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Polímeros Plásticos


 



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Procesos y Materiales


Introducción

Creo que todos saben ya lo que es un plástico. Les decimos plásticos porque son flexibles, es decir, pueden ser manejados y moldeados con facilidad. Dado a que los plásticos se vuelven más sencillos de manejar y moldear cuando se calientan y funden cuando se calientan lo suficiente, los llamamos termoplásticos. Esta denominación puede servir para separarlos de los materiales entrecruzados que no funden, llamados termorrígidos.
Pero como ya dije, todos saben lo que es un plástico, por lo tanto, ¿qué sentido tiene dedicarles una página? Bien, existen ciertos matices y detalles que convierten a los plásticos en algo que vale la pena examinar. Por ejemplo, ¿por qué decimos que un material es un plástico y no un caucho, o un elastómero? La respuesta está en su facilidad de rebotar. Usted puede estirar un elastómero y éste luego vuelve a su tamaño original. Pero si estira un plástico, éste tiende o bien a una deformación permanente o se quiebra si la presión es excesiva.
Sin embargo ésto no es malo. Si bien los plásticos no se comportan tan bien como el caucho cuando se los estira, en primer lugar se requiere mucha energía para estirarlos. Esta es una manera elegante de decir que “los plásticos resisten la deformación mejor que los elastómeros”. Lo cual es conveniente cuando no deseamos que nuestro material se estire.
¡Pero espere! Al principio dijimos que los plásticos se llamaban “plásticos” porque podíamos deformarlos y moldearlos. Ese es el punto. Se requiere más energía para estirar los plásticos, haciéndolos resistentes a la deformación. Pero al mismo tiempo, si usted estira lo suficiente, no sólo podrá estirar el plástico, sino que éste conservará la forma que adquirió una vez que deje de estirarlo. En cambio los elastómeros recobran su forma original.
Y los plásticos son mucho más flexibles que otros materiales, como por ejemplo las fibras. Las fibras se extienden muy poco cuando usted las estira. Esto las hace muy útiles para fabricar sogas.


Plástico Rígido y Plástico Blando

De hecho, hemos visto plásticos que son rígidos y otros que son blandos. Las teclas plásticas de su teclado son rígidas, pero el plástico que recubre los cables de la misma computadora es blando. Esto es porque todos los plásticos poseen una cierta temperatura por encima de la cual son blandos y flexibles y por debajo de la misma son rígidos y quebradizos. Esta se denomina temperatura de transición vítrea, o Tg. La Tg es distinta para cada plástico. A temperatura ambiente, algunos plásticos se encuentran por debajo de sus Tg, por lo tanto son rígidos. Otros plásticos se encuentran por encima de sus Tg a temperatura ambiente y son blandos.
A veces se adicionan aditivos a los plásticos, para hacerlos más blandos y flexibles. Estos aditivos reciben el nombre de plastificantes.


Polietileno

El polietileno es probablemente el polímero que más se ve en la vida diaria. Es el plástico más popular del mundo. Éste es el polímero que hace las bolsas de almacén, los frascos de champú, los juguetes de los niños, e incluso chalecos a prueba de balas. Por ser un material tan versátil, tiene una estructura muy simple, la más simple de todos los polímeros comerciales. Una molécula del polietileno no es nada más que una cadena larga de átomos de carbono, con dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. En ocasiones es un poco más complicado. A veces algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno. Esto se llama polietileno ramificado, o de baja densidad, o LDPE. Cuando no hay ramificación, se llama polietileno lineal, o HDPE. El polietileno lineal es mucho más fuerte que el polietileno ramificado, pero el polietileno ramificado es más barato y más fácil de hacer.
El polietileno lineal se produce normalmente con pesos moleculares en el rango de 200.000 a 500.000, pero puede ser mayor aún. El polietileno con pesos moleculares de tres a seis millones se denomina polietileno de peso molecular ultra-alto, o UHMWPE. El UHMWPE se puede utilizar para hacer fibras que son tan fuertes que sustituyeron al Kevlar para su uso en chalecos a prueba de balas. Grandes láminas de éste se pueden utilizar en lugar de hielo para pistas de patinaje.
El polietileno es un polímero vinílico, hecho a partir del monómero etileno. El polietileno ramificado se hace por medio de una polimerización vinílica por radicales libres. El polietileno lineal se sintetiza por medio de un procedimiento más complicado llamado polimerización Ziegler-Natta. El UHMWPE se fabrica empleando la polimerización catalizada por metalocenos.


Polipropileno

El polipropileno es uno de esos polímeros versátiles que andan a nuestro alrededor. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer cosas como envases para alimentos capaces de ser lavados en un lavaplatos. Esto es factible porque no funde por debajo de 160 oC. El polietileno, un plástico más común, se recalienta a aproximadamente 100oC, lo que significa que los platos de polietileno se deformarían en el lavaplatos. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior. Funciona bien para alfombras al aire libre porque es sencillo hacer polipropileno de colores y porque a diferencia del nylon, no absorbe el agua.
Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo. El polipropileno se puede hacer a partir del monómero propileno, por polimerización Ziegler-Natta y por polimerización catalizada por metalocenos.
Se está llevando a cabo una investigación acerca del empleo de la polimerización catalizada por metalocenos en la síntesis del polipropileno. La polimerización catalizada por metalocenos puede hacer algunas cosas asombrosas por el polipropileno. Pueden lograrse diversas tacticidades. El polipropileno que utilizamos, es en su mayor parte isotáctico. Esto significa que todos los grupos metilos de la cadena están del mismo lado, de esta forma:
Pero a veces utilizamos el polipropileno atáctico. Atáctico significa que los grupos metilos están distribuidos al azar a ambos lados de la cadena, de este modo:
Sin embargo, usando catalizadores especiales tipo metaloceno, podemos hacer copolímeros en bloque, que contengan bloques de polipropileno isotáctico y bloques de polipropileno atáctico en la misma cadena polimérica, como se ve en la figura:
Este polímero es parecido al caucho y es un buen elastómero. Esto es porque los bloques isotácticos forman cristales. Pero dado que los bloques isotácticos están unidos a los bloques atácticos, cada pequeño agrupamiento de polipropileno cristalino isotáctico quedaría fuertemente enlazado por hebras del dúctil y gomoso polipropileno atáctico, como se puede ver en la figura de la derecha.
El polipropileno atáctico sería parecido a la goma sin ayuda de los bloques isotácticos, pero no sería muy fuerte. Los bloques isotácticos rígidos mantienen unido al material atáctico gomoso, dándole más resistencia. La mayoría de los tipos de caucho deben ser entrecruzados para darles fuerza, pero eso no ocurre con los elastómeros del polipropileno.
El polipropileno elastomérico, como es llamado este copolímero, es una clase de elastómero termoplástico.


