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Diseño y Transformación de PlásticosDiseño y Transformación de Plásticos

IntroducciIntroduccióón a los procesos de transformacin a los procesos de transformacióón n de materiales plde materiales pláásticossticos

Contexto General MaterialesContexto General MaterialesDr. Juan de Juanes MDr. Juan de Juanes Máárquez Sevillanorquez Sevillano

Departamento de IngenierDepartamento de Ingenieríía Meca Mecáánica y Fabricacinica y FabricacióónnETSIIETSII--UPM. Universidad PolitUPM. Universidad Politéécnica de Madridcnica de Madrid


¿¿ QuQuéé es un ples un pláástico ?stico ?

Es un material orgEs un material orgáánico constituido por macronico constituido por macro--molmolééculas, que se fabrica por vculas, que se fabrica por víía sinta sintééticaticaMonMonóómero : molmero : moléécula de partida a partir del cual se cula de partida a partir del cual se formaelformael polpolíímeromeroPolPolíímero : agrupacimero : agrupacióón qun quíímica formada por la repeticimica formada por la repeticióón n de molde molééculasculasHomopolHomopolíímero : Polmero : Políímero que se obtiene a partir de un mero que se obtiene a partir de un solo monsolo monóómeromeroCopolCopolíímero : Polmero : Políímero formado por dos o mmero formado por dos o máás s monmonóómerosmeros


DenominaciDenominacióón de los pln de los pláásticos Isticos I

CA Acetato de celulosaCAB Acetobutirato de celulosaCP Propionato de celulosaEP EpoxiMF Melamina-formaldehídoPA PoliamidaPAI Poli(amidaimida)PAN Poli(acrilonitrilo) PB Polibuteno-1PBT Poli(tereftalato de butileno)PC PolicarbonatoPCTFE Poli(clorotrifluoretileno)PDAP Poli(ftalato de dialilo) PE PolietilenoPEI Poli(eterimida) PEK Poli(etercetona)PEEK Poli(eteretercetona)PES Poli(etersulfona)PET Poli(tereftalato de etileno)PF Fenol-formaldehído

PI Poliimida

PIB PoliisobutilenoPMI Poli(metacrilinmida)PMMA Poli(metacrilato de metilo)PMP Poli(4-metil-1-penteno)POM Poli(óxido de metileno); poliformaldehído; poliacetalPP PolipropilenoPPE Poli(éter de fenileno) [antes: PPO=Poli(óxido fenileno)]PPS Poli(sulfuro de fenileno)PS PoliestirenoPSU PolisulfonaPTFE Poli(tetrafuloretileno)PUR PoliuretanoPVC Poli(cloruro de venilo)PVDC Poli(cloruro de vinilideno)PVF Poli(fluoruro de vinilo)SI SiliconaUF Urea-formaldehídoUP Poliéster insaturado


DenominaciDenominacióón de los pln de los pláásticos IIsticos II

LetraLetra Propiedad indicadaPropiedad indicada LetraLetra Propiedad indicadaPropiedad indicada

CC CloradoClorado NN Normal, Normal, novolacanovolaca

DD DensidadDensidad PP PlastificadoPlastificado

EE Espumado, Espumado, espumableespumable RR Mayor, resolMayor, resol

FF Flexible, lFlexible, lííquidoquido UU Ultra, sin plastificantesUltra, sin plastificantes

HH AltoAlto VV MuyMuy

II Resistente al impactoResistente al impacto WW PesoPeso

LL Lineal, bajoLineal, bajo XX Reticulado, Reticulado, reticulablereticulable

MM Masa, medio, molecularMasa, medio, molecular


DenominaciDenominacióón de los pln de los pláásticos IIIsticos III

Ejemplos:Ejemplos:PA6 Poliamida obtenida de ε-caprolactamaPVC_U PVC sin plastificar.PVC_P PVC plastificadoPS-HI Poliestireno alto impacto.PE-LLD Polietileno lineal de baja densidad

CopolCopolíímerosmerosA/MMA Acrilonitrilo/metacrilato de metilo (antes sólo AMMA)VC/E/MMA Cloruro de vinilo/etileno/&metacrilato de metilo

Mezclas de polMezclas de políímerosmeros(PBT+PC) Mezcla de polímeros de poli(tereftalato de butileno) y

policarbonato.(PC+ABS) Mezcla de polímeros de policarbonato y

acrilonitrilo/butadieno/estireno(PPE+S/B) Mezcla de polímeros de polifeniléter y poliestireno resistente

al impacto en forma de copolímero de estireno y caucho de estireno/butadieno.


SSííntesis de plntesis de pláásticossticos

PolimerizaciPolimerizacióónnEl polímero se forma a través de monómeros, con la ayuda de catalizadores y se obtienen siempre termoplásticosPE, PP, PVC, PS, ABS, POM, PMMA

PolicondensaciPolicondensacióónnLa formación de macromoléculas se lleva a cabo a partir de monómeros con dobles enlaces, se suele liberar H2OPA, PC, PET, PBT, PPO, PPS

PoliadiciPoliadicióónnLa formación de macromoléculas se hace como en la Policondensación, pero en este caso no se liberan otros compuestosPUR


ClasificaciClasificacióón. Proceso de polimerizacin. Proceso de polimerizacióónn

HomopolHomopolíímero:mero:Formado por un tipo de monómero

CopolCopolíímero:mero:Formado por dos o más tipos de monómeros

TerpolTerpolíímeromero::Formado por tres tipos de monómeros

ABSSB


ClasificaciClasificacióón. Ordenacin. Ordenacióón espacial (n espacial (TacticidadTacticidad))

IsotIsotáácticoctico::Radicales al mismo lado de la cadena

SindiotSindiotáácticoctico::Radicales alternados a lo largo de la cadena

AtAtáácticoctico::Radicales situados aleatoriamente a lo largo de la cadena


Enlaces molecularesEnlaces moleculares

Enlace fuerte 300 a 500 Enlace fuerte 300 a 500 kJkJ/mol/molVan Van derder Waals Waals <<50 50 kJkJ/mol /mol

Energia enlaceKJ/mol

C-C 370C=C 680C≡C 890C-H 435C-N 305Fe 418Cu 339Ni 423Ti 473

Van Der Waals 4-45

Enlace metálico

Tipo de enlace Enlace

Enlace covalente


ClasificaciClasificacióón. Estructura molecularn. Estructura molecular

TermoplTermopláásticos:sticos:Carecen de enlaces entre cadenas. Moldeables por calor, sin modificación química y de forma reversible

Termoestables:Termoestables:Existen enlaces entre cadenas. Moldeables por calor, con modificación química y de forma irreversible

ElastElastóómeros:meros:Gran densidad de enlaces entre cadenas. Moldeables por técnicas específicas de la industria del caucho


ClasificaciClasificacióón. n. CristalinidadCristalinidad

AmorfosAmorfosNo existe ordenación intermoleculartransparentesmenor contraccióntemperatura de fusión poco definidabaja resistencia químicaPVC, PS, SAN, ABS, ASA, PMMA, PC

CristalinosCristalinosopacos o traslúcidosmayor contracciónintervalo temperatura de fusión estrecho (3-4°C)mejor comportamiento deslizantePE, PP, POM, PA, PBT, PET, PPS


ClasificaciClasificacióón. Aplicacionesn. Aplicaciones

PlPláásticos eststicos estáándar (ndar (comoditiescomodities):):PE-LD, PE-HD, PP, PS, PVC

PlPláásticos tsticos téécnicos:cnicos:PA, POM, PC, SAN, ABS, ASA, PMMA, PBT, PET

PlPláásticos de altas prestaciones:sticos de altas prestaciones:LCP, PPS, PSU, PEK, PES, PTFE


Familias de plFamilias de pláásticos Isticos I

PoliolefinasPoliolefinas: PE, PP: PE, PPPE, tapones, tubería, láminas, contenedores,cajas,garrafas, botellas,...PP, carcasas, cuba lavadora, cajas, mobiliario jardín, tapón bisagra, jeringuillas, maletas, fiambreras,...

PolPolíímeros de cloruro de vinilo: PVCmeros de cloruro de vinilo: PVC--U, PVCU, PVC--PPPVC-U:codos, tubos, perfiles, láminasPVC-P: recubrimientos,cinta aislante, suelas zapato, guantes, muñecas,...


Familias de plFamilias de pláásticos IIsticos II

PolPolíímeros de estireno: PS, ABS, SAN, ASAmeros de estireno: PS, ABS, SAN, ASAPS, envases transparentes, cubiertos, juguetes, peines, estuches, bisutería,...

SB, carcasas aparatos, radio, TV, video; revestimientos, nevera, tacones, láminas,...

SAN, teléfonos, pulsadores, carcasa reflector, triángulo de aviso de estacionamiento

ABS, relojes, pulsadores, lámparas, botiquines, rejillas, cascos, ...


Familias de plFamilias de pláásticos IIIsticos III

Polimetacrilato: PMMAPolimetacrilato: PMMAcristales gafas, lupas, duchas, vajillas, paneles , luminosos, tapas, transparentes,...

