y el estampado no es irreversible por que las termoplásticas pueden ser llevadas al estado plástico y sucesivamente de nuevo al estado sólido sin que pierdansensiblemente sus características. Las resinas termofraguantes se obtienen por policondensación. El policondensado es un material termofraguante porque en la fasede elaboración, cuando se caliente y se somete a la acción de la presión, se determinauna reacción química que provoca una reestructuración de carácter irreversible de lamolécula: una vez formado, un termofraguante no es más recuperable. Sontermofraguantes por ejemplo, las resinas fenólicas, las melanímicas, las uréicas y elpoliester. 5.3. Materias primas En un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origenvegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceitesde semillas y derivados del almidón o del carbón. La caseína de la leche era uno delos materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del nailon

sebasaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el nailon 11 se fabricatodavía con semillas de ricino, la mayoría de los plásticos se elaboran hoy conderivados del petróleo. Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratascomo abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienenun límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificacióndel carbón.El petróleo en su refinado se divide por destilación en varias fracciones, de las cualesla que se emplea para la fabricación de los plásticos es la de las naftas. La nafta mediante un proceso térmico denominado “craking”, se trans forma en una mezcla deetileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos ligeros; a partir de esta mezcla seobtiene la materia prima para los plásticos.Pero el proceso no acaba ahí, ya que por ejemplo el etileno supone materia prima paraunos determinados plásticos; y a partir de él por reacción con diferentes compuestosse obtienen productos como el estireno o el cloruro de vinilo, que a su vez son materiaprima para otros plásticos.Los plásticos son polímeros y se producen mediante un proceso llamadopolimerización: enlaces químicos entre monómeros para crear polímeros. El tamaño yla estructura de las moléculas, así como la naturaleza de los enlaces confieren a losplásticos sus propiedades.Las materias primas para los compuestos plásticos, son diversos productos agrícolas ymuchos otros materiales minerales y orgánicos, incluyendo carbón, gas, petróleo,piedra caliza, sílice y azufre.En el proceso de fabricación se agregan otros ingredientes tales como polvoscolorantes, solventes, lubricantes, plastificantes y materiales de relleno. El aserrín, laharina, algodón, fibras de trapo, asbesto, metales pulverizados, grafito, vidrio, arcilla ytierra diatomácea son los materiales más importantes usados como relleno. Taleproductos como asientos para sillas a la intemperie, telas plásticas, recipientes parabasura, fundas para máquinas, artículos para equipaje, cascos de seguridad, cañaspara pescar y partes para instrumentos, son ejemplos de los productos que utilizaneste relleno.Su empleo reduce los costos de fabricación, disminuye el encogimiento, mejora laresistencia al calor, suministran resistencia al impacto o le imparten al producto otraspropiedades deseables. 5.4. Compuestos termofraguantes (fenólicas, resinosas y furámicas) Los materiales plásticos se pueden clasificar en termofraguantes y termoplásticos.Termofraguantes.Son formados mediante calor y con o sin presión, resultando un producto que espermanentemente duro. El calor ablanda primero al material, pero al añadirle más calor o sustancias químicas especiales, se endurecen por un cambio químico conocidocomo polimerización y no puede ser reblandecido.La polimerización es un proceso químico que da como resultado la formación de unnuevo compuesto cuyo peso molecular es un múltiplo del de la sustancia original.Los procesos utilizados para plásticos termofraguantes, incluyen compresión o moldeode transferencia, colado, laminado o impregnado.FenólicasEs uno de los principales plásticos termofraguantes que se usan en la actualidad en laindustria. Dicha resina sintética se elabora mediante la reacción del fenol con elformaldehído, forma un material duro, de alta resistencia, durable, capaz de ser moldeado bajo una amplia variedad de condiciones. Este material tiene alta resistenciaal calor y al agua y puede producirse en una gran variedad en colores. Se usa en lafabricación de materiales de revestimiento, productos laminados, ruedas de esmeril yagentes aglutinantes para metal y vidrio, pudiendo moldearse en muchas formasútiles, tales como cajas moldeadas, clavijas eléctricas, tapones de botella, perillas,carátulas, mangos para cuchillos, gabinetes para radio y otras numerosas parteseléctricas. Los compuestos fenólicos son moldeados por compresión o moldeo detransferencia.Resinas amínicasLas resinas más importantes son formaldehído de urea y formaldehído de