Poliestireno

El poliestireno es un plástico económico y resistente. El poliestireno también se presenta en forma de espuma para envoltorio y como aislante.
(StyrofoamTM es una marca de espuma de poliestireno). Las tazas plásticas transparentes están hechas de poliestireno. También una gran cantidad de partes moldeadas en el interior de su auto, como los botones de la radio. El poliestireno también es usado en juguetes y para las partes exteriores de secadores de pelo, computadoras y accesorios de cocina.
El poliestireno es un polímero vinílico. Estructuralmente, es una larga cadena hidrocarbonada, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono. Es producido por una polimerización vinílica por radicales libres a partir del monómero estireno.
El poliestireno es también un componente de un tipo de caucho duro llamado poli(estireno-butadieno-estireno), o caucho SBS. El caucho SBS es un elastómero termoplástico.


El Poliestireno del Futuro

Hay una nueva clase de poliestireno, llamada poliestireno sindiotáctico. Es diferente porque los grupos fenilo de la cadena polimérica están unidos alternativamente a ambos lados de la misma. El poliestireno “normal” o poliestireno atáctico no conserva ningún orden con respecto al lado de la cadena donde están unidos los grupos fenilos.
El nuevo poliestireno sindiotáctico es cristalino, y funde a 270oC aunque es mucho más costoso El poliestireno sindiotáctico se obtiene por polimerización catalizada por metalocenos.


Alto impacto

De polimerizar por radicales libres un monomero de estireno agregando polibutadieno terminaríamos con el polibutadieno copolimerizando con el monómero estireno, obteniendo un tipo de copolímero llamado copolímero de injerto. Este es un polímero con cadenas que surgen de él y que son de diferente clase de la cadena principal. En este caso, se trata de una cadena de poliestireno con cadenas de polibutadieno que emergen de ella.
Estas cadenas elastómeras colgando de la cadena principal son altamente beneficiosas para el poliestireno. Recordemos que los homopolímeros de polibutadieno y poliestireno no se combinan entre sí. De modo que las ramas de polibutadieno tratan de provocar una separación de fases y forman pequeñas bolitas, como usted ve en la figura de abajo. Pero estas pequeñas bolitas siempre estarán unidas a la fase de poliestireno. Y por lo tanto ejercen un efecto sobre ese poliestireno. Actúan para absorber energía cuando el polímero es golpeado con algo, confiriéndole una resistencia que el poliestireno normal no posee. Esto lo hace más fuerte, no quebradizo y capaz de soportar impactos más violentos, sin romperse como el poliestireno normal.
Este material se conoce como poliestireno de alto impacto, o HIPS, según se abreviatura.
No todas las cadenas de HIPS están ramificadas así. En la mezcla, también hay muchas cadenas de poliestireno lineal y polibutadieno lineal. Esto hace del HIPS lo que llamamos una mezcla inmiscible de poliestireno y polibutadieno. Pero las moléculas injertadas de poliestireno-polibutadieno son las responsables de que el sistema funcione, uniendo las dos fases (la fase poliestireno y la fase polibutadieno).
El HIPS puede ser mezclado con un polímero llamado poli(óxido de fenileno), o PPO. Esta mezcla de HIPS y PPO es manufacturada por GE y comercializada como NorylTM Poliéster
Los poliésteres tienen cadenas hidrocarbonadas que contienen uniones éster, de ahí su nombre.
La estructura de la figura se denomina poli (etilén tereftalato) o PET para abreviar, porque se compone de grupos etileno y grupos tereftalato.
Los grupos éster en la cadena de poliéster son polares, donde el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una carga negativa y el átomo de carbono del carbonilo tiene una carga positiva. Las cargas positivas y negativas de los diversos grupos éster se atraen mutuamente. Esto permite que los grupos éster de cadenas vecinas se alineen entre sí en una forma cristalina y debido a ello, den lugar a fibras resistentes.
El inventor que descubrió primero cómo hacer botellas de PET fue Nathaniel Wyeth. Es hermano de Andrew Wyeth, el famoso pintor.
.¿Por qué las botellas plásticas no son retornables, y en cambio sí lo son las viejas botellas de vidrio?
El PET tiene una temperatura de transición vítrea demasiado baja, es decir, la temperatura a la cual el PET se ablanda. El hecho de re-utilizar una botella de gaseosa, requiere que la misma sea previamente esterilizada antes de que se utilice otra vez. Esto significa lavarla a temperaturas realmente altas, temperaturas demasiado elevadas para el PET. El llenado de ciertos productos como un frasco de mermelada también se realiza a altas temperaturas. En las industrias, el material se vuelca sobre los frascos calientes, a temperaturas que harían que el PET se ablandara. Por eso este polímero no es adecuado para frascos de mermelada.


PEN (Polietinen-naftalato)

Hay una nueva clase de poliéster que representa justamente lo que se necesitada para los frascos de mermelada y las botellas retornables. Es el poli (etilén naftalato) o PEN.
La PEN tiene una temperatura de transición de vítrea más alta que el PET. Ésa es la temperatura a la cual un polímero se ablanda. La temperatura de transición vítrea del PEN es lo suficientemente alta como para poder soportar el calor del lavado esterilizante de las botellas como una jalea de frutillas caliente. El PEN soporta tan bien el calor que no es necesario que la botella tenga que estar hecha exclusivamente con este material. Con sólo mezclar una pequeña cantidad de PEN con el PET se logran botellas capaces de resistir el calor mucho mejor que si estuvieran hechas sólo de PET.


