Materials Ceràmics, Elastòmers i Espumes: Propietats i Aplicacions

Ceràmiques Tradicionals i de Enginyeria

Enllaços iònics (generalment) o també covalent, Formats metall + no metall.

Avantatges:

• Resistència mecànica elevada
• Reactivitat química baixa
• Punt fusió alt
• Aïllants, durs, resistents corrosió (son inerts, ja estan oxidats)
• Mòdul de Young ↑ (rígid)
• Conductivitat elèctrica i tèrmica baixa

Desavantatges:

• Preu ↑
• Conformitat ↓
• Fragilitat

Tipus:

• Ceràmiques Tradicionals: matèria prima és argila (porcellana, rajoles, vidres)
• Enginyeria: compostos purs o quasi purs, bàsicament són carburs, nitrurs, borurs, òxids purs

Classificació

Poroses: argila, pisa (loza), refractores

Impermeables: gres, porcellana, ceràmica de enginyeria

Vidres: sódic-càlcic, plom, borosilicat, sílice

Ceràmiques Tradicionals

Poroses: no fondre quarts i sorra, permeables a gasos i líquids. T. cocció: Argiles 700-100ºC i pisa 1050-1700ºC. Aplicacions: rajoles, maons, gerros.

No Poroses (Refractàries): Cocció 1300-1600ºC. Resisteixen fins 3000ºC. Argiles, Sílices i feldspat amb gran contingut d’òxid d’alumini, beril·li, tori i zirconi. Aplicacions: maons refractaris i electrodomèstics.

Compacta (Impermeables/Semipermeables): Es vitrifica completament el quarts i la sorra, impermeables i més durs. T. Cocció: gres ceràmic tradicional 1300ºC. Aplicacions: rajoles, cuina, vaixella.

Vidres: SiO₂ + additius per baixes Tf. Propietats destacables: transparència òptica, índex de refracció, fragilitat. Aplicacions: recipients, lents, finestres, fibra de vidre.

Ceràmiques de Enginyeria

Alumina (Al₂O₃): ↑ Tf 1900ºC. Fins els 1100ºC no perd resistència mecànica. Resistència al desgast, + dur que WC, circona i 2 vegades més aïllant tèrmic. Aplicacions: búgies, tubs refractors, gresols (crisoles).

Circona (ZrO₃): ↓ toxicitat (biocompatibles), ↑ tenacitat, la + dura de les ceràmiques. Tendeix a tancar esquerdes sota tensió.

Nitrurs de Silici (Si₃N₄): ↓ densitat, ↑ resistència a la compressió i al desgast. Rodills.

Carbur de Silici (SiC): Dur, bona resistència al desgast, alta conductivitat tèrmica (dissipa calor). Bona resistència al xoc tèrmic.

Vitroceràmiques: Combinen naturalesa ceràmica cristal·lina i vidres amorfes. Obtenció: vidre comú (amorf), un cop aconseguida la forma desitjada, mitjançant tractament tèrmic controlat, cristal·litzen el 90% del material vítric. Generen gra fi – cristalls molt petits. ↑ resistència al xoc tèrmic. Aplicacions: materials espacials, cuina.

Resum: materials ceràmics molt diversos (prop, molt ≠), donen moltes possibilitats d’ús, el procés de fabricació condiciona les propietats.

Elastòmers Termoestables: classificació dures, grau de reticulació. Shore o mòdul elàstic. Dolents conductors de calor, sofreixen importants expansions tèrmiques. Les seves propietats depenen molt de la temperatura, bons aïllants tèrmics, tenen problemes de degradació per agents externs, resistència a productes químics varia segons la composició.

Polisiloxanos o Silicona: Inorgànics, resistència tèrmica ↑, aïllant elèctric. Químicament inerts, biocompatibles.

NR-Natural Rubber: resines d'arbres, resistència química als no-oxidants. Atacat per productes oxidants, oxigen, ozó, olis, derivats del petroli, UV – es torna enganxifós. Bona resiliència. Vulcanitza.

IR-Cautxú de Poliisopreno (sintètic): Cost més ↑, similar al NR.

SBR – Estireno Butadieno Rubber: Poca resistència a àcids, agents oxidants, hidrocarburs. Més econòmic que el NR, sintètic i més important.

EPDM: Resistència a UV, ozó i envelliment, mala resistència als olis. Aplicacions: pistes d'atletisme, aïllants per cables, juntes de finestres.

