Termoplásticos

Introducción

Los termoplásticos representan el 70-81%del consumo total de los plásticos. Sus macromoléculas constan de cadenas lineales o ramificadas, que mantienen su cohesión mediante fuerzas intermoleculares. Su intensidad depende, entre otros, del tipo y número de ramificaciones, o cadenas laterales. FIGURA

El concepto termoplástico deriva de las palabras thermos (calor, cálido) y plastos (moldeable, dúctil), ya que los termoplásticos ven reducidas sus fuerzas intermoleculares por efecto del calor, con lo que se vuelven moldeables.

Son compuestos que pueden ser deformados bajo la influencia del calor y de la compresión, conservando su nueva forma al enfriarse y dejar de actuar la acción, pero que pueden ser nuevamente reblandecidos por el calor y vueltos a moldear. El proceso de su moldeo es, por lo tanto, reversible.

El ciclo de reblandecimiento y endurecimiento de los termoplásticos puede repetirse muchas veces, pero hay varias excepciones; como por ejemplo cuando la estabilidad química(expresada en términos de la temperatura a la cual empieza la descomposición química) es inferior a la cohesión entre las macromoléculas que resulta de la interacción entre las cadenas, en cuyo caso, al calentarse, el plástico experimenta cambios químicos antes de alcanzar el punto de reblandecimiento o de fusión. Una indicacióm más, con raras excepciones, de que las macromoléculas son lineales o ramificadas es su solubilidad en muchos líquidos tales como disolventes orgánicos. Este proceso afecta también a la interacción entre las macromoléculas, ya que las moléculas del disolvente se insertan entre las cadenas del polímero.

Este grupo comprende todas aquellas sustancias originadas normalmente por polimerización y ciertas materias naturales. Los plásticos típicos que se incluyen en este grupo son los poliestirenos, polivinilos, derivados del ácido acrílico, ésteres de celulosa, caucho y cauchos sintéticos, plásticos proteicos y los betunes y asfaltos.

Clasificación de los termoplásticos

Dentro de los termoplásticos, podemos encontrar dos grandes familias: los termoplásticos amorfos y los parcialmente cristalinos.

Termoplásticos amorfos

Los plásticos cuyas cadenas moleculares están fuertemente ramificadas, con cadenas laterales largas, no pueden, por causa de su construcción irregular, adoptar un estado de empaquetamiento compacto, ni tan siquiera en alguna de sus partes. Tales cadenas moleculares se asemejan a un ovillo de hilo, o a un trozo de algodón en el que los filamentos se encuentran entrelazados en todas direcciones. El plástico carece entonces de todo orden estructural y por ello se denomina termoplástico amorfo.

Debido a que los termoplásticos amorfos son transparentes en estado natural, no coloreado, reciben frecuentemente el nombre de cristales sintéticos u orgánicos.

Por ejemplo, un compact disc está hecho con un termoplástico amorfo. Gracias a que éste es transparente, el láser puede leer por reflexión en la capa de aluminio u oro las pequeñas oquedades (bits) en el plástico, y transmitir luego estas informaciones al reproductor de compact disc, que las transforma en música.

Termoplásticos parcialmente cristalinos

Si las macromoléculas presentan poca ramificación, es decir, pocas y cortas cadenas laterales, entonces es posible que determinadas regiones de las cadenas moleculares se ordenen y dispongan en forma compacta unas al lado de otras. Estas regiones con elevado grado de ordenación dentro de la molécula se denominan regiones cristalinas. Hay que tener en cuenta, no obstante, que nunca se produce una cristalización perfecta o completa, ya que la longitud de las cadenas lo impide, incluso durante la polimerización, cuando se inicia el entrecruzamiento de unas con otras.

Por lo tanto, aparte de las regiones ordenadas, siempre queda desordenada una parte de la molécula, con regiones distante unas de otras, llamadas regiones amorfas. Los termoplásticos que presentan tanto regiones cristalinas como amorfas reciben el nombre de termoplásticos parcialmente cristalinos.

