Polímeros Sintéticos: Composición, Propiedades y Técnicas de Procesamiento

Polímeros Sintéticos

Los monómeros son moléculas pequeñas que se combinan entre sí para formar macromoléculas llamadas polímeros. Estos se obtienen mediante reacciones químicas conocidas como reacciones de polimerización.

Tipos de Polímeros según su Composición Monomérica

Homopolímero

Un homopolímero es un polímero formado por la repetición de un único tipo de monómero (por ejemplo, A-A-A-A).

Copolímero

Un copolímero está formado por la unión de dos o más tipos de monómeros diferentes. Según la distribución de estos monómeros en la cadena polimérica, los copolímeros pueden clasificarse en:

• Al azar: Los diferentes monómeros se distribuyen a lo largo de la cadena polimérica sin un orden específico.
• Alternados: Los monómeros se alternan de forma regular y predecible en la cadena (ejemplo: A-B-A-B-A-B).
• En bloques: La cadena polimérica está compuesta por secuencias largas (bloques) de un tipo de monómero, seguidas por secuencias largas de otro tipo de monómero (ejemplo: AAAA-BBBB-AAAA).
• De injerto: Sobre una cadena principal formada por un tipo de monómero se insertan ramificaciones (injertos) constituidas por otro tipo de monómero (ejemplo: cadena principal AAAAA con ramificaciones laterales de BBBBB).
• Terpolímero: Es un tipo específico de copolímero formado por la repetición de tres monómeros diferentes (ejemplo: A-B-C-A-B-C).

Reacciones de Polimerización

Las principales reacciones mediante las cuales se forman los polímeros son:

• Polimerización por adición (o en cadena): Los monómeros, que generalmente contienen dobles o triples enlaces carbono-carbono, se unen unos a otros sucesivamente sin la pérdida de ningún átomo. El polímero resultante tiene la misma composición elemental que el monómero original.
• Polimerización por condensación (o por etapas): Los monómeros reaccionan para formar enlaces entre sí, con la eliminación simultánea de una molécula pequeña (como agua, amoníaco o metanol) en cada unión. El polímero resultante tiene una composición elemental diferente a la de los monómeros de partida.

Clasificación de Polímeros según su Comportamiento Térmico y Propiedades Mecánicas

La respuesta de los polímeros a la temperatura (T°) y sus propiedades mecánicas permiten la siguiente clasificación general:

• Termoplásticos: Son polímeros que se ablandan y se vuelven fluidos (fundidos) al calentarlos, lo que permite moldearlos. Al enfriarse, se solidifican y conservan la nueva forma. Este proceso de calentamiento y enfriamiento puede repetirse múltiples veces sin cambios químicos significativos en el material. Ejemplos comunes incluyen el polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC, poliestireno (PS) y nailon.
• Termoestables (o termorrígidos): Estos polímeros, una vez que han sido moldeados y curados (endurecidos) mediante calor o una reacción química, experimentan una transformación química irreversible que forma una red tridimensional de enlaces cruzados permanentes. No pueden volver a fundirse ni remodelarse; si se recalientan a temperaturas suficientemente altas, se degradan químicamente en lugar de fluir. Son generalmente más rígidos, frágiles y resistentes a altas temperaturas y solventes que los termoplásticos. Ejemplos: resinas fenólicas, epoxi y poliésteres insaturados.
• Elastómeros (cauchos): Son polímeros que exhiben una alta elasticidad; es decir, pueden sufrir grandes deformaciones bajo la aplicación de un esfuerzo relativamente bajo y recuperar rápidamente su forma y dimensiones originales una vez que cesa dicho esfuerzo. Estas propiedades elásticas se conservan incluso después de sufrir deformaciones considerables. Ejemplos: caucho natural, neopreno, siliconas.
• Fibras: Son polímeros que pueden ser conformados en filamentos largos con una alta relación longitud/diámetro. Poseen una alta resistencia a la tracción y un alto módulo de elasticidad (rigidez) en la dirección de la fibra, debido a la orientación de sus cadenas moleculares. Ejemplos: poliéster (PET para fibras), nailon, aramidas.

Procesamiento de Plásticos

El procesamiento de plásticos involucra una serie de técnicas para transformar la materia prima polimérica en productos útiles. Algunas de las más importantes son:

Extrusión

En este proceso continuo, la resina termoplástica (generalmente en forma de gránulos o polvo) se alimenta a un cilindro calentado. Dentro del cilindro, un tornillo giratorio transporta, comprime, funde y homogeniza el plástico. El plástico fundido es entonces forzado a pasar a través de una boquilla o matriz que tiene la forma del perfil deseado (por ejemplo, tuberías, láminas, películas, perfiles para ventanas).

