Tema: Polmeros de cristal lquido

Profesor: Ing. Rafael Espinoza.

NRC 1919

Integrantes: BUENAVENTURA M, Jaime M. DIAZ R, David A. FIGUEROA C, Jean A.

Sangolqu, 11 de Noviembre del 2014

ContenidoPOLIMEROS2COMPORTAMIENTO TRMICO DE LOS POLMEROS2Polmeros de cristal lquido (LCP)4Historia (cronologa de los LCP)4Estructura qumica y sntesis5Propiedades y caractersticas6Tipos de polmeros de cristal lquido9Aplicaciones10BIBLIOGRAFIA16

POLIMEROS

La materia est formada por molculas que pueden ser de tamao normal o molculas gigantes llamadas polmeros.Los polmeros se producen por la unin de cientos de miles de molculas pequeas denominadas monmeros que forman enormes cadenas de las formas ms diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas ms se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales Ilustracin 1. (Cientficos.com, 2010)

Ilustracin 1 Estructura Quimica del Polmero

COMPORTAMIENTO TRMICO DE LOS POLMEROSEl 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 fusinTmdonde su volumen sufre un cambio abrupto. Tambin, a temperaturas arriba deTm, la expansin trmica del material fundido es ms grande que para el material slido por debajo deTm.Un polmero amorfo no sufre el mismo cambio abrupto a laTm.A medida que se enfra a partir del estado lquido, su coeficiente deexpansin 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 impermiable. Conforme desciende la temperatura se alcanza un punto final donde la expansin trmica del polmero amorfo se vuelve repentinamente menor. sta es latemperatura de transicin vtrea Tg.que se puede apreciar como un cambio en la pendiente. Abajo deTg,el material es duro y frgil Ilustracin 2. (Mederos, 2011)

Ilustracin 2 Comportamiento de los polimeros en funcion de la temperaturaUn polmero parcialmente cristalizado se ubica entre estos dos extremos, como se indica en la figura Esun promedio de los estados amorfo y cristalino que depende del grado de cristalinidad. Arriba deTmexhibe las caractersticas viscosas de un lquido; entreTmyTg posee propiedades viscoelsticas; y por debajo deTgtiene las propiedades elsticas convencionales de un slido. (Mederos, 2011)Lo que hemos descrito en esta seccin se aplica a los materiales termoplsticos, los cuales pueden moverse hacia arriba y hacia abajo en la curva de la Ilustracin 2. En mltiples ocasiones, la manera en que se llevan a cabo los procesos de calentamiento y enfriamiento pueden cambiar la ruta que siguen. Por ejemplo, un enfriamiento rpido puede inhibir la formacin de cristales e incrementar la temperatura de transicin vtrea. Los termoestables y los elastmeros enfriados desde el estado lquido se comportan como polmeros amorfos hasta que ocurre un encadenamiento transversal. Sus estructuras moleculares restringen la formacin de cristales. Y una vez que sus molculas se han encadenado transversalmente, no pueden ser recalentados para fundirse. (Mederos, 2011)

Polmeros de cristal lquido (LCP)Los polmeros de cristal lquido (LCP) son una clase de compuestos de polister aromtico. Son extremadamente inertes y altamente resistentes al fuego. Los LCP resultan tiles para piezas elctricas y mecnicas, envases de alimentos y aplicaciones que requieran inercia qumica y alta resistencia. Son una clase de materiales que combinan las propiedades de los polmeros con las de los cristales lquidos. Estos "hbridos" muestran las mismas caractersticas de mesofases de los cristales lquidos ordinarios, pero conservando muchas de las propiedades tiles y verstiles de los polmeros. Los LCP son vendidos por fabricantes bajo una variedad de nombres comerciales. Estos incluyen el Zenite desarrollado por DuPont y el Vectran de Ticona. (Gutierrez, 2013)Los polmeros cristal lquido son materiales que incorporan grupos mesgenos en las cadenas polimricas. Estos polmeros combinan las propiedades de los cristales lquidos con las inherentes a los polmeros. La cristalinidad liquida en polmeros puede ocurrir ya sea por disolucin de un polmero en un disolvente (polmeros de cristal lquido liotrpicos) o por calentamiento de un polmero por encima de su punto de fusin o temperatura de transicin vtrea (polmeros de cristal lquido termotrpicos). Los polmeros de cristal lquido estn presentes en forma fundida o slida. (Gutierrez, 2013)

