Manual de Ref Nat. Cos IV

Naturaleza de las

Cosas IV

Manual de referencia

Desarrollado por CORD

Adaptado para el Instituto Politécnico Loyola-

Iniciativa Empresarial para la Educación Técnica

República Dominicana

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Copyright © 2012

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Waco, Texas USA

Program Director and Chief Implementation Specialist: Agustin Navarra, Ph.D.

Authors (at CORD): Bonnie Rinard, and Holly Doughty

Technical Editor (Spanish languiaje): Gladys G. Navarra and Agustin Navarra

Production, art work and formatting: Mark Whitney and Kathy Kral

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ÍNDICE

Objetivos Generales ............................................................................................. 1

Unidad 4: Introducción a los Materiales Poliméricos............................................. 2

Capítulo 1: Aplicaciones de polímeros .............................................................. 5

Capítulo 2: Cómo se hacen los polímeros: reacciones de polimerización ................................................................................................... 8

Laboratorio 13: Hagamos espuma polimérica ................................................. 18

Capítulo 3: Estructura molecular de los polímeros .......................................... 21

Capítulo 4: Propiedades y características de los polímeros ............................ 25

Laboratorio 14: Elaboración del nailon 66 ....................................................... 32

Capítulo 5: Clasificación de polímeros ............................................................ 37

Laboratorio 15: Exploremos la diferencia entre termoplásticos y termoestables .................................................................................................. 40

Capítulo 6: Termoestables y termoplásticos ................................................... 44

Laboratorio 16: Elastómeros: Elaboremos latex de goma ............................... 46

Capítulo 7: ¿Cómo se procesan los polímeros para hacer productos? ...................................................................................................... 49

Laboratorio 17: Hagamos masilla de polímero mediante la reticulación ...................................................................................................... 55

Laboratorio 18: Clasifiquemos recipientes de plástico para reciclar ............................................................................................................. 58

Capítulo 8: Reciclaje de polímeros .................................................................. 62

Unidad 5: Introducción a los Materiales Compuestos ......................................... 68

Capítulo 1: Estructura de los materiales compuestos ..................................... 70

Laboratorio 19: Hagamos una estructura de material compuesto comestible ....................................................................................................... 74

Capítulo 2: Categorías de materiales compuestos .......................................... 77

Capítulo 3: Procesamiento, elaboración y fabricación .................................... 90

Laboratorio 20: Hagamos papel ...................................................................... 92

Capítulo 4: Productos de materiales compuestos ........................................... 98

Capítulo 5: Probamos materiales compuestos .............................................. 100

Capítulo 6: Madera: un material compuesto tradicional ................................ 105

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Laboratorio: 21: Hagamos y probemos concreto .......................................... 107

Capítulo 7: Hormigón: Material compuesto tradicional .................................. 112

Capítulo 8: Hormigón asfáltico: Material compuesto tradicional .................... 114

Capítulo 9: Reciclaje de materiales compuestos ........................................... 115

Glosario ......................................................................................................... 118

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Naturaleza de las Cosas IV

OBJETIVOS GENERALES

Al término de este curso serás capaz de:

1. Relacionar usos de materiales con sus propiedades químicas y físicas.

2. Usar la tabla periódica para predecir cómo ciertos elementos pueden combinarse con otros.

3. Predecir las propiedades que se generen con el uso de diferentes procesos industriales físicos y químicos.

4. Evaluar los efectos de procesos industriales físicos y químicos usados para producir diversos materiales.

5. Evaluar el impacto del proceso de producción sobre la salud del trabajador y el ambiente.

6. Practicar métodos industriales de medición y prueba de materiales seleccionados.

7. Simular el proceso por el cual se diseña un producto en la industria, cumpliendo con normas para su adecuada viabilidad, relación con el medio ambiente y rentabilidad.

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UNIDAD 4: INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES POLIMÉRICOS

PIENSA UN POCO SOBRE ESTO

¿Cuál de los objetos que están en la lámina de arriba se puede hacer con materiales de plástico o poliméricos?

¿Cuáles son las ventajas de los materiales de plástico? ¿Cuáles son las desventajas?

Con tantos tipos de plásticos disponibles, ¿qué características tienen estos materiales en común?

¿Cómo piensas que se construyó la casa de juegos? ¿Cómo se hacen los vasos de espuma de poliestireno?

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OBJETIVOS

Al término de esta unidad serás capaz de:

1. Modelar los enlaces químicos de una reacción de polimerización

2. Explicar cómo la estructura molecular de los polímeros afecta a sus propiedades.

3. Diferenciar las estructuras, propiedades y usos de los polímeros termoestables y los termoplásticos.

4. Demostrar ciertas pruebas usadas para verificar propiedades físicas y/o químicas de los polímeros.

5. Comparar y contrastar las diferentes maneras en que se forman los polímeros.

6. Investigar la seguridad, salud y/o problemas medioambientales asociados con la fabricación de ciertos polímeros.

7. Entender cómo se hacen los polímeros de nailon.

8. Demostrar un proceso químico.

9. Entender el concepto de reticulación.

10. Entender el concepto de enlace por puente de hidrógeno.

11. Clasificar recipientes plásticos de acuerdo con sus propiedades físicas.

12. Describir las propiedades del plástico para diferentes usos.

HABILIDADES DE PROCESO

Durante el desarrollo de esta unidad vas a adquirir y mejorar las siguientes habilidades:

Leer e interpretar una hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS por sus siglas en inglés).

Observar y describir un grupo de objetos.

Observar una reacción entre dos compuestos orgánicos.

Entender el concepto de cadenas de polímeros y la forma en la que afectan las propiedades de los plásticos.

Clasificar los polímeros y otros objetos.

Recolectar datos.

Interpretar datos.

Obtener conclusiones.

Observar propiedades y estructuras.

Experimentar con procesos de elaboración y fabricación.

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HABILIDADES DE MEDICIÓN


Medir el volumen de un líquido con una probeta.

Medir masa con una balanza.

Leer un termómetro para determinar la temperatura de un líquido.

Medir con exactitud el volumen de soluciones con una probeta.

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Capítulo 1: Aplicaciones de polímeros

Perfil laboral: Operario de planta de polímeros

Carmen trabaja como controladora de procesos en una planta de producción de polietileno. La planta compra etileno (un gas) y lo polimeriza (se explica en la próxima sección) para producir polietileno, que es un polímero sólido. Carmen pasa la mayor parte de su tiempo en la cabina de control. En ella hay varias computadoras que la mantienen informada acerca del proceso. Ella supervisa, entre muchas otras cosas, tasas de flujo, temperaturas y presiones dentro del equipo de procesamiento. Estas computadoras también permiten que Carmen haga ajustes para controlar el proceso. Por ejemplo, si se requiere un aumento en la temperatura en una parte del equipo, Carmen indica a la computadora que incremente el flujo del vapor al equipo, generando un aumento de temperatura. Carmen es técnica en química, debe manejar conceptos básicos de matemática y química. También tiene conocimientos prácticos de electricidad y equipos mecánicos, dado que estos son una parte importante del proceso de producción. Su comprensión completa de la reacción de polimerización y de las propiedades físicas de los compuestos con que trabaja, es crítica para el seguro control del proceso. Muchas otras personas de la planta dependen de Carmen para que el proceso funcione en forma segura.

Historia y uso

Aunque no te des cuenta de ello, usas polímeros todos los días. Los polímeros naturales incluyen caucho, celulosa, almidón, colágeno, almidón, ADN, proteínas. Los polímeros modernos incluyen muchos materiales que normalmente llamamos plástico como vasos, envases de leche, y peines. Los polímeros también se usan para hacer pisos de linóleo, coberturas de las luces traseras de automóviles, al igual que alfombras. ¿Por qué los polímeros se usan mucho? En general la respuesta es, porque son muy fuertes, durables y livianos. También se los pueden diseñar para tener cualidades especiales, como por ejemplo, aislantes, barreras al oxígeno o telas resistentes a las arrugas.

Los usos de los polímeros son tan variados, que explorar todos ellos va más allá de los objetivos de este texto. Por eso, en esta unidad nos enfocaremos en un uso específico de los polímeros en el campo médico: su uso como implantes en el sistema cardiovascular del cuerpo humano.

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Se han usado polímeros como implantes en el cuerpo humano durante muchos años. Uno de los primeros polímeros que cumplió esta función fue el polimetilmetacrilato, mejor conocido como PMMA (por sus siglas en inglés). Este polímero se usó en la Segunda Guerra Mundial como material de parabrisas en aviones de combate. Los parabrisas de la cabina del piloto, cuando se dañaban en combate, a veces pulverizaban fragmentos diminutos de PMMA en los ojos de los pilotos. Los cirujanos militares, mientras trataban de quitar estos fragmentos, frecuentemente informaban que el PMMA fragmentado no había causado inflamación en el tejido del ojo.

En otras palabras, el PMMA parecía ser biocompatible. (Como recordarás de las unidades 2 y 3, un material biocompatible es uno que actúa recíprocamente e interactúa con el cuerpo en una manera armónica.) La biocompatibilidad del PMMA eventualmente llevó a su uso como una lente artificial en los ojos de pacientes cuyas lentes naturales habían desarrollado cataratas (empañamiento de la lente y membranas circundantes). Las lentes hechas de PMMA podrían llevar al cabo algunas de las funciones de la lente natural y ayudar a estos pacientes a ver de nuevo.

La biocompatibilidad de los polímeros sintéticos ha llevado a su uso dentro del cuerpo humano para servir en varias funciones. Hasta ahora, los más importantes de estos polímeros han sido desarrollados para su uso en el sistema cardiovascular, compuesto por el corazón, arterias, venas y vasos capilares, el cual entrega sangre a tejidos por todo el cuerpo. Tejidos tales como los de las válvulas del corazón y los de las arterias, se pueden reemplazar por materiales que se hacen principalmente de polímeros sintéticos como el dacrón, teflón y poliuretano. Estos materiales, cuando son implantados en el cuerpo en ciertas formas, son biocompatibles no sólo con los músculos y otros tejidos conectivos del sistema cardiovascular, sino también con la sangre.

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Actividad 4-1

Esta actividad demuestra un uso de un polímero como un material super absorbente.

Materiales necesarios:

Agua destilada

Vaso de precipitado de 250 ml


Poliacrilato de sodio

Cucharita de medidas

Pañal para bebes

Procedimiento:

Llena el vaso de precipitado de 400 ml con agua.

Mide ½ cucharadita de poliacrilato de sodio y mezcla rápidamente en el agua. Si el agua no forma un gel, agrega más poliacrilato de sodio.

Invierte el vaso de precipitado para ver si el agua está “inmovilizada” y mantenida en su sitio por el poliacrilato de sodio.

Pasen el recipiente por los demás compañeros de la clase. Cada estudiante debe realizar algunas observaciones y anotarlas en su cuaderno de la asignatura.

A continuación, midan 100 ml de agua y viértela en el pañal.

Invierte el pañal para ver que el agua está “inmovilizada” y mantenida en su sitio por materiales similares al poliacrilato de sodio.

Análisis:

¿En cuáles otros usos puedes pensar para otros materiales superabsorbentes?

¿Cuáles son las ramificaciones medioambientales de los materiales superabsorbentes? ¿Son reciclables? ¿Se pueden usar de nuevo? ¿Qué materiales se necesitan para que sean o no renovables?

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Capítulo 2: Cómo se hacen los polímeros: reacciones de

polimerización

Los polímeros, desde válvulas cardiacas artificiales hasta envases de leche, son hechos con petroquímicos. Los petroquímicos son sustancias químicas hechas con derivados de petróleo y gas. Si has pasado alguna vez por las cercanías de una planta petroquímica, sabes que a menudo son increíblemente grandes y complicadas en apariencia. Un laberinto de conductos se extiende a lo alto por encima de los edificios de la planta y de tanques. Se ven llamas saliendo de las altas columnas de ventilación. A distancia, tales plantas parecen ciudades de la era espacial.

Dentro del recinto de la planta, se llevan a cabo muchos procesos diferentes. El petróleo crudo se procesa para hacer sustancias químicas tales como los alquenos (hidrocarburos con una unión covalente doble). Los alquenos, a su vez, se procesan para hacer polímeros. En la sección siguiente tendrás la oportunidad de hacer una visita desde tu silla por una parte de una planta de polímeros.

Perfil laboral: Operario de planta de polímeros (Continuación)

Control de procesos – rastreando el problema

Carmen es una operadora de control de procesos en una planta de producción de polímeros. Esta planta en particular hace polietileno, que se usa para hacer muchos productos de consumo. Carmen supervisa el equipo de procesamiento (ve el diagrama de flujo del proceso en la figura 4-1) asegurándose que todo trabaje apropiadamente. Ella se da cuenta de que durante la última hora la temperatura en el separador de materia prima ha estado más alta de lo normal. Ahora se da cuenta del aumento de temperatura en el secador de producto. Carmen llama a Héctor, un mecánico de instrumentos, y le pregunta si puede verificar la calibración de la temperatura con exactitud, porque no puede hallar la causa del incremento de temperatura. Héctor le informa que los medidores funcionan correctamente. Media hora más tarde, Carmen recibe de Regina, la técnica de laboratorio, el análisis de la última muestra del producto terminado. La muestra con los resultados de Regina dice que el producto tiene un alto nivel de impurezas. Carmen piensa por un momento y decide que las materias primas con que se está alimentando al reactor deben contener altos niveles de impurezas, dando

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origen a problemas en el producto final. Ella sabe que las impurezas pueden causar aumento de presión y temperatura en el equipo de procesamiento. Carmen llama al proveedor de la materia prima para comunicarle del supuesto problema con su material. Luego, Carmen le pide a Jaime, el operador de turno responsable del funcionamiento de la planta, que comience a tomar muestras en forma regular de la materia prima hasta que se aclare el problema.

¿Cuáles son los pasos del proceso de producción de

polímeros?

¿Qué involucra la producción de un polímero? Para Carmen el proceso de producción se puede rastrear mirando los instrumentos y las copias impresas de la computadora en la cabina de mando donde ella trabaja. Pero, ¿qué hay detrás de esta cabina de mando llena de instrumentos?

El proceso de producción consta de varios pasos. Estos pasos y el equipo involucrado en una planta típica de producción de polímeros los veremos en esta sección. Cuatro de los pasos tratan el producto y uno la materia prima. Los pasos son:

1. Reacción química, que se produce en el reactor.

2. Separación de la materia prima que no reaccionó, que se produce en el separador de materia prima.

3. Secado del polímero, que se produce en el secador.

4. Acabado, dándole forma al polímero para que tenga una forma fácil de ser usada por los clientes, que se produce en la unidad de acabado.

5. Recuperación de la materia prima o desecho de impurezas de la materia prima que no reaccionó, que se produce en una o más columnas de destilación. DRAFT

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Figura 4-1

Diagrama de flujo del proceso (planta de polímero)

Reacción, separación, secado y acabado

El primer paso en el proceso de producción es el de la reacción; que tiene lugar en la parte del equipo llamada reactor. Las materias primas (reactivos) se introducen al reactor (ver figura 4-1 parte A), y ahí reaccionan el uno con el otro para formar el polímero. En una reacción de polimerización a las materias primas se les llama monómeros.

Muchos de los polímeros que usas diariamente son sólidos; sin embargo, las reacciones de polimerización usualmente ocurren a presiones y temperaturas muy altas. Estas condiciones hacen que el polímero salga del reactor como un líquido o un gas; ambos reciben el nombre de fluidos. Estos materiales fluidos se mueven más fácilmente que los materiales sólidos por el resto del equipo de procesamiento. Sería muy difícil desplazar un elemento sólido a través del equipo de procesamiento.

Parte de la materia prima introducida en el reactor no reacciona y sale de él con el polímero. Al salir del reactor va al separador de materia prima (ver figura 4-1 parte B), donde se extrae el material sin reaccionar. Para ello es necesario elevar la temperatura en el separador de materia prima, que como tiene menor presión que el reactor, hace que se evapore la materia prima dejando un polímero terminado sólido. Por otro lado la materia prima sin reaccionar pasa a la unidad de recuperación de materia prima, mientras que el producto terminado va al secador de producto.

En el proceso de secado el ahora polímero sólido se mueve a través del secador en una cinta transportadora (ver figura 4-1 parte C). El secador está lo suficientemente caliente como para evaporar cualquier líquido atrapado en el polímero.

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Después que el polímero se ha hecho, separado y secado, se lo envía al proceso de acabado. En este paso se funde el producto y se le da forma de gránulos que son más fáciles de usar por los clientes. Se le agrega aditivos para darle al polímero propiedades especiales. Este paso se analizará en detalle más adelante.

Recuperación de materia prima

La materia prima que no reaccionó se separa del polímero en el separador de materia prima y va a la unidad de recuperación (ver figura 4-1 parte D). Este paso no involucra al polímero, sino que procesa la materia prima que quedó sin reaccionar en el reactor para limpiarla. El proceso de limpieza que se lleva a cabo en las columnas de destilación se hace eliminando cualquier impureza de la materia prima. El proceso a menudo requiere de dos columnas de destilación. Veamos primero los fundamentos de la destilación antes de saber más acerca de esta parte del proceso.

Una columna de destilación es un contenedor alto, diseñado para separar una mezcla de materiales. A la columna llega un flujo líquido que entra por la parte del medio de ella. Se calienta el fondo de la columna, usualmente con vapor, aumentando el calor hasta que la temperatura de la columna es lo suficientemente caliente como para empezar a hervir solo uno de los materiales de la mezcla. El material que hierve se vaporiza y empieza a subir. La columna de destilación usualmente tiene muchas “bandejas” en las cuales puede acumularse el líquido. Estas bandejas tienen agujeros pequeños que dejan que el líquido caiga y el gas fluya hacia arriba de la columna. El material que hierve se eleva y sale por la parte superior de la columna; el que no hirvió queda como un líquido y sale por la parte inferior de la misma.

Las columnas de destilación trabajan para separar materiales, porque diferentes materiales tienen distintas presiones de vapor a una misma temperatura. La presión de vapor a una temperatura dada de un material se determina en parte por su peso molecular y su polaridad (la separación de cargas en la molécula). Pero, si las polaridades de los dos materiales de una solución fueran demasiado diferentes, entonces serían incapaces de formar una solución. En general, un peso molecular y/o una polaridad más altos tienen por resultado una presión de vapor más baja, a una cierta temperatura.

En una planta de polímeros, la primera columna de destilación en el proceso de recuperación de la materia prima elimina las impurezas de bajo punto de ebullición. Se suministra a la columna la materia prima que no reaccionó (ver figura 4-2). La temperatura de esta columna es más baja que el punto de ebullición de las materias primas. Por eso, cualquier impureza con un punto de ebullición más bajo que el de las materias primas (componente de ebullición bajo) hervirá. Cuando la impureza de bajo punto de ebullición hierve, se evapora y sale por la parte superior de la columna. La materia prima (y las impurezas que quedan) permanece líquida, cae al fondo de la columna y sale por la parte inferior.

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La materia prima que no reaccionó y las impurezas remanentes van a la segunda columna de destilación (ver figura 4-2). Esta segunda columna elimina las impurezas con un alto punto de ebullición. La temperatura de esta columna es la del punto de ebullición de la materia prima. Cuando ésta hierve, se evapora y sale de la columna por la salida superior. Cualquier impureza con un punto de ebullición más alto que el de la materia prima (impurezas de alto punto de ebullición) queda como líquido y cae al fondo de la columna. De donde salen por la parte inferior como material de desecho.

Figura 4-2 Columna de destilación

La materia prima que salió por la parte superior de la segunda columna está limpia y vuelve al reactor para ser nuevamente usada en la reacción.

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Actividad 4-2

El control de un proceso, en el que la materia prima llega a una planta y sufre cambios físicos y/o químicos para transformarse en un producto final, ocurre en muchas industrias no sólo en las de polímeros. Los procesos pueden ser diferentes en diferentes plantas, pero algunos de los factores que se supervisan son similares en muchas industrias: presión, temperatura y tasa de flujo, entre otros. La instrumentación para supervisar estos factores es también similar.

Trabajando con dos o tres compañeros, identifica una industria en tu comunidad. Puede ser una compañía pequeña o grande. Organiza una visita a esa empresa, o de no ser posible, que un representante de la misma visite la escuela. En el caso de que no sea posible ninguna de las anteriores, solicita información acerca del proceso de la compañía.

Usa dicha información y desarrolla un diagrama de flujo que muestre los procesos de la planta. También haz una lista de los factores que constantemente se supervisan. Presenta tus conclusiones a la clase.

Como clase, traten de identificar similitudes y diferencias en los procesos de compañías diferentes.

¿Qué es polimerización?

¿Qué pasa verdaderamente dentro del equipo que analizamos en la actividad anterior? Probablemente el proceso más complejo ocurre en el reactor. Hasta ahora, sólo sabemos que las materias primas entran y el polímero sale. En realidad es un poco más complicado que esto. Es hora de ver exactamente cómo esas materias primas reaccionan para formar un polímero.

Como ya vimos, las materias primas que ingresan al reactor se llaman monómeros. Las moléculas de un monómero entran al reactor y pasan por una reacción para formar un polímero. (Mono significa uno, poli muchos; muchos monómeros se enlazan para formar una cadena larga llamada polímero.) Como el producto de la reacción es un polímero, el proceso se conoce con el nombre de reacción de polimerización. Hay más de un tipo de reacción de polimerización; en esta sección se analizan dos tipos de reacciones comunes: la reacción de adición y la reacción de condensación.

Adición

En la reacción de adición, se enlazan las moléculas de monómeros en sus extremos para construir una larga cadena de monómeros, a la cual llamamos polímero. ¿Qué es lo que causa que estos monómeros se unan? La reacción comienza al agregar en el reactor, un químico (que actúa como iniciador) a las materias primas (monómeros). El iniciador tiene un electrón no apareado, que lo

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hace inestable. Las moléculas como la del iniciador se llaman radicales libres. Este electrón no apareado tiene una fuerte tendencia a formar un enlace con otro electrón para ser más estable. Así el radical libre toma un electrón al enlazarse con una molécula del monómero, rompiendo uno de sus enlaces para “robar” el electrón al monómero.

En la reacción de polimerización del polietileno, el radical “roba” un electrón al enlace doble de carbono-carbono de una molécula de etileno (ver figura 4-3). El enlace doble del etileno llega a ser el blanco del radical porque es más reactivo que los enlaces simples carbono-hidrógeno de la molécula. Cuando el radical “roba” un electrón en el enlace doble del etileno, este forma un enlace con uno de los electrones del mismo, y deja un electrón simple “colgado”, donde se rompió el enlace. ¡Ahora este electrón abierto del etileno puede formar un enlace! Por lo que a su vez toma un electrón del enlace doble de otro etileno, y de esa forma une ese etileno al extremo de la cadena. Una vez más se ha roto el enlace doble de un etileno, y queda un electrón abierto al extremo de la cadena, que busca a otro electrón para así poder formar otro enlace.

Este proceso continúa muchas veces, uniendo a miles de moléculas de etileno en cadena para formar el polímero polietileno.

Figura 4-3 Reacción de polimerización del polietileno

Puedes preguntarte: ¿qué impide que un polímero llegue a ser más grande de lo que se desea? En otras palabras, ¿cómo se detiene la formación de la cadena?

El proceso de enlaces sucesivos (polimerización) se detiene cuando el electrón no apareado en el extremo de la cadena del polímero entra en contacto con otro electrón no apareado. El segundo electrón no apareado puede venir de otra cadena del polímero o de una molécula del iniciador. Cuando dos electrones no apareados se enlazan, ningún electrón tiene que romper un enlace del monómero para llegar a ser estable. A este paso de la reacción se le denomina terminación, ya que no puede ocurrir ninguna reacción adicional. En la figura 4-4 vemos que el paso de terminación usa dos radicales libres de polímeros.

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Figura 4-4 Terminación de la reacción de polimerización del polietileno

Actividad 4-3

Tu profesor dibujará en el pizarrón un diagrama de la reacción de adición de moléculas de etileno.

