INFORME-POLIMEROS (1)

7/25/2019 INFORME-POLIMEROS (1)

1/10

Laboratorio de polmeros

17 de noviembre de 2015


Johan Agudelo1, Cristian Briceo

2

Facultad de Ingeniera: Ingeniera qumica

Campus Universitario del Puente del Comn Km 7 Autopista Norte

Resumen

La aplicacin de los polmeros a nivel industrial se determina por sus propiedades mecnicas, fsicas,comportamiento trmico y caracterizacin de la estructura a partir de diferentes tcnicas, como ensayo detraccin, Calorimetra Diferencial de Barrido (DSC), anlisis termogravimtrico (TGA) y espectrometrainfrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). En esta prctica se realiz cada una de las tcnicas nombradasanteriormente en tres materiales polimricos, los cuales fueron politetrafluroetileno (PTEF) tambin llamadocinta de tefln, polietileno de alta (HDPE) y baja densidad (LDPE)

Se determin el PTEF y HDPE son materiales rgidos, duros y menos densos y dctiles, en comparacin delLDPE que presenta deformacin plstica, siendo un material dctil. Por otro lado se observo por FTIR los

compuestos de estos tres polmeros, donde el PTEF presenta CF2 y tanto LDPE y HDPE tiene enlaces CH2-CH2. Se determin la temperatura de fusin de los tres materiales; LDPE: 1!"!"!HDPR:130,151!"!"yPTEF:331,4. Por ltimo los tres materiales tienen una descomposicin en intervalos de temperatura entre 340C y480C, ya que pierden significativamente peso debido a la desestabilizacin de la estructura.

1. Introduccin

Los polmeros son grandes molculas construidaspor la repeticin de pequeas unidades qumicassimples. Estas unidades reciben el nombre demonmeros y de acuerdo a su nmero de

repeticiones, se obtiene el grado de polimerizacinde un polmero. En algunos casos se da la repeticinlineal, y en otras se forman cadenas ramificadas ointerconectadas formando retculos tridimensionales(Billmeyer, 1975).

Los polmeros han sido de gran importancia a travsde la historia debido a sus propiedades y granversatilidad. Existen desde polmeros naturales comola lana, la seda, la celulosa, y el quitosano, hastasintticos como el nylon, PVC, PET, tefln. Es poresta razn que sus propiedades mecnicas son

analizadas y estudiadas fuertemente. Entre laspropiedades que son usualmente analizadas se tienenla ductilidad, la resistencia a la traccin, fragilidad,dureza, mdulo de Young, compresiones yelasticidad.

Es de gran importancia conocer las propiedades delos polmeros debido a que son ampliamente usados

en la industria, como los sectores de alimentos,textil, petroqumica, cosmtica, y de plsticos.

Adems de la posibilidad de innovar en nuevosmateriales y con ello establecer nuevos mtodos deanlisis de propiedades.

2.

Objetivos

2.1 General

Analizar las propiedades de los materialespolimricos de la prctica en relacin a lastcnicas de caracterizacin, transicionestrmicas y comportamiento mecnico.

2.2 Especificos .

Identificar y diferenciar los equipos de

anlisis de propiedades mecnicas yqumicas presentes en el laboratorio.

Evaluar las propiedades de los materialespara sus usos en aplicaciones industriales.


2/10



3. Marco terico

El ensayo de traccin, se rige a partir de la ley deHooke en la regin elstica.

En 1676, Robert Hooke estudio las propiedadeselsticas de un cuerpo, en donde evalu los efectosde tensin y compresin en un resorte, y observo quehaba un aumento en la longitud de este material yque era proporcional a la fuerza aplicada dentro deunos lmites (ver figura.1). Concluy que ladeformacin es directamente proporcional a lafuerza deformadora.

Figura 1. Fuerza recuperada en un resorte,

(Arbelez, 2006)

Balance de fuerzas: Ley de Hooke (1), (Arbelez,2006).

! ! !!" !!!

! ! !"#$%&

! ! !"#$%%'

!"!!"#$%

!"#

!"#$!%"

!

! x= Deformacin

El estudio del comportamiento trmico de losmateriales, se realiza a partir de las tcnicasanalticas, que se enuncia a continuacin.El anlisis trmico, se refiere como las tcnicas enlas que se mide una propiedad fsica de unasustancia que se somete a una temperaturadeterminada o los productos de una reaccin enfuncin de la variacin de la temperatura, segn

Mackenzie en el ao de 1979, (Alonso, 2010). Cadauna de esas tcnicas se clasifica de acuerdo a lapropiedad fsica que se est evaluando,(ver tabla 1.)

