Polímeros, Cerámicos y Compuestos
M.C. Omar Cervantes
Polímeros :
Los plásticos y los elastómeros son importantes materiales de ingeniería principalmente por su amplio rango de propiedades, la relativa facilidad con que pueden moldearse en las formas deseadas y su costo relativamente bajo.
Los materiales plásticos se pueden dividir por conveniencia en dos clases:
Termoplásticos:
Los termoplásticos requieren calor para darles forma y después de ser enfriados conservan la forma que se les ha dado. Estos materiales se pueden volver a calentar y usar de nuevo repetidamente.
Plásticos termofijos:
Plásticos termofijos:
Polímeros:
Las sustancias químicas requeridas para producir un plástico se derivan principalmente del petróleo, el gas natural y el carbón.
Los materiales plásticos se producen por la polimerización de muchas moléculas pequeñas, llamadas monómeros, para formar moléculas muy grandes llamadas polímeros.
Procesado de los polímeros:
Procesado de los polímeros:
Los métodos más comúnmente usados para los plásticos termofijos son el
Plásticos para ingeniería:
Ejemplos de termoplásticos de uso general son el polietileno, el policloruro de vinilo, el polipropileno y el poliestireno.
Ejemplos de plásticos para ingeniería son las poliamidas (nailon), el poliacetal, el policarbonato, los poliésteres saturados, el óxido de polifenileno y la polisulfona.
Elastómeros:
Los elastómeros o cauchos constituyen una gran subdivisión de materiales poliméricos y tienen gran importancia para la ingeniería.
El caucho natural se obtiene de plantaciones de árboles y aún tiene mucha demanda (cerca de 30 por ciento de la oferta mundial de caucho) debido a sus excelentes propiedades elásticas.
Temperatura de transición vítrea:
Los termoplásticos tienen una temperatura de transición vítrea por arriba de la cual se comportan como sólidos viscosos o sólidos ahulados, y por abajo de ella se comportan como sólidos frágiles parecidos al vidrio.
Temperatura de transición vítrea:
Los termoplásticos que se usan por arriba de la temperatura de transición vítrea se pueden reforzar con fuerzas de enlace intermoleculares usando átomos polares pendientes, como el cloro en el policloruro de vinilo, o mediante enlaces de hidrógeno como en el caso del nailon.
Aplicaciones:
La aplicación de los materiales poliméricos en el campo biomédico ha aumentado significativamente.
Los polímeros se usan en aplicaciones cardiovasculares, oftálmicas, de administración de medicamentos y ortopédicas.
Monómero: compuesto molecular simple que puede estar enlazado covalentemente para formar largas cadenas moleculares (polímeros). Por ejemplo: etileno.
Polímero de cadena: compuesto de alta masa molecular cuya estructura consta de un gran número de pequeñas unidades que se repiten llamadas
meros. Los átomos de carbono forman la mayoría de los átomos de la cadena principal en la mayoría de los polímeros.
Polimerización: reacción química en la cual se forman moléculas de alta masa molecular a partir de monómeros.
Copolimerización: reacción química en la cual las moléculas de alta masa molecular están formadas a partir de dos o más monómeros.
Polimerización en cadena: mecanismo de polimerización por el cual cada molécula de polímero aumenta de tamaño con rapidez una vez que el crecimiento comienza. Este tipo de reacción se presenta en tres pasos: 1) inicio de la cadena, 2) propagación de la cadena y 3) terminación de la cadena. El nombre implica una reacción en cadena y usualmente lo inicia una fuente externa. Ejemplo: la polimerización en cadena del etileno en polietileno.
Grado de polimerización: masa molecular de una cadena de polímero dividida entre la masa molecular de su mero.
Polimerización sucesiva: mecanismo de polimerización por el cual el crecimiento de la molécula del polímero se lleva a cabo mediante una reacción intermolecular sucesiva. Ejemplo: la polimerización de nailon a partir de ácido adípico y hexametilendiamina
Polimerización en masa: polimerización directa del monómero líquido a polímero en un sistema de reacción en el cual el polímero permanece soluble en su propio monómero.
