plástico microcelular

Los plásticos microcelulares , también conocidos como espuma microcelular , son una forma de plástico fabricado para contener miles de millones de pequeñas burbujas de menos de 50 micras de ancho (típicamente de 0,1 a 100 micrómetros). Se forman disolviendo gas a alta presión en varios polímeros, aprovechando el fenómeno de inestabilidad termodinámica para causar la disposición uniforme de las burbujas de gas, también conocido como nucleación . ^{[ 1 ]} Su propósito principal era reducir el uso de material manteniendo valiosas propiedades mecánicas. La densidad del producto final está determinada por el gas utilizado. Dependiendo del gas, la densidad de la espuma puede estar entre el 5 % y el 99 % del plástico preprocesado. ^{[ 2 ]} Los parámetros de diseño, centrados en la forma final de la espuma y el proceso de moldeo posterior, incluyen el tipo de matriz o molde a utilizar, así como las dimensiones de las burbujas o celdas, que clasifican el material como espuma. ^{[ 1 ]} Dado que el tamaño de las celdas es cercano a la longitud de onda de la luz, para el observador casual la espuma conserva la apariencia de un plástico sólido de color claro.

Los recientes avances en la Universidad de Washington han dado como resultado espumas nanocelulares con celdas en el rango de 20 a 100 nanómetros. En el Instituto Indio de Tecnología de Delhi , se están desarrollando tecnologías para fabricar espumas microcelulares de alta calidad. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Antes de 1974, las espumas tradicionales se creaban mediante un método descrito en una patente estadounidense de 1974 denominada «Mezcla de plástico fundido y gas». ^{[ 5 ]} Al liberar un gas, también conocido como agente espumante químico o físico , sobre plástico fundido, este se convertía en espuma tradicional. Los resultados de estos métodos eran muy deficientes. Debido a la naturaleza incontrolada del proceso, el producto solía ser heterogéneo y presentaba numerosos huecos. En consecuencia, se obtenía una espuma de baja resistencia y densidad, con grandes celdas en su estructura. Los inconvenientes de este método impulsaron la necesidad de un proceso que permitiera obtener un material similar con propiedades mecánicas más ventajosas.

La creación de espumas microcelulares tal como las conocemos hoy se inspiró en la producción de espumas tradicionales. En 1979, los estudiantes de maestría del MIT, JE Martini y FA Waldman, bajo la dirección del profesor Nam P Suh, son reconocidos por la invención de los plásticos microcelulares o espumas microcelulares. ^{[ 6 ]} Mediante extrusión a presión y moldeo por inyección, su experimentación condujo a un método que utilizaba significativamente menos material y un producto con entre un 5 % y un 30 % menos de poros de menos de 8 micras de tamaño. En términos de propiedades mecánicas, la tenacidad a la fractura del material mejoró en un 400 % y la resistencia a la propagación de grietas aumentó en un 200 %. Primero, el plástico se satura uniformemente con gas a alta presión. Luego, se aumenta la temperatura, lo que provoca inestabilidad térmica en el plástico. Para alcanzar un estado estable, tiene lugar la nucleación celular. Durante este paso, las celdas creadas serían mucho más pequeñas que las de las espumas tradicionales. Después de esto, se iniciaría el crecimiento celular o relajación de la matriz. La novedad de este método radicaba en la capacidad de controlar las propiedades mecánicas del producto variando la temperatura y la presión. Por ejemplo, modificando la presión, se podía formar una capa exterior muy fina, lo que aumentaba la resistencia del producto. Los resultados experimentales mostraron que _el CO₂ era el gas que producía las espumas más densas. Otros gases, como el argón y el nitrógeno, producían espumas con propiedades mecánicas ligeramente menos deseables.

Al seleccionar un gas para producir la espuma deseada, se consideran los requisitos funcionales y los parámetros de diseño. Los requisitos funcionales son idénticos a los criterios utilizados en la invención de este tipo de material: usar menos plástico sin sacrificar las propiedades mecánicas (especialmente la tenacidad) que permiten fabricar los mismos productos tridimensionales que el plástico original.

