Características de los polímeros termoplásticos

Los materiales termoplásticos pueden ser amorfos o semicristalinos. Como puede observarse en la figura 2.5, los termoplásticos amorfos constan de cadenas moleculares largas que cuando se forman dan lugar a una estructura molecular absolutamente desordenada, o también denominada amorfa. Estos materiales no cristalizan debido a que su estructura es asimétrica o por impedimento de las ramificaciones laterales, y suelen ser transparentes. Presentan en general buenas propiedades ópticas y poca contracción durante la transformación. Las moléculas ramificadas están próximas entre sí pero carecen de unión química, lo cual permite la transformación de los termoplásticos amorfos por extrusión, inyección y termo- conformado. Entre los termoplásticos amorfos se encuentran el polimetacrilato de metilo (PMMA), el poli(acrilonitrilo-estireno-acrilonitrilo) (ASA), acetato de celulosa (CA), acetobutirato de celulosa (CAB), polisulfona (PSU), entre otros.

Los termoplásticos semicristalinos presentan zonas en las cuales las macromoléculas poseen un alto ordenamiento espacial. Tales ordenamientos se dan en estructuras moleculares simétricas. La cristalización hace que los termoplásticos semicristalinos sean, por lo general, traslúcidos o, cuando la porción cristalina es muy elevada, opacos. La contracción debida al proceso de transformación es superior que sufren los polímeros amorfos, presentando un mejor comportamiento mecánico. Además, tienen un mejor comportamiento mecánico que los amorfos. Las posibilidades de transformación son similares a las de los termoplásticos amorfos, con la salvedad de que las condiciones de enfriamiento (temperatura del molde), tienen una gran importancia, debido a la cristalinidad que adquieren según sea la velocidad de enfriamiento. Los termoplásticos semicristalinos más importantes son: polietileno de baja densidad (PE-LD), polietileno de alta densidad (PE-HD), polipropileno (PP), poliamidas (PA), polietiltereftalato (PET), entre otros.

Figura 2.5. Estructura de los polímeros termoplásticos amorfos y cristalinos [15].

Las propiedades de los materiales termoplásticos, tanto de los amorfos como de los semicristalinos, dependen de la estructura química de los monómeros de partida, la longitud de la macromolécula, el grado de cristalinidad, y las fuerzas intermoleculares.

En los polímeros semicristalinos, las moléculas del polímero se pliegan sobre sí mismas formando láminas que son las que constituyen la estructura principal de un polímero cristalino. El crecimiento ocurre en todas direcciones dando lugar en ocasiones a la formación de esferulitas. Las esferulitas están constituidas por ordenamientos supramoleculares a partir de núcleos cristalinos, por enfriamiento lento, figura 2.6.

Figura 2.6. Estructura de las esferulitas de los polímeros [16].

El grado de cristalinidad de un polímero fundamentalmente depende del volumen de su estructura molecular. Las moléculas formadas por agrupaciones de átomos voluminosos, tienden a empaquetarse menos, logrando un menor grado de cristalinidad. Para un mismo polímero, pueden obtenerse grados de cristalinidad distintos en función de la velocidad de enfriamiento. Cuanto menor es la velocidad de enfriamiento, mayor es el grado de cristalinidad y el tamaño de los cristales. Para un polímero dado, un mayor grado de cristalinidad representa una mayor rigidez, mayor resistencia a la tracción, mayor resistencia a la fluencia, mayor resistencia térmica, mayor viscosidad y temperatura de fusión, mayor contracción por moldeo, mayor postcontracción y tendencia al alabeo.

El grado de polimerización es una magnitud característica de los termoplásticos y se define como el número de unidades monómericas que componen la cadena molecular. En general, los plásticos se componen de moléculas con diferente longitud de cadena, pero con una distribución de longitud de cadena con un perfil similar a la campana de Gauss.

El efecto del grado de polimerización sobre las propiedades mecánicas del polímero se puede resumir como:

Si aumenta el grado de polimerización Si disminuye el grado de polimerización

Aumenta la viscosidad Disminuye la tendencia a cristalizar

Aumenta la resistencia a la tracción Disminuye el hinchamiento

Aumenta la resistencia al desgarro Disminuye la tensofisuración

Aumenta el alargamiento a rotura Aumenta la dureza

Aumenta la resistencia al impacto

Dentro de una cadena molecular los átomos permanecen unidos entre sí, gracias al establecimiento de enlaces covalentes, relativamente estables a altas temperaturas. Las cadenas moleculares permanecen juntas entre sí gracias a enlaces relativamente débiles, entre átomos de distintas cadenas, como las fuerzas de Van der Waals, las interacciones dipolares o los enlaces de hidrógeno.