No son nunca transparentes, ni tan siquiera cuando están en forma natural, no coloreada, sino que, por causa de la dispersión de la luz en las fronteras entre regiones amorfas y cristalinas del plástico, siempre son algo lechosos o de aspecto turbio.

Estructuras de los termoplásticos amorfos y parcialmente cristalinos

Comportamiento de los termoplásticos

Se entiende por cambios de estado físico de los plásticos el hecho de que éstos modifican su forma por la acción tanto de cargas (fuerzas) como de la temperatura. Este comportamiento permite evidenciar las diferencias existentes entre un termoplástico parcialmente cristalino y uno amorfo. Con ayuda de los gráficos, que se ilustran a continuación, se explicará estos comportamientos. En ellos se representan respectivamente la resistencia a la tracción y el alargamiento a la rotura en función de la temperatura, la cual se halla dividida en intervalos que son de especial significación para cada plástico concreto.

Alargamiento a la rotura y resistencia a la tracción

Si se tira de una probeta de plástico con una fuerza constantemente en aumento, se puede constatar dos tipos de efectos:

Resistencia a la tracción

La probeta reiste una determinada fuerza máxima de tracción. Se llama resistencia a la tracción al esfuerzo realizado cuando se aplica la fuerza máxima. Esta magnitud nos da idea de la reistencia del plástico.

Alargamiento

En el ensayo de tracción se observa también que la probeta de plástico se alarga, se distiende. El alargamiento al que se produce la rotura de la probeta recibe el nombre de alargamiento a la rotura. De esta magnitud puede deducirse la tenacidad del plástico.

Influencia de la temperatura

Estos valores son dependientes de la temperatura a la cual se determinan.

Comportamiento de los termoplásticos amorfos

A temperatura ambiente, el plástico es un material duro. Las macromoléculas se sujetan unas a otras mediante fuerzas intermoleculares, y no pueden apenas movere. Si se aumenta la temperatura, la movilidad de estas macromoléculas crece, así como su elasticidad y tenacidad. En cambio, la resistencia del material disminuye.

Al superar la temperatura de transición vítrea (T_G), las fuerzas intermoleculares se vuelven tan pequeñas que las macromoléculas pueden deslizarse unas sobre otras cuando actúa una fuerza exterior. La resistencia cae considerablemente, mientras que el alargamiento aumenta bruscamente. En este intervalo de temperaturas el plástico se encuentra en un estado termoelástico, parecido al del caucho.

Si sigue aumentando la temperatura, las fuerzas intermoleculares llegan a desaparecer. El plástico pasa de manera continua desde el estado termoelástico al estado fundido. Esta transición se caracteriza por el intervalo de temperaturas de fusión (T_F). No se trata, en este caso, de una temperatura concreta.

En caso de que continúe el calentamiento del plástico, llega a producirse, en algún momento, la descomposición de su estructura química.Este límite queda definido por la temperatura de descomposición (T_z).

Ejemplo de termoplástico amorfo: PVC rígido (PVC-U). En la figura están representados los diversos estados del material en función de la temperatura.

La temperatura de uso del PVC rígido se encuentra entre los -10 °C y los 50 °C, aproximadamente. Superados los 150 °C, este material pasa al estado termoplástico.

La temperatura máxima dee uso del termoplástico amorfo PC, con el que se fabrican los compact disc, es de unos 135 °C. Gracias a ello, un compact disc colocado sobre el salpicadero de un automóvil, que por exposición al sol puede calentarse hasta 80 °C, todavía permanece en perfectas condiciones de uso.