Sintetización

En las grandes industrias manufactureras de poliéster, es usual comenzar con un compósito llamado dimetil tereftalato. Este se hace reaccionar con etilenglicol a través de una reacción llamada transesterificación. El resultado es el bis-(2-hidroxietil)tereftalato y metanol. Pero si calentamos la reacción a alrededor de 210 oC el metanol se evapora y no tenemos que preocuparnos más.
Entonces el bis-(2-hidroxietil)tereftalato se calienta hasta 270 oC, y reacciona para dar el poli (etilén tereftalato) y, extrañamente, el etilenglicol como subproducto.
Pero en el laboratorio, el PET se hace por medio de otras reacciones. El ácido tereftálico y el etilenglicol pueden polimerizarse para hacer el PET cuando se calientan con un catalizador ácido. Es posible hacer PET a partir de cloruro de tereftoilo y etilenglicol. Esta reacción es más fácil, pero el cloruro de tereftoilo es más costoso que el ácido tereftálico y es mucho más peligroso.
En el mercado hay otros dos poliésteres que se relacionan con el PET. Son el poli (butilén tereftalato) (PBT) y el poli (trimetilén tereftalato). Se utilizan generalmente para hacer el mismo tipo de cosas que con el PET, pero en algunos casos éstos tienen mejor rendimiento.


Policarbonato

El policarbonato, o específicamente policarbonato de bisfenol A, es un plástico claro usado para hacer ventanas inastillables, lentes livianas para anteojos y otros. La General Electric fabrica este material y lo comercializa como Lexan. El policarbonato toma su nombre de los grupos carbonato en su cadena principal. Lo llamamos policarbonato de bisfenol A, porque se elabora a partir de bisfenol A y fosgeno. Esto comienza con la reacción del bisfenol A con hidróxido de sodio para dar la sal sódica del bisfenol A.
La sal sódica de bisfenol A reacciona luego con fosgeno, un compuesto bastante desagradable que era el arma química preferida de la Primera Guerra Mundial, para producir el policarbonato.
Otro polímero usado para hacer ventanas irrompibles es el poli(metil metacrilato).


Viendo Otro Policarbonato Con Mayor Claridad.

Este otro policarbonato se lo utiliza para la fabricación de lentes en remplazo del cristal ya que no sólo es mucho más liviano que el cristal, sino que tiene un índice de refracción mucho más alto. Eso significa que la luz se refracta más que en el cristal, así que los cristales ya no necesitan ser tan gruesos.
¿Y qué es este nuevo policarbonato tan maravilloso? Es muy diferente del policarbonato del bisfenol A. Lo hacemos a partir de este monómero: Usted puede ver que tiene dos grupos alílicos en los extremos. Estos grupos alílicos contienen enlaces dobles carbono-carbono. Esto significa que pueden polimerizar por una polimerización vinílica por radicales libres. Obviamente, hay dos grupos alílicos en cada monómero. Esos grupos se convertirán en parte de distintas cadenas poliméricas. De esta forma, todas las cadenas se unirán unas con otras para formar un material entrecruzado parecido a éste: Como se puede ver, los grupos que contienen carbonato (mostrados en azul) forman los entrucruzamientos entre las cadenas poliméricas (mostradas en rojo). Este entrecruzamiento hace el material muy fuerte, de modo que no se romperá tan fácilmente como el cristal.
Hay una diferencia fundamental entre los dos tipos de policarbonato descritos aquí, que debe ser señalada. El policarbonato de bisfenol A es un termoplástico. Esto significa que puede ser moldeado en caliente. Pero el policarbonato usado en anteojos es un termorrígido. Los termorrígidos no funden y no pueden moldearse nuevamente. Se utilizan para hacer objetos realmente fuertes y resistentes al calor.


PVC (Poli Cloruro de Vinilo)

El poli (cloruro de vinilo) es el plástico que en la ferretería se conoce como PVC. Éste es el PVC con el cual se hacen los caños y los caños de PVC están por todas partes. La plomería de su casa es probablemente de PVC, a menos que sea una casa más vieja. Pero hay más que las cañerías para el PVC. Los revestimientos “vinílicos” en las casas se hacen de poli (cloruro de vinilo). Dentro de la casa, el PVC se utiliza para hacer linóleo para los pisos. En los años ‘70, el PVC fue utilizado a menudo en los automotores, para hacer techos vinílicos.
El PVC es útil porque resiste dos cosas que se odian mutuamente: fuego y agua. Debido a su resistencia al agua, se lo utiliza para hacer impermeables y cortinas para baño, y por supuesto, caños para agua. También tiene resistencia a la llama, porque contiene cloro. Cuando usted intenta quemar el PVC, los átomos de cloro son liberados, inhibiendo la combustión.
Estructuralmente, el PVC es un polímero vinílico. Es similar al polietileno, con la diferencia que cada dos átomos de carbono, uno de los átomos de hidrógeno está sustituido por un átomo de cloro. Es producido por medio de una polimerización por radicales libres del cloruro de vinilo.
El PVC fue uno de esos curiosos descubrimientos que tuvo que ser realizado dos veces. Al parecer, hace unos 100 años atrás, un grupo de empresarios alemanes decidieron que se iban a llenar de dinero iluminando los hogares con lámparas alimentadas con gas acetileno. ¡De haberlo sabido! Justo en el momento que habían producido toneladas de acetileno para venderle a todos los que iban a comprar sus lámparas, se desarrollaron nuevos y eficientes generadores eléctricos que abarataron tanto el precio de la iluminación eléctrica, que el negocio de las lámparas de acetileno se acabó. Eso dejó un montón de acetileno en el camino.
Así que en 1912 un químico alemán, Fritz Klatte, decidió intentar hacer algo con él, e hizo reaccionar un poco de acetileno con ácido clorhídrico (HCl). Esta reacción produce cloruro de vinilo, pero en aquella época nadie sabía qué hacer con él, así que lo dejó en un estante donde con el tiempo, se polimerizó.
Sin saber qué hacer con el PVC que él acababa de inventar, le dijo a sus jefes en su compañía, Greisheim Electron, que tenía el material patentado en Alemania. Nunca imaginaron un uso para el PVC y en 1925 su patente expiró.
En 1926, justamente al año siguiente, un químico norteamericano, Waldo Semon, trabajaba en B.F. Goodrich cuando independientemente inventó el PVC. Pero a diferencia de los químicos anteriores, cayó en la cuenta que este nuevo material haría una perfecta cortina para baño. Él y sus jefes en B.F. Goodrich patentaron el PVC en los Estados Unidos (los jefes de Klatte al parecer nunca presentaron una patente fuera de Alemania). Luego siguieron toneladas de nuevas aplicaciones para este material impermeable maravilloso y en esta segunda vez, el PVC fue un gran éxito.