Historia (cronologa de los LCP)

1972 - Carborundum (CBO) comercializa EKKCEL 1-2000 (copolmero de cido p-hidroxibenzoico, cido tereftlico y 4,4-dihidroxi difenil). 1976 - Eastman Kodak anuncia X-7G, un tipo de polister de cristal lquido modificado con cido p-hidroxibenzoico (p-HBA) 1979 - Sumitomo Chemical desarrolla la serie de LCP Ekonol E2000 con tecnologa propia. 1984 - CBO Tecnology se vende a Dart, y su subsidiaria Dartco (ahora Amoco) comercializa un tipo de LCP resistente al calor (Xydar). 1985 - Celanese (ahora Ticona) estrena un LCP Tipo II (VECTRA LCP) con un buen equilibrio entre la resistencia al calor y capacidad de procesamiento. (Gutierrez, 2013)

Estructura qumica y sntesis

La cristalinidad liquida en polmeros puede ocurrir ya sea por disolucin de un polmero en un disolvente (polmeros de cristal lquido liotrpicos) o por calentamiento de un polmero por encima de supunto de fusinotemperatura de transicin vtrea(polmeros de cristal lquido termotrpicos). Los polmeros de cristal lquido estn presentes en forma fundida/lquida o slida. En forma slida el principal ejemplo de LCP liotrpico es la aramida comercial conocida comoKevlar. La Estructura qumica de este aramida consiste en anillos aromticos linealmente sustituidos unidos por grupos amida Ilustracin 3. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 3 Estructura molecular de kevlarDe forma similar, varias series de LCP termotrpicos se han producido comercialmente por varias compaas como, por ejemplo, el Vectran. El monmero utilizado para estos ltimos puede ser el p-HBA (cido para-hidroxibenzoico o cido 4-hidroxibenzoico).Los polmeros polimerizados nicamente a partir de p-HBA no se funden y, como tal, no se pueden procesar. Por lo tanto, la copolimerizacin conmonmerosdiferentes se lleva a cabo y se adopta un equilibrio entre el punto de fusin y las propiedades de cristal lquido cuando se fabrica el LCP Ilustracin 4. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 4 Estructura molecular del LCP VectranQumicamente, el Vectran es un copolister aromtico producido por la policondensacin de cido 4-hidroxibenzoico y 6-hidroxinaftaleno 2-carboxlico Ilustracin 5.

Ilustracin 5 Sintesis del VectranPropiedades y caractersticasUn alto nmero de LCP, producido en la dcada de 1980, mostraba un orden en la fase de fusin anloga a la mostrada por cristales lquidos no polimricos. El procesamiento de LCP en fase de cristal lquido (o mesofase) da lugar a fibras y materiales inyectados que tienen altas propiedades mecnicas como consecuencia de las propiedades de auto-refuerzo derivados de la orientacin macromolecular en la mesofase. (Gutierrez, 2013)Hoy en da, los LCP pueden ser elaborados en estado fundido en un equipo convencional a altas velocidades con excelente replicacin de detalles delmolde. De hecho, la gran facilidad de conformacin de los LCP es una importante ventaja competitiva frente a otros plsticos compensando su alto costo.Existe poco entrelazamiento de las molculas, y la aplicacin de una fuerza de cizalladura ligera las orienta en una direccin. Una vez enfriado y solidificado, mantiene un estado estable. (Gutierrez, 2013)Cadenas moleculares se alineen una vez moldeado, y esto genera un efecto de auto-refuerzo, lo que da como resultado una extremadamente alta resistencia y mdulo elstico.A pesar de tener unmdulo elsticoaltos, exhibe caractersticas de absorcin de vibraciones.El coeficiente de dilatacin lineal en la direccin de flujo, es muy pequea, exhibe un valor menor que los plsticos convencionales, a la par con el acero.Cuanto ms delgada sea el producto, mayor es la proporcin de la capa superficial orientada, una resistencia y mdulo elstico mayores se puede lograr en el ms delgado producto.Debido a su estructura microcristalina, el LCP posee temperatura de deflexin bajo carga superiores (160-340C, segn el grado), la temperatura de uso continuo (220-240C), y resistencia al calor de soldadura (260C durante 10 s, ms de 310C durante 10 s), a pesar de su punto de fusin relativamente bajo, Ilustracin 6. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 6 Orientacin de la molculas del LCP durante la extrusin / inyeccin

