PLÁSTICOS Y COMPOSITES
© Kepa Castro
POLÍMEROS
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NATURALES
SINTÉTICOS
LátexCaucho
Celulosa
Almidón
Aceite secativo:linaza
Caucho sintético
Poliester
Poliamidas
Teflón
BaquelitaPolietileno
Poliestireno
PolipropilenoPVC
SiliconaMetacrilato
caseína
Los polímeros naturales se pueden modificar (nace la ciencia de los polímeros)
Se puede sintetizar un polímero partiendo de cero
Celulosa
Acetato de celulosa
Celulosa
Metil celulosa
Celulosa
Hidroxi etil celulosa
Celulosa
Hidroxi propil celulosa
Película Pegamento Pegamento en cementoy cal hidráulica
Plástico = Polímero
Paraloid B72
Orgánicos (esqueleto de átomos de carbono + otros elementos: N, Cl, O, etc)
Son grandes moléculas formadas por monómeros que se repiten (“poli”)
Se forman tras una reacción de polimerización (distintos tipos)
Pueden ser amorfos o cristalinos
Las características de los polímeros difieren mucho de las de los monómeros
Dos polímeros de igual composición química pueden tener propiedades muy diferentes (celulosa vs almidón)
Muchos plásticos con características muy diferentes
Plástico = Polímero
Historia del plástico
Vulcanizado: caucho + azufre data de 1839 (Charles Goodyear)
La cultura Olmeca hacía algo similar con savias y otros extractos de plantas (hace 3.500 años) para hacer pelotas de hule destinadas a un juego ritual
Historia del plástico
Primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collarder ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quien consiguiera un sustituto del marfil natural. Una de las personas que compitieron, John Wesley Hyatt, desarrolló el celuloide disolviendo celulosa en alcanfor y etanol. No ganó el premio pero consiguió un producto muy comercial.
En 1909 el químico Leo Hendrik Baekeland sintetizó la baquelita a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Fue el primer plástico totalmente sintético de la historia, iniciando la «era del plástico».
Propiedades
Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:
fáciles de trabajar y moldear
bajo costo de producción
baja densidad
suelen ser impermeables
aislantes eléctricos
aislantes acústicos
aislantes térmicos a bajas temperaturas
resistentes a la corrosión y a muchos productos químicos
Propiedades
Clasificación
Termoplásticos (se funden con el calor y pueden ser moldeados)
Resinas celulósicas, como el rayón o viscosa (seda artificial)
Polietilenos y derivados, como el acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, Maylar, Dracon, Terylene, Teflón, etc.
Derivados de las proteínas, como el nailon y el perlón o el kevlar
Derivados del caucho, como el neopreno y el polibutadieno
Clasificación
Termoestables (no se funden con el calor, se incendian)
Polímeros del fenol, son plásticos duros
Resinas epoxi
Resinas melamínicas
Baquelita
Aminoplásticos: Polímeros de urea y derivados
Poliésteres, que suelen emplearse en barnices
Las más usadas en arquitectura
¿Cómo se nombran?
¿Cómo se nombran?
Envejecimiento
Todo material orgánico envejece
Pierde propiedades:
Pierde flexibilidad Cambio de color Pierde capacidad hidrofóbica Aumenta la fragilidad
Luz (UV) Aire (oxígeno)
Envejecimiento
Envejecimiento
Está demostrado que las resinas acrílicas muy usadas en consolidación de piedras son alimento para hongos y bacterias
Limpieza y tratamientos
Se recomienda el uso de disolventes orgánicos y agua
Los más usados son:
Acetone Metil etil cetone Alcohol isopropílico Alcohol metílico Tolueno (toluol) 1,1,1-tricloroetano Nafta Agua destilada o desionizada (a veces con detergentes)
Algunos disolventes pueden dañar los plásticos
COMPOSITES
Es una mezcla de una polímero embebido en fibras resistentes
Las propiedades mecánicas de un composite son asimilables a las de la madera
Algunas se pueden comparar a las de los metales
Como polímero:
Como fibras:
Definición
Resina epoxy Poliester
Fibra de vidrio Fibra de carbón Aramida
Se han usado para soportar fragmentos pesados de piedra, sustituyendo a los pernos. No sufren corrosión.
También se puede usar fibras de carbón, que tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansión
También las fibras de aramida (Kevlar) tienen un bajo o incluso negativo coeficiente de expansión
Se está usando para reforzar estructuras de hormigón dañadas por la corrosión
Definición
¿Alguien sabe cuál fue el primer composite de la historia de la humanidad?
El adobe es uno de los primeros composites que la humanidad utilizó
El adobe es uno de los primeros composites que la humanidad utilizó
¿Qué resistencia tiene?