Comportamiento de los termoplásticos parcialmente cristalinos

En este tipo de termoplásticos, existen dos tipos de zonas. Por un lado, las zonas cristalinas, en las que las moléculas se hallan estrechamente empaquetadas, y por otro, las zonas amorfas, en las que las moléculas se encuentran más distantes unas de otras. Las fuerzas intermoleculares que aglutinan las zonas cristalinas son considerablemente más intensas que las de las zonas amorfas. El margen de temperaturas en el que las regiones amorfas del plástico llegan al estado termoplástico viene representado por el intervalo de temperaturas de fluencia (T_F); el de las regiones cristalinas, por la temperatura de fusión de las cristalitas (T_K). Para mayor información consultar "Fundamentos de la cinecia de la ingeniera de los materiales".

Cambios de estado de un termoplástico parcialmente cristalino

Por debajo de la temperatura de transición vítrea (T_G), todas las regiones del plástico se encuentran congeladas, por lo que éste resulta muy duro y frágil. Dentro de este intervalo de temperaturas, el plástico no es útil para aplicaciones prácticas.

Cuando se supera T_G, las primeras moléculas en empezar a moverse son las de las regiones amorfas, ya que en ellas las fuerzas intermoleculares no son tan intensas como en las regiones cristalinas, que permanecen congeladas. En los plásticos parcialmente cristalinos más comunes, esta temperatura se encuentra por debajo de la temperatura ambiente. El plástico posee ahora tenacidad y resistencia.

Con el aumento progresivo de temperatura, la movilidad de las cadenas moleculares de las regiones amorfas crece cada vez más. En las regiones cristalinas, las moléculas empiezan lentamente a agitarse. Muy pronto se llega a la temperatura de fluencia (T_F), en la que las fuerzas intermoleculares de las regiones amorfas quedan totalmente contrarrestadas. Un aumento ulterior de la temperatura nos acercaa la temperatura de fusión de las cristalitas (T_K). Por encima de la temperatura de fusión de las cristalitas, las fuerzas de enlace son demasiado débiles para impedir el deslizamiento y el desplazamiento de las cadenas moleculares incluso en las regiones cristalinas. Todo el plástico empieza a fundirse. Si siguiéramos calentando, al alcanzarse la temperatura de descomposición T_Z el plástico se destruiría.

Un ejemplo de plástico parcialmente cristalino es el polietileno de baja densidad (PE-LD). En la siguiente figura están representados sus diferentes estados en función de la temperatura.

Intervalos de temperatura del PE-LD

El margen de temperaturas en el que puede emplearse de forma efectiva el PE_LD va desde los -15 °C hasta los 85 °C.

Comportamiento en función del tiempo

Comportamiento bajo carga

Si se realiza un ensayo de tracción a dos probetas, una de plástico y otra de metal, sometidas a la misma fuerza, se puede observar los diferentes alargamientos que sufren.

Deformación de las probetas después de una carga de breve duración

Mediante este ensayo, podemos hallar el módulo E de las probetas. Se trata de una medida de la rigidez; de cuánto se alarga un material cuando se le aplica una determinada carga. Cuanto mayor es el módulo E, tanto menos se alarga un material sometido a igual carga y, por lo tanto, mayor es su rigidez.

Material	Módulo E (N/mm2)
Plásticos	200-15.000
Aceros	210.000
Aluminio	50.000

Módulo E de diferentes materiales

En la figura se observa que el acero presenta un módulo de E, y por tanto una rigidez, hasta 1000 veces superior a la de un plástico. Por este motivo, el valor del alargamiento en la probeta de acero es menor que en la probeta de plástico.

En el diseño de piezas de plástico, la importancia del módulo E es secundaria, puesto que sólo permite valoraciones parciales sobre la resistencia de los plásticos, ya que la resistencia de los mismo es dependiente del tiempo.

Influencia del tiempo en el comportamiento mecánico

Si se realiza el ensayo anterior durante un periodo de tiempo más largo, se puede observar que a medida que éste aumenta, el alargamiento en la probeta de plástico crece, mientras que en la de acero se mantiene constante (teniendo en cuenta que la intensidad de la cargano ha variado).

