Polietileno de alta densidad
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PEAD - HDPE
El HDPE es un material termoplástico parcialmente amorfo y parcialmente cristalino. Es un polímero sintético, termoplástico miembro de las poliolefinas obtenido a partir de una reacción conocida con el nombre de polimerización del Polietileno elaborado a partir de etano, un componente del gas natural. El Polietileno de alta densidad es semicristalino (70 – 80%), incoloro, inodoro, no toxico, lácteo y se puede encontrar en todas las tonalidades transparentes y opacas. El HDPE tiene pocas ramas secundarias, como consecuencia de la linealidad de la cadena, alcanzan altos grados de cristalinidad que determinan la permeabilidad más alta y más baja de todas las clases de polietilenos. El grado de cristalinidad depende del peso molecular, la cantidad de comonómero presente y el tratamiento térmico aplicado. Las macromoléculas de HDPE son esencialmente lineales, con menos de una rama por cada 200 átomos de carbono en la cadena principal. Como consecuencia de la linealidad de la cadena, alcanzan altos grados de cristalinidad que determinan la permeabilidad más alta y más baja de todos los tipos de polietilenos, por lo tanto, siempre tiene una densidad superior a 940 kg/m3. HDPE, polietileno de alta densidad: polímero con una cadena altamente lineal que da como resultado un polímero en estado sólido con un alto grado de cristalinidad (hasta 80%). Su temperatura de fusión, Tm, es igual a 135°C. Tiene mejores propiedades mecánicas (rigidez, dureza y resistencia a la tracción) y mejor resistencia química y térmica que el polietileno de baja densidad, gracias a su mayor densidad. También es resistente a bajas temperaturas, impermeable, inerte (al contenido), con baja estabilidad dimensional y no tóxico. Para aplicaciones de moldeo por soplado, las resinas de HDPE ofrecen una excelente combinación de rigidez y resistencia al desgarro, lo que las convierte en los materiales elegidos para diversas aplicaciones en los sectores de cuidado personal, uso doméstico, embalaje industrial y botellas. Las resinas HDPE también se cuentan para aplicaciones de película que requieren rigidez y barrera contra la humedad. El polietileno de alta densidad (HDPE) se produce normalmente con un peso molecular entre 200,000 y 500,000, pero también puede ser mayor. Para obtener más información sobre HDPE, podemos ver un poco de su historia, sus propiedades, sus aplicaciones y su proceso de producción: polietileno de alta densidad (HDPE) para aplicaciones de empaques rígidos y flexibles. Para aplicaciones de soplado, las resinas de HDPE ofrecen una excelente combinación de rigidez y resistencia al desgarro, lo que las convierte en los materiales elegidos para diversas aplicaciones en los sectores de cuidado personal, uso doméstico, embalaje industrial y botellas. Las resinas de HDPE también se cuentan para aplicaciones de película que requieren rigidez y barrera contra la humedad.
Clasificación del Polietileno de alta densidad
Para la clasificación de los distintos tipos de Polietileno de alta densidad, existen criterios que intervienen, como lo son: la Densidad, Contenido de Monómeros, Peso molecular, Distribución de peso molecular, Índice de fluidez y Modificación. La clasificación que más se utiliza es la densidad, pues este parámetro es un buen indicativo de las cualidades entre los Polietilenos, donde en general, con densidades altas, mayores propiedades mecánicas. De acuerdo a la densidad el Polietileno de alta densidad se puede dividir en:
- Polietileno de alta densidad
- Polietileno de alta densidad alta masa molecular (PEAD-APM o sus siglas en ingles HMW-HDPE)
- Polietileno de ultra alta masa molecular
- Polietileno modificados por entrecruzamiento
El contenido de monómeros determina en gran medida la estructura del Polímero de etileno, en particular el grado de ramificación. En este sentido, de esto dependen las cualidades del plástico. Los Polímeros de etileno por el contenido de monómeros se puede clasificar como:
- Homopolímeros
- Copolímeros
El tipo copolímero presenta pequeñas ramificaciones metil, etil, butil, etc. Dependiendo del comonómero (propileno, buteno, hexeno, etc.); la cantidad de estas ramificaciones depende del comonómero incorporado. De hecho, la adición del comonómero es para controlar el grado de ramificación que presentara el polímero y, por tanto, las cualidades del mismo. Los homopolímeros desarrollan mayor grado de cristalización que los copolímeros ya que posee menos ramificaciones. Por esta razón el homopolímero tiene un punto de fusión más alto que el copolímero. El peso molecular o grado de polimerización es una medida de la longitud de la molécula. Las cualidades mecánicas tienden a mejorar conforme aumenta este parámetro, así como su resistencia a fluir en la maquinaria de transformación. La distribución del peso molecular se refiere al estudio estadístico del tamaño que tienen las cadenas, describiendo una curva de distribución generalmente normal, es decir “ la campana de Gauss”. Se definen dos tipos de pesos moleculares promedio; promedio en peso Mw y promedio en número Mn. La diferencia relativa entre ambos promedios depende de lo ancha o estrecha que sea la distribución del peso molecular. Su cociente Mw/Mn es un índice de la anchura de la distribución o dispersión. Mw/Mn es siempre mayor que la unidad, y se aleja tanto más de 1 cuando mayor es la dispersión. Si las cadenas que componen el polímero tienen todas ellas longitudes no muy diferentes, la distribución es estrecha y Mw/Mn no difiere mucho de la unidad. Los promedios de peso molecular y su distribución se determinan mediante diferentes técnicas experimentales, tales como osmometria, viscosimetría, difusión de luz, cromatografía de exclusión. Tanto el peso molecular como la distribución del peso molecular dependen del tipo de síntesis que tenga el polímero así como de las probabilidades en las que finalice la reacción de polimerización del Polietileno de alta densidad, ya sea por acoplamiento o desproporcionamiento. La modificación de los Polietilenos se refiere a mezclas, cargas, refuerzos y agentes entrecruzantes, los cuales cambian las propiedades intrínsecas que tiene el polímero virgen. Los agentes entrecruzantes cambian, como ya se mencionó, el comportamiento del polímero; mejorando su desempeño a la temperatura y resistencia de desgaste, entre muchas otras.
