¿Qué son los éteres de polifenileno modificados (resinas PPE modificadas)?

1. ¿Qué son los éteres de polifenileno modificados (resinas PPE modificadas)?

El éter de polifenileno modificado (PPE modificado o m-PPE) es el nombre común de una familia de aleaciones de polímeros formadas mediante la mezcla de resina de éter de polifenileno modificado (PPE), un tipo de plástico de ingeniería no cristalino, con varias otras resinas. La resina PPE es una resina no cristalina con una temperatura de transición vítrea de alrededor de Tg = 210 °C; las cadenas moleculares primarias de esta resina consisten en anillos de benceno unidos por enlaces de éter, lo que hace que la resina sea altamente resistente a la hidrólisis. La resina PPE exhibe baja absorción de agua y cuenta con una gravedad específica baja de solo 1,06, la más pequeña de todos los plásticos de ingeniería de uso general. La resina PPE también tiene el coeficiente de expansión lineal más pequeño de todos los plásticos de ingeniería de uso general, lo que garantiza una excelente estabilidad dimensional. Otras ventajas de la resina PPE incluyen sus propiedades eléctricas superiores, incluida una excelente permitividad dieléctrica y tangente de pérdida en un amplio rango de frecuencias. La resina PPE se distingue además por su excelente resistencia a los ácidos y álcalis. Por otro lado, las desventajas de la resina PPE pura incluyen una alta viscosidad en estado fundido (lo que dificulta su moldeo en las formas deseadas) y una susceptibilidad a la degradación en presencia de solventes a base de hidrocarburos aromáticos, como los aceites.
El éter de polifenileno modificado también se denomina óxido de polifenileno modificado (PPO modificado o m-PPO). Sin embargo, PPO es una marca registrada y el nombre genérico es PPE.

La resina PPE rara vez se utiliza en su forma pura, pero con frecuencia se mezcla con poliestireno (PS) u otras resinas para producir una amplia variedad de materiales de aleación. Las aleaciones de PPE y PS pueden lograr una solubilidad completa para valores arbitrarios de la relación de componentes PPE/PS, y este hecho se puede aprovechar para mejorar la fluidez y cubrir una amplia gama de comportamiento resistente al calor, lo que hace que PPE/PS sea uno de los sistemas de aleaciones de polímeros más importantes de todos. Las resinas PPE también se mezclan fácilmente con retardantes de llama no bromados ni clorados para producir materiales retardantes de llama. Además, el PPE se puede alear con materiales como poliamida (PA), polipropileno (PP), sulfuro de polifenileno (PPS) o elastómeros como SEBS para producir nuevos materiales que combinen las ventajas mencionadas anteriormente de las resinas PPE con las características de las diversas resinas asociadas.

El proceso de aleación de resina PPE con otras resinas para mejorar las propiedades del material se conoce como modificación, y los materiales resultantes se conocen como resinas PPE modificadas (m-PPE).

2. Producción de resinas de éter de polifenileno modificado (PPE modificado)

2-1. Producción de EPI

La producción de PPE comienza con la síntesis de 2,6-xilenol a partir de fenol y metanol. El 2,6-xilenol se utiliza luego como ingrediente básico para un proceso de polimerización oxidativa (acoplamiento oxidativo) que produce ésteres a través de una reacción de deshidratación entre los grupos OH del 2,6-xilenol y el átomo de H (hidrógeno) en el sitio 4 de los anillos de benceno vecinos del 2,6-xilenol. El PPE se sintetiza a través de repetidas ocurrencias de esta reacción.

2-2. Producción de EPI modificados

Como se ha indicado anteriormente, la resina PPE pura tiene una viscosidad extremadamente alta en su estado fundido, lo que dificulta su moldeo en las formas deseadas. Para mejorar su comportamiento de moldeo, el PPE se suele combinar con otras resinas para obtener aleaciones conocidas como resinas PPE modificadas. El término "compuesto" se refiere a un proceso en el que una resina base se mezcla con otras sustancias (incluidas otras resinas, reforzantes, tintes o pigmentos para la coloración o varios otros tipos de aditivos que proporcionan propiedades específicas) para lograr los niveles deseados de rendimiento y funcionalidad. Una ventaja clave de las resinas PPE modificadas es la enorme variedad de aleaciones de polímeros (que satisfacen una enorme variedad de necesidades de materiales) que se pueden lograr variando el tipo y la proporción de los materiales asociados añadidos durante el proceso de combinación. Algunas de las categorías más importantes de aleaciones de polímeros se analizan a continuación en la Sección 4, Variedades y aplicaciones de las resinas de éter de polifenileno modificado (PPE modificado).