Cada alumno va a actuar como un hidrocarburo. El torso de cada uno de ustedes es el átomo de carbono, la cabeza es un átomo de hidrógeno enlazado al carbono y ambos pies juntos son otro átomo de hidrógeno enlazado al carbono. Cada mano es un electrón que se puede enlazar con un electrón de otra molécula.

Todos los miembros de la clase excepto 2, van a hallar un compañero, se van a ubicar frente a frente, y juntar las manos. Cada par ahora representa una molécula de etileno, que tiene un enlace doble entre dos átomos de carbono. Cada par de manos juntas representa un enlace formado por 2 electrones.

Los dos alumnos que representan los hidrocarburos “no enlazados” deben poner una mano en un bolsillo y la otra delante de ellos. La mano que está afuera representa un electrón libre que quiere enlazarse con otro electrón. Llamaremos a estos dos hidrocarburos “radicales”.

El primer radical debe hallar una molécula de etileno y usar su “mano” de electrón libre para romper un enlace en la molécula del etileno, juntando las manos con uno de los alumnos de la molécula. Este radical acaba de comenzar la reacción de polimerización. Ahora la molécula se queda con un electrón suelto o libre.

Este electrón libre debe acercarse a otra molécula de etileno, romper un enlace y juntar las manos con uno de los alumnos de la molécula. Continúa este proceso, con electrones libres rompiendo enlaces y agregando moléculas de etileno a la cadena.

En algún momento el otro radical deben entrar y juntar las manos con un electrón suelto o libre, poniendo fin a la reacción. Este radical acaba de terminar la reacción.

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Condensación

El segundo tipo de reacción de polimerización es la reacción de condensación (ver figura 4-5). La condensación se produce cuando al combinarse dos monómeros, se elimina una molécula pequeña, usualmente una molécula de agua.

¿Por qué cuando se combinan dos monómeros eliminan una molécula de agua? El extremo de un monómero puede tener un hidrógeno (H) con una carga parcial positiva. El extremo del otro monómero puede tener un grupo hidroxilo (OH) con una carga parcial negativa. El H positivo y el OH negativo pueden reaccionar el uno con el otro para formar agua H2O.

Entretanto, los monómeros se están uniendo. Como el H positivo sale de su monómero, deja atrás una carga negativa (dos electrones) en el extremo del monómero. Como el OH negativo sale de su monómero, toma dos electrones y deja una carga positiva en el extremo de su monómero. El extremo positivo de un monómero y el extremo negativo del otro se combinan y forman un enlace que une a los dos monómeros.

Figura 4-5 Reacción de polimerización de condensación

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La nueva molécula, ahora más grande, tiene un H parcialmente positivo y un OH parcialmente negativo en sus extremos. Estos reaccionarán de la misma forma con un OH parcialmente negativo o con un H parcialmente positivo de otro monómero, eliminando una molécula de agua en el proceso. Cada vez que se agrega un monómero de esta manera a la cadena, se elimina una molécula de agua.

La reacción de condensación es más lenta que la reacción de adición, porque no es una reacción en cadena. Para ayudar a la reacción de polimerización, usualmente se extrae el agua cuando se forma. Si no se quita el agua, la cadena del polímero pasaría por unas pocas reacciones, fabricando un polímero muy corto con un peso molecular bajo.

Actividad 4-4

Con la ayuda del profesor van a formar equipos de veinte estudiantes para participar en la “representación” de la reacción de condensación. Para ello se necesitan cuatro estudiantes para cada uno de los roles siguientes:

– CO2 – H

– CH2 – R

– OH

Cada estudiante que tiene el rol H debe juntar sus manos con las del estudiante que tenga el papel del CO2. Cada estudiante que tiene el papel

del CO2 debe juntar también sus manos con un estudiante que tenga el

papel de R. Cada estudiante que tiene el papel de R también debe juntar sus manos con un estudiante que tenga el rol de CH2. Cada estudiante que

tiene el rol de CH2 debe juntar las manos con uno tenga el papel de OH. La

configuración debiera ser:

El H de una molécula debe acercarse al OH de otra. El H debe juntar las manos con el OH, formando una molécula de agua. El CO2 y CH2 deben

juntar las manos, formando la molécula del polímero. El extremo H de la molécula del polímero debe repetir el proceso y el extremo H del monómero sin reaccionar debe pasar también por el mismo proceso. Esto da un polímero de cuatro unidades y tres moléculas de agua.

R CH2 OH CO2 H DRAFT

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Laboratorio 13: Hagamos espuma polimérica

ASPECTOS

GENERALES Propósito*

En esta actividad de laboratorio vas a mezclar dos compuestos orgánicos para observar la reacción y el material poliméricos producido.

Objetivos

Al término de esta actividad de laboratorio serás capaz de:

Entender y demostrar el proceso de formación de un producto polimérico.

Analizar propiedades de polímeros.

Observar reacciones de polimerización.

Habilidades requeridas

Para realizar esta actividad necesitas mostrar tu desempeño en el uso de las siguientes habilidades:

Usar una balanza para medir masa.


Experimentar con proceso de fabricación y elaboración.

Recolectar, organizar e interpretar un grupo de datos.


* La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modifiicada de su fuente original y

usada con permiso de Pacific Northwest National Laboratory.

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Materiales y equipamiento necesarios

Espuma de poliuretano (tipos rígido y flexible)

Gafas de seguridad

Papel periódico

Limpiador químico Fantastik

Balanza digital

Tazas de papel

Agitadores

Molde (opcional)

Guantes de látex

Comentario preliminar

La espuma de poliuretano se elabora cuando dos productos químicos pasan por la reacción de polimerización. En esta actividad de laboratorio vas a combinar dos productos químicos para producir espuma polimérica rígida y flexible.

Instrucciones de seguridad

Ponte tus gafas de seguridad para protegerte los ojos en el caso que haya salpicadura de algún producto químico, algún objeto puntiagudo, vapores nocivos o partículas aéreas.

Evita contacto de tu piel con productos químicos potencialmente dañinos como ácidos, bases, tinturas. Usa guantes y delantal de laboratorio. La resina de espuma es muy pegajosa. Si salpica algo de resina, trata de limpiarla antes de que se endurezca.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Ponte el delantal de laboratorio y las gafas de seguridad.

1. Coloca los líquidos ya sea para la espuma rígida o flexible en tasas separadas, siguiendo las instrucciones que están en la etiqueta de los frascos de la espuma.

2. Vierte ambos líquidos en una tercera taza (más grande) cuando estés listo para observar la reacción. Los productos químicos no reaccionarán mientras estén en tazas separadas, pero una vez que los líquidos se combinen, remuévelos bien (por alrededor de 30 segundos) para que se mezclen y reaccionen.

NOTA: Si los revuelves durante mucho tiempo la espuma se puede “hundir”.

3. Coloca el agitador y la taza que contiene la mezcla en el papel periódico y observa la reacción química.

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NOTA: Al mezclar dos productos químicos se pueden liberar algunos gases y olores. No inhales directamente las emanaciones. Si dichas emanaciones son muy fuertes coloca la taza en la campana extractora.

4. La espuma va a estar pegajosa hasta que se “endurezca”, y se pueda manipular.

5. Repite los pasos 1–4 con un tipo diferente de espuma (rígida o flexible).

6. Anota tus observaciones en tu cuaderno.

Instrucciones de limpieza

Coloca los restos de periódico, espuma y tazas en el zafacón.

Lava la superficie de trabajo con un limpiador químico como “Fantastik”, para limpiar cualquier residuo pegajoso.

Limpia y regresa el material y el equipamiento a sus lugares respectivos.

Cálculos

No es necesario realizar cálculos en esta actividad de laboratorio.

RESUMEN Conclusiones

1. ¿Por qué la taza se calienta después de mezclar los dos productos químicos?

2. ¿Qué tipo de reacción es la que genera calor?

3. ¿Por qué la espuma es pegajosa hasta que se endurece?

4. ¿Cuál es el compuesto que forma las burbujas en la espuma?

5. ¿Qué es lo que hace que la espuma sea mayor que el volumen de líquido original?

Desafío

6. ¿Para qué tipo de aplicaciones se puede usar las espumas de poliuretano?

7. ¿Cuáles son los ingredientes que hace que la espuma rígida sea diferente de la espuma flexible?

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Capítulo 3: Estructura molecular de los polímeros

Los polímeros son moléculas grandes formadas por moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Los polímeros usados tradicionalmente son la madera, el caucho, las fibras de celulosa y las fibras de proteína. Estos son polímeros biológicos que se encuentran en la naturaleza. Algunos polímeros modernos incluyen el vinilo, el poliestireno y el poliuretano.

Los polímeros están formados por una larga cadena de muchas unidades de moléculas repetitivas (mer) unidas. Estas unidades vienen de moléculas pequeñas llamadas monómeros. Cuanto más monómeros se agregan a un polímero, el peso molecular (la suma de los pesos atómicos de los átomos de una molécula) del polímero aumenta, y la molécula del polímero se hace más pesada. En la figura 4-6 vemos el incremento del peso molecular, cuando la cadena crece.

Figura 4-6 Incremento del peso molecular con el número creciente de monómeros

Las propiedades de los polímeros dependen de la manera en que se enlazan, la longitud de las cadenas poliméricas y su peso molecular. Los polímeros se pueden clasificar según su estructura molecular.

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Estructura molecular

El tipo más importante de enlace de los polímeros es el covalente. También hay algunos enlaces iónicos menores. Hay varios tipos de enlaces covalentes que son importantes en los polímeros. Primero está el enlace simple carbono-carbono y el de carbono-hidrógeno, que constituyen la gran mayoría. Otros enlaces importantes son el enlace doble carbono-carbono, los enlaces de carbono-oxígeno, carbono-nitrógeno y carbono-halógeno (flúor, cloro, bromo, yodo, y así sucesivamente). A pesar de que los enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno son menos, ellos son muy importantes. Muchas reacciones ocurren en estos otros enlaces importantes.

Las moléculas de los polímeros pueden tener una estructura lineal, ramificada, de escalera o de red. Algunos polímeros son lineales, indicando que la estructura es una cadena larga de átomos con grupos a los lados unidos por enlaces covalentes. La estructura de polietileno que vemos en la figura 4-3 es la de un polímero lineal.

Las moléculas de un polímero lineal (ver figura 4-7 parte a) no forman líneas rectas, sino parecen una cuerda de espagueti. Muchas moléculas de polietileno juntas se parecen a un tazón de espaguetis. Se entrelazan las moléculas al azar, pero se pueden separar las cadenas. Cuando se les calienta, las cadenas individuales resbalan una encima de la otra, haciendo que el polímero fluya.

Otro tipo de estructura de un polímero es la ramificada (ver figura 4-7 parte b). En ella las unidades se enlazan a la cadena en puntos de ramificación, en los cuales, pueden crecer otras cadenas laterales. Esencialmente, un polímero ramificado consta de ramas laterales de estructura similar, enlazadas a una cadena principal.

Los polímeros de red (o entrecruzados) (ver figura 4-7 parte c), se forman con polímeros lineales o ramificados que se enlazan en cadenas y/o ramas. La reticulación o entrecruzamiento que mantienen junta a la red polimérica, tiende a formarse bajo tensión, calor y presión. Mientras los polímeros lineales están hechos de muchas moléculas entrelazadas, un polímero de red es una molécula muy grande. Cuantos más entrecruzamientos se tienen, tanto mayor es la resistencia y dureza del polímero. Las estructuras de red tienen entrecruzamientos que son tridimensionales y previenen que las cadenas individuales se resbalen. Por eso, los polímeros entrecruzados no fluyen cuando se les calienta.

Como su nombre lo indica, un polímero tipo escalera (ver figura 4-7 parte d), se forma cuando dos polímeros lineales se enlazan en una sucesión regular. Los polímeros de escalera tienen una estructura más rígida que los polímeros lineales.

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Figura 4-7 Estructuras poliméricas diferentes

Actividad 4-5

Trabajen en grupos y usando limpiadores de tuberías, construye modelos de los cuatro tipos de estructuras de polímero. Donde se junten dos limpiadores, haz un nudo pequeño para representar un mer (una unidad). Las longitudes de los limpiadores representan los enlaces entre mers.

Comparen los modelos de los diferentes grupos de la clase. Decidan si algunos son mejores que otros como modelos de las estructuras poliméricas.

Cristalino o amorfo

En capítulos anteriores vimos que los materiales sólidos pueden ser cristalinos o amorfos. En los materiales cristalinos las moléculas se juntan en un orden estable y repetitivo. En los materiales amorfos las moléculas no se juntan en forma tan estable o de manera predecible. ¿Cómo se relacionan los polímeros lineal, ramificado, de escalera o de red, con las clasificaciones de sólidos cristalinos y amorfos?

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Muchos, pero no todos los polímeros de red son amorfos y sin organización. Los lineales, ramificados y de escalera, son a menudo, pero no siempre, cristalinos.

La cristalinidad de los polímeros hace que el material sea más fuerte, rígido y con menos resistencia al impacto. En los materiales cristalinos las cadenas polímericas se pliegan en sí mismas y se agrupan de una manera organizada, cuando el polímero se solidifica. Las resultantes regiones organizadas muestran el comportamiento de los cristales. Sin embargo, todo polímero cristalino tiene regiones amorfas entre regiones cristalinas. En la figura 4-8 vemos las dos regiones. En la parte a vemos el cristal del polímero con cadena plegada, en la parte b vemos las regiones de cristal del polímero con cadena plegada conectadas por regiones amorfas, en un tipo de polímero llamado cristal del polímero con micela con flecos. La parte ordenada del cristal es la micela, y las secciones amorfas son las franjas.

Figura 4-8 Tipos de cristales de polímero

Los polímeros cristalinos son más difíciles de procesar, pues tienen temperaturas de fusión más altas y tienden a contraerse y pandearse más que los polímeros de tipo amorfo.

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Capítulo 4: Propiedades y características de los polímeros

En este capítulo veremos cómo las propiedades de los plásticos se relacionan con las estructuras que hemos analizado. Hallaremos que hay relaciones predecibles, como en el caso de los metales y los cerámicos.

Entre los termoplásticos, el polímero más simple es el polietileno, una cadena principal de carbono con hidrógenos unidos lateralmente. Cuando observas la tabla del polipropileno al politetrafluoroetileno (TeflonMR), la naturaleza de las moléculas cambia porque se han reemplazado los átomos de hidrógeno con otros átomos o moléculas. Estos nuevos átomos o moléculas fortalecen al polímero y alteran la reactividad química. Por ejemplo, el teflón tiene una reactividad baja, que le permite ser usado satisfactoriamente tanto como capa para ollas y cacerolas, como para sellos y columnas usadas en la industria química.

Cuando se unen moléculas adicionales a la cadena principal de carbono, como con los acrílicos y policarbonatos, se endurece la cadena del polímero. Cuando se agregan grupos polares, como en el nailon, los enlaces por puente de hidrógeno incrementan todavía más esa fuerza. La reticulación que ocurre en los poliésteres da por resultado una rigidez que se acerca a la de los materiales termoestables.

El rasgo principal de los termoestables es el entrecruzamiento de la estructura de red y que produce esencialmente una molécula grande. Se puede cambiar las propiedades de los termoestables agregando rellenos o plastificantes. Un relleno es un material que se agrega a un polímero para fortalecer o modificar sus propiedades. Un plastificante es un químico de bajo peso molecular que se agrega a un polímero para ablandarlo.

Algunas propiedades importantes de los polímeros

Los fabricantes seleccionan los materiales para sus productos en base a las propiedades de esos materiales. Los polímeros forman un grupo muy diverso de materiales con propiedades diferentes. Aquí analizaremos sólo algunas de las propiedades que pueden ser importantes al escoger un polímero para un proyecto en particular.

Resistencia a la tensión o a la tracción

La resistencia a la tracción de un material es su resistencia a una fuerza que tiende a estirarlo y romperlo. En usos donde la fuerza juega un papel importante, los fabricantes eligen el material basados en su resistencia a la tensión. En el grupo de los termoplásticos, los polímeros con resistencia a la tracción más alta

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son aquellos con cadenas de carbono reforzadas, tales como los nailons y los acetales. Los termoestables generalmente tienen resistencia a la tensión más alta que los termoplásticos. ¿Por qué piensas que esto es así?

Porcentaje de elongación

El porcentaje de elongación es el cambio en la longitud de un material cuando se le sujeta a un peso, como vemos en la ecuación 4-1. El término “deformación” es la misma medida expresada como una razón (ver ecuación 4-2) en lugar de un porcentaje.

% de elongación = longitud final - longitud inicial

longitud inicial × 100%

Ecuación 4-1

Deformación = longitud final - longitud inicial

longitud inicial

Ecuación 4-2

La propiedad del porcentaje de elongación es útil cuando se espera que los materiales sufran estiramiento. Cuanto más alto es el porcentaje de elongación, más dúctil es el material. Un material dúctil es aquel que puede ser deformado plásticamente por elongación. Recíprocamente, cuanto más bajo es el porcentaje de elongación, más quebradizo es el material.

Por ejemplo, entre los termoplásticos hay una diferencia grande entre el polietileno y el poliestireno. Los grupos de gran tamaño de estireno en la cadena de carbono del poliestireno previenen que las moléculas resbalen fácilmente una encima de la otra. Por eso, el poliestireno tiene un porcentaje de elongación más bajo que el polietileno. ¿Cuál de los dos materiales entonces esperarías que se rompiera más fácilmente? Los polímeros termoestables, con su estructura de red, son incapaces de desenrollarse. Por eso, la mayoría de los termoestables sufren muy poco o nada de elongación.

Dureza

Como con los metales, una mayor dureza indica generalmente una mayor fortaleza. De cualquier modo, la dureza no indica la resistencia al uso. Por ejemplo, el acetal, un polímero termoplástico, tiene una resistencia al uso muy buena, pero una dureza baja.

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Módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad es la medida de la deformación de un material sobre un rango de pesos, fuerzas o tensiones (la capacidad de desviación del material). El módulo de elasticidad E, se define como el esfuerzo que se aplica a un material dividido entre la deformación sufrida por el mismo como consecuencia de la aplicación de una fuerza. La deformación se expresa en la ecuación 4-2. El esfuerzo se expresa en la ecuación 4-3.

Esfuerzo = fuerza aplicada

área de sección transversal del objeto

Ecuación 4-3

E = esfuerzo

deformación

Ecuación 4-4

Los polímeros tienen módulos de elasticidad mucho menores que los metales y materiales cerámicos. Por eso, un plástico no podría sustituir a un metal o a un cerámico si el objeto es sometido a grandes deformaciones.

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Actividad 4-6

Tu profesor te va a proporcionar lo siguiente:

gomitas o ligas (de diferentes tipos)

micrómetro

dinamómetro (0 to 18 oz)

regla

Has una tabla donde vas a registrar los valores de fuerza y longitud estirada.

Usa el micrómetro para medir el ancho (a), y el espesor (e) de la bandita. Registra estos valores en tu cuaderno.

Usa la regla para medir la longitud de la gomita. Registra este valor en tu cuaderno.

Coloca la bandita en el cero de la regla y en el gancho del dinamómetro. Jala el dinamómetro para estirar la liga hasta que el mismo mismo marque una fuerza de 3 onzas. Registra esta fuerza de 3 onzas y la longitud de la gomita estirada en la tabla que realizaste anteriormente.

Repite el paso anterior aplicando las fuerzas siguientes a la liga, y escribe los resultados de la fuerza y la longitud en dicha tabla:

5 onzas – 12 onzas

8 onzas – 15 onzas

Multiplica a × e × 2 para obtener el área de la sección transversal de la gomita. (Se incluye el 2 porque hay dos lados en la liga estirada.)

Usa la ecuación 4-3 para calcular el esfuerzo de la gomita para cada fuerza aplicada.

Usa la ecuación 4-2 para calcular la deformación de la liga para cada fuerza aplicada.

Usa la ecuación 4-4 para calcular el módulo de elasticidad de la gomita para cada fuerza aplicada.

Anota tus conclusiones en tu cuaderno.

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Examinando polímeros

Perfil laboral: Técnico en análisis y control de polímeros

Alfredo S. es un técnico en análisis de polímeros. La compañía hace plástico crudo, o como se le llama usualmente, plástico virgen, o sea, que no ha sido usado para hacer un producto, y no contiene materiales reprocesados o reciclados. Esta compañía adquiere la materia prima de proveedores. La cual se procesa en reactores para obtener un tipo de polímero, polietileno o polipropileno. Posteriormente mediante extrusión se convierte el plástico en gránulos. (Extrudir es forzar algo a través de un molde, en este caso, con forma de gránulos.) Mientras se hace el polímero, se le agregan ciertos materiales para hacerlo más estable o para darle otras características. Por ejemplo, se le agregan antioxidantes para prevenir la degradación a causa del calor y del esfuerzo durante el proceso; también se le agregan estabilizadores de UV para proteger al polímero contra la degradación causada por los rayos ultravioletas, y se le agregan aditivos antiestáticos para prevenir la estática. Después del proceso se vende los gránulos a compañías y otros clientes, para producir botellas de leche, tazas de plástico, tanques de gas, u otros productos de plástico virgen. Alfredo explica su papel en la compañía. “Mi papel específico es verificar los aditivos. Extraigo el aditivo de un polímero dado y lo pruebo. Los métodos de prueba que más a menudo uso son la cromatografía líquida de alto desempeño (posteriormente se explica este proceso), y la cromatografía de gases”. “El control que hago ahora es principalmente para un equipo de investigación de la compañía, pero solía trabajar en el laboratorio de control de calidad. Allí se toman muestras del polvo plástico inmediatamente después de que pasa por el reactor. La muestra se somete a varias pruebas, incluyendo la medición de su índice de fusión, en la que medimos su fluidez a ciertas temperaturas. También se realizan pruebas de densidad y de impurezas del polímero”. Como preparación para su trabajo, Alfredo estudió química en la escuela secundaria y luego cursó un programa de tecnología química de dos años en un colegio técnico. “Ésa fué una buena preparación para mí”, dice Alfredo. “Por mucho que sepa ahora y a pesar de lo que he aprendido en mi trabajo, el programa me dió muy buenas bases. La compañía espera que un nuevo técnico tenga ciertas bases, ya que si le hablan de un anillo de benceno por ejemplo, no quieren que diga, „¿qué es un anillo de benceno?‟ Quieren que dibuje seis carbonos y tres enlaces dobles”. Hace cinco años que Alfredo trabaja en esta compañía junto con un equipo de químicos y técnicos químicos. “Trabajo con una química en aditivos de forma cotidiana, y también con el jefe del laboratorio de análisis. Hoy en día todo se basa en trabajo en equipo”, explica Alfredo. “Si no puedes trabajar

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como parte de un equipo, estarías en problemas. Nuestros trabajos dependen de cómo el equipo entero, y la compañía, pueden trabajar y producir con eficiencia”.

Actividad 4-7

Imagina por un momento que eres un fabricante de ciertos componentes estereofónicos que se hacen con un polímero. Estos componentes son bastante caros y se usan en una línea de equipo estereofónico de precio alto. Has escogido un cierto polímero para estos componentes debido a sus propiedades. Sabes que tiene una cierta resistencia, dureza, etc., que son requisitos necesarios para tu producto. Cuando el embarque de las resinas del polímero entra a tu fábrica, ¿cómo lo manejarías? Analiza las siguientes alternativas.

Envía el embarque entero directamente al área de producción y confía en la información de pruebas proporcionada por el proveedor.

Envía una pequeña porción del embarque al área de producción para verificar su calidad, y conserva el resto hasta que el producto esté terminado.

Haz que el embarque sea probado por muestreo, conservando el mismo en el área de recepción, hasta tener los resultados de la prueba.

Los productores que compran polímeros, los prueban para verificar sus propiedades. Los fabricantes de polímeros los prueban a su vez para asegurarse que cumplan las características técnicas deseadas por los compradores.

Hemos visto algunas de las propiedades físicas de los polímeros que a menudo se prueban, tales como, dureza o porcentaje de elongación. Las propiedades químicas también se verifican con pruebas químicas entre las que están la cromatografía líquida de alto desempeño, la prueba de la viscosidad de la solución, y el análisis del índice de fusión.