Poliamidas (Nylon)

Los nylons son unos de los polímeros más comunes usados como fibra. En todo momento encontramos nylon en nuestra ropa, pero también en otros lugares, en forma de termoplástico. El verdadero éxito del nylon vino primeramente con su empleo para la confección de medias femeninas, alrededor de 1940. Fueron un gran suceso, pero pronto se hicieron muy difíciles de conseguir, porque al año siguiente los Estados Unidos entraron en la Segunda Guerra Mundial y el nylon fue necesario para hacer material de guerra, como cuerdas y paracaídas. Pero antes de las medias o de los paracaídas, el primer producto de nylon fue el cepillo de dientes con cerdas de nylon.
Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno.
Debido a ésto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras. El nylon 6.6, se llama asi 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.
Los nylons se pueden sintetizar a partir de las diaminas y los cloruros de diácido. El nylon 6.6 se hace con los monómeros cloruro del adipoilo y hexametilén diamina. Ésta es una forma de hacer nylon 6.6 en el laboratorio. Pero en una planta industrial de nylon, se lo fabrica generalmente haciendo reaccionar el ácido adípico con la hexametilén diamina.
Otra clase de nylon es el nylon 6. Es muy parecido al nylon 6.6, excepto que tiene sólo un tipo de cadena carbonada, de seis átomos de largo.
Se hace a partir del monómero caprolactama, por medio de una polimerización por apertura de anillo. El nylon 6 no se comporta de manera diferente al nylon 6.6. La única razón por la que se fabrican los dos tipos, es porque DuPont patentó el nylon 6.6 y otras compañías tuvieron que inventar el nylon 6 para poder entrar en el negocio del nylon.


Acrílico (poli metil metacrilato)

El poli (metil metacrilato), que los científicos perezosos llaman PMMA, es un plástico claro, usado como material irrompible en reemplazo del cristal. La compañía química Rohm y Haas hace ventanas con PMMA y las llama Plexiglás. Las Imperial Chemical Industries también las hacen y las llaman Lucite. El Lucite se utiliza para hacer las superficies de las bañeras, piletas de cocina y las siempre populares tinas de baño y duchas de una sola pieza, entre otras cosas.
Cuando se trata de hacer ventanas, el PMMA tiene otra ventaja con respecto al vidrio: es más transparente. Cuando las ventanas de vidrio se hacen demasiado gruesas, llega a ser dificultoso ver a través. Pero las ventanas de PMMA se pueden hacer tan gruesas como de 33 centímetros y siguen siendo perfectamente transparentes. Esto hace del PMMA un material maravilloso para fabricar inmensos acuarios, cuyas ventanas deben ser lo suficientemente gruesas como para contener la alta presión de millones de litros de agua. De hecho, la ventana más grande del mundo, una ventana panorámica en el acuario de la bahía de Monterrey en California, está hecha de una sola pieza gigante de PMMA de 16,6 m de largo, 5,5 m de alto y 33 centímetros de espesor.
A bajas temperaturas, los aceites lubricantes y los fluidos hidráulicos a menudo tienden a ponerse realmente viscosos e incluso gomosos. Esto es un verdadero problema cuando se intenta hacer funcionar maquinaria pesada en un día frío. Pero cuando se disuelve un poco de PMMA en el aceite o fluído, éstos no se vuelven viscosos con el frío y la máquina puede funcionar hasta a -100oC, es decir, asumiendo que el resto de la máquina sea capaz de soportar esas temperaturas tan bajas
El PMMA es un polímero vinílico, formado por polimerización vinílica de radicales libres a partir del monómero metil metacrilato.
El PMMA es miembro de una familia de polímeros que los químicos llaman acrilatos, pero el resto del mundo les dice acrílicos.
Otro polímero usado como sustituto irrompible del vidrio es el policarbonato.
Pero el PMMA es más barato.


