Estado del arte sobre la utilización de Materiales=
Poliméricos
para las construcciones
State of the art on the use of polymeric
materials for construction
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1 |
Andres=
Santiago Adriano Veloz |
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https://orcid.org/0009-0008-0335-2040 |
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Facultad
de Ingeniería, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. |
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2 |
Marco
Rafael Cisneros Montero |
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https://orcid.org/0009-0000-5953-4339 |
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Facultad
de Ingeniería, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. |
|||
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3 |
Danny
Marcelo Valdez Muñoz |
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https://orcid.org/0009-0003-0890-6229 |
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Facultad
de Ingeniería, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. |
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4 |
Laura
Maritza Moyón Moyón=
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https://orcid.org/0009-0004-7108-3584 |
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Maestrante
Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. laura-2351@hotmail.com |
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Artículo de Investigación Científica y Tecnológica Enviado: 06/05/2023 Revisado: 16/06/2023 Aceptado: 14/07/2023 Publicado:30/08/2023 |
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Cítese: |
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Adriano Veloz, A. S., Cisneros Montero, M. R., Valdez Muñoz, D. M.,
& Moyón Moyón=
, L. M.
(2023). Estado del arte sobre la utilización de Materiales Poliméricos pa=
ra
las construcciones. AlfaPublicaciones,=
5(3),
205–228. https://doi.org=
/10.33262/ap.v5i3.399
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ALFA PUBLICACIONES, e<=
span
style=3D'font-size:10.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",=
serif;
mso-fareast-font-family:Calibri;mso-ansi-language:ES-EC;mso-fareast-langu=
age:
EN-US'>s una revista multidisciplinar, trimestral, que se publicar=
á en
soporte electrónico tiene como misión contribuir a la
formación de profesionales competentes con visión humanística y crítica q=
ue
sean capaces de exponer sus resultados investigativos y científicos en la
misma medida que se promueva mediante su intervención cambios positivos e=
n la
sociedad. https://alfapublicacion=
es.com La revista es
editada por la Editorial Ciencia Digital (Editorial de prestigio registra=
da
en la Cámara Ecuatoriana de Libro con No de Afiliación 663) <=
span
style=3D'font-size:10.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",=
serif;
mso-fareast-font-family:Calibri;color:#0563C1;mso-fareast-language:EN-US'=
>www.celibro.org.ec |
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Palabras claves: Polímeros,
construcción, resistencia, aplicaciones, conservación. |
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Resumen Objetivos:=
En la actualidad existe una demanda
creciente de materiales de construcción que sean duraderos y sostenibles,
esto con la finalidad de mejorar el rendimiento a largo plazo de las casa=
s y
edificios, así como para mejorar la resistencia y firmeza con el pasar del
tiempo de las distintas infraestructuras civiles. Gracias al avance de la
tecnología y la innovación en la ingeniería de materiales se han desarrol=
lado
procesos de modificación en diferentes polímeros, esta modificación es un
método bien conocido, y que ha logrado mejorar las propiedades de los
materiales de construcción. Metodología: la presente investigación analizó las
distintas investigaciones que se enfocan en los tipos de polímeros que
existen, basados en la composición y uso, considerando diferentes factores
como el clima, agentes bacterianos, entre otros que influyen en el deteri=
oro
de los materiales poliméricos. Resultados:
El presente estudio identifica algunas brechas de conocimiento relacionad=
as
con el entendimiento de la funcionalidad de polímeros, en especial de
aquellos que pueden ser fusionados con los materiales de construcción. Conclusión: establecer estas brechas facilita la
generación de aplicaciones para materiales poliméricos que generalmente s=
on
desechos, consiguiendo con esto promover la conservación y sostenibilidad=
de
recursos no renovables. Área de estudio general: ciencia de los materiales, Área
de estudio específica: resistencia de los materiales, Tipo de estudio: revisión
bibliográfica. |
||
|
Keywords: Polymers,
construction, strength, applications, conservation. |