Propiedades HDPE
En el Polietileno de alta densidad a mayor densidad, menor permeabilidad, debido a su naturaleza no-polar, absorbe muy poca humedad y tiene alta cualidad de barrera a vapor de esta sustancia. El Polietileno de alta densidad tiene elevada permeabilidad a ciertas sustancias en que es soluble a elevadas temperaturas, como son los solventes alifáticos, aromáticos y clorados. También presenta cierta permeabilidad a los aceites y grasas, en particular a la esencia de pino, naranja, hierbabuena y alcanfor. En botellas, estas sustancias inducen una ligera suavización en el largo plazo y la posibilidad de fisuras bajo tensión, especialmente en el tipo homopolímero.
- Cristalinidad: Es cristalino en más de un 90%
- Temperatura de transición vítrea: Tiene 2 valores, a -30ºC y a -80ºC
- Punto de fusión: 135ºC Esto le hace resistente al agua en ebullición
- Rango de temperaturas de trabajo: Desde -100ºC hasta +120ºC
- Propiedades ópticas: Debido a su alta densidad es opaco.
- Densidad: Inferior a la del agua; valores entre 945 y 960 kg por m³
- Flexibilidad: Comparativamente, es más flexible que el polipropileno
- Resistencia Química: Excelente frente a ácidos, bases y alcohole
- Resistente a bajas temperaturas
- Resistencia al rasgado, punzura y fractura
- Liviano
- Impermeable
- Inerte
- No tóxico
- Excelente brillo
Propiedades químicas HDPE
La resistencia química de los polímeros a los reactivos inorgánicos tales como ácidos y álcalis es muy elevada. Sin embargo son vulnerables por algunos disolventes orgánicos, sobre todo si tienen similitud química con las unidades estructurales que lo forman. El ataque supone ablandamiento, hinchamiento, llegando a su disolución final. Los polímeros cristalinos presentan mayor resistencia a estos compuestos que los materiales amorfos de la misma composición química, como consecuencia del empaquetamiento entre cadenas que dificulta la penetración del disolvente u otros reactivos. La estructura no-polar del Polietileno de alta densidad permite que mantenga alta resistencia al ataque de agentes químicos. En general, esta resistencia mejora con el aumento de la densidad y el peso molecular. La forma de medir este comportamiento es considerando ciertos cambios en las muestras al contacto con la sustancia en prueba; estos cambios son hinchamiento, perdida de peso o de elongación a la ruptura. Este plástico soporta muy bien a ácidos fuertes (no oxidantes) y bases fuertes. En niveles superiores a 60°C, el material resiste muchos solventes, excepto hidrocarburos aromáticos y halogenados, aceites, grasas y ceras que inducen hinchamiento, mismo que es menor con los solventes alifáticos. El Polietileno de alta densidad es parcial o totalmente soluble en ciertos casos extremos, por ejemplo en benceno o xileno a punto de ebullición. Los halógenos y las sustancias altamente oxidantes atacan a este plástico, por ejemplo ácidos inorgánicos concentrados como ácido nítrico, sulfúrico, perclórico, etc. El cambio en las cualidades de ese plástico debido a los compuestos referidos y en general, a cualquier sustancia depende de varios factores: concentración, tiempo de exposición, peso molecular, tensiones residuales de la transformación o inducidas mecánicamente, principalmente.
Procesos de polietileno de alta densidad
Los procesos de suspensión en slurry y fase gaseosa son las dos categorías principales de procesos para producir polietileno de alta densidad. El PEAD se sintetiza en reactores de baja presión utilizando catalizadores específicos (Ziegler-Natta) a temperaturas de alrededor de 50 - 70°C. En este proceso se requiere el uso de disolventes (hidrocarburos). El PEAD posee una estructura química lineal.
