Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Polímeros, Estructura Cristalina y Equilibrio de Fases

Propiedades Físicas y Químicas de los Polímeros

Transición Vítrea ($T_g$)

La Transición Vítrea ($T_g$) se pone de manifiesto en los ensayos de relajación a distintas temperaturas. También se detecta en ensayos de impacto. No solo las propiedades mecánicas, sino también las térmicas y ópticas, presentan una discontinuidad en las proximidades de $T_g$. Es la temperatura a la cual un sólido plástico se transforma en un sólido rígido y frágil.

Propiedades de los Plásticos

Permeabilidad a los Gases y Vapores

La permeabilidad es crucial en la utilización de los plásticos para el envasado de productos que pueden deteriorarse en contacto con el oxígeno ($O_2$) o el vapor de agua atmosféricos (lo que provoca que se vuelvan rancios). La permeabilidad guarda una relación directa con su resistencia química.

• A mayor cristalinidad y un elevado grado de entrecruzamiento, menor es la velocidad de difusión de los gases a través del polímero.
• Orden de permeabilidad (de mayor a menor): Termoplástico amorfo > Termoplástico cristalino > Elastómero > Termoestable.

Resistencia a los Disolventes y Reactivos Químicos

Los grandes enemigos de los plásticos son los disolventes, ácidos, bases y oxidantes fuertes.

• Orden de resistencia (de mayor a menor): Termoestable > Elastómeros > Termoplástico cristalino > Termoplástico amorfo.

Siliconas

Las siliconas son compuestos basados en silicio (Si), caracterizados por enlaces Si-O y Si-CH₃.

Propiedades Destacadas

• Gran estabilidad térmica.
• Muy buena inercia química.
• Elevado poder hidrófugo (resistentes al agua).
• Baja tensión superficial.
• Excelentes propiedades dieléctricas y buenos aislantes eléctricos.

Preparación y Tipos

El proceso de preparación incluye la síntesis de un monómero con silicio, seguida de la hidrólisis del monómero y la posterior polimerización.

Tipos de Siliconas:

• Materiales rígidos y termoestables.
• Materiales elásticos y termoplásticos.
• Fluidos y aceites.
• Elastómeros o gomas.

Policloruro de Vinilo (PVC)

El PVC es un polímero termoplástico amorfo que puede ser rígido o flexible.

• PVC Rígido: Es muy frágil y envejece con el tiempo, perdiendo resistencia. Posee inercia química y facilidad de soldadura. Se utiliza en la construcción de equipos, tuberías, etc.
• PVC Flexible: Es más plástico (plastificado). Se utiliza en invernaderos, recubrimientos, etc.

Estructura Cristalina y Morfología de Materiales

Isotropía y Anisotropía

• Isotropía: Propiedad de los materiales cuyo valor no depende de la dirección de medida. Típica de materiales amorfos o policristalinos con orientación aleatoria.
• Anisotropía: Propiedad de los materiales cuyo valor depende de la dirección de medida. Común en monocristales o materiales con orientación interna definida.

Fenómenos de Cristalización

• Isomorfismo: Dos sustancias distintas que cristalizan en la misma celdilla unitaria con parámetros cristalográficos similares.
• Polimorfismo: Capacidad de una sustancia (incluye elementos y compuestos) de cristalizar en más de una forma cristalina.
• Alotropía: Caso especial de polimorfismo que se aplica solo a elementos químicos.

Equilibrio Termodinámico de un Sistema

Las fases que integran el sistema no experimentan ningún cambio a menos que se les suministre energía. Los factores de equilibrio son las magnitudes que influyen en el estado del sistema: presión ($P$), temperatura ($T$) y concentración.

Tipos de Equilibrio

Equilibrio Estable

Al variar alguno de los factores, el equilibrio no se ve afectado. Ejemplo: Una aleación se puede mantener en estado líquido a diferentes temperaturas y concentraciones de los componentes.

Equilibrio Inestable

Al variar alguno de los factores, el equilibrio desaparece y no se mantiene. Ejemplos: Temperatura de fusión, ebullición, punto triple. Estos solo se forman para unos determinados valores de $T$ y $P$ (como la coexistencia de un metal sólido y líquido).

Equilibrio Metaestable

Estado en el que permanecen algunos materiales durante su transformación. Su estado no cambia a menos que las acciones exteriores alcancen un determinado valor.

Ejemplos de estados metaestables:

• La mayoría de los metales no se transforman inmediatamente en óxidos en presencia del $O_2$ del aire.
• Los vidrios permanecen en estado amorfo durante años.
• Aleación templada.
• Aleación deformada en frío.