La clasificación y la reología de polímeros

Polímeros

Los polímeros son, desde el punto de vista de su estructura química, macromoléculas formadas por la unión de elementos sencillos que llamados monómeros, constituidos a su vez principalmente por carbono e hidrógeno, y que enlazados entre sí dan lugar a largas cadenas poliméricas.

Clasificación de los polímeros

Los termoplásticos

Constituyen el grupo más importante y de mayor uso comercial de los polímeros sintéticos y son considerados como los típicos plásticos (constituyen más del 80% de la producción de plásticos). Prácticamente no sufren cambios en su estructura química cuando se calientan y a determinadas temperaturas se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la forma deseada la que quedará preservada al enfriarse. En este grupo se encuentran el polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), policloruro de vinilo (PVC), etc.

Los termoestables

Son polímeros que sí sufren cambios químicos cuando se calientan y no pueden fluir por efecto de la temperatura para ser remoldeados. Molecularmente hablando, son polímeros entrecruzados. Tienden a ser resinas duras y muy rígidas aunque frágiles. Al ser sometidas a temperaturas elevadas se promueve la descomposición química del polímero (degradación). Dentro de este grupo se encuentran entre otros las resinas epóxicas, fenólicas y amídicas, así como los poliuretanos.

La reología de los polímeros

La ciencia que considera el flujo y la deformación de la materia, tanto de sólidos como fluidos, es llamada reología. La reología puede ser una poderosa herramienta de caracterización., con esta podemos relacionar estructura y propiedades. Más aun, todas las operaciones de procesamiento implican flujo y deformación.

Por ello el procesamiento polimérico no puede ser adecuadamente entendido, diseñado, u operado sin un conocimiento de la reología.

La viscosidad

La viscosidad se puede definir con más precisión refiriéndonos al diagrama de la Figura 1, en el cual vemos dos placas paralelas separadas por una distancia “d”. Una placa permanece estacionaria mientras la otra se mueve a una velocidad v, y el espacio entre ellas está ocupado por un fluido. Al orientar estos parámetros con respecto a un sistema de ejes, a “d” le corresponde la dirección del eje y, y a v la dirección del eje x. El movimiento de la placa superior opone resistencia a la fuerza F, que resulta de la acción viscosa de corte del fluido.

Figura 1

Esta fuerza puede expresarse como un esfuerzo cortante dividiendo F por el área de la placa A:

(1.1)

Donde τ = esfuerzo cortante, N/m2 (lb/pulg2). Este esfuerzo cortante está relacionado con la velocidad de corte, la cual se define como el cambio de velocidad dv con respecto a dy. Esto es,

(1.2)

Donde y = velocidad de corte, 1/s. dv = cambio diferencial de velocidad, m/s (pulg./s); y dy = cambio diferencial en la distancia y, m (pulg).La viscosidad del corte es la propiedad del fluido que define la relación entre F/A y dv/dy esto es,

(1.3)

Donde η = a una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de viscosidad, Pa.s (lb-seg/pulg2). Reordenando la ecuación anterior, podemos expresar el coeficiente de viscosidad como sigue:

(1.4)

Por tanto, la viscosidad de un fluido puede definirse como la razón del esfuerzo cortante a la velocidad de corte durante el flujo, donde el esfuerzo cortante es la fuerza de fricción ejercida por un fluido en una unidad de área, y la velocidad de corte es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección de flujo. Las características viscosas de los fluidos definidas en la ecuación 1.4 fueron enunciadas primero por Newton. El observó que la viscosidad era un propiedad constante en un fluido dado, a tal fluido se le llamó fluido newtoniano.

Un plástico fundido no se comporta como un fluido newtoniano puesto que su viscosidad no es constante en el tiempo dependiendo además de otros factores.

Pero cuando es sometido a bajas velocidades de corte, menores que 0,1 1/s, el fundido se comporta de manera newtoniana. Sin embargo a altas velocidades de corte, particularmente sobre el rango de 10 a 1000 1/s que es relevante para la mayoría de las operaciones de procesamiento, la viscosidad del fundido decrece substancialmente con el incremento de la velocidad de corte.

Viscoelasticidad

La mayoría de los polímeros exhiben simultáneamente propiedades tanto de sólidos elásticos como de líquidos viscosos, bajo un amplio rango de condiciones.

Por ello se dice que son de naturaleza viscoelástica. Esta propiedad determina la deformación que experimenta un material

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