Solucionario III Examen de Materiales-final

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA CURSO: INGENIERIA DE MATERIALES II III EXAMEN Grupo-A 1. Defina los materiales poliméricos: a) plásticos y b) elastómeros. El término plástico en su significación más general, se aplica a las sustancias de similares estructuras que carecen de un punto fijo de evaporación y poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones. Sin embargo, en sentido concreto, nombra ciertos tipos de materiales sintéticos obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación semi-natural de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales. La palabra plástico se usó originalmente como adjetivo para denotar un escaso grado de movilidad y facilidad para adquirir cierta forma, sentido que se conserva en el término plasticidad. Elastómero: material que a temperatura ambiente se alarga bajo un esfuerzo pequeño por lo menos al doble de su longitud, y recobra rápidamente casi su misma longitud original cuando el esfuerzo cesa. 2. Defina un termoplástico. Material plástico que debe ser calentado para darle forma (plástico) y que al enfriarse mantiene su forma. Los termoplásticos están compuestos de polímeros de cadena con enlaces de tipo dipolar permanente secundario entre las cadenas. Los termoplásticos pueden ablandarse repetidamente al ser calentados, y endurecerse cuando se enfrían. Los termoplásticos típicos son polietilenos, vinilos, acrílicos, celulósicos y nailon 3. Describa el arreglo estructural atómico de los termoplásticos. La mayoría de los termoplásticos están constituidos por cadenas principales muy largas de átomos de carbono, enlazados entre sí en forma covalente. Algunas veces, se enlazan también átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre en forma covalente con la cadena molecular principal. Los átomos o grupos de átomos adheridos están enlazados de forma covalente a los átomos de la cadena principal. En los termoplásticos, las largas cadenas moleculares están ligadas entre sí por enlaces secundarios. 4. ¿Qué tipo de átomos se enlazan entre sí en las cadenas moleculares termoplásticos? Los átomos o grupos de átomos adheridos están enlazados de forma covalente a los átomos de la cadena principal. En los termoplásticos, las largas cadenas moleculares están ligadas entre sí por enlaces secundarios. ¿Cuáles son as valencias de estos átomos en las cadenas moleculares? Un enlace carbono-carbono es un enlace covalente entre dos átomos de carbono en un compuesto orgánico o un alótropo de carbono.1 La forma más común es el enlace simple - un enlace compuesto por dos electrones, uno de cada uno de los dos átomos. El enlace simple carbono-carbono es un enlace sigma y se forma entre un orbital híbrido de cada uno de los átomos de carbono. En el etano, los orbitales son sp3, pero también pueden existir enlaces simples formados por átomos de carbono con otras hibridaciones (por ejemplo, sp2 a sp2). En efecto, los átomos de carbono en el enlace simple no necesitan ser de la misma hibridación. Los átomos de carbono también pueden formar enlace doble, constituyendo alquenos, o enlace triple, en alquinos. Un enlace doble está formado con un orbital híbrido sp2 y un orbital p que no está involucrado en la hibridación. Un enlace triple está formado con un orbital híbrido sp y dos orbitales p de cada átomo. El uso de los orbitales p forma un enlace pi. El carbono tiene la característica única entre todos los elementos de formar cadenas largas y estables de sus propios átomos, una propiedad llamada catenación. Esto, junto con la fuerza del enlace carbono-carbono da origen a un número enorme de formas moleculares, muchas de las cuales son importantes elementos estructurales de la vida, así los compuestos de carbono tienen su propio campo de estudio: la Química orgánica. Los electrones libres se forman en cada extremo de la molécula y pueden enlazarse en forma covalente con los electrones libres de otras moléculas. Obsérvese que el enlace covalente doble que se forma entre los átomos de carbono ha sido reducido a un enlace sencillo. b) Notación de línea recta. Los electrones libres que quedan en los extremos de la molécula se indican por medios enlaces que están unidos solamente a un átomo de carbono. 