Aramidas

Las aramidas pertenecen a una familia de nylons, incluyendo el Nomex y el Kevlar. El Kevlar se utiliza para hacer objetos tales como chalecos a prueba de balas y neumáticos de bicicleta resistentes a las pinchaduras. Si fuera necesario, con el Kevlar hasta se podrían hacer neumáticos de bicicleta a prueba de balas.
Las mezclas de Nomex y de Kevlar se utilizan para hacer ropas anti-llama. El Nomex es el que protege de morir quemados a los conductores de grandes camiones y de tractores, en el caso de que sus trajes se incendien.
El Kevlar es una poliamida, en la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4. El Nomex, por otra parte, posee grupos meta-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en las posiciones 1 y 3.
El Kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No se derretía por debajo de los 500oC, de modo que también se descartaba el hecho de procesarlo en su estado fundido. Fue entonces cuando una científica llamada Stephanie Kwolek apareció con un plan brillante.
Las aramidas se utilizan en forma de fibras. Forman fibras aún mejores que las poliamidas no aromáticas, como el nylon 6,6.
Estas tienen la capacidad de adoptar dos formas diferentes, o conformaciones. Se puede ver ésto en la figura de una amida de bajo peso molecular. Las dos figuras son del mismo compuesto, en dos conformaciones diferentes. La que está a la izquierda se denomina conformación trans, y la que está a la derecha conformación cis.
En latín, trans significa “del otro lado”. Así, cuando las cadenas hidrocarbonadas de la amida están en lados opuestos al enlace peptídico, el enlace entre el oxígeno del carbonilo y el nitrógeno de la amida, ésta se denomina amida trans. Asimismo, cis en latín significa “en el mismo lado”, y cuando las cadenas hidrocarbonadas están del mismo lado del enlace peptídico, la llamamos amida cis.
La misma molécula de la amida puede torcerse hacia adelante y hacia atrás entre las conformaciones cis y trans, originando una pequeña energía. En las poliamidas también existen las conformaciones cis y trans. Cuando en una poliamida todos los grupos amida están en su conformación trans, como el nylon 6.6 por ejemplo, el polímero se estira completamente en una línea recta. Esto es exactamente lo que deseamos para las fibras, porque las cadenas largas y completamente extendidas se empaquetan más adecuadamente, dando lugar a la forma cristalina que caracteriza a las fibras.
Pero lamentablemente, siempre existen unos pocos enlaces amida en la conformación cis. Por ello las cadenas del nylon 6.6 nunca llegan a estar completamente extendidas.
Sin embargo el Kevlar es diferente. Cuando intenta adoptar la conformación cis, ¡los hidrógenos de los voluminosos grupos aromáticos se interponen en el camino! La conformación cis coloca a los hidrógenos un poco más cerca de lo que quisieran estar. De este modo, el Kevlar permanece casi enteramente en su conformación trans. Y así, puede extenderse completamente para formar unas hermosas fibras.
Veamos ésto en un primer plano. Observe la figura de abajo y podrá apreciar que cuando el Kevlar intenta adoptar la conformación cis, no queda espacio suficiente para los hidrógenos de los fenilos. De modo que la conformación trans es la que se encuentra generalmente.
Pero hay otro polímero capaz de estirarse aún mejor, que es el polietileno de peso molecular ultraalto. Incluso sustituyó al Kevlar en la confección de chalecos a prueba de balas
Pero volviendo al Kevlar… También los anillos fenilos de las cadenas adyacentes se acomodan muy fácil y cuidadosamente uno encima de otro, lo que hace al polímero aún más cristalino, y sus fibras más resistentes.


Acrilo Nitrilo

El poliacrilonitrilo se utiliza para… bueno… no mucho, realmente, excepto para hacer otro polímero, la fibra de carbono. Pero los copolímeros que contienen principalmente poliacrilonitrilo, se utilizan como fibras para hacer tejidos, como medias y suéteres, o también productos para ser expuestos a la intemperie, como carpas y otros. Si la etiqueta de cierta prenda de vestir dice “acrílico”, entonces es porque la prenda está hecha con algún copolímero de poliacrilonitrilo. Generalmente son copolímeros de acrilonitrilo y metil acrilato, o acrilonitrilo y metil metacrilato:
A veces también hacemos los copolímeros a partir de acrilonitrilo y cloruro de vinilo. Estos copolímeros son retardantes de llama y las fibras hechas de ellos se llaman fibras modacrílicas.
Pero la gran cantidad de copolímeros de acrilonitrilo no termina aquí. El poli(estireno-co-acrilonitrilo) (SAN) and el poli(acrilonitrilo-co-butadieno-co– estireno) (ABS), se utilizan como plásticos.


SAN y ABS

El SAN es un simple copolímero al azar de estireno y acrilonitrilo. Pero el ABS es más complicado. Está hecho por medio de la polimerización de estireno y acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. El polibutadieno tiene enlaces dobles carbono-carbono en su estructura, los que pueden también polimerizar. Así que terminamos con una cadena de polibutadieno, conteniendo cadenas de SAN injertados el él, tal como usted ve abajo. El ABS es muy fuerte y liviano. Es lo suficientemente fuerte como para ser utilizado en la fabricación de piezas para automóviles. El empleo de plásticos como ABS hace más livianos a los autos, así que utilizan menos combustible y por lo tanto contaminan menos.
El ABS es un plástico más fuerte que el poliestireno dado a los grupos nitrilo en sus unidades de acrilonitrilo. Los grupos nitrilo son muy polares, así que se atraen mutuamente. Esto permite que las cargas opuestas de los grupos nitrilo puedan estabilizarse, como usted ve en el cuadro de la izquierda. Esta fuerte atracción sostiene firmemente las cadenas de ABS, haciendo el material más fuerte. También el polibutadieno, con su apariencia de caucho, hace al ABS más resistente que el poliestireno.
El poliacrilonitrilo es un polímero vinílico, y un derivado de la familia de los acrilatos poliméricos. Se hace a partir del monómero acrilonitrilo, por medio de una polimerización vinílica por radicales libres.


Poliuretanos

Los poliuretanos son los polímeros mejor conocidos para hacer espumas. Si en este momento usted está sentado en una silla tapizada, el almohadón está hecho probablemente, de una espuma del poliuretano. Los poliuretanos son más que espumas.
Los poliuretanos componen la única familia más versátil de polímeros que existe. Pueden ser elastómeros y pueden ser pinturas. Pueden ser fibras y pueden ser adhesivos. Aparecen en todas partes. Un poliuretano maravillosamente extraño es el spandex.
Por supuesto, los poliuretanos se llaman así porque en su cadena principal contienen enlaces uretano.
La figura muestra un poliuretano simple, pero un poliuretano puede ser cualquier polímero que contenga un enlace uretano en su cadena principal. Incluso existen poliuretanos más sofisticados, por ejemplo: Los poliuretanos se sintetizan haciendo reaccionar diisocianatos con dialcoholes.
A veces, el dialcohol se sustituye por una diamina y el polímero que obtenemos es una poliurea, porque contiene más bien un enlace urea, en lugar de un enlace uretano. Pero generalmente se los llama poliuretanos, porque probablemente no se venderían bien con un nombre como poliurea. Los poliuretanos son capaces unirse perfectamente por enlace por puente de hidrógeno y así pueden ser muy cristalinos. Por esta razón se utilizan a menudo para hacer copolímeros en bloque con polímeros de estructura similar al caucho. Estos copolímeros en bloque tienen características de elastómeros termoplásticos.


