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Laboratorio de Degradacin de Materiales

LABORATORIO N 2DEGRADACION TERMO-OXIDATIVA DEL POLIPROPILENO

I. OBJETIVOS:

1.1. Verificar, usando un registro fotogrfico y texto escrito el progreso de la degradacin termo-oxidativa del polipropileno.1.2. Demostrar con su registro en tablas y presentacin en forma grafica, la variacin de peso en funcin del tiempo de calentamiento, la degradacin termo-oxidativa.1.3. Escribir el mecanismo de degradacin termo-oxidativa del polipropilenoII. FUNDAMENTO TEORICO:DEGRADACION DE POLIMEROS

Los materiales polimricos tambin experimentan deterioro mediante interacciones con el ambiente. Sin embargo, para referirse a estas interacciones no deseadas, se utiliza el trmino degradacin. La degradacin polimrica es fisicoqumica (implica fenmenos fsicos y qumicos). Adems en la degradacin de los polmeros tienen lugar gran variedad de reacciones y consecuencias adversas. Los polmeros se deterioran por hinchamiento y por disolucin. La ruptura de enlaces covalentes (por energa trmica, por reacciones qumicas y tambin por radiacin), generalmente va acompaada de una disminucin de la integridad mecnica. Debido a la complejidad qumica de los polmeros, los mecanismos de su degradacin no se conocen suficientemente. A continuacin se presentan dos ejemplos de degradacin de polmeros. El polietileno expuesto a oxigeno atmosfrico a elevada temperatura experimenta disminucin de propiedades mecnicas y se fragiliza. El cloruro de polivinilo expuesto a altas temperaturas se colorea, aunque sus propiedades mecnicas no se modifican. [1]En el sentido qumico clsico, el termino degradacin significa destruccin de la estructura; en una de sus acepciones relativas a los polmeros (Grassie 1966) lo considera como significado cualquier proceso que lleve al deterioro de las propiedades, pero aqu tomamos el significado cualquier proceso que lleve al deterioro de las propiedades, la reduccin de peso molecular. Hay dos tipos generales de procesos de degradacin de polmeros, que aproximadamente corresponden a los dos tipos de polimerizacin. La reaccin por etapas y la reaccin en cadena.

La degradacin al azar, es anloga a la polimerizacin por etapas. En este caso, la rotura o escisin se produce en puntos al azar a lo largo de la cadena, dejando fragmentos que son usualmente grandes comparados con una unidad de monmero.

La despolimerizacin en cadena implica la liberacin sucesiva de unidades de monmeros a partir de un extremo de la cadena en una reaccin de des propagacin o que es esencialmente la inversa de la polimerizacin en cadena.

Estos dos tipos pueden ocurrir separadamente o en combinacin, puedes ser iniciado trmicamente o por luz ultravioleta, oxigeno, ozono u otro agente externo, y puede ocurrir completamente al azar o con preferencia en los extremos de cadena o en otros enlaces dbiles en la cadena. Es posible diferenciar los dos procesos en algunos casos por un seguimiento del peso molecular del residuo como funcin del alcance de la reaccin. El peso molecular cae rpidamente al irse produciendo la degradacin, pero puede permanecer constante en la despolimerizacin de cadena, pues molculas enteras son reducidas a monmeros que escapa de la muestra residual como gas. [2]El trmino degradacin de polmeros se refiere a los procesos inducidos por luz solar, calor y otros agentes atmosfricos que conducen a una modificacin de la estructura del polmero. Un polmero puede tener diversos cambios fsicos o qumicos:

FSICOS: decoloracin, prdida de brillo superficial, formacin de grietas, superficies untuosas, erosin superficial y prdida de propiedades como resistencia a la traccin-deformacin

QUMICOS: rotura de cadenas, cambios en sustituyentes laterales, reacciones de entrecruzamiento, etc. [3]Tabla 1. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradacin.

2.1. DEGRADACION TERMO-OXIDATIVA

Como se ve en la Tabla 1. La degradacin termoxidativa se da por la interaccin de dos agentes externos (Calor y oxigeno).Como un primer punto el calor conlleva a la ruptura hemoltica de los enlaces covalentes de la cadena o de los grupos laterales, provocada por el aumento de la temperatura. Tras la ruptura del enlace, las reacciones que se dan dependen de la actividad de cada radical (como es obvio, a ms temperatura, mayor es la degradacin). Tambin influye la viscosidad del fundido, pues los esfuerzos de cizalla locales pueden aumentar la temperatura de la masa. Muchas degradaciones debidas al calor son autocatalticas, por lo que el polmero se degrada ms rpido si ya est parcialmente degradado. [3]Y como un segundo punto se da el ataque del oxgeno activo sobre el polmero; generndose una reaccin orgnica de oxidacin-reduccin. Como en la degradacin debida al calor, el oxgeno origina radicales libres en el polmero, que pueden dar todo tipo de reacciones secundarias degradativas. En general, los polmeros dinicos o con carbonos terciarios son los menos resistentes al oxgeno radicalario debido a la reactividad de los carbonos arlicos y terciarios.