Cromatografía líquida de alto desempeño

La cromatografía líquida de alto desempeño es una técnica que separa una mezcla basándose en el peso molecular o en la distribución de los pesos moleculares del componente.

En esta técnica se disuelve una muestra del material en un solvente líquido, etapa que se conoce como la fase móvil porque se mueve. Se pasa por una columna estacionaria en la que hay un material que adsorbe la fase líquida mientras se mueve por la columna. Debido a que los compuestos de la muestra son adsorbidos a distintos grados, pasan por la columna a velocidades

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diferentes, por lo que salen de la columna separadamente, y cada uno es detectado por una fuente de luz, la cual indica su contenido químico. Distintos materiales absorben longitudes de onda de luz diferentes, que al ser absorbidas indicarán la identidad química del material. También se puede indicar la cantidad de cada compuesto dentro de un material, aunque esto depende del equipamiento.

Prueba de la viscosidad de la solución

La viscosidad de la solución es una medida del tamaño de la molécula del polímero y se relaciona con el peso molecular de éste. Para medir la viscosidad de la solución, se disuelve el polímero en un solvente y se mide el tiempo (t) que toma esta solución en fluir por un tubo capilar. Este tiempo se compara con el tiempo (to) que le toma al solvente solo (sin el polímero) en pasar por el mismo

tubo. Se considera también la concentración de la solución; sin embargo, la viscosidad de la solución en términos simples se puede expresar, como vemos en la ecuación 4-5.

Viscosidad de la solución = 0

t

t

Ecuación 4-5

La mayoría de los procesos de formación de termoplásticos involucra fundir el polímero. El índice de fusión de flujo (o índice de fusión de velocidad) mide la facilidad con que fluye el polímero cuando se le calienta a una cierta temperatura. En esta prueba se utiliza un peso específico para presionar una muestra caliente del polímero a través del orificio de un troquel estándar. Por ejemplo, el índice de fusión de flujo (210, 5) = 4.5 significa que se presionan 4.5 gramos del polímero a través del orificio en 10 minutos con un peso de 5 kilogramos a 210°C. Los fabricantes de productos finales usan este número como ayuda para determinar los parámetros iniciales de sus equipos, como los extrusores o moldeadores por inyección.

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Laboratorio 14: Elaboración del nailon 66

ASPECTOS

GENERALES Introducción

Sandra es una ingeniera en materiales de una planta de procesamiento de polímeros. Su supervisor le ha pedido solucionar un problema. Por alguna razón las fibras de nailon que se producen no tienen la resistencia requerida. Este problema ha estado sucediendo aproximadamente durante tres semanas.

Sandra ha elaborado una lista de posibles causas:

La reacción para elaborar el nailon ha cambiado:

¿Se abastecen, como antes, las materias primas en las mismas proporciones?

¿Ha cambiado la materia prima?

El proceso de producción de la fibra ha cambiado:

¿Se extrae la fibra con la misma rapidez y tensión?

¿Ha cambiado la temperatura obtención?

Después de hablar con el encargado del proceso y con el químico industrial, Sandra ha desechado la posibilidad de que el problema provenga de la materia prima. Habló con el proveedor de la materia prima, el cual le ha asegurado que la misma no ha cambiado. Esto después lo confirmó con los resultados de las muestras que envió al laboratorio.

La temperatura de extracción se supervisa mediante termopares a los que hay que calibrar todos los días, así que Sandra puede eliminar ese factor de su lista. Cuando ella empezaba a sentirse sin respuestas, un trabajador le menciona que el indicador de tensión le ha dado problemas, y las mediciones son inexactas. Ante esta información Sandra llama a un mecánico para observar el medidor. Éste le dice que el instrumento tiene 20 años y no se puede confiar en él. Luego Sandra consulta con un ingeniero mecánico, quien le recomienda un tipo de medidor que controla la tensión mejor que cualquier otro del mercado.

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Con estos datos, Sandra ordena la compra del instrumento. En dos días ella ha resuelto el problema, pero no lo ha hecho sola. ¿Cuántos miembros del equipo de producción (incluso vendedores externos) consultó Sandra?

Propósito

En esta actividad de laboratorio elaborarás un polímero de nailon usando una reacción de condensación.

Objetivo


Entender cómo se elaboran los polímeros de nailon.



Medir con precisión los volúmenes de soluciones con una probeta.

Leer una hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS por sus siglas en inglés).


0.5 M hexametilenodiamina en 0.5 M

NaOH

0.25 M cloruro de adipoilo barro sin

acabado

Acetona

Botella de lavado de laboratorio


Cristal de reloj grande

Tubo de ensayo de 18 mm ×

150 mm

Cable de cobre

2 probetas de 10 ml

Guantes

Delantal de laboratorio

Gafas de seguridad


El nombre nailon hace referencia a poliamidas sintéticas. El nailon 66 se forma con la reacción de condensación de hexametilenodiamina y cloruro de adipoilo. (Ver figura L14-1.)

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Figura L14-1

Esta reacción es una reacción de condensación. Se produce a temperaturas bajas (a temperatura ambiente) y no depende de una proporción exacta en la mezcla de la reacción.

Es muy importante la opción de los solventes (hexano y agua) en esta actividad de laboratorio. Estos solventes no se disuelven mutuamente. Por eso, las soluciones tampoco se mezclan. En cambio, forman una interfase (superficie entre las dos soluciones), que es el único lugar donde las sustancias reactivas pueden estar en contacto.


Antes de empezar esta actividad de laboratorio, haz una copia de la hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS) de la hexametilenodiamina y del cloruro de adipoilo. Lee este material y respeta todas las instrucciones de seguridad.

Realiza este laboratorio en un área que tenga una campana de humos o que esté bien ventilada.

Cuando trabajes con acetona, evita tener encendedor, cerillo o mechero encendido en el laboratorio.

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PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Ponte el delantal de laboratorio, los guantes y las gafas de seguridad.

1. Dobla un pedazo del cable de cobre en forma de gancho. Éste debe ser lo bastante largo para que llegue al fondo de un vaso de precipitado de 50 ml.

2. Con la probeta de 10 ml mide 3 ml de la solución de

hexametilenodiamina. Vierte esta solución en el vaso de

50 ml.

3. Con la otra probeta limpia de 10 ml, mide 3 ml de la

solución de cloruro de adipoilo. Cuidadosamente vierte

esta solución en la superficie de la solución de

hexametilenodiamina. Observa qué pasa y anota esto en

tu cuaderno.

4. Inserta el gancho de alambre en el vaso y recoge la

película.

5. Jala despacio el gancho y velo sacando del vaso.

Observa qué pasa en el vaso cuando se retira la película.

Registra tus observaciones en tu cuaderno.

6. Continúa retirando la película. Cuando el hilo se rompa, colócalo en el cristal de reloj y lávalo con agua y luego con acetona. (Como alternativa al hecho de poner el hilo en un cristal de reloj, cuando se rompe, puedes enrollarlo alrededor del tubo de ensayo. Asegúrate de lavar el hilo con agua y después con acetona.)

7. Cuidadosamente examina tus polímeros, y anota tus observaciones en tu cuaderno.


Cualquier mezcla de la reacción que quede en el vaso, se debe mezclar completamente para producir el nailon. Lava el nailon sólido con agua y luego con acetona antes de desecharlo.

Limpia toda la cristalería y regrésala limpia y seca a su lugar.

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Cálculos



1. ¿Qué papel tiene la interfase entre las dos soluciones en la reacción de condensación del nailon 66?

2. ¿Habría sido diferente la reacción en esta actividad de laboratorio si se hubieran usado solventes diferentes que fueran solubles mutuamente? Explica.

Desafío

3. ¿Es la hebra de nailon que se fabricó fuerte y flexible como el nailon que se usa en ropa como las pantimedias? Compara tu producto con una muestra de nailon de tu profesor.

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Capítulo 5: Clasificación de polímeros

¿Homopolímeros o copolímeros?

Esta clasificación se basa en el tipo de enlace/cadena del polímero.

Homopolímeros

Los homopolímeros están formados por cadenas con un tipo de enlaces idénticos en cada monómero. Esto generalmente significa que el polímero está formado por moléculas monómeras idénticas.

Copolímeros

Los copolímeros están formados por cadenas de dos o más enlaces. Esto generalmente significa que hay dos o más tipos diferentes de unidades monómeras.

¿Polímeros por adición o por condensación?

Esta clasificación está basada en el tipo de reacción.

Polímeros por adición

En los polímeros por reacción de adición, las moléculas monoméricas se enlazan entre ellas sin pérdida de átomos.

Polímeros por condensación

En los polímeros por reacción de condensación, dos monómeros diferentes se combinan con la pérdida de una molécula pequeña.

¿Natural o sintético?

Esta clasificación está basada en si los polímeros ocurren de forma natural o están hechos por el hombre.

Polímeros naturales

Los polímeros naturales son aquellos que se encuentran en la naturaleza (aparecen de forma natural). Algunos ejemplos de este tipo de polímeros son las

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proteínas como el colágeno, la queratina, carbohidratos como el almidón, la celulosa, el ADN y el ARN.

Polímeros sintéticos

Los polímeros sintéticos son aquellos que están hechos por el hombre. Este tipo de polímeros se conocen comúnmente con el nombre de “plásticos”. Los polímeros sintéticos se pueden clasificar en los siguientes grupos: termoplásticos, termoestables y elastómeros.

¿Termoplásticos o termoestables?

Esta clasificación está basada en las propiedades térmicas del polímero.

Termoplásticos

Los termoplásticos son plásticos que se suavizan cuando se calientan y se endurecen de nuevo cuando se enfrían. Los termoplásticos se pueden calentar y suavizar de forma repetida.

Termoestables

Los termoestables son plásticos que se suavizan cuando se calientan y pueden ser moldeados, pero una vez enfriados se enducen de forma permanente.

Elastómeros

Elastómeros son polímeros elásticos como el caucho, y por lo general se los clasifica como termoestables.

Polímeros sintéticos

Entre los ejemplos específicos de los polímeros sintéticos podemos incluir:

Policarbonato (PC) – este es un polímero termoplástico que se utiliza para hacer vidrio laminado a prueba de balas, lentes, discos compactos (CD) y discos versátiles digitales (DVD).

Polietileno (PE) – este es un polímero termoplástico que puede ser:

o Alta densidad (HDPE, PEAD): es el que se utiliza para hacer recipientes plásticos para leche y mantequilla, y botellas para detergentes.

o Baja densidad (LDPE, PEBD): es el que se utiliza para bolsas de plásticos, tapas de latas de café, láminas plásticas para envolver.

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http://en.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene

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Poli(etilene glicol) (PEG): es el que se utiliza en cremas para la piel y dentífrico (pasta de dientes).

Poli(etileno tereftalato) (PET, PETE): es un termoplástico que se utiliza para hacer botellas plásticas para refrescos de dos litros (“bileguer”).

Polipropileno (PP): es un termoplástico que se utiliza para hacer tapas de latas de aerosol y de botellas, envolturas de dulces y diferentes equipos de laboratorio.

Poliestireno (PS): es un termoplástico que se utiliza para hacer tapas plasticas transparentes duras, vasos de espuma de poliestireno (unicel o tergopol), y utensilios de plástico para comer.

Poliuretano (PU): es el que se utiliza en alfombras, adesivos y selladores.

Policloruro de vinilo (PVC): es el que se utiliza para hacer pisos, tubería plástica y cortinas de baño.

Podemos agregar algunas marcas de polímeros sintéticos cuyos nombres te pueden parecer familiares, entre las que están:

Kevlar: elaborada por DuPont, es la que se utiliza para hacer equipamiento deportivo, y vestimentas para blindaje personal.

Mylar: es que se utiliza para aislantes, fotos Polaroid y globos.

Nailon: es la que se utiliza para hacer cepillos de dientes, medias, telas y cuerdas.

Teflón: elaborada por DuPont, es la que utiliza como recubrimientos no adhesivo en baterías de cocina.

Actividad 4-8

Ahora que conoces la diferencia entre polímeros naturales y sintéticos, elabora, en equipo, un cuadro que contenga una lista de los ítems/productos de ambos tipos de polímeros, por ejemplo: la seda es natural, el Kevlar es sintético.

Utiliza un poster para presentar tu cuadro. Puede incluir en él fotos, dibujos o ejemplos de los productos seleccionados. Al lado de cada foto o dibujo, escribe un pequeño resumen acerca del polímero específico y de su clasificación. En ese resumen incluye toda la información que hayas encontrado sobre cómo se puede usar ese polímero en la ingeniería.

Al final presenten a la clase el poster que hayan realizado.

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http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_glycol

http://en.wikipedia.org/wiki/Polypropylene

http://en.wikipedia.org/wiki/Polystyrene

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyurethane

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinylchloride

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Laboratorio 15: Exploremos la diferencia entre termoplásticos y

termoestables

ASPECTOS

GENERALES Propósito

En esta actividad de laboratorio vas a observar las propiedades de un polímero termoplástico, “friendly plastic”, y lo compararás con las propiedades de un termoestable, la masilla epoxi.

Objetivo


Entender la diferencia entre polímeros termoplásticos y termoestables.



Observar los cambios en las propiedades de los plásticos.

Entender el concepto de cadenas poliméricas y cómo ellas afectan las propiedades de los plásticos.

Demostrar la deformación de plásticos.


Pinzas


Tiras de “friendly plastic” (diferentes

colores)

Pedazos de masilla epoxi

Gafas de seguridad


Placa calefactora


Los polímeros termoplásticos tienen la habilidad de ser moldeados en varias oportunidades usando calor. Un

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termoestable es diferente en que una vez que se endurece (que se enfría luego de haber sido calentado), no puede volver a moldearse. Las cadenas de polímeros termoplásticos son largas cadenas no conectadas. Las cadenas de polímeros termoestables se conectan entre ellas a través de reticulación.

Es importante para los ingenieros en materiales poder distinguir entre termoestables y termoplásticos, en el proceso de desarrollo de productos. Si tuvieras que producir recipientes, que se puedan usar en el horno de microondas, ¿usarias termoestables o termoplásticos? ¿Por qué?


Ten cuidado cuando estés trabajando cerca de superficies calientes y llamas expuestas, como es el caso de los mecheros de Bunsen. Manipula los materiales calientes con el equipamiento adecuado.

Lava bien tus manos después de terminar ambas actividades. El producto “manitas limpias” puede ser de mucha ayuda para retirar los restos de masilla de tus manos.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


Parte A. Polímero termoplástico

1. Coloca en el vaso de precipitado 300 ml de agua. Ponla a calentar hasta que hierva, usando una placa calefactora. Una vez que el agua rompa el hervor, desconecta la placa.

2. Con las pinzas, introduce una tirita de “friendly plastic” en el agua caliente hasta que se suavice. Evita que la tirita de plástico toque los costados del vaso.

3. Retira la tirita de plástico del agua, y rápidamente moldéala para que tenga una cierta forma o diseño (que no sea algo que vaya a estar en contacto con tu piel, como es una pulsera o anillo). Si el plástico se

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hace muy rígido y difícil de manejar, mételo de nuevo en el agua para suavizarlo.

4. Espera a que el plástico se enfríe en la mesa de laboratorio.

Parte B. Polímero termoestable

5. Tu profesor te va a proporcionar un pedazo de más o menos una pulgada de la “masilla epoxi”.

6. Despues de que hayas amasado (mezclado) completamente ambos componentes de la masilla, y rápidamente moldéala para que tenga una cierta forma o diseño (que no sea algo que vaya a estar en contacto con tu piel, como es una pulsera o anillo).

7. Espera que la masilla se endurezca en una toalla de papel o en una bolsa de plástico. No permitas que ella se endurezca directamente en la mesa de laboratorio, ya que será difícil retirarla.


Coloca en el zafacón los pedazos de plástico y masilla.

Limpia el equipamiento y el área de laboratorio.

Regresa el material y el equipamiento a sus lugares respectivos.

Cálculos



1. Con tus propias palabras, describe las diferencias entre los polímeros termoplásticos y termoestables.

2. ¿En cuáles aplicaciones sería más deseable el uso de polímeros termoplásticos?

3. ¿En cuáles aplicaciones sería más deseable el uso de polímeros termoestables?

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4. En la actividad con los termoestables, ¿cambió la temperatura de la masilla en algún momento? ¿Por qué?

5. ¿Podrías moldear de nuevo el diseño que hiciste en la parte A? ¿Por qué? ¿Podrías moldear de nuevo el diseño que hiciste en la parte B? ¿Por qué?

6. ¿Cuál tipo de polímero piensas que se puede reciclar más fácilmente? ¿Por qué?

Desafío

7. Haz una relación con ejemplos de termoplásticos y termoestables que usas todos los días.

8. ¿Qué pasa con las cadenas polimericas de un polímero termoplástico cuando se le calienta?

DRAFT

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Capítulo 6: Termoestables y termoplásticos

En la industria se habla de polímeros termoplásticos y termoestables. Los polímeros termoplásticos y termoestables se procesan de forma diferente y tienen propiedades diferentes.

Polímeros termoplásticos

Los polímeros termoplásticos son polímeros que se suavizan y funden cuando se les calienta. Cuando el polímero se funde, fluye bajo presión. Estos polímeros se pueden ablandar repetidamente con calor y endurecer con

enfriamiento. Mientras se le calienta puede ser moldeado y remoldeado. Esta

propiedad permite que el material se use varias veces y se recicle. La mayoría de los termoplásticos se disuelven en solventes específicos. Las temperaturas de ablandamiento dependen del tipo y grado del termoplástico. La mayoría de ellos son polímeros amorfos lineales que se comportan como cadenas independientes pero entrelazadas, como una “madeja de espaguetis”. Algunos polímeros termoplásticos son cristalinos. En la tabla 4-1 vemos algunos termoplásticos cristalinos y amorfos.

Entre los ejemplos de termoplásticos tenemos: botellas, algunos tipos de cintas, jeringas para uso médico y aislantes.

Tabla 4-1. Algunos termoplásticos cristalinos y amorfos

Polímeros termoplásticos cristalino

Polímeros termoplásticos amorfo

Acetal Poliestireno

Nailon ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno)

Polietileno Policarbonato

Polipropileno Cloruro de polivinilo

Poliéster

Polímeros termoestables

Los polímeros termoestables, son polímeros de red amorfos. Estos polímeros no se suavizan cuando se les calienta, y no se pueden moldear de nuevo, ni son reciclables. Estos polímeros cambian químicamente durante su elaboración y llegan a ser permanentemente sólidos. Antes del moldeado, la

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estructura del polímero termoestable es muy similar a la de un polímero termoplástico. La reticulación o entrecruzamiento de los polímeros termoestables tiene lugar durante el proceso de moldeo, es la diferencia principal entre estos dos tipos de polímeros, y hace al polímero insoluble en solventes e imposible de fundirse.

Los polímeros termoestables son generalmente más fuertes que los polímeros termoplásticos debido a la reticulación. Entre los ejemplos de termoestables tenemos: epoxis (pegamentos), algunos componentes automotrices y adhesivos.

Elastómeros

Los elastómeros, también llamados cauchos o goma, son una clase especial de polímeros que pueden ser termoplásticos o termoestables. Su estructura se caracteriza por tener secciones muy flexibles y torcidas que dan libertad de movimiento.

El término “elastómero” usualmente se refiere a una estructura termoplástica. El término “caucho” usualmente se refiere a una estructura termoestable. De cualquier modo, no se usan siempre estos términos de una forma precisa. Los elastómeros termoplásticos son muy elásticos y flexibles. Los cauchos naturales y sintéticos como el látex, el nitrilo y el neopreno logran sus propiedades por un proceso llamado vulcanización. La vulcanización produce la reticulación de las moléculas y pone a estos cauchos en la categoría de termoestables.

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Laboratorio 16: Elastómeros: Elaboremos latex de goma

ASPECTOS


En esta actividad de laboratorio vas a utilizar látex para crear una pieza de caucho.

Objetivo


Entender las propiedades y estructura de los plásticos.



Medir volumen utilizando una probeta.

Observar cambios en las propiedades y estructura de los plásticos.



Probeta de 100 ml

Vaso de papel de 6 onzas

Látex líquido

Agitadores

Vinagre

Toallas de papel



El látex es una sustancia que se utiliza para hacer guantes, banditas (ligas), tuberías y otros productos de caucho. En la naturaleza el látex se obtiene de la savia de determinadas plantas. Cuando esa sabia entra en contacto con el aire, se cuagula y hace espesa. También se puede obtener de forma sintética a través de reacciones de polimerización.

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El vinagre es ácido y puede causar irritación en la piel. No respires directamente los vapores del vinagre.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


1. Coloca 400 ml de agua en el vaso de precipitado. Hazla a un lado para después usarlo en el paso 6.

2. Coloca 15 ml de látex líquido en la probeta. Vierte el látex en el vaso de papel. Observa las propiedades del látex líquido. Anota tus observaciones en tu cuaderno.

3. Coloca en la probeta 15 ml de agua. Vierte esta agua en el vaso de papel. Mezcla con el agitador el contenido del vaso. Observa las propiedades de esta mezcla, y anota tus observaciones en tu cuaderno.

4. Coloca en la probeta 15 ml de vinagre. Vierte este vinagre en el vaso de papel. Mezcla con el agitador el contenido del vaso. Observa las propiedades de esta mezcla (látex, agua, vinagre), y anota tus observaciones en tu cuaderno.

5. Continua agitando dicha mezcla hasta que se adhiera al agitador.

6. Retira el agitador del vaso (con la mezcla adherida), y colocalo en el vaso de precipitado con agua.

7. Quita la mezcla de caucho del agitador mientras está bajo el agua. Ve apretando dicha mezcla caucho hasta que tenga la forma de una pelota (manteniéndola dentro del agua).

8. Una vez que la pelota de caucho haya tomado forma, retírala del vaso de precipitado y sécala con un pedazo de toalla de papel. Observa y anota en tu cuaderno las propiedades del caucho.


Coloca los restos de esta mezcla de caucho en el zafacón.

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Limpia el equipamiento y el área de laboratorio.

Regresa el material y el equipamiento a sus lugares respectivos.

Cálculos



1. ¿Qué cambios en las propiedades de la mezcla de caucho observaste en los pasos 2, 3, 4 y 8?

2. ¿Cuáles serían las aplicaciones más deseables de este polímero?

3. ¿Crees que podrías moldear de nuevo la mezcla después del paso 8?

4. ¿En qué tipo de polímero podrías clasificar esta mezcla, termoestable o termoplástica?

Desafío

5. Con la ayuda del internet o la biblioteca, investiga cuáles característas estructurales especiales le da a los elastómeros sus propiedades elásticas.

6. ¿De qué forma la temperatura afecta la elasticidad de un elastómero? DRAFT

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Capítulo 7: ¿Cómo se procesan los polímeros para hacer productos?

