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8/11/2019 Conceptos fundamentales memorias

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Captulo 1

Conceptos fundamentales sobre el

comportamiento de los materialesplsticos

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Objetivos Impartir los conocimientos bsicos en temas tales como estructura

macromolecular de los polmeros, estructura fsica y qumica de lospolmeros, propiedades y caractersticas de los polmeros.

Estos conocimientos sern la base para una buena asimilacin de los

dems cursos y para una eficaz transferencia de la tecnologa en el

control y aseguramiento de la calidad en empaque flexible para leche.

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Introduccin

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Un poco de Historia El Hombre viene utilizando los polmeros naturales desde tiempos

prehistricos (fibras de celulosa, protenas, ambar, carbohidratos,asfaltos, caucho, etc)

A pesar del uso masivo de los polmeros, hasta unas pocas dcadas atrs

virtualmente no se conoca sobre su estructura y composicin qumica

En las primeras dcadas del presente siglo se inicia el conocimiento

cientfico sobre la estructura de los polmeros (teora macromolecular deStaudinger)

A partir de este momento el desarrollo cientfico y tecnolgico de los

materiales polimricos ha sido vertiginoso. Los materiales polimricos

han pasado de ser materiales de reemplazo a irreemplazables

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Descubrimiento de la estructura

Macromolecular Raoult y Vant Hoff en 1880 sentaron los fundamentos para la medicin

de los pesos moleculares (primeras determinaciones PM en el rango de

10,000 a 40,000)

Sin embargo, se consideraban sustancias coloidales o miscelares

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Descubrimiento de la estructura

Macromolecular

Staudinger 1922 (premio Nobel 1953), propone la teoramacromolecular: sustancias orgnicas de muy alto peso molecular

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Descubrimiento

de la estructura Macromolecular

W. Carothers 1938, Conocimiento sistemtico de la qumica de

Polimerizacin y sntesis de cientos de polmeros (entre ellos la

Poliamida, Now you lost old Nipon, Nylon)

Flory 1937 (premio nobel en 1974), elucida el mecanismo de

reaccin de la polimerizacin en cadena, logrndose entender mas

claramente la naturaleza de los grupos terminales.

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Propiedades de los materialesplsticos

Los plsticos son livianos

Los plsticos permiten la elaboracin departes complejas en un solo paso.

Las temperaturas de procesamiento son

bajas.

Su resistencia trmica es limitada.Excelentes aislantes trmicos y elctricos

Se dejan colorear fcilmente.

Pueden ser reciclados y/o re-usados por

varios mtodos.

Los plsticos tienen una gran gama de

propiedades mecnicas

Tienen una gran resistencia qumica.

Son permeables.


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MATERIALES

NO METALICOS

(Molculas)

METALICOS

(Atomos)

ORGANICOS

(Macromolculas)

INORGANICOS

(Molculas)

METALES

PUROS

Hierro

Cobre

AluminioZinc

Plomo

Oro

Plata

Polmeros

Plsticos

Caucho

GranitoMrmol

Vidrio

Cermica

Cemento

Materiales plsticos


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Estructura Macromolecular de los

Polmeros

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Estructura Atmica

de la materia

Protones: Partculas positivas.

Electrones: Partculas negativas.

Neutrones:Partculas neutras

Otras partculas

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Cadenas Macromoleculares

Forman cadenas de muchos tomos

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Fuerzas intermoleculares

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Clasificacin de los Polmeros

De acuerdo con la forma de las cadenas:

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Lineales Ramificadas


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De acuerdo con el ordenamiento molecular

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Semicristalinos Amorfos


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POLIMEROS

RETICULADOSNO RETICULADOS

TERMOFIJOS

ELASTOMEROSSEMICRISTALINOS

AMORFOS

PFMFUP

PUREP

NBREPDM

EVAPUR

LDPEHDPE

LLDPEPP

PET

PBTPTFEPURPAPC

PSSB

SANABSASA

PVCPMMA

CACAB

PC



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Nomenclatura Polmeros Amorfos

Nombre tcnico Abrev.