Spandex

Un elastómero termoplástico poliuretánico inusual es el spandex, que DuPont vende bajo el nombre comercial Lycra. Tiene enlaces urea y uretano en su cadena. Lo que le confiere al spandex sus características especiales, es el hecho de que en su estructura tiene bloques rígidos y flexibles. La cadena polimérica corta de un poliglicol, de generalmente cerca de cuarenta unidades de longitud, es flexible y parecida al caucho. El resto de la unidad de repetición, es decir el estiramiento con los enlaces uretano, los enlaces urea y los grupos aromáticos, es extremadamente rígido. Esta sección es tan fuerte que las secciones rígidas de diversas cadenas se agrupan y se alinean para formar fibras. Obviamente, son fibras inusuales, pues los dominios fibrosos formados por los bloques rígidos están unidos entre sí por las secciones flexibles parecidas al caucho. El resultado es una fibra que actúa como elastómero Esto permite que logremos una tela capaz se estirarse, ideal para la ropa de gimnasia y similares.


Procesos de conformado


Compresión

Es, quizás, el más difundido de los métodos de conformado. Se basa en la confección de un molde con un hueco que reproduce la contraforma de una de las caras o frentes del objeto a moldear; dentro del molde penetra un vástago o punzón que en su extremo presenta la contraforma de la otra cara.
El plástico a moldear se coloca dentro del molde, ya sea en forma de gránulos o previamente conformada groseramente en otra prensa. Luego se cierra el molde presionando una parte contra la otra y calentando el conjunto. Si la resina es termoplástica el calor produce su fluidificación y la presión la obliga a rellenar completamente el molde. Si, en cambio, es termoestable, la acción del calor produce las reacciones correspondientes y la resina pasa sucesivamente por los estados A, B y C; mientras está en estado A o B, se plastifica y por medio de la presión llena al molde; la presión, además, impide que el agua formada por la reacción de condensación se transforme en vapor y produzca porosidad en el material. Una vez moldeado el objeto se produce una variante fundamental en el proceso, según que se moldee en termoplásticos o termoestables. Estos últimos al pasar al estado C endurecen y pueden ser retirados calientes del molde sin riesgo de deformarlos. En cambio los termoplásticos deben ser enfriados dentro del molde para que endurezcan y poder manipularlos, esto hace que el ciclo completo de un moldeo insuma mucho tiempo y energía, pues el molde debe ser completamente calentado y enfriado en cada uno. En cambio con los termoestables el dispositivo se mantiene permanentemente caliente, con lo que el ciclo completo toma solo desde algunos segundos hasta pocos minutos, según el tipo de resina y tamaño del objeto. A título ilustrativo puede mencionarse que para los fenólicos se usan presiones del orden de los 140 a 560 Kg / cm2 y temperaturas entre 130 y 180 ºC; la urea requiere de 105 a 420 Kg/cm2 y 140 a 160 ºC; por último la melamina se moldea con 70 a 490 Kg/cm2 y 135 a 170 ºC.
Las elevadas presiones que deben soportar y la precisión con que deben ajustarse hacen que los moldes resulten de alto costo. Por lo tanto para que la producción resulte económica por este método, ese costo debe prorratearse entre un gran numero de objetos, fabricados con al mismo molde. Si se cumple esa condición, el método resulta muy conveniente para el moldeo de objetos con resinas termoestables. En cambio la necesidad de alternar calentamientos y enfriamientos hace que no resulte practico con los termo plásticos.
El tamaño de los objetos que pueden producirse por este método es necesariamente, limitado por el tamaño que asumen las prensas.


Inyección

Este método ha sido desarrollado para superar el inconveniente anotado para el moldeo de termoplásticos con el de compresión, consistente en la necesidad de tener que enfriar el molde para endurecer y retirar el objeto moldeado. En este procedimiento, la materia prima en lugar de ser calentada dentro del molde caliente, sufre ese proceso en un dispositivo separado y cuando está plastificada es Inyectada dentro del molde frío; por contacto con las paredes metálicas del mismo pierde temperatura rápidamente y endurece, lo que permite retirar el elemento moldeado en corto tiempo.
Este dispositivo consta de un molde separable en partes, al que puede acoplarse un cilindro provisto de un pistón. La materia prima se almacena en una tolva. El cilindro tiene en su interior una pieza que obliga a la resina a pasar cerca de las paredes del cilindro, donde es calentada por las resistencias eléctricas, fluidificándose. Para operar la maquina se retira el pistón hasta dejar destapado el orificio de salida de la tolva, permitiendo la entrada de la materia prima al cilindro. Luego accionando el pistón se obliga al material a pasar por la zona caliente plastificándose y penetrando en ese estado dentro del molde.
Se fabrican máquinas de distintos tamaños, que permiten moldear desde pequeños objetos de unos pocos gramos, hasta grandes piezas de varios kilogramos. Frecuentemente dentro de un mismo molde se producen simultáneamente varias piezas menores.
Los diferentes tipos de inyección para termoplásticos son:
• A Pistón
• Con tornillo pre-plastificado
• A Tornillo
Para los termoestables la inyección también puede denominarse moldeo por chorro, y se basa en calentar el material en el cilindro de inyección a una temperatura tal que lo plastifique, sin llegar al punto de polimerización de forma de permitir un pasaje por la boquilla impulsado por el pistón. Se completa la polimerización por el calor suministrado por la boquilla, este es el punto critico ya que aquí el material se calienta y se enfría en cada ciclo casi instantáneamente.
La ventaja de este método consiste en una mayor velocidad de producción, la posibilidad de realizar piezas mas complejas con secciones gruesas y delgadas a la vez; ya que el ciclo de curado es prácticamente uniforme en toda la masa de material debido al precaliento del mismo antes de entrar en el molde.