Poliamidas: PAPoliamidas: PAencendedores, linternas, fibras, poleas, tacos pared, sedales,…

PoliacetalesPoliacetales: POM: POMmecanismos, bolígrafos, clips, grifos, válvulas, engranajes,resortes, cremalleras,...


Familias de plFamilias de pláásticos IVsticos IV

PoliPoliéésteres lineales: PBT, PETsteres lineales: PBT, PETenchufes, conectores, portalámparas, suelas planchas, tiradores horno,...

Policarbonatos: PC,....Policarbonatos: PC,....CDs, carcasa faros auto, tapas luminarias, carcasa PC, mirillas, lunas, paneles aparatos,...


Ventajas de los plVentajas de los pláásticos Isticos I

Ligereza (densidad menor que los metales)Ligereza (densidad menor que los metales)Flexibilidad (10 a 15 veces mFlexibilidad (10 a 15 veces máás flexibles)s flexibles)

Módulo elástico E

Resistencia a la tracción

σr

Densidad ρ E/ρ σr/ρ

GPa MPa g/cm3

Alumnio 71 600 2,71 26 221Titanio 110 500 4,54 24 110

Acero al C 210 460 7,86 27 58

Nylon 30%GF 4 80 1,15 3 70PBT 30%GF 8 100 1,52 6 70

Poliester 40%GF 32 800 1,74 18 460Epoxi 40%GF 158 880 1,5 105 590

Material

Metales

Plásticos

Compuestos


Ventajas de los plVentajas de los pláásticos IIsticos II

TransformaciTransformacióón rn ráápida y econpida y econóómicamica150 ºC -300 ºC frente a 800 ºC-1500 ºCSin mecanizados o acabados posteriores

TransparenciaTransparenciaSuperior a cristales minerales con menor peso, resistencia al impacto y libertad de diseño

Estabilidad quEstabilidad quíímicamicaCorrosión atmosféricaDisoluciones salinasÁcidos y bases mineralesDisolventes orgánicosDetergentes y tensoactivos


Ventajas de los plVentajas de los pláásticos IIIsticos III

Capacidad aislanteCapacidad aislanteFrente al calor: un plástico conduce 1000 veces menos el calor que un metalFrente a la electricidad: La conductividad eléctrica de los plásticos es 1000 trillones inferior a la de los metales

ReciclabilidadReciclabilidadRECICLADO QUÍMICORECICLADO MECÁNICO : regranulado

Baja contaminaciBaja contaminacióónn


Desventajas de los plDesventajas de los pláásticossticos

Estabilidad tEstabilidad téérmicarmicaRelajaciRelajacióón de tensionesn de tensionesEstabilidad dimensionalEstabilidad dimensional


Aditivos para polAditivos para políímetrosmetros

POLIMERO (polvo puro)POLIMERO (polvo puro)

PLASTICO (granza elaborada)PLASTICO (granza elaborada)

ADITIVOSADITIVOS


AditivoAditivo--RefuerzoRefuerzo--CargaCarga

ADITIVO: modifica diferentes propiedadesADITIVO: modifica diferentes propiedadesREFUERZO: modifica propiedades mecREFUERZO: modifica propiedades mecáánicasnicasCARGA: reduce el coste del materialCARGA: reduce el coste del material

NECESARIOS: permiten técnicamente la transformación del plásticoOPTATIVOS: mejoran y modifican las propiedades del plástico


Tipos de aditivosTipos de aditivos

Para PROCESADOPara PROCESADOANTIANTI--ENVEJECIMIENTOENVEJECIMIENTOModificadores propiedades MECANICASModificadores propiedades MECANICASModificadores propiedades SUPERFICIALESModificadores propiedades SUPERFICIALESModificadores propiedades OPTICASModificadores propiedades OPTICASIGNIFUGANTESIGNIFUGANTESESPUMANTES,...ESPUMANTES,...


Empleo de aditivosEmpleo de aditivos

DosificaciDosificacióón correctan correctaDispersiDispersióón homogn homogééneaneaCompatibilidad: evitar interaccionesCompatibilidad: evitar interaccionesEfectividad Efectividad -- precio precio


Aditivos ProcesadoAditivos Procesado

ESTABILIZANTESESTABILIZANTESANTIOXIDANTES ( estabilizantes primarios). Efecto del O2DESACTIVADORES DE PEROXIDOS ( estabilizantes secundarios). Efecto del calor

LUBRICANTESLUBRICANTESINTERNOS: evita degradación por cizalla durante transformaciónEXTERNOS: mejoran el proceso de inyección por la disminución de la viscosidad y la adherencia


Aditivos Aditivos AntiAnti--EnvejecimientoEnvejecimiento

ANTIOXIDANTESANTIOXIDANTESEvitan la oxidación- degradación de los polímeros, retardan el envejecimientofenoles estéricamente impedidos, aminas aromáticas secundarias, tioéteres, fosfitos, ...