Perfil laboral: Maquinador de polímeros

Carlos E. es maquinador de una compañía que hace productos con materiales polímeros. Esta compañía por lo general se dedica producir lotes pequeños de cualquier producto, personalizándolos para satisfacer las necesidades del comprador. Sus productos van desde barritas aplicadoras usadas en lápices cosméticos hasta juntas tóricas (o empaque de anillo) usadas en motores de cohetes Carlos explica que las materias primas utilizadas en los productos de la compañía usualmente vienen de grandes compañías petroquímicas. “Nuestras materias primas no son plásticos comunes”, explica. “Son lo que llamamos „polímeros de avanzada‟ como el teflón, o un material relativamente

nuevo llamado poliéter-éter-cetona” (PEEK). “Los materiales parecen comida para conejos, pequeños gránulos, o a veces parecen hojuelas de jabón o jabón en polvo. Con el uso de calor y presión, transformamos este polímero en un producto final, con algún tipo de forma. Los procesos de calor y presión que utilizamos son los moldeados por extrusión e inyección. A veces después de esos procesos la forma está completa y lista para la venta, en otros casos el producto requiere de un procesamiento más amplio. La especialización de nuestra compañía es el maquinado de polímeros”. “Comencé mi aprendizaje de maquinador de metales en la escuela secundaria y trabajé en un fábrica de metales después de que me gradué. Hace nueve años vine a esta compañía. Me tomó cierto tiempo adquirir la habilidad de maquinar polímeros. Con algunos de estos materiales, es como manipular gelatina sólida. Es un tipo de material de goma, no como los metales”. Carlos usa un torno que es similar a un torno de metal. Difiere en que tiene un husillo hueco por donde se introduce el material del polímero. También tiene un conjunto de puntas de corte completamente diferentes a las usadas en el maquinado de los metales. “Cuando entreno a un maquinador nuevo, que es una parte importante de mi trabajo en estos momentos, trato de enseñarles algo acerca de las propiedades de los materiales. Por ejemplo, el teflón es muy resbaladizo y muy abrasivo con los metales. Por lo que las puntas de las herramientas usadas con el teflón se gastan rápidamente. Si dejas que se gasten en forma

irregular, entonces el producto saldrá de un tamaño por debajo o por encima de lo desado. Tienes que tener un tacto especial; después de un tiempo se aprende qué tipo de ajustes van a ser necesarios sobre la marcha. Aprendes

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a no permitir que la punta se caliente demasiado, de lo contrario fundirá el polímero en lugar de cortarlo. Aprendes a no cortar el material demasiado

rápido pues en lugar de cortarlo lo estás empujando. Hay mucho que aprender”. Es de esperar, que estas habilidades de Carlos sean muy valoradas en esta empresa. El gerente de la planta, un ingeniero químico, pone énfasis en que no es fácil hallar maquinadores que puedan trabajar con plásticos. “Es una experiencia que produce miedo a maquinadores entrenados en metales. Necesitamos más personas como Carlos en esta área”.

Algunas de las técnicas de procesamiento de polímeros son similares a las utilizadas para formar metales y cerámicos. Los fabricantes pueden comprar hojas, varillas o tubos hechos de polímeros y usarlos para hacer piezas de plástico. Sin embargo, cuando se forma una pieza o un producto, a menudo se agrega una mezcla química de polímeros en el molde. En estos casos los polímeros usados en el compuesto se seleccionan en base a las propiedades requeridas para el producto.

Existen cinco procesos básicos para dar forma a productos o partes de polímeros. Estos son: moldeo por inyección, compresión, transferencia, extrusión y soplado. Los moldeos por compresión y transferencia se usan principalmente para resinas termoestables. Los moldeos por inyección, extrusión y soplado se usan principalmente para polímeros termoplásticos.

Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es el proceso más común para producir productos plásticos. Este método involucra cuatro pasos:

1. El polímero, en forma de polvo o gránulos, usualmente se calienta hasta alcanzar un estado líquido.

2. El polímero líquido se introduce a presión en un molde que tiene la forma deseada. El polímero llena el molde por una abertura llamada “bebedero”. Luego el material pasa a las cavidades del molde por las correderas. Unas puertas controlan el flujo del material hacia las cavidades del molde.

3. Se tiene al material a presión en el molde hasta que el polímero se solidifica.

4. El molde se abre y se retira la pieza.

En la figura 4-9 vemos el dibujo esquemático de un molde simple de inyección.

DRAFT

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Figura 4-9 Molde de inyección

El moldeo por inyección es un proceso rápido que produce pocos desechos y puede ser muy automatizado. Las piezas plásticas se pueden producir en grandes cantidades (para piezas simples, un molde puede tener muchas cavidades para producir varias piezas al mismo tiempo). En la mayoría de los casos, los productos salen del molde como piezas terminadas. Sólo el bebedero y las partes de la corredera necesitan ser reemplazados. Piezas de aviones para armar, peines, agitadores y cepillos de dientes son ejemplos de partes hechas mediante moldeo por inyección

Moldeo por compresión

El moldeo por compresión es uno de los primeros procesos desarrollados para moldear plásticos. En la figura 4-10 vemos un molde de compresión. Las materias primas en forma de lingotes, polvos o gránulos se colocan en la sección inferior de un molde precalentado. La otra mitad del molde se baja y se aplica presión. El material se ablanda con el calor y la presión, y fluye hasta llenar las cavidades del molde. Cualquier exceso de material se extrae del mismo. Éste se abre y se saca la pieza usando clavijas eyectoras. En los termoplásticos se debe enfriar el molde antes de la eyección, de lo contrario la pieza perderá su forma. Los termoestables se pueden extraer mientras están calientes, después de haberlos tratado por completo.

Figura 4-10 Molde de compresión

DRAFT

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Dos ventajas del moldeo por compresión son: 1) los movimientos del material en el molde son cortos y 2) el material no tiene que fluir por puertas o correderas. Sin embargo, el tiempo que necesita el plástico para calentarse y solidificarse, hace del moldeo por compresión un proceso lento. Generalmente se hace una sola parte en cada molde. Es el menos utilizado en obtención de piezas.

Moldeo por transferencia

El moldeo por transferencia es una modificación del proceso de moldeo por compresión. Elimina la turbulencia y el flujo desigual del polímero generado en el moldeo por compresión. Al igual que el moldeo por compresión, el moldeo por transferencia se usa principalmente para plásticos termoestables.

Un material parcialmente polimerizado se coloca en una cámara caliente. En esta fase el material fluirá y no se producirán entrecruzamientos. Un émbolo introduce el polímero caliente (líquido) a la cavidad del molde. El material fluye por el bebedero, las correderas y las puertas. La temperatura y la presión dentro del molde son más altas que en la cámara caliente. Así, el entrecruzamiento ocurre en el molde. Después de que el plástico se ha solidificado y endurecido, se abre el molde y se retira la pieza.

Las partes complejas de diferente espesor se pueden producir en forma exacta usando el moldeo por transferencia. Sin embargo, los costos del molde son muy altos y se genera una cantidad importante de material de desecho en el bebedero y en las correderas.

Extrusión

La extrusión se usa para hacer productos con secciones transversales constantes tales como, cañerías y varillas. El proceso de extrusión “obliga” al polímero fundido a atravesar una boquilla, produciendo la forma final. El proceso involucra cuatro pasos:

Combinar (mezclar) y granular el plástico (en este paso se pueden agregar agentes colorantes y otros aditivos a la mezcla).

Calentar el material para conseguir la plasticidad adecuada.

Presionar el material a través de la boquilla.

Enfriar el material.

Un extrusor tiene un depósito de alimentación que introduce el polímero y cualquier aditivo a la máquina, un barril que contiene un tornillo de avance continuo, un elemento térmico y un sostenedor de boquilla. En la figura 4-11 vemos el dibujo de una extrusora.

DRAFT

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Figura 4-11 Extrusora

Además de varillas y cañerías, las extrusoras se usan para crear mezclas o compuestos. El producto de un extrusor de mezcla es picado o granulado para formar la materia prima de otro proceso, por ejemplo un moldeo por inyección. Al extremo del extrusor se puede agregar un adaptador para soplar aire por un orificio mientras el polímero caliente está saliendo. Las bolsas de plástico y las películas se hacen usando este adaptador.

Moldeo por soplado

La manufactura de botellas de plásticos como las usadas para los envases de leche involucra un proceso llamado moldeo por soplado. También se usa esta técnica para producir bolsas de agua caliente, bolas de cristal para lámparas, tanques de gasolina y tambores de 55 galones. En el moldeo por soplado, un tubo de plástico ablandado se infla para llenar la cavidad del molde. Solo se necesita soplar el aire por una abertura pequeña. Por lo tanto, es posible una rápida fabricación de productos con cobertura sólida.

DRAFT

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Actividad 4-9

El profesor va a ser de ayuda para la formación de cinco grupos de trabajo. Cada uno de los grupos se va a poner en contacto con una compañía petroquímica diferente. (Tu profesor proporcionará nombres y direcciones.) Van a realizar las siguientes preguntas:

Los materiales usados en el procesamiento de petróleo y gas para hacer polímeros.

La seguridad del obrero y los temas relacionados con la salud en el uso de materiales y/o procesos de producción del polímero.

La seguridad en la compañía y las medidas de salud, incluyendo recientes estadísticas de seguridad y salud.

Como clase, compara y contrasta el material recibido de las diferentes compañías. Analicen lo siguiente:

¿Cuáles parecen ser los temas de salud y seguridad más críticos en el procesamiento de polímeros?

En función de la bibliografía existente, ¿cómo hacen las diferentes compañías para prevenir y reaccionar a los temas de salud y seguridad?

De acuerdo a la bibliografía, ¿en qué compañías la salud y seguridad parecen tener una alta prioridad?

¿Cómo realizarías una investigación para conocer sobre las prácticas e información de temas de salud y seguridad de esas compañías?

Actividad 4-10

Esta actividad consiste en lo siguiente:

Realizar una investigación de los diferentes procedimientos utilizados en el procesamiento de polímeros. Con la información obtenida, elaborar un cuadro sinóptico donde comparen los cinco procesos básicos de elaboración de dicho material. Incluir una lista con las ventajas y desventajas de cada proceso. Señalar algunos hechos interesantes aprendidos durante la realización de esta investigación.

DRAFT

55

Laboratorio 17: Hagamos masilla de polímero mediante la reticulación

ASPECTOS


En esta actividad de laboratorio vas a reticular un polímero para producir una masilla de polímero.

Objetivos


Reticular un polímero.

Observar los cambios en las propiedades de un polímero debido a la reticulación.

Registrar los datos.



Medir el volumen de un líquido utilizando una probeta.


Pegamento blanco escolar

al 55 % en agua

Probeta de 20 ml

Bolsa plástica sellable

(tipo ziplock)

Colorante alimenticio

Guantes de látex

Solución de bórax al 4 %

(borato de sodio)

Vasos de espuma de

poliestireno

Palitos agitadores de madera

Toallas de papel

DRAFT

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El bórax es un agente decolorante que puede producir irritación de la piel y de los ojos. Es necesario que uses delantal de laboratorio, gafas de seguridad, y guantes.

Lávate bien las manos al terminar esta actividad de laboratorio.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


1. Medir 20 ml de la solución de pegamento blanco en una probeta. Verter esta solución en el vaso de unicel (de espuma de poliestireno).

2. Medir 10 ml de la solución de bórax en una probeta. Verter esta solución en el mismo vaso.

3. Con un palito de madera mezclar la solución que está en dicho vaso.

4. Seguir mezclando la solución hasta que se haga lo suficientemente espesa para que se pueda sacar del vaso y mezclarla (amasarla) a mano.

5. Opcional: puedes agregar una o dos gotas de colorante alimenticio.

6. Después de que la mezcla haya alcanzado la textura deseada, haz observaciones acerca de sus características físicas y anótalas en el cuaderno.


Coloca en el bote de basura los restos de la masilla.


Lavate bien las manos.

Cálculos


DRAFT

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1. ¿Cuáles cambios en las propiedades físicas de la mezcla observaste entre el paso 2 y el paso 6?

2. ¿Para qué sirve la solución del bórax?

3. ¿Qué pasaría si hubieras agregado más bórax en el paso 4?

4. Sabiendo que la mezcla final tiene propiedades elásticas, ¿cómo la clasificarías?

Desafío

5. ¿Qué le pasaría a la elasticidad de la mezcla final si la enfriamos o calentamos?

DRAFT

58

Laboratorio 18: Clasifiquemos recipientes de plástico para reciclar

ASPECTOS

GENERALES Introducción

Cathy A. es una química que trabaja en los laboratorios de una importante empresa de reciclaje. Ella forma parte del equipo que recientemente desarrolló un nuevo sistema de separación de plásticos para su reciclaje. Normalmente la clasificación de plásticos por códigos designados por el sector industrial, con números del 1 al 7, es un proceso caro y que lleva mucho tiempo.

En el nuevo sistema de separación, un rayo infrarrojo escanea los plásticos a medida que se van desplazando por una cinta transportadora. Los plásticos reflejan y absorben luz en función de sus estructuras moleculares. En el nuevo sistema una “red neural” artificial, que imita electrónicamente algunos de los mecanismos que el cerebro humano usa para reconocer patrones, reconoce la estructura de los plásticos al momento de escanearlos.

Cuando se analiza un producto plástico, se le puede sacar con una rafaga de aire de la cinta transportadora, para colocarlo en el recipiente apropiado.

Propósito

En esta actividad de laboratorio vas a clasificar recipientes de plástico reciclables usando dos métodos, y vas a comparar la utilidad de ambos métodos.

Objetivos


Clasificar recipientes de plástico de acuerdo a sus propiedades físicas.

Describir las propiedades del plástico para diferentes usos.

DRAFT

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Observar y describir un conjunto de objetos.

Clasificar objetos.


Diferentes recipientes de plástico


Los productos de plástico están hechos de polímeros orgánicos con nombres tales como polietileno, vinil, polipropileno, y poliestireno. Estos y otros polímeros por lo general se usan en recipientes de plástico para comidas, detergentes y productos de higiene personal. La estructura exacta de un polímero ayuda a determinar las propiedades del recipiente de plástico. El poliestireno es un buen ejemplo. La espuma de poliestireno que se usa en los vasos de bebidas y los paquetes de hamburguesas, es opaco y de textura algo rugosa, que se rompe fácilmente cuando se le aplica presión. Los recipientes hechos de otros poliestirenos, tales como los recipientes para ensaladas y los vasos durables para bebidas, son transparentes y de textura suave, que tienden a doblarse cuando se les aplica presión.

A continuación vemos algunas de las propiedades de los plásticos que vas a ver en esta actividad de laboratorio:

Reflectancia (opaco, translúcido, transparente).

Textura (suave, áspera, arrugada).

Flexibilidad (al aplastarlo: ¿se pliega, rompe o dobla?).

La habilidad para ser moldeado con un mango (por ejemplo, botellas de leche o de detergente).

En esta actividad de laboratorio separarás recipientes de plástico reciclables de acuerdo a sus propiedades físicas que observes. Luego compararás tus métodos de separación con los recomendados por la industria de los plásticos.

DRAFT

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Cuando manejes recipientes de plástico, ten cuidado con los bordes cortantes o rotos.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

1. Retira un recipiente de plástico de la caja. Escribe la letra que tiene en tu cuaderno.

2. En tu cuaderno, describe las características físicas del plástico (ver el Comentario preliminar).

3. Después de examinar el recipiente, entrégaselo a otro estudiante de tu mesa de laboratorio que todavía no la haya examinado.

4. Consigue un segundo recipiente y haz una descripción del mismo.

5. Continúa describiendo y pasando recipientes hasta que hayas descrito todos en tu cuaderno.

6. Trabajando con tus compañeros de equipo, clasifica los recipientes en no más de siete grupos de acuerdo a sus características físicas. En tu cuaderno, agrupa los artículos mientras los separas y formula tus razones para ponerlos a cada uno en su grupo.

7. Después de agrupar todos los artículos asignados:

Retira el pedazo pequeño de cinta adhesiva de cada recipiente.

Escribe en tu cuaderno el número tapado por la cinta cerca de la letra que corresponde al recipiente analizado.

Responde las preguntas que están en las Conclusiones.


Regresa todos los recipientes de plástico a la mesa de laboratorio para que sean reciclados adecuadamente.

DRAFT

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Observaciones y recolección de datos

Anota en tu cuaderno lo que observaste en cuanto a características físicas de los recipientes.


1. ¿Tienen todos los recipientes de tu equipo el mismo número de código de reciclaje? Explica. ¿Cuáles recipientes con números diferentes agrupaste juntos? Considera tus razones de haberlos agrupados de esa forma.

2. Reagrupa todos los recipientes por códigos de reciclaje. Haz una lista de las propiedades físicas que comparten los recipientes del mismo grupo. Al lado de cada grupo, anota el nombre del tipo de polímero. Menciona las propiedades físicas en las que difieren los recipientes de un mismo grupo.

3. ¿Cómo se debería capacitar a una persona para que separe a mano los recipientes en forma correcta y rápida? Explica.

Desafío

4. Investiga las estructuras químicas y propiedades moleculares de los distintos tipos de polímeros observados en esta actividad de laboratorio. Explica en un diagrama cómo la estructura química y las propiedades moleculares de un tipo de polímero, son responsables de las propiedades de un producto de plástico, en el cual ese polímero en particular es el ingrediente. DRAFT

62

Capítulo 8: Reciclaje de polímeros

Los recipientes de plástico ofrecen características deseables que muchos otros materiales no tienen. A diferencia del vidrio, el plástico es liviano e irrompible, y requiere menos energía para producirlo que el aluminio y el papel. Los plásticos constituyen entre el 14 y el 22 % del volumen de desperdicios sólidos. Como se produce una gran variedad de materiales plásticos, el reciclaje de los mismos puede ser más dificultoso y complicado que el del aluminio, vidrio o papel.

Reciclaje de plásticos

El problema del reciclaje de plásticos es la separación. Cuando los consumidores tiran indiscriminadamente todos sus envoltorios y botellas de plástico dentro del mismo contenedor de reciclaje, están complicando inocentemente dicho proceso. El tipo de plástico de un recipiente puede ser diferente al de su tapa.

Recuerda que cada resina de plástico está hecha de un grupo único de polímeros. Si se mezclan productos de plástico cuando se están derritiendo, sus diferentes químicas pueden hacer que sean incompatibles, y que no puedan ser reformados.

La industria de los plásticos actualmente codifica los envases de plástico de mayor uso. Esto ayuda a que el consumidor pueda diferenciar los tipos de plástico y separarlos para el reciclaje. En la tabla 4-2 vemos los tipos de recipientes de plástico más comunes y también los códigos de reciclaje de cada uno.

Actividad 4-11

Recolecta y trae a la clase cinco recipientes de plástico, cada uno de ellos para diferente función. Estos recipientes se van a usar en la actividad de laboratorio 18.

DRAFT

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Tabla 4-2. Sistema de códigos de recipientes plásticos (localizados en base de recipientes)

Código de identificación

Nombre del plástico

Descripción Algunos usos del

plástico virgen

Algunos usos del plástico hecho a partir de desecho

reciclado de plástico

PETE

Polyethylene Terephthalate

PET

(Polietileno tereftalato)

Resistente y transparente,

puede ser utilizado como

fibra.

Refrescos y botellas de agua mineral, relleno de las bolsas de dormir y

almohadas, fibras textiles.

Botellas de refrescos, botellas de detergente, película para

embalaje, fibras para alfombras, chaquetas “peludas”.

HDPE

High Density Polyethylene

HDPE

(Polietileno de alta densidad

PEAD)

Plástico muy común,

generalmente blanco o

coloreado.

Bolsas de plásticos ruidosas, bolsas de

congelador, botellas de leche y crema, botellas

de champú.

Botellas de detergentes, cajas, contenedores de residuos, tubos para agricultura, gránulos, cajas

de reciclaje.

V

Unplasticised Polyvinyl Chloride

UPVC

(Policloruro de vinilo)

Plástico duro y rígido, puede

ser transparente.

Botellas de jugo, empaques de blíster, caños y ajustes de

plomería.

Botellas de detergentes, baldosas, caños para sanitarios.

Plasticised Polyvinyl Chloride

PPVC

Plástico flexible, transparente y

elástico.

Mangueras de jardín, suelas de zapatos, bolsas y tubos para

sangre.

Suelos industriales, nervios de mangueras.

LDPE

Low Density Polyethylene LDPE

(Polietileno de baja densidad

PEBD)

Plástico suave y flexible.

Tapas de contenedores de helados, papeleras, hojas de plástico negro.

Films para la construcción, la industria, eembalaje, bolsas.

PP

Polypropylene PP

(Polipropileno)

Plástico duro pero flexible, Muchos usos.

Contenedores de helados, bolsas de papas fritas, pajitas

para bebidas, cajas de comidas con “bisagras”

Bolsas para recolección de residuos.

PS

Polystyrene PS

(Poliestireno)

Rígido, quebradizo. Puede ser

transparente, vidrioso (vítreo).

Contenedores de yogurt, cubertería de plástico, imitación de cristal (utensilios de

vidrio).

Pinzas para la ropa, ganchos (perchas) para la ropa, accesorios

de oficina, carretes para hilos, reglas, cajas de CD/video.

Expanded Polystyrene EPS

(Poliestireno expandido)

Espumado: liviano, absorbe

energía, aislación térmica.

Copas de bebidas, contenedores para

llevar comida, bandejas, embalaje.

OTHER

Incluye a todos los otros plásticos, incluidos acrílico y nailon. No pueden ser reciclados.

DRAFT

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Existen algunas razones lógicas para producir tantas variedades diferentes de plásticos; mencionamos algunas de ellas a continuación:

La resina en el polietileno tereftalato (PETE o PET) provee una barrera a través de la cual el dióxido de carbono (CO2) no puede pasar. Esta barrera mantiene las bebidas carbonatadas efervescentes durante más tiempo.

El polipropileno (PP) tiene un punto de fusión alto, así que solo se usa para envasar alimentos que deben ser esterilizados a alta temperatura.

La envoltura de policloruro de vinilo (PVC) es permeable al oxígeno, permtiendo que sus contenidos respiren. Esto permite que el hierro (Fe) de la carne se oxide (reaccione con el oxígeno del aire) y mantenga el color rojo deseado.

A pesar de las molestias que trae consigo la separación de diferentes tipos de plásticos, en los Estados Unidos, en el año 2010 se recuperó para clasificar, aproximadamente 2.5 millones de toneladas de desperdicios plásticos. De acuerdo a cifras oficiales, alrededor de 1800 empresas estaban en el negocio del reciclaje. Además de reducir la cantidad de plástico en vertederos y a los lados de carreteras y calles, la energía ahorrada al procesar nuevamente el plástico hace que los esfuerzos de reciclaje valgan la pena.

Como la fabricación de plásticos se hace mediante diferentes procesos, es difícil comparar la contaminación y los subproductos peligrosos generados por el reprocesamiento de plásticos, con la cantidad producida en el proceso de producción original. Por ahora, parece que el plástico reciclado no plantea una amenaza al medioambiente mayor que la del plástico producido originalmente.

Cuando se recolectan y separan plásticos reciclables (principalmente envases y recipientes), estos se trituran, empacan, y despachan para reprocesarlos en productos nuevos, la mayoría de los cuales son muy diferentes a los originales. En la figura 4-12 vemos el proceso de reciclaje del plástico. DRAFT

65

Figura 4-12 “Reprocesamiento” de material reciclado

Aunque algunas cosas pueden hacerse combinando de resinas plásticas, la tecnología está concentrada primordialmente en tratar con una resina a la vez. Actualmente, se llevan a cabo investigaciones para tratar de desarrollar un sistema automático para separar los tipos de plástico. Otras investigaciones se concentran en nuevas formas de reciclar plásticos de automóviles. El reciclaje de plásticos de automóviles dependerá de una buena manera de desensamblar las partes. Se está trabajando en la determinación de un sistema de códigos para las resinas usadas en la fabricación de autopartes.

Productos nuevos hechos de plástico reciclado

En la tabla 4-2 vemos los productos que se pueden hacer de cada categoría de plásticos reciclados. La figura 4-13 muestra los símbolos que se utilizan para ilustrar los materiales reciclados y reciclables.

Existen regulaciones en los Estados Unidos que prohiben fabricar envases para alimentos a partir de desechos reciclados por el consumidor, por lo que dichos envases no pueden ser reciclados para ser nuevamente un recipiente para envasar alimentos. Sin embargo, como resultado de una nueva tecnología que inserta resinas recicladas entre dos capas de resinas virgen, las compañías que manufacturan botellas PETE han sido exentas de esas regulaciones. En la actualidad, la empresa Coca-ColaMRestá usando hasta un 50 % de plástico PET reciclado en algunas de sus botellas. Por lo que respecta a la empresa PepsiMR recientemente ha anunciado el desarrollo de la primera botella de plástico PET completamente hecha de material vegetal.

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Figura 4-13 Símbolos de materiales reciclables y reciclados

Los fabricantes y distribuidores de muchos plásticos reciclables están desarrollando formas de ayudar a los consumidores a reciclar. Muchos tiendas de comestibles reciben bolsas de plástico usadas y las envían a empresas de reciclaje. Algunos restaurantes de comidas rápidas (que tradicionalmente han usado mucho poliestireno), están cooperando en el proceso de reciclaje utilizando paquetes que contienen hasta un 50 % de plástico reciclado.

