LECCION 4.- PLASTICOS / SELECCIÓN DE MATERIALES

1
LECCION 4.- PLASTICOS / SELECCIÓN DE MATERIALES TERMOPLASTICOS.
1.- Introducción.
En la actualidad existen mas de 40 tipos diferentes de materiales plásticos en uso ( sin incluir los elastómeros), y para
cada uno de ellos pueden darse hasta 50 formulaciones distintas o grados con pequeñas diferencias en
las propiedades. Además, muchos homopolímeros básicos pueden combinarse o mezclarse con otros
materiales, como pueden ser los rellenos estabilizantes y refuerzos. Esto dificulta enormemente el
trabajo del diseñador, que debe escoger el material mas apropiado entre una lista de miles. Entonces surge
la pregunta importante, ¿Como decidir que material plástico, de todos ellos, es el mejor pare una
determinada aplicación .
Sin embargo, la selección no presenta tanta dificultad como puede parecer en un principio y requiere un
conocimiento del comportamiento general de los plásticos come grupo, así come una familiaridad con
las características especiales de los plásticos individualmente. Considerando las propiedades claves de
los principales tipos de plásticos ( no de las clases individuales), frecuentemente se pueden eliminar
materiales inadecuados y presentar una lista menor de materiales candidatos que satisfagan los requerimientos
del proyecto.
El primer y más importante paso en el proceso de diseño es definir claramente el propósito y la función del producto propuesto
o a seleccionar e identificar el ambiente donde va a desempeñar sus funciones. Entonces se impone la
conveniencia de un abanico de materiales candidatos.
En la tabla 1.1 se muestra una lista de factores a tener en consideración para la selección de materiales
poliméricos. La rigidez, la resistencia y el peso ( densidad) son propiedades, generalmente, muy importantes en
cualquier aplicación de ingeniería. En algunos casos también será necesario considerar otras propiedades
come la tenacidad, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión y el comportamiento ante fatiga y
fluencia. Los materiales candidatos pueden identificarse considerando otros utilizados en aplicaciones similares.
Normalmente los materiales se eligen en base a una propiedad predominante como puede ser por ejemplo
la resistencia a ataques químicos o a temperaturas altas. Después de identificar varios materiales
candidatos, estos se estudian con mas detalle pare determinar el material mas optimo. En esta etapa el aspecto
económico, es decir el coste total del proyecto, cobra especial importancia. Cuando se ha reducido la elección a uno o dos
candidatos finales es el momento de evaluar los grados o subtipos individuales de cada uno de ellos.
A los productores de materiales se les requerirá para que proporcionen las propiedades detalladas de los
materiales elegidos. Un programa de prueba y un prototipo de fabricación puede ser también necesario para
ayudar a tomar la decisión final.
Las siguientes secciones aportan una noción general de los principales tipos de materiales termoplásticos,
así como de sus propiedades y aplicaciones. Los datos de las propiedades dados en las tabla 1.2, 1.3 y
1.4 no es muy amplio, pero si adecuado para ilustrar las principales categorías de los materiales
disponibles. Inicialmente, es útil clasificar los diferentes tipos de plásticos según sus estructuras químicas y sus
aplicaciones, con el fin de obtener un mejor conocimiento del amplio rango de materiales disponibles.
Las tablas 1.5 y 1.6 incluyen una descripción detallada de las propiedades y aplicaciones típicas de un
gran número de polímeros termoplásticos.
2
TABLA 1.1.- Lista de factores a tener en cuenta en la selección de materiales poliméricos.
3
TABLA 1.2- Datos para el diseño con termoplásticos.
TABLA 1.3- Características mecánicas de los polímeros termoplásticos.
4
TABLA 1.4- Propiedades de polímeros termoplásticos.
5
TABLA 1.5.- Propiedades típicas y aplicaciones de los termoplásticos.
6
TABLA 1.6.- Propiedades típicas y aplicaciones de los termoplásticos.
7
2.- Clasificación de los materiales termoplásticos.
2.1.- Clasificación según sus estructuras.
Una manera sencilla de clasificar materiales termoplásticos es según su morfología estructural, es decir si son amorfos o
semi - cristalinos.
Material
Amorfos.
T (° C).