Transferencia

Es una especie de combinación de los métodos de compresión e inyección desarrollada para el moldeo de termoestables en forma de piezas más o menos complicadas que deban ser producidas con estrechas tolerancias dimensionales.
El molde separable se conecta mediante un conducto con un cilindro calefaccionado donde actúa un pistón. La materia prima se coloca en el cilindro, donde por efectos del calor se plastifica; haciendo accionar el pistón se la Impulsa por el conducto al interior del molde, llenando las cavidades del mismo, donde completa la formación de las ramificaciones moleculares, adquiriendo dureza y resistencia; luego se abre el molde y la pieza puede retirarse aun caliente.


Extrusión

Se caracteriza por permitir obtener piezas de forma prismática o cilíndrica, de gran longitud; la sección transversal, de forma y dimensiones constantes, puede ser de diseño complicado y aun tubular. Es especialmente adecuado para caños, molduras y perfiles; puede también ser utilizado para producir laminas.
Consta de un cilindro calefaccionado por resistencias eléctricas dentro del cual gira un tornillo sin fin que impulsa la materia prima que se introduce por la tolva, hacia el extremo opuesto. En este se coloca una tapa con un orificio con la forma de la sección transversal que se desea obtener; la materia prima que se ha plastificado por la acción de las resistencias eléctricas, al pasar por el orificio de la tapa adquiere su forma y es recogida por una cinta transportadora, sobre la que se enfría y endurece. El método es especialmente adecuado para moldear termo plásticos, pero se han desarrollado tipos de maquinas que permiten hacerlo también con resinas o termoestables. En estos el proceso es delicado porque el pasaje de los estados A a C de la resina debe ser rigurosamente sincronizado, para evitar que se produzca antes de tiempo atascando la máquina, o que el material abandone la boquilla sin haber cumplido completamente las reacciones.
Existen diferentes tipos de extrusión:
• De película soplada
• De película plana
• Para recubrimiento de cables
• De perfiles


Calandrado

Es una variante del método de laminado utilizado en el conformado de metales.
El método se aplica exclusivamente a la producción de láminas o películas de termoplásticos. La resina se calienta y plastifica en una tolva, de la que fluye para caer entre dos rodillos formadores que le confieren forma de lamina gruesa, que luego es adelgazada a voluntad por el pasaje sucesivo entre otros pares de rodillos de separación adecuada, posteriormente es enfriada por contacto con un rodillo refrigerado.
Con algunas variantes el método se utiliza para producir películas o laminas de plásticos adheridas sobre un respaldo de tejido; este tipo de material se utiliza mucho para revestimientos de paredes y solados y para tapicería; para ello el tejido se incorpora al proceso cuando la lámina está aún plástica y adherente y el pasaje por los rodillos siguientes hace penetrar a la resina entre las fibras del tejido, asegurando una perfecta adhesión.
Si se desean superficies corrugadas se graban los dibujos que se desean obtener en uno de los rodillos finales del proceso.
El ancho de las laminas que se pueden producir queda limitado por el posible flexionamiento de los rodillos, lo que impide hacerlos de gran longitud. Por ello cuando se desean películas de gran ancho se recurre a una variante del método de extrusión, consistente en producir un tubo que luego es calentado e inflado para producir el estiramiento de sus paredes, con lo que aumenta el diámetro y el perímetro; luego el tubo es cortado por una de sus generatrices, obteniendo láminas y películas de mas de 2.50 metros de ancho.


Soplado

Se utiliza para fabricar botellas y otros envases similares con resinas termoplásticas. Como punto de partida se toma un trozo de tubo producido por extrusión o inyección que se coloca, como indica la figura dentro de un molde calentado. Mediante una inyección de aire caliente a presión se expande el tubo de plástico hasta llenar el hueco del molde, adoptando su forma.
• Tipos de soplado:
• Por extrusión previa
• Por inyección previa


Termo formado

En este método se parte de hojas o láminas de termoplástico que mediante el proceso son adaptadas a una nueva forma. El procedimiento se puede desarrollar de acuerdo con diversas variantes. En la ilustrada, se toma una lámina de plástico, que se asegura por sus bordes sobre una cámara! la lámina puede ser calentada hasta plastificarla mediante un calefactor, luego de lo cual se la deforma conectando la cámara a una bomba de vacío. Esto hace que la lámina asuma la forma indicada en la figura, luego de lo cual se retira el calefactor y se coloca un contra molde, manteniendo siempre el vacío en la cámara. A continuación se deja penetrar el aire en la cámara; la lámina, al dejar de ser deformada por la succión provocada por el vacío, tiende a recuperar la forma primitiva, pero al impedírselo el contra molde se aplica contra el, adoptando su forma, que conserva una vez enfriado el plástico; si la recuperación elástica de la lámina de plástico no es suficiente para conformarla, por el orificio se inyecta aira a presión, que ayuda al conformado. Otra manera de formar las láminas de plástico es la que se muestra en la siguiente imagen. La lámina de plástico se afirma sobre los bordes del moldea que tiene la forma que se le quiere dar. Este molde está perforado por orificios que están conectados con una cámara, en la que puede hacerse el vacío.
Con un calefactor que calienta y plastifica la lámina luego, previo retiro del calefactor, se hace el vacío en la cámara, el que, por intermedio de los orificios que posee el molde, provoca la succión de la lámina y sobre cuya cara superior actúa la presión atmosférica, ello hace que se aplique ajustadamente sobre el molde; cuya forma adquiere y conserva al enfriarse.
• Tipos de Termo formado
• Convencional
• Pistón de Ayuda


Colado

Consiste en verter la resina en estado de fluidez dentro del molde cuya forma se quiere reproducir. La resina puede estar ya completamente polimerizada, cono ocurre con algunos termoplásticos en cuyo caso la fluidificación se hace por calentamiento, y el producto queda listo una vez enfriado dentro del molde. En otros casos la resina aun no esta completamente curada cuando se la introduce en el molde lo que hace necesario provocar el desarrollo de las reacciones, mediante el uso de agentes catalíticos y endurecedores, o por curado con calor.
El procedimiento se presta especialmente para moldear objetos de forma complicada con moldes fáciles de construir, dado que no deben soportar presiones. También es útil para moldear objetos con resinas transparentes, dentro de los cuales pueden colocarse elementos destinados a quedar visibles a través de la resina» tal como objetos decorativos o piezas para museos.