|
Abstract Objectives: <=
/span>Nowadays there is a growing demand for
construction materials that are durable and sustainable, in
order to improve the long-term performance of houses and buildings=
, as
well as to improve the resistance and strength over time of the different
civil infrastructures. Thanks to the advance of technology and innovation=
in
materials engineering, modification processes have been developed in
different polymers, and this modification is a well-known method that has
improved the properties of construction materials. Methodology: The present research analyzed the different investigations that fo=
cus
on the types of polymers that exist, based on composition and use,
considering different factors such as climate, bacterial agents, among ot=
hers
that influence the deterioration of polymeric materials. Results: The present study identifies some knowl=
edge
gaps related to the understanding of the functionality of polymers,
especially those that can be fused with construction materials. Conclusion: Establishing these gaps facilitates the=
generation
of applications for polymeric materials that are generally waste, thus
promoting the conservation and sustainability of non-renewable resources.=
|
||
Introducción
De
una manera lenta pero indiscutible, nuevos materiales se están abriendo cam=
ino
en diversas aplicaciones relacionadas con la construcción y la ingeniería
civil. Los materiales poliméricos han aumentado de manera significativa su =
uso
a nivel mundial. Por su diversificación, versatilidad, alto rendimiento,
ligereza, procesabilidad además de su bajo costo y amplia gama de propiedad=
es
les permiten ser utilizados en diferentes aplicaciones comerciales e
industriales, generando así un crecimiento continuo de la demanda mundial <=
w:Sdt
Citation=3D"t" ID=3D"716404050">(Posada & Monte=
s,
2022)
Los
polímeros, sintéticos o naturales se hacen presentes en cada aspecto de la =
vida
del ser humano, ya sea en materiales modernos, equipos o algún dispositivo
médico, automovilístico o electrónico. Estos materiales han reemplazado a l=
os
materiales tradicionales debido a su bajo costo y a la posibilidad adaptati=
va
para diferentes fines.
Los materiales poliméricos juegan un
papel vital en las industrias automotriz
y aeroespacial. Las preocupaciones sobre el agotamiento de l=
as
fuentes de energía no renovables y la necesidad de reducir las emision=
es de
los vehículos en forma de gases de efecto invernadero
han aumentado el rendimiento del vehículo, lo
que exige una reducción del peso.
Por
lo tanto, cada vez se hace más notable el cambio de productos que
tradicionalmente eran metálicos por poliméricos, con propiedades que permit=
en
optimizar el uso de combustible de los vehículos
El
uso de materiales para almacenamiento y manipulación de productos químicos
supone grandes ventajas sobre los metales, materiales cerámicos, vidrio en
conjunto con el fenómeno de corrosión electroquímica, la misma que afecta a
metales y propiedades mecánicas que favorecen a los materiales antes
mencionados y ayudan con unos costes competitivos.
En
la construcción, los polímeros se utilizan para hacer que los productos, pa=
ra
diversas aplicaciones, sean aún más duraderos o con mayor capacidad de sell=
ado.
Sin embargo, los polímeros no solo se utilizan para mejorar los materiales,
sino también para evitar daños estructurales del edificio. La presente
investigación identifica y describe los mejores materiales poliméricos
empleados en el campo de la construcción, las propiedades y limitaciones que
estos materiales tienen, además de establecer varias de las aplicaciones que
los mismos tendrán en un futuro dentro de las edificaciones.
Polímeros
Un
polímero es la unión de varios monómeros. En el lenguaje vulgar a los polím=
eros
se les llama también plásticos debido a que algunos materiales poliméricos =
se
deforman plásticamente sin romperse al someterlos a tensión (es decir, se
deforman sin retornar a su estado inicial cuando cesa la carga). Algunos
polímeros también se les conocen como resinas sintéticas para diferenciarlo=
s de
aquellos que se producen en la naturaleza
Clasificación
Según
su estructura molecular y a su comportamiento mecánico a temperatura ambien=
te,
los polímeros se clasifican en termoplásticos, elastómeros y termoestables.=
Sus
estructuras moleculares esquemáticas se representan en la figura. 1:
Figura
1
Estructuras
esquemáticas
Termoplásticos:
son materiales rígidos a temperatura ambiente, pero, se vuelven deformables=
o
flexibles a mayores temperaturas; se derriten cuando se los calienta y se
endurecen cuando se los enfría. Poseen cadenas básicamente lineales, de pes=
os
moleculares altos pero finitos
· =
Pueden fundir con aplica=
ción
de calor.