Propiedad fsica Tcnica

Variacin de masa Termo gravimetra(TGA)

Temperatura/Entalpa Calorimetra debarrido diferencial

(DSC)Propiedades elsticas Termodilametra

Propiedadesmecnica

Anlisis termomecnico

Propiedadesacsticas

Termo simetra

Tabla 1. Clasificacin de las tcnicas de anlisis

trmico, tomado de (Alonso, 2010)

Materiales polmericos

Cinta de tefln tambin conocido comopolitetrafluroetileno (PTFE), pertenece a lospolimeros llamados fluoropolmeros, que secaracterizan por tener tomos de flor quereemplazan a los tomos de hidrgeno, en la cadenade C-H, (Groover & Gmez, 1997).

Esta polmero es utilizado en usos domsticos decocina, como en los antiadherentes, y adems encojinetes no lubricados, gracias a sus propiedadeselctricas, coeficiente de friccin bajo y buenaresistencia al calor, (Groover & Gmez, 1997).

Formula molecular (C2H4)nMtodo de

polimerizacin Adicin

Grado de cristalinidad 95%

Mdulo de elasticidad60,000 lb/pulg2

(425MPa)Resistencia a la

tensin2500 lb/pulg2

(20MPa)

Elongacin 100 a 300%Temperatura de

transicin vtrea -130F (-90C)Temperatura defusin 620F (327C)

Tabla 2. Propiedades del PTFE, tomado de

(Groover & Gmez, 1997)


3/10



Figura 2. politetrafluroetileno (PTFE), tomado de:http://www.eis.uva.es/

El polietileno (PE) es un material de bajo costo, defcil de procesamiento y actualmente el plstico conmayor produccin en el mundo. Se encuentradisponible en alta y baja densidad.

El polietileno de baja densidad (LDPE), es un

polmero con baja cristalinidad y densidad. Estematerial es utilizado como hojas, peliculas yaislamientos para alambre. Por otro lado elpolietileno de alta densidad (HDPE), presenta unaestructura lineal, con mayor cristalinidad, se usa paraproducir botellas, tubos y artculos domsticos.

Figura 3. Estructura ramificada LDPE, tomada de:http://www.eis.uva.es/

Figura 4. Estructura ramificada HDPE, tomada de:http://www.eis.uva.es/

Polmero LDPE HDPE

Polimerizacin Adicin AdicinGrado de

Cristalinidad 55% 92%

Mdulo deelasticidad

20,000

lb/pulg2(425MPa)

100,000

lb/pulg2(700MPa)

Resistencia a latensin

2000lb/pulg2(15

MPa)4000 lb/pulg2

(30 MPa)

Elongacin 100 a 500% 20 a 100%

GE 0.92 0.96Temperatura de

transicinvtrea

-148F(-127C)

-175F (-115C)

Temperatura de

fusin

240F

(115C) 275F (135C)Tabla.3 Propiedades del polietileno LDPE y HDPE

,tomado de: (Groover & Gmez, 1997)

4. Tcnicas empleadas

4.1 DSC

La Calorimetria Diferencial de Barrido (DSC,Diferential Scaning Calorimetry), es la tcnica paracaracterizar termodinmicamente sistemasmoleculares. Esta tcnica experimental permite

medir la capacidad calorfica aparente de unadisolucin macromolecualar en funcin de latemperatura, (Sabn, 2007).

4.2 TGA

El anlisis termogravimtrico, mide la variacinporcentual en el peso de un determinado material, alser sometido a un cambio de temperatura. Losresultados de la prueba experimental se observan enun termograma o curva termogravimtica (verfigura.5) , donde se representa la variacin de masa

en funcin de la temperatura o tiempo.


4/10



Figura 5. Curva termogavimtrica

4.3 Ensayo de traccin

El ensayo de traccin, es usado para obtener datos deresistencia y tensiones de deformacin de losmateriales (ver figura .6), observados en la curvatensin-deformacin, (Liesa & Bilurbina, 1990)

Figura.6. Ensayo de traccin del PTEF (1) inicio del

ensayo sin carga (2) Elongaciny reduccin rea (3)

Carga mxima (4) Formacin del cuello (5) Fractura

4.4 FTIR

la espectrometra infrarrojo por transformada deFourier (FTIR), se basa en irradiar los enlaces entrelos tomos con luz infrarroja, para luego con unespectrofotmetro recoger la luz que fue absorbidapor los enlaces. La seal tomada es transformadausando el algoritmo matemtico de Fourier, paraobtener como resultado un espectro formado por

bandas, que representan la vibracin de los enlacesentre dos tomos, (Gorbea, 2008).