Poliestireno PS

Poliestireno butadieno SB

Acrilonitrilo-butadieno-estireno ABSEstireno acrilonitrilo SAN

Policloruro de vinilo PVC

Polimetilmetacrilato PMMA

Acetato de celulosa CA

Acetato butirato de celulosa CAB


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Nomenclatura PolmerosSemicristalinos

Nombre tcnico Abrev.

Polietileno PE

Polipropileno PP

Poliamida PA

Polietilentereftalato PET

Polibutilentereftalato PBT

Policarbonato PC

Politetrafluoroetileno PTFE

Poliuretano PUR


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Nomenclatura Polmeros Termofijo

Nombre tcnico Elastmero Duroplstico Abrev.

Etileno-propileno-metil-dieno X EPDM

Caucho natural (Isopreno) X NR

Etilen-vinil-acetato X EVA

Silicona X X Si

Resinas fenlicas X PF

Rasinas melamnicas X MF

Resinas poliestricas no saturadas X UP

Poliuretanos X X PUR


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Estructura Qumica

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Estructura macromolecular

Estructura qumica

Constitucin Grupos atmicos (Cules)

Tamao (peso molecular) (Cuntos)

Forma de las cadenas (Lineal, ramificadas)

Configuracin(disposicin en el espacio) Isomera estructural

Isomera espacial

Conformacin

Otras Polaridad

Flexibilidad

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Copolmeros De acuerdo con el nmero de unidades estructurales constituyentes se

pueden tener:

Homopolmeros A - A - A - A - A - A - A Copolmeros

Aleatorio A - A - B - B - B - A - B - B - A - A

Poli(A- co - B)

Alternantes A - B - A - B - A - B - A - B

Poli(A-alt - B)

Bloque A - A - A - B - B - B - B - A - A - A

Poli(A- b - B)B - B - B - B

Injertos A - A - A - A - A - A - A

Poli(A- g - B) B - B - B - B

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Distribucin de pesos moleculares de un Polmero

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Promedio de Peso Molecular

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Promedio en nmero:

Ecuacin No. 1

Donde: ni: nmero de molculas de una fraccin determinadaMi: peso molecular de una fraccin determinadaMn: promedio en nmero

i

ii

n

n

MnM


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Promedio de Peso Molecular

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Promedio en peso:

Ecuacin No. 2

Polidispersidad:

Ecuacin No. 3

ii

ii

w

Mn

MnM

2

1n

w

M

MU


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Distribucin de peso molecular

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Peso molecular vs. Propiedades

A mayor peso molecular

Aumenta la viscosidad del

fundido.

Aumenta peligro de ruptura enla extrusin.

Aumenta temperatura de fusin.

Disminuye la solubilidad.

Mejora la resistencia al impacto.

Con una distribucin amplia

El comportamiento no newtoniano seacenta.

Baja la temperatura de solidificacin.

Menor peligro de ruptura.

Disminuye resistencia al impacto.Disminuye mdulo elstico.

Aumenta elongacin a rotura.

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Isomersmo

Diferencias en la distribucin espacial

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o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

R R R

R R R

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

R R RR R R

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

R

R

R R

R R

Isotctico Sindiotctico

Atctico


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Conformacin Qumica

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Polaridad

Mayor rigidez

Mayores temperaturas

de transicin (Tg, Tf).

Mayor grado de

cristalizacin.

Ms higroscpico.

Fuerzas

intermoleculares ms

altas.

Mayor dureza.

Mayor resistencia al

aceite.

Mayor permeabilidad al

agua

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A mayor polaridad:


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Polaridad

La polaridad influye sobre: Movilidad de la cadena (polaridad alta = menor movilidad)

Absorcin de agua

Calentamiento en campos elctricos

Comportamiento ante solventes

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Flexibilidad Disminuye con:

Grupos sustituyentes muy grandes Enlaces dobles en la cadena central

La presencia de anillos

A mayor flexibilidad:

Ms alta ser su temperatura de fusin

Ms fcil cristaliza

Menor es el mdulo elstico

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Estructura Fsica

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Estructura macromolecular

Estructura Fsica Estructuras primarias (sistemas cristalinos)

Supraestructuras (agrupaciones) Monocristales

Esferulitas

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Cristalizacin

Ciertos polmeros logran un cierto ordenamiento

macromolecular, formando cristales.


