Práctica RECONOCIMIENTO DE POLÍMEROS

Práctica RECONOCIMIENTO DE POLÍMEROS

OBJETIVO

1. TEORÍA

Los materiales poliméricos están constituidos por macromoléculas de peso molecular alto, las cuales son series repetitivas de unidades estructurales más pequeñas, llamadas meros o unidades de repetición. Los polímeros pueden ser de origen natural y derivarse de plantas, animales o sustancias minerales, ejemplos de estos polímeros, son la celulosa y la lana; estos también pueden ser sintéticos, los cuales son producidos a partir de productos petroquímicos como es el caso del polietileno (PE) y polipropileno (PP).

Los polímeros se pueden clasificar de acuerdo a su composición, su estructura o según su comportamiento frente al calor.

De acuerdo a su composición química, estos pueden clasificarse como homopolímeros o copolímeros. En el caso de los homopolimeros, estos están conformados por una única unidad de repetición, en tanto que los copolímeros están conformados por dos o más meros.

En el caso de su estructura, los polímeros pueden clasificarse como lineales, ramificados o entrecruzados como se muestra en la figura 1. Los polímeros lineales son aquellos que no tienen ramificaciones, en tanto los ramificados tienen pequeñas cadenas laterales a partir de la cadena principal; en el caso de los polímeros entrecruzados, estos poseen una estructura tridimensional, en donde las cadenas están unidas unas a otras por enlaces laterales.

Figura 1. Clasificación materiales poliméricos según su estructura.

En cuanto su comportamiento frente al calor, los polímeros pueden ser clasificados como termoplásticos, termoestables y elastómeros, algunos ejemplos se muestran en la tabla 1.

Lineal Ramificado Entrecruzado

Los polímeros termoplásticos, están formados por polímeros lineales que se reblandecen por el calor, estos pueden fundirse sin descomponerse y por lo tanto pueden moldearse con facilidad.

Ejemplos de estos polímeros incluyen el Polietileno (PE), Poliestireno (PS), Cloruro de Polivinilo (PVC), Acetato de Celulosa y Nitrocelulosa. El proceso de fusión y moldeo de estos materiales es reversible, por lo que pueden reciclarse.

Los polímeros termoestables, están formados por cadenas que forman una red tridimensional que se entrelaza con fuertes enlaces covalentes. Una vez se forma esta red, el polímero no puede volverse a trabajar y por lo tanto no pueden ser reciclados. Ejemplos de estos polímeros incluyen el poliésteres insaturados, resinas epóxicas y la melamina.

Los elastómeros son macromoléculas construidas por cadenas que están unidas a través de unos pocos enlaces covalentes (débil reticulación), como el caucho natural y sustancias sintéticas de características similares, cloropreno, polibutadieno y poliuretano.

Tabla 1. Clasificación de los materiales poliméricos de acuerdo su comportamiento con la temperatura.

Termoplásticos

Polietileno Polipropileno Poliestireno

Cloruro de polivinilo (PVC) Poletetrafluroetileno (Teflón) ABS (Lustran)

Poliamidas (Nylon)

Acrílicos (Pexiglas, Perpex, Lucite) Acetatos

Acetatos de celulosa Policarbonatos Poliésteres

Termoestables

Fenólicos (Bakelita) Fenólicos (Fórmica) Urea - melamina Uretanos (Espumas) Epóxicos (Araldite) Siliconas

Elastómeros Isopreno natural

Polibutadieno Estireno-butadieno Cloropreno

Poliuretanos Etileno/acrílico

En algunos casos, los polímeros se pueden denominar de acuerdo a su uso final como fibras, adhesivos, cauchos, plásticos o recubrimientos, aunque el material pueda ser adaptable a todas esas aplicaciones.

1.1. PROPIEDADES DE LOS TERMOPLÁSTICOS

Las propiedades de los materiales termoplásticos se explican por su estructura molecular y la forma en la que organizan las cadenas moleculares, de acuerdo con esto, los polímeros termoplásticos pueden ser semicritalinos o amorfos, lo cual se refiere a si las cadenas se encuentran ordenadas o desordenadas respectivamente como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Organización de las moléculas en polímeros.