· =
Son reciclables y reprocesables.
· =
Son fáciles de transform=
ar,
ya que pueden fundir.
· =
Su comportamiento mecáni=
co
abarca un rango muy amplio, dependiendo del tipo de plástico, desde plástic=
os
rígidos a plásticos muy blandos.
Elastómeros:
son materiales blandos (gomas) y además se comportan en forma elástica. Pos=
een
cadenas flexibles y masas molares “infinitas”, con un bajo grado de
entrecruzamiento. Los elastómeros son los únicos materiales conocidos que
exhiben elasticidad aún ante deformaciones de 1000%, con recuperación rápid=
a y
reversible de su forma. Ej.: el caucho natural vulcanizado
Termoestables, termoendurec=
ibles
o termoendurecibles: Son los
que se unen directamente en la forma del producto
a fabricar. También tienen una masa molar infinita y, a menudo, e=
stán
altamente correlacionados. Al igual que los elastómeros, los termoesta=
bles
no se disuelven a altas temperaturas y no se derriten, =
sino
que se descomponen y se queman, lo que los hace
imposibles de reformar. Ejemplo: Los mangos
de las ollas de baquelita son sólidos rígidos =
;y
fuertemente unidos
Sepúlveda
Aplicación en la industria automotriz y aeronáutic=
a
Cada
vez se generan nuevos y mejores materiales compuestos que permiten un aumen=
to
sustancial en la eficiencia de los vehículos, esto como consecuencia direct=
a a
una disminución considerable de su peso, atribuida a las bondades que otorg=
an
los materiales poliméricos compuestos, todo esto se refleja en una disminuc=
ión
directa gases de efecto invernadero
Figura 2
Tendencias de nuevos materiales en vehícul=
os
En
la búsqueda de sustituir las espumas tradicionales en la industria automotr=
iz y
aeronáutica elaborada con polímeros sintéticos que generan un impacto negat=
ivo
en el ambiente, se evaluó la adición de fibras de vidrio modificadas con si=
lano
a una matriz de PLA. Este nuevo material mostró un aumento sustancial en la
resistencia a la tensión, rigidez, y en la tenacidad al impacto, donde se l=
ogró
elaborar una espuma con un futuro prometedor para la generación de componen=
tes
estructurales livianos que pueden ser utilizados tanto en la industria
automotriz como en la aeronáutica
También
se han desarrollado materiales denominados verdes como alternativa para los
diferentes componentes automotrices, a partir de la utilización del PLA como
matriz polimérica, reforzados con diferentes porcentajes de fibra de lino
(7,9,13,6 y 17,6 %). La resistencia a la tracción y a la compresión del
material compuesto varía con respecto a la modificación superficial de la
fibra. Para 7,9 y 17,6 % de fibra, el módulo de Young es de aproximadamente=
26 GPa, y para 13,6 %, parece reducirse a 22 GPa, la resistencia a la compresión disminuye de 36 M=
Pa
(7,9 %) a 25 MPa (17,6 %). Por su parte, el compuesto mejora a 45 MPa al
incorporar un 13,6 % de fibra, además, el material cuenta con una absorción=
de
energía en un rango de 25 a 30 julios, propiedades que hacen posible pueda
sustituir materiales tradicionales para la elaboración de partes automotric=
es,
pues también tiene la ventaja de ser un material biodegradable
En
otros desarrollos se han investigado fibras de bagazo, un subproducto abund=
ante
en la producción de tequila mexicano, como posible material de refuerzo para
compuestos verdes de PLA mediante el moldeo por inyección y extrusión. Este
compuesto se muestra como alternativa a los materiales termoplásticos
convencionales, con propiedades mecánicas y de absorción de agua consistent=
es y
repetibles, adecuadas para componentes automotrices no estructurales, así c=
omo
para otros bienes de consumo
Los
investigadores Bax y Müssig utilizaron PLA refo=
rzado
con fibras de rayón de Cordenka y fibras de lin=
o,
generando un compuesto biodegradable. La mayor resistencia al impacto y a la
tracción se encontró para este material en una proporción de fibra-masa del=
30
%, por lo que este material puede ser utilizado en el campo de la industria=
automotriz
o electrónica.