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Cristalizacin

39


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Estructura esferoltica del Nylon

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Factores que influyen en la cristalinidad

La favorecen

Las cadenas moleculares

lineales sencillas.

Grupos laterales bien

distribuidos (tacticidad).

Enlaces secundarios fuertes.

La dificultan

Estructura atctica.

Grandes grupos

substituyentes. Reticulaciones.

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Grado de cristalizacin vs. Propiedades

A mayor grado de cristalizacin, aumentan:

La resistencia a la tensin.

El mdulo elstico.

La temperatura de fusin.

La estabilidad de forma al calor.

La temperatura de fragilidad en frio.

La resistencia a agentes qumicos.

Las propiedades de barrera.

La resistencia al impacto.

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C i t li i


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43

Cristalizacin

C i t li i


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44

Cristalizacin

C istali acin


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45

Cristalizacin


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Propiedades Fsicas

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P i d d i t t P l


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Propiedades importantes en Polmeros

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Resistencia a la tensin

Deformacin

Flexibilidad

Precio

Densidad

Resistencia al

Impacto

Brillo,

Opacidad,

Haze, ColorPermeabilidad


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Propiedades importantes en Polmeros

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Conductividad trmica

Inflamabilidad

Resistencia a

perforacin

Temperatura de uso

continuo

1

F

Rigidez

Resistencia

Qumica

ESCR

P i d d F i


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Propiedades Fsicas Temperaturas de transformacin

Temperatura de transicin vtrea

Temperatura de cristalizacin

Temperatura de fusin de cristales

Temperatura de procesamiento

Estados fsicos

Propiedades mecnicas Diagramas de esfuerzo deformacin

Comportamiento a largo plazo

Resistencia al impacto

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Propiedades Fsicas


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Propiedades Fsicas

Propiedades Reolgicas

Curvas de Fluidez

Comportamiento no Newtoniano

Anomalas de flujo

Propiedades Opticas

Luz reflejada

Luz transmitida

Haze

Brillo

Permeabilidad a los gases y vapores

Propiedades tribolgicas

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Temperaturas de Transformacin

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Temperatura de

transicin vtrea, Tg

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Las macromolculas poseen un mecanismo derelajacin macromolecular, dependiente delnivel de temperatura.Tg: es la temperatura en la cual se descongelael movimiento de relajacin macromolecular.

F t f t l T t d


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Factores que afectan la Temperaturas de

transicin Vitrea

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Velocidad de enfriamiento

Presin Contenido de sustancias de bajo peso molecular

(plastificantes) Movilidad de cadena

Velocidad Enfriamiento Tg

Presin Tg

Plastificantes Tg

Movilidad cadenas Tg


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Resumen de propiedades

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PROPIEDADES

POLIMEROS

CONDUCTIVIDAD

TERMICA CALOR ESPECIFICO DENSIDAD

TRANSICION

VITREA PUNTO DE FUSION INDICE DE FLUIDEZ

PS 0,12 1,20 1,06 101 --- 0,30

PVC 0,21 1,10 1,40 80 --- 0,30

PMMA 0,20 1,45 1,18 105 --- 0,25

SAN 0,12 1,40 1,08 115 --- 0,30

ABS 0,25 1,40 1,02 115 --- 0,25

PC 0,19 1,40 1,20 150 --- 0,70

LDPE 0,24 2,30 0,92 -120/--90 120 0,35

LLDPE 0,24 2,30 0,92 -120/-90 125 0,60

HDPE 0,25 2,25 0,95 -120/-90 130 0,50

PP 0,15 2,10 0,91 -10 175 0,35

PA-6 0,25 2,15 1,13 50 225 0,70

PA-6.6 0,24 2,15 1,14 55 265 0,75

PET 0,29 1,55 1,35 70 275 0,60

PBT 0,21 1,25 1,35 45 250 0,60

PVF2 0,16 1,38 1,76 -40 170 0,38

FEP 0,20 1,18 2,15 70 275 0,60


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Temperatura de crisitalizacin y fusin

de cristales, Tk

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Temperatura de cristalizacin, Tk: se mide enenfriamiento. Temperatura en la cual ocurre el

reordenamiento macromolecular para formar cristales. Temperatura de fusin de cristalizacin, Tm: se mide

en calentamiento. Temperatura en la cual destruye todoordenamiento cristalino.