Ilustracin 7 Detalle de la orientacin de las molculas del LCP

Tabla 1 Propiedades TpicasPropiedades fsicasValor - Unidad

Densidad1.38 - 1.82 g/cc

Absorcin de humedad en equilibrio0.0200 - 0.0400 %

Transmisin de vapor de agua0.00606 - 0.354 cc-mm/m-24hr-atm

Transmisin de oxigeno0.0154 - 0.0472 cc-mm/m-24hr-atm

Contraccin lineal en molde0.00100 - 0.00400 cm/cm

MFI9.00 - 18.0 g/10 min

Propiedades mecnicasValor - Unidad

Resistencia a la traccin128 - 182 MPa

Elongacin a la rotura0.500 - 3.40 %

Mdulo de elasticidad10.6 - 20.7 GPa

Lmite elstico a la flexin75.8 - 178 MPa

Mdulo de flexin9.10 - 16.5 GPa

Impacto Izodcon muesca0.267 - 4.00 J/cm

Impacto Izodcon muesca (ISO)14.0 - 95.0 kJ/m

Propiedades trmicasValor - Unidad

Punto de fusin212 - 280 C

Temperatura de deflexin a 1.8 MPa (264 psi)105 - 277 C

ProcesamientoValor - Unidad

Temperatura de proceso225 - 366 C

Temperaturazona posterior185 - 280 C

Temperaturazona media205 - 290 C

Temperaturazona delantera225 - 295 C

Temperatura dado225 - 295 C

Temperatura molde65.6 - 121 C

Tipos de polmeros de cristal lquidoLos LCP se pueden dividir en tres categoras de acuerdo a la temperatura de deformacin por calor:1.- Tipo I LCP: HDT superior a 300C.2.- Tipo II LCP (A): HDT entre 240C y 300C. Tipo II LCP (B): HDT entre 200C y 240C.3.- Tipo III LCP: HDT por debajo de 200C.Estas variaciones en el comportamiento de los LCP estn ntimamente relacionadas con los comonmeros utilizados en su formulacin (Gutierrez, 2013)Tabla 2 Estructura molecular de los distintos tipos de LCP

ViscosidadLa viscosidad es la resistencia de un lquido a fluir. Entre ms resistencia crea el lquido, ms alta la viscosidad. Entre ms viscoso el aceite, ms consumo de combustible, ms temperatura y ms esfuerzo har el motor. (Cientficos.com, 2010)

Viscosidad de Polmeros LquidosLos polmeros lquidos son objeto de muchos estudios industriales, debido a su importancia en el diseo de productos, manufactura, lubricacin y cuidado de salud. En definitiva, no son fluidos newtonianos, y para describir su comportamiento se necesita cierta terminologa adicional de viscosidad. (Mott, 2006)Es normal que se mida o calcule cada uno de los cinco factores adicionales de la viscosidad de los polmeros que a continuacin presentamos:1. Viscosidad Relativa.- Relacin de las viscosidades de la solucin del polmero y el solvente puro a la misma temperatura.

Dnde: es la viscosidad de la solucin de polmero. es la viscosidad del disolvente puro.

2. Viscosidad Especfica.- Viscosidad Relativa de la solucin del polmero menos 1.

3. Viscosidad Reducida.- Viscosidad especifica dividida entre la concentracin.

4. Viscosidad inherente.- Relacin del logaritmo natural de la viscosidad relativa y la concentracin C.

Viscosidad intrnseca (tambin se le llama nmero limitante de viscosidad).-Relacin de la viscosidad especfica a la concentracin, extrapolada a la concentracin cero. La viscosidad intrnseca es una medida del peso molecular del polmero o el grado de polimerizacin. (Mott, 2006)

Aplicaciones

Una aplicacin de cristales lquidos polimricos que se ha desarrollado con xito para la industria es el rea de fibras de alta resistencia como ser:

Cuerdas y CablesLas fibras de LCP son utilizadas en cuerdas de paracadas o de rescate, eslingas capaces de soportar grandes pesos o remolque, sistemas de amarre de buques y puentes capaces de reemplazar los cables de acero, Ilustracin 8, Ilustracin 9.