3. Características principales de los EPI y resinas de EPI modificadas

• Resistencia al calor:
La resina PPE pura tiene un punto de transición vítrea de aproximadamente 210 °C. Las resinas PPE modificadas presentan un rango de comportamiento según el material asociado utilizado para formar la aleación: desde grados de alta fluidez con temperaturas de deflexión térmica por debajo de los 100 °C hasta grados altamente resistentes al calor con temperaturas de deflexión térmica por encima de los 200 °C.
• Resistencia al fuego:
El índice de oxígeno (una medida de la cantidad de oxígeno necesaria para la combustión) de la resina PPE pura es 28, un valor alto que indica que es relativamente fácil hacer que este material sea ignífugo. La línea de resinas PPE modificadas de Asahi Kasei incluye varios grados con excelente resistencia al fuego en el nivel UL94 V-0.
• Gravedad específica baja:
La resina PPE es un material liviano cuya gravedad específica (solo 1,06) es la más baja de todos los plásticos de ingeniería.
• Aislamiento eléctrico:
Las resinas de PPE tienen una alta resistividad volumétrica, lo que hace que estos materiales sean excelentes aislantes eléctricos. La excelente resistencia al rastreo y otras propiedades eléctricas favorables de las resinas de PPE hacen que estos materiales sean una opción común para una amplia variedad de productos.
• Baja absorción de agua:
La resina PPE pura es un material con baja absorción de agua. Las resinas PPE modificadas conservan esta ventaja, ya que presentan cambios mínimos en las propiedades físicas y una variación dimensional mínima al absorber agua.
• Resistencia a la hidrólisis:
Las resinas PPE modificadas poseen una excelente resistencia al calor y la ausencia de ésteres o amidas en sus estructuras químicas también garantiza una excelente resistencia al agua caliente y a la hidrólisis.
• Resistencia a ácidos y álcalis:
Una característica característica de las resinas PPE modificadas es su fuerte resistencia a los ácidos y álcalis.
• Baja permitividad dieléctrica y baja tangente de pérdida dieléctrica:
La resina PPE presenta una permitividad dieléctrica baja y una tangente de pérdida dieléctrica baja en un amplio rango de frecuencias, y estas propiedades permanecen prácticamente inalteradas ante variaciones en la temperatura y la humedad de funcionamiento. Las bajas pérdidas de transmisión que se pueden lograr con resinas PPE modificadas hacen que estos materiales sean una opción común para los componentes de los sistemas de información y comunicación.
• Bajo coeficiente de expansión lineal:
La resina PPE exhibe el coeficiente de expansión lineal más bajo de todos los plásticos de ingeniería, lo que minimiza la contracción durante el moldeo y garantiza una excelente estabilidad dimensional y precisión dimensional.

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4. Variedades y aplicaciones de resinas de éter de polifenileno modificado (PPE modificado)

(1) Aleaciones de PS

Los ejemplos arquetípicos de aleaciones de polímeros son las aleaciones entre PPE y poliestireno (PS). La capacidad de estas aleaciones para lograr una solubilidad completa para valores arbitrarios de la relación de componentes PPE/PS se puede aprovechar para mejorar la fluidez y cubrir una amplia gama de comportamiento resistente al calor. Las aleaciones de PPE/PS se pueden hacer fácilmente ignífugas mediante la adición de retardantes de llama no bromados ni clorados, y las excelentes propiedades eléctricas de estos materiales los convierten en una opción común para componentes eléctricos y electrónicos. En particular, las aleaciones que contienen una alta relación de PS a PPE ofrecen una excelente fluidez y se pueden utilizar como materiales para componentes moldeados de gran tamaño, como chasis de electrodomésticos. Por otro lado, los grados que contienen una alta relación de PPE a PS ofrecen una resistencia al calor excepcional y se utilizan para productos como cajas de conexiones en sistemas de generación de energía solar.

La combinación de aleaciones de PPE/PS con fibras de vidrio u otros rellenos puede dar lugar a compuestos con mayor resistencia, rigidez y precisión dimensional. Las aplicaciones habituales de estos grados reforzados con relleno incluyen cajas y chasis para impresoras, electrodomésticos de oficina y otros instrumentos de precisión (que requieren la alta estabilidad dimensional de las resinas de PPE modificadas), así como bombas, válvulas mezcladoras y otros componentes de sistemas de suministro y drenaje de agua, que deben ser resistentes a la hidrólisis.

En los últimos años, la gama de aplicaciones de las aleaciones de EPI/PS se ha ampliado para incluir sistemas de baterías montados en vehículos (que aprovechan la baja gravedad específica, la resistencia al calor y la estabilidad dimensional de estos materiales) y sistemas de comunicación de última generación, que aprovechan su baja permitividad dieléctrica y su baja tangente de pérdida dieléctrica. En el futuro, hay motivos para esperar una expansión continua del mercado de aleaciones de EPI/PS.