Se
evaluó también un biocompuesto fibroso preparad=
o con
fibras de ortiga tratadas con álcali y matriz de PLA en diferentes proporci=
ones
de peso, empleando procesos de cardado y moldeo por compresión. Se observó =
que
las propiedades de tracción, flexión e impacto aumentaron inicialmente con =
el
incremento del contenido de fibra de ortiga, que llegaron a un punto crític=
o,
en el cual, al seguir aumentando el porcentaje de fibras sus propiedades
disminuyeron, y se estableció que el máximo potencial otorgado por la fibra=
en
las propiedades mecánicas está en la misma proporción en peso de fibras de
ortiga y PLA.
Un
análisis termogravimétrico demostró que el material era suficientemente est=
able
térmicamente, y el análisis mecánico-dinámico arrojó que el material presen=
ta
propiedades adecuadas para su uso, lo que demuestra un gran potencial para =
ser
aplicado en paneles de instrumentos para automóviles
En
otros estudios se recuperaron fibras de queratina (KF) de los desechos de la
industria de las curtiembres, para ser utilizados como agentes reforzantes y
retardantes de llama en una matriz de PLA, mediante un proceso de extrusión=
por
fusión. Se investigó también la acción conjunta con un retardante a la llama
tradicional sin halógenos (trihidróxido de alum=
inio).
Las fibras de KF le otorgaron propiedades de retardante a la llama al PLA, =
de
hecho, un bajo contenido de KF ha demostrado ser eficaz para pasar de la
clasificación NC (no clasificable) a la V2, según la norma UL94.
Además,
se han logrado nuevas mejoras al aprovechar la acción conjunta entre KF y <=
span
class=3DSpellE>trihidróxido de aluminio, que alcanzó la clasificació=
n V0,
la misma clasificación obtenida en la muestra objetivo que contiene 50 phr, con la diferencia de que presenta un aumento del=
16 %
en la resistencia a la tracción, deformación a la rotura en un 40 %, y la
tenacidad en un 66 %, propiedades que demuestran que este material
completamente verde podría ser utilizado en los sectores eléctricos,
electrónico y automotriz para la fabricación de paneles, armarios y piezas =
de
carcasa protectoras retardantes a la llama
Materiales poliméricos
En
el experimento realizado por Giraldo
Polipropileno
Termoplástico
comercial, semicristalino, blanco semiopaco
elaborado en una amplia variedad de calidades y modificaciones. Es una
poliolefina lineal que puede compararse en varios modos con el polietileno =
de
alta densidad y de fabricación similar. Los catalizadores utilizados contro=
lan
la estereoregularidad de tal manera que los
polipropilenos comerciales suelen ser isotácticos de
modo predominante. El homopolímero polipropileno tiene una dureza y una
resistencia térmica superiores a las del polietileno de alta densidad, pero=
una
resistencia al impacto inferior y se vuelve quebradizo por debajo de 0 ºC. Por lo tanto, las calidades =
copoliméricas
son preferidas para aplicaciones que exponen a condiciones de frío/invierno.
Estos polímeros tienen una mejor resistencia al impacto.