NBR-Nitril Rubber: excel·lent resistència química a olis, solvents, calor i abrasió. Ús en contacte amb gasolina, guants i sabates d'olis.

CR-Chloroprene Rubber: Neoprè (DuPont). Resistència a la intempèrie, oxidació, olis i flama. Molt elàstic, difícil de plegar, espumós.

Cautxú de Poliuretà (PUR): més car que els cautxús convencionals. Excel·lents característiques mecàniques, resistència a l'abrasió i al desgast, envelliment per ozó. Tenacitat i elàstic. Flexibilitat a temperatures extremes.

Cautxús Fluorats: Excepcional resistència a olis i substàncies químiques a temperatures elevades. Excepcional resistència a l'ozó, intempèrie i no inflamables. Resistència química com el PTFE (tefló) i propietats elàstiques com el cautxú. Elastòmers més cars del mercat.

Elastòmers Termoplàstics

-Cost, - Bones propietats a + cost + bones propietats:

TPS, Base estirè: SBS + cautxú (estirè, butadiè). Composició d'estirè menor al 40% per mantenir caràcter elàstic. Resistència a la tracció i major elongació. Ús en ulleres, raspalls de dents, joguines.

Tipus – Base olefines: Mescla de PE, PP i cautxú termoestable en diferents proporcions, per tant diferents dureses. Resistència a impactes a baixa temperatura (-50ºC) i a la deformació. Alt grau de compatibilitat en sobreinjeccions.

TPV-Vulcanitzats: Bona resistència ambiental, olis, àcids, bon antilliscant.

TPU –Base uratobos: Els elastòmers termoplàstics obtinguts. Excepcional resistència a l'abrasió i impactes. Altíssima resistència al desgast i baix coeficient de fricció. Excel·lent resistència al tall i desgarrament. Resistència a la intempèrie (soft-touch).

TPA- Base aramides: Flexibilitat en un ampli rang de temperatures (-40 a 80ºC). Bona resistència a impactes a baixa temperatura. Elevada resiliència. Excel·lent resistència al desgarrament i la fatiga.

COPE –Base copolièster: Alternança d'segments flexibles, amorfs, fàcilment. Excel·lent resistència a l'abrasió. Bon envelliment (oxigen, ozó, UV). Molt bona resistència a la tracció i la fatiga per flexió. Resistència a l'aigua, olis i dissolvents.

TPSiV- Silicona termoplàstica: TPE + silicona, millor combinació de dos mons: silicona i termoplàstic.

Espumes, Propietats, Classificació, Obtenció i Exemples

Líquides i sòlides. Cel·la oberta: bombolles unides amb parts trencades permeables, menor elasticitat. Cel·la tancada: cel·les no interconnectades, major elasticitat i resiliència (com càmeres d'aire). Impermeable, l'elasticitat és com l'efecte d'una molla.

Flexibles: major elasticitat (recuperació de la forma després de la deformació). Agents reticulants per assegurar l'elasticitat. Rígides: major rigidesa (requereix alts esforços per deformar), deformen plàsticament. Poden ser tenaces (absorbeixen molta energia abans de trencar-se) o fràgils (absorbeixen poca energia abans de trencar-se).

Propietats generals: densitat molt baixa (dels materials amb més baixa), ↓ aïllants tèrmics, ↓ mòdul de Young (rigidesa baixa), ↓ resistència.

Aspectes a tenir en compte: homogeneïtat de la densitat, per tant propietats homogènies, densitat (kg/m3), mida i distribució de les cel·les (mida dels porus, porositat), propietats mecàniques: compressibilitat, rigidesa, recuperació de la forma, propietats d'aïllament: tèrmic, acústic, elèctric.

Espumes Polimèriques –termoplàstiques

EPS (porexpan): Facilitat de tall, absorció 1r impacte (2n impacte ja no), alta resistència a la humitat i temperatura.

EPP – polipropilè expandit: Diferents dureses, excel·lent absorció d'energia +1 impacte sense deteriorament, elasticitat, excel·lent aïllament tèrmic.

HDPE (polietilè expandit): No és aspre, làmines de 6 a 12 mm d'espessor, pell suau, bona moldeabilitat, ↑ rigidesa, fàcil de tallar. Ús en fèrules, collarins, immobilitzadors Plastazote foam.

Almidó – Espumes d'almidó de blat de moro: Hidrosolubles, biodegradables, no tòxics.