Propiedades mecánicas HDPE
Las propiedades mecánicas de un material se refieren a su capacidad para soportar fuerzas, el modo como se deforman y ceden ante dichas fuerzas. Así las propiedades mecánicas del Polietileno de alta densidad dependen básicamente de su estructura, que comprende lo que es la distribución del peso molecular, el peso molecular y la cristalinidad. Pero también depende de factores externos como lo son la temperatura, entorno químico y el tiempo, entendido este ultimo como medida de la rapidez con que se aplican fuerzas, así como de la duración de éstas. La rigidez, dureza y resistencia a la tensión del Polietileno de alta densidad se incrementa con la densidad, ya que si esta aumenta es un indicador de que el material es más cristalino, y por lo tanto será más resistente ante la misma magnitud de fuerza aplicada que un espécimen de menor densidad. Así también al aumentar el peso molecular hasta cierto “punto” las propiedades mecánicas mejoran. Pesos moleculares inferiores a dicho punto suelen no ser tan útiles. Rebasado este punto, la resistencia mecánica suele seguir mejorando, pero ya mas gradualmente, a media que aumenta el peso molecular.
Propiedades térmicas HDPE
Las propiedades térmicas de los polímeros dependen en mayor grado de su estructura de lo que dependen las propiedades mecánicas. El comportamiento es distinto si se trata de un polímero amorfo, cristalino o semicristalino. Si el polímero es amorfo tiene asociado un parámetro que recibe el nombre de Temperatura de transición vítrea Tg, la cual es la temperatura a la que un polímero pasa de ser un material rígido a otro de características viscosas. Cuando el polímero es cristalino, ya entra en juego en su comportamiento las fuerzas secundarias entre cadenas, es decir el grado de cristalinidad. Así también tiene relacionada la Temperatura de fusión Tm, la cual es la temperatura en donde el polímero pasa de ser un sólido ordenado a un liquido viscoso desordenado, ya que por efecto de la temperatura las cadenas adquieren movilidad. En el caso del Polietileno de alta densidad que es un polímero semicristalino puede tener un comportamiento combinado, haciéndose algo viscoso al llegar a su Tg, y fundiendo luego al llegar a su Tm. Sabiéndose que la temperatura de fusión Tm siempre es mayor que la de transición vítrea Tg. Existe también lo que es la temperatura de reblandecimiento la cual ocurre a temperaturas comprendidas entre Tg y Tm del polímero. Esta temperatura no es una propiedad termodinámica bien definida, pero es un dato muy útil, porque informa acerca del comportamiento y posibles usos del polímero en todo lo que se relacione con su flexibilidad, dureza, resistencia etc. También orienta acerca de las temperaturas que son adecuadas para el procesado en caliente y acerca de la estabilidad del producto ya formado. El calculo para la determinación de la temperatura de reblandecimiento depende de la técnica y el procedimiento seguido para determinarla. La temperatura máxima de servicio depende de la duración y la magnitud del esfuerzo mecánico presente durante el calentamiento: en pruebas sin carga mecánica en períodos cortos, la temperatura máxima es de 90 a 120 ºC, en períodos mayores este valor desciende a intervalos entre 70 y 80ºC.
Propiedades eléctricas HDPE
El Polietileno de alta densidad consiste en largas cadenas unidas entre sí con enlace de tipo covalente y por ello es un excelente aislante eléctrico, es decir un material no conductor de la electricidad. Aunque tiene el inconveniente de almacenar cargas eléctricas estáticas, induciendo la aparición de ”micro” arcos eléctricos que atraen el polvo y pueden provocar descargas. Estas cargas se almacenan por fricción, durante el uso, pero también se generan durante los procesos de fabricación. Para evitar estos efectos, es posible agregar algunos agentes antiestáticos al Polimero como amidas, etoxi-amidas, esteres, glicerol, y otros, que migran a la superficie del Polímero y captan humedad del medio ambiente, formando una delgada capa conductora, que disipa las cargas estáticas. La permeabilidad eléctrica, o constante dieléctrica es una propiedad muy importante del Polietileno de alta densidad que esta relacionada con la polarización que puede crearse en él, cuando se le somete a un campo eléctrico. Esta polarización, es debida al desplazamiento de cargas (electrones y núcleos atómicos), respecto de sus posiciones de equilibrio (en ausencia de campo), y también, a la orientación de los dipolos de la molécula, que tiene lugar en presencia de dicho campo.
Aplicaciones HDPE
El HDPE tiene muchas aplicaciones en la industria actual. Más de la mitad de su uso es para la fabricación de recipientes, tapas y cierres; otro gran volumen se moldea para utensilios domésticos y juguetes; un uso también importante que tiene es para tuberías y conductos. Su uso para empaquetar se ha incrementado debido a su bajo coste, flexibilidad, durabilidad, su capacidad para resistir el proceso de esterilización, y resistencia a muchas sustancias químicas. Entre otros muchos productos enlos que se utiliza el hdpe, podemos nombrar botes de aceite lubricante (automoción)y para disolventes orgánicos, mangos de cutter, depósitos de gasolina, botellas de leche,bolsas de plástico y juguetes. Para la fabricación de artículos huecos, como botellas, se usaun procedimiento parecido al de soplado del vidrio. Se usan también el moldeo por compresióny la conformación de láminas previamente formadas.
Espectrometría infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR)