sistemas y tÉcnicas de polimerizaciÓn

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07/08/2017 1 SISTEMAS Y TÉCNICAS DE POLIMERIZACIÓN Técnicas de polimerización Muchos monómeros como el estireno, acrilonitrilo y cloruro de vinilo son tóxicos y dan lugar a reacciones de polimerización muy exotérmicas. Por ello se toman precauciones para evitar el contacto y controlar la temperatura de la reacción de polimerización. Los métodos principales son polimerizaciones en bloque, solución y emulsión

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SISTEMAS Y TÉCNICAS DE

POLIMERIZACIÓN

Técnicas de polimerización

Muchos monómeros como el estireno, acrilonitrilo y cloruro

de vinilo son tóxicos y dan lugar a reacciones de

polimerización muy exotérmicas.

Por ello se toman precauciones para evitar el contacto y

controlar la temperatura de la reacción de polimerización.

Los métodos principales son polimerizaciones en bloque,

solución y emulsión

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Tipos de Sistemas de Polimerización

Sistemas Homogéneos Sistemas Heterogéneos

• Polimerización en bloque

• Polimerización en Solución

• Polimerización en suspensión

• Polimerización en emulsión

• Polimerización en precipitación

Polimerización en sistemas homogéneos

1.- Polimerización en bloque: Es una técnica simple,

homogénea, donde el monómero y el activador se mezclan en un reactor

que es calentado y enfriado según se requiera.

En el caso de que la polimerización sea iniciada térmicamente o por

radiación, solo habrá monómero. Por consiguiente, esta técnica es

económica, además de producir polímeros con un alto grado de pureza.

El producto obtenido es polidisperso (consta de cadenas de polímero con

una distribución de pesos moleculares muy amplia) y de peso molecular

muy alto a causa del incremento de viscosidad que ocasiona la

autoaceleración, es de utilidad como plástico de fundición pero no para el

moldeo o la extrusión.

En algunos casos, el monómero que no ha reaccionado se elimina por

destilación y se recicla.

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La agitación durante la polimerización debe ser vigorosa para que tenga

lugar la dispersión del CALOR DE FORMACIÓN del polímero,

evitándose puntos sobrecalentados, que dan un color amarillento al

producto.

Este proceso es utilizado extensamente para la polimerización por

condensación por sus bajos calores de reacción y además un monómero

puede cargarse en el reactor y otro añadirse lentamente.

Este tipo de polimerización es

altamente EXOTÉRMICA, presentando

dificultades en el control de la

temperatura y de la agitación del medio

reaccionante, que rápidamente se

vuelve VISCOSO desde el inicio de la

polimerización.

Ventajas

Se obtienen productos de alta pureza sin la necesidad de

realizar separaciones

En caso de plásticos transparentes la claridad es excelente.

Alta velocidad de polimerización y altos grados de

polimerización (gran número de unidades repetitivas)

Desventajas

La baja conductividad térmica del monómero y el polímero

dificultan el retiro del calor producido por la polimerización

Alta probabilidad de sobrecalentamiento y pérdida de control

sobre la reacción

La alta viscosidad del polímero formado dificulta remover el

monómero no convertido

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2.- Polimerización en solución: El monómero es diluido en un

solvente no reactivo que contiene un catalizador lo que hace que la

temperatura sea homogénea y de control más simple. La fácil agitación

del sistema, evita el problema del sobrecalentamiento.

El solvente ideal debe ser barato, de bajo PUNTO DE EBULLICIÓN y de

fácil separación del polímero. Al final de esta polimerización, el polímero

formado puede ser soluble o no en el solvente usado.

En el caso de que el polímero sea insoluble, se obtiene un lodo,

fácilmente separable del medio de reacción por filtración. Si el polímero

fuese soluble, se utiliza un no-disolvente para PRECIPITARLO en forma

de fibras o polvo.

El calor liberado por la reacción es absorbido por el solvente y de esta

forma se disminuye la velocidad de reacción. En la última etapa se debe

quitar todo el solvente usado.

El costo del solvente y el retraso de la

reacción son los inconvenientes de esta

técnica

La polimerización en solución se emplea

bastante en policondensación

Ventajas

El svte disminuye la viscosidad del medio de reacción

Se facilita el retiro del calor producido por la reacción de polimerización

Por lo general se realizan cdo el polímero puede ser vendido

directamente en solución

Desventajas

La menor conc del monómero reduce la vel de polimerización y DP

Se requiere separar el svte del polímero formado. Esto conlleva a un

fuerte aumento en los costos de producción.

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Polimerización en sistemas heterogéneos:

1.- Polimerización en suspensión también conocida como

polimerización en perlas, en la cual monómero y el iniciador se

dispersan en el medio de reacción que en general es agua en el cual

no son solubles.

El iniciador debe ser soluble en fase orgánica (tipo azo- o peróxidos).

El proceso se caracteriza por un buen control térmico y la facilidad

para extraer las partículas discretas del polímero. El Tamaño de

partícula es difícil de controlar.

La coalescencia de las gotas se evita usando pequeñas cantidades

de polímeros hidrosolubles (agente de estabilización o suspensión

que no forman micelas como alcohol polivinilico, gelatina,

metilcelulosa).

La polimerización tiene lugar dentro de las partículas en SUSPENSIÓN,

las cuales tienen tamaño medio entre 10 a 1000 nm, y donde se

encuentran el monómero y el iniciador.

Las gotas de monómero se convierten en partículas esféricas sólidas

de polímero (termoplásticos), con diámetros de partícula entre 20 y

1000 µm (“bead polymerization”) que son poco solubles en el medio de

dispersión.

La agitación del sistema es un factor muy importante en esta técnica,

pues según la velocidad de agitación empleada, varía el tamaño de las

partículas. En esta reacción se requiere mantener el líquido en

suspensión

La morfología de las partículas queda determinada principalmente por

la solubilidad del monómero y del polímero dentro de las gotas.

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Así, se pueden producir tanto partículas rígidas no porosas, cuando el

polímero es soluble en el monómero y la fase dispersa incluye sólo a los

monómeros (y a agentes de entrecruzamiento), resultando “beads”

transparentes;

y partículas porosas, cuando el polímero no es soluble en el monómero

y/o se incluye en la fase dispersa un agente porógeno adecuado

(solvente inerte), que causa la separación de fases durante la

polimerización (y permite controlar la distribución de tamaños de poros).

Por su similitud con la polimerización en masa, se la considera como una

polimerización en masa dentro de cada gota (las que actúan como

minireactores suspendidos en agua).

Además del monómero, el iniciador y el solvente, también se adicionan

AGENTES TENSIOACTIVOS, sustancias químicas que auxilian en la

suspensión del polímero formado, evitando la adhesión entre las

partículas y, como consecuencia, la precipitación del polímero sin la

formación de las perlas.

Durante la polimerización las partículas de monómero se convierten en

partículas esféricas sólidas de polímero con diámetros de partícula entre 20

y 1000 μm (bead polymerization)

El tamaño de las gotas queda determinado por la velocidad de agitación,

por la naturaleza y concentración del agente de dispersión.

Se considera una polimerización en masa dentro de cada gota. La fase

acuosa actúa como un agente de transferencia de calor muy eficiente y la

viscosidad del sistema de reacción cambia poco con el avance de la

reacción

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La precipitación del polímero también puede ser evitada por la

adición al medio de reacción de un polímero HIDROSOLUBLE, de

elevado peso molecular, que aumente la viscosidad del medio.

No obstante, la incorporación de estos aditivos al sistema dificulta la

purificación del polímero resultante.

Después de la polimerización, el producto polimerizado es obtenido

como producto fino granular fácilmente filtrable. Al terminar la

reacción, el mismo debe ser separado, purificado por lavados y

secado.

Este proceso se utiliza comúnmente para producir muchos de los

polímeros del tipo vinílico como el policloruro de vinilo, poliestireno,

polimetacrilato de metilo.

Ventajas

El polímero formado es prácticamente libre de contaminantes

La fase continua absorbe el calor producido por la

polimerización. El polímero es formado directamente en

partículas.

La separación de la fase continua es sencilla debido a su

baja afinidad

Se puede utilizar agua como fase continua

Desventajas

Contaminación del polímero

con agentes estabilizadores

y agua

Requiere agitación continua

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2.- Polimerización en emulsión: Difiere de la polimerización

en suspensión en el tamaño de las partículas suspendidas y el

mecanismo de polimerización.

El monómero usado es una sustancia orgánica con una solubilidad

en agua normalmente baja, mientras que el iniciador es soluble en

agua.

La polimerización ocurre en un medio heterogéneo y de naturaleza

coloidal. Se utiliza el agua como medio de dispersión por ser

económica, no tóxica y poseer una capacidad calorífica elevada.

Se requiere una serie de ADITIVOS con funciones específicas

(como peróxidos solubles en agua), se añade un emulsificante para

dispersar el monómero en partículas muy pequeñas (MICELAS) y

TAMPONADORES (que puede ser un detergente o un jabón).

Las MICELAS, de tamaño entre 1 nm y 1 mm, sirven como lugar de

polimerización del monómero el cual queda contenido y disperso

en pequeñas gotas (las gotas de monómeros actúan como

reservorio).

El principal sitio de la polimerización son las partículas de polímero

(partículas de látex) formadas espontáneamente “in situ” (al principio

del proceso).

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El radical iniciador (formado por acción de la temperatura)

soluble en agua penetra en las micelas ricas en monómeros y se

inicia la polimerización.

Las micelas crecen a medida que el polímero se va formando

hasta un cierto punto en que el tamaño del polímero es mayor

que el de la micela y luego el emulsificante es absorbido en la

superficie de las partículas.

Algunas micelas son activas, o sea, la reacción de

polimerización se procesa dentro de ellas, mientras que otras

son inactivas (gotas de monómeros), constituyendo apenas una

fuente de monómero.

A medida que la reacción ocurre, las micelas inactivas suplen a

las activas con monómero, que crecen hasta formar gotas de

polímero, originando posteriormente el polímero sólido.

Se forman partículas en suspensión muy fina y no aglomeradas,

de un tamaño tan pequeño que ni con un microscopio pueden

ser vistas

El principal sitio de la polimerización son las partículas de polímero

(partículas de látex) formadas espontáneamente “in situ” (al principio

del proceso)

Estas microgotitas quedan estabilizadas por el jabón durante todo el

proceso de la polimerización, y acaban formando un latex de

aspecto lechoso, del cual se hace precipitar el polímero rompiendo la

emulsión.

Posteriormente se filtra, lava y seca quedando siempre restos de

jabón, lo que le imprime características especiales de adsorción de

aditivos.

La polimerización en emulsión tiene una alta velocidad de reacción y

conversión, siendo de fácil control la agitación y temperatura.

Los polímeros obtenidos con esta técnica presentan altos pesos

moleculares, pero son de difícil purificación por la cantidad de

aditivos adicionados.

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Sin embargo esta técnica tiene

gran importancia industrial y es

muy empleada en poli

adiciones, principalmente

cuando se aplica directamente

el látex resultante.

Esquema con la

coexistencia de cuatro

fases: medio de dispersión,

gotas de monómero,

micelas y partículas de

polímero.

Esquema con la coexistencia de cuatro fases: medio de dispersión, gotas de

monómero, micelas y partículas de polímero.

Ventajas

o Cambio muy leve de la viscosidad durante la polimerización, debido a que

por regla gral, la η de la emulsión es idéntica a la η de la fase continua

o La fase continua absorbe el calor producido por la polimerización. El

polímero es formado directamente en partículas.

o La separación de las partículas de la fase continua es sencilla debido a su

baja afinidad

o Se puede utilizar agua como fase continua

Desventajas

o No es económicamente factible

separar el jabón de las partículas

de polimero. El producto final

incorpora en sí mismo el jabón

utilizado en la polimerización

o El jabón presente puede

desmejorar las propiedades

ópticas (transparencia y las

eléctricas (aislamiento eléctrico)

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Comparación de los SISTEMAS DE POLIMERIZACIÓN

TECNOLOGÍA DE POLÍMEROS

FABRICANTES PROCESADORES CONFORMADORES Y ACABADORES

La conformación puede dividirse en 3 sectores amplios:

MECANIZADO CONFORMADO FORMADO

Lijado moldeo corte

serrado uniones cosido

taladrado recubrimiento

torneado soldadura sellado

cortado pegado

forjado atornillado

escariado

molido

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Calandrado: El material polimérico se hace pasar por una serie de

rodillos que giran en sentidos opuestos. La superficie puede ser lisa o

texturada dependiendo de la superficie del rodillo.

PROCESADO DE POLÍMEROS

Inyección: El plástico se calienta por encima de su Tg y después se

somete a altas presiones para rellenar el contenido de un molde. El

plástico fundido es comprimido en el molde por un émbolo. Se deja

enfriar y luego se saca del molde en su forma final. La ventaja del

método es la velocidad; este proceso puede ser ejecutado varias

veces por segundo.

Extrusión: Es parecido a la inyección excepto que el plástico se

fuerza a través de un troquel. Sin embargo, la desventaja de la

extrusión es que los objetos así hechos deben tener la misma

sección. Ej: tubos de plástico

PLÁSTICOS MOLDEADOS

La mayoría de los plásticos se convierten en productos acabados

por moldeado o extrusión.

MOLDEADO POR INYECCIÓN: Se introduce el polímero en una

tova. Va avanzando arrastrado por el movimiento de un tornillo o un

émbolo. Se funde debido al calor producido por unos calefactores.

Se inyecta el plástico líquido en el molde y toma su forma.