Este tipo de degradacin ha sido muy estudiada en poliolefinas y depende claramente de la concentracin de O2. En una primera etapa, el oxgeno se fija en los carbonos susceptibles que hay en la cadena, y se forma un perxido que se descompone a acetona o aldehdo. [3]2.2. MECANISMO DE DEGRADACION TERMOXIDATIVA [4]INICIACION:

PROPAGACION:

FINALIZACION:

2.3. POLIPROPILENOEl Polipropilenoes un termoplstico que es obtenido por la polimerizacin del propileno, subproducto gaseoso de la refinacin del petrleo. Todo esto desarrollado en presencia de un catalizador, bajo un cuidadoso control de temperatura y presin. El Polipropileno se puede clasificar en tres tipos (homopolmero, copolmero rndom y copolmero de alto impacto), los cuales pueden ser modificados y adaptados para determinados usos.[5]2.3.1. Caractersticas:

Optima relacin Costo / Beneficio.

Versatilidad: compatible con la mayora de las tcnicas de procesamiento existentes y usado en diferentes aplicaciones comerciales, como, packaging, industria automotriz, textiles, medicina, tuberas, etc.

Buena procesabilidad: es el material plstico de menor peso especfico (0,9 g/cm3), lo que implica que se requiere de una menor cantidad para la obtencin de un producto terminado.

Barrera al vapor de agua: evita el traspaso de humedad, lo cual puede ser utilizado para la proteccin de diversos alimentos.

Buenas propiedades organolpticas, qumicas, de resistencia y transparencia. [5]2.3.2. Propiedades:El Polipropileno isotctico, comercialmente conocido como Polipropileno, PP o hPP, es muy similar al polietileno, excepto por las siguientes propiedades:

Menor densidad: el PP tiene un peso especfico entre 0,9 g/cm y 0,91 g/cm, mientras que el peso especfico del PEBD (polietilenode baja densidad) oscila entre 0,915 y 0,935, y el del PEAD (polietileno de alta densidad) entre 0,9 y 0,97 (en g/cm)

Temperatura de reblandecimiento ms alta

Gran resistencia alstress cracking

Mayor tendencia a ser oxidado (problema normalmente resuelto mediante la adicin deantioxidantes) [6]Tabla 2. Propiedades trmicas del polipropileno.PP homopolmeroPP copolmeroComentarios

Temperatura de fusin(C)160 a 170130 a 168Superior a la del polietileno

Temperatura mxima de uso continuo (C)100100Superior al poliestireno, al LDPE y al PVC pero inferior al HDPE, al PET y a los "plsticos de ingeniera"

Temperatura de transicin vtrea(C)-10-20

III. MATERIALES Y EQUIPOS3.1 MATERIALES:

MaterialesCantidadMedidas

Polipropileno (PP)93x3 cm

Franela1

Pinzas1

Recipientes de plstico2

Detergente1 bolsa

Guantes de ltex1

Agua destilada 500 ml

Copelas 6

3.2 EQUIPOS:EquipoMarcaModelo/SerieErrorSensibilidadSoporte(g)

Balanza Electrnica H.W. KesselAND-HR- 2000.001g 0.0001g210 g

Campana Extractiva

Agitador / Calentador

3.3 INSTRUMENTOS:

InstrumentosCantidad

Secadora1

Cronmetro1

Regla 1

Termmetro1

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1. Medida de probetas de polipropileno 3x3 cm usando la regla, para luego ser recortadas y obtener 9 muestras.

2. Lavado de las 9 probetas de polipropileno usando detergente y un cepillo para eliminar todas las impurezas que estos contienen.

3. Secado de las 9 probetas usando una franela y un secador elctrico.

4. Codificacin de las 9 probetas de polipropileno para un mejor trabajo de laboratorio.

5. Pesado de las 9 probetas de polipropileno usando la balanza electrnica

6. Calentar las probetas en la campana extractiva usando el agitador/calentador controlado por un termmetro, hasta llegar a la temperatura adecuada de 200 C. Uso de base probeta de acero.

7. Acondicionamiento de copelas en el agitador/calentador, ya que el control con termmetro y la base de acero eran inestables.

8. Colocacin de las probetas de polipropileno dentro de las copelas en el agitador/calentador.

9. Registramos lo que sucede con las probetas de polipropileno en 10, 20, 30 minutos.

10. Finalmente retiramos las probetas de polipropileno del agitador/calentador y pesamos para la respectiva discusin de resultados. V. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Tiempo (min)ProbetaMasa Inicial (g)Masa Final (g)WWf

1010.14400.14390.00010.00027

20.13760.13710.0005

30.13950.13930.0002

2040.14400.14390.00010.00033

50.14250.14200.0005

60.14060.14020.0004

3070.13970.13960.00010.00040

80.13700.13610.0009

90.13900.13880.0002

MECANISMO DE LA DEGRADACION POR TERMO-OXIDACION ARTIFICIAL PARA EL POLIPROPILENO.