melanina.Este componente plástico, también termofraguante, se puede obtener en forma depolvo para moldear o en solución para usarse como liga y adhesivo. A la vez secombina con una variedad de relleno, mejora las propiedades mecánicas y eléctricas.Las buenas características de flujo de la resina de melanina hacen un modelo detransferencia, conveniente para tales artículos como vajillas, piezas de encendido,perillas y estuches para rasuradoras. 5.5 Celulosas, poliestirenos, polietilenos y propilenos. Los termoplásticos, son procesados principalmente por inyección o moldeo soplado,extrusión, termoformado y satinado.CelulosasLas celulosas son termoplásticos preparados de varios tratamientos con fibras dealgodón y madera. Son muy tenaces y se producen en una amplia variedad decolores. Acetato de celulosa.Es un compuesto más estable que tiene una resistencia mecánica considerable y fácilde ser fabricado en láminas o ser moldeado por inyección, compresión y extrusión.Con este compuesto de fabrican envases de exhibición, juguetes, perillas, cuerpos delámparas eléctricas, revestimientos de cerdas para brochas de pinturas, etc. Acetato-butirato de celulosa.Es un compuesto para moldeos, es similar al acetato de celulosa y ambos se producenen todos loso colores por los mismos procesos, en general se reconoce por su bajaabsorción de humedad, por su fuerza, estabilidad dimensional bajo diversascondiciones atmosféricas y por su capacidad para ser extruido continuamente. Esutilizado para fabricar los siguientes productos: cascos para futbol, armazones paraanteojos, charolas, cinturones, etc. PoliestirenosEs un material adaptado especialmente para moldeo por inyección y extrusión. Algunas de sus características más notables son. Su bajo peso específico (1.07), esfácil de obtener en colores claros a opaco, resistentes al agua y a la mayor parte deloa gentes químicos, estabilidad dimensional y buenas características de aislamiento.PolietilenosLos productos de polietileno son flexibles tanto temperatura ambiente normal como abajas temperaturas, son a prueba de agua, no los afecta la mayoría de los agentesquímicos; son capaces de sellar por calor y pueden producirse en muchos colores. Elpolietileno es uno de los plásticos más ligeros, pudiendo flotar en el agua, tiene unadensidad de .91 a .96. es uno de los plásticos más económicos y sus característicasde resistencia a la humedad favorecen para envolver y para hacer bolsas. Otrosproductos son: charolas para cubos de hielo, charolas para revelado, telas, material deenvoltura, biberones, mangueras para jardín, cables coaxiales y partes aislantes paraaplicaciones de alta frecuencia. Estos productos se pueden fabricar en moldeo por inyección, moldeo soplado o extruirse en láminas, películas, etc.PolipropilenoPuede ser procesado por todas las técnicas termoplásticas. Tiene excelentespropiedades eléctricas, alta resistencia al impacto y a la tensión, con buena resistenciaa los productos químicos y al calor. Los monofilamentos de polipropileno se usan parahacer sogas, redes y telas, también se fabrican artículos para hospital y laboratorio, juguetes, muebles, etc.Resinas furánicasLas resinas furánicas de obtienen procesando productos agrícolas de desecho, talescomo olotes, cascaras de arroz y de semillas de algodón, con ciertos ácidos. La resinatermofraguante que se obtiene es de color obscuro resistente al agua y tieneexcelentes cualidades eléctricas. Estas resinas también son usadas como aglutinantespara arena de corazones de fundición, como aditivos endurecedores para enyesar,también como agentes adhesivos en compuestos de piso y en productos de grafito

• Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y comomaterial refractario. • Diboruro de magnesio (Mg B 2), es un superconductor no convencional.• Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.• Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas. • Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. • Ladrillos, utilizados en construcción• Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares• Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7 -x), superconductor de alta temperatura. Propiedades mecánicas de la cerámicaLos materiales cerámicos son generalmente iónicos o vidriosos. Casi siempre sefracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden aser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan comoentallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzosmencionados.Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidezde la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientospara dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con losmateriales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de ladeformación plástica, y también es muy lenta. Aún así, es omitido en muchasaplicaciones de materiales cerámicos.Tienen elevada resistencia a la compresión y son capaces de operar en temperaturasaltas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo ycomo puntas cortantes de herramientas.Procesado de materiales cerámicosLas cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrioes formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado,estirado, colado o flotado.Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango deprocesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de doscategorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por formaciónde polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos mencionados. 5.6.1. Estructura y propiedades de cerámicos Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes.Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesosconsiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para quepuedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales seencuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.Materiales cerámicosEntre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio yel carburo de tungsteno. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridosiónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confierenpropiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión.Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de losmetales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos.Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicosno cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.Cerámicos cristalinosSe obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el desolidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristalesregulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas,superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.Cerámicos no cristalinosSe

obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamientoes rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que losátomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.Vitro cerámicosSe fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso deenfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales,pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristalesque les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.Propiedades y aplicacionesLos materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: • Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. • Son capaces de soportar altas temperaturas• Tie nen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión • Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas. Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo decerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que losmetales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que losenlaces iónico-covalentes.Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible.Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos ocompositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de unpolímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, conlo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto,resistencia a la rotura.Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materialeshíbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals,compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como elcobalto, el cromo y el hierro.Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultadpara ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al materialcerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación.Resistencia a la temperaturaEsta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos:elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos elvolframio.Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choquestérmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumenque determinan la aparición de gritas y su posterior rotura.Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.Resistencia a los agentes químicosLa estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su granestabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y alos agentes químicos.Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y delos agentes químicos a que vayan ser sometidos.La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.

5.6.2.Cerámicas Tradicionales: Pastas Triaxiales Cerámicas muy complejas y ampliamente utilizadas •Productos de alfarería •Ladrillos y tejas •Azulejos •Porcelana •Aislantes •Refractarios Componentes habituales:-Arcilla (cuerpo principal de cerámica: caolinita, montmorillonita,...)-Sílice (desengrasantes)-Feldespatos (fundentes)Pasta triaxial + calor mezcla de fases cristalinas y amorfas •Arcilla Aluminosilicatos hidratados + pequeñas cantidades de otros óxidos:TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O,...Se distinguen dos tipos: Arcillas primarias (“Arcillas chinas”) Fundamentalmente Caolinita (Fabric. Porcelanas) Arcillas secundarias (o sedimentarias)Fundamentalmente MontmorillonitaForman coloides fácilmenteClasificación:-Arcillas grasas o de bola (ricas en caolin)-Arcillas silícicas (hasta 60% SiO2)-Arcillas rojas (hasta 10% Fe; alfareria tejas-Arcillas de gres (ricas en alcalinos)-Arcillas micaceas (» 10 % de micas) ArcillaLa más empleado es la caolinita o arcillas de bolaSilicato laminar 1:1Capa [Si2O5]2- y capa [Al2(OH)4]2+;Si2Al2O5(OH)4 ó Al2O3-2SiO2-2H2OGeneralmente llevan montmorillonitas y esmectitas (silicatos laminares 2:1 decomposición variable) 5.6.3. Propiedades generales y aplicación de los cerámicos. En comparación con los metales, los cerámicos tienen las siguientes característicasrelativas: fragilidad, alta resistencia mecánica y dureza a temperaturas elevadas,módulo de elasticidad elevado y tenacidad, densidad, dilatación térmica yconductividad térmica y eléctrica bajas. sin embargo, en vista de la amplia diversidadde composiciones de material cerámico y de tamaños de grano, las propiedadesmecánicas y físicas de os cerámicos varían significativamente. Por ejemplo laconductividad eléctrica de los cerámicos se puede modificar de mala a buena. en vistade sus sensibilidad a los defectos y fallas, así como a las grietas superficiales einternas, a la presencia de diferentes tipos y niveles de impurezas y debido a métodosdiferentes de manufactura, las cerámicas pueden tener una amplia gama depropiedades. Aplicaciones de los cerámicos Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo eindustriales. se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica yelectrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistenciadieléctrica alta y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales comoimanes para bocinas. un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blancacompuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatosdomésticos y sanitarios.la capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a

temperaturaselevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Suresistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como camisasde cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posiblesgracias al uso de componentes cerámicos significan una combustión más eficiente delcombustible y una reducción en las emisiones de los automóviles