El
polipropileno como los polietilenos tiene una buena resistencia química pero
una resistencia débil a los rayos UV (salvo estabilización o protección
previa). Aplicaciones: para los homopolímero - envueltas de aparatos
eléctricos, embalajes, estuches de cintas, fibras, monofilamentos. Para los
copolímeros - tubos, casco de barcos, asientos y piezas para el automóvil
(p.ej. cofres de baterías y parachoques aunque e=
stos
últimos suelen ser fabricados con polipropilenos modificados con elastómero=
s)
Figura 3
Probeta polipropileno 0,=
5mm:
a) antes, b) durante, c) después del ensayo
(a)
(b)
(c)
Polietileno
Familia
de termoplásticos comerciales muy similares fabricados en cantidades
industriales y en calidades muy variadas. Suelen diferenciarse por su densi=
dad
(una buena medida de la cristalinidad), pero desde un punto de vista cientí=
fico
la mejor distinción es el grado de ramificación de las cadenas
Figura
4
Probeta
polipropileno de baja intensidad 0,2mm: a) antes, b) durante, c) después del
ensayo
(a)
(b)
(c)
Poliestireno
Homopolímero
poliestireno conocido como poliestireno "cristal". Es un
termoplástico comercial amorfo, transparente e incoloro, rígido, relativame=
nte
duro y quebradizo. Tiene buenas propiedades eléctricas, una excelente
resistencia a la radiación gamma y puede ser esterilizado por rayos X, sin
embargo, su resistencia química y a los rayos UV es débil. Modificado por
incorporación de elastómeros, se vuelve poliestireno de (alto) impacto opac=
o.
Sus aplicaciones incluyen electrodomésticos, contenedores, embalajes, barni=
ces,
difusores de luz y para el Poliestireno de alto impacto, cajones, tazas,
cubiertas de cintas musicales, etc. El poliestireno también se utiliza
ampliamente como espuma estructural y expandida en esferas para el embalaje=
y
las guarniciones
Figura
5
Probeta
polipropileno expandido 9mm: a) antes, b) durante, c) después del ensayo
(a)
(b)
(c)
Poliuretano
La
espuma flexible de poliuretano es un material producido por la reacción de =
un
poliol tipo poliéster y un polisocianato orgáni=
co en
presencia de aditivos, tales como catalizadores, colorantes y agentes activ=
os
de superficie, entre otros, que se compone principalmente de grupos uretano
distribuidos por toda la molécula. Algunas de sus aplicaciones son tapicerí=
a de
autos, marroquinería y colchonería
Figura 6
Probeta poliuretano 15kg/m3: a)
antes, b) durante, c) después del ensayo
(a)
(b)
(c)
Policloruro de vinilo PVC (Espesor 0,3 [mm])
El
Policloruro de Vinilo es un moderno, importante y conocido miembro de la fa=
milia
de los termoplásticos. Es un polímero obtenido de dos materias primas
naturales: Cloruro de sodio o sal común (ClNa) =
(57%)
y petróleo o gas natural (43%) siendo por lo tanto menos dependiente de
recursos no renovables que otros plásticos. Es uno de los polímeros más
estudiados y utilizados por el hombre para su desarrollo y confort, dado que
por su amplia versatilidad es utilizado en áreas tan diversas como la
construcción, energía, salud, preservación de alimentos y artículos de uso
diario, entre otros
Figura 7
Probeta
PVC espesor 0.3mm: a) antes, b) durante, c) después del ensayo
(a)
(b)
(c)
Polipiel (Espesor 1,2 [mm])
Es
un material sintético que se asemeja a la textura del cuero natural, su
composición es 80% PVC, 18% poliéster y 2% poliuretano, el fabricante nacio=
nal
PROQUINAL S.A. garantiza el cumplimiento de la norma FMVSS 302 en sus produ=
ctos
para la tapicería de automóviles
Figura 6
Probeta polipiel espesor 1,2mm: a) antes, =
b)
durante, c) después del ensayo
(a)
(b)
(c)
Poliéster
Las
fibras de poliéster son 50% cristalinas y el ángulo de sus moléculas puede
variar. Sus propiedades son muy sensibles a los procesos termodinámicos.