Polimerización en solución: en este proceso se usa un disolvente que disuelve el monómero, el polímero y el iniciador de la polimerización. La dilución del monómero con el disolvente reduce la velocidad de polimerización, y el calor desprendido por la reacción de polimerización es absorbido por el disolvente.
Polimerización en suspensión: en este proceso se usa agua como medio de reacción y el monómero se dispersa en lugar de disolverse en el medio. Los productos de polímero se obtienen en forma de pequeñas perlas que son filtradas, lavadas y secadas para formar polvos de moldeo.
Moldeo por inyección: proceso de moldeo por medio del cual un material plástico reblandecido por calor se hace pasar a presión por un cilindro de tornillo sin fin hasta la cavidad de un molde relativamente enfriado que da al plástico la forma deseada.
Moldeo por soplado: método de fabricación de plásticos en el que un tubo hueco (bombillo) es forzado a tomar la forma de la cavidad de un molde mediante aire a presión aplicado en el interior.
Extrusión: operación en la cual un material plástico reblandecido es forzado a pasar a través de un orificio, produciéndose así un producto continuo. Ejemplo: la tubería de plástico es extruida.
Moldeo por compresión: proceso de moldeo en el cual el compuesto que se va a moldear (que generalmente ha sido calentado) se coloca primero en una cavidad del molde. Luego se cierra el molde y se aplican calor y presión hasta que el material se fragua.
Moldeo por transferencia: proceso para moldear un termofijo en el cual el compuesto que se va a moldear se reblandece primero por calentamiento en una cámara de transferencia y luego es empujado, bajo alta presión, al interior de una o varias cavidades del molde para su fraguado final.
Plastificantes: agentes químicos que se añaden a los compuestos plásticos para mejorar su flujo y procesado y para reducir su fragilidad. Ejemplo: policloruro de vinilo plastificado.
Elastómero: material que a temperatura ambiente se alarga bajo un esfuerzo pequeño por lo menos al doble de su longitud, y recobra rápidamente casi su misma longitud original cuando el esfuerzo cesa.
Vulcanización: reacción química que produce cadenas de polímero con enlaces entrecruzados. La vulcanización se refiere generalmente al entrecruzamiento de las cadenas moleculares de caucho con azufre, pero la palabra se usa también para designar otras reacciones de entrecruzamiento de polímeros, como las que se llevan a cabo en algunos cauchos de silicona.
Polímero biodegradable: tipo de polímero que es absorbido por el cuerpo humano una vez que ha cumplido su propósito; por ejemplo, las suturas absorbibles.
Biopolímero: polímeros que se usan dentro del cuerpo humano para diversas aplicaciones quirúrgicas.
Hidrogel: material polimérico blando que absorbe agua y se hincha hasta un nivel específico.
Cerámicos:
Los materiales cerámicos son inorgánicos, no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos sobre todo por enlaces iónicos y/o covalentes. En consecuencia, la composición y la estructura química de los materiales cerámicos varían considerablemente.
Propiedades de los materiales cerámicos :
Las propiedades de los materiales cerámicos varían también mucho por sus diferencias en los enlaces. En general, casi todos los materiales cerámicos son duros y frágiles, con baja resistencia al impacto y a la ductilidad. Por eso, en la mayoría de los diseños de ingeniería se evitan altos esfuerzos sobre los materiales cerámicos, en especial los esfuerzos de tensión.
Cerámicos:
Materiales cerámicos: sustancias inorgánicas no metálicas que constan de elementos metálicos y no metálicos, unidos principalmente por enlaces iónicos y/o covalentes.
Grafito: estructura en capas de átomos de carbono enlazados en forma covalente con otros tres dentro de la misma capa. Las diversas capas están unidas mediante enlaces secundarios.
Buckyball: también llamada Buckminister o bola de fullereno, es una molécula de átomos de carbono (C60) en forma de balón de futbol.
Grafito:
Otros materiales cerámicos, por ejemplo el Fe3O4, son semiconductores y encuentran aplicación en termistores para medir la temperatura. El grafito, el diamante, los buckyballs y buckytubes son alótropos del carbono y se consideran a veces como material cerámico. Estos alótropos tienen propiedades significativamente diferentes que se relacionan en forma directa con las diferencias en la estructura y el posicionamiento atómico.