Por Contacto

Es el procedimiento más utilizado para el moldeo de plásticos reforzados con fibras de vidrio y resinas de reacción en frío que no requieren presiones, tales como las de tipo poliéster y epoxi. Es un método que ofrece la ventaja de poder producir económicamente piezas de grandes dimensiones. También es muy conveniente cuando se debe fabricar un numero de piezas iguales demasiado reducido para justificar la construcción da moldes para el conformado a presión. Se emplea, por ejemplo, para la lubricación de chapas translúcidas decorativas o utilitarias, muebles, partes para carpintería y cerramientos) carrocerías de automóviles, elementos estructurales, etc. Los objetos moldeados con este sistema resultan con una de sus caras con terminación tan perfecta como la del molde con que entra en contacto; la otra en cambio, no queda con igual acabado; esta circunstancia debe ser muy tenida en cuenta al diseñar el molde y la forma de ejecutar la pieza. El molde puede hacerse de madera, yeso, cemento, metal o también, con la misma resina.
Supóngase querer fabricar asientos anatómicos para sillas. Se comienza por realizar un prototipo del asiento en madera o cualquier otro material fácil de trabajar. Sobre este modelo, cuya superficie se recubre con una película de alguna sustancia que impida la adhesión de la resina, se aplica a soplete, pincel o espátula la primera capa de resina con sus correspondientes catalizadores y endurecedores; luego se coloca sobre la misma una capa de fieltro o tejido de vidrio; a continuación se da una nueva capa de resina; después se repite el proceso de colocación de capas alternadas de fieltro o tejido de vidrio y resina, hasta alcanzar el espesor o la resistencia necesaria. El molde que se está construyendo puede reforzarse, por ultimo con listones de madera o partes metálicas. Una vez completada la aplicación de resina, se da tiempo para que esta polimerice y endurezca, lo que requiere por lo común 24 horas. A continuación se extrae el prototipo del molde, operación que es facilitada por la sustancia desmoldante. Obtenido el molde se procede al moldeo de las piezas definitivas, con la misma técnica usada para hacer el molde mismo, o sea alternando capas de resina y fibras de vidrio. Moldeada la pieza, se dejan transcurrir de 12 a 24 horas y se retira del molde, luego se la somete a un proceso de endurecimiento, que puede consistir en dejarla a temperatura ambiente durante unos 15 días o durante 6 o 7 horas en estufas a unos 70º C.


Compresión con embolo flexible

Con este procedimiento se procura obtener un mejor compactamiento del conjunto de resina y fibra de vidrio, mediante su compresión. El molde se puede construir con cualquier material apto para soportar la reducida presión que ejerceré el émbolo flexible; en algunos casos se lo dota de calefacción para mejorar el brillo y acelerar el desmoldeo. El émbolo para que sea suficientemente flexible se hace de caucho. Las capas de fibras de vidrio se acomodan en el interior del molde, dentro del cual se vierte la resina líquida previamente mezclada con agentes catalíticos y endurecedores. Y a continuación se introduce el émbolo dentro del molde y se lo comprime para provocar su expansión transversal; ello obliga a la resina a dispersarse por el intersticio que queda entre el émbolo y el molde, recubriendo a las fibras de vidrio. Producido el endurecimiento, el que puede ser acelerado calentando el molde, se retira la pieza. Esta resulta con ambas caras lisas.


Compresión con bolsas al vacío

El molde, que puede construirse en la misma forma que para el método anterior, cuenta con un conjunta de tuberías que conectan su superficie con una bomba de vacío. Sobre el molde si forma el objeto de plástico reforzado alternando capas de resina y fibra de vidrio, una vea completado el espesor se recubre con celofán para impedir el contacto de la resina con una plancha o lámina de caucho con que se recubre todo el conjunto: el recubrimiento de celofán es necesario para impedir el contacto con el caucho, pues ese material tiene la propiedad de Inhibir o retardar las reacciones de la resina. La lámina de caucho se afina fuertemente por los bordes y a continuación se practica el vacío en la red de tuberías; esto produce un desequilibrio de presiones entre ambas caras de la lámina de caucho, haciendo actuar a la presión atmosférica en la cara externa, comprimiendo al plástico reforzado con presiones del orden de 0,7 a 0,8 Kg/cm2, según el grado de vacío practicado. Una vez endurecida la resina se elimina el vacío y se retira el objeto del molde.


Compresión con bolsa de presión

Es una variante del método anterior, que se caracteriza por las mayores presiones que se pueden aplicar. Consta de un molde, similar al anterior, pero sin cañerías de vacío. El objeto moldeado, como en el caso precedente se recubre con una lámina o plancha de caucho; sobre ésta se coloca una tapa que forma una cámara donde puede Introducirse aire a presión. Basta presión puede ser de varios kilogramos por centímetros cuadrado, con lo que se consigue una mayor compacidad de la pieza moldeada, la que así resulta de mejor calidad.


Maquinado

Se consideran procesos de maquinado a aquellos que dan forma a los plásticos por operación de seccionado, arrancada de virutas, desgaste por abrasión, etc. La mayor parte de los plásticos puede ser conformada de este modo, pero el método tiene una aplicación limitada por el alto costo de las operaciones que Involucra. Por tal motivo su campo de aplicación queda limitado a la producción de elementos en un numero demasiado corto para justificar la construcción de moldes.


Bibliografía

http://www.vivisimo.com
http://www.psrc.usm.edu
http://www.smresinas.com
Odian, George, Principles of Polymerization, 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, 1991
Brandrup, J. and Immergut, E.H., eds., Polymer Handbook, 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, 1989.
Fenichell, Stephen, Plastic: The Making of a Synthetic Century, HarperCollins, New York, 1996.


 





 

 

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