¿Qué son los plásticos de ingeniería?

1. Plásticos: una breve introducción

Los plásticos de ingeniería son el término colectivo que designa a una familia de materiales plásticos que ofrecen una excelente resistencia y resistencia al calor. Más específicamente, los plásticos de ingeniería son resinas altamente funcionales con una resistencia al calor típica superior a los 100 °C, una resistencia superior a los 49 MPa (500 kgf/㎠) y un módulo de flexión superior a los 2,4 GPa (24 500 kgf/㎠).

Para apreciar las propiedades únicas de los plásticos de ingeniería es necesario tener una comprensión básica de los plásticos en general. Los plásticos son sustancias cuyas estructuras químicas consisten en polímeros en cadena; como se muestra en la Figura 1, se trata de moléculas alargadas, en las que hasta 1.000 o más átomos de carbono están encadenados entre sí en una estructura flexible que puede moverse con relativa libertad de forma aislada. Sin embargo, cuando estas largas moléculas se agrupan, se entrelazan tan estrechamente que es difícil (al menos a temperaturas normales) que una molécula se separe de las demás. A altas temperaturas, por otro lado, el movimiento molecular se activa y las fuerzas que restringen a las moléculas vecinas se relajan gradualmente, lo que permite que las moléculas se muevan con mayor libertad. Esta es la razón por la que los plásticos se funden a altas temperaturas.

Cuando los plásticos se rompen o se deterioran en disolventes, es porque sus moléculas alargadas se separan entre sí. Sin embargo, la longitud de las cadenas moleculares que componen los plásticos típicos es suficiente para garantizar que las moléculas no tiendan a separarse en condiciones de uso normales.
Estas propiedades de comportamiento de los polímeros en cadena son suficientes para explicar las características más importantes de los plásticos:

(1) Su resistencia y dureza son suficientes para soportar aplicaciones prácticas.
(2) Son sólidos a temperatura ambiente.
(3) A temperaturas más altas se funden y pueden moldearse en casi cualquier forma.

2. ¿Qué son los plásticos de ingeniería?

Entre los distintos tipos de plásticos, el término plásticos de ingeniería se refiere a una familia particular de materiales plásticos que ofrecen un rendimiento inusualmente alto. Para evitar la fusión, incluso a altas temperaturas, y minimizar la degradación en presencia de disolventes, se debe evitar que las cadenas moleculares de los plásticos se muevan. Como se describe en la columna 1, existen varias estrategias para lograrlo; en el caso de los plásticos de ingeniería, el enfoque más común es insertar átomos distintos del carbono (indicados con una X en la figura 2) en las cadenas moleculares.

Los enlaces CX suprimen el movimiento molecular más que los enlaces CC, lo que aumenta las temperaturas de fusión; insertar anillos de benceno en lugar de átomos individuales produce efectos de supresión de movimiento aún mayores.

3. Tipos de plásticos de ingeniería

Entre las diversas categorías de plásticos de ingeniería, los más utilizados son los conocidos como plásticos de ingeniería de uso general, de los cuales las cinco variedades más importantes se conocen como los cinco plásticos de ingeniería principales.​
Para lograr mayores mejoras en el rendimiento, normalmente es necesario aprovechar las ventajas de los anillos de benceno. Los plásticos de ingeniería fabricados con una mayor concentración de anillos de benceno en las cadenas primarias (lo que mejora varias propiedades físicas, especialmente la resistencia al calor) se conocen a veces como superplásticos de ingeniería.

Se puede encontrar mucha más información sobre las distintas categorías y tipos de plásticos de ingeniería y súper plásticos de ingeniería en la serie Fundamentos del análisis CAE, y específicamente en el Volumen 2: Aspectos básicos del CAE de plásticos.

4. Panorama de los cinco principales plásticos de ingeniería

En la Tabla 1 se presenta una descripción general de los cinco principales plásticos de ingeniería.

Las tres variedades superiores son resinas cristalinas (véase la columna 2), ordenadas de mayor a menor cristalinidad. Las dos variedades inferiores son resinas no cristalinas. Entre todos los plásticos de ingeniería de uso general, el policarbonato es la única resina no cristalina transparente. Aunque el éter de polifenileno modificado (PPE) también es una resina no cristalina, el PPE rara vez se utiliza de forma aislada; en cambio, se utiliza normalmente como material de aleación de polímeros (columna 3). El PPE puro presenta una alta resistencia al calor, pero es difícil moldearlo en formas complejas; la aleación con otras resinas, como el poliestireno, produce materiales que se pueden moldear fácilmente y que ofrecen una variedad de propiedades deseables.

A continuación, analizamos brevemente las características clave de los cinco principales plásticos de ingeniería.