EVA: Espumes de cèl·lula tancada, poca deformació, resistència al clima, a productes químics, baixa absorció d'aigua.

Esumas Polimèriques –termoestables

PUR - ESPUMA POLIURETÀ: – Molt versàtil en prop i procesos de fabricació.Prop: flexible, aïllament;

EPDM – Cel·la semitancada, Tou, confortable,  ↑ insonozització acústica, Baixa resistència a compressió

OBTENCIÓ ESPUMES

Agent d’espumat químic: agent espumant ( amb T) genera la fase gaseosa. Espuma + polímer – Mescla homogènia (no reacció) →  condicions adequades (↑T) → força reacció espumant → produeix fase gaseosa.

Agent espumant físic: agent espuma és el gas pròpiament dit→ es força el gas a entrar amb el material. El gas es dissol homogèniament en el polímer a augmentar pressió.

PROCESSAT

modelatje por injecció: procés discontiuo (peça, parar, peça). Polimer + agent espumat (químic o físic) → es mescla amb el tornillo de la maquina injectora. AL final es col·loca un motlle, el cual s’omple amb la mescla, es fa reacció interior motlle→ s’obre motlle i s’expulsa peça. Fins que s’omple el motlle, el material ha de mantenir-se calent.

modelatje per extrusió: procés continuo. Sense agents espumants. Espumat es produeix a la sortida extrusora. Disn el tornillo→ ↑Presions → s’introdueixe gas a pressió (agent espumant físic) que es dissolt i es mescla en el polímer. A la sortida extrusora → brutal baixa de caiguda de pressió fisn pressió atmosfèrica. La despressurització fa que el gas perd solubilitat → tendeix a desintegrarse.→ genera bombolles → al solidificar-se es converteix en cel·les.

ESPUMAS CERÀMIQUES

Prop: baixa densitat, alta resistència a compressió ( no tracció), econòmic i resistència corrosó (inerts).filtració, aïllament

CIRCONA: per fltres, Alta rigidesa, fragilitat, resistència química, foc i UV, mala residència al desgast, cel·la oberta.

GRAFOAM –CARBONO: espuma rígida de carboni destinada nucli en panels compostos, est.sandwich Resistència foc, aïllant tèrmic i acústic,químicament inert, alta corrosió.

FABRICACIÓ

Per impregmantació d’una forma: forma polimèrica – impregnada de ceràmica – forn polímer s’evapora i queda l’espuma ceràmica.

Per complexos procesos d’espumat: similar sinteritzat. Materials ceràmics ( es fa una pasta) + afegir aditius i aigua→ agents espumats → es crea espuma

ESPUMAS METÀL·LIQUES

 AL, acer, plom, tántalo ( implants mèdics). Alta rigidesa, Alta resistència a la compressió, densitat molt menor al metall sense espumant. aïllament, sistema absorció energia, relleno estructura metal·licas o panels tipo Sandwich – lleuger

ESPUMA DE TÁNTALO:  biomèdiques,

AFS ALULIGHT – ALUMINI: panell tipu Sandwich—sola peça: interior espuma i exterior làmina alumini. lta rigidesa, pes baix, no inflamable, reciclable, gran absorbent energia,

MÈTODE OBTENCIÓ:

Agent espumant: metall fos – agent espumant → es refreda → espuma

Font de gas extern: Alumini fos, es força l’entrada del gas, es crean es crean bombolles.

FIBRAS NATURALS (animals, vegetals)

SEDA: – + resist acer i Molt més elàstic, + fi  pel humà. cuques.

SEDA ARAÑA: fabricat per 2 fils: 1r estructura principal—resistent i 2a part—elasticitat. Excel·lent prop. Mecàniques i elàstiques, gran tenacitat. (BIOSTEEL).

LLANA: resident estructura jeràrquica que li dóna  propietats. Aïllament tèrmic, resistent foc, protecció davant UV, transpirabilitat, capacitat absorció tòxics químics, control humitat.

FIBRAS SINTÈTICAS

ARAMIDA: Dupont(empresa). General: resistent  ↑T(no cremen, són autoextingibles) i excel·lent estabilitat dimensional.

Nomex: mòdul baix i tenacitat moderada. Bombers.

Kevlar: alt mòdul i alta resistència mecànica, impacte, compressió. Armilles antibales.