Procesamiento:
El procesamiento de materiales cerámicos suele consistir en la aglomeración de pequeñas partículas mediante diversos métodos, en estado seco, plástico o líquido.
Vidrio:
Los vidrios son productos cerámicos inorgánicos de fusión que se enfrían hasta solidificarse por completo sin cristalización.
Aplicaciones:
Una de las aplicaciones importantes de las cerámicas son los recubrimientos para proteger las superficies de componentes contra la corrosión o el desgaste. Vidrios, óxidos y carburos se usan como materiales de recubrimiento para diversas aplicaciones.
Cerámicos:
Prensado en seco: operación simultánea de compactación uniaxial y conformación de partículas granulares de cerámica (y aglutinante) en un molde.
Prensado isostático: compactación y conformación simultáneas de polvos de cerámica (y aglutinante) por medio de presión aplicada uniformemente en todas direcciones.
Cerámicos:
Sinterización (de un material cerámico): proceso en el cual partículas finas de un material cerámico se enlazan químicamente entre sí a una temperatura suficientemente alta para que ocurra una difusión atómica entre las partículas.
Cocción (de un material cerámico): calentamiento de un material cerámico a una temperatura suficientemente alta para provocar la formación de un enlace químico entre las partículas.
Cerámicos:
Material refractario (cerámica): material que puede soportar la acción de un entorno caliente.
Vidrio: material cerámico hecho de materias inorgánicas a altas temperaturas; se distingue de otras cerámicas en que sus componentes se calientan hasta la fusión y luego se enfrían hasta alcanzar una condición de rigidez sin cristalizarse.
Óxido formador de vidrio: óxido que forma vidrio fácilmente; o bien, óxido que contribuye a la red de vidrio de sílice cuando se agrega a ésta, por ejemplo, el B2O3.
Modificadores de red: óxido que rompe la red de sílice cuando se añade al vidrio de sílice; los modificadores reducen la viscosidad del vidrio de sílice y favorecen la cristalización. Algunos ejemplos son: Na2O, K2O, CaO y MgO.
Cerámicos:
Vidrio flotado: vidrio plano que se produce haciendo que una tira de vidrio fundido se enfríe hasta el estado vítreo frágil mientras flota sobre un baño plano de estaño fundido en una atmósfera reductora.
Vidrio templado térmicamente: vidrio que se recalienta hasta casi su temperatura de reblandecimiento y luego se enfría rápidamente en aire para introducir esfuerzos de compresión cerca de su superficie.
Vidrio templado químicamente: vidrio que ha recibido un tratamiento químico para introducir iones grandes en su superficie a fin de provocar esfuerzos de compresión en la misma.
Cerámicos:
Esmalte de porcelana: recubrimiento vítreo aplicado a un sustrato metálico.
Esmalte vítreo: recubrimiento vítreo aplicado a un sustrato de vidrio.
Materiales compuestos:
Un material compuesto puede definirse, con respecto a la ciencia e ingeniería de materiales, como un sistema de materiales constituido por una mezcla y combinación de dos o más micro o macrocomponentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí.
Algunos materiales compuestos de plástico reforzado con fibra están hechos de fibras sintéticas de vidrio, carbono y aramida.
Materiales compuestos:
Material compuesto: sistema de materiales constituido por una mezcla y combinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí.
Fibras compuestas:
Las fibras de carbono tienen resistencia y módulo elástico altos y baja densidad, pero son caros por lo que sólo se usan en las aplicaciones que requieren su relación especialmente alta de resistencia respecto al peso.
Fibras compuestas :
Las matrices que se usan más comúnmente como fibras de vidrio para compuesto de plástico reforzado con fibras, son los poliésteres; mientras que las matrices más utilizadas de ordinario para plásticos reforzados con fibras de carbono, son las epóxicas.
Los materiales compuestos epóxicos reforzados con fibras de carbono se usan ampliamente en aplicaciones de aeronáutica y aeroespaciales.
Materiales compuestos:
Fibras de vidrio E: fibras hechas de vidrio E (eléctrico), que es un vidrio de borosilicato del cual se fabrican más comúnmente fibras para el reforzamiento de plásticos con fibra de vidrio.