Actividad 4-12

Desde hace mucho tiempo se ha estado hablando del proceso de reciclaje en general, y de plásticos en particular. En tu comunidad, ¿has visto acciones concretas para recolectar y reciclar materiales plásticos? Investiga quién lo hace y adónde los llevan para “reprocesarlos”.

Neumaticos de automóviles

Originariamente los neumáticos usados pueden parecer que no constituyen un peligro para el medioambiente, pero cuando se acumulan, se pueden convertir en un foco generador de mosquitos y también una importante fuente de incendios. Este tipo de incendios contaminan el aire con hollín, dióxido de carbono y partículas de metales pesados. Y tienen el agravante de ser incendios difíciles de apagar.

Millones de neumáticos se desechan cada año y se acumulan en vertederos. Ahora, los neumáticos deben triturarse antes de que entren a un vertedero, y se están haciendo esfuerzos para fomentar su reciclaje.

Los neumáticos usados se pueden moler y transformarse en trozos de caucho. Entre los usos que tiene este material podemos mencionar los siguientes: a) mezclado con en asfalto se usa en la reparación y construcción de las llamadas “carreteras de goma”; b) productos de caucho moldeado; c) superficies de zonas de recreamiento. En algunas casas de adobe, los cimientos y las paredes se hicieron con neumáticos viejos rellenos de tierra.

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Sin embargo, como consecuencia de la gran cantidad de neumáticos apilados, la oferta excede a la demanda. Potencialmente, puede haber un buen mercado para los neumáticos usados como fuente de energía. La pirólisis, es un proceso de calentamiento en un reactor sellado sin oxígeno, que desintegra el caucho sintético y lo transforma en aceite para calefacción. Ahora bien, este proceso es caro y, al igual que con el reciclaje de aceite lubricante, su viabilidad económica depende del precio del petróleo crudo.

Actividad 4-13

Cada neumático nuevo a la venta tiene un cargo extra que se usa para ayudar a respaldar los costos de la eliminación adecuada de neumáticos usados. Habla con un vendedor de neumáticos para averiguar qué sabe acerca de este cargo adicional, y qué se hace con ese dinero.

Haz una encuesta informal de dueños de automóviles que conozcas sobre si hacen que sus neumáticos sean recauchutados (reconstituidos), o compran neumáticos recauchutados.

Averigua algunas vantajas y desventajas de los neumáticos recauchutados.

Escribe un informe en tu cuaderno sobre las opciones de manejo de desechos para los neumáticos.

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UNIDAD 5: INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS

PIENSA UN POCO SOBRE ESTO

¿Cuáles son las diferencias entre los esquís y raquetas último modelo y los esquís y raquetas de madera?

¿Cuáles son las ventajas de una bicicleta de carreras moderna con respecto a una más antigua?

¿Qué propiedades tienen en común los materiales que componen los equipos que están en la ilustración?

¿Hay otros vehículos u objetos que se hacen con este tipo de materiales?

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OBJETIVOS

Al término de esta unidad serás capaz de:

1. Investigar productos hechos con materiales compuestos para averiguar su estructura, componentes y propiedades.

2. Analizar el efecto del uso de diferentes tipos de componentes estructurales en el comportamiento de un material compuesto.

3. Resumir las ventajas y desventajas de diferentes materiales para matrices usados en un material compuesto.

4. Desarrollar una tabla que relacione los productos compuestos y sus procesos de fabricación.

5. Comparar las propiedades de un material compuesto con las de uno de sus componentes usando métodos de prueba aceptados.

6. Comparar la resistencia de dos materiales relacionados.

HABILIDADES DE PROCESO


Formular un modelo.

Recolectar, organizar e interpretar grupo de datos.


Experimentar con procesos de manufactura y fabricación.

Observar propierdades y estructuras.

Probar el desempeño de un material.

HABILIDADES DE MEDICIÓN


Medir volumen usando una probeta o un vaso de precipitado.

Medir masa con una balanza.

Usar una báscula para medir peso.

Usar una regla para medir longitud.

Leer un termómetro para determinar la temperatura de un líquido.

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Capítulo 1: Estructura de los materiales compuestos

Un material compuesto es, una combinación de dos o más materiales distintos. Estos materiales se diseñan de forma tal que tengan propiedades más apropiadas para cierto tipo de tareas, de las propiedades que tienen sus componentes de forma independiente.

Por ejemplo, las fibras de vidrio se rompen fácilmente y el poliéster es muy flexible, pero blando. Sin embargo, la combinación de estos dos materiales en una forma específica, da como resultado un material resistente y duro llamado fibra de vidrio. Las fibras hechas de vidrio endurecen al polímero y éste rodea las fibras para resguardarlas de golpes, evitando que se rompan. Cada material del compuesto tiene propiedades distintas y cuando se combinan, el material resultante tiene propiedades diferentes a las de los materiales originales.

Los materiales compuestos son diferentes de las aleaciones y copolímeros. (Las aleaciones son materiales metálicos compuestos por dos o más elementos, usualmente metales. Los copolímeros están compuestos de dos o más tipos de monómeros.) Si rebanas un pedazo de material compuesto, puedes ver sus componentes a simple vista. En el caso de las aleaciones y copolímeros, los componentes de estos se mezclan a nivel molecular y no se pueden distinguir. Un material compuesto es como un plato de espagueti con salsa, aunque están mezclados es fácil distinguir los ingredientes. Las aleaciones y copolímeros sin embargo, se paracen más a una malteada de chocolate. Una vez combinados el helado, la leche y el chocolate, no puedes distinguir los ingredientes.

Actividad 5-1

Consigue un pedazo de placa de circuito impreso, una lente de aumento y dos pares de alicates. Usa los alicates para romper las esquinas del circuito impreso hasta que todas las capas se partan y dejen al descubierto el tejido de refuerzo.

Usa la lente de aumento y examina la superficie expuesta. Dibuja un boceto del tejido de refuerzo. ¿En qué dirección (es) piensas que el refuerzo es más fuerte?

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Estructura de los materiales compuestos

Se puede combinar una gran variedad de materiales para crear materiales compuestos y dichas combinaciones se pueden hacer de muchas formas. Sin embargo, la mayoría de los materiales compuestos tienen una estructura similar, la cual consta de tres partes:

El armazón, también llamado fase matriz o simplemente matriz (como el poliéster en la fibra de vidrio).

El componente estructural o agente reforzante, con forma de fibras, hojuelas o partículas (como el vidrio en la fibra de vidrio).

El componente no estructural, llamado relleno.

Matriz

La matriz le da a los materiales compuestos su forma básica. También fija o aglutina los componentes estructurales o de refuerzo y los mantiene en su sitio. A menudo, si la matriz no protegiera los componentes de refuerzo, y estos quedaran aislados, los mismos se romperían fácilmente por estar expuesto al daño y al medio ambiente. Cuando los componentes de refuerzo están unidos dentro de la matriz, el material es capaz de resistir mayor tensión que la matriz por si sola. Cuando se aplica un peso al material compuesto, la matriz de inmediato disemina de forma uniforme la tensión entre los componentes de refuerzo (ver figura 5-1). Es por esto que los materiales compuestos pueden resistir mayores pesos o tensiones que un material de matriz sin refuerzo.

Figura 5-1 Sección transversal de un neumatico soportando una carga

Componente estructural o de refuerzo

El componente estructural o agente reforzante generalmente tiene forma de fibras, hojuelas o partículas. Éstas le dan a los materiales compuestos su estructura interna y sus propiedades. Cuando la función del componente es

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transmitir al material compuesto su resistencia, rigidez o ambos, el componente se llama refuerzo.

Entre los materiales que típicamente se usan como refuerzo se encuentran: las hojuelas o fibras de vidrio, fibras de grafito (carbono), fibras Kevlar (aramidas), la celulosa, partículas de metal, partículas cerámicas y hojuelas de aluminio.

Relleno

A la matriz se le agregan materiales de relleno por razones diferentes al reforzamiento. Por ejemplo, se puede agregar relleno para mejorar las propiedades de un material para retardar el fuego, o para aumentar su volumen. Cuando se agrega material de relleno, se requiere menos material matriz y se reduce el costo del material compuesto. Los materiales compuestos rellenos también encogen menos que los materiales compuestos sin relleno, haciendo posible la producción de materiales compuestos de dimensiones más precisas. También se usa el relleno para:

Controlar la viscosidad del material, facilitando su manufactura.

Producir una superficie más lisa.

Aumentar la resistencia al calor.

Aumentar la conductividad eléctrica.

Aumentar la resistencia al agua.

Entre los materiales que típicamente se usan como relleno están: el carbonato de calcio, la arcilla, la mica, las microesferas de vidrio, el talco y la arena.

Las estructuras básicas de refuerzo y relleno de la matriz pueden variar, y se pueden usar en conjunto para lograr las propiedades deseadas. También, dos o más tipos de fibras de refuerzo se pueden combinar para obtener un grupo determinado de propiedades necesarias para un producto. En el caso de que se use una combinación de materiales de refuerzo y/o de relleno, el material compuesto se llama híbrido.

Un buen ejemplo de un producto hecho de un material compuesto híbrido es la flecha de arquería. El cuerpo de la flecha es de un compuesto hecho de fibra de vidrio y de grafito en una matriz de plástico epoxi. La rigidez de las fibras de grafito y la resistencia de las fibras del vidrio, permiten que el cuerpo se pueda hacer de un diámetro más pequeño que el de una flecha de aluminio. El hecho de que la flecha tenga un cuerpo de menor diámetro significa que en vuelo, ésta presenta una menor resistencia al aire. Además, la rigidez del grafito ayuda a reducir su vibración durante el lanzamiento y el vuelo. El resultado, una flecha con mucho mejor desempeño.

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Actividad 5-2

Visita una o más tiendas en donde vendan equipos deportivos, equipo de campamento, bicicletas, barcos, etc. (si es posible, que cada grupo visite una tienda diferente.) Examina el equipo recreativo que parece estar hecho de un material compuesto. Estos son ultralivianos pero fuertes.

Identifica las compañías que hacen este material (en la etiqueta del producto o con el vendedor). Muchas tiendas al menudeo tendrán el nombre y la dirección de las compañías en su archivo.

Escribe o llama para obtener información del producto. Averigua, si es posible, los materiales que componen el mismo, su estructura, sus propiedades y el proceso para fabricarlo.

Como clase, empieza a trabajar en una tabla de información acerca de estos productos. Al mismo tiempo, llena tres columnas con los siguientes datos: nombre del producto, materiales que lo componen y estructura.

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Laboratorio 19: Hagamos una estructura de material compuesto

comestible

ASPECTOS


En esta actividad de laboratorio vas a elaborar una estructura de material compuesto comestible. Hacer “dulce de maní” es una buena forma de entender los principios básicos de la composición de los materiales compuestos.

Objetivos


Entender y demostrar el proceso de elaboración de una estructura de material compuesto comestible.

Identificar y entender las partes componentes de los materiales compuestos.

Entender las propiedades de los materiales compuestos.



Medir líquidos y sólidos.




* La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modificada de su fuente original y


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Azuca

Maníes

Bicarbonato de sodio

Recipiente de vidiro (resistente al calor)

Toallas de papel

Molde o bandeja para hornear

Gafas de seguridad

Agarradera para objetos calientes

Jarabe de maiz

Mantequilla/margarina

Placa calefactora

Vainilla

Sal

Tazas de medida

Cuchara de madera


Colócate las gafas de protección para cuidarte los ojos de salpicaduras químicas, objetos punzantes, vapores dañinos, y partículas suspendidas en el aire.

Ten cuidado al trabajar cerca de superficies calientes como la placa calefactora y el recipiente de vidrio. Usa una agarradera para objetos calientes al manejar dichos materiales.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


NOTA: Como el producto de esta actividad es comestible, en muy importante la limpieza.

1. Mezcla una taza de azúcar, ½ taza de jarabe de maíz y 1/8 cucharadita de sal en el recipiente de vidrio. Revuelve bien hasta que los ingredientes estén bien mezclados.

2. Pon el recipiente de vidrio a fuego medio en la placa, moviendo la mezcla constantemente, hasta que la misma tenga “punto de hebra” (pregunta a tu profesor).

3. Retira el recipiente de la fuente de calor, (no olvides usar la agarradera para objetos calientes). Agrega una taza de maníes; mézclalos y regresa el recipiente a la placa. Sigue cocinándola a fuego medio hasta que la mezcla tenga un color dorado.

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4. Retira del fuego el recipiente y agrega una cucharade de matequilla/margarina, una cucharadita de bicarbonato, una cucharadita de vainilla, y mezcla bien todos los ingredientes.

5. Vierte la mezcla en un molde, previamente engrasado con mantequilla, y haz que forme una capa delgada.

6. Deja que se enfríe, rómpela en pedazos pequeños, y cómela.


Coloca en el zafacón los desperdicios.


Limpia bien el área de trabajo.

Cálculos



1. ¿Por qué podemos considerar al “dulce de maní” como un material compuesto?

2. ¿Qué parte de la estructura de un material compuesto representa el mani?

3. ¿Qué parte de la estructura de un material compuesto representan el jarabe de maíz y el azúcar?

4. En el paso 6, cuando quebraste el “dulce de maní” en pedazos, ¿observaste dónde se quebraba el dulce? ¿Cerca o lejos de los maníes? Explica tus hallazgos.

5. ¿Cuáles ingredientes del “dulce de maní” proporcionan resistencia a los pedazos del mismo?

Desafío

6. Da un ejemplo (que no sea el “dulce de maní”), de otro alimento o artículo que pueda representar las partes de un material compuesto. Explica cómo las partes son similares a los componentes que integrar un material compuesto.

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Capítulo 2: Categorías de materiales compuestos

A menudo se clasifican los materiales compuestos de acuerdo a la forma del componente estructural o al tipo de material de la matriz utilizado.

Forma del componente estructural o de refuerzo

Los componentes estructurales o de refuerzo pueden tener alguna de las siguientes formas:

Hojuelas

Partículas

Fibras

Materiales laminares

Materiales compuestos de hojuelas

Los materiales compuestos de hojuelas están hechos con hojuelas planas, como vemos en la figura 5-2.

Figura 5-2 Estructura del material compuesto de hojuelas

Las hojuelas están casi paralelas y se solapan, como las tejas en un tejado. Las hojuelas dan lo que se llama refuerzo isotrópico plano. Es decir, refuerzan igualmente en todas direcciones del plano de las hojuelas. Sin embargo, proveen poco o ningún refuerzo perpendicular. Además de refuerzo, la estructura solapada de las hojuelas provee otras propiedades importantes. Las

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hojuelas solapadas forman una barrera muy vigorosa contra la humedad. Las hojuelas metálicas que no solo se solapan sino que realmente se tocan, se pueden usar para hacer que el material compuesto sea conductor de la electricidad. Las hojuelas no conductoras, como el vidrio, pueden proveer aislamiento eléctrico o térmico.

Los materiales compuestos de hojuelas son la forma estructural menos usada. Los fabricantes tienen muchas dificultades para hacerlos y por ello buscan alternativas. Uno de los problemas es obtener la alineación correcta de las hojuelas; otro, es hacer las hojuelas de la forma y tamaño deseado sin debilitarlas con fallas. También es limitado el número de materiales con los cuales se puede hacer hojuelas.

Los materiales más usados para hacer hojuelas son el aluminio y el vidrio. El alumino se usa principalmente por su resistencia a la corrosión y su disipación del calor. Los fabricantes de productos electrónicos usan hojuelas de vidrio en circuitos impresos y aislantes moldeados.

Materiales compuestos de partículas

Un material compuesto de partículas consta de partículas duras incrustradas en una matriz más blanda. En la figura 5-3 vemos un reforzamiento de partículas.

Figura 5-3 Estructura de reforzamiento de un material compuesto de partículas

Las partículas proporcionan aproximadamente el mismo refuerzo en todas direcciones. Este refuerzo se llama isotrópico. Observa que las partículas son de tamaños diferentes. No todo material compuesto de partículas tiene partículas de tamaño diferente, algunos tienen partículas de tamaño uniforme. Sin embargo, las partículas de tamaño diferente pueden ser un factor importante de diseño. Las partículas de menor tamaño encajan entre las de tamaño mediano, las que a su vez encajan bien entre las partículas más grandes. El resultado es

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una estructura compacta con más material de refuerzo y menos material de matriz. Un ejemplo común es el hormigón. Las partículas de arena y grava refuerzan la matriz del cemento.

Materiales compuestos de fibra

Los materiales compuestos de fibra están formados con refuerzos de fibra en una matriz. Estos materiales compuestos tienen propiedades que los convierten en una de las formas estructurales más versátiles. Las propiedades de estos materiales compuestos se pueden ajustar a una gran variedad de necesidades, dependiendo de los siguientes factores:

Tipo de material de la fibra (y matriz) usado.

Longitud de la fibra.

Orientación de la fibra (la dirección en que las fibras se fijaron).

Tipo de unión fibra-matriz.

Razón fibra-matriz.

En un material compuesto natural y/o sintético se pueden usar dos tipos de fibras. Las dos fibras naturales usadas normalmente son el asbesto y el algodón. Los constructores usan materiales compuestos de asbesto principalmente para preparar productos a prueba de fuego y aislantes. (El uso del asbesto ha disminuido porque se ha determinado que contiene partículas carcinógenas suspendidas en el aire). Las fibras de algodón proveen resistencia, mejor desempeño frente a las inclemencias del tiempo, maquinabilidad y dureza.

Las fibras de vidrio es la fibra sintética que más se usa, porque ofrecen excelentes propiedades de resistencia y eléctricas. Otros tipos de fibras sintéticas son las fibras avanzadas, como las de grafito, boro y el polímero conocido como aramida.

El grafito es un tipo de carbono muy puro y ordenado cuyas fibras proveen una alta resistencia y rigidez. En la figura 5-4 vemos la estructura cristalina del grafito.

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Figura 5-4 Estructura cristalina del grafito

El boro no se usa puro, sino que se deposita a menudo en un filamento subyacente de tungsteno o carbono. A veces se usa carburo de silicio para revestir al boro. Las fibras de boro se usan a menudo en matrices de aluminio, en estos casos el boro es revestido, de otro modo se degradaría rápidamente al entrar en contacto con el aluminio fundido.

Las aramidas son polímeros sintéticos livianos, fuertes y resistentes al calor. Las Kevlar, 29 y 49 de la empresa Du Pont están entre las fibras aramidas comercialmente disponibles. En la figura 5-5 vemos la estructura química de la fibra Kevlar.

Figura 5-5 Estructura química del Kevlar

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Otras fibras usadas a menudo son aquellas de materiales cerámicos tales como las de carburo de silicio y de óxido de aluminio (Al2O3). El carburo de silicio

mantiene su resistencia a la tensión por encima de los 650 °C (1200 °F). El óxido de aluminio tiene una excelente resistencia a temperaturas hasta de aproximadamente 1370 °C (2500 °F). Ambas fibras pueden reforzar materiales compuestos de matriz metálica, en cuyo caso las fibras de carbono o de boro reaccionan con el metal. Estos son algunos de los materiales de fibra disponibles para usar con este tipo de materiales compuestos.

Propiedades de la fibra

Las diferentes fibras disponibles pueden agregar una gran variedad de propiedades a los materiales compuestos. Las fibras pueden tener una resistencia química buena, ser aislantes eléctricos o funcionar a altas temperaturas. Sin embargo, en la mayoría de los materiales compuestos de fibra, la función de éstas es principalmente de refuerzo. Por eso, sus propiedades más importantes son la resistencia y rigidez. La capacidad de una fibra para soportar un peso sin romperse se llama resistencia; y su capacidad para no deformarse se llama rigidez (y se mide a través del módulo de elasticidad).

Las propiedades comúnmente medidas de las fibras son sus resistencias a la tracción, compresión, a la cizalla, y rigidez. Las fuerzas de tracción tienden a separar los extremos de un material. Una banda de goma estirada está en tensión. Las fuerzas de compresión empujan los extremos de un material hacia un punto en común, como para juntarlos; el aplastar una lata de bebida gaseosa es un ejemplo de este tipo de fuerza. Las fuerzas de cizalla fragmentan el material mediante el estiramiento de las superficies del material en direcciones opuestas. Al girar las “tapitas” de una galleta con relleno, tratando de separarla en dos, aplica en el relleno una fuerza de cizalla. En la tabla 5-1 vemos la resistencia a la tracción y los módulos (rigideces) de los materiales de fibra que hemos analizado.

Tabla 5-1. Fibras y sus propiedades

Fibra Resistencia a la

tracción Módulo de elasticidad

Aramida

Kevlar 29

Kevlar 49

5.5 × 105 lpc

5.5 × 105 lpc

9 × 1 lpc

1.9 × 107 lpc

Boro

Alma de tungsteno espesor 4 mil

Alma de carbono espesor 4.2 mil

5.0 × 105 lpc

4.75 × 105 lpc

5.8-6.0 × 107 lpc

5.3 × 107 lpc

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Fibra Resistencia a la

tracción Módulo de elasticidad

Vidrio

Vidrio E

Vidrio S

5.0 × 105 lpc

6.5 × 105 lpc

1.05 × 107 lpc

1.24 × 107 lpc

Grafito

Bajo costo alta resistencia (LHS)

1.75 × 106 lpc 3.0-3.4 × 107 lpc

Módulo intermedio (IM) 1.71 × 106 lpc 3.3-4.0 × 107 lpc

Módulo alto (HM) 1.85 × 106 lpc 5.0-5.8 × 107 lpc

Carburo de silicio (alma de tungsteno o de carbono)

5.5 × 105 lpc 5.0-6.0 × 107 lpc

Óxido de aluminio 2.0 × 105 lpc 5.5 × 107 lpc

Actividad 5-3

Usa la Tabla 5-1 como fuente de información y desarrolla un gráfico de resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de todos los materiales mencionados en dicha tabla.

Utilizando ambos (tabla y gráfico), responde a las preguntas siguientes:

¿Cuál material parece tener la mayor resistencia a la tracción? ¿la menor?

¿Cuál material parece tener la mayor rigidez? ¿la menor?

¿Hay alguna relación aparente entre la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad? Si es así, ¿cuál es?

Los ingenieros deben también considerar el costo de la fibra cuando diseñan materiales compuestos. Generalmente, mientras más altas son la resistencia y la rigidez de la fibra, más alto es su costo. Las fallas microscópicas de una fibra disminuyen su resistencia y rigidez. La fabricación de una fibra avanzada con fallas mínimas es muy difícil.

Orientación de la fibra

Hemos hablado sobre los conceptos de refuerzo isotrópico y refuerzo isotrópico plano. Los materiales compuestos de fibra aumentan las posibilidades de refuerzo. Las fibras proveen refuerzo casi únicamente en forma longitudinal. Por eso, la orientación de las fibras afecta mucho las propiedades de los materiales compuestos.

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Figura 5-6 Patrones de refuerzo con fibras

En la figura 5-6 parte a, todas las fibras están orientadas en la misma dirección, por lo que el refuerzo es unidimensional (unidireccional). La figura 5-6 parte b muestra a las fibras orientadas a lo largo y a lo ancho en el mismo plano; con lo que se produce una resistencia (fortaleza) equivalente en ambas direcciones y se llama refuerzo plano (bidimensional). La siguiente ilustración muestra las fibras orientadas al azar en un plano. Este tipo de refuerzo se llama isotrópico plano, y es similar al de los refuerzos de hojuelas que están paralelos en un mismo plano. Finalmente, las fibras puestas al azar en todas direcciones por todas partes de la matriz dan por resultado un refuerzo isotrópico, lo mismo que en los materiales con refuerzos de partículas.

Las fibras de la matriz actúan como cables de refuerzo, por lo que un hecho importante a tener en cuenta cuando se diseña un material compuesto, es que cuanto más al azar es el refuerzo, tanto menor será la resistencia en una cierta dirección. Un material compuesto unidireccional tiene casi toda su resistencia en una sola orientación y tiene poca resistencia en cualquiera otra dirección. En el caso de compuestos isotrópicos, el refuerzo está repartido de igual forma en todas las direcciones. Sin embargo, la resistencia de un material compuesto isotrópico en cualquier dirección, es mucho menor que la resistencia de un material compuesto unidireccional.