VI. CONCLUSIONES Las probetas de polipropileno se degradan al ser expuestos a condiciones controladas de temperatura de 205 C y un determinado tiempo dentro de la campana de extraccin, evidenciada en la perdida de sus propiedades fsicas y qumicas. El envejecimiento por termo-oxidacin artificial a una temperatura controlada y un tiempo de 10 minutos no produce mucho cambio en sus propiedades fsicas superficiales, en cambio en los tiempos de 20, 30 minutos aparecen cambios como rugosidades en la superficie y perdida de su brillantes, desprendiendo un poco de su masa. Algunos mecanismo principales en la estructura del material polimrico producto de la degradacin son el rompimiento de cadenas por disociacin hemoltica y heterolitica.VII. RECOMENDACIONES Realizar las respectivas calibraciones en los equipos para minimizar variaciones en las mediciones. Manejar de manera correcta las muestras de polipropileno evitando el contacto directo con las manos o alguna superficie sucia para evitar que se adhieran impurezas.

Utilizar las herramientas (pinzas, guantes) correctas para el uso y control del agitador/calentador y no evitar accidentes.VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS[1] William D,Callister,Jr INTRODUCCION A LA CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES 2, editorial Reverte S.A Barcelona-Espaa ,julio de 2007.[2]Fred Bill Meyer Jr CIENCIA DE LOS POLIMEROS, editorial Reverte S.A 1975, impreso en Espaa.[3] Posada Bustamante, Beatriz; DEGRADACION DE LOS PLASTICOS REVISTA UNIVERSIDAD Eafit- N 94; disponible ONLINE, consultado el 22 de mayo del 2015.[4] Norman Grassie, POLYMER DEGRADATION Y STABILISATION, Cambridge University Press 1985[5] POLIMEROS-EL POLIPROPILENO; disponible ONLINE en: http://www.petroquim.cl/que-es-el-polipropileno/, consultado el 22 de mayo del 2015.[6] POLIPROPILENO; disponible ONLINE en: http://es.wikipedia.org/wiki/Polipropileno/, consultado el 22 de mayo del 2015.ANEXOSFOTOGRAFAS DE MATERIALES, EQUIPOS

COMPORTAMIENTO TRMICO DE LOS POLMEROS

El comportamiento trmico de los polmeros con estructuras cristalinas es diferente al de los polmeros amorfos. El efecto de la estructura puede observarse en una grfica de volumen especfico (densidad recproca) como una funcin de la temperatura, vase en la figura 10. Un polmero altamente cristalino tiene un punto de fusin Tm donde su volumen sufre un cambio abrupto. Tambin, a temperaturas arriba de Tm, la expansin trmica del material fundido es ms grande que para el material slido por debajo de Tm. Un polmero amorfo no sufre el mismo cambio abrupto a la Tm. A medida que se enfra a partir del estado lquido, su coeficiente de expansin trmica disminuye y sigue la misma trayectoria que cuando estaba fundido, la viscosidad disminuye conforme desciende la temperatura. Durante el enfriamiento por debajo de Tm. la consistencia del polmero cambia de lquida a ahulada. Conforme desciende la temperatura se alcanza un punto final donde la expansin trmica del polmero amorfo se vuelve repentinamente menor. Tabla 3. Pesos Obtenidos en el laboratorio a distinto tiempo con la temperatura de 205 C.

30 min.

20 min.

10 min.

Envejecimiento o degradacin del polipropileno a diferentes tiempos de 10, 20, 30 minutos, cambio de aspecto fsico, pierde su brillantes, se forman rugosidades en la superficie, esto es debido a la degradacin artificial que est sometido (Termo- oxidacin).

Material pilmerico de polipropileno que reacciona con una temperatura de 205 C y el oxigeno que se encuentra en la campana extractiva.

Grafica 1. En esta grafica de barras se observa la degradacin o prdida de masa del polipropileno al estar sometido en diferentes tiempos de 10, 20, 30 min. A una temperatura constante de 205 C

Figura 1: Materiales utilizados para la limpieza de las probetas (detergente, cepillos y pinzas respectivamente)

Figura 4: Calentamiento de Probetas a distintos tiempos 10, 20, 30 minutos.

Figura 3: limpieza de las probetas de polipropileno (detergente, cepillos y pinzas respectivamente)

Figura 2: balanza analtica marca H.W. Kessel

Figura 5: Resultado final de las probetas de polipropileno al ser calentadas perdiendo su aspecto fsico debido a una temperatura de 205 C y el oxigeno.

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