Básicamente el poliéster, a través de modificaciones químicas y físicas, pu=
ede
ser adaptado hacia el uso final que se le va a dar, como puede ser fibras p=
ara
ropa, textiles, para el hogar o simplemente filamentos o hilos. Se usa en
prendas, fabricación de empaques para bebidas, componentes eléctricos, cint=
as
adhesivas, carcazas y piezas para la industria automotriz entre otros
Figura 7
Probeta poliéster 100 %
Cabe
recalcar que los distintos materiales utilizados en la construcción, al igu=
al
que el plástico, tienen un proceso de deterioro continuo. Es por ello que
dentro de ingeniería de materiales el desarrollo de un control adecuado del
deterioro de los materiales se torna en un papel fundamental, pues es el pu=
nto
de inicio para encontrar formas con las cuales se pueda prolongar la vida ú=
til de
los mismos, con ello se disminuye la problemático de la utilización de
materiales poliméricos y de tipo caucho, que en la actualidad se constituyen
como un problema de salud pública, técnico, estético y ambiental
En
recientes investigaciones, se han desarrollado métodos que han logrado
modificar el concreto utilizado distintos polímeros, mismos que han logrado=
demostrar
que reemplazar las arenas naturales del concreto con desechos poliméricos p=
uede
ahorrar hasta 820 millones de toneladas de arena por año y reducir el CO2
emisiones
Resultados y discusión
Según
los resultados obtenidos por Giraldo
Tabla 1
Velocidad de combustión de materiales
poliméricos
|
=
Mat=
erial |
=
Vel=
ocidad
quemado (mm/min) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
La
mayor velocidad de combustión permitida por la norma FMVSS 302 para vehícul=
os
de transporte es de 4 [in/min] (102 [mm/min]).
Comportamiento
de los diferentes materiales poliméricos durante la combustión. Durante los
ensayos se prestó atención a las características de quemado que se enuncian=
en
la tabla I, de la probeta durante la combustión:
Tabla 2
Referencias
de características de cada material polimérico durante la combustión
|
=
Car=
acterísticas/Material |
=
Ini=
cio
de llama |
=
Olo=
r |
=
Cen=
izas |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Medio |
|
|
|
|
|
No |
|
|
|
|
No |
|
|
|
|
No |
|
|
|
|
No |
|
|
|
|
No |
|
|
|
|
Si |
|
|
|
|
Si |
|
|
|
|
No |
Conclusiones
Una
vez realizada la búsqueda de la información pertinente en fuentes científic=
as y
bases teóricas verídicas se determina que la materia está constituida por
moléculas gigantes conocidas como polímeros, los cuales se producen por la
unión de miles de moléculas conocidas como monómeros, donde se forman enorm=
es
cadenas de formas diversas con apariencia de fideos por así decirlo, a la v=
ez
presentan ramificaciones que se asemejan a escaleras de mano o redes
tridimensionales.
Los
polímeros poseen una excelente resistencia mecánica debido a que las cadenas
poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de
como estén compuestas químicamente y varían dependiendo la clase a la que
pertenezcan. Además, debido a su diversificación, alto rendimiento,
versatilidad, procesabilidad y ligereza se ajustan al nuevo planteamiento, =
por
lo cual es comprensible que desde aproximadamente los años ochenta la
producción mundial de plásticos ha superado con gran peso a la producción de
acero.
Finalmente,
de acuerdo con el estudio se identificó que las mezclas de polipropileno se
preparan en un extrusor monohusillo utilizando
concentraciones de combustión acorde a los materiales empleados, a la vez se
determina la velocidad de quemado de cada material polimérico.
Conflicto de intereses
Los autores certifican que no existe
conflicto de intereses en el artículo “Estado del arte sobre la utilización=
de
Materiales Poliméricos para las construcciones”.
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