Longitud de la fibra

Los refuerzos de fibra pueden ser continuos o discontinuos. Las fibras continuas van desde un borde del material compuesto al otro sin cortes en la fibra. Las fibras discontinuas son normalmente de una pulgada o menos de longitud y están separadas dentro del material compuesto. Las fibras continuas son más fáciles de orientar en una cierta dirección; sin embargo, las fibras discontinuas orientadas cuidadosamente dan una mayor resistencia que las fibras continuas. La razón de esto es que las fibras más cortas tienen menos fallas, las cuales son debilitantes. Las fibras muy cortas, (llamadas “whiskers”)

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se acercan al máximo de resistencia posible de los materiales de los cuales forman parte.

Forma y configuración de la fibra

Las fibras con secciones transversales circulares son el tipo más común de fibra. Sin embargo, hay otros tipos de secciones transversales, entre los que están: rectangulares, hexagonales, poligonales (de muchos lados), irregulares y anulares (cilindro hueco).

Las fibras vienen en varias formas para su uso en materiales compuestos industriales. La forma típica de las fibras continuas es una cuerda, o manojo de fibras. El carrete es un grupo de fibras sin entrelazar enrolladas en un cilindro, similar a una bobina de hilo. El carrete entretejido es un tejido drapeable que consta de fibras continuas tejidas en dos direcciones perpendiculares. Un tapete de carrete entretejido es similar al tejido de un mantel individual. Las hebras troceadas y un material de unión pueden combinarse para formar un tapete de hebras troceadas. El fieltro se puede considerar un tipo de tapete de hebras troceadas. Todas estas formas de fibras están combinadas con un material de matriz para formar el material compuesto.

Unión matriz-fibra

La interacción entre la matriz y la fibra es lo que determina si el material compuesto funcionará. Sometido a un peso, el material débil de la matriz se deforma y distribuye la tensión entre las fibras resistentes. Esta interacción solo ocurre si la matriz y las fibras están herméticamente unidas. Por esto, la unión fibra-matriz es sumamente importante. Si esta unión es débil, la matriz se deslizará por sobre las fibras y el peso caerá sobre unas cuantas fibras. Una vez que éstas se rompan, el peso pasará a otras fibras, hasta que todas ellas se rompan. El efecto sería el mismo que si no tuviese matriz.

La unión fibra-matriz depende de los tipos de materiales usados en la matriz y en las fibras. A veces la matriz se puede unir directamente a las fibras. Otras veces, la matriz y las fibras no logran crear una fuerte unión. En estos casos, otro material, llamado agente de unión, se usa entre los dos materiales. Este agente se aplica a la fibra, permitiendo a la matriz adherirse con eficacia a ésta. En la figura 5-7 vemos la fibra, el agente y la matriz.

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Figura 5-7 Fibra, agente de unión y matriz del material compuesto

Razón fibra-matriz

Debido a que las fibras aportan su resistencia a los materiales compuestos, uno podría suponer que al aumentar la cantidad de fibra mejorarían las propiedades del material compuesto resultante. Esto generalmente es cierto, pero dentro de ciertos límites. Por ejemplo, a partir de una cierta cantidad de fibra, la unión fibra-matriz llega a ser más importante que el porcentaje de fibra que contenga. Si no hay suficiente matriz disponible para cubrir las fibras, el resultado es un material compuesto débil. Además, las fibras cortas tienen el efecto de espesar más la matriz que las fibras continuas. Una mezcla de matriz y fibra que sea demasiado espesa no puede ser moldeada o formada adecuadamente. Por esta razón, las fibras continuas se usan en altas concentraciones más que las discontinuas.

Materiales compuestos laminares

Los materiales compuestos laminares son productos que contienen dos o más materiales y que están unidos en forma de capas. Los materiales pueden ser similares o bastante diferentes. Los materiales compuestos laminares son poco comunes por dos razones. La primera es que no se basan en un tipo de estructura matriz-refuerzo; simplemente se unen las capas. Cada capa aporta sus propiedades características al material compuesto.

El contrachapado (madera laminada) es uno de los materiales compuestos de láminas (o laminares) más conocidos. Los esquís para la nieve también son materiales compuestos laminares: tienen un alma de madera, capas de fibra de vidrio y caucho, y bordes de acero.

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En algunos materiales compuestos laminares uno de los materiales rodea completamente al otro. Los materiales envolventes dan algunas propiedades especiales a los productos, como por ejemplo la resistencia a la corrosión. Una lata de sopa está hecha de acero estañado. El estaño previene la posible corrosión del acero en presencia de comidas ácidas (sopa de tomate). El acero, a su vez, provee su fuerza y rigidez a la lata. Algunos materiales compuestos laminares combinan tipos diferentes de materiales compuestos dentro de su estructura. Por ejemplo los esquís para la nieve, en los cuales se combinan capas de fibra de vidrio (material compuesto), con otras capas de materiales.

En la figura 5-8 vemos un material compuesto laminar que incorpora una estructura tipo paneles sándwich. Tal estructura puede formar una de las capas en el aspa del rotor de un helicóptero u otras partes de aeronaves.

Figura 5-8 Estructura tipo sándwich con nucleo en forma de panal

Las láminas frontales se hacen de grafito, fibra de vidrio o materiales compuestos de aramida, o aluminio. El nucleo de panal usualmente se hace de aluminio, titanio o un material tipo papel llamado Nomex. Como puedes ver, una estructura con nucleo de panal se incorpora en muchos materiales avanzados cuando se requiere alta resistencia sin mucho peso.

Tipo de material matriz

La matriz de los materiales compuestos tiene que realizar tres funciones principales: transfiere la tensión de la matriz al refuerzo, protege al refuerzo de deterioros, provee una barrera contra los ambientes adversos. Aunque el material de refuerzo recibe la mayor parte de la tensión, es muy importante la selección de la matriz apropiada. La matriz proporciona apoyo contra la

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deformación de las fibras bajo fuerzas de compresión, por lo que contribuye a la resistencia a la compresión de los materiales compuestos. La interacción entre la matriz y el refuerzo también es importante, ya que si ésta no es efectiva, la carga caerá completamente en el refuerzo. Por último, la procesabilidad de los materiales compuestos depende de las características físicas de la matriz, tales como su viscosidad y su punto de fusión.

Los metales, materiales cerámicos y polímeros se pueden usar como materiales de la matriz de unmaterial compuesto. Los polímeros son los materiales que más comúnmente se usan para hacer la. Sin embargo, con la creciente demanda de materiales compuestos para usos en temperatura alta, está aumentando la investigación y el desarrollo de materiales compuestos con matriz de metal y de cerámico.

El aluminio es el material más común para hacer las matrices en los materiales compuestos de matriz metálica. En menor grado se usa el titanio y el magnesio. También se usan los materiales cerámicos, como el vidrio de borosilicato.

Actividad 5-4

Como clase, desarrollen listas de las posibles ventajas y desventajas de usar el metal como material de matriz. Hagan lo mismo con materiales cerámicos.

Analicen los ítems de ambas listas entre todos.

Anota tus hallazgos en tu cuaderno.

Los materiales con matriz polimérica se dividen en dos categorías: termoplásticos y termoestables. Recuerda que un termoplástico tiene moléculas individuales lineales sin enlace químico o unión entre ellas, como un tazón de espaguetis. Las moléculas se mantienen unidas por medio de enlaces débiles que pueden romperse fácilmente bajo calor y presión. Al enfriarse, las moléculas se endurecen en sus nuevas posiciones, y restauran los enlaces débiles. Es por esto que un polímero termoplástico se puede ablandar, derretir y reformar repetidas veces.

Los termoplásticos tienen grandes ventajas con respecto a los termoestables, entre las que están una alta resistencia al impacto y a la fractura. Lo cual da a los materiales compuestos una alta resistencia al deterioro. Otras ventajas de los termoplásticos son:

Una vida útil ilimitada a temperatura ambiente.

Un menor tiempo de fabricación.

Formabilidad a posteriori (el polímero puede ser formado de nuevo después del endurecimiento inicial).

Facilidad de manipulación (no es pegajoso).

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Aún con estas ventajas, el desarrollo de los materiales compuestos con matriz de termoplástico ha sido más lento que con el de los termoestables. Los termoplásticos tienen viscosidades más altas que hace que la incorporación de refuerzos sea más difícil. El polímero no humedece la superficie de las fibras fácilmente, lo que da por resultado una mala unión de la matriz con la fibra. Los materiales termoplásticos tienen una estabilidad térmica más baja que los termoestables y por eso no se usan a temperaturas altas. Los termoplásticos también tienen una resistencia baja a los solventes en comparación con los termoestables.

Los polímeros termoestables, en cambio, tienen moléculas que se juntan químicamente por reticulación. Estos enlaces forman una estructura de red rígida, en tres dimensiones. Una vez que se produce la reticulación, los polímeros termoestables no se derriten ni se deforman al aplicarles calor y presión. Por esto, los termoestables tienden a ser más quebradizos que los termoplásticos. Los termoestables se añaden generalmente a los refuerzos en estado líquido (resina). Un agente endurecedor se agrega para ayudar a que el endurecimiento de la resina sea más rápido. Muchos termoestables tienen un largo tiempo de tratamiento, por lo que los polímeros entran en una fase pegajosa antes de endurecerse completamente.

Hay tener cuidado al usar agentes endurecedores, ya que estos pueden producir hipersensibilidad. La hipersensibilidad produce una reacción alérgica en la piel de algunas personas. Otras personas llegan a ser tan sensibles al agente endurecedor, que no pueden estar en la misma habitación sin tener síntomas adversos.

Debido a que los polímeros termoestables no se ablandan, se han usado tradicionalmente como materiales de matriz en materiales compuestos de polímeros. Los materiales iniciales normalmente son materiales de bajo peso molecular con viscosidades bajas. Como la viscosidad de los polímeros es baja, una buena unión matriz-fibra se puede alcanzar sin la necesidad de calor o presión. Los polímeros termoestables tienen una buena estabilidad térmica y resistencia química. Dos desventajas de los termoestables son su limitada vida útil a temperatura ambiente (después de mezclarse la resina con el agente endurecedor), y su largo tiempo de fabricación en el molde (donde se lleva a cabo la reacción).

En la tabla 5-2 podemos ver el resumen con las características de los materiales compuestos con matriz polimérica.

Una clase especial de polímeros son los elastómeros (o cauchos). Estos materiales son de alta flexibilidad y también se pueden usar como matriz. Un ejemplo conocido es el caucho del neumático del automóvil. Los refuerzos posibles incluyen el acero, nailon o fibras aramidas. Estos neumáticos combinan la flexibilidad y la capacidad de absorber golpes del caucho, con la resistencia de las fibras. Las mangueras de jardín reforzadas y las bandas del ventilador son otros ejemplos.

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Tabla 5-2. Características de materiales compuestos con matriz polimérica

Ventajas Desventajas

Buena resistencia y rigidez longitudinal

Baja densidad

Facilidad de fabricación

Relativamente bajo costo

Resistencia a la corrosión

Resistencia a la fatiga

Bajo coeficiente de expansión térmica

Se pueden hacer eléctricamente conductor o no conductor

Se pueden hacer térmicamente conductor o no conductor

Tecnología madura

Mucha experiencia

Pobre rendimiento a alta temperatura

Sensibilidad a la humedad

Baja resistencia y rigidez trasversal

Pobre resistencia al impacto (termoestables)

Requiere equipos de procesamiento especiales

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Capítulo 3: Procesamiento, elaboración y fabricación

Una parte importante del uso de un material, es tener un método de

fabricación confiable que sea efectivo y de bajo costo. Uno de los beneficios de los materiales compuestos es que se pueden crear “diseños a la medida”, lo que se logra con la selección apropiada del material de refuerzo, su orientación y del material de la matriz. Pero si no existe una manera práctica de fabricar el material compuesto, los beneficios de un buen diseño pueden no concretarse.

Debido a que muchos métodos de formación los analizamos en otros capítulos, las técnicas usadas se resumen en la tabla 5-3.

Tabla 5-3. Métodos de fabricación de materiales compuestos

Matriz Método de fabricación

Metal Metalurgia de lingote (lámina/fibra/lámina)

Metalurgia de polvos

Fundición

Cerámico Prensado en frío y sinterización

Desvitrificación

Colada en barbotina

Polímero Acomodamiento manual

Moldeo por bolsa

Moldeo por compresión

Moldeo laminar

Moldeo en volumen

Moldeo por compresión sistema húmedo

Moldeo por compresión laminar termoplástica reforzada

Pultrusión

Bobinado de filamento

Prepeg

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Actividad 5-5

Trabajando en grupos, cada uno de estos va a seleccionar uno de los métodos de fabricación que están en la tabla 5-3.

Con la ayuda de un folleto y/o información de la biblioteca, prepara una presentación sobre el método seleccionado. Trabaja con tus compañeros en el desarrollo y presentación. Usen diagramas, modelos físicos, descripciones verbales o simulacros para mostrar cómo se lleva a cabo el proceso.

Desarrollen una o dos preguntas de examen sobre el proceso que le están enseñando a los demás compañeros. (Tu maestro reunirá las preguntas en un examen general.)

Responde a la prueba sobre métodos de fabricación.

Corrige la prueba y determina cuál de los métodos se entendió mejor.

Actividad 5-6

Con la ayuda de la tabla de información que desarrollaste en la Actividad 5-2, trata de determinar qué método de fabricación usaron para hacer los productos relacionados. (Algunos son obvios, otros requerirán consultar a la compañía.)

Presenta tus hallazgos a la clase.

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Laboratorio 20: Hagamos papel

ASPECTOS


En esta actividad de laboratorio vamos a abordar las propiedades de los materiales compuestos, los pasos del proceso de elaboración de los mismos haciendo papel.

Objetivos


Entender y demostrar el proceso de elaboración de papel.


Entender las propiedades de los materiales compuestos



Medir el volumen de un líquido con una probeta o vaso de precipitado.

Usar una regla para medir longitud.

Usar una balanza para medir masa.







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Material vegetal seco (hojas, paja,

pasto, arroz; madera no)

2 pedazos de 25 cm × 25 cm de

gasa de algodón (para filtrar

queso)

Tela metálica (20 cm × 20 cm)

Papel de litmus o tornasol rojo

Bandeja para hornear

Pedazos de tela de algodón (25 cm

× 25 cm)

Esponja (20 cm × 20 cm)

Bloque de madera (20 cm × 20 cm)

Balanza digital


Recipiente hermético

Cinta de enmascarar

Agarradera para objetos calientes

Molde rectangular

para biscochos

Gafas de seguridad

Recipiente con tapa

Bórax

Hilo o cuerda

Pipeta

Agitador

Tijera

Probeta

Agua caliente

Licuadora

Espátula

Plancha

Guantes de látex

Placa calefactora


El papel es un material compuesto hecho con fibras de celulosa. La mayor parte del papel se hace con fibras de árbol. Al hacer el papel, el material queda unido por enlaces químicos y redes de fibras que se producen durante el proceso. En esta actividad de laboratorio veremos algo más acerca de la estructura y de los componentes compuestos del papel, haciendo una hoja de papel a partir de material vegetal.

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Usa guantes de látex para proteger tu piel de productos químicos. Tambien usa las gafas de seguridad para proteger tus ojos.

Ten cuidado al trabajar cerca de superficies calientes como la placa calefactora y el recipiente de vidrio. Usa la agarradera para objetos calientes al manejar dichos materiales.

Cuando estés calentando productos químicos evita poner tu cara directamente sobre la placa calefactora.

Evita respirar los humos cuando esté hirviendo el material vegetal.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Ponter el delantal de laboratorio, las gafas de seguridad y los guantes de látex.

Parte A. Preparar los materiales vegetales

1. Coloca los pedazos de gasa uno encima del otro.

2. Corta con la tijera el material vegetal seco, en pedazos menores a 1 cm de longitud, y colócalo en el centro de la gasa.

3. Junta las puntas de la gasa para hacer como una gran bolsita de “té”, con los pedacitos de vegetal adentro, y átala con un pedazo de cuerda o hilo, para mantenerla cerrada. Escribe tu nombre en un pedazo de papel y colócalo en la cuerda, como forma de identificar que dicha bolsa te pertenece.

NOTA: En este momento puedes detener la actividad para retomarla posteriormente. El material vegetal se puede guardar a temperatura ambiente.

Parte B. Hervir

1. Coloca la bolsa en el vaso de 600 ml. Agrega agua caliente poco a poco en incrementos de 100 ml hasta cubrir la bolsa. Agrega 10 g de bórax por cada 100 ml de agua que hayas utilizado.

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2. Coloca el vaso en la placa calefactora. Ajusta la temperatura de la misma para que el agua hierva ligeramente, durante 45 minutos a una hora.

NOTA: Ten cuidado para evitar que la solución no hierva demasiado y se derrame, ya que ella está caliente y es caústica, y puede causar quemaduras.

3. No dejes de ir agregando agua caliente, para compensar la evaporación. Si el horario lo permite, el proceso de hervir puede continuar por varias horas. Cuando hayas terminado, apaga la placa calefactora.

Parte C. Lavar

1. Lleva con cuidado el vaso de precipitado con la bolsa hasta el fregadero. Abre el agua fría y vacía el contenido en el mismo. Llena el vaso con agua fría y “mete y saca” la bolsa varias veces. Vacía nuevamente el vaso y lo llenas de nuevo para repetir este proceso de “meter y sacar” una vez más.

2. Continúa lavando la bolsa hasta que el agua salga sin color. Prueba con algunas gotas en el papel tornasol rojo (si éste cambia a color azul hay que continuar lavando la bolsa). Cuando el papel tornasol permanezca de color rojo es porque has terminado de retirar el bórax.

NOTA: En este momento puedes detener esta actividad de laboratorio y retomarla posteriormente. La bolsa se puede guardar en un recipiente hermético sellado, a temperatura ambiente durante uno o dos días.

Parte D. Reducir a pulpa

1. Exprime la bolsa para sacarle la mayor cantidad de agua. Abre la bolsa, y coloca parte de su contenido en la licuadora (guarda el resto en un recipiente cubierto).

2. Agrega en la licuadora entre 20 y 30 ml de agua y tápala. Pon la licuadora a funcionar unos 10 segundos. Si al licuar el material no se mezcla, apágala y agrega 20 ml más de agua. Intenta de nuevo. Continúa agregando agua hasta que la mezcla se haga homogénea.

3. Licúa a velocidad media por un minuto. Apaga la licuadora y observa cuidadosamente el contenido. Repite la operación y observa nuevamente. Continúa este proceso hasta que la pulpa deje de cambiar su apariencia. Ahora tienes pulpa para hacer papel. Coloca esta pulpa en un recipiente con tapa.

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NOTA: En este momento puedes detener esta actividad de laboratorio y retomarla posteriormente. Puedes guardar la pulpa a temperatura ambiente por uno o dos días.

Parte E. Preparar la pulpa en la tela metálica

1. Coloca cinta de enmascarar alrededor de los bordes de la tela metálica. La función de este borde es facilitar el retiro del papel con posterioridad.

2. Moja la esponja y los pedazos de tela de algodón con agua. Exprime la esponja lo máximo que puedas y colócala en la bandeja para hornear.

3. Vierte agua en el molde para biscochos hasta uno o dos cm de profundidad. Agrega un poco de pulpa al agua. Remuévela bien para separar las fibras de la pulpa. Agrega más pulpa hasta que la mezcla esté un poco gruesa que no puedas ver a través.

4. Desplaza la tela metálica en la mezcla desde un extremo y deja que la misma descanse en la base del molde. (Asegúrate de desplazar la tela metálica y no la dejes caer directamente, ya que en ese caso va a atrapar fibras.)

5. Mueve tela metálica de un lado para el otro y remueve la mezcla hasta tener una capa uniforme por encima de la misma. Levanta y retira la tela metálica para apoyarla sobre la esponja húmeda, con el lado de la pulpa hacia arriba. Usa tus dedos para ir acomodando los restos de pulpa que estén en los bordes.

6. Identifica los lugares donde no haya pulpa, y con una pipeta ve colocando unas cuantas gotas de pulpa no diluída para ir rellenando los mismos.

Parte F. Planchar la pulpa

1. Coloca un pedazo de tela húmeda sobre la pulpa que está en la tela metálica. Pon el bloque de madera sobre la tela. Presiona hacia abajo con todas tus fuerzas para ir exprimiendo la mayor cantidad de agua posible. Levanta el bloque y déjalo a un costado.

2. Separa de la esponja el “sandwich” de tela, pulpa y tela metálica, tratando de mantener las tres capas juntas. Inviértelas para que la tela metálica quede del lado de arriba. Levanta una esquina de la tela metálica para que puedas ver la pulpa. Usa la espátula para ir separando la pulpa de la tela metálica. Haz esto despacio y cuidadosamente (con

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paciencia). No te peocupes si se te rompe un poquito la hoja de pulpa. Para reparar esto usa la pipeta y pon unas gotas de la mezcla de pulpa en esos espacios.

Parte G. Secar el papel

1. Cubre la hoja de pulpa de ambos lados con pedazos de tela húmeda. Plancha las telas y la hoja hasta que estén completamente secas. Puedes necesitar planchar de un lado y luego del lado opuesto para acelerar el proceso.

2. Cuando la tela y la pulpa estén completamente secas, despega cuidadosamente los dos pedazos de tela para que te quede el papel.

Anota tus observaciones de cada parte de la actividad de laboratorio en tu cuaderno.


Coloca en el zafacón los restos de material vegetal y papel.


Cálculos



1. ¿Por qué clasificamos el papel en la categoría de material compuesto?

2. Identifica los componentes del papel que forman la matriz, el relleno y el componente estructural o de refuerzo.

3. ¿Cuál es la función de cada componente identificado en la pregunta 2?

Desafío

4. El papel que se elabora para uso de oficina es blanco. Investiga cómo se blanquea el papel en la industria.

5. Explica lo que indica el papel tornasol, y cómo es que funciona.

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Capítulo 4: Productos de materiales compuestos

Tanto los materiales compuestos naturales como los producidos por el hombre se usan de muchas formas. Entre los materiales compuestos naturales están en hueso, el marfil y la madera. Los sintéticos son los que por lo general se usan en aviones, barcos, y otros vehículos, asi como también en cañas de pescar, palos de golf y otros equipamientos deportivos. En todas las aplicaciones mencionadas el uso de materiales compuestos es muy intensivo gracias a que son ligeros y resistentes.

El campo de los materiales compuestos está creciendo rápidamente y sus aplicaciones son demasiadas para cubrirlas en esta unidad. Por lo que solo nos enfocaremos en dos áreas en que los materiales compuestos se usan: la medicina y el espacio aéreo.

Uso de materiales compuestos en medicina: reconstrucción de

tendones y extremidades artificiales

Los tejidos vivos se parecen a los materiales compuestos sintéticos, sobre todo a aquellos reforzados en forma natural por fibras. En animales, tales fibras usualmente son de proteína. Un ejemplo es el tejido conectivo que forma un tendón (ver figura 5-9). Un tendón es un tipo de tejido conectivo que une un músculo con un hueso. Cuando el músculo se contrae jala del tendón, el que jala a su vez el hueso hacia el músculo.

Figura 5-9 Tendón

A veces los tendones se desgarran, sobre todo bajo el esfuerzo de la actividad física. En la tendinitis, un tendón se inflama e hincha, causando mucho dolor. Un tendón fuertemente dañado a veces no se puede curar, aún después de un largo tratamiento. En tales casos un cirujano ortopédico recomienda un

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injerto especial hecho de una matriz polimérica y fibras sintéticas (carbono o poliéster). El cirujano teje el injerto en el tendón afectado del paciente. Poco después de la cirugía, los tejidos circundantes al implante empiezan a abrirse y absorben el material de la matriz, con lo cual, el tejido conectivo vuelve a crecer alrededor de las demás fibras sintéticas.