¿Qué tamaño de edificio se puede construir con él?
Shibam (Yemen)
Shibam (Yemen)
Shibam (Yemen)
Shibam (Yemen)
Shibam (Yemen)
Durisol
Mezcla de virutas y desechos de madera con cemento portland
Usado en lo que se conoce como Green Building
Se fabrica en bloques para aislantes sonoros
100% reciclable
Durisol
Pykrete
Es un composite con un 14% de serrín y un 86% de hielo (Geoffrey Pyke)
Durante la segunda guerra mundial
Louis Francis Albert Victor Nicholas George Mountbatten (Almirante de la flota inglesa)
Projecto Habbakuk
Tan resistente como el hormigón
No se le ha encontrado ningún uso
SILICATOS, SILANOSY SILICONAS
Sales y ésteres del ácido silícico (H4SiO4) se han usado como consolidantes de piedra hidrofílicas
Se forma un polímero inorgánico
El H4SiO4 se forma dentro de las fisuras tras la hidrólisis de una sal o un ester
Puede consolidar fisuras de hasta 0.1 mm
Silicatos
Silicatos de sodio y potasio
Na2SiO3 + 3H2O Si(OH)4 + 2NaOH
Muy usados durante el siglo XIX Dan muchos problemas y el riesgo de fallo es alto El NaOH puede formar carbonatos solubles
Fluorosilicatos
MgSiF6 + 4H2O Si(OH)4 + MgF2 + 4HF
El MgF2 es poco soluble en agua El HF elimina algas y otros organismos La hidrólisis es muy rápida y puede quedar en superficie sin penetrar y sin consolidar Se ha usado para consolidar arenisca, siendo menos efectiva en roca calcárea
Completamente en desuso
Prohibido en muchos paises
Silicatos
Etil silicato
Si(OC2H5)4 + 4H2O Si(OH)4 + 4C2H5OH
Muy adecuado por su baja viscosidad (fácil penetración) Hidrólisis lenta El etanol de evapora sin causar problemas El etil silicato es muy volatil y se puede evaporar sin consolidar (se puede evitar)
Silicatos
Silanos
Silanos
Al igual que los silicatos, los silanos consolidan materiales hidrofílicos
Además, introducen radicales que son hidrófobos
Al igual que los silicatos, no consolidan fisuras de más de 0.1 mm
Silanos
Siliconas
Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-
Resistentes al calor (hasta 200 ºC)
Gran adherencia en materiales hidrofílicos
Repele el agua líquida
Siliconas
Son polisiloxanos, largas cadenas de -Si-O-Si-O-Si-O-Si-
Resistentes al calor (hasta 200 ºC)
Gran adherencia en materiales hidrofílicosLos radicales determinan las
propiedades
Siliconas
Forma films semipermeables:
Impermeables al agua líquida Permeable al vapor de agua
No produce efectos visuales sobre las fachadas
Funciona mejor sobre piedra silícea que sobre carbonatada
Amarillea y decolora muy ligeramente
El edificio respira
Poco resistente al paso de los gases ácidos
Siliconas
La luz y el oxígeno oxidan las siliconas
Pierden poder hidrofóbico
Vida útil: 5-10 años
Las impurezas en la silicona o los disolventes aceleran el envejecimiento
APLICACIONES
Plexiglas o Perspex
Polimetil-metacrilato
Transparente
Baja resistencia al arañado
Muy resistente al impacto
Si se rompe, sus fragmentos son menos peligrosos que el vidrio
Con la luz UV se decolora
Sustitutos del cristal
Introducción de un filtro UV
Altísimo coeficiente de expansión, 10 veces mayor que el vidrio
Creación de efecto invernadero
Plexiglas o Perspex
Lexan
Policarbonato
Transparente
Muy resistente al impacto
Permite ser doblado y formar esquinas muy marcadas
Con la luz UV de decolora
Sustitutos del cristal
Introducción de un filtro UV
Altísimo coeficiente de expansión, 10 veces mayor que el vidrio
Creación de efecto invernadero
Lexan
Teflón
Poli-tetrafluoro-etileno
Gran resistencia el calor (se funde a 327 ºC)
Es hidrófobo, repele el agua. Insoluble en casi ningún disolvente
No se oxida con el oxígeno
Ideal para Recubrimientos de larga duración
Muy caro
No es transparente
Teflón
Teflón
Teflón
Acetatos de vinilo y ésteres acrílicos
Buenos adhesivos
Forman films
Coatings en
Metales (evita la corrosión, protección química) Madera (evita el ataque de los microorganismos, antihumedad)
Aunque se aplican disueltas en agua (emulsión), cuando se secan, son insolubles en ella
A altas temperaturas chorrean
Vehículo para pinturas
Resinas epoxi
Se conocen desde 1950
Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)
Se han de mezclar en la proporción adecuada y dejar endurecer a T ambiente
Cuidado con la viscosidad vs penetración en la piedra
Problemas de consolidación
Resinas epoxi
Se conocen desde 1950
Constan de dos componentes: resina y un endurecedor (aminas)
Se han de mezclar en la proporción adecuada y dejar endurecer a T ambiente
