polímeros termofijos

POLÍMEROS TERMOFIJOS
Los polímeros termofijos (TS) se distinguen por su estructura tridimensional de alto
encadenamiento transversal. En efecto, la parte formada (por ejemplo, el mango de una
olla o la cubierta de un interruptor) se convierte en una gran macromolécula. Los
termofijos san siempre amorfos y no exhiben temperatura de transición vítrea. En esta
sección examinaremos las características generales de los plásticos TS e identificamos
los materiales más importantes en ésta categoría.
PROPIEDADES GENERALES Y CARACTERÍSTICAS
Debido a Ias diferencias en la composición química y estructura molecular, las propiedades
de los plásticos termofijos son diferentes de los termoplásticos. En general, los termofijos
son I) más rígidos, con módulos de elasticidad dos o tres veces más grandes; 2) frágiles,
prácticamente no poseen ductilidad; 3) menos solubles en los solventes comunes; 4)
capaces de funcionar a temperaturas más altas; y 5) no pueden ser refundidos, en lugar
de esto se degradan o se queman. Las diferencias en las propiedades de los plásticos
termofijos se atribuyen a las cadenas transversales que forman enlaces envalentes
tridimensionales térmicamente estables. El encadenamiento transversal se logra en tres
formas |7|:
I) Sistemas activados por temperatura. En los sistemas más comunes, los cambios son
causados por fuentes de calor durante las operaciones de conformado de la pieza (por
ejemplo, moldeado). La materia prima es un polímero lineal en forma granular
suministrado por la planta química. El material se somete al calentamiento para
ablandarlo y moldearlo, una mayor exposición al calor causa el encadenamiento
transversal del polímero. el término termofraguado se aplica apropiadamente a estos
polímeros.
2) Sistemas activados catalíticamente.
El encadenamiento transversal en estos
sistemas ocurre cuando se añaden en forma líquida pequeñas cantidades de un
catalizador al polímero. Sin el catalizador el polímero permanece estable, pero una vez
combinado con el catalizador, cambia a la forma sólida.
3) Sistemas activados por mezcla. La mayoría de las resinas epóxicas son ejemplos
de estos sistemas. El mezclado de dos sustancias químicas genera una reacción que
forma un polímero sólido con cadenas transversales. Las temperaturas elevadas se usan
algunas veces para acelerar las reacciones.
Las reacciones químicas asociadas con el encadenamiento transversal se llaman curado
o fraguado. El curado se ejecuta en la planta de fabricación donde se hacen las partes, y
no en la planta química que surte la materia prima al fabricante.
POLÍMEROS TERMOFIJOS IMPORTANTES
Los plásticos termofijos no se usan tan ampliamente como los termoplásticos, quizá por
las complicaciones adicionales relacionadas con el proceso de curación de los polímeros.
Los termofijos con mayor volumen de uso son las resinas fenólicas, cuyo volumen anual
es cerca del 6% del total tic plásticos en el mercado, cantidad significativamente menor al
de los principales termoplásticos como el polietileno. que tiene alrededor del 35% del
mercado. Los datos técnicos para estos materiales se dan en la tabla 15 Los datos sobre
la participación en el mercado se refieren al total de plásticos (termoplásticos y termofijos).
AMINORRESINAS
Los aminoplásticos tabla 16. se caracterizan por el grupo amino (NH2); consisten en dos
polímeros termofijos, urea formaldehído y melamina formaldehído que se producen
mediante la reacción del formaldehído (CH2O) ya sea con urea [CO(NH2)2) o melamina
(C3H6N6,), respectivamente. La importancia comercial de las aminorresinas está en
segundo lugar con respecto a otra resina de formaldehído, el fenol formaldehído que
analizaremos después. La resina urea formaldehído compile con los fenoles,
particularmente en ciertas aplicaciones como maderas enchapadas y adhesivos para
aglomerados. Estas resinas se usan también como compuesto moldeable. Es ligeramente
más costosa que el material fenólico. El plástico melamina formaldehído es un material
resistente al agua y con gran importancia en el manejo de vajillas de mesa y
recubrimientos laminados para mesas y puertas (como la Fórmica, una marca registrada
de Cyanamid Co). Cuando se usan para productos moldeados, los aminoplásticos
contienen generalmente proporciones significativas de relleno como la celulosa.