Otro uso de materiales compuestos nuevos en medicina es en las extremidades artificiales, que les parecerán más naturales al usuario. Para funcionar adecuadamente, una extremidad artificial no solo debe soportar el peso del cuerpo sino que debe distribuirlo a todas las partes del miembro mecánico. También debe permitir movimientos que imiten la manera en que huesos, músculos y tendones se comportan normalmente durante una actividad. Un modelo nuevo de pierna artificial, que se hace a la medida, es de un termoplástico reforzado con fibra. Este nuevo material compuesto, llamado Fiberod, se amolda al estilo de caminar del usuario.

Uso de materiales compuestos en la industria aeroespacial:

transporte supersónico y transbordador espacial

Ciertos materiales compuestos ofrecen por lo menos dos propiedades principales que demanda la industria aeroespacial: poco peso y resistencia. En la fabricación de partes de aviones supersónicos diseñados para viajar dentro de la atmósfera de la Tierra, una meta principal es reducir el peso. Cuanto más grande es el peso de un avión, más combustible se requiere para moverlo de un lugar a otro. Por eso, ahorrando peso se ahorra dinero. Muchos de los nuevos materiales compuestos son más fuertes que el acero pero más livianos que el aluminio, y se espera que integren la mayor parte de la estructura central del avión del futuro.

Otra propiedad que es importante para los aviones de transporte supersónico es la resistencia al calor. Debido a las altas velocidades alcanzadas por estos aviones, la temperatura en la superficie del avión puede subir a 1000 °F.

El transbordador espacial ha desafiado a los científicos de materiales y a los ingenieros, porque se expone repetidamente a temperaturas y velocidades altas. El cono de la nariz del transbordador se hace de un material laminado llamado CCR por los ingenieros. CCR quiere decir carbono-carbono reutilizable; consta de capas de tela de fibra de grafito con una matriz de carbono y una capa de carburo de silicio. En el laminado cada uno de estos tres materiales tiene una función. Las fibras y la matriz proveen resistencia y una capa protectora de altas temperaturas; la matriz proporciona rigidez, y la capa de carburo de silicio, resistencia a la oxidación.

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Capítulo 5: Probamos materiales compuestos

Perfil laboral: Analista de pruebas de materiales compuestos

Eugenia C. es una analista de pruebas de una compañía aerospacial. Ella examina metales y materiales compuestos usados en la fabricación de aviones. “Uno de los instrumentos principales que uso en mi trabajo es el microscopio electrónico de exploración”, dice Eugenia. “Lo uso para examinar las condiciones de la superficie de los materiales compuestos”. Eugenia explica que los materiales compuestos son la combinación de dos o más materiales. “Un material compuesto que todos conocen es el contrachapado. En él, las capas delgadas de madera son laminadas unas sobre otras con la fibra de las capas en diferentes direcciones. El resultado es una hoja de madera que es más fuerte que un trozo de madera con la fibra en una sola dirección.

El material compuesto epoxi de grafito es el que más frecuentemente pruebo en mi trabajo. A diferencia del contrachapado, que es un material compuesto laminado, el epoxi de grafito es un material compuesto de partículas. Se distribuyen las partículas de grafito por todas las partes de la matriz de epoxi. Una matriz es como un armazón abierto. El epoxi le da un grado de flexibilidad al material y las partículas de grafito le dan más resistencia. Ésta es una descripción simplificada, pero da una buena idea”. ¿Qué es lo que busca Eugenia cuando examina los materiales compuestos usando el microscopio electrónico? “Principalmente busco defectos en la superficie, áreas donde las condiciones de la misma son irregulares y el material puede ser vulnerable a tensiones”. “Otro aspecto de mi trabajo es analizar cortes en el material, como partes fracturadas; y para hacer esto uso una técnica llamada fractografía. De vez en cuando me llaman para inspeccionar restos de accidentes aéreos. También hago lo que se llama un análisis elemental de materiales”. “Además aplico pruebas para determinar los elementos que contiene una muestra”. Eugenia no puede describir algunos aspectos de su trabajo porque realiza tareas de defensa nacional y esta información es secreta. Eugenia realizó estudios especializados sobre la prueba no destructiva en un colegio técnico.

Fallos de los materiales compuestos

Los materiales compuestos fallan en dos aspectos principales: ductilidad y fragilidad. Como mencionamos en la unidad de metales, fallos en la ductilidad ocurren cuando hay una cantidad significativa de deformación plástica antes de

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la rotura del material. La fractura por fragilidad ocurre cuando no hay deformación plástica antes de la rotura.

Pruebas

Es importante probar un material para estar seguros de que satisface las necesidades para su aplicación. Cuanto más crítico es el uso del material, más pruebas se requieren. También un material nuevo para una aplicación nueva requiere de más pruebas que un material conocido con una aplicación comprobada.

Hay dos categorías básicas de pruebas o ensayos: destructivas y no destructivas. En una prueba destructiva, durante el proceso se destruye el material bajo observación. En una prueba no destructiva, el material bajo observación no se daña.

Prueba destructiva

La prueba destructiva realizada en un laboratorio de investigación ayuda a los científicos a entender cómo un material nuevo responderá a condiciones diferentes. También se usa para el control de calidad de los productos finales. Un número pequeño de unidades seleccionadas de los productos finales se prueban al punto de destrucción. A veces se producen junto al producto muestras hechas específicamente para pruebas. Dichas muestras pueden ser elaboradas de dos maneras: 1) directamente con un fragmento no esencial de un producto final, y 2) con los mismos materiales usados en un producto final; en ambos casos, exactamente bajo las mismas condiciones que las unidades de producción.

Las técnicas de las pruebas destructivas que evalúan a los materiales compuestos son básicamente las mismas técnicas usadas para los metales, los materiales cerámicos y los polímeros. La prueba de tensión es la más simple y la más común de las pruebas destructivas; en ella se aplica un peso al extremo de una muestra (es decir, se estira la muestra.) Esta prueba puede determinar la resistencia del material a la tracción y su módulo de elasticidad (rigidez). La forma de la muestra tiene un efecto importante en los resultados de la prueba. La figura 5-9 ilustra tres formas de uso común en las pruebas. Observa que los extremos de las tres formas son un poco más gruesos. El grosor reduce la posibilidad de cortes en las puntas.

La prueba de compresión es otra prueba destructiva. Éstas son muy similares a las pruebas de tracción, pero en lugar de someter la muestra a tracción, se le sujeta a compresión. Las muestras delgadas y planas, como las usadas en el ensayo de tracción, a menudo se deforman por la compresión, cosa que interfiere con los resultados de la prueba. Por eso, se usan bloques o barras en esta prueba.

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Otro problema con la prueba de compresión es el fallo (corte) prematuro de los extremos de la muestra. Un tipo de fallo en los extremos que ocurre con las matrices de metales y de polímeros se llama “brooming”. Esto sucede cuando la carga va en la dirección de la fibra. La matriz es aplastada y las fibras se extienden hacia afuera. El resultado es una muestra con un extremo que se parece a una escoba.

Figura 5-10 Formas usadas en las pruebas

La prueba de resistencia al impacto determina los efectos de la cantidad de fuerza aplicada a un material cuando es impactado por otro objeto a alta velocidad. La prueba de impacto simula las condiciones a las cuales un material estaría sometido durante su uso.

La prueba de flexión mide las propiedades de curvatura; las pruebas de tres y cuatro puntos son las más comunes. En la figura 5-11 vemos los dos tipos.

Figura 5-11 Tipos de pruebas de flexión

En la prueba de tres puntos se produce un esfuerzo de corte a nivel interlaminar que se distribuye uniformemente a lo largo de la muestra. La

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resistencia a la cizalla a nivel interlaminar de un material compuesto es relativamente baja, por lo que existe un alto riesgo de que ese esfuerzo de corte destruya a la muestra antes de que fallen sus propiedades de flexión.

En la prueba de cuatro puntos se ponen dos pesos simétricos sobre la muestra. No hay esfuerzos de corte entre los pesos, solamente entre el peso y el punto de apoyo más cercano. Entre los pesos la muestra falla en flexibilidad, no por corte interlaminar.

Una vez que una parte falla, se usa una técnica llamada fractografía para determinar cómo y por qué ocurrió el corte. La fractografía es un análisis microscópico de la superficie de la fractura. Identifica el origen y la dirección de crecimiento de la misma. La fractografía se puede usar también para determinar el tipo de peso que causó el inicio de la fractura.

Prueba no destructiva

La prueba no destructiva es un campo creciente. Muchas técnicas de pruebas no destructivas (PND) se usan para garantizar el control de calidad. En algunos casos, las PND representan la única manera práctica para probar una parte, desde el punto de vista del costo; las partes muy caras no se pueden destruir en pruebas.

La tabla 5-4 muestra algunos de los defectos comunes en los materiales compuestos y las técnicas de PND que los detectan.

Tabla 5-4. Defectos en materiales compuestos y técnicas de PND

Defecto Sónico Ultrasónico Rayos X Microondas

Separación X X X

Delaminación X X X X

Curado parcial X

Falta de alineación de la fibra

X

Fibras dañadas X

Variación de resina

Espesor

Densidad

X

X

X

X

X

Vacíos X X X X

Porosidad X X X X

Fractura X X X X

La prueba sónica usa un disco de metal llamado “moneda” para descubrir la delaminación (separación de una capa del material compuesto de otra

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adyacente), y los vacíos grandes (aire atrapado en la resina). Al dar golpes suaves con la moneda a lo largo de la superficie de las partes se producen sonidos. Una parte bien unida produce un sonido firme, tipo timbre. Las delaminaciones o las partes con vacíos producen sonidos huecos o sordos. La confiabilidad de esta técnica depende mucho de la experiencia del técnico.

La prueba ultrasónica usa ondas de sonido a frecuencias (100 kHz a 25 MHz) que no puede oir un ser humano. Una fuente, tal como un generador de impulsos, transmite impulsos eléctricos a un transductor, el cual convierte los impulsos en vibraciones, que pasan a la muestra. La onda ultrasónica viaja por la muestra y la energía reflejada es detectada por otro transductor. Dicha energía se convierte nuevamente en energía eléctrica que se usa para crear una imagen visual en un tubo de rayos catódicos. A dicha imagen la lee un técnico.

La inspección con rayos X es similar a la técnica usada en los procedimientos de diagnóstico médico y dental. Los rayos X pueden penetrar muchos materiales sólidos. La cantidad de penetración depende del espesor, la densidad y la composición del material. La intensidad de la radiación que emerge revela la estructura interna del material.

Las técnicas de microondas son similares a las técnicas ultrasónicas. Una fuente dirige radiación de microondas a una muestra. Un detector recoge la energía transmitida a través o reflejada por la muestra. El detector convierte la energía en energía eléctrica y crea una imagen visual. Debido a la alta frecuencia de las microondas (0.5 GHz a 1000 GHz), es posible detectar defectos más pequeños que con ultrasonido. Las frecuencias más altas permiten enfocar mejor la radiación en áreas más pequeñas.

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Capítulo 6: Madera: un material compuesto tradicional

Madera natural

Los productos hechos de madera se usan en ingeniería y en la industria de la construcción. La madera está formada por fibras de celulosa dentro de una matriz de lignina y hemicelulosa.

La madera puede tener características diferentes, puede ser clasificada como dura o blanda, según el tipo de árbol del cual provenga. Ejemplos de árboles de madera dura son: roble, balsa, cerezo, arce. Ejemplos de árboles de madera blanda son: pino, tejo, abeto y cedro.

Madera diseñada

La madera diseñada es un término que se usa para denotar los productos que han sido fabricados combinando fibras de madera y adhesivos para crear un material sintético. Estos productos se diseñan para tener cualidades y características específicas tales como: mayor uniformidad, solidez y resistencia a las inclemencias climáticas. Entre los productos de madera diseñada podemos mencionar:

Madera laminada

Contrachapado

Tabla de fibra orientada (OSB)

Tabla de madera comprimida

Táblex o masonita

Aglomerado de fibra media (MDF)

Paneles de cemento

Lámina de yeso para paredes.

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http://en.wikipedia.org/wiki/Masonite

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Actividad 5-7

Visita un depósito de madera. En grupo identifiquen los diferentes tipos de madera, ya sea natural o diseñada.

En el caso de no poder visitar ese tipo de depósito, el profesor les va a mostrar un grupo de muestras de madera para identificarlas.

Presenta tus conclusiones a la clase.

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Laboratorio: 21: Hagamos y probemos concreto

ASPECTOS


En esta actividad de laboratorio vamos a abordar las propiedades de los materiales compuestos, los pasos del proceso de elaboración de los mismos haciendo y probando concreto.

Objetivos


Entender y demostrar el proceso de elaboración de concreto.


Entender las propiedades de los materiales compuestos.



Usar una báscula para medir peso.







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Cemento Portland

Arena

Recipiente de 5 galones

Abrazadera en C (para probar el concreto)

Varilla de madera (para remover)

Pesas (para probar el concreto)

Agua

Grava o piedras pequeñas

Báscula

Balanza de brazo triple

Molde de plástico rectangular

Canasta de mimbre


El concreto es un material compuesto que se usa en muchas aplicaciones diferentes. Hay muchos tipos diferentes de concreto. En esta actividad de laboratorio haremos concreto de cemento Portland, que está formado por cemento, piedras, gravilla o arena, y agua. El proceso químico de hidratación hace que los materiales componentes se unan y solidifiquen. En esta actividad también vamos a probar la resistencia de diferentes muestras de concreto.


Ponte tus gafas de seguridad para protegerte los ojos en el caso que haya salpicadura de algún producto químico, algún objeto puntiagudo, vapores nocivos o partículas aéreas.

El concreto puede irritar tu piel. Evita el contacto de tu piel con productos químicos potencialmente dañinos tales como ácidos, bases, tinturas.Usa guantes y delantal de laboratorio.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


Parte A. Mezclar y colar concreto

1. Si no tienes un molde de plástico de forma rectangular, haz uno en el cual el concreto se pueda formar. Para esto puedes usar pedazos de madera y armar un recipiente cuadrado o rectangular.

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2. Coloca en el balde o recipiente de 5 galones los siguientes materiales: 250 g de arena, 400 g de grava, 100 g de agua y 120 g de cemento Portland.

NOTA: Una razón de composición normalmente utilizada es: 40/60 en peso porcentual de arena a gravilla, y 45/55 en peso porcentual de agua a cemento.

3. Con la varilla de madera, mezcla bien los ingredientes y viértelos en el molde.

4. Deja que el concreto fragüe durante toda la noche antes de trabajar con él.


Parte B. Probar el concreto

1. Consigue unas pesas de aproximadamente la misma masa. Las pesas pueden ser pequeños bloques de concreto que hayas pesado, o pesas metálicas.

2. Retira el concreto ya fraguado del molde.

3. Asegura el concreto con una abrazadera en forma perpendicular al borde de una mesa. Deja que solamente dos pulgadas estén sobre la mesa, el resto del bloque debe estar suspendido en el aire.

4. En el extremo del bloque que está en el aire coloca una canasta o algún otro recipiente donde puedas ir agregando las pesas.

5. Cuidadosamente ve agregando una a una las pesas en la canasta hasta que la muestra de concreto se rompa.

6. Elabora una tabla de datos que represente el peso al cual la muestra de concreto se rompió.


Tabla de datos del peso al cual se rompe la muestra de concreto

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Peso de falla

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Parte C. Variar los componentes de la mezcla de concreto

1. Algunas de las partes componentes del concreto, como la arena y el cemento, se pueden variar al hacer la mezcla. Usando el paso 2 de la parte A como guía, modifica uno de los componentes, por ejemplo, ponle 5 % más de agua a la mezcla.

NOTA: Asegúrate de seguir los pasos de este proceso científico cuando hagas este experimento de composición de las muestras de concreto. Probar y evaluar cambios en las propiedades de los materiales es un trabajo científico importante. El proceso científico te ayudará en la evaluación de los procedimientos.

2. Sigue los pasos del resto de la actividad para mezclar, colar y probar tu nueva muestra de concreto.

3. Compara las propiedades de esta muestra con las de la primera.

4. Anota en la tabla de datos (en la columna respectiva), el peso al cual la segunda muestra de concreto se rompió.

5. Ahora haz el cambio en forma investida de lo que hiciste en el paso 1 de la parte C, por ejemplo, usa 5 % menos de agua que en la muestra original.

6. Nuevamente sigue los pasos del resto de la actividad para mezclar, colar y probar tu nueva muestra de concreto.

7. Compara las propiedades de esta muestra con las de la primera y de la segunda.

8. Anota en la tabla de datos (en la columna respectiva), el peso al cual la tercera muestra de concreto se rompió.


Coloca en el zafacón los restos de concreto.


Limpia bien el área de trabajo.

DRAFT

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Cálculos



1. ¿Cuáles son los componentes que fortalecen el concreto?

2. ¿Qué otros materiales se podrían agregar al concreto para fortalecerlo?

3. ¿Qué es lo que hace que el concreto fragüe (endurezca)?

4. ¿Por qué el concreto fragua lentamente?

5. ¿Cuál es la function del cemento en el concreto?

6. ¿Por qué piensas que el concreto se usa en la construcción de carreteras?

7. ¿Por qué es importante probar el concreto?

Desafío

8. ¿Cómo puedes hacer que el concreto fragüe más rápido o más lento?

9. Diseña otro método para probar el concreto.

10. Investiga las mezclas a las cuales se le agregan aditivos, y por qué a veces se utilizan para trabajar con concreto.

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Capítulo 7: Hormigón: Material compuesto tradicional

El hormigón, o concreto como se le conoce en varios países, es uno de los materiales sintéticos de mayor uso en el mundo. El cemento es un ingrediente clave del concreto. El cemento es un polvo fino de color gris que une a la arena y a la grava convirtiéndolas en una masa sólida. Esta masa de cemento y agregados se llama concreto. El cemento Portland es un término genérico que se usa para referirse al cemento moderno.

Piensa en todos los ejemplos de concreto que viste mientras venías a la escuela. El concreto se usa para hacer casas, calles, puentes, represas y muchas otras estructuras. El concreto es durable, relativamente barato, y se puede fácilmente hacer a partir de materias primas abundantes. El concreto también puede ser reciclado y reusado.

Componentes del concreto

El concreto se hace con los siguientes componentes principales: relleno, aglutinante y agua. El relleno está formado por agregados, ya sean finos o gruesos. La arena es un ejemplo de un agregado fino; la grava es un ejemplo de un agregado grueso. Los agregados determinan las características del concreto. La densidad, resistencia, durabilidad y otros factores dependen del agregado usado. El aglutinante está formado por una pasta hecha de cemento y agua. A través del proceso de hidratación, el agua genera una reacción química que endurece el concreto.

Producción del cemento Portland

El cemento Portland se produce de la siguiente manera:

Las materias primas se extraen de la cantera (piedra caliza, arcilla).

Las piedras se muelen y mezclan para formar un polvo fino.

Esta mezcla de polvo se calienta en un horno y produce un material llamado “clinker.”

El clinker se muele y mezcla con yeso mineral para producir cemento.

Luego se lo coloca en bolsas y se envía a los distribuidores.

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Actividad 5-8

Visita una fábrica de concreto. Junto con tus compañeros identifica los diferentes materiales y procesos que se usan para fabricar y mezclar concreto.

Si esa visita no es posible, camina por los alrededores de la escuela e identifica los objetos o estructuras que están hechos de concreto. Haz una lista de dichos elementos. ¿Por qué piensas que se usó concreto para elaborar los artículos que tienes en tu lista?


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Capítulo 8: Hormigón asfáltico: Material compuesto tradicional

El concreto asfáltico es un material que se utiliza para pavimentar autopistas y otro tipo de vías de comunicación. Al igual que el concreto de cemento Portland, el concreto asfáltico está formado por una mezcla de aglutinante y unos agregados. El concreto asfáltico también se puede reciclar y reusar.

Componentes del concreto asfáltico

El aglutinante del concreto asfáltico es el betún. Éste es un líquido muy grueso, pegajoso y negro. Es una mezcla de líquidos orgánicos y derivados del petróleo que se usan para elaborar el asfalto. Los agregados usados para hacer el concreto asfáltico son similares a los que se usan para fabricar el concreto de cemento Portland. Desde el inicio de la década de los 70 se comenzó a agregar al asfalto pedazos de vidrio molido reciclado, y el producto se llama asfalto de vidrio (glassphalt); el cual contiene entre un 10 y un 20 % de vidrio en peso.

Producción del concreto asfáltico

El concreto asfáltico se produce de la siguiente manera:

El asfalto se obtiene del petróleo.

Se almacena el asfalto es un contenedor caliente hasta que se mezcla con los agregados.

Una vez mezclado se aplica en la superficie que queremos pavimentar.

Actividad 5-9

Haz una visita a una fábrica de asfalto. Junto con tus compañeros identifica los diferentes materiales y procesos que se usan para fabricar y mezclar asfalto.

Si esa visita no es posible usa el internet o la biblioteca de la escuela para investigar la ubicación de empresas productoras de asfalto (de tu ciudad y sus alrededores). Escriban cartas a esa compañía solicitando información o folletos acerca de los servicios que ofrecen y los procesos de producción que usan.


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Capítulo 9: Reciclaje de materiales compuestos

Muchos de los materiales compuestos pueden ser reciclados, sean estos naturales o sintéticos; el mas común es el papel.

Papel

Por peso, el papel constituye aproximadamente el 40% del flujo de desechos y toma casi un tercio del espacio en vertederos. Aunque todavía se tira mucho papel, los vendedores de papel han estado reciclándolo por decadas. En los Estados Unidos en el año 1990, casi la mitad de todos los periódicos y cajas

corrugadas usadas (casi 21 millones de toneladas [1.869 1011 newtons] de papel de desecho) fueron reciclados. En el año 2010 se recuperó alrededor del 72 % del papel usado (incluido el papel periódico), y el 85 % del cartón corrugado; esta cantidad de papel recuperado equivale a un promedio de 334 libras por habitante.

¿Qué es el papel?

Aunque el papel se puede hacer de plantas tales como el arroz, algodón, y papiro, la mayoría se hace de árboles. Actualmente, casi todos los recipientes de papel, periódicos, y papeles de oficina son hechos de diferentes tipos de fibras de madera, formadas principalmente de celulosa. El papel se hace de estas fibras y también de otros materiales de relleno y revestimientos.

Los procesos y materiales específicos usados para hacer diferentes papeles le dan a cada tipo características únicas, incluyendo hasta 50 diferentes grados dentro del mismo tipo de papel. Por ejemplo, el cartón corrugado usa un tipo de fibra de madera diferente a la del cartón puro, las páginas de un revista satinada tiene un revestimiento de arcilla, y los cartones que se usan para envasar la leche, tienen un revestimiento de plástico.

La fabricación de una tonelada de papel nuevo consume entre 17 y 35 árboles y 7000 galones (26 500 litros) de agua, dependiendo del tipo de papel y de árbol. A nivel mundial aproximadamente, 4 mil millones de árboles se talan cada año para producir papel. Los árboles son recursos no renovables, por ello se dedican grandes extensiones de terreno para cultivar árboles solo para la producción de papel. Sin embargo, como plantar y cosechar una gran cantidad de árboles es costoso (desde energía hasta inversiones), conviene comparar estos costos con el costo de hacer papel nuevo del viejo.

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Reciclaje de papel

Debido a la diversidad de los procesos de elaboración de papel, el reciclaje de papel no es un procedimiento tan simple como el reciclaje de botellas de vidrio o latas de aluminio. Los recicladores están más interesados en el papel de periódicos, las cajas corrugadas y otros cartones puros, y papel de oficina blanco de alta calidad. El papel reciclable debe ser separado por tipo para hacerlo más atractivo para el mercado. Una vez separado se pica, empaca, y se despacha a una fábrica de papel.

En la fábrica de papel, se mezcla el papel usado con agua y se le convierte en una pulpa como una pasta. Este proceso también descontamina y retira la tinta de la pulpa antes de que fluya por una especie de colador móvil, a través del cual pasa la mayor parte del agua. Las fibras recicladas atrapadas en el filtro son prensadas por rodillos para eliminar más agua. Estas fibras finalmente se mandan a través de un secador a vapor caliente y se les da forman de hojas. En la figura 5-12 vemos el proceso de reciclaje del papel.