Finalmente se abre el

molde y se extrae la

pieza.

Muchas piezas de

plástico se obtienen

por este método.

El molde y el plástico inyectado se enfrían mediante unos canales

interiores por los que circula agua

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Este proceso está muy extendido,

porque permite fabricar artículos

moldeados de alta calidad,

normalmente sin necesidad de

ninguna operación posterior de

acabado, incluso para piezas de

formas complicadas que han de

ser sometidas a tolerancias

dimensionales estrictas.

Se aplica, sobre todo, a los

termoplásticos, y, en menor

escala, a los elastómeros y a los

termoestables.

La boca puede tener una forma circular para producir tubos o

barras, puede ser recta para producir hojas o puede tener una

sección determinada para la producción continua de casi

cualquier tipo de producto de forma uniforme.

MOLDEADO POR EXTRUSIÓN:

Es parecido al anterior.

En la salida, el plástico

fundido toma la forma de

la boca, por ejemplo un

tubo hueco.

Proceso usado para la

fabricación de productos

semi acabados como

tuberías, hojas, perfiles,

planchas, que deben ser

sometidos a acabado

antes de ser usado

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MOLDEADO POR SOPLADO: Se basa en un recipiente

hueco a partir de una preforma.

La preforma del objeto se calienta e introduce en el molde de la

máquina de soplado. Se calienta y se insufla aire, obteniendo la

pieza la forma del molde.

Se acostumbra refrigerar el molde para aumentar el número de ciclos por

minuto.

Se abre el molde y se

expulsa la pieza.

huecas.

Es el procedimiento

usado para obtener

recipientes como

botellas y piezas

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Se usan tecnologías multi-fase, en las que se fabrica primero un material

tubular mediante extrusión o inyección y luego se modifica su forma bajo

temperatura mediante la inyección de aire en un molde hueco cerrado

frío solidificándose el plástico en su forma definitiva al contacto con sus

paredes.

El uso de la extrusión para producir elemento tubular a partir del que se

forma el cuerpo hueco permite un mejor aprovechamiento de las

posibilidades de los materiales multicapa, con los que se consiguen

envases en los que la pared está compuesta por capas de distintos

materiales que otorgan las características diferenciadas de barrera,

resistencia a la radiación UV, características mecánicas o coloración.

La extrusión permite versatilidad de formas. En formas simples, es

posible producir envases con asa incorporada que se sopla

conjuntamente con el cuerpo del envase mediante un pinzamiento

parcial de la preforma

Una extrusora sitúa un

cuerpo tubular y

plastificado entre las

dos mitades abiertas

de un molde

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MOLDEADO POR COMPRESIÓN: Es un método usado para

fabricar piezas grandes, aunque no complicadas, por ejemplo el

salpicadero de los coches.

Se aplica presión y calor a una preforma compacta del material

dentro de un molde que tiene la forma definitiva.

El prepolímero, copos o partículas de polímero mezclado con los

aditivos adecuados como rellenos o refuerzos, se introducen en el

molde. Este se cierra aplicando una presión para que la mezcla se

ajuste a la forma del molde.

Luego se extrae la pieza.

Se usa principalmente

en termoestables, pues

la presión y el calor

originan el entrelazado

de los polímeros.

El prensado se inició a principios del siglo XX principalmente por

comercialización de la baquelita.

Son materiales duros, de alta densidad y resistencia producidos al aplicar

alta presión y T° a dos o más capas de papel o tejidos de algodón que

están impregnadoas con resinas termoestables.

Cuando el calor y la presión son aplicadas a las capas impregnadas, la

polimerización las transforma en una masa sólida. Estos materiales están

dentro de los MATERIALES COMPUESTOS y se obtienen productos muy

diversos para múltiples aplicaciones.

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Hilado

La fabricación de fibras se llama hilado. Hay tres tipos:

Hilado de fusión: se usa para polímeros que funden fácilmente.

Hilado seco: se disuelve el polímero en una disolución que puede

evaporarse.

Hilado húmedo: se utiliza cuando el disolvente no puede

evaporarse y se elimina por medios químicos.

En todos los tipos de hilado usa el mismo principio, se presiona

sobre la superficie de un disco de metal que contiene agujeros muy

pequeños, llamados hiladores.

Se alcanzan velocidades de hilado de 2500 pies/minuto

HILADO DEL PLÁSTICO: El polímero en polvo se introduce

en un recipiente a alta presión y temperatura.

Al fundirse, se le hace pasar por boquillas del diámetro

deseado, enfriándose inmediatamente por medio de chorros de

aire o un baño líquido y recogiéndose en bobinas.