Este es un comportamiento típico de los plásticos, que denominamos fluencia plástica.

Deformación de las probetas después de ua acción más prolongadade la carga

Capacidad de recuperación de los termo-plásticos

Una maraña de macro moléculas se estira hasta cierto punto cuando se le aplica una carga, es decir, las macro moléculas se extienden a los largo. Si dejamos de aplicar la carga enseguida, las macro moléculas vuelven a su posición inicial; el alargamiento remite.

Un comportamiento de los plásticos que se basa en el mismo principio es el efecto de relajación. Consideremos un simple tubo de plástico, en el que las macro moléculas estén enmarañadas. Calentamos el tubo hasta que su temperatura esté dentro del intervalo termo elástico (por encima de la temperatura de transición vítrea T_G, pero por debajo del intervalo de temperaturas de flujo T_F).Entonces podemos doblar con relativa facilidad el tubo hasta obtener un ángulo recto (figura, posición b). Este proceso de calentamiento seguido de deformación se denomina también conformado. Después del conformado enfriamos rápidamente el tubo por debajo de la temperatura de T_G. El tubo queda curvado.

Si pudiéramos observar las moléculas situadas justo en el punto donde hemos doblado el tubo, comprobaríamos que ahí no se encuentran ya enmarañadas, sino que más bien están estiradas. Hablamos entonces de orientaciones en el plástico. Puesto que la temperatura es demasiado baja, éstas no pueden evolucionar hasta su forma enmarañada anterior. Se dice en este caso que las orientaciones están congeladas.

Si ahora calentamos otra vez el tubo doblado, las moléculas vuelven a sus posiciones de partida, llevando de paso el tubo hasta su foma lineal (desde la posición b hasta la a en la figura). Las orientaciones desaparecen. Este proceso se conoce como relajación.

Dependencia de los plásticos respecto a la temperatura y al tiempo

La temperatura y el tiempo tienen una influencia decisiva en el comportamiento mecánico de los plásticos. Es por ello que la posterior temperatura de utilización, así como la duración de las cargas son de vital importancia durante el diseño de piezas técnicas de plástico, a diferencia de lo que sucede con las piezas de metal.

Para facilitar el trabajo al diseñador, con la que pueda evaluar estas inlfuencias, se construyen las denominadas curvas de deformacíón plástica. Para ello se somete una probeta a la acción de una fuerza y a una temperatura determinada, y medimos la variación del alargamientos en el transcurso del tiempo. Los ensayos se repiten con diversas fuerzas y a diferentes temperaturas.

Curvas de deformación plástica

Otra forma de representación consiste en lo denominado gráficos de relajación. En él se plasma la variación del esfuerzo frente al tiempo, supuestos a una temperatura y un alargamiento constantes.

Gráfico de relajación

De estos gráficos es fácil deducir los esfuerzos máximos permisibles y, por tanto, las cargas máximas, cuando conocemos un alargamiento dado que la pieza diseñada no debe superar.

Y por último, están los gráficos de efuerzo-alargamiento, en los que se representa el esfuerzo a un tiempo y temperatura constantes en función del alargamiento.

Gráafico de isocronas esfuerzo-alargamiento

A continuación, a modo de ejemplo, se ilustra el gráfico de deformación plástica del PMMA.

Curvas de deformación plástica del PMMA

Clasificación según su uso

Los plásticos pueden clasificarse además según el tipo de utilización que tengan, lo cual está directamente relacionado con la cantidad producida y con su precio. Así, una primera clasificación consiste en dividir los plásticos en:

• Plásticos “commodities”: son plásticos de uso cotidiano, con un consumo masivo y un precio relativamente barato.
• Plásticos de altas prestaciones: son plásticos de menor utilización, con unas aplicaciones concretas y un precio relativamente caro.