Figura 5-12 Proceso de reciclaje de papel

Muchas fabricas de papel no procesarán de nuevo papeles satinados tales como el de los cartones de leche o las revistas, o cualquiera otro que tenga residuos de pegamento, cera, o grapas, porque estos objetos pueden contaminar el proceso de elaboración de la pulpa con agua. También, las fibras y tintas de un tipo de papel pueden contaminar a otro tipo de papel.

El papel tiene un número limitado de vidas reciclables. El cartón corrugado puede reciclarse alrededor de siete veces, y los periódicos entre cuatro y ocho veces. Las fibras en el papel se van contando en cada “reprocesamiento” hasta que eventualmente, se deban agregar fibras vírgenes más largas para mantener la integridad del papel. Además, el papel no puede almacenarse indefinidamente en un centro de reciclaje, esperando a que se desarrollen mercados para el

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mismo. Como el papel está compuesto en su mayoría por materias orgánicas, se va deteriorando.

Pese a las complicaciones, el reciclaje de papel ahorra recursos naturales (árboles), y ahorra alrededor del 40 % de la energía usada para hacer papel nuevo. Debido a la gran variedad de papel producido, es difícil generalizar sobre la cantidad de fibra usada, energía consumida y los contaminantes generados en el proceso de elaboración.

La instalación de una nueva planta de reciclaje de papel implica una inversión de un 50 a un 80 % menos que lo que costaría instalar una planta para producir papel a partir de pulpa de fibra virgen. Como el potencial económico del papel reciclado es bueno, más fabricantes pueden estar interesados en hacer la inversión.

Productos elaborados con papel reciclado

El papel reciclado se usa en una variedad de productos. EL centro de las cajas corrugadas, periódicos, cajas de zapatos y cajas de cereales, por lo general se reciclan en un 100 %. El papel de estraza, las bolsas de supermercado, los cartones de huevos, las toallas de papel y las servilletas, y otros papeles que se usan en diversas industrias, pueden ser hechos con papel reciclado. La calidad de algunos tipos de papel reciclado es lo suficientemente alta para usarlo como papel de oficina.

Actividad 5-10

¿Se recolectan y reciclan los periódicos en en el vecindario donde vives? Investiga quién lo hace y adónde los llevan para reprocesarlos.

De ser posible, investiga cuánto material de papel se recoge por mes en las instalaciones. Además del papel, ¿en ese lugar se recicla otros productos?

Comparte tus hallazgos con la clase.

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Glosario

Ácido: es una sustancia que incrementa la concentración del ion hidrógeno de una solución.

Aislante: es un material con pobre conducción del calor, sonido o electricidad.

Alcalino: es una familia de metales ubicada en el grupo 1 de la tabla periódica. Estos metales se llaman así porque con sus óxidos e hidróxidos se forman bases fuertes.

Aleación: es un material sintético formado por la combinación de un metal con otro metal o un no metal.

Amorfo: es un sólido no cristalino sin forma o estructura definida.

Anión: es el átomo o grupo de átomos con carga negativa.

Ánodo: es típicamente la terminal positiva de una célula o acumulador eléctrico, hacia la cual se mueven los aniones cargados negativamente, y de la cual se alejan los cationes cargados positivamente.

Antioxidante: es un inhibidor que previene la oxidación por oxígeno molecular.

Artritis: es una enfermedad autoinmune que produce inflamación en las articulaciones.

Átomo: es la partícula más pequeña de un elemento compuesta de un núcleo con carga positiva, el cual está rodeado de electrones con carga negativa.

Base: es una sustancia que, cuando se la mezcla con agua, forma iones hidróxido. También se dice de una de las tres subunidades de un nucleótido que se encuentra en moléculas de ADN y ARN.

Bauxita: Es una roca color caoba que se utiliza como materia prima para obtener aluminio.

Biocompatible: se refiere a una sustancia que interactúa con el cuerpo en forma armónica.

Biomaterial: es la sustancia sin vida que se usa para que tome el lugar físico o reemplace en su función a tejidos vivos.

Calentamiento dieléctrico: es el calentamiento de un aislante mientras se opone al paso de una corriente eléctrica alterna.

Calor específico: es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius.

Calor inducido: es el calentamiento de un conductor debido al cambio en la inducción electromagnética mientras conduce corriente eléctrica alterna.

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Campo magnético: es el campo producido por un imán, que atrae y repele a otros materiales magnéticos.

Cáncer: es un grupo grande de enfermedades caracterizadas por el crecimiento y diseminación descontrolada de células anormales del cuerpo.

Capacidad de calor específico: es una medida energía térmica (las calorías por unidad de masa de una sustancia), que se necesita para elevar la temperatura en un grado.

Característica: se trata de un aspecto, cualidad o propiedad propios de un objeto.

Características de vibración: es la capacidad de un objeto a resistir las vibraciones.

Carcinógeno: es el agente involucrado en la aparición del cáncer, por ejemplo, un cierto producto químico o una radiación.

Cartílago: es un tejido conectivo fibroso y duro, que se conecta a los huesos.

Catión: es cualquier átomo o grupo de átomos con carga positiva.

Cátodo: es típicamente el polo cargado negativamente de una célula o acumulador eléctrico, hacia el cual se mueven los cationes cargados positivamente, y del cual se alejan los aniones cargados negativamente.

Celulosa: es un carbohidrato complejo que se encuentra en el tallo, la corteza y las partes fibrosas de las plantas. Los animales no lo pueden digerir.

Cerámico: es un producto hecho mediante el horneado o cocción de elementos no metálicos.

Coagulación: es el cambio por el cual la sangre se convierte en una sustancia gelatinosa como consecuencia de reacciones químicas que pasan en ella.

Colágeno: es una proteína que le da la estructura a los tejidos conectivos del cuerpo.

Compuesto: se obtiene cuando dos o más elementos se unen mediante enlaces químicos.

Conductividad térmica: es la capacidad de un material para conducir calor.

Conductividad: es la capacidad de una sustancia para transferir energía, normalmente en la forma de calor o corriente eléctrica.

Congénito: es la condición que existe desde el momento del nacimiento.

Corriente eléctrica: es la transferencia neta de carga eléctrica por unidad de tiempo.

Corrosión: es la oxidación o destrucción de metales.

Cristal: es una estructura tridimensional, a nivel atómico, iónico o molecular, que consiste de células repetidas idénticas.

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Cromatografía de gases: es la técnica de separación que involucra el pasaje de una fase móvil gaseosa a través de una columna que contiene una fase absorvente fija.

Cromatografía líquida de alto desempeño: es el proceso de separación de una mezcla llevada a través de una columna llena de un solvente, basado en la adsorción de moléculas por parte de un material sólido de relleno.

Densidad: es una medida de la relación entre la masa y el volumen de una sustancia; es la masa por unidad de volumen de una sustancia.

Densificación: es el incremento de la densidad de un material.

Descomposición: es el desmenuzamiento de materia orgánica sin vida por la intervención de organismos (especialmente microorganismos).

Desfloculante: es un agente que quita los flóculos o grumos, los cuales son una masa formada por partículas apelmazadas.

Destilación: es el proceso de producción de vapores a partir de líquidos, mediante el calentamiento de los mismos en un alambique, para luego recolectar y condensar esos vapores en líquidos.

Desvitrificado: es un material al que se le quitó la textura vítrea para darle una textura cristalina.

Detrito o detritus: se trata de un material orgánico en descomposición.

Diamagnético: son los materiales que tienen una permeabilidad magnética menor que 1; estos materiales son repelidos por un imán.

Diámetro atómico: es el diámetro de un átomo. El cálculo se realiza en función de las distancias entre los núcleos de una variedad de compuestos que contengan dicho átomo.

Dieléctrico: es un material aislante eléctrico.

Difusión: es el movimiento aleatorio de moléculas debido a la energía propia de éstas, que hace que los solutos y los solventes (en soluciones) se muevan desde áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración.

Ductilidad: es la capacidad de un material para ser convertido en alambre, o laminado o fácilmente moldeado, sin que se rompa.

Ecuación química: es una expresión que usa números y símbolos para representar una reacción química; el primer miembro contiene los elementos que reaccionan y el segundo miembro muestra el producto obtenido.

Elastómero: es un material que, con poca tensión, puede ser estirado por lo menos hasta dos veces su longitud original, para luego recuperar su forma original cuando se lo suelta.

Electricidad: es un fenómeno físico referido a cargas eléctricas y a sus efectos, tanto cuando están quietas o cuando están en movimiento.

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Electrólito: es una sustancia que, cuando se la disuelve en agua, conduce una corriente eléctrica.

Electrón: es la partícula subatómica cargada negativamente, que se encuentra fuera del núcleo de un átomo.

Electronegatividad: es la capacidad relativa de un átomo para atraer a un electrón.

Electrones de valencia: son los electrones del orbital exterior de un átomo.

Elemento: es una sustancia básica del mundo, que determina las características de los materiales, que no se lo puede subdividir en sustancias diferentes mediante procesos químicos, y que solo se lo puede convertir en otro elemento mediante radioactividad o reacción nuclear.

Embolia: es el bloqueo de un vaso sanguíneo por un coágulo anormal en el torrente circulatorio.

Energía cinética: es la energía involucrada en la producción de trabajo o movimiento.

Enlace covalente: es el enlace químico entre átomos, en el cual cada atomo contribuye con un electrón para formar un par de electrones.

Enlace iónico: es el tipo de enlace químico en el cual los electrones se transfieren completamente de un átomo a otro.

Enlace metálico: es el enlace químico entre metales, fruto de compartir los electrones de valencia entre los átomos de una estructura cristalina estable.

Enlace: es la fuerza de atracción que mantiene a los átomos y a los iones juntos en una molécula.

Equilibrio: es un estado de balance entre dos fuerzas opuestas; se trata de un estado en el que la tasa de partículas que entran en el sistema es igual a la de las partículas que salen del mismo.

Erosión: es la pérdida de suelo de un área como consecuencia de una inundación, del viento o de la lluvia.

Esterilización: es un procedimiento quirúrgico que deja a un organismo imposibilitado para producir o liberar esperma o huevos. También hace referencia al proceso de matar todos los microorganismos (incluidos virus y esporas).

Estructura molecular: se trata de la geometría y la disposición de los átomos de una molécula.

Evaporar: es el cambio por el cual una sustancia líquida se convierte en vapor por debajo del punto de ebullición.

Expansión térmica: es el cambio en el volumen de un material como resultado de un cambio de temperatura.

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Extrusión: es el proceso en el cual un material sólido semiblando es forzado a través de un molde, para producir una pieza continua de material con la forma del producto deseado.

Ferromagnético: es un material o sustancia que es atraído fuertemente por un campo magnético.

Ferroso: es un compuesto de la forma iónica del Fe+2 de hierro y de otros elementos; también se dice de los compuestos relacionados al hierro.

Fisiología: es el estudio de los procesos vitales y de las funciones de los organismos.

Forja: es el proceso de usar una fuerza de compresión para darle forma a un metal mediante deformación plástica.

Fórmula molecular: es la fórmula que da la cantidad de cada tipo de átomos de una molécula de un compuesto.

Fórmula química: es una descripción de una molécula que muestra el tipo y la cantidad de átomos que contiene.

Fuerza de gravedad: es la fuerza de atracción entre dos cuerpos debido a sus masas.

Fuerza o interacción de van der Waals: es la fuerza de atracción entre átomos, o entre moléculas no polares, causada por una separación de cargas inducidas.

Fundido: es un material hecho líquido mediante la aplicación de calor.

Gas inerte: es un gas que no reacciona, por ejemplo, el helio u otros gases del grupo 18 de la tabla periódica.

Hierro fundido: se trata de una aleación de hierro y carbono, colada para que tome forma; contiene entre 1.8 y 4.5 % de carbono.

Hipersensibilidad: es la reacción alérgica extrema frente a sustancias extrañas.

Homogeneidad: es la cualidad de tener las mismas propiedades a lo largo de todo el objeto.

Inflamable: se dice de una sustancia que se enciende con facilidad y se quema rápidamente.

Infraestructura: es la cimiento subyacente o el marco básico de trabajo.

Inorgánico: se dice de un compuesto químico en el cual el carbono no es su elemento principal.

Ion: es un átomo cargado que puede ser positivo (porque perdió electrones) o negativo (porque ganó electrones).

Isotrópico: se trata de un material que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones.

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Lingote: es una masa de metal colado con una forma que lo hace más fácil de manejar.

Maleabilidad: es la capacidad de un material para ser doblado, formado o torcido, mediante martillado.

Maquinado: es la realización de varias operaciones de corte y molienda en un objeto.

Masa atómica: es la masa de un átomo de cierto elemento.

Materia prima: es un material crudo, sin procesar o parcialmente procesado, que se usa para fabricar un producto.

Material compuesto: es un material formado por combinaciones de metales, aleaciones, cerámicos o polímeros, en el cual uno de los materiales sirve como matriz, dentro del cual otro material se incrusta.

Matriz o fase matriz: es un material en el cual insertamos o incrustamos algo.

Metal: es un elemento electropositivo, normalmente dúctil y maleable, con una alta resistencia la tracción o tensión.

Metales de transición: son los elementos ubicados en la tabla periódica, entre los grupos 2 y 13, y en los períodos 4 y mayores.

Metalurgista: es el científico o ingeniero que estudia los metales y sus propiedades.

Microestructura: es la estructura de un objeto vista al microscopio.

Módulo de elasticidad: es la razón entre la tensión aplicada a un material y la deformación que la misma produce.

Moldeo por inyección: es el moldeado de formas metálicas, plásticas o cerámicas, mediante la inyección de ciertas cantidades del material fundido en troqueles (o moldes).

Moldeo por soplado: es un método para producir un objeto hueco, al inflar una masa caliente derretida dentro de un molde.

Moldeo por fundición: consiste en formar una sustancia plástica o líquida en una forma específica al dejarla enfriar en un molde.

Moldeo por compresión: es el proceso de fabricación de plásticos en un molde, usando calor y presión para formar el material.

Moldeo por transferencia: es un proceso similar al moldeo por compresión, con la diferencia que la materia prima se precalienta y se transfiere hidráulicamente al molde. Elimina la turbulencia y las asperezas causadas por el moldeo por compresión.

Molécula polar: es una molécula que tiene una separación de cargas, generando una región positiva y una negativa en la molécula.

Molécula: es la forma más pequeña posible de un compuesto, que está formada por de átomos enlazados entre sí.

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Momento magnético del espín: es el momento magnético causado por el espín del electrón.

Momento magnético del orbital: es el momento magnético dipolar asociado con el movimiento de una partícula cargada alrededor de un origen.

Monómero: es una molécula que puede ser combinada con otra para formar un polímero.

Neutralización ácido-base: se trata de una reacción química en la cual un ácido y una base reaccionan formando agua (y sal) y no queda excedente de iones de H3O

+ u OH-.

Neutralizar: es hacer que el pH de una solución sea neutra.

Neutrón: es una partícula no cargada del núcleo de un átomo.

No ferroso: es cualquier metal que no sea hierro y sus aleaciones.

No metal: es un elemento formado por iones o radicales normalmente cargados negativamente, capaz de combinarse con el oxígeno para formar óxidos.

Núcleo: es la región de un átomo con carga positiva, compuesta de protones y neutrones y tiene casi toda la masa del mismo. También se dice que es el centro de control de una célula rodeado por sus propias membranas.

Número atómico: es la cantidad de protones del núcleo de un átomo (igual a la cantidad de electrones del átomo neutro).

Oferta y demanda: Es un principio económico que establece que si la oferta de un material es mayor que su demanda, el material pierde valor; si la demanda es mayor que la oferta disponible, el material gana valor.

Orbital: es el espacio alrededor del núcleo de un átomo que puede ser ocupado por uno o dos electrones.

Oxidabilidad: es una medida de la capacidad de los materiales para perder fácilmente uno o más electrones.

Oxidación: es el proceso en el cual una sustancia se combina con el oxígeno, por ejemplo, en el caso de la combustión, herrumbre y la quema de calorías del cuerpo. También es la pérdida de electrones de una sustancia, generalmente cuando se combina con el oxígeno.

Paramagnético: es un material que tiene mayor permeabilidad magnética que el vacío y es ligeramente atraído por un campo magnético.

Peso atómico: es la masa promedio del átomo de un elemento tal cual se da en la naturaleza.

Peso: es una medida de la fuerza que empuja un objeto de una cierta masa hacia el centro de la Tierra.

Petroquímico: es un derivado químico del petróleo y gas natural.

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Piezoeléctrico: es un cuerpo que tiene la capacidad de generar un voltaje cuando se le aplica una fuerza mecánica, o producir una fuerza mecánica cuando se le aplica un voltaje.

Pirólisis: es el proceso de descomposición química de materia orgánica y todo tipo de materiales (excepto metales y vidrio) causado por el calentamiento en ausencia de oxígeno.

Plaqueta: es un fragmento de la membrana de la cólula sanguínea que funciona en el proceso de coagulación.

Polaridad de una molécula: es una propiedad de las moléculas que surge de la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma.

Polarizar: consiste en separar una carga eléctrica positiva de una negativa y crear un dipolo eléctrico.

Polimerización: es una reacción química en la cual dos o más moléculas simples se combinan para formar una molécula más compleja, compuesta por la repetición de las moléculas simples.

Polímero: es una macromolécula formada por muchos monómeros idénticos o similares, enlazados.

Porosidad: es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases, y también es la cantidad de poros o huecos que hay en la masa de una material.

Potencial de ionización: es la energía por unidad de carga necesaria para desplazar un electrón desde un cierto tipo de átomo o molécula a una distancia infinita.

Proceso de sol-gel: es la técnica basada en una solución, por la cual se pueden hacer cerámicos a baja temperatura y con cortos períodos de cocción.

Producto: es el compuesto que se obtiene de una reacción química.

Propiedad física: es la característica que puede ser medida sin necesidad de cambio en la estructura química del material en estudio.

Propiedad química: se refiere a la capacidad de un elemento para ser parte de un cambio químico o para resistir a dicho cambio.

Propiedad: son las características que tiene un cierto material.

Protón: es una partícula del núcleo de un átomo, que está cargada positivamente.

Punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión del vapor de un líquido equivale a la presión por encima del líquido; por ejemplo, el punto en el cual el líquido pasa a su fase gaseosa.

Punto de fusión: es la temperatura a la cual un sólido se derrite para convertirse en líquido.

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Radiación: es una forma de energía entre las que podemos mencionar la luz visible, la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. También es el medio por el cual el cuerpo pierde calor bajo la forma de rayos infrarrojos.

Radical libre: es un átomo altamente reactivo que tiene uno o más electrones libres.

Reacción de combinación: es una reacción por la cual dos o más elementos o compuestos se combinan para formar un nuevo compuesto.

Reacción de condensación: es una reacción que reune dos moléculas en una sola, con la eliminación de agua.

Reacción de desplazamiento doble: consiste en el intercambio de iones positivos y negativos entre dos compuestos.

Reacción de desplazamiento simple: es la que involucra al reemplazo de un elemento por otro en un compuesto, para producir un nuevo compuesto y un elemento diferente.

Reacción oxidación-reducción: es la reacción química en la cual se oxida un reactivo y se reduce otro reactivo. También se le llama reacción “redox”.

Reacción química: es el cambio por el cual una sustancia se transforma en otras sustancias mediante el rompimiento de los enlaces químicos existentes, y la formación de nuevos enlaces químicos.

Reactante o reactivo: es una sustancia que cambia durante una reacción química, de la cual forma parte, para producir un producto.

Reactividad: es la capacidad de una sustancia para participar en reacciones químicas.

Recocido: es el proceso de calentamiento y enfriamiento de metales, aleaciones o vidrios, para quitarle la tensión y hacer que el material sea menos quebradizo.

Red cristalina: es un arreglo regular de átomos en un sólido cristalino.

Reducción: es la adquisición de electrones por parte de una sustancia, durante una reacción química.

Reductibilidad: es una medida de la capacidad de los materiales para ganar fácilmente uno o más electrones.

Refractario: es el cuerpo que resiste la acción de agentes químicos o físicos y, especialmente, altas temperaturas, sin descomponerse.

Resistencia: es la capacidad de un material para oponerse al flujo de una corriente eléctrica.

Resistencia a la carga: es la capacidad para resistir el rompimiento debido a un cambio súbito en la carga.

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Resistencia a la compresión: es la capacidad que tiene un objeto para resistir al rompimiento por las fuerzas de compresión.

Resistencia a la fatiga: es la capacidad que tiene un material para resistir al rompimiento provocado por cargas y descargas repetidas o alternativas.

Resistencia a la tracción o a la tensión: es la capacidad que tiene un material para resistir al rompimiento por la acción de las fuerzas de tracción.

Resistencia al corte (al cizallamiento): es la capacidad de un material para resistir fuerzas que generan que algunas partes del mismo pasen a través de él. También se la define como la resistencia de un objeto al rompimiento por la acción de fuerzas de corte.

Resonancia magnética: es la técnica que da una imagen de computadora de los tejidos del cuerpo, induciendo a sus moléculas a emitir ondas de radio.

Reticulación: se refiere al enlace de las cadenas paralelas de una macromolécula, como la de un polímero.

Reutilizar: Consiste en usar nuevamente un producto que ha cumplido su propósito original, ya sea siendo el mismo producto o como un producto diferente.

Rotación: es el movimiento alrededor de un eje o de un centro.

Saturada: es una solución que está lo más concentrada posible. También se refiere a las grasas o a los ácidos grasos que no tienen enlaces dobles carbono-carbono.

Semiconductor: es un sólido cuya conductividad eléctrica está entre la de un conductor y la de un aislante.

Sinterizar: consiste en calentar (pero no derretir) un polvo para formar una masa coherente.

Sintético: es todo material que no se produce de forma natual, sino que está hecho por el hombre.

Sistema cardiovascular: es el sistema formado por el corazón y los vasos sanguíneos que llevan la sangre a los tejidos de todo el cuerpo.

Soldadura por fusión: es el proceso de unión de partes metálicas mediante el calor, que permite que los metales fluyan juntos.

Solución: es una mezcla en la cual una sustancia (el soluto) se disuelve y la otra sustancia (el solvente) es el medio de disolución.

Solvente: es una sustancia que puede disolver a otra sustancia.

Superconductor: es una sustancia que no muestra resistencia a la corriente eléctrica a extremadamente bajas temperaturas (temperaturas cerca de los 0 grados K).

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Tabla periódica: es la tabla que contiene todos los elementos conocidos, organizados de acuerdo a sus números atómicos, por lo que los elementos con propiedades similares están en la misma columna.

Templado o temple: es el proceso de hacer un metal más duro al calentarlo a determinada temperatura, y luego enfriarlo rápidamente en agua, aceite o algún otro método de enfriado rápido.

Termoestables: se dice de aquellos materiales que permanecen siendo sólidos cuando se los calienta; también se refiere a un polímero que cambia químicamente durante el procesamiento y se vuelve permanentemente sólido.

Termoplásticos: son los materiales que son capaces de ablandarse cuando se los calienta y luego se endurecen al enfriarse; también se refiere a un polímero que se derrite cuando se lo calienta.

Traslación: es el movimiento uniforme de un cuerpo en una línea recta. También es el proceso de ensamblar aminoácidos en proteínas en el ribosoma, de acuerdo a las instrucciones del ARN.

Troquel: es una herramienta o molde usado para dar forma o tomar impresiones en metales o cerámicos.

Unidad térmica británica (Btu): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.

Vaporizar: es la acción de convertir un líquido en vapor.

Vibración: es el cambio periódico continuo en la posición de los átomos y moléculas y/o cristales en relación con ellos mismos.

Viscosidad: es la resistencia al flujo de un gas o de un líquido.

Vulcanización: es el proceso de tratamiento del caucho o materiales plásticos para darle propiedades útiles.

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Algunas referencias bibliográficas

CORD. Applications in Biology and Chemistry. Waco: CCI Publishing, 1999.

Hot Mix Asphalt Production and Testing. Construction Inspector‟s Training Manual. Washington State Department of Transportation. January 2005.

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/ Materials/cc_mat_index.htm

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Documents

Manual de Ref Nat. Cos IV