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El mundo confuso de TPE

Los elastómeros termoplásticos están definidos por ASTM D 1566 como “una familia de materiales similares al caucho que, a diferencia del caucho vulcanizado convencional, se pueden procesar y reciclar como materiales termoplásticos”. Una goma se define como "un material que es capaz de recuperarse de grandes deformaciones de forma rápida y forzada y" se retrae en 1 minuto a menos de 1,5 veces su longitud original después de estirarse a temperatura ambiente (18 a 29°C) hasta el doble de su longitud y se mantiene durante un minuto antes del lanzamiento”. Los elastómeros hermoplásticos (TPE) son una clase importante de materiales y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. El término elastómero termoplástico se ha convertido en el nombre genérico aceptado para materiales como se define en el párrafo anterior. Este término se usa generalmente como un sustantivo, para distinguir un TPE de un caucho termoestable convencional que no ha sido vulcanizado. Los términos arcaicos para los TPE incluyen "elastoplástico", caucho termoplástico, vulcanizado termoplástico y plástico modificado por impacto. Además, ha habido un crecimiento de subcategorías de TPE para distinguir entre los diferentes tipos de materiales que generalmente cumplen con la definición de TPE. Varios ejemplos son "mezclas de caucho termoplástico", "aleaciones elastoméricas" y "copolímeros de bloque". Estos diferentes términos se utilizan para indicar diferentes estructuras morfológicas y diferentes comportamientos elastoméricos. En general, los TPE tienen múltiples tipos diferentes de estructuras de material polimérico, y se caracterizan por ser suaves y flexibles y son procesables por fusión y reprocesables. Un elastómero termoplástico (TPE) es un material polimérico separado en nano o microfase que exhibe elasticidad de caucho en un rango de temperatura de servicio específico, pero a temperatura elevada se puede procesar como termoplástico (debido a las reticulaciones físicas termorreversibles presentes en el material). Ofrece las ventajas de procesamiento de un comportamiento de fusión altamente viscoso y de adelgazamiento por cizallamiento y un tiempo de ciclo de producto corto en la fabricación debido al rápido endurecimiento por fusión al enfriarse.

TPE elastómero -Termoplastico

Los elastómeros termoplásticos (TPE) son un segmento de fabricación de polímeros de crecimiento extremadamente rápido. El mayor uso de elastómeros termoplásticos se encuentra en la producción de vehículos de motor, y los repuntes en los mercados de automóviles de EE. UU. Y Europa explicarán este crecimiento junto con el uso creciente de TPE para diversas aplicaciones en los países en desarrollo del mundo. Estas áreas de alto crecimiento se verán moderadas por ganancias más lentas en mercados maduros como la modificación del asfalto y el calzado. Un nuevo campo de aplicación de bajo volumen pero importante para los elastómeros termoplásticos es el de los productos sanitarios y médicos. La principal ventaja del TPE sobre el caucho convencional es la facilidad (y por lo tanto el bajo costo) de procesamiento, la amplia variedad de propiedades disponibles y la posibilidad de reciclado y reutilización. Además de los obvios beneficios ambientales de una materia prima reciclable, el material de desecho de TPE se puede reprocesar. La desventaja de estos materiales en relación con los termoendurecibles es el costo relativamente alto de las materias primas, la incapacidad general para cargar los TPE con rellenos de bajo costo como el negro de humo y la mala resistencia química y a la temperatura. Esta última propiedad evita que los TPE se utilicen en neumáticos de automóviles. Para calificar como elastómero termoplástico, un material debe tener tres características esenciales:

1. La capacidad de estirarse a alargamientos moderados y, al eliminar la tensión, volver a algo cercano a su forma original