Las características de la piedra es muy importante
Porosidad muy influyente
Resinas epoxi
El polímero se forma mediante una reacción de cross-linking
Estructura 3D muy sólida y compacta
Resinas epoxi
Muy usado como adhesivo y como consolidante sobre superficies hidrofílicas
La humedad y el agua dificultan el endurecimiento de la resina
Resinas epoxi
Muchas veces se usa mezclado con una carga de relleno
Abarata el producto Favorece la adhesión y la cohesión Reduce el coeficiente de expansión
Otras veces se añade sobre un tejido, aumentando las prestaciones del tejido
Se oxida bajo la acción de la luz y el aire
Apenas envejece si se le preserva del aire y la luz
Decoloración Pérdida de propiedades hidrofóbicas
Resinas epoxi
Usarlas requiere cuidado y experiencia
Buen uso de las proporciones Cuidado con la humedad Una vez endurecido, el adhesivo es insoluble
Poliuretano
Como aislante se utiliza normalmente en:
Aislamiento de fachadas (interior, exterior y cámaras de aire) Aislamiento de cubiertas (planas e inclinadas) Aislamiento de techos Aislamiento de suelos Recubrimiento de tuberías Recubrimiento de calderas
Aplicaciones en forma de:
Poliuretano Proyectado Planchas de Poliuretano Conformado Paneles Sándwich de Poliuretano.
Poliuretano
Poliuretano
Características:
Gran durabilidad (reducción su mantenimiento)
Ligeros y resistentes tanto a los esfuerzos mecánicos como a la humedad
Gran impermeabilidad
Conserva sus propiedades de eficiencia energética durante toda la vida
Aprovecha mejor el espacio que otros aislantes
Versátil y eficiente en la rehabilitación de edificios
Amarillea con la luz solar y es muy sensible al biodeterioro
Las poliureas se están poniendo de moda
Poliuretano
Poliuretano
Poliuretano
Resinas de poliester
Usadas en pinturas y recubrimientos
Buena estabilidad frente a la luz, oxígeno, agua y muchos productos químicos
Sensible a la hidrólisis (incompatible con ambientes ácidos o básicos)
Las capas de pintura son flexibles y elásticas (bien para metales)
Resistentes al impacto, el rascado y al manchado
Hay muchas variedades
Resinas de poliester
Pinturas retardantes del fuego
Pinturas basadas en mezclas de compuestos clorurados con óxido de
antimonio
Morteros y cementos modificados
Desde 1960, cuando se añadió metil celulosa al cemento. También hidroximetil celulosa o alcohol polivinílico
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Se obtienen cementos más resistente y con menos microfisuras
Mayor impermeabilidad
Al paso de humedad Al paso de iones cloruro (menor corrosión del acero) Al paso de CO2 (menor carbonatación)
Menor porosidad y tamaño de poro
Aumenta la durabilidad del material
Mayor resistencia a la crioclasticidad (al haber menos humedad)
Morteros y cementos modificados
El tiempo de trabajo con el cemento depende de cada tipo de mezcla
Suele ser inferior a 1 hora
Se pega a todo, gran poder de adherencia, incluso el metal
Hay que limpiar bien todas las herramientas
Morteros y cementos modificados
Antes de secar
Tiene un alto índice de retención de humedad
La humedad inhibe el dry-out (falta de hidratación del cemento)
El dry-out debilita las estructuras
Este hecho aumenta al aumentar la cantidad de polímero
Se hace constante a partir del 5-10% de polímero
Morteros y cementos modificados
Después de secar
Aumenta la resistencia y la dureza Aumenta la resistencia al impacto y la abrasión Presenta una mayor elasticidad Durante el secado se contrae Se reduce la permeabilidad, la absorción de agua y la transmisión de vapor
Tienen poca resistencia al agua La resistencia química depende del agresor y del tipo de polímero
No resisten a los ácidos No resiste a los sulfatos Resistente a las bases y a algunas sales Resistente a algunos disolventes orgánicos Similar resistencia térmica con respecto a los morteros normales
Morteros y cementos modificados
Aditivos expansivos
Malos resultados en ambientes muy húmedos
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Morteros y cementos modificados
Los morteros se usan más que los cementos modificados
La razón es meramente económica
Los cementos modificados son muy caros
Morteros y cementos modificados
Para mejorar las propiedades anticorrosión se añade
El modificador PVDC ya no se usa por que genera cloruros
Ca(NO2)2 LiNO2
PELIGROSO
Se generan nitratos
Sales solubles
Morteros y cementos modificados
Muy criticados en la actualidad