PMMA (Polimetacrilato de metilo)
PC (Policarbonato)
PS (Poliestireno)
PVC (Policloruro de vinilo)
PPO (Polióxido de fenileno)
PES (Polietersulfona)
PEI
PSU
ABS (Termopolímeros de acrilonitrilo-butadieno-estireno)
105
150
95
85
Propiedades.
- Duros a temperaturas inferiores a Tg.
- Transparentes y quebradizos como los vidrios ( a excepción del PC que es duro debido a su estructura molecular).
- Los cristales amorfos muestran un reblandecimiento gradual al pasar a través de Tg, lo que limita su uso
a elevadas temperaturas. Calentando por encima de Tg se forma un material gomoso y a Tg + 100 tiene
lugar una fusión viscosa (fundido viscoso).
- Para mejorar la ductilidad de los polímeros amorfos por debajo de Tg, se han desarrollado productos
derivados de alta resistencia al impacto, como el SB (Estireno – butadieno) o el ABS (Termopolímeros de
acnlonitrilo-butadieno-estireno), donde las partículas de los elastómeros se injertan a la cadena del polímero para dar
tenacidad gomosa a los copolímeros y terpolimeros.
- También podemos mejorar las propiedades mediante combinaciones físicas y aleaciones, tal es el caso de
las aleaciones entre ABS/PVC, ABS/PC y PPO/PS (PPO modificado).
Semicristalinos.
Material
LDPE (Polietileno de baja densidad, PEBD)
HDPE (Polietileno de alta densidad, PEAD)
PP (Polipropileno)
POM (Polioximetileno)
PA 6 (Poliamida)
PET/PBT (Polietilentereftalato/Polibenzo(bis)tiazol
PTFE (Politetrafluoretileno)
PEK (Polietercetona)
PEEK (Polieteretercetona)
PPS (Polisulfuro de fenileno)
To (° C)
- 95
-110
- 18
- 75
50
65
- 20
Tm (°C)
Cristalinidad max. (%).
115
135
176
175
265
65
90
75
85
65
327
75
Propiedades.
Los polímeros semi - cristalinos contienen pequeñas regiones de cristales que se forman en la matriz amorfa.
Típicamente, son tenaces, fuertes, opacos y , generalmente, con elevadas temperaturas de reblandecimiento. No
hay una reducción significativa de la rigidez ( reblandecimiento), hasta que disminuye súbitamente cerca de la
temperatura de fusión.
8
Su dureza se debe a las regiones cristalinas y aumenta con el grado de cristalinidad. La matriz amorfa
contribuye poco a la dureza a temperaturas por encima de Tg, sin embargo aporta tenacidad al polímero. Los nylons
y los poliesteres tienen sus cadenas moleculares unidas mediante enlaces intermoleculares de puentes de
hidrógeno y esto contribuye tanto a su resistencia como a su dureza.
2.2.- Clasificación según sus aplicaciones .
Con la finalidad de elegir materiales plásticos, un buen método de clasificación es según sus áreas de
aplicación ( para materiales puros también se emplea esta baremo). En este caso se distinguen tres grupos de
plásticos: los plásticos domésticos, los de ingeniería y los especiales ( también Ilamados de " alto rendimiento” ).
Plásticos domésticos: Generalmente se utilizan materiales poco costosos para producir artículos en gran
volumen. Las propiedades mecánicas, térmicas y químicas son tales que estos materiales raramente se emplean
en aplicaciones demandadas.
Materiales
Coste (factor 1.0 = 310 , precios de 1998 )
PP
LDPE
HDPE
uPVC
PS
SB
SAN (Copolimero de estireno-acrilonitrilo)
1.0
1.1
1.1
1.3
1.4
1.5
1.8
Plásticos de ingeniería: Se utilizan generalmente en aplicaciones semi - estructurales como resultado de su elevada rigidez,
resistencia y temperatura de reblandecimiento.
Materiales
Coste (factor 1.0 = 310 , precios de 1998 )
PMMA
ABS
PA6
PA66
PA 11/12
POM
PC
PET/PBT
MPPO (PPO modificado, generalmente, con estireno)
2.4
3.4
3.75
3.85
7.05
3.0
3.8
3.8
4.0
Plásticos especiales: Utilizados en muchas aplicaciones demandadas debido a distintos factores como pueden ser la
elevada temperatura de trabajo, la resistencia química, llama retardada y elevada tenacidad, resistencia y/o rigidez.