5. Defina los plásticos termofijos. Material plástico que resulta de una reacción química por la acción de calor, catálisis, etc., lo cual da lugar a una estructura macromolecular reticular entrecruzada. Los plásticos termofijos no pueden ser fundidos y reprocesados de nuevo puesto que cuando se calientan se degradan y descomponen. Los plásticos termofijos típicos son los fenólicos, poliésteres insaturados y epóxicos. 6. ¿Cuáles son algunas de las razones del gran incremento en los diseños de ingeniería mecánica? Los plásticos son materiales de ingeniería importantes por múltiples razones. Tienen una amplia variedad de propiedades, de las cuales algunas son imposibles de obtener con cualquier otro material, y en la mayoría de los casos su costo es relativamente bajo 7.¿Cuáles son algunas ventajas de los plásticos cuando se usan en los diseños de ingeniería mecánica? . El uso de los plásticos en diseños de ingeniería mecánica ofrece múltiples ventajas, entre las que se incluyen: ahorro de partes debido al diseño de ingeniería con plásticos, menos operaciones de acabado, simplificación del ensamble, menor peso, reducción de ruido y, en ciertos casos, la no necesidad de lubricar algunas partes. 8.-¿Cuáles son algunas ventajas de los plásticos cuando se usan en los diseños de ingeniería eléctrica? . Los plásticos también son muy útiles para diversos diseños de ingeniería eléctrica, principalmente por sus excelentes propiedades aislantes. Las aplicaciones eléctricas y electrónicas de los materiales plásticos incluyen conectores, interruptores, relés, unidades de sintonización de TV, formas para bobinas, tableros de circuitos integrados y componentes de computadora 9.-¿Cuáles son algunas ventajas cuando se usan en los diseños de ingeniería química? No son corrosivos 10.-Defina los siguientes términos : a) polimerización en cadena, b)monómero y c) polímero. a) compuesto de alta masa molecular cuya estructura consta de un gran número de pequeñas unidades que se repiten llamadas meros. Los átomos de carbono forman la mayoría de los átomos de la cadena principal en la mayoría de los polímeros. b) Monómero: compuesto molecular simple que puede estar enlazado covalentemente para formar largas cadenas moleculares (polímeros). Por ejemplo: etileno. c) Polímero de cadena: compuesto de alta masa molecular cuya estructura consta de un gran número de pequeñas unidades que se repiten llamadas meros. Los átomos de carbono forman la mayoría de los átomos de la cadena principal en la mayoría de los polímeros. GRUPO-B 11. Describa la estructura de los enlaces entre una molécula de etileno, empleando: a) La notación cruzada electrón-punto y b) la notación de guiones para los electrones de enlace. 12. Escriba reacción química general para la polimerización en cadena del monómero etileno a fin de formar un polímero lineal de polietileno. C=C -C-C- 13.¿Cuál es el nombre de la unidad química que se repite en una cadena de polímeros? MERO 14.Defina la polimerización de una cadena de polimerización? Polimerización en cadena: mecanismo de polimerización por el cual cada molécula de polímero aumenta de tamaño con rapidez una vez que el crecimiento comienza. Este tipo de reacción se presenta en tres pasos: 15.¿Cuáles son las tres principales reacciones que ocurren durante la polimerización en cadena? 1) inicio de la cadena, 2) propagación de la cadena y 3) terminación de la cadena. El nombre implica una reacción en cadena y usualmente lo inicia una fuente externa. Ejemplo: la polimerización en cadena del etileno en polietileno. 16.¿Cuál es l función del iniciador para la polimerización en cadena? FUNCIONA COMO UN CATALIZADOR 17.Escriba una reacción para el radical libre R-CH 2-Ch2- con una molécula de etileno para extender el radical libre. ¿Qué tipo de reacción es esta? 18.