2. Procesable como una masa fundida a temperatura elevada

3. Ausencia de fluencia significativa

En casi todos los casos, los elastómeros termoplásticos serán un copolímero (es decir, habrá al menos dos monómeros en la cadena del polímero). Normalmente, a través de cambios en la composición o la identidad de los comonómeros, la meseta se puede desplazar hacia arriba o hacia abajo, dando al fabricante una gran flexibilidad. La mayoría de los TPE tienen ciertas características estructurales similares. Los comonómeros suelen tener ciclos largos, lo que hace que el material sea un copolímero de bloque. Los comonómeros son casi siempre diferentes, lo que lleva a una separación de microfases en una escala de longitud nanométrica, lo que significa que estos materiales se denominan correctamente nanomateriales. La fuerza impulsora para la separación de fases es siempre entálpica y, por lo general, de uno a dos órdenes de magnitud más débil que los enlaces de valencia primarios. Se ha demostrado que la cristalinidad, los enlaces de hidrógeno, las fuerzas impulsoras iónicas y de van der Waals causan la separación de microfases en estos sistemas. Las dos fases de estos sistemas tienen propiedades diferentes. Una fase, la fase blanda, contiene un componente que está por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de fusión (Tm), de modo que las cadenas tienen una gran cantidad de movilidad. La otra fase, la fase dura, contiene cadenas que están rígidamente bloqueadas en su lugar, porque la temperatura de servicio está por debajo de Tm o Tg. La cantidad relativa de las dos fases controla las propiedades físicas del TPE determinando qué fase está aislada o continua. La capacidad de variar fácilmente estos parámetros mediante la estequiometría permite que los TPE se utilicen en la amplia variedad de aplicaciones a las que se aludió anteriormente. Un gran número de estructuras entran en la categoría de elastómeros termoplásticos.

Elastómeros termoplásticos estirenicos

Estos materiales son poli (estireno-b-butadieno-b-estireno) (SBS), poli (estireno-b-isopreno-biestireno) (SIS) o poli (estireno-b-etilenobutileno-b-estireno) (SEBS) copolímeros tribloque. La separación de fases se produce debido a la incompatibilidad entre los segmentos duro y blando. Los dominios ricos en estireno sirven como la fase dura ya que la Tg del poliestireno es aproximadamente de 100°C. La polidispersidad de peso molecular es baja porque estos tribloques están típicamente polimerizados aniónicamente. El estireno terminal ancla el polímero, lo que le da a este material la tenacidad necesaria mientras que el segmento blando flexible imparte elasticidad. Los copolímeros de bloque estirénicos representan la categoría de mayor volumen de elastómeros termoplásticos. Aproximadamente el 50% de todos los elastómeros termoplásticos producidos son copolímeros tribloque SBS, SIS o SEBS. Leer más >>

Elastómeros termoplásticos olefinicos TPE-O

Otra categoría importante de elastómeros termoplásticos, que representan aproximadamente el 30% del mercado de elastómeros termoplásticos, se basa en poliolefinas. Los tres materiales más importantes que comprenden esta categoría son copolímeros de etileno y propileno (EP), copolímeros de propileno y α-olefinas superiores como 1-buteno y 1-octeno, y copolímeros de etileno y α-olefinas. En los dos últimos casos, el propileno o etileno es el componente principal. Dos diferencias importantes entre los materiales ricos en etileno y los ricos en propileno son la flexibilidad y el punto de ablandamiento; los materiales ricos en etileno son más flexibles pero también se ablandan a una temperatura aproximadamente 50°C por debajo de la de los materiales ricos en propileno. Estos tipos de materiales son lo suficientemente importantes como para recibir una abreviatura muy común, TPO, que significa elastómero termoplástico-olefínico. Los catalizadores de metaloceno, mencionados anteriormente, han permitido un mejor control sobre las longitudes de ejecución de los copolímeros EP normales. Generalmente, los copolímeros EP y las mezclas de copolímeros tienen un coste ligeramente superior y muestran un rendimiento superior que los copolímeros tribloque. Leer más >>

Elastómeros termoplásticos olefinicos vulcanizados TPE-V

Un elastómero termoplástico muy importante está compuesto por una mezcla de polipropileno (PP) con un terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM). Este último material es, por supuesto, un caucho termoendurecible reticulable; sin embargo, estos materiales se pueden procesar como termoplásticos si el componente reticulable está en una concentración lo suficientemente baja como para estar presente como una fase aislada. El procesamiento en fusión con aditivos reticulantes provoca la formación de enlaces químicos dentro de la fase de caucho aislada, un proceso llamado vulcanización dinámica. Los elastómeros termoplásticos que se forman a partir de la reticulación de la fase menor de caucho durante la mezcla con un termoplástico se denominan elastómeros vulcanizados termoplásticos (TPV). La formación de TPV en los procesos de mezcla es similar a la creación de TPO a partir de PP y EPDM, con la excepción de que se agregan curativos durante la mezcla de TPV. Además del TPV más común compuesto de PP y EPDM, se han desarrollado otras combinaciones de plásticos y cauchos reticulados, incluyendo combinaciones de TPV de mayor rendimiento y más costosas como poliéster con caucho de silicona y poliamida con caucho de poli (acrilato de etileno). Leer más >>