TABLA 16 Aminorresinas
Polímero representativo
Monómeros
Método de Polimerización
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
Melamina Formaldehído (C2H3Cl)
Melamina (C3H6N6)
Formaldehído (CH2O)
Por Pasos
1300000 lb/pulg2 (9000Mpa)
7000 lb/pulg2 (50Mpa)
Menos del 1 %
1.5
Cerca del 4 % para Urea Formaldehído
Y Melamina Formaldehído
EPÓXICOS
Las resinas epóxicas tabla 17 se basan en un grupo químico llamado epóxicos. La
formulación más simple de los epóxicos es el óxido de etileno (C2H3O), la epiclorhidrina
(C3H5OCI) es un epóxico mucho más utilizado para producir resinas epóxicas. Los
epóxicos no curados tienen un bajo grado de polimerización. Se necesita usar un agente
de curado para incrementar el peso molecular y encadenar transversalmente al epóxico.
Los posibles agentes de curado incluyen a las poliamidas y a los anhídridos ácidos. Los
epóxicos curados son notables por su resistencia, adhesión, resistencia al calor y a los
agentes químicos. Sus aplicaciones incluyen recubrimientos superficiales, pisos
industriales, compuestos reforzados con fibra de vidrio y adhesivos. Las propiedades
aislantes de los epóxicos termofijos los hacen útiles en varias aplicaciones electrónicas
como el encapsulado de transistores y en la laminación de tarjetas para circuitos
impresos.
TABLA 17 Epóxicos
Ejemplo de composición Química
Método de Polimerización
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
Epiclorhidrina (C3H5OCl) más un agente
De curado como la Trietilamina
[C6H5-CH2N-(CH3)2]
Por Pasos
1000000 lb/pulg2 (7000Mpa)
10000 lb/pulg2 (70Mpa)
0%
1.1
Cerca del 1 %
FENOLICOS
Los polímeros fenólicos (C6H5OH) tabla 18 son compuestos acídicos que pueden
reaccionar con aldehídos (alcoholes deshidrogenados), siendo el formaldehído (CH2O) el
más reactivo. El fenol formaldehído es el más importante de los polímeros fenólicos; se
comercializó a principios del siglo XX bajo la marca registrada Bakelita. Cuando se utiliza
como material de moldeado se combina con rellenos como aserrín, fibras de celulosa y
minerales. Es frágil y posee buena estabilidad térmica, química y dimensional. Su
capacidad de aceptar colorantes es limitada y se encuentra disponible solamente en
colores obscuros. Los productos moldeados-constituyen solamente un 10% del total de
los fenólicos usados. Otras aplicaciones incluyen adhesivos para maderas contra
chapadas, tarjetas para circuitos impresos, contratapas y adhesivos pira-bátalas y
piedras abrasivas.
TABLA 18 Fenol Formaldehído
Ingredientes Monómeros
Método de Polimerización
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
Fenol (C6H5OH)
Y Formaldehído (CH2O)
Por Pasos
1000000 lb/pulg2 (7000Mpa)
10000 lb/pulg2 (70Mpa)
Menos del 1 %
1.4
6%
POLIÉSTERES
Los poliesteres, tabla 19, que contienen los enlaces característicos de los esteres (CO-O)
pueden ser termofijos o termoplásticos. sección 10.2. Los poliésteres termofijos se usan
mucho en plásticos reforzados (compuestos) para fabricar artículos grandes como tubos,
tanques, cascos de botes, carrocerías automotrices y paneles de construcción. Pueden
utilizarse también cu varios procesos de moldeado para producir panes más pequeñas.
La síntesis del polímero inicial involucra la reacción de un ácido o anhídrido tal como el
anhídrido maleico (C4H2O,) con un glicol como el etilenglicol (C2H6O2). La reacción produce
un poliéster insaturado de un peso molecular relativamente bajo (PM = 1000 a 3000). Este
ingrediente se mezcla con un monómero capaz de polimerizar y encadenarse
transversalmente con el poliéster. El estireno (C8H8) se usa generalmente para este
propósito en proporciones que van del 30 al 50%. Se añade un tercer componente,
llamado inhibidor, para prevenir un encadenamiento transversal prematuro. Esta mezcla
forma el sistema de resina poliéster que se provee al fabricante. Los poliésteres se curan
ya sea por calor —sistema activado por temperatura— o por medio de la adición de un
catalizador a la resina del poliéster —sistema activado por catálisis. El curado se hace
durante la fabricación (moldeado u otros procesos de conformado) donde resulta el
encadenamiento transversal del polímero.
