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Los plásticos de alto rendimiento son aquellos que cumplen requisitos más exigentes que los plásticos estándar ( de uso común ) o de ingeniería . Son más caros y se utilizan en menor cantidad. [ 1 ]
Definición
Los plásticos de alto rendimiento se diferencian de los plásticos estándar y de los plásticos de ingeniería principalmente por su estabilidad térmica , pero también por su resistencia química y propiedades mecánicas , la cantidad de producción y el precio .
Existen muchos sinónimos para el término plásticos de alto rendimiento, como: plásticos de alta temperatura, polímeros de alto rendimiento, termoplásticos de alto rendimiento o plásticos de alta tecnología. El nombre plásticos de alta temperatura se utiliza debido a su temperatura de servicio continuo (TSC), que por definición siempre es superior a 150 °C (aunque esta no es su única característica, como se puede observar más arriba).
El término " polímeros " se usa a menudo en lugar de "plásticos" porque ambos términos se utilizan como sinónimos en el campo de la ingeniería .
Sin embargo, la diferenciación con respecto a los plásticos menos resistentes ha variado con el tiempo; mientras que el nailon y el tereftalato de polietileno se consideraban inicialmente plásticos resistentes, ahora son comunes. [ 2 ]
Historia
La mejora de las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica es y siempre ha sido un objetivo importante en la investigación de nuevos plásticos. Desde principios de la década de 1960, el desarrollo de plásticos de alto rendimiento ha estado impulsado por las necesidades correspondientes en la tecnología aeroespacial y nuclear . [ 3 ] Rutas sintéticas, por ejemplo, para PPS , PES y PSU fueron desarrolladas en la década de 1960 por Philips , ICI y Union Carbide . La entrada al mercado tuvo lugar a principios de la década de 1970. Una producción de PEEK (ICI), PEK (ICI) y PEI (General Electric) a través de policondensación se desarrolló en la década de 1970. El PEK fue ofrecido desde 1972 por Raychem , pero fabricado mediante síntesis electrofílica. Dado que la síntesis electrofílica tiene en general la desventaja de una baja selectividad para polímeros lineales y utiliza reactivos agresivos , el producto podía permanecer poco tiempo en el mercado . Por esta razón, la mayoría de los plásticos de alto rendimiento se producen actualmente mediante procesos de policondensación. [ 2 ]
En los procesos de fabricación por policondensación, es importante que las materias primas sean de alta pureza. Además, la estereoquímica influye en la obtención de las propiedades deseadas en general. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos plásticos de alto rendimiento está estrechamente vinculado al desarrollo y la producción económica de los monómeros que los componen . [ 2 ]
Características
Los plásticos de alto rendimiento cumplen con requisitos más exigentes que los plásticos estándar y de ingeniería debido a sus propiedades mecánicas más deseables, mayor estabilidad química y/o térmica. Esta última característica, en particular, dificulta su procesamiento, requiriendo a menudo maquinaria especializada. La mayoría de los plásticos de alto rendimiento se utilizan para una sola propiedad (por ejemplo, estabilidad térmica), a diferencia de los plásticos de ingeniería, que ofrecen un rendimiento moderado en un rango más amplio de propiedades. [ 1 ] Algunas de sus diversas aplicaciones incluyen: tuberías para el flujo de fluidos, aislantes para cables eléctricos, arquitectura y fibra óptica. [ 4 ]
Los plásticos de alto rendimiento son relativamente caros: el precio por kilogramo puede oscilar entre 5 USD ( PA 46 ) y 100 USD ( PEEK ). El valor medio es ligeramente inferior a 15 USD/kg. [ 5 ] Por lo tanto, los plásticos de alto rendimiento son entre 3 y 20 veces más caros que los plásticos de ingeniería. [ 2 ] En el futuro, no se prevé una disminución significativa de los precios, ya que los costes de inversión en equipos de producción, el desarrollo que requiere mucho tiempo y los elevados costes de distribución se mantendrán constantes. [ 5 ]
Dado que los volúmenes de producción son muy limitados, con 20.000 t/año, los plásticos de alto rendimiento tienen una cuota de mercado de apenas el 1%. [ 1 ] [ 3 ]
Entre los polímeros de alto rendimiento, los fluoropolímeros tienen una cuota de mercado del 45 % (principales representantes: PTFE), los polímeros aromáticos que contienen azufre una cuota de mercado del 20 % (principalmente PPS), los poliariléteres aromáticos y las policetonas una cuota de mercado del 10 % (principalmente PEEK) y los polímeros de cristal líquido (LCP) un 6 %. [ 5 ] [ 6 ] Los dos mayores consumidores de plásticos de alto rendimiento son las industrias eléctrica y electrónica (41 %) y la industria automotriz (24 %). Todas las demás industrias (incluida la industria química ) tienen una cuota del 23 %. [ 5 ]
Estabilidad térmica
La estabilidad térmica es una característica clave de los plásticos de alto rendimiento. Asimismo, las propiedades mecánicas están estrechamente relacionadas con la estabilidad térmica.