Esta clasificación es muy general. Existe una clasificación un poco más detallada, según la cual los plásticos pueden dividirse en:

• Plásticos estándar: son “commodities” de producción y uso masivos.
• Plásticos técnicos: son “commodities” de uso industrial, utilizados en general, para la construcción de piezas.
• Plásticos especiales: son plásticos que poseen algunas propiedades concretas muy optimizadas.
• Plásticos de altas prestaciones: son plásticos de un gran valor añadido que se usan en aplicaciones muy concretas.

Usos

Los avances en el desarrollo de los materiales termoplásticos han hecho posible que los niveles de resistencia y tolerancia al calor y presión sean los necesarios para la mayoría de las aplicaciones de flujo de fluidos. La principal ventaja de los termoplásticos es su resistencia a los efectos de la corrosión a la gama más amplia posible de productos químicos. Los termoplásticos se instalan mucho más rápida y fácilmente y tienen mayor durabilidad que los productos metálicos.

• Construcción.

La construcción es otro de los sectores que más utilizan todo tipo de plásticos. El HDPE se usa en tuberías, del mismo modo que el PVC. Éste se emplea también en forma de lámina como material de construcción. Muchos plásticos se utilizan para aislar cables e hilos, y el polietileno aplicado en forma de espuma sirve para aislar paredes y techos. También se hacen con plástico marcos para puertas, ventanas y techos, molduras y otros artículos.

• Automoción.

Algunos plásticos muy resistentes se utilizan para fabricar piezas de motores, como colectores de toma de aire, tubos de combustible, botes de emisión, bombas de combustible y aparatos electrónicos. Muchas carrocerías de automóviles están hechas con plástico reforzado con fibra de vidrio.

• Envasado.

En el envasado se comercializa una buena cantidad de LDPE (polietileno de baja densidad) en forma de rollos de plástico, transparente para envoltorios. El polietileno de alta densidad (HDPE) se usa para películas plásticas más gruesas, como la que se emplea en las bolsas de basura. Se utilizan también en el envasado : el polipropileno, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (PVC) y el cloruro de polivinilideno. Este último se usa en aplicaciones de vacío, ya que no permite el paso de gases (por ejemplo, el oxígeno) hacia dentro o hacia fuera del paquete. De la misma forma, el polipropileno es una buena barrera contra el vapor de agua; tiene aplicaciones domésticas y se emplea en forma de fibra para fabricar alfombras y cuerdas.

• medicina .

Esta área está cubierta por los termoplásticos y termoestables convencionales que se pueden encontrar en diversas aplicaciones de la vida diaria. Se refiere a los materiales con los que se elaboran inyectadoras, bolsas para suero o sangre, mangueras o tubos flexibles, adhesivos, pinzas, cintas elásticas, hilos de sutura, vendas, etc. Los materiales más usados son aquellos de origen sintético y que no son biodegradables, como polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polimetilmetacrilato, policarbonato. Estos materiales tienen que ser diseñados para mantener sus propiedades en largos períodos de tiempo, por lo que se necesita que sean inertes, y debido a que su aplicación es dentro del organismo, deben ser biocompatibles y atóxicos para disminuir el posible rechazo. Las aplicaciones más importantes son las prótesis o implantes ortopédicos, elementos de fijación como cementos óseos, membranas y componentes de órganos artificiales, entre otros. Entre los materiales más utilizados se encuentran: polímeros fluorados como el teflón, poliamidas, elastómeros, siliconas, poliésteres, policarbonatos, etc. La versatilidad en propiedades físicas desarrolladas en estos materiales ha llevado a que desplacen a los materiales metálicos y cerámicos que antiguamente cumplían estas funciones y al desarrollo de nuevas aplicaciones cuyos requerimientos antes no eran posibles de satisfacer. Los avances en el desarrollo de los materiales termoplásticos han hecho posible que los niveles de resistencia y tolerancia al calor y presión sean los necesarios para la mayoría de las aplicaciones de flujo de fluidos. La principal ventaja de los termoplásticos es su resistencia a los efectos de la corrosión a la gama más amplia posible de productos químicos. Los termoplásticos se instalan mucho más rápida y fácilmente y tienen mayor durabilidad que los productos metálicos.