Poliacetal (POM)

De los cinco principales plásticos de ingeniería, el poliacetal tiene la cristalinidad más alta, lo que garantiza una excelente resistencia a la abrasión que lo convierte en un material ideal para engranajes, soportes de ejes y otros componentes que deben soportar movimientos deslizantes frecuentes. El POM existe en dos variedades: homopolímero y copolímero (columna 3). El POM homopolímero tiene un alto punto de fusión y una excelente resistencia y rigidez, mientras que el POM copolímero es flexible y ofrece una excelente resistencia a la degradación inducida por el calor, resistencia química y resistencia a la intemperie.

Poliamida (PA)

La poliamida (PA) existe en muchas variedades, de las cuales los dos plásticos de ingeniería de uso general más utilizados como materiales estructurales son la PA6 y la PA66. La PA es una resina cristalina en la que las fuertes fuerzas intermoleculares, derivadas de la presencia de grupos amida, garantizan excelentes propiedades mecánicas y resistencia a los disolventes. Entre los grados de resinas de poliamida más utilizados se encuentran los grados especializados que ofrecen un rendimiento especialmente alto en áreas específicas, como la resistencia al fuego o al calor, así como los grados reforzados con fibras de vidrio u otros rellenos.
Además de los plásticos de ingeniería de uso general PA6 y PA66, existen muchas variedades especializadas de resinas de poliamida, incluidas PA612 y PA12, que incorporan menos grupos amida para reducir la absorción de agua; PA610 y PA11, que están hechas de ingredientes derivados de plantas; y PA4T, PA6T y PA9T, que incorporan anillos de benceno para aumentar la resistencia al calor.

Tereftalato de polibutileno (PBT)

El PBT, una resina cristalina cuyas cadenas primarias contienen anillos de benceno, ofrece excelentes propiedades mecánicas y resistencia a los solventes. Este material también presenta una baja absorción de agua, buena estabilidad dimensional y excelentes propiedades eléctricas, y se modifica fácilmente para agregarle retardancia de llama o refuerzo de fibra. Estas características hacen del PBT una opción de material ampliamente utilizada para componentes automotrices y eléctricos.

Policarbonato (PC)

El policarbonato (PC), una resina no cristalina cuyas cadenas primarias contienen anillos de benceno, es el único material transparente entre los plásticos de ingeniería de uso general. El PC se utiliza para fabricar lentes y otros componentes ópticos, así como medios de almacenamiento óptico como DVD. Los materiales de aleación formados mediante la mezcla de PC con ABS presentan una excelente resistencia al impacto y buenas propiedades de formación y se utilizan para productos como carcasas de electrodomésticos.

Éter de polifenileno modificado (m-PPE)

El M-PPE es una resina no cristalina que presenta la gravedad específica más baja de todos los plásticos de ingeniería de uso general, lo que la convierte en una buena opción para componentes livianos que facilitan la reducción del peso del producto. El M-PPE presenta buena resistencia al calor, buena resistencia a los productos químicos inorgánicos y alta precisión dimensional; también es relativamente fácil hacerlo retardante de llama debido a la resistencia a la combustión del PPE. Aunque, como se señaló anteriormente, el PPE presenta una alta resistencia al calor, sus malas propiedades de moldeabilidad hacen que el PPE puro sea un material difícil de moldear en formas complejas. Por esta razón, el PPE a menudo se modifica mediante aleación con poliestireno u otras resinas para producir materiales fácilmente moldeables que presentan una variedad de otras propiedades deseables. En los últimos años, el PPE se ha mezclado con una variedad cada vez más amplia de resinas distintas del poliestireno para producir materiales novedosos que abordan un espectro diverso de necesidades. El término M-PPE, abreviatura de "PPE modificado", tiene como objetivo describir materiales que se vuelven especialmente fáciles de usar mediante la explotación de aleaciones de polímeros.

5. El impacto ambiental de los plásticos de ingeniería

En comparación con los plásticos de uso general, el uso de plásticos de ingeniería reduce el volumen total de ingredientes materiales necesarios para producir productos de calidad idéntica; además, la sustitución de átomos de carbono por otros elementos en las cadenas primarias ayuda a reducir el volumen de gases de efecto invernadero emitidos cuando los productos se queman después de su uso. Además, muchos de los ingredientes utilizados para producir plásticos de ingeniería (incluidos alcoholes, ácidos carboxílicos, fenoles, aminas y amidas) son de origen vegetal o se sintetizan fácilmente a partir de sustancias derivadas de plantas, lo que facilita los esfuerzos para reducir el uso de recursos de combustibles fósiles. Por ejemplo, el aceite de ricino (un ingrediente clave utilizado para fabricar poliamida 11 y poliamida 610) es de origen vegetal, mientras que la formalina, utilizada para fabricar poliacetal, se obtiene a partir de la oxidación del metanol, que a su vez puede producirse mediante la fermentación de ingredientes de origen vegetal.
De los muchos productos fabricados con plásticos de ingeniería, los componentes industriales están entre los más importantes y numerosos, mientras que los plásticos de un solo uso (la aplicación principal de la mayoría de los materiales plásticos de uso general) son raros.
El problema cada vez más grave del calentamiento global exige que se preste atención urgente al objetivo de reducir la huella ambiental en todos los ámbitos de la vida, y los plásticos de ingeniería no son una excepción: los esfuerzos por reducir los volúmenes de material y aumentar la vida útil de los productos, tanto en la fabricación como en el uso de plásticos de ingeniería, son de importancia central. De hecho, si se duplica la vida útil de un producto, se puede afirmar que su impacto ambiental total, desde el uso hasta el descarte, se reduce a la mitad.
Por lo tanto, el desafío de aumentar la funcionalidad y extender la vida útil de una amplia gama de materiales representa un paso clave para minimizar el daño al medio ambiente de la Tierra.