Fibras de vidrio S: fibras hechas de vidrio S, que es un vidrio de silicato de magnesia-alúmina cuyas fibras se usan en plásticos reforzados con fibra de vidrio cuando se requiere unaresistencia especialmente alta en las fibras.
Concreto:
El concreto es un material compuesto cerámico constituido por partículas agregadas (es decir, arena y grava) en una matriz pastosa de cemento endurecido que suele ser de cemento portland.
Como material de construcción, el concreto tiene ventajas que incluyen su resistencia útil a la compresión, su economía, la posibilidad de fraguar en la obra, su durabilidad, resistencia al fuego y apariencia estética.
Materiales compuestos:
Cemento portland: cemento formado principalmente por silicatos de calcio que reaccionan con agua para formar una masa dura.
Concreto armado o reforzado: concreto que contiene alambres o barras de acero para resistir esfuerzos de tensión.
Concreto pretensado: concreto reforzado en el que se han introducido esfuerzos de compresión internos para contrarrestar los esfuerzos de tensión resultantes de cargas severas.
Materiales compuestos:
Asfalto: alquitrán constituido principalmente por hidrocarburos con una amplia variedad de pesos moleculares. La mayoría de los asfaltos se obtienen de la refinación de petróleo.
Madera:
La madera es un material compuesto natural formado, en esencia, de fibras de celulosa ligadas entre sí por una matriz de material polimérico constituido principalmente de lignina.
La macroestructura de la madera corresponde al duramen, que está integrado sobre todo por células vivas y transporta los nutrientes; y la albura, que se compone de células muertas.
Madera:
Las maderas se dividen en dos tipos: blandas y duras. Las maderas blandas tienen semillas expuestas y hojas angostas (como agujas), mientras que las maderas duras tienen semillas cubiertas y hojas anchas.
Las maderas blandas tienen largas células tubulares de paredes delgadas llamadas traqueidas, mientras que las maderas duras tienen una estructura celular densa que contiene vasos grandes para la conducción de fluidos.
Materiales compuestos:
Madera: material compuesto natural constituido sobre todo por un complejo conjunto de fibras de celulosa en una matriz de material polimérico formada principalmente de lignina.
Lignina: material polimérico tridimensional con enlaces cruzados, muy complejo, que se forma a partir de unidades fenólicas.
Duramen: parte exterior del tronco de un árbol que en la planta viva contiene células vivas donde se almacena alimento para el árbol.
Albura: parte más interna del tronco del árbol que en la planta viva contiene solamente células muertas.
Hueso:
El hueso es el material compuesto contenido en el cuerpo humano.
Es una mezcla de materiales orgánicos (colágeno) e inorgánicos (hidroxiapatita). La microestructura del hueso incluye dos tipos distintivos de tejidos óseos: cortical y esponjoso.
Materiales compuestos:
Hueso: material estructural del cuerpo humano.
Hidroxiapatita: componente inorgánico del hueso.
Colágeno: componente orgánico del hueso.
Hueso cortical (compacto): hueso denso que constituye la estructura externa.
Hueso reticulado (trabecular): material óseo poroso y blando que forma la estructura interna del hueso.
Remodelación ósea:
Materiales compuestos:
Materiales compuestos:
Materiales compuestos:
Materiales compuestos:
Preimpregnado: tela o colchoneta impregnada con resina de plástico lista para moldearse que puede contener fibras de refuerzo. La resina se endurece parcialmente hasta una etapa “B” y se entrega a un fabricante, el cual usa el material para formar las capas de un producto laminado. Una vez que las capas se colocan para producir la forma final, se unen entre sí, generalmente con calor y presión, mediante el endurecimiento del laminado.
Materiales compuestos:
Compuesto para moldeo por capas (CMC): compuesto de resina plástica, relleno y fibras de refuerzo, que se usa para fabricar materiales compuestos de plástico reforzado con fibra. El material CMC se preenvejece usualmente hasta un estado en el que pueda sostenerse por sí mismo y luego se corta al tamaño adecuado y se introduce en un molde de compresión. Una vez prensado en caliente, el CMC se endurece para producir una pieza rígida.