Los materiales han silo desarrollados especialmente pare dichas aplicaciones y por consiguiente su coste es
elevado y a menudo su preparación resulta dificultosa, esto hace que generalmente se utilicen en pequeñas cantidades.
Materiales
PSU
PTFE
PES (Polietersulfona)
PDdF
PPS (Polisulfuro de fenileno)
PI
PEEK (Polieteretercetona)
Coste (factor 1.0 = 310 . precios de 1998 )
10
16
16
16
19
20
67
9
3.- BASES DE DATOS EN ORDENADORES.
Actualmente el proceso de selección de plásticos se ve facilitado por una serie de bases de datos
comerciales diseñadas específicamente para este trabajo y que están disponibles a través de ordenador. Estas
bases de datos se encuentran disponibles a precios relativamente bajos ( inferiores a 1000 libras) y
generalmente funcionan a través del escritorio del PC. Además de proporcionar una fuente de datos de fácil
acceso, la mayoría de los sistemas incorporan importantes facilidades de búsqueda, que permiten al diseñador
especificar las condiciones en términos del menor número de propiedades materiales y en algunos casos
procesar las especificaciones.
Una vez buscada la base de datos, de su uso resulta una lista de materiales que satisfacen Ios requisitos.
Después, estos materiales pueden revisarse con mas detalle estudiando profundamente los datos. Aunque originalmente
la mayoría de estos sistemas solo incorporaban datos sencillos (como por ejemplo los módulos de
periodo corto, Ia temperatura de distorsión, etc...) hoy día los sistemas disponibles son más sofisticados y pueden
proporcionar gran cantidad de datos como curvas de fluencia, de viscosidad, etc... El verdadero beneficio de estos
sistemas radica en el número significativo de materiales que pueden ser almacenados y recopilados y tener
acceso a ellos. El diseñador no puede esperar encontrar y recopilar tal información manualmente). Además,
actualizar el sistema es un proceso sencillo, con lo que nuevos discos de datos se encuentran disponibles cada poco
tiempo. Entre las distintas bases de datos posibles se pueden mencionar las siguientes:
CAMPUS:
Se trata de una base de datos desarrollada conjuntamente por varias compañías dentro de la industria de
producción de plásticos. Todos los datos (sencillos y complejos) se basan en métodos de ensayo establecidos y
se adhiere a métodos estándar internacionales de presentación. El sistema es gratuito para las compañías participantes (
Huls, BASF, Du Pont, etc...); sin embargo, cada compañía únicamente dispondrá de sus propios datos con el paquete
básico. Estos estarán en un disquete en el PC o alternativamente pueden ser bajados en la red.
PLASCAMS:
Una base de datos de fácil comprensión sobre plásticos es la de RAPRA ( Rubber and Plastics Research
Association) que incluye datos complejos. El sistema funciona a través del PC , pero tiene un inconveniente ya que
solo esta disponible en cada licencia anual.
CMS:
El seleccionador de materiales de Cambridge ( Cambridge Materials Selector, CMS) es un sistema muy
novedoso que incluye todos los materiales ( plásticos, metales, ceramicas y materiales compuestos). El
sistema básico almacena datos de manera genérica ( por ejemplo, clases de plásticos como los "nylons"), sin
embargo tenemos disponible una base de datos mucho mas detallada sobre polímeros por un precio adicional.
Los métodos de búsqueda de datos son particularmente novedosos, donde el uso de índices de mérito aporta un
elemento de diseño dentro del proceso de búsqueda. El sistema se basa únicamente en datos sencillos (punto único). Esta
disponible gracias a Granta Design Ltd., Cambridge en forma de disco para PC.
M-VISION:
Típico de ciertas bases de datos desarrolladas para utilizar con computer-aided engineering software. Es
suministrado por PDA Engineering y a menudo esta unido a paquetes de finitos elementos estructurales de
análisis. Diseñada para funcionar a través de una estación de trabajo, esta dirigida a usuarios colectivos con
presupuestos para competir.