La producción de plásticos microcelulares depende de la temperatura y la presión. La disolución de gas a alta temperatura y presión crea una fuerza impulsora que activa los sitios de nucleación cuando la presión disminuye, lo cual aumenta exponencialmente con la cantidad de gas disuelto. ^{[ 1 ]}

La nucleación homogénea es el mecanismo principal para la formación de burbujas en la matriz celular. Las moléculas de gas disueltas tienden a difundirse hacia los sitios de activación que se nuclean primero. Esto se evita, ya que estos sitios se activan casi simultáneamente, lo que obliga a que las moléculas de gas disueltas se distribuyan de manera uniforme y equitativa por todo el plástico.

Al retirar el plástico del entorno de alta presión, se produce una inestabilidad termodinámica. Calentar el polímero por encima de la temperatura de transición vítrea efectiva (de la mezcla polímero/gas) provoca que el plástico se espume, creando una estructura muy uniforme de pequeñas burbujas.

La densidad de los plásticos microcelulares tiene la mayor influencia en el comportamiento y el rendimiento. ^{[ 7 ]} La resistencia a la tracción del material disminuye linealmente con la densidad del material a medida que se disuelve más gas en la pieza. La temperatura de fusión y la viscosidad también disminuyen.

El propio proceso de inyección de espuma introduce defectos superficiales como marcas circulares, vetas y ampollas, que también influyen en cómo reacciona la pieza a las fuerzas externas.

Debido a la naturaleza no peligrosa de este proceso de generación de espuma, estos plásticos pueden reciclarse y reincorporarse al ciclo de producción, reduciendo así su huella de carbono y el coste de las materias primas.

Debido a la naturaleza porosa de este material, la densidad general es mucho menor que la de cualquier plástico sólido, lo que reduce considerablemente el peso por unidad de volumen de la pieza. Esto también implica un menor consumo de plástico en bruto con la adición de las diminutas cavidades llenas de gas, lo que permite una mayor reducción de costos, de hasta un 35 %. ^{[ 1 ]}

Al observar las propiedades mecánicas de estas espumas, se observa una correlación casi lineal entre la pérdida de resistencia a la tracción y la disminución de la densidad. ^{[ 2 ]}

Desde los avances logrados por la investigación del MIT a finales de la década de 1970, los plásticos microcelulares y sus métodos de fabricación se han estandarizado y perfeccionado. Trexel Inc. ^{[ 8 ]} suele considerarse el referente del sector en plásticos microcelulares gracias a su tecnología de moldeo MuCell® . Trexel y otros fabricantes de plásticos microcelulares emplean tanto el moldeo por inyección como el moldeo por soplado para crear productos destinados a aplicaciones como la automoción, la medicina, el embalaje, el consumo y la industria.

El moldeo por inyección y el moldeo por soplado difieren en cuanto al tipo de producto que se necesita fabricar. El moldeo por inyección, al igual que la fundición, se centra en la creación de un molde para un objeto sólido, que posteriormente se llenará con el plástico fundido. ^{[ 9 ]} El moldeo por soplado, por otro lado, está más especializado en objetos huecos, aunque es menos preciso en cuanto al espesor de la pared, ya que esta dimensión es una característica no definida (a diferencia de un molde de inyección donde todas las dimensiones están predeterminadas). ^{[ 10 ]} Con respecto a MuCell ® y los plásticos microcelulares, estos procesos difieren de los de los plásticos tradicionales debido a los pasos adicionales de disolución de gas y nucleación celular antes de que pueda comenzar el proceso de moldeo. Este proceso eliminó la "fase de empaquetado y mantenimiento" que permitía imperfecciones dentro de un molde, creando un producto terminado con mayor precisión dimensional y una estructura sólida. ^{[ 11 ]} Al eliminar un paso completo del proceso de moldeo, se ahorra tiempo, lo que hace de MuCell ® una opción más económica, ya que se pueden fabricar más piezas en el mismo tiempo en comparación con las resinas estándar. Algunos ejemplos de aplicaciones incluyen paneles de instrumentos de automóviles, bombas cardíacas, compartimentos de almacenamiento y la carcasa de diversas herramientas eléctricas domésticas.

• acrilonitrilo
• butadieno
• estireno

• Miller, Dustin. "Laboratorio de plásticos microcelulares - Universidad de Washington" . faculty.washington.edu . Consultado el 22 de marzo de 2016 .