¿Qué son las resinas de poliamida (resinas de nailon)?

1. ¿Qué son las resinas de poliamida (resinas de nailon)?

Las resinas de poliamida son materiales poliméricos termoplásticos que consisten en cadenas primarias formadas por enlaces amida repetidos (Figura 1). Los materiales de poliamida suelen conocerse con el término nailon, un nombre comercial introducido por Dupont (quien llevó a cabo la primera síntesis exitosa del mundo de poliamida 66) que desde entonces se ha convertido en un nombre común.

Las poliamidas se desarrollaron originalmente como materiales para fibras sintéticas, pero sus excelentes propiedades físicas (incluida alta resistencia mecánica, resistencia al calor y resistencia química) eventualmente llevaron a su adopción como materiales de moldeo por inyección para una amplia gama de aplicaciones, desde componentes automotrices e industriales hasta electrodomésticos y más.

Al seleccionar varios tipos de monómeros, entre ellos lactamas, diaminas y ácidos dicarboxílicos, se pueden fabricar poliamidas con una amplia variedad de cadenas principales moleculares. Aquí nos centraremos principalmente en dos resinas de poliamida cristalinas que se utilizan ampliamente como plásticos de ingeniería de uso general: poliamida 6 (PA6 o nailon 6) y poliamida 66 (PA66 o nailon 66).

2. Variedades de poliamidas (nailon) y su nomenclatura

Como se muestra en la Figura 2-1, existen dos tipos de procesos para producir poliamidas: uno en el que los ingredientes básicos son ácidos carboxílicos y aminas, y otro en el que se utilizan ácidos dicarboxílicos y diaminas. Las poliamidas producidas mediante el primer método se conocen como poliamidas de tipo n, mientras que el segundo produce poliamidas de tipo m,n.

Por ejemplo, la poliamida 6 es un material de tipo n sintetizado mediante polimerización por apertura de anillo de caprolactama, un compuesto intermedio producido por la ciclización por condensación de un ácido carboxílico y una amina. El término "poliamida 6" deriva del hecho de que el número de átomos de carbono entre cada enlace amida [el número total de átomos de C en los grupos carbonilo y R (metileno) en la Figura 2-1] es 6 (Figura 2-2).

Por otro lado, la poliamida 66 es un material de tipo m,n sintetizado por polimerización por condensación de ácido adípico (que contiene m=6 átomos de carbono) y hexametilendiamina (que contiene n=6 átomos de carbono), con enlaces amida formados por reacciones de deshidratación entre ácidos carboxílicos y aminas (Figura 2-2).

3. Características principales de las resinas de poliamida (resinas de nailon)

(1) Ventajas

En general, las poliamidas ofrecen las siguientes propiedades físicas excepcionales.

・Excelentes propiedades mecánicas
・Excelente resistencia a la fricción y a la abrasión.
・Excelente resistencia al calor
・Excelente resistencia a disolventes orgánicos.
・Alta afinidad por diversas sustancias, lo que permite mezclarlo con, por ejemplo, pigmentos, estabilizadores, aditivos y reforzadores de resistencia.
・Excelente resistencia a la ruptura dieléctrica

Por otro lado, las poliamidas pueden ser difíciles de utilizar por las siguientes razones.

・Las dimensiones y propiedades físicas de los componentes pueden variar según la humedad del entorno de uso.
・La exposición prolongada a la humedad a altas temperaturas puede degradar las propiedades físicas debido a la reducción de la masa molecular.

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(2) Los papeles que desempeñan los grupos amida en las cadenas moleculares que componen las poliamidas.

a. Enlaces más fuertes entre moléculas.

Como se muestra en la Figura 3, los átomos de hidrógeno (H) unidos a los átomos de nitrógeno (N) en los grupos amida muestran afinidad por los átomos de oxígeno (O) en las cadenas moleculares cercanas, lo que conduce a la formación de enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno sirven para restringir las posiciones relativas de las cadenas moleculares, restringiendo el movimiento molecular para aumentar la fuerza y la resistencia al calor (Figura 3). La reducción del número de átomos de carbono (grupos metileno) —indicados como Rm y Rn en la Figura 2 e indicados por círculos oscuros en la Figura 3— aumenta la proporción de grupos amida y, por lo tanto, la prevalencia de enlaces de hidrógeno, lo que tiende a aumentar la resistencia mecánica y la resistencia al calor (lo que produce puntos de transición vítrea y puntos de fusión más altos).

b. Mayor tenacidad

La alta afinidad de los grupos amida por el agua tiende a aumentar la absorción de agua de las poliamidas en relación con otras resinas. Cuando las poliamidas absorben agua, su tenacidad aumenta debido a la presencia de moléculas de agua entre los grupos amida, pero también presentan otros cambios menos deseables, incluidas variaciones dimensionales, temperaturas de transición vítrea reducidas y menor rigidez (Figura 3). En consecuencia, el uso práctico de los materiales de poliamida requiere prestar especial atención a la posibilidad de variaciones en las propiedades del material causadas por la absorción de agua.

4. Aplicaciones de las resinas de poliamida (resinas de nailon)

Las poliamidas son una opción particularmente eficaz de materiales para los componentes que rodean los motores de los automóviles (Figura 4), donde la resistencia superior al calor y a los aceites de las poliamidas permite que los componentes permanezcan estables en entornos de alta temperatura mientras están en contacto con sustancias como gasolina, lubricantes y agentes anticongelantes. Las poliamidas también son materiales ideales para los componentes de los sistemas de admisión y escape de gases, que requieren una alta resistencia al calor, y para los componentes que requieren un buen aislamiento eléctrico, como los conectores en los sistemas eléctricos.