¿Cuáles son los dos métodos por medio de los cuales una reacción de polimerización en cadena lineal pueda finalizar? a) Adición de un radical libre finalizador o cuando se combinan dos cadenas b) Otra forma es adicionando cantidades insignificantes de impurezas para finalizar el crecimiento de la cadena 19.¿Por qué se debe considerar el grado de polimerización promedio y el peso molecular promedio de un material termoplástico? Porque el cálculo se hace tomando en cuenta el peso molecular promedio y la suma de fracciones de peso dentro un rango de pesos moleculares 20.Defina el peso molecular promedio de un termoplástico? M m =∑ f áM á / ∑ fá GRUPO-C 21.Escriba una reacción general para la polimerización de un polímero tipo vinilo? 22.Escriba la fórmulas estructurales para los meros de los siguientes polímeros de vinilo: a) Polietileno, b) policloruro de vinilo, c) polipropileno, d) poliestireno, e) policrilonitrilo Y f) poliacetato de vinilo ARRIBA 23.Escriba una reacción general para la polimerización de un polímero de vinilideno. 24.Distinga entre un homopolímero y un copolímero. Los homopolímeros son materiales poliméricos que consisten en cadenas de polímero formadas por unidades sencillas que se repiten. Esto significa que si A es una unidad que se repite, una cadena del homopolímero tendrá una secuencia de AAAAAAA… en la cadena molecular del polímero Los copolímeros, en contraste, consisten en cadenas de polímero formadas por dos o más unidades químicamente diferentes que se repiten y que pueden estar en distintas secuencias. 25.Ilustre los siguientes tipos de copolímeros empleando círculos llenos y abiertos para representar sus meros: a) aleatorio, b) alternado, c) en bloque, y d) injerto. 26.Describa e ilustre los siguientes procesos de polimerización : a) en masa, b) solución, c) suspensión y d) emulsión. Polimerización en masa (figura 10.12a). El monómero y el iniciador se mezclan en un reactor que se calienta y se enfría según se requiera. Este proceso se usa ampliamente para la polimerización por condensación donde un monómero puede cargarse en el reactor y el otro se añade lentamente. El proceso en masa puede utilizarse para múltiples reacciones de polimerización por condensación en virtud de que sus calores de reacción son bajos. Polimerización en solución (figura 10.12b). El monómero se disuelve en un disolvente o reactivo que contiene un iniciador. El calor desprendido por la reacción es absorbido por el disolvente y, por tanto, la velocidad de reacción se reduce. Polimerización en suspensión (figura 10.12c). El monómero se mezcla con un iniciador y luego se dispersa como una suspensión en agua. En este proceso, el calor desprendido por la reacción es absorbido por el agua. Después de la olimerización, el producto polimerizado se separa y se seca. Este proceso se usa comúnmente para producir gran número de polímeros de tipo vinilo, como policloruro de vinilo, poliestireno, poliacrilonitrilo y polimetilmetacrilato Polimerización en emulsión (figura 10.12d). Este proceso de polimerización es similar al proceso de suspensión porque se lleva a cabo en agua. Sin embargo, se añade un emulsionante para dispersar el monómero en partículas muy pequeñas. 27.¿Cuáles son algunas aplicaciones del polipropileno? Las principales aplicaciones del polipropileno son enseres domésticos,componentes de aparatos electrodomésticos, empaques, material de laboratorio y frascos dediversos tipos. En la industria del transporte, los copolímeros de polipropileno de alto impactohan reemplazado a los cauchos duros como cubiertas de acumuladores. Otras resinas similaresse usan como recubrimientos de salpicaderas y protectores contra salpicadurasEscriba la reacción general dela polimerización de poliestireno a partir de estireno? 28. Escriba la reacción general de la polimerización de poliestireno a partir del estireno http://htwins.net/scale2/lang.html 29.¿Cuáles son algunas aplicaciones del poliestireno? Aplicaciones Entre sus aplicaciones típicas figuran partes interiores de automóviles, carcasas de aparatos electrodomésticos, cuadrantes, perillas y enseres domésticos. 30.¿Cuál es la unidad estructural química que se repite en el policrilonitrilo? En hoja aparte GRUPO-D 31.