ESTABILIZANTES UVESTABILIZANTES UVEvitan la fotodegradación causada por la radiación ultravioleta (luz solar y luz artificial)pigmentos: negro de humo, TiO2,...,aminas retardadas (HALSHindered Amine Light Stabilizers), fenoles impedidos, fosfatos orgánicos, ...Se precisan concentraciones altas y la eficacia dependerá:

• Transparencia y color del material• Espesor de la pieza• Sensibilidad del polímero base• Condiciones de exposición


Aditivos para propiedades mecAditivos para propiedades mecáánicas Inicas I

PLASTIFICANTESPLASTIFICANTESMejoran la flexibilidad y procesabilidad, disminuyendo la Tª de fusión y el módulo elástico

• PVC-P (plastificado): 20-50% plastificante• PVC-U (rígido): no plastificante

ésteres ftálicos y fosfóricos, ésteres de ácidos grasos,..REFUERZOS ( CARGAS )REFUERZOS ( CARGAS )

minerales: talco, micas, carbonato,...orgánicas: fibras de vidrio y bolas de vidrioCARGAS aumentan: densidad, módulo elástico (rigidez), resist. Tracción, durezaCARGAS disminuyen: contracción, resistencia impacto, brillo


Aditivos para propiedades mecAditivos para propiedades mecáánicas IInicas II

ElastElastóómerosmerosSustancias que mejoran significativamente la resistencia al impacto del material basecaucho, EPDM, PUR, EVA, PE

Propiedades superficialesPropiedades superficialesANTIESTATICOS

• Sustancias que disminuyen la acumulación de cargas electrostáticas para evitar la adhesión de polvo

• internos: migran a la superficie lentamente parte hidrófila - parte hidrofóbica• externos: se aplican sobre la superficie a partir de disoluciones acuosas o

alcohólicasLUBRICANTES sólidos

• Productos que reducen la fricción y el desgaste• bisulfuro de molibdeno, grafito, PTFE, PE – UHMW

CONDUCTORES• Productos que forman caminos conductores que permiten incrementar la

conductividad eléctrica• negro de humo, fibras de carbono, virutas metálicas


Aditivos para propiedades Aditivos para propiedades óópticaspticas

COLORANTESCOLORANTESProductos con pigmentos que aportan color

• concentrados líquidos• concentrados sólidos base polimérica: masterbatch

TiO2 - tonos blancos, negro de humo - tonos negros, pigmentos orgánicos (más brillantes, menos estables), pigmentos inorgánicos (Cd !!!)

NUCLEANTESNUCLEANTESSustancias que promueven la formación de núcleos de cristalización y reducen sus dimensionesbenzoatos de Na, K, Li, arcillas, silica flúor, ...


Aditivos Aditivos IgnifugantesIgnifugantes

Sustancias que reducen y dificultan la combustibilidad de Sustancias que reducen y dificultan la combustibilidad de los pllos pláásticossticos

COMPUESTOS HALOGENADOS y con P., mezclas HALOGENOS/Sb2O3, COMPUESTOS de Br.

COMBUSTIBILIDAD:COMBUSTIBILIDAD:INCOMBUSTIBLES (PTFE)AUTOEXTINGUIBLES aditivados (PS, ABS, PA...)AUTOEXTINGUIBLES intrínsecos (PPS, PES)COMBUSTIBLES (PP, POM, PE,...)fácilmente COMBUSTIBLES (PS, PMMA,...)


Aditivos espumantesAditivos espumantes

Sustancias que por reacciSustancias que por reaccióón qun quíímica, durante el proceso mica, durante el proceso de fabricacide fabricacióón y por la accin y por la accióón de la temperatura generan n de la temperatura generan gases que generan materiales gases que generan materiales ““celularescelulares”” ( se reduce la ( se reduce la densidad)densidad)azodicarbonamidaazodicarbonamida


Procesos de transformaciProcesos de transformacióón de pln de pláásticossticos

ExtrusiExtrusióónnCalandradoCalandradoInyecciInyeccióónnSopladoSopladoTermoconformadoTermoconformadoRotomoldeadoRotomoldeadoCompresiCompresióónnMicroMicro--InyecciInyeccióónnMicroMicro--CompresiCompresióónn


ExtrusiExtrusióónn

La extrusiLa extrusióón es una tn es una téécnica de fabricacicnica de fabricacióón para la n para la obtenciobtencióón de productos lineales al hacer pasar mediante n de productos lineales al hacer pasar mediante presipresióón a travn a travéés de una hilera un pols de una hilera un políímero fundidomero fundidoLos productos que se obtienen son: perfiles, tuberLos productos que se obtienen son: perfiles, tuberíías, as, placas, lplacas, lááminas, cables, etc.minas, cables, etc.