1.1.1. Polímeros Semicristalinos

Los termoplásticos que tienen un punto de fusión definido, son cristalinos. La cristalización tiene dos factores asociados con ella, los cuales tienen una gran influencia en el comportamiento de los plásticos en su procesamiento. Los factores son primero, un calor de cristalización y segundo un cambio de volumen en la cristalización. El calor de cristalización es un calor extra necesario, justo para fundir el material después de que ella ha alcanzado la temperatura de fusión.

Los polímeros con capacidad de cristalizar son aquellos cuyas moléculas son química y geométricamente regulares en su estructura. Aunque un polímero puede tener diferentes grados de cristalinidad dependiendo de las condiciones de procesamiento y enfriamiento a las que es

Estructura Amorfa Estructura Semicristalina

sometido, este nunca será 100% cristalino, conforme aumenta la cristalinidad, aumenta la densidad, rigidez, resistencia y tenacidad.

Algunos ejemplos de materiales semicristalinos, incluyen al polietileno de alta y baja densidad (PEAD/PEBD), polipropileno (PP) y poliamida (PA).

1.1.2. Termoplásticos Amorfos

En los polímeros amorfos, las cadenas moleculares no tienen orden por lo que se retuercen o se enrollan al azar, no tienen un punto de fusión definido, pues ellos se reblandecen hasta que llegan a ser líquidos. Los polímeros entrecruzados o reticulados, presentan estructura morfa ya que la rigidez de su estructura no permite el ordenamiento molecular.

Ejemplos de este tipo de polímeros incluyen al Cloruro de Polivinilo (PVC), Poliestireno (PS), Acrilonitrilo, Butadienoestireno (ABS), Policarbonato (PC) y Acetato de Celulosa (CA), polimetilmetacrilato (PMMA), resina epóxica (EP), resina poliéster cristal (UP).

2. IDENTIFICACIÓN DE POLÍMEROS

La identificación de una muestra de polímero desconocido puede realizarse utilizando pruebas empíricas que permiten identificar si el polímero es termoplástico o termoestable, semicristalino o amorfo.

Cuando se requiere conocimientos más profundos del material como peso molecular, temperatura de transición vítrea, grupos funcionales, impurezas, plastificantes, tipos de colorantes, etc., se utilizan métodos de análisis químicos e instrumentales como los de espectroscopia, térmicos, cromatográficos.

Durante esta práctica, se emplearan algunos métodos empíricos que permitirán el reconocimiento de algunos materiales polímeros.

2.1. RECONOCIMIENTO DE POLÍMEROS POR MÉTODOS EMPÍRICOS

Se puede identificar un polímero reuniendo datos de observaciones como transparencia, flexibilidad, densidad, solubilidad, comportamiento a la flama, combustibilidad, duración y color de la llama, color de los humos, olor de vapores desprendidos o reacción de vapores de pirólisis.

Los aditivos como pigmentos, plastificantes, cargas, retardantes a la llama pueden interferir en los resultados de análisis. Algunas de las pruebas más utilizadas para la identificación de materiales poliméricos son:

2.1.1. Transparencia

Plásticos transparentes: Se trata de materiales que permiten ver los objetos a través de ellos.

Los plásticos transparentes presentan una estructura química amorfa. Ejemplos: Poliestireno (PS), cloruro de polivinilo (PVC), resina poliéster.

Plásticos translúcidos: Permiten el paso de una pequeña cantidad de luz lo que da como resultado que se aprecien solamente sombras cuando se mira a través de ellos. Ejemplos:

Polietileno (PE), polipropileno (PP) y nylon. Estos polímeros presentan una estructura molecular semicristalina y sus cadenas moleculares están arregladas de tal forma que obstruyen en cierto grado el paso de la luz.

Plásticos opacos: Se distinguen porque no es posible apreciar la luz a través de ellos. Suelen ser de estructura molecular semicristalina. En realidad no existe un plástico completamente opaco. La opacidad total se debe a aditivos como cargas o pigmentos.

2.1.2. Densidad

La densidad de un cuerpo es la relación que existe entre su masa y el volumen que ocupa. Para el caso de los plásticos es conveniente distinguir entre densidad propiamente dicha y densidad aparente. La primera está basada en el volumen del material sólido, homogéneo y compacto. La densidad aparente se basa en el volumen de un compuesto en forma de polvo, gránulos o pellets a granel. La densidad de algunos de los polímeros más utilizados se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Densidades aproximadas de algunos polímeros.