El aparato consta de una lmpara generadora derayos infrarrojo, un sistema ptico dispersivo quepuede ser un monocromador con prisma o red y una

clula fotoelctrica.

4. Identificacin de compuestos

Figura 7. Espectro FTIR Cinta de tefln

El espectro infrarrojo de politetrafluroetileno, seobserva el grupo caracteristico del polmero CF2.Sin embargo tiene una adherencia de C=C.

Longitud deonda

Vibracin simtricas yantisimmtricas

Grupofuncional

502,81 Flexin CF2636,62 Flexin CF21150,45 Tensin CF21208,23 Tensin CF22343,47 Tensin C=C

Tabla 4. Seales del espectro cinta de tefln, (Ayazo& Salgado, 2010)


5/10



Figura 8. Espectro FTIR LDPE

El espectro infrarrojo del polietileno de bajadensidad, representa una estructura ramificada.

Longitud deonda Vibracin

Grupofuncional

29933.40Alargamiento

asimtrico C-H(CH3)

1465.73Deformacin

asimtrica CH-CH3

1376.63Deformacin

Simtrica CH-CH31309.63 Deformacin C-H

728.71Deformacin fuera

del plano =C-H(CH3)Tabla 5. Seales del espectro IR LDPE, (Duque,2010)

La sntesis del LDPE se realiza por medio de lapolimereazin por adicin del etileno. Contiene0.1% de otros grupos qumicos derivados delcatalizador o impurezas del etileno. Como por

ejmplo el pico en 3501 cm^-1 que identifica N-H(NH2) (ver figra 8.),(Duque, 2010).

Figura 9. Espectro FTIR HDPE

En la tabla 6, se obsera la especificacin de loscompuestos identificados en la figura 9,

Longitudde onda

Vibracin Grupo funcional

906.15

Simtrica plana

C-CH2 RCH=CH2

1371.31

Simtrica flexibleC-H CH3

1743.68

Vibracin enlaceterminal en donde

R y R '.son cadenasde alquilo

R-CO-OR`

1068.55

estiramiento,correspondiente a

unalcohol secundario RCH2-CHOH-CH2R

1665.19 Enlace terminal RCH=CHRTabla 6. Seales del espectro IR LDPE, (Pags,2010)


6/10



6. Anlisis de las observaciones y pruebas de

identificacin

Anlisis termogravimtrico (TGA):

Figura 10. Curva termogravimtrica- Cinta de

tefln

La figura 10. Se muestra la curva TGA del materialpolimrico politetrafluroetileno, se estudio en unintervalo de temperatura entre 27,73C y 441,71C,

donde se aprecia que hay una prdida de masasignificativa entre 27,71C y 368,06C quecorrespone a 2,04% de prdida de masa de lamuestra. La prdida constante de masa termina en441,71C con un porcentaje de 92,1%.

Figura 11. Curva termogravimtrica: rojo: LDPE,verde: HDPE.

La curva termo gravimtrica de LDPE y HDPE, sonmuy similares figura 11, se trabaj en un intervalode temperatura entre 27C y 616C. En el caso deLDPE hay una prdida de masa considerable de2,64% a 337C, esto representa 55 monmeros deCH2-CH2, partiendo del hecho de que el pesomolecular medio del polietileno ramificado es de50000g/mol, (Callister, 1995). A partir de estatemperatura continua una progresiva prdida de peso

hasta 579,54C donde queda 1,26% peso de muestra.Esta prdida es el resultado de la desestabilizacinde la estructura. Para el polietileno de alta densidaden 349,11C, hay una prdida de 2,71% masa lo queindica la prdida de 79 monmeros, en base a que elpolietileno lineal tiene un peso molecular medio70,000g/mol (Callister, 1995),

!!"!! !"! !"! !"#!!"#$!

!"!"#!!!

!!!!"#"!$%"&

!"""" !!"" ! !!!"#

!!"!!!"!

!"!!"#$!!"#$!

!"!"#!!!

!!"!"#"!$%"&

!""""!!"" ! !!!"#

"#""

$"#""

%"#""

&"#""

'"#""

(""#""

($"#""

"#"" (""#""$""#"")""#""%""#""*""#""

!"#$%$&$$"(&)&*+,

-*./ ,

"#""

$"#""

%"#""

&"#""

'"#""

(""#""

($"#""

"#"" $""#"" %""#"" &""#"" '""#""

!"#$%$&$$"(&)&*+,

-*/,


7/10



Ensayo de traccin:

Figura 12. Curva tensin-deformacin Cinta Tefln.