Su uso se ha puesto en tela de juicio
Alquitrán
Es el material más impermeable y resistente al agua de la historia
Resistente a ácidos, bases y sales
Sensible a detergentes, grasas, aceites y disolventes orgánicos
Se usa como vehículo de pinturas
Buen resultado sobre cemento pero malo sobre metales
Se usa en forma de tela asfáltica en tejados o en pinturas
Alquitrán
Alquitrán
Nitrato de celulosa
Es el material explosivo
En aplicaciones para restauración es estable incluso a la llama
Se usa como pegamento y consolidante en cerámicas
Muy usado para recubrir metales (Plata, hierro, cobre, bronce, latón)
Se degrada con cierta facilidad:
Temperatura (Calor) Ácidos inorgánicos fuertes Luz ultravioleta
Se está sustituyendo por el Paraloid B72
Nitrato de celulosa
Barnices de nitrocelulosa
LO QUE ESTÁ POR VENIR
“Yo he visto cosas que vosotros no creeríais”(Blade Runner)
Materiales activos
Que cambian de color cuando hay humedades
Que cambian de color cuando aumenta o disminuye la temperatura
Sirven de indicadores
Materiales inteligentes
Que cambian sus propiedades en función del entorno
Ventanas que regulan el paso de luz o de calor
Pinturas que cambian de color
Materiales que son capaces de analizar las vibraciones y absorberlas (antiterremoto)
Materiales capaces de absorber CO, CO2
Se fabrica a partir de residuos industriales generados en la fabricación del acetileno, optimizados y purificados, cuyo coste energético y medioambiental ha sido prácticamente amortizado en la fase productiva del residuo por el producto principal (acetileno).
Tiene una elevada capacidad de captación del CO2 ambiental al estar compuesto básicamente por hidróxido de calcio inestable optimizado en condiciones de captar el CO2 necesario para su transformación en carbonato de calcio según la siguiente reacción:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
Cien veces más fuertes que el acero pesando seis veces menos
Nanotubos de carbono
Ignífugos
Hidrófobos
Duros, tenaces, gran resistencia mecánica (módulo de Young del orden de 1 TPa, una resitencia a la tracción en torno a los 50 GPa y una elongación del 10%)
Flexibles y elásticos
Conducen la electricidad (Creación de sensores en estructuras)
Alta conductividad térmica en un sentido pero aislante en otro (Disipadores de calor)
Aislantes acústicos
Nanocomposite
Adición de nanopartículas a los materiales de construcción
La gran superficie de las nanopartículas hace que una pequeña cantidad de este material pueda variar mucho las propiedades del composite sin apenas cambios en la densidad ni el peso
Ventanas electrocrómicas, termocrómicas, fotocrómicas, de cristal líquido
Nanocomposites derivados de polímeros estructurales de la familia del naylon, poliésteres, polipropileno, poliestireno, fluoropolímeros, etc, tienen propiedades retardantes de llama y producen menos CO y hollín
Pinturas con nanopartículas de TiO2 o de otro tipo mejoran sus propiedades antioxidantes y protectoras frente a la corrosión
Algunos composites son más duros y resistentes que el hormigón armado, pero no se han testado en objetos de gran tamaño o que soporten grandes pesos
Hormigones reforzados con nanotubos de carbono (gran resistencia)
Materiales siempre limpios, añadiendo nanopartículas de TiO2 que absorbe el UV y puede oxidar materia orgánica y matar microorganismos
En la ciudad de Kobe, en Japón, tras el terremoto sufrido en 1995, se reforzaron las columnas y soportes de hormigón de las autopistas rodeándolas con varias capas de fibra de carbono y polímeros, por lo que no hubo que rehacerlas
Los materiales inteligentes podrán replicarse y repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia.
Estudiando las características de la hoja de loto a escala nanométrica, se está aprendiendo a diseñar superficies autolimpiables. La superficie de la hoja de loto repele al agua de forma extrema; se dice que es superhidrofóbica. Las gotas de agua que se depositan sobre la hoja de loto adoptan la forma esférica y deslizan ante una pequeña inclinación, arrastrando las partículas de suciedad. Se ha podido asociar esta propiedad a la geometría nanoestructurada de la superficie. Reproduciendo esta geometría en otras superficies se pueden conseguir propiedades de "autolimpieza" similares.
Nanorobots inteligentes capaces de arreglarlo y limpiarlo todo
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