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Columna 1: Estrategias de mejora del rendimiento para polímeros en forma de cadena

El desafío de mejorar las propiedades materiales de los plásticos (incluida la resistencia, la resistencia química y la resistencia al calor) se puede reducir, con sólo una pequeña simplificación, a un objetivo general: restringir el movimiento de las moléculas. Por ejemplo, el fenómeno de la deformación de la forma se produce cuando las moléculas vecinas cambian su configuración dinámica, mientras que fenómenos como la ruptura, la fusión y la disolución se deben a que las moléculas vecinas se separan entre sí. Por lo tanto, para suprimir la ocurrencia de todos estos fenómenos es necesario suprimir el movimiento molecular, y existen diversas estrategias para lograrlo, de las cuales las más importantes se resumen en la Tabla 2.

Como se muestra en la Tabla 2, el rendimiento se puede aumentar de dos maneras principales: restringiendo el movimiento individual de las propias moléculas o suprimiendo el movimiento intermolecular de las moléculas en relación con otras moléculas vecinas. En el primer caso, el factor clave es la longitud de las moléculas en forma de cadena de un plástico; cuanto más larga sea cada cadena molecular, más se restringirá su movimiento por la presencia de cadenas vecinas, lo que aumenta el rendimiento. El rendimiento se puede mejorar aún más insertando átomos que no sean de carbono o anillos de benceno en las cadenas moleculares para aumentar su rigidez (Figura 2) o aumentando el tamaño de las cadenas laterales para obstruir el movimiento molecular. La modificación de las cadenas primarias sirve para aumentar la resistencia al calor. Estas técnicas se utilizan sin excepción para mejorar el rendimiento de los plásticos de ingeniería (Tablas 2 y 3).

La estrategia de agrandar las cadenas laterales para aumentar la rigidez es relativamente fácil de implementar y, por lo tanto, se utiliza para diversificar las propiedades de los plásticos de uso general. Sin embargo, este enfoque no afecta la estructura de las cadenas primarias y, por lo tanto, produce una mejora mínima en la resistencia al calor.

El otro enfoque —el fortalecimiento de las fuerzas intermoleculares—tiene como objetivo evitar que las moléculas vecinas se separen e incluye estrategias como la cristalización para producir configuraciones ordenadas, técnicas para optimizar las estructuras moleculares y esfuerzos para aumentar las afinidades intermoleculares.

Columna 2: Cristalinidad

A medida que una molécula en forma de cadena se alarga, adopta una configuración en zigzag como la que se muestra en la Figura 3. Cuando una molécula en ese estado se aproxima a otra molécula, las moléculas se asientan gradualmente en un estado de estabilidad máxima a una cierta distancia intermolecular fija. A medida que este proceso se repite, las cadenas alargadas acaban formando una configuración que consiste en formaciones periódicas de moléculas espaciadas regularmente (Figura 3), es decir, forman un cristal. Los cristales son más estables y más densos que los estados no cristalinos de la materia, y sus fuertes fuerzas intermoleculares garantizan una alta resistencia al calor y buenas propiedades mecánicas.
Los únicos polímeros capaces de formar cristales son aquellos cuyas estructuras moleculares permiten una fácil alineación en matrices; los plásticos formados a partir de dichos materiales se conocen como plásticos cristalinos. Por el contrario, los plásticos que no forman cristales se conocen como plásticos no cristalinos.

Columna 3: Copolímeros y aleaciones de polímeros

Una técnica muy utilizada consiste en mezclar el plástico X con el plástico Y para obtener un nuevo material con propiedades intermedias entre las sustancias que lo componen; como se muestra en la Figura 4, existen dos formas principales de hacerlo. El primer método, conocido como copolimerización, consiste en mezclar los componentes X e Y a nivel submolecular, lo que da lugar a productos conocidos como copolímeros. Los polímeros que contienen un solo componente de cadena molecular se conocen como homopolímeros.
El segundo enfoque comienza formando por separado moléculas de sustancia X y moléculas de sustancia Y, para luego mezclar los dos tipos de moléculas para producir una aleación de polímero, un término tomado de la metalurgia para enfatizar la analogía con las aleaciones de metales.

 

(Escrito por Isao Sato, Oficina Técnica de Isao Sato)

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