Elastómeros de poliuretano TPE-U

Los elastómeros de poliuretano son copolímeros con un segmento duro que contiene anillos aromáticos y un segmento blando de poliéter o poliéster. Los elastómeros de poliuretano son parte de una familia de materiales denominados copolímeros de bloque segmentados, que se define como un material con segmentos duros y blandos alternados que se repiten varias veces en una sola cadena de polímero. La separación de microfases se produce debido a la incompatibilidad entre los anillos aromáticos y el segmento blando. En algunos casos, el segmento duro también puede cristalizar. Los copolímeros de bloques segmentados tienen la fórmula general (AB) x donde un copolímero tribloque tiene la fórmula general ABA. Los poliuretanos se fabrican generalmente a partir de un diisocianato aromático, un diol oligomérico y un diol de bajo peso molecular. El diol de bajo peso molecular se denomina típicamente extensor de cadena porque une los segmentos AB. Un poliuretano típico a base de difenilmetilen4,4 diisocianato (MDI), poli (óxido de tetrametileno) (PTMO) y butanodiol (BD). Los poliuretanos son generalmente caros y se han utilizado en aplicaciones estructurales de alto rendimiento, productos médicos y sanitarios, así como espumas. Aproximadamente el 15% del mercado de elastómeros termoplásticos está reclamado por poliuretanos. Leer más >>

Copolímeros de bloques segmentados TPC-ET

Otra clase de copolímeros de bloques segmentados son los copolímeros de bloques segmentados que contienen un segmento duro de poliéster aromático y un segmento blando de poliéter o poliéster. La cristalización de segmentos duros proporciona la fuerza impulsora para la separación de fases en este sistema. Un copoliéster hecho de poli (tereftalato de tetrametileno) y poli(óxido de tetrametileno) (4GT-PTMO), son elastómeros termoplásticos de alto rendimiento. Estos materiales son resistentes al aceite y estables a temperaturas más altas que otros elastómeros termoplásticos, lo que hace que estos materiales sean más adecuados para aplicaciones como piezas de motores de automóviles. Leer más >>

Elastómeros termoplásticos de copoliamida TPE-A

Los elastómeros termoplásticos de copoliamida son comparables en estructura a los copoliésteres. La cristalización también proporciona la fuerza impulsora para la separación de fases en estos materiales. Estos materiales tienen una permeabilidad química especialmente baja y pueden ofrecer buenas propiedades a bajas temperaturas. Las copoliamidas compiten con los poliuretanos y copoliésteres por la cuota de mercado. Leer más >>

Ionómeros

Los ionómeros son materiales en los que una pequeña fracción molar de monómeros, normalmente menos del 10%, contiene una funcionalidad iónica. Estos materiales no están segmentados como la mayoría de los otros materiales discutidos en este capítulo, sino que los grupos iónicos se distribuyen aleatoriamente a lo largo de la cadena principal del polímero. La incompatibilidad entre los grupos iónicos y la estructura del polímero apolar conduce a la formación de dominios ricos en iones. Leer más >>

Definición estándar de TPE y características principales De acuerdo con la norma ISO 1382

Un elastómero termoplástico es un polímero o una mezcla de polímeros que no requiere un proceso de vulcanización o reticulación, como los elastómeros vulcanizados, pero que exhibe propiedades elastoméricas similares a los cauchos vulcanizados a la temperatura de servicio. Estas propiedades desaparecen a la temperatura del proceso para permitir el procesamiento del material, pero reaparecen tan pronto como el material vuelve a la temperatura de servicio. Por tanto, los elastómeros termoplásticos, introducidos en el mercado a finales de los sesenta, una vez moldeados, si se llevan a la temperatura de transición vítrea pueden ser remodelados. Los elastómeros termoendurecibles, en cambio, se