(2) Aleaciones de PA

La poliamida (PA) es un plástico de ingeniería cuya excelente resistencia al calor, fuerza y resistencia al aceite la han convertido en un material ampliamente utilizado para componentes automotrices. Sin embargo, la naturaleza altamente absorbente de agua de la PA puede dar lugar a una variación significativa en las propiedades del material y las dimensiones del componente según el entorno de uso, un punto que exige una consideración cuidadosa para su implementación práctica. Debido a que el PPE casi no muestra absorción de agua, la aleación con PPE puede reducir drásticamente la absorción de agua de la PA, mitigando un inconveniente clave de las resinas de PA. Esta posibilidad se ha aprovechado para desarrollar materiales de aleación de PA para su uso en la formación de componentes del sistema eléctrico automotriz y productos relacionados.

(3) Aleaciones de PP

El polipropileno (PP) es un plástico de uso general que ofrece un excelente equilibrio de propiedades deseables, como baja gravedad específica, resistencia al aceite, resistencia química, resistencia y dureza. Las aleaciones de PPE con PP ofrecen una mejor resistencia al calor y precisión dimensional en comparación con los materiales de PP convencionales y se utilizan para aplicaciones como sistemas de baterías montados en vehículos.

(4) Aleaciones plásticas de súper ingeniería

Asahi Kasei también desarrolla materiales de aleación en los que el PPE se mezcla con los súper plásticos de ingeniería sulfuro de polifenileno (PPS) y poliftalamida (PPA), ambos materiales altamente resistentes al calor. Las aleaciones de PPS/PPE ofrecen una estabilidad dimensional mejorada y un mejor comportamiento frente a la deformación que el PPS puro, mientras que las aleaciones de PPA/PPE ofrecen una menor absorción de agua y una variación reducida en las propiedades del material y las dimensiones de los componentes bajo la absorción de agua en comparación con el PPA puro.

Como demuestra esta descripción general, los materiales de aleación fabricados con resinas PPE modificadas cuentan con un amplio espectro de propiedades físicas excepcionales y se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones.

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5. Técnicas de moldeo para resinas de éter de polifenileno modificado (PPE modificado) y consideraciones prácticas a tener en cuenta

En este artículo se abordarán aspectos generales del moldeo por inyección, el método más común para transformar resinas de EPP modificadas en productos. Para obtener productos moldeados de alta calidad, la temperatura de la resina fundida debe ajustarse adecuadamente para lograr una fluidez adecuada durante el proceso de moldeo, evitando al mismo tiempo la degradación térmica. Debido a que la fluidez y la resistencia al calor varían de un grado de material a otro, no podemos especificar una temperatura de resina única y universal que sea óptima en todos los casos; lo que sí podemos decir es que, si la temperatura es demasiado baja, la resina no exhibirá suficiente fluidez y el proceso de moldeo no se realizará correctamente, lo que producirá grandes distorsiones de forma en los productos formados; mientras que, si la temperatura es demasiado alta, el material de resina puede degradarse, posiblemente acompañado de decoloración y/o emisión de gases.

La degradación de la resina durante el moldeo se ve favorecida por la presencia de humedad, la presencia de impurezas (incluidos otros tipos de resina) y tiempos de espera prolongados. Para evitar estos riesgos es necesario utilizar moldes suficientemente grandes y establecer condiciones adecuadas para el proceso de moldeo.

Por las mismas razones, es deseable utilizar canales relativamente grandes para los moldes y establecer vías de ventilación para las emisiones de gases. Tenga en cuenta también que los agentes desmoldantes y lubricantes utilizados en los moldes pueden provocar grietas en los cuerpos formados; para evitar esto, permita un gradiente de desmoldeo adecuado y restrinja el uso de agentes desmoldantes a las cantidades más pequeñas posibles. Cuando utilice agentes desmoldantes, consulte la Sección 11 (Resistencia química) del manual técnico. Particularmente para las resinas de EPI modificadas, la adhesión de cualquier aceite residual es una causa común de formación de grietas, por lo que debe tener cuidado de evitar la adhesión de aceite mecánico durante los pasos de procesamiento y seleccionar agentes desmoldantes, aerosoles y agentes de limpieza considerando cuidadosamente cualquier consecuencia indeseable.

En resumen, se deben tener en cuenta las siguientes pautas al moldear resinas EPP modificadas.

• Someter los materiales de moldeo a un proceso de secado en condiciones adecuadas.
• Elija moldes apropiados para los volúmenes de inyección en cuestión.
• Plastificar en condiciones elegidas para evitar regiones localizadas de alta temperatura o alto esfuerzo cortante.
• Dedicar la atención adecuada a la limpieza y mantenimiento de los moldes; evitar regiones de temperatura irregularmente alta, impurezas residuales y regiones en las que pueda acumularse exceso de material.
• Al utilizar material reciclado, tenga cuidado de garantizar un secado adecuado y evitar la contaminación por impurezas.
• Permitir un gradiente de liberación adecuado y minimizar el uso de agentes desmoldantes.