¿Qué son las resinas SAN? ¿Qué propiedades deseables tienen los termoplásticos SAN? ¿Cuáles son algunas aplicaciones de los termoplásticos SAN? Los termoplásticos de estireno acrilonitrilo son miembros de la familia del estireno que tienen alto rendimiento. Estructura y propiedades Las resinas SAN son copolímeros aleatorios amorfos de estireno y acrilonitrilo. Esta copolimerización origina polaridad y fuerzas de atracción por el enlace de hidrógeno entre las cadenas del polímero. Como resultado, las resinas SAN tienen mejor resistencia química, temperaturas de deformación por calor más altas, mayor dureza y mejores características de capacidad de carga que el poliestireno solo. Los termoplásticos SAN son rígidos y duros, se procesan fácilmente y tienen el brillo y la transparencia del poliestireno. Aplicaciones Las principales aplicaciones de las resinas SAN son en lentes de instrumentos automotrices, componentes del tablero de instrumentos y paneles de apoyo con carga de vidrio; perillas de aparatos electrodomésticos, y recipientes de licuadoras y batidoras; jeringas médicas y aspiradores sanguíneos; acabados vítreos de seguridad para construcciones y enseres domésticos como vasos y tazas. 32.¿Qué significan las letras A, B y S en el termoplástico ABS? ABS es el nombre que se da a una familia de termoplásticos. Las siglas se refieren a los tres monómeros utilizados para producir el ABS: acrilonitrilo, butadieno y estireno. Los materiales ABS son importantes por sus propiedades para la ingeniería, como su buena resistencia mecánica y al impacto, combinadas con su facilidad de procesamiento. 33.¿Cuáles son alguna aplicaciones de los plásticos ABS? Aplicaciones El uso principal del ABS es en tuberías y accesorios, sobre todo de desagüe y ventilación para edificios. Otras aplicaciones del ABS son las partes automotrices, piezas de aparatos electrodomésticos como revestimientos para puertas e interiores de refrigerador, máquinas de oficina, cajas y cubiertas de computadora, carcasas de teléfono, portacables eléctricos y blindajes contra interferencias electromagnéticas de adiofrecuencias. 34.¿Cuáles son algunas aplicaciones importantes del PMMA que lo hace un plástico importante industrial? Aplicaciones Los PMMA se usan en ventanillas de aviones y barcos, tragaluces, alumbrado exterior y anuncios publicitarios. Otros usos incluyen cristales de luces traseras, escudos de seguridad, gafas protectoras, perillas y manijas. 35.Defina un plástico de ingeniería. ¿Por qué es arbitraria esta definición? En esta sección serán analizados algunos aspectos importantes de la estructura, propiedades y aplicaciones de los termoplásticos utilizados en ingeniería. La definición de un plástico de ingeniería es arbitraria puesto que virtualmente no hay un solo plástico que no pueda ser considerado en cierta forma como un plástico de ingeniería. En este texto se considerará como termoplástico de ingeniería el que tenga un balance de propiedades que lo hagan especialmente útil para aplicaciones de ingeniería. En esta exposición, las siguientes familias de termoplásticoshan sido seleccionadas como termoplásticos de ingeniería: poliamidas (nailon), policarbonatos, resinas de fenileno basadas en óxido, acetales, poliésteres termoplásticos, polisulfona, sulfuro de polifenileno y polieterimida 36.¿Cuál es la fórmula estructural del enlace amida en los termoplásticos? ¿Cuál es el nombre general de los termoplásticos de poliamida? Las poliamidas o nailon son termoplásticos que se pueden procesar fundidos y cuya estructura de la cadena principal incluye un grupo amida en forma repetida. Los nailon son miembros de la familia de los plásticos de ingeniería y ofrecen una capacidad de carga superior a temperaturas 37.En la designación nylon 6,6 ¿Qué significa 6,6? El nylon se llama nylon 6.6, porque cada unidad repetitiva de la cadena polimérica, tiene dos extensiones de átomos de carbono, cada una con una longitud de seis átomos de carbono. Otros tipos de nylon pueden tener diversos números de átomos de carbono en estas extensiones. 38.