Una clase importante de poliésteres son las resinas alquídicas, cuyo nombre se deriva de
las abreviaturas combinadas de las palabras alcohol y Ácido, y se usan principalmente
como base de pinturas, barnices y lacas. Se dispone también de compuestos alquídicos
para moldear, pero su aplicación es limitada.
TABLA 19 Poliéster Insaturado
Ejemplo de composición Química
Método de Polimerización
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
Anhídrido maleico (C4H2O6)
Y Glicol Etílico (C2H6O2)
Más Estireno (C8H8)
Por Pasos
1000000 lb/pulg2 (7000Mpa)
4000 lb/pulg2 (30Mpa)
0%
1.1
3%
POLIURETANOS
Éstos incluyen una gran familia de polímeros tabla 20 caracterizados por el grupo
uretano (NHCOO) en su estructura. La química de los poliuretanos es compleja y hay
muchas variantes químicas en esta familia. El rasgo característico de esta reacción es un
poliol, cuyas moléculas contienen grupos hidróxidos (OH), tales como el glicol éter
butilénico (C4H1002), y un isocianato, como el disocianato difenilmetano (C15HIOO2N2). A
causa de las variaciones en la composición química, el encadenamiento transversal y el
procesamiento, los poliuretanos pueden ser termoplásticos, termofijos o elastómeros,
siendo los dos últimos los más importantes comercialmente.
La mayor aplicación de los poliuretanos son las espumas. Éstas abarcan un rango entre
comportamiento elastomérico y rígido, las últimas son las que tienen un encadenamiento
transversal más alto. Las espumas rígidas se usan como material de relleno en los tableros
de las construcciones y en las paredes de los refrigeradores. En estos tipos de
aplicaciones, el material brinda un excelente aislamiento térmico, añade rigidez a la
estructura y no absorbe agua en cantidades significativas. Muchas pinturas, barnices y
recubrimientos similares se basan en sistemas de uretano. Analizaremos los elastómeros
de poli uretano en la sección 10.4.
TABLA 20 Poliuretano
Polímero
Método de Polimerización
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
El Poliuretano se forma mediante la
reacción de un poliol y un isocianato.
La
composición
química
varia
significativamente.
Por Pasos
Varía dependiendo de la composición
Química y del procesamiento.
4000 lb/pulg2 (30Mpa)
Varía en función del encadenamiento
transversal
1.2
Cerca del 4 %, incluyendo a los
Elastómeros.
SILICONES
Los silicones son polímeros inorgánicos y semiorgánicos que se distinguen por la
presencia de enlaces siloxanos (-Si-O-) repetidos en su estructura molecular. Una
fórmula típica combina el radical metilo (CHO con (SiO) en varias proporciones para
obtener la unidad repetitiva (CH3)m-SiO) donde m establece la proporcionalidad. Con
variaciones en su composición y procesamiento, los polisiloxanos se pueden producir en
tres formas: 1) fluidos, 2) elastómeros y 3) resinas termofijas. Los fluidos son polímeros de
peso molecular ligero que se usan como lubricantes, pulimentadores, ceras y otros
líquidos (no son realmente polímeros en el contexto de este capítulo, pero de cualquier
manera son productos comerciales importantes). Los elastómeros de silicón, que se
cubren en la sección 10.4 y los silicones termofijos tratados aquí tienen cadenas
transversales. Los polisiloxanos con alto encadenamiento transversal forman sistemas de
resinas rígidas que se utilizan para pinturas, barnices, recubrimientos y laminados de
tarjetas para circuitos impresos; así como materiales para moldeo de materiales eléctricos.
El curado se hace por calentamiento o dejando que se evaporen los solventes que
contienen. Los silicones son notables por su repelencia al agua y su resistencia al calor,
pero su resistencia mecánica no es tan grande como otros polímeros encadenados
transversalmente. Los datos en la tabla 21 son para polímeros silicones termofijos.
TABLA 21 Resinas de silicón termofijas
Ejemplo de composición Química
Método de Polimerización
Resistencia a la Tensión
Elongación
Gravedad específica
Participación Aproximada en el Mercado
[(CH3)6-SiO] n
Por Pasos
4000 lb/pulg2 (30Mpa)
0%
1.65
Menos del 1 %