ExtrusiExtrusióónn--GofladoGoflado

El El gofladogoflado es un proceso para la obtencies un proceso para la obtencióón de peln de pelíícula cula de plde pláásticostico


ExtrusiExtrusióónn--CalandradoCalandrado

El calandrado es un proceso de fabricaciEl calandrado es un proceso de fabricacióón para la n para la obtenciobtencióón de placas y peln de placas y pelíículas por laminaciculas por laminacióón de una n de una materia materia termopltermopláásticastica fundida a travfundida a travéés de varios cilindross de varios cilindros


InyecciInyeccióónn

La inyecciLa inyeccióón es un proceso discontinuo de produccin es un proceso discontinuo de produccióón de n de piezas complejas mediante la introduccipiezas complejas mediante la introduccióón por presin por presióón n de un polde un políímero fundido en el hueco de un moldemero fundido en el hueco de un molde


SopladoSoplado

El soplado es una tEl soplado es una téécnica de fabricacicnica de fabricacióón que obtiene n que obtiene piezas huecas a partir de la expansipiezas huecas a partir de la expansióón de una preforma n de una preforma caliente en estado caliente en estado semirsemiríígidagida mediante la introduccimediante la introduccióón n de aire a preside aire a presióónn


TermoconformadoTermoconformado

El El termoconformadotermoconformado es un proceso de produccies un proceso de produccióón de n de piezas abiertas a partir de placas, hojas o pelpiezas abiertas a partir de placas, hojas o pelíículas culas calentadas hasta el estado calentadas hasta el estado semirsemiríígidogido y presionadas y presionadas contra una matrizcontra una matriz


RotomoldeadoRotomoldeado

El El rotomoldeadorotomoldeado es un proceso de fabricacies un proceso de fabricacióón para la n para la obtenciobtencióón de piezas en el que se extiende el poln de piezas en el que se extiende el políímero mero fundido mediante un movimiento de giro de un moldefundido mediante un movimiento de giro de un molde


CompresiCompresióónn

Los procesos de compresiLos procesos de compresióón son tn son téécnicas de cnicas de transformacitransformacióón que permiten obtener piezas a partir de n que permiten obtener piezas a partir de presionar un polpresionar un políímero entre dos matrices calientesmero entre dos matrices calientes


MicroInyecciMicroInyeccióónn

Proceso derivado de la InyecciProceso derivado de la Inyeccióón para la fabricacin para la fabricacióón de n de piezas con caracterpiezas con caracteríísticas sticas microgeommicrogeoméétricastricas


MicroCompresiMicroCompresióónn (Hot(Hot--EmbossingEmbossing))

Proceso para imprimir (Proceso para imprimir (nanoimprintingnanoimprinting) en peque) en pequeññas as llááminas de plminas de pláástico, caracterstico, caracteríísticas sticas nanogeomnanogeoméétricastricas


Comparativa de costes de fabricaciComparativa de costes de fabricacióónn

LaminadoRotomoldeado sencilloTermoconformado

SopladoRotomoldeado complejo

InyecciónMecanizado


DistribuciDistribucióón mundial de la produccin mundial de la produccióónn


ProducciProduccióón mundial de pln mundial de pláásticossticos


Consumo mundial de plConsumo mundial de pláásticossticos


Consumo de plConsumo de pláásticostico


Previsiones de consumoPrevisiones de consumo


Consumo Consumo perper ccáápitapita


Mercado espaMercado españñolol

2,2% del PIB2,2% del PIB4.000 empresas4.000 empresas85.000 trabajadores85.000 trabajadores4.700.000 4.700.000 tntn de produccide produccióónn105 105 kgkg/persona a/persona añño de consumoo de consumo

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Extrusión Inyección Goflado Soplado Calandrado Restoprocesos


Campos de consumoCampos de consumo


Agentes del mercadoAgentes del mercado

SuministradoresPolímerosOtras materias primas

TransformadoresPropiosSubcontratistas

MoldistasFabricantes de equipos

Maquinas de transformaciónEquipos auxiliares

Oficinas técnicas Entidades de certificación

Mercado productos de

plástico

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