FIBRA DE CARBONI: Altas prestacions (acabat polit), rigidesa elevada (prop. Estrella), excel·lent prop. especifiques, resistent agents externs, baixa conducció tèrmica, preu elevat, baix pes (prop.estrella).

FIBRA DE VIDRE: Aillant, els més utilitzats E(electicitat), R (presaacions mecàniques), S (resit.tracció).

FIBRAS DE POLIETILÈ DE ULTRA PES MOLECULAR (UHMWPE):  altíssima orientació cadenes polimèriques (>95%), densitat baixa (menor aigua), alta cristalitat (fins 85%), altíssim mòdul específic, alta resistència química, bona resistència UV, baixa absorció humitat, mala adhesió matriu. Comercial ( Spectra- gunats i Dymeema- barco vela)

COMPOSITES

Reforç—aporta la residència mecànica. Fase dispersa. Fibra

Matriu—dóna forma/compcta. Fase disperant. Resina.

Compostos: ser diferents en naturalesa, forma i funció. Es mesclen per millorar( prop.úniques i superiors a les de cada component per separat).

PROP. GENERALS: alta resist.mecànica i baixa densitat→ MOLT BONES PROPIETATS ESPECÍFIQUES , però ALT PREU ( procesos manuals).

MATRIUS POLIMÈRIQUES ( 75% utilitzades termoestables i 25% termoplàstiques—però estan en agument).

Poliamida—52% (fibra de vidre), PP (16%), Poliesters -PETS (11%), Pc (5%), altres (15%).

Matrius: polimerriques( termosplàstic. Ex: millor EPOXI que Poliester pk –pes + ressit, per tant millors prop.específiques), ceràmiques, metàl·liques.

Reforsos: fibra( vidre, grafit, kevler), partícules (vidre, polimeriqueas), WHISKERS ( monocristall – unica direcció cristall- Csi).

Cargas: guix, silici, caolí, fibres curtes (+econ que les fibres)Aditius: per millorar prop.Especifiques—filtre UV, fungicida, inifuga, endurir.

MATRIUS DE – RESIT A + MECANICAMENT (mòdul de Young):

PP (el + dúctil, pot ↑ 3 vegdades distància inicial).

NYLON (bastant resist.desgast, +resist.mecanicament que PP).

POLICARBONAT (el +resistent impacte).

PROPIETATS ESPECIFIQUES

Econ i prop.mecàniques → vidrio mejor

Rigidesa elevada→ grafit

Compresió i flexió → bor

tracció i fatiga→ kevlar

Classificació compostos: Plastics reforsats: Compostos fibras curtes o particules (), Materials compostos: Estratificaqció de fibras llatrga (materials compostos, Teixits- compstos de Altes prestacions: materials compostos avanzats, Materials composts de molt altes presracions: mat.compostos avanzats.

Consideracions a tenir en compte: longitud fibra, geometria reforç, Homogenietat del compost(=dispersió), LLEI DE MESCLA ( quan + reforç, +resistencia).

ATENCIÓ!!!! Grafè únic reforç que màxim 1%, + empitjora propietats.

GEOMETRIA REFORZANTS: Fibras → partícules, fibras contiunuas, fobras curtes.,ENTRAMATS(mat.altes prestacions)→ BIAXIAL, TRISXIAL, teixit, entrellaçat mutilaxial multicapa., TRIDIMENSIONAL (mat.moltr altes prestacions)→ construcció cilindrica, trensat, teixit ortogonal, construcció angular – mescla de diferents fibras.

CARGÈS: Com + fines,, millor (més distribuides)→ millor resultat,

Nanoreforços—queden molt dispersoes. ,

Com +gran nucli espuma, millor propietats especifiques.

PROCESSOS: Primera capa sempre Gel cold,

MOLDEOER CONTACTE: Apliació agent desmoldante, resina, afeguir capa fibraa +resina, capa fibra+resina. Intercalaat menaualment.

MOLDEO PER TRANSFARENCIA DE RESINA: es fa el buit, foprmes complicades, propietats més constant.

PER PROJECCIÓ: pistola, fibras curtes, aplicaq pressió rodill.

PER CENTRIFUGAT: motlle gira, es projecta resina + fibra curta.

TERMOPLÀSTICS REFORZATS: injecció típica + fibres curtes.

M.R ENROLLAMENT: el motlle gira, la fibra va cubrin la cuperficie la qual està impregnada de resina (material continuo). Tipus : horitzontal i helicoidal.