Basándose en las propiedades de los plásticos estándar, se pueden lograr algunas mejoras en las características mecánicas y térmicas mediante la adición de estabilizadores o materiales de refuerzo ( fibras de vidrio y carbono , por ejemplo) o mediante un aumento en el grado de polimerización . Se pueden conseguir mejoras adicionales mediante la sustitución de unidades alifáticas por aromáticas. De esta forma, se alcanzan temperaturas de funcionamiento de hasta 130 °C. Los termoestables (que no pertenecen a los plásticos de alto rendimiento, véase más arriba) tienen una estabilidad térmica similar, de hasta 150 °C. Se puede alcanzar una temperatura de servicio aún mayor mediante la unión de aromáticos (por ejemplo, fenilo ) con oxígeno (como el grupo difenil éter , por ejemplo, PEEK), azufre (como los grupos difenil sulfona en PES o el grupo difenilo , por ejemplo, en PPS) o nitrógeno ( grupo imida en PEI o PAI ). Las temperaturas de funcionamiento resultantes pueden estar entre 200 °C en el caso del PES y 260 °C en el caso del PEI o PAI. [ 7 ]
El aumento de la estabilidad térmica mediante la incorporación de unidades aromáticas se debe a que la estabilidad térmica de un polímero está determinada por su resistencia a la degradación térmica y a la oxidación . La degradación térmica se produce principalmente por la ruptura estadística de la cadena ; la despolimerización y la eliminación de compuestos de bajo peso molecular desempeñan un papel secundario.
La degradación termooxidativa de un polímero comienza a temperaturas más bajas que la degradación meramente térmica. Ambos tipos de degradación proceden a través de un mecanismo de radicales. [ 8 ] Los aromáticos ofrecen una buena protección contra ambos tipos de degradación, ya que los radicales libres pueden deslocalizarse a través del sistema π del aromático y estabilizarse. De esta manera, la estabilidad térmica aumenta considerablemente. El poli(p-fenileno) puede servir como ejemplo; está compuesto exclusivamente de aromáticos y proporciona una estabilidad extrema, incluso a temperaturas superiores a 500 °C. Por otro lado, la rigidez de las cadenas lo hace más o menos difícil de procesar. Para encontrar un equilibrio entre procesabilidad y estabilidad, se pueden incorporar unidades flexibles a la cadena (p. ej., O , S , C(CH₃ ) ) . Los aromáticos también pueden sustituirse por otras unidades más rígidas (p. ej., SO₂ , CO ). Al mezclar estos diferentes elementos , se crea la diversidad de plásticos de alto rendimiento con sus diferentes características. [ 2 ]
En la práctica, se puede obtener una resistencia máxima a la temperatura (alrededor de 260 °C) con fluoropolímeros (polímeros en los que los átomos de hidrógeno de los hidrocarburos han sido reemplazados por átomos de flúor). [ 7 ] Entre ellos, el PTFE tiene la mayor cuota de mercado, con un 65-70 %. [ 6 ] Sin embargo, los polímeros que contienen flúor no son adecuados para su uso como material de construcción debido a sus deficientes propiedades mecánicas (baja resistencia y rigidez , fuerte fluencia bajo carga). [ 7 ]
Cristalinidad
Los plásticos de alto rendimiento se pueden dividir en polímeros amorfos y semicristalinos, al igual que todos los polímeros. Por ejemplo, la polisulfona (PSU), la poli(etersulfona) (PES) y la polieterimida (PEI) son amorfas ; sin embargo, el poli(sulfuro de fenileno) (PPS), la polieteretercetona (PEEK) y las polietercetonas (PEK) son semicristalinas .
Los polímeros cristalinos (especialmente los reforzados con cargas) pueden utilizarse incluso por encima de su temperatura de transición vítrea . Esto se debe a que los polímeros semicristalinos, además de una temperatura vítrea T g , tienen un punto de fusión de cristalita T m , que suele ser mucho mayor. Por ejemplo, el PEEK tiene una T g de 143 °C, pero sigue siendo utilizable hasta los 250 °C ( temperatura de servicio continuo = 250 °C). Otra ventaja de los polímeros semicristalinos es su alta resistencia a las sustancias químicas: el PEEK posee una alta resistencia a los ácidos acuosos , los álcalis y los disolventes orgánicos . [ 2 ]
Referencias
- ^ Hans-Georg, Elías (2009 ) . Makromoleküle, Banda 4: Anwendungen von Polymeren (6ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-5272-9962-1.Makromoleküle , pág. 298, en Google Books
- 1 2 3 4 5 6Parker , David; Bussink, enero; van de Grampel, Hendrik T.; Wheatley, Gary W.; Dorf, Ernst-Ulrich; Ostlinning, Edgar; Reinking, Klaus; Schubert, Frank; Jünger, Oliver (abril de 2012). "Polímeros de alta temperatura". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi : 10.1002/14356007.a21_449.pub3 . ISBN 978-3-527-30673-2.
- ^ Káiser , Wolfgang (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2 ed.). Weinheim: Carl Hanser. ISBN 978-3-446-43047-1.Kunststoffchemie , pág. 439, en libros de Google
- ↑ "Las diferentes aplicaciones y variaciones de los tubos de fluoropolímero" . Fluorotherm. 15 de octubre de 2015.
- ^ "Información de KIweb.de Kunststoff " . Consultado el 24 de enero de 2014 .
- ^ Keim , Wilhelm (2006). Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen (1 ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-5273-1582-9.Kunststoffchemie , pág. 214, en libros de Google
- ^ Walter Hellerich ; Günther Harsch; Erwin Baur (2010). Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte (10 ed.). Múnich: Carl Hanser Verlag. ISBN 978-3-446-42436-4.Werkstoff-Führer , pág. 1, en libros de Google
- ↑ Gottfried W. Ehrenstein; Sonja Pongratz (2007). Beständigkeit von Kunststoffen (6 ed.). Múnich: Carl Hanser Verlag. ISBN 978-3-446-21851-2.Beständigkeit von Kunststoffen , pág. 38-47, en libros de Google
- Termoplásticos