Para un mismo polmero se puede desmostrar que:

Tk < TmTk > Tg


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Temperatura de procesamiento, Tf

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Temperatura a la cual es posible obtener en el material unaviscosidad lo suficientemente baja que permita suprocesamiento primario en las mquinas normales deproduccin.

Para los amorfos: Tf = Tg + 100C

Para los semicristalinos: Tf = Tk + 70C

Estados fsicos para un material


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amorfo

57



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58


semicristalino

Estados fsicos de los Polmeros


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Estados fsicos de los Polmeros

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Estado vtreo (fragilidad)T < Tg

Estado cristalinoT < Tm

Estado Caucho-ElsticoT > TmEstado Viscoelstico

T > Tf


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Mdulo de Rigidez

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1

Poco rgido

E1

F

2

Muy rgido

E2

F

1= F / A1

F

2= F / A2

E1 >

2

Propiedades Mecnicas


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https://www.youtube.com/watch?v=1dXPKTYVqJg


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A. Acero

B. CobreC. PC

D. PMMA

E. HDPE

F. Caucho

G. LDPE

H. P-PVC

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Propiedades mecnicas a largo


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plazo

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plazo

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Resistencia al Impacto
https://www.youtube.com/watch?v=dmc3UXU7PAE


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p

68

Resistencia al Impacto


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p

69
https://www.youtube.com/watch?v=bF2qFwirgUw&list=PLA331D983C3E4442E


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Propiedades Reolgicas

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MFI (Indice de fluidez)


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MFI Peso molecular promedio

MFI Mw Y MFI h

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https://www.youtube.com/watch?v=M19YZVeEy2Yhttps://www.youtube.com/watch?v=M19YZVeEy2Y


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MFI

Para el mismo MFI (Melt Flow Index) al aumentar ladensidad:

Aumentan las propiedades de barrera.

Aumenta la dureza

Aumenta la resistencia a la tensin

Aumenta la resistencia qumica

Al disminuir la densidad:

Aumenta la flexibilidad

Aumenta la elongacin

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Rata de cizalladura


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Rata de cizalladura

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Curva de viscosidad


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Curva de viscosidad

75

Curva de viscosidad


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Efecto de la MWD sobre la curva de
https://www.youtube.com/watch?v=LJ_JexGam28https://www.youtube.com/watch?v=LJ_JexGam28


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viscosidad

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Anomalas de flujo


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Anomalas de flujo

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L/D 10/1 40/1

PP

App s-1

5760 2304 1152 720 576 438 317 230 5760 2304 1152 720 576 438 317

App kPa314 240 197 171 158 143 127 112 250 207 178 160 152 142 129


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Propiedades Opticas

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Propiedades pticas


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Haze


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Es la fraccin de luz

que dispersa la

muestra en un ngulode 2.5 y 90 sobre la

vertical

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Brillo


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Relacin entre el flux incidente y el reflejado,cuando la luz incide en un ngulo determinadoy es reflejada especularmente.

Brillo


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Izquierda:mayor impresin de brillo por la reflexin sobre

una superficie lisa.