El aumento de temperatura en un material termoplástico se traduce en un incremento de energía de la estructura molecular, que pone en vibración a todo el conjunto de la misma. A una determinada temperatura, la vibración es tan intensa que provoca la ruptura de las fuerzas intermoleculares, que mantiene unidas a las distintas moléculas entre sí, quedando éstas libres individualmente para poder desplazarse, unas respecto de las otras. La facilidad de deslizamiento de unas moléculas respecto de las otras es lo que conocemos como fluidez de un material, y que viene controlada, para cada material, por la longitud de sus cadenas moleculares.

La resistencia de los polímeros a los agentes químicos depende de la estructura química y los grupos funcionales presentes de las unidades monoméricas de las cuales están formados, y de la accesibilidad que presentan los grupos funcionales a los reactivos químicos.

Para valorar las propiedades mecánicas a tracción de los plásticos en relación a otros materiales, se emplean los diagramas de esfuerzo-alargamiento obtenidos a partir de los ensayos a tracción de los materiales.Esta representación contiene en el eje Y, el esfuerzo aplicado sobre una probeta de material, mientras que en el eje X se encuentran los alargamientos resultantes de la aplicación de la tensión.

Una probeta de metal sometida a esfuerzos crecientes de tracción, se alarga de forma proporcional a la tensión aplicada, figura 2.7. La representación de este comportamiento es una línea recta. Los metales, mientras no se llegue a su límite de resistencia, se comportan de una manera elástica, es decir, los alargamientos son proporcionales a los esfuerzos, y son reversibles. Esto significa que si la tensión cesa, la probeta recupera las dimensiones originales. Los alargamientos de los metales son pequeños debido a su elevada rigidez.

Figura 2.7. Diagrama de esfuerzo-alargamiento de polímeros termoplásticos [14].

Los plásticos en cambio, y en especial los termoplásticos, tienen un intervalo de comportamiento elástico relativamente corto. A partir de cierto alargamiento empiezan las deformaciones o alargamientos plásticos, o sea, deformaciones permanentes o irreversibles. Si la tensión cesa, el polímero no es capaz de recuperar su forma y dimensiones iniciales, debido a que las macromoléculas que lo componen han sido estiradas en exceso. La representación gráfica de este comportamiento es una curva, cuyo inicio es asimilable a una recta (zona elástica). La forma concreta de la curva depende en gran medida de la rigidez del material, y de si contiene o no refuerzos o cargas. Los termoplásticos reforzados con fibras

presentan curvas con gran pendiente, y acaban de manera brusca al alcanzarse su punto de rotura. Los plásticos no reforzados presentan curvas con menor pendiente y alargamientos mayores, que culminan en un máximo (punto de fluencia), a partir del cual la curva desciende (la pendiente se vuelve negativa). Es decir, que se

puede seguir estirando la probeta bajo esfuerzos a tracción inferiores a los

empleados para llegar al punto de fluencia. El plástico cede, debido a que su estructura interna inicial se ha perdido y ya no ofrece tanta resistencia a ser estirado. A este fenónemo se le conoce como fluencia en frío, porque es similar al proceso de fluidez en el estado fundido, con la diferencia de que se produce a temperaturas muy inferiores a las de fusión y por efecto de la fuerza ejercida. Si se sigue estirando la probeta más allá de su intervalo de fluencia en frío, la curva vuelve a aumentar de pendiente y se vuelven a requerir grandes esfuerzos para proseguir el alargamiento. Ello se debe a que las macromoléculas, se han orientado en la dirección del esfuerzo, ofreciendo nuevamente una gran resistencia al mismo. Este fenómeno es aprovechado industrialmente en la fabricación de monofilamentos y film monoorientado y biorientado. Cuando el alargamiento llega a valores muy grandes, se produce la rotura, por puro desgarro de las macromoléculas, que se ven obligadas a deslizarse unas por encima de otras.