¿Cuáles son alguna aplicaciones de Ingeniería delos nylons? Aplicaciones Las aplicaciones de los nailon se hacen en casi todas las industrias. Entre los usos comunes están la fabricación de piezas antifricción, engranajes y cojinetes que no requieren lubricación, piezas mecánicas que deben funcionar a altas temperaturas y ser resistentes a hidrocarburos y disolventes, partes eléctricas sometidas a altas temperaturas partes de alto impacto que requieren resistencia y rigidez. Las aplicaciones automotrices incluyen velocímetros y engranajes para limpiadores de parabrisas y abrazaderas de ajuste. El nailon reforzado con vidrio se usa en paletas de ventilador de motor, recipientes para el fluido de frenos y de servodirección, tapas de válvulas y cubiertas de la columna de dirección. Las aplicaciones eléctricas y/o electrónicas incluyen conectores, enchufes, aislantes de alambre para conexiones, monturas de antena y terminales. El nailon se usa también en empaques y para aplicaciones de uso general. 39.¿Cuál es la unidad estructural química que se repite en los policarbonatos? ¿Cuál es el enlace carbonato? ¿Cuáles son los nombres comerciales comunes de los policarbonatos? kevlar 40.¿Cuáles son algunas propiedades de los policarbonatos que lo hacen útiles como termopásticos de ingeniería?  Escudos protectores  Cascos  Cubiertas de relés eléctricos  Componentes de aviones  Hélices de barcos  Lentes de semáforos  Colectores solares  Vidrieras para ventanas  Herramientas eléctricas manuales  Aparatos domésticos pequeños  Terminales de computadoras Nombres comerciales: lexan y merlon PARTE B.- PROBLEMAS CUESTIONARIO 1. Un polietileno de alto peso molecular tiene un peso molecular promedio de 410 000 g/mol. ¿Cuál es su grado de polimerización? 2. Si un tipo de polímero tiene un grado de polimerización promedio de 10 000. ¿Cuál es su peso molecular promedio? 3. Un plástico ny lon 6,6 tiene un peso molecular promedio de 12 000 g/mol. Calcule el grado de polimerización promedio . Peso molecular = 226 g/mol. 4. Calcule e peso molecular promedio Mm de un termoplástico que tiene las siguientes Fracciones en fi para los rangos de peso molecular que aparecen en la lista: _________________________________________________________________________ _ Rango de Peso molecular Rango de peso g/mol fi molecular (g/mol) fi _______________Mi_____________________________________Mi_________________ _____ 22500 27500 0 - 5 000 0.19 5 000-10 000 0.21 10 000-15 000 32500 0.15 15 000-20 000 37500 0.07 2500 7500 12500 17500 0.01 0.04 0.16 0.17 20 000-25 000 25 000-30 000 30 000-35 000 35 000-40 000 ________________________________________________________________________ 5. Un copolímero está constituido por 70 % en peso por poliestireno y 30 % en peso por poliacrilonitrilo. Calcule la fracción mol de cada componente en este material Un copolímero está formado por 15% en peso de poliacetato de vinilo (PVA, por sus siglas en inglés) y 85% en peso de policloruro de vinilo (PVC). Determine la fracción de cada componente. Solución Si se parte de una base de 100 g de copolímero, entonces se tienen 15 g de PVA y 85 g de PVC. Primero se determina el número de moles de cada componente que se tiene y luego se calculan las fracciones mol de cada uno. Moles de poliacetato de vinilo. El peso molecular del mero de PVA se obtiene sumando las masas atómicas de los átomos, de acuerdo con la fórmula estructural para el mero de PVA (figura EP10.3a): 4 átomos de C × 12 g / mol × 6 átomos de H × 1 g / mol + 2 átomos de O × 16 g / mol = 86 g / mo Número de moles de PVA en 1oo gr de copolimeroe = 15/86 Moles de policloruro de vinilo. El peso molecular del mero de PVC se obtiene de la figura PE10.3b. 2 átomos de C × 12 g / mol + 3átomos de H × 1 g / mol + 1 átomos de Cl × 35.5 g / mol = 62.5 g / m Número de moles de PVA en 100 g de copolimero = 85/62.5 = 1.36 Fraccion mol de PVA = 0.174/ (0.174+1.36) = 0.113 Fracción mol de PVC = 1.36/(0.174+1.36) = 0.887 6. Un copolímero ABS está constituido por 25 % en peso por poliacrilonitrilo, 30 % en peso por polibutadieno y 45 % en peso por poliestireno. Calcule la fracción mol de cada componente en este material. PRIMER GRUPO 1 5 g