Derecha: menor impresin de brillo por la reflexin sobre una

superficie burda y en el material de relleno


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Propiedades de Permeabilidad a

gases y vapores

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L P bilid d d l


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La Permeabilidad de los

Polmeros Termoplsticos

1: Capa 1

2: Capa 2

3: Capa 3

X: Espesor de CapaAt: Area de flujo

Q: Volmen de gas

o permeante

p: Presin parcial

del gas

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La Permeabilidad de los Polmeros


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Termoplsticos

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Polmero N2 O2 CO2 SO2 H2O 90% HR

30 C 30C 30C 25C 25C

Polietileno de baja densidad 4909.6 14211.9 90956.1 51679.6 206718.3

Polietileno de alta densidad 697.7 2739.0 9043.9 14728.7 33591.7

Polipropileno -------- 5943.2 23772.6 1808.8 175710.6

PVC Rgido 103.4 310.1 2584.0 299.7 403100.8

Acetato de Celulosa 723.5 2015.5 17571.1 -------- 19379845.0

Poliestireno 749.4 2842.4 22739.0 56847.5 3100775.2

Nylon 6 25.8 98.2 413.4 5684.8 1808785.5

PET 12.9 56.8 395.3 516.8 335917.3

PVDC 2.4 13.7 74.9 --------- 3617.6

Permeabilidad para varios polmeros y permeantes

P [mL(STP) mil / (m2 da atm)

*Food Packaging


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Propiedades Tribolgicas

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Coeficiente de friccin, COF


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88

La experiencia ha demostrado que pelculas

con COF altos presentan dificultades en elprocesamiento tales como: adherencia a los

rodillos y a los marcos de colapsamiento,

con la consecuente generacin de arrugas y

limitando las velocidades de procesamiento.En las mquinas selladoras modernascaracterizadas por una alta velocidad de

operacin resulta vital tener unos adecuados

valores de COF.


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Propiedades

Tribolgicas

selladora VFFS

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Coeficiente de friccin, COF


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Se ha encontrado que para la mayora de lasaplicaciones modernas, caracterizadas por las altas

velocidades de embobinado y desembobinado,valores de COF de 0.2 o menos son adecuados.

Sin embargo, COFs demasiado bajos puedenocasionar problemas tales como rollos telescpicos.

Se ha encontrado que el coeficiente de friccin estamuy relacionado con la fase amorfa y cristalina delpolmero:

Fase amorfa:confiere un alto valor de COFFase cristalina:confiere menores valores de COF


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PROPIEDADES

POLIMEROS

CONDUCTIVIDAD

TERMICA CALOR ESPECIFICO DENSIDAD

TRANSICION

VITREA PUNTO DE FUSION INDICE DE FLUIDEZ


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Taller No. 3 - Resumen de propiedades

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PS 0,12 1,20 1,06 101 --- 0,30

PVC 0,21 1,10 1,40 80 --- 0,30

PMMA 0,20 1,45 1,18 105 --- 0,25

SAN 0,12 1,40 1,08 115 --- 0,30

ABS 0,25 1,40 1,02 115 --- 0,25

PC 0,19 1,40 1,20 150 --- 0,70

LDPE 0,24 2,30 0,92 -120/--90 120 0,35

LLDPE 0,24 2,30 0,92 -120/-90 125 0,60

HDPE 0,25 2,25 0,95 -120/-90 130 0,50

PP 0,15 2,10 0,91 -10 175 0,35

PA-6 0,25 2,15 1,13 50 225 0,70

PA-6.6 0,24 2,15 1,14 55 265 0,75

PET 0,29 1,55 1,35 70 275 0,60

PBT 0,21 1,25 1,35 45 250 0,60

PVF2 0,16 1,38 1,76 -40 170 0,38

FEP 0,20 1,18 2,15 70 275 0,60


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Taller No. 3


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Solucin:

Envase opaco: se requiere de un material semicristalino, comopor ejemplo: HDPE, LDPE y PP

Congelacin a -15C: materiales semicristalinos cuya Tg sea

inferior a -15C, por ejemplo: HDPE y LDPE

Resistencia al impacto an a -15C: materiales semicristalinos

cuya Tg sea inferior a -15C, por ejemplo: HDPE y LDPE

Empaque muy rgido: materiales alto mdulo de rigidez, por

ejemplo: HDPE

Resistencia qumica a los alcoholes: HDPE. LDPE resistencia

moderada