Densidad (g/cm³) Material

0,8 Caucho de silicona (cargado con sílice hasta 1,25)

0,83 Polimetilpenteno

0,85 - 0,92 Polipropileno (PP)

0,89 - 0,93 Polietileno de alta densidad (PEAD)

0,91 - 0,92 Polibuteno

0,91 - 0,93 Poliisobutileno 0,92 - 1,0 Caucho natural

0.92-0.94 Etileno acetato de vinilo (EVA) 0,94 - 0,98 Polietileno de baja densidad (PEBD)

1,01 - 1,04 Nylon 12

1,03 - 1,05 Nylon 11

1,04 - 1,06 Copolímeros de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) 1,04 - 1,08 Poliestireno (PS)

1,06 - 1,10 Estireno- Acrilonitrilo (SAN)

1,07 - 1,09 Nylon 610

1,12 - 1,15 Nylon 6

1,13 - 1,16 Nylon 66

1,1 - 1,4 Resinas epoxi, resinas de poliésteres insaturados 1,14 - 1,17 Poliacrilonitrilo

1,15 - 1,25 Acetobutirato de celulosa 1,16 - 1,20 Polimetacrilato de metilo 1,17 - 1,20 Poliacetato de vinilo 1,18 - 1,24 Propionato de celulosa

1,19 - 1,35 PVC plastificado (aproximadamente 40% de plastificante) 1,20 - 1,22 Policarbonato (PC)

1,20 - 1,26 Poliuretanos entrecruzados

1,26 - 1,28 Resinas de fenol-formaldehído (sin carga) 1,21 - 1,31 Polialcohol vinílico

1,25 - 1,35 Acetato de celulosa

1,30 - 1,41 Resinas de fenol-formadehído cargadas con materiales orgánicos (papel, tejido)

1,3 - 1,4 Celuloide

1,34 - 1,40 Polietilentereftalato (PET) 1,38 - 1,41 PVC rígido

1,38 - 1,41 Poliacetal (POM)

1,41 - 1,43 Resinas de urea- y melamina-formaldehído con cargas orgánicas

1,47 - 1,52 PVC clorado

1,47 - 1,55 Fenoplásticos y aminoplásticos con cargas inorgánicas 1,5 - 2,0 Polifluoruro de vinilideno

1,7 - 1,8 Resinas de poliéster y epoxi cargadas con fibra de vidrio 1,8 - 2,3 Policloruro de vinilideno

1,86 - 1,88 Politrifluorcloroetileno 2,1 - 2,2 Polietrafluoretileno

2.1.3. Comportamiento a la llama

Los polímeros son compuestos orgánicos de carbono e hidrógeno y algunas veces contienen también otros elementos como nitrógeno, cloro, silicio, flúor y otros. Todos ellos en menor o mayor medida son fácilmente combustibles.

Reacción de combustión:

Algunos delos parámetros que pueden ser identificados al utilizar esta técnica incluyen:

 Combustibilidad

Fáciles de incendiar: Tardan menos de 7 segundos en generar llama.

Difíciles de incendiar: Después de 8 segundos se origina la llama. Esta característica se debe principalmente a que son plásticos que tienen una estructura química muy fuerte la cual requiere más energía para romperse e iniciar la combustión.

 Duración de la llama

Sin importar que los plásticos sean fáciles o difíciles de incendiar, estos pueden tener la característica de que la llama se propague o no.

Los polímeros que se autoextinguen liberan ciertos gases durante la combustión que consumen el oxígeno del aire. La presencia de retardantes a la llama pueden hacer autoextinguibles a los polímeros que en forma natural no lo son.

 Color de la llama

La mayoría de los plásticos genera llama amarilla, sin embargo pueden distinguirse diferentes tonalidades como rojizas, brillantes, verdes tenues, etc.

Un reducido grupo de materiales presenta llama azul; entre estos se encuentran las poliolefinas como el polietileno y el polipropileno.

 Color de humos

Humos blancos: Los plásticos que tienen humos blancos presentan enlaces simples sin presencia de compuestos aromáticos.

Humos negros: Indica la presencia de partes aromáticas como el benceno que durante la combustión se descompone fácilmente convirtiéndose en hollín. Ejemplos de polímeros con este tipo de humos son los poliestirenos, el policarbonato, polibutilen tereflalato. En el caso de algunos polímeros como el cloruro de polivinilo se generan humos negros debido a los aditivos con que se formula.