Las poliamidas también se utilizan en una amplia variedad de otros tipos de productos, incluidos electrodomésticos, herramientas de cocina que exigen una buena resistencia al calor, dispositivos de control de temperatura y sistemas de circulación de agua. Además, el uso de poliamidas en componentes utilitarios como cremalleras y bridas para cables puede mejorar la fiabilidad y agilizar los procesos de montaje.

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5. Consideraciones prácticas sobre el uso de resinas de poliamida (resinas de nailon)

Para aprovechar al máximo las propiedades únicas de las poliamidas es necesario prestar especial atención a una serie de consideraciones prácticas. Entre las más importantes se encuentran el control adecuado de la humedad durante el proceso de formación y el conocimiento del impacto de la humedad en el rendimiento del producto.

La figura 5 muestra los resultados de un experimento que cuantifica las variaciones dimensionales en un componente de poliamida formado que se mantuvo en reposo durante un largo período de tiempo. En este experimento, una placa formada a partir de poliamida se mantuvo durante dos años en una cámara de medición, sin control de temperatura y humedad, y se midió a intervalos regulares. Partiendo de un estado en el que no se había producido ninguna pérdida de humedad, las dimensiones de la placa aumentan durante aproximadamente los primeros seis meses debido a la absorción de agua y otros factores. A partir de entonces, las dimensiones de la placa varían periódicamente debido a las variaciones estacionales de temperatura y humedad.

6. Variedades de resinas de poliamida (resinas de nailon) y cómo se diferencian

Como se señaló anteriormente, al variar la longitud de la cadena lipídica (grupo metileno) marcada con R en la Figura 3, es posible fabricar materiales de poliamida con diferentes propiedades de rendimiento. Como se explica en la Sección 3-2, al reducir el número de grupos metileno aumenta la proporción de grupos amida y, por lo tanto, la prevalencia de enlaces de hidrógeno, y la relación de grupos metileno a amida influye en las propiedades físicas, como la resistencia y la resistencia al calor. Más específicamente, las unidades R más cortas producen mayor resistencia y rigidez y puntos de fusión más altos. Por el contrario, las unidades R más largas permiten que las cadenas moleculares se muevan más fácilmente y reducen la absorción de agua debido a la menor prevalencia de grupos amida, que son responsables de la absorción de agua en las poliamidas. Además, los diferentes tipos de poliamidas se fabrican a partir de diferentes materias primas, algunas de las cuales, como se indica en la siguiente sección, pueden derivarse de la biomasa. La Figura 6 resume los datos clave sobre varias variedades comunes de poliamida.

7. Utilización de recursos de biomasa para fabricar resinas de poliamida (resinas de nailon)

Las poliamidas se fabrican normalmente a partir de ácidos dicarboxílicos y diaminas, pero las sustancias derivadas de plantas también pueden modificarse biológica o químicamente para obtener materias primas para poliamidas. La producción de estas poliamidas derivadas de biomasa ya está en marcha en Asahi Kasei, con ejemplos que incluyen la poliamida 610 (sintetizada a partir de hexametilendiamina y ácido sebácico) y la poliamida 11, hecha a partir de ácido aminoundecanoico. El ácido sebácico y el ácido aminoundecanoico se fabrican a partir de aceite de ricino, un tipo de aceite vegetal.
Asahi Kasei también está realizando activamente esfuerzos de investigación dirigidos a usos industriales de vías metabólicas en microorganismos (con azúcares como ingredientes principales) para producir precursores de origen biológico para la producción de poliamida.

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Columna: Grupos polares

Los compuestos orgánicos contienen enlaces covalentes (Figura 7), en los que los átomos vecinos comparten electrones para producir moléculas estables. Cuando los dos átomos de un par vecino son idénticos (como los pares CC de la izquierda en la Figura 8), el movimiento de sus electrones compartidos se concentra en la región exactamente equidistante entre los dos núcleos. Por otro lado, en pares vecinos de átomos diferentes, como los pares CX de la derecha en la Figura 8, los electrones compartidos sienten diferentes fuerzas de enlace de los dos núcleos y, por lo tanto, tienden a localizarse más cerca de uno de los dos átomos. Esto se conoce como grupo polar.

Las diferentes fuerzas de enlace que sienten los electrones en los grupos polares dan lugar a regiones ricas en electrones y pobres en electrones, que se aproximan entre sí e intentan estabilizarse a una distancia adecuada. En las poliamidas, la región H de los pares NH es rica en electrones, mientras que la región O de los enlaces C=O es pobre en electrones, con lo que estas regiones se asientan en un estado estable separadas por una distancia fija; esto mejora la fuerza entre las moléculas y ayuda a mejorar el rendimiento del material.

Además, muchos compuestos inorgánicos contienen enlaces iónicos y, por lo tanto, son bastante compatibles con los plásticos que contienen grupos polares. Esta es la razón de la capacidad de absorción de agua de las poliamidas. Además del agua, la afinidad de las poliamidas por las fibras de vidrio, los colorantes, los retardantes de llama y otros aditivos permite la creación de compuestos especializados que ofrecen una variedad de propiedades funcionales.

 

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

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