* Consulte las siguientes fuentes para obtener consideraciones prácticas sobre el uso de la familia de resinas PPE modificadas XYRON™ de Asahi Kasei.

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→ Las siguientes partes del manual técnico: Sección 7 (Directrices de diseño para cuerpos moldeados), Sección 8 (Diseño de moldes), Sección 9 (Consideraciones prácticas para el proceso de moldeo), Sección 10 (Procesamiento secundario) y Sección 11 (Resistencia química)

→ La serie Fundamentos del análisis CAE, específicamente el Volumen 4: ¿Qué es el moldeo por inyección?

6. Resinas EPI modificadas y sostenibilidad ambiental

Como se mencionó anteriormente, la excelente resistencia al calor y a la hidrólisis de los PPE garantiza una degradación mínima del rendimiento durante el uso del producto, así como un cambio mínimo en las propiedades físicas al volver a moler fragmentos de material, como bebederos y canales. Estas características también garantizan que el rendimiento de las resinas de PPE sea relativamente fácil de preservar mediante el reciclaje y la reutilización.

En términos generales, existen dos estrategias generales para aumentar la sostenibilidad de las resinas EPP modificadas.

6-1. Producción de EPI a partir de biomasa

Los componentes de los EPI, fenol y metanol, suelen producirse a partir de combustibles fósiles. Sin embargo, los EPI también pueden fabricarse para que sean compatibles con la biomasa utilizando fenol y metanol derivados de fuentes de biomasa.
Una estrategia común para este propósito es el método de balance de masas. Este método está motivado por la realidad práctica de que las fábricas diseñadas para fabricar productos a partir de combustibles fósiles no pueden transformarse fácil o rápidamente para producir productos a partir de ingredientes 100% de biomasa. En cambio, el método de balance de masas combina ingredientes de combustibles fósiles convencionales con cierta proporción de ingredientes derivados de biomasa dentro del proceso de fabricación; los productos resultantes pueden entonces certificarse como parcialmente compatibles con biomasa dependiendo de la proporción de ingredientes de biomasa utilizados para fabricarlos.

→ Haga clic aquí para obtener más información sobre los esfuerzos de Asahi Kasei para producir EPP a partir de biomasa: Asahi Kasei Plastics Singapore obtiene la certificación ISCC PLUS

6-2. Producción de resinas asociadas para aleaciones de EPI modificadas (incluidos poliestireno y poliamida) a partir de materiales reciclados e ingredientes de biomasa

Algunas de las resinas con las que se alean habitualmente los EPI, como el poliestireno y la poliamida, ya se fabrican a partir de ingredientes derivados de biomasa o de material reciclado o reutilizado. Al mezclar los EPI con estos materiales se obtienen resinas modificadas con un menor impacto ambiental.

→ Haga clic aquí para obtener más información sobre los grados reciclados de resinas PPE modificadas XYRON™ de Asahi Kasei

Columna: Técnicas para mejorar la mezcla en aleaciones de polímeros

Las aleaciones de polímeros son una herramienta poderosa para satisfacer una amplia variedad de necesidades de materiales, pero no todas las combinaciones de materiales necesariamente combinan bien entre sí. La combinación imperfecta de los componentes de la aleación puede tener el efecto contradictorio de empeorar el rendimiento del material, en particular a través del descascarillado y la ruptura en las interfaces de los materiales.

Como se ha señalado anteriormente, el EPP y el poliestireno (PS) se combinan muy bien, tan bien, de hecho, que no se conoce ninguna otra combinación de materiales que permita una combinación tan natural. La facilidad con la que se pueden combinar dos materiales se puede evaluar utilizando un parámetro conocido como valor sp; el EPP y el PS tienen valores sp casi idénticos, lo que indica buenas propiedades de combinación.

Los materiales que no se mezclan bien entre sí de forma natural pueden, no obstante, mezclarse con éxito si se les añaden agentes compatibilizantes, sustancias seleccionadas cuidadosamente para que tengan buenas propiedades de mezcla con cada uno de los materiales que se desean combinar. Como se ilustra en la Figura 4, debido a que el agente compatibilizante es compatible tanto con el material A como con el material B, se puede mezclar con cualquiera de los dos materiales para facilitar la mezcla de ambos.

Entre las resinas PPE modificadas, se utilizan agentes compatibilizantes para facilitar la mezcla en la producción de aleaciones PA+PPE y PP+PPE.

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

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