Ilustracin 8 Eslingas con ncleo de fibra Vectran levantando turbina de energa nuclear

Ilustracin 9 Cables de puente colgante peatonal autopista interestatal 610 (Texas, EE.UU.)

Industria militar / aeroespacialEl primer uso de fibra de LCP era para aplicaciones militares exigentes y especializadas. La propiedad nica de esta fibra de alto rendimiento satisface muchas de las necesidades militares y aeroespaciales de hoy. De hecho, airbags hechos con fibra de Vectran amortiguaron con xito los aterrizajes de las sondas Pathfinder, Spirit y Opportunity en la superficie de Marte. El Vectran ofrece una excepcional resistencia a la fatiga por flexin, proporcionando las caractersticas de manejo de carga superior para cuerdas de remolque, carga amarres e hinchables, Ilustracin 10. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 10 Airbags del Pathfinder (vehculo no tripulado a Marte)

Artculos deportivosCada vez ms se utiliza el Vectran en aplicaciones civiles como el caso de los artculos deportivos como cuerdas de alpinismo, raquetas, sedales, etc, Ilustracin 11.

Ilustracin 11 Hilos tensores de raquetas

Aplicaciones industriales de fibra de LCPAdems de su utilizacin en cuerdas y eslingas en la industria, la fibra de LCP, debido a su resistencia, puede ser utilizada para indumentaria de proteccin personal como ser guantes anti-corte y ropa de trabajo resistente al corte.Las fibras de Vectran tambin pueden ser utilizadas para refuerzos de neumticos para evitar pinchaduras, Ilustracin 12 e Ilustracin 13. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 12 Guantes anti-corte

Ilustracin 13 Vectran Breaker - Proteccin contra los pinchazos en ruedas de bicicletas

ComponentesDada su resistencia puede ser utilizada como material de refuerzo en materiales compuestos de matriz polimrica e incluso como refuerzo del concreto.

Componentes electrnicos y otros productos inyectados. Otro uso importante de los polmeros de cristal lquido se encuentra en la fabricacin de micro-piezas mediante procesos de micro-inyeccin como por ejemplo conectores, partes de auriculares, lectores pticos, sensores, zcalos y otros componentes electrnicos. Pero tambin es utilizado para piezas de mayor tamao como bandejas para instrumental quirrgico o dental, componentes para el sistema de combustin de automviles, relleno de columnas de destilacin, sellos, etc, Ilustracin 14, 15, 16, 17. (Gutierrez, 2013)Ilustracin 14 Conectores

Ilustracin 15 Acople de fibra ptica

Ilustracin 16 Piezas de lector ptico de CD

Ilustracin 17 Zcalo SIMM

Ilustracin 18 Bandeja para instrumentos dentalesFilm y lminaLos polmeros de cristal lquido pueden ser extruidos en pelcula tubular o lminas. Estos film pueden ser utilizados para aplicaciones que van desde el envasado de alimentos hasta pelculas aislantes en placas circuitos elctricos flexibles. Las lminas de LCP tambin pueden ser termoformadas, Ilustracin 19 y 20. (Gutierrez, 2013)

Ilustracin 19 Aislantes (CT-Z film) de PCB flexible

Ilustracin 20 Diafragma de auricular obtenido por termoformado de lmina de LCP

BIBLIOGRAFIACientficos.com, T. (5 de Junio de 2010). Textos Cientficos.com. Recuperado el 8 de Noviembre de 2014, de http://www.textoscientificos.com/polimeros/introduccionGutierrez, M. (26 de Abril de 2013). Tecnologia de los plasticos. Recuperado el 8 de Noviembre de 2014, de http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2013/04/lcp.htmlMederos, L. A. (2011). Paginas Prodigy. Recuperado el 8 de Noviembre de 2014, de http://www.paginasprodigy.com.mx/fortino.s/descargas/polimeros.pdfMott, R. L. (2006). Mecnica de Fluidos. Mexico: PEARSON EDUCACION.

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