La figura 12. Se muestra la curva de tensin-deformacin del politetrafluroetileno (PTFE), endonde hay una regin elstica (ver figura. 6 (2)hasta1 Mpa con un desplazamiento de 9,35mm, en estepunto no hay deformacin plstica, por lo que si sereduce la tensin el material volver a su formainicial rigiendo la ley de Hooke (1).

Por otro lado se observa el punto de fluencia porencima de la tensin de 1 MPa donde hay un cambiode la curva de la pendiente y ocurre la transicin de ala regin plstica y el inicio de la deformacinplstica del PTEF por lo que hay una reduccin delrea de la seccin transversal. Luego la fuerzaempieza a descender, y la cinta de tefln comienzaun proceso de elongacin denominado formacin delcuello (ver figura 6. (4), con lo cual la deformacinse localiza en una seccin de la probeta del material,que da como resultado que el rea de esa seccin seangosta significativamente, hasta que el material serompe en 81,49m, teniendo una elongacin mxima

de 35,81%

Teniendo en cuenta que el grado de cristalinidad deeste fluoropolmero es del 95% siendo un polmerolineal (ver figura 2.), se espera que sea ms rgido,duro y menos denso y dctil, la figura 12. seobserva esas propiedades, ya que aunque hay reginde deformacin plstica, esta es muy corta debido a

que luego de la formacin del cuello, el material sefractura.

Figura 13. Curva tensin-deformacin LDPE

La curva de tensin-deformacin del polietileno debaja densidad Figura 13. indica que este material esdctil, ya que presenta una deformacin plsticadesde un porcentaje de elongacin del 20% en estaregin el LDPE no volver a su condicin originalcuando se deje de someter a la carga,. De acuerdo ala literatura, este resultado es correcto, teniendo encuenta que este material tiene un grado de

cristalinidad del 55%, debido a que su estructura esramificada (ver figura 3.) interfiriendo en lascadenas de un arreglo cristalino regular. (Kalpakjian,Schmid, & Jaime, 2008). Por otro lado presenta unaregin elstica hasta 7 Mpa y plstica desde7,56MPa. Por ltimo present una elongacinmaxima del 58,15% que representa una longitud dedesplazamiento 227,27mm.

"

"#$

"#%

"#&

"#'

(

(#$

" (" $" )" %"

-"0)%10*2!&,

3"45#(&6%10 *+,

"

(

$

)

%

*

&

+

'

,

" $" %" &" '"

-"0)%10*2!&,

3"45#(&6%10 *+,


8/10



Figura 14. Curva tensin-deformacin HDPE

El polietileno de alta densidad, es un material con

una estructura lineal (ver figura 4.), por ende con ungrado de cristalinidad del 92%. En base a lo anteriorla curva de tensin-deformacin HDPE Figura 14.,no se observa una deformacin plstica, solamente laregin elstica. Este polietilino es rgido, frgil, y nodctil con una elongacin mxima de 60,02% alsometerlo a una tensin de 66,77 Mpa.

Calorimetria Diferencial de Barrido (DSC)

Figura 15. Termograma Cinta de tefln

La figura 15, se observa la curva DSC delpolitetrafluoroetileno, en este estudio se manej unintervalo de temperaturas entre 27C y 616C por loque no se pudo determinar la temperatura de

transicin vtrea (tg!") de esta material, porque estentre un rango de -90!!!"(Kalpakjian, Schmid, &Jaime, 2008). Por otro lado la temperatura de fusin(Tm !" ) es aproximadamente 331,4C que deacuerdo a la literatura hay un error de 4.4C,teniendo en cuenta que la Tm!" de la cinta de tefln

es 127C. (Groover & Gmez, 1997).

Figura 16. Termograma LDPE

Figura 17. Termograma HDPE

El estudio de calorimetra diferencial de barrido, del

LDPE y HDPE, fueron muy similares. En primerlugar en la figura 16 y 17, no se observa latemperatura de transcin ya que estos materialespolimricos presentan Tg por debajo de 0 !"(Kalpakjian, Schmid, & Jaime, 2008). En el caso dela temperatura fusin del HPDE, se muestra en lafigura 17, que es 130,75!", mientras que en la figura18, no se aprecia de forma clara el Tm del LDPE, sinembargo se esperara que fuera de 1!"!"(Groover

"

("

$"

)"%"

*"

&"

+"

'"

" $" %" &" '"

-"0)%10*2!&,

3"45#(&6%10 *+,

"#""

*"#""

(""#""

(*"#""

$""#""

$*"#""

)""#""

"#"" $""#"" %""#"" &""#"" '""#""

789:5$"6&85#*;

INFORME-POLIMEROS (1)

Documents

Transcript of INFORME-POLIMEROS (1)