 Olor de vapores

Cuando se calientan muestra de material plástico, se pueden identificar algunos olores característicos, los cuales están determinados por la estructura química o grupos funcionales que posea la muestra. La mayoría de las veces esta prueba es la define exactamente la muestra.

El comportamiento en la llama de algunos materiales se presenta en la figura 3.

Tabla 3. Comportamiento a la llama de algunos materiales poliméricos.

Comportamiento a la

combustión Color de la llama Olor de los humos Tipo de Polímero La sustancia arde

suavemente, se funde y se vuelve transparente en la zona de combustión

Azul Olor a parafina (cera) Polietileno (PE)/

Polipropileno (PP)

La sustancia arde suavemente y se

funde

Azul Olor a pelo quemado Poliamida (Nylon)

La sustancia arde suavemente y se

funde

Brillante y muy humosa

Olor dulce o gas

natural Poliestireno (PS)

La sustancia continúa ardiendo por sí sola,

después de haber sido retirada del

mechero

Llama azul y muy

pequeña Olor a Formaldehido Polioximetileno (POM)

La sustancia arde suavemente y se

funde

Brillante y humosa Ligero olor a caucho quemado

ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno)

La sustancia arde con dificultad, humos y

cenizas blancos

Blanca amarillenta --- Siliconas

La sustancia arde con llama, pero la combustión cesa inmediatamente que se retira del mechero

Verde claro Olor picante PVC (Policloruro de vinilo)

Difíciles de encender, se auto extinguen cuando se retira la

llama

Brillante, humos

negro Policarbonato (PC)

Arden en la llama, no se auto extinguen o lo hacen lentamente

fuera de la llama

Amarillo-naranja,

humos negros Fragante, aromático Polietilentereftalato (PET)

2.1.4. Pirólisis

La pirólisis es la descomposición térmica de un material en ausencia de oxígeno, es decir, sin exposición directa a la llama. En esta descomposición se generan vapores que pueden ser de carácter ácido, básico o neutro, el cual se observa con la coloración que tome el papel indicador de

pH que se coloca en el tubo a la salida de los vapores. Los resultados obtenidos en esta prueba para algunos materiales plásticos se muestran en la tabla 4.

Tabla 4. Resultados mostrados por el papel tornasol para algunos materiales poliméricos.

PAPEL TORNASOL

Rojo (Acido) Sin variación (Neutro) Azul (Básico) PAPEL pH

0.5-4.0 5.0-7.0 8.0-9.5

Cloruro de Polivinilo (PVC) Poliolefinas (Polietileno,

Polipropileno, EVA) Poliamidas (Nylon) Polisulfuro Polialcohol vinílico Polímeros ABS

Ésteres de celulosa Polivinilacetales Resinas fenólicas Polietilentereftalato (PET) Estireno acrilonitrilo (SAN) Aminorresinas

Poliacetal Poliestireno (PS)

Fibra vulcanizada Siliconas Resinas de poliésteres

insaturados Polimetacrilatos Polímeros que contiene

flúor Polióxido de metileno Fibra vulcanizada Policarbonato (PC)

3. PROCEDIMIENTO

A cada uno de los polímeros usados en el laboratorio, realizar las siguientes pruebas con el fin de reconocer algunas de sus características, más adelante con la información recolectada se deberá identificar el nombre de cada polímero.

3.1. Observación visual

Observar para cada muestra su color o transparencia. Tomar una fracción de la muestra contra la luz, si es una película, doblarla en varias capas, si el material es totalmente transparente es un

polímero amorfo, en tanto que si es opaco el material puede ser semicristalino o amorfo con algún aditivo.

3.2. Rigidez o dureza

Observar si la muestra es dura, semidura o blanda.

3.3. Densidad

Siguiendo el procedimiento que se muestra en el esquema de la figura 3, identificar la densidad o rango de densidades para cada una de las muestras. Apoyarse en datos que se muestran en la tabla 2. Tener en cuenta que las soluciones son preparadas con mezclas entre metanol ( , agua y ácido sulfúrico ( .

Figura 3. Diagrama secuencial para la identificación de la densidad de materiales plásticos.

NOTA: Tener en cuenta que los rangos de densidades son susceptibles de variar con los aditivos que pueda tener la muestra.