Después de salir de la matriz, el perfil extruido debe ser enfriado por debajo de su temperatura de transición vítrea (T_g) para polímeros amorfos, o por debajo de su temperatura de fusión (T_m) para polímeros semicristalinos, para asegurar su estabilidad dimensional.

El enfriamiento se realiza comúnmente mediante baños de agua, rodillos enfriados o chorros de aire. El resultado es un producto continuo o un perfil (considerado un semifabricado).

Dependiendo del producto final, pueden ser necesarias operaciones secundarias con otras máquinas, como pulidoras, trenes de estiraje (para orientar las moléculas y mejorar propiedades mecánicas), cortadoras a la longitud deseada o enrolladoras.

Inyección

El moldeo por inyección es un proceso cíclico altamente productivo, ideal para la fabricación en masa de piezas con geometrías complejas, desde muy pequeñas hasta de considerable tamaño, y con variado peso y formas. La eficiencia del proceso se mide a menudo por el número de piezas producidas por unidad de tiempo (ciclos por minuto).

La pieza final se obtiene, generalmente, en una sola etapa dentro de un molde cerrado, requiriendo poco o ningún trabajo de acabado posterior. El moldeo por inyección es un proceso altamente automatizable, con condiciones de fabricación (temperatura, presión, tiempo) fácilmente controlables y reproducibles, lo que permite obtener piezas de alta precisión dimensional y excelente calidad superficial.

Moldeo por Compresión

En el moldeo por compresión, una cantidad medida del material de moldeo (generalmente una resina termoestable, a menudo precalentada y en forma de polvo, pellets o preformas) se coloca en la cavidad de un molde abierto y calentado. Luego, el molde se cierra, aplicando alta presión. Bajo estas condiciones de calor y presión, el material fluye, llena la cavidad del molde y entra en íntimo contacto con todas sus superficies. Se mantiene el calor y la presión durante un tiempo determinado hasta que el material se ha curado (polimerizado y endurecido).

Este proceso es especialmente adecuado para resinas termoestables y para la fabricación de piezas grandes, con secciones gruesas, complejas y de alta resistencia, a menudo reforzadas con fibras (como fibra de vidrio o carbono). Aunque menos común, algunos compuestos termoplásticos, especialmente aquellos con refuerzos como cintas unidireccionales o tejidos, también pueden ser procesados por compresión.

Sus principales ventajas incluyen la capacidad para moldear piezas grandes e intrincadas, y un costo de utillaje (moldes) relativamente bajo en comparación con procesos como la inyección, especialmente para series de producción cortas o medianas.

Moldeo Rotacional (Rotomoldeo)

El moldeo rotacional, o rotomoldeo, es un proceso de transformación de plásticos utilizado para producir piezas huecas de gran tamaño y formas complejas, como tanques, contenedores, juguetes y kayaks. Se introduce una cantidad medida de plástico (generalmente en polvo, aunque también puede ser líquido) dentro de un molde hueco. El molde se cierra y se hace rotar lentamente en dos ejes perpendiculares (rotación biaxial) dentro de un horno.

A medida que el molde se calienta, el plástico en su interior se funde y se adhiere gradualmente a la superficie interna del molde, formando una capa uniforme por gravedad. Luego, el molde se traslada a una estación de enfriamiento (usualmente con aire o agua pulverizada) mientras continúa rotando, permitiendo que el plástico se solidifique. Finalmente, se abre el molde y se extrae la pieza terminada. Este método es valorado por su capacidad para producir piezas con espesor de pared uniforme, prácticamente libres de tensiones internas, y con buena madurez tecnológica.

Moldeo por Soplado

El moldeo por soplado es un proceso fundamental para la fabricación de productos de plástico huecos, como botellas, bidones, garrafas y otros recipientes. Una de sus principales ventajas es la capacidad de producir estas formas huecas en una sola pieza, eliminando la necesidad de ensamblar partes moldeadas por separado. Los métodos más comunes son la extrusión-soplado y la inyección-soplado (que a su vez puede ser en una o dos etapas).

Los pasos básicos generales del proceso incluyen:

1. Fundir la resina plástica.
2. Formar un precursor hueco de plástico fundido. En extrusión-soplado, este precursor se llama párison (un tubo extruido). En inyección-soplado, se moldea por inyección una preforma, que ya tiene el cuello de la botella o recipiente terminado.
3. Encerrar el párison o la preforma dentro de un molde de soplado bipartido, cuya cavidad interna tiene la forma del producto final.
4. Insuflar aire a presión (u otro gas) dentro del precursor. Esto lo expande como un globo, forzándolo a adoptar la forma de las paredes frías del molde.
5. Enfriar la pieza moldeada hasta que se solidifique lo suficiente para mantener su forma.
6. Abrir el molde y extraer la pieza terminada.