Aplicaciones

A continuación se expone, para distintos polímeros termoplásticos, las aplicaciones más destacadas para cada uno de ellos.

• Polietileno.El polietileno ha encotrado gran aceptación en virtud de su buena resistencia química, falta de olor, no toxicidad, poce permeabilidad para el vapor de agua, excelentes propiedades eléctricas y ligereza de peso. Las primeras aplicaciones del polietileno se basaron en sus buenas propiedades eléctricas y hasta mediados del siglo XX su uso como aislantes en los tubos submarinos y otras formas de recubrimientos para conductores absorbió la mayor parte de la producción. Recientemente han adquirido mayor importancia en las aplicaciones que se basan en su inercia y en su resistencia al agua, como pueden ser botellas y otros envases, así como tuberías de agua y material para envolver.

• PVC. Este polímero es uno de los más usados en la actualidad, su empleo se ve extendido a diversos campos dentro de la ingeniería. Un uso muy común es dentro del campo de la construcción como puede ser en tuberías de agua potable y evacuación, ventanas, puertas, zocalos o canalización eléctrica. En el campo del pckaging se usa en la fabricación de botellas de agua o zumos y refrecos o también en la fabricación de frascos para alimentos, cosmética o limpieza. También tiene una importante aplicación en la campo de la electrónica y electricidad en la fabricación de aislantes, así como de diversa aparamenta.

• Polipropileno.Dentro de las principales aplicaciones y usos que tiene el polipropileno, se encuentran: fabricación de sacos, bolsas, distintas piezas de automoción, utensilios domésticos, juguetes, botellas de diferentes tipos, embalajes, tubos e incluso es empleado en la fabricación de cascos de barco.

• Poliestireno. Las típicas aplicaciones en las que podemos ver el poliestireno son las cajas para los CD y las típicas cajas para comida rápida o comida a domicilio.

• Poliestireno expandido. Las características técnicas del poliestireno expandido hacen que fundamentalmente se empleen en el aislamiento térmico y en la resistencia mecánica. Por su bajo peso y gran resistencia es ideal para fabricar empaquetamientos y embalajes en la industria electrónica, farmeceútica, artesanal, etc. Se diseña de forma que se amolde a la forma del producto y su capacidad de amortiguamiento hace que absorba la energía en los posibles golpes que se produzcan. En la construcción se usa como aislamiento térmico y acústico, ya sea por ahorro de energía o por confort.

• PMMA. El PMMA (polimetilmetacrilato) es un termoplástico muy versátil, es usado en aplicaciones de diversa índole como pueden ser las lentes de contacto, en cristales, en fibras òpticas, en letreros luminosos, en prótesis dentales, etc.

Mirar también

• Thermoplastic.

• Polipropileno.

• Poliestireno.

• ABS.

• PMMA.

• PET.

• "http://www.textoscientificos.com/polimeros/pvc/usos", Con esta página podemos consultar los principales usos y aplicaciones del PVC, uno de los polímeros termoplásticos más empleados en la actualidad.

• http://www.obtesol.es/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=176

• http://www9.euskadi.net/sanidad/osteba/datos/e_99-07_tomografia_positrones.pdf, Estudio sobre el uso apropiado del PET

• http://www.textoscientificos.com/polimeros/pet/envases, El uso más común del PET es su aplicación en la fabricación de envases para alimentación, botellas para diversos tipo de bebidas. Con este enlace podemos tener más información al respecto.

Bibliografía

• "Ingeniería de los materiales plásticos"; M.A. Ramos Carpio, M.R. de María Ruíz

• "Introducción a la tecnología de los plásticos"; Michaeli, Greif, Kaufmann, Vossebürger;Hanser Editoral