3.4. Comportamiento a la llama

Con el fin de consolidar los resultados de esta muestra, se debe tener en cuenta la información contenida en la tabla 3 y la figura 4 que se muestra más adelante.

 Tomar un trozo de muestra o aproximadamente 3 pellets (gránulos) del polímero a identificar, con una pinza o espátula.

 Acercar la muestra a la llama del mechero, contar el tiempo en segundos que tarda en incendiarse.

 Observar si enciende dentro y fuera de la llama del mechero.

 Observar el color de la llama lo más pronto posible (en los primeros 5 segundos después de encendida para evitar interferencias) desde la base hasta la punta. Esta observación se hace fuera de la llama para los polímeros que encienden fuera de la llama y se hace dentro de la llama para los que no encienden fuera de la llama.

 Determinar si el polímero funde, gotea o se carboniza, apoyarse en la información contenida en las tablas 5, 6 y 7.

Tabla 5. Comportamiento de distintos polímeros a la llama- Polímeros que funden.

Funden

Sigla Nombre

ABS Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno PVC Cloruro de Polivinilo SAN Estireno- Acrilonitrilo

SB Estireno Butadieno

PC Policarbonato

PS Poliestireno

Tabla 6. Comportamiento de distintos polímeros a la llama- Polímeros que funden y gotean.

Funden y Gotean

Sigla Nombre

POM Poliacetal

EVA Etileno acetato de vinilo PMMA Polimetilmetacrilato

PA Poliamida (Nylon)

PET Polietilentereftalato EPS Poliestireno Expandible

PE Polietileno

PP Polipropileno

Tabla 7. Comportamiento de distintos polímeros a la llama- Polímeros que se carbonizan.

Carbonizan

Sigla Nombre

MF Melamina

PU Poliuretano

EP Resina Epoxi

PF Resina Fenólica

UP Resina de Poliéster

SI Silicón

 Identificar el color del humo que desprende la muestra durante la combustión, apoyarse de las tablas 8 y 9.

Tabla 8. Polímeros con desprendimiento de humo blanco durante su combustión.

Humo Blanco

Sigla Nombre

POM Poliacetal

EVA Etileno acetato de vinilo PMMA Polimetilmetacrilato

PA Poliamida (Nylon)

PE Polietileno

PP Polipropileno

SI Silicón

Tabla 9.Polímeros con desprendimiento de humo negro y hollín durante su combustión.

Humo negro con desprendimiento de hollín

Sigla Nombre

ABS Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno PVC Cloruro de Polivinilo SAN Estireno- Acrilonitrilo

SB Estireno Butadieno

PC Policarbonato

PS Poliestireno

PET Polietilentereftalato

 Olor de los vapores: Apagar la muestra, espere a que se disipen la mayor parte de los humos.

Acercar el vapor con la mano para determinar su olor.

3.5. Pirólisis

Colocar una pequeña muestra en un tubo de pirólisis manteniéndolo por la parte superior con una pinza. En la entrada del tubo colocar un trozo de papel tornasol o papel indicador de pH, introducir un tapón de algodón previamente humedecido en agua o metanol en la boca del tubo de pirólisis.

Calentar el tubo con la llama de un mechero teniendo cuidado de NO DIRIGIR LA BOCA DEL TUBO HACIA LA CARA, hasta que se descomponga la muestra y se generen vapores. Observar el color del papel medidor de pH y leer el pH. Ubicar el resultado obtenido utilizando la tabla 4.

Figura 4. Procedimiento de identificación de algunas muestras poliméricas.

4. BIBLIOGRAFÍA

 Braun, Dietrich, Métodos sencillos de Identificación de Plásticos. 2ª edición. Barcelona

 Instituto Mexicano del Plástico Industrial, Manual de identificación de Plásticos.

INFORME DE LABORATORIO DE MATERIALES N° 1 RECONOCIMIENTO DE POLÍMEROS

Grupo: _____________ Fecha:

Nombres: ________________________________________ Código: ________________

________________________________________ ________________

Muestras Problema

Característica Observada Muestra 1 Muestra 2 Color de la muestra

Transparencia Rigidez Densidad Pirólisis (PH)

Tiempo de encendido Funde

Gotea Ceniza

Arde dentro de la llama Arde fuera de la llama Color de la llama Color de humo Olor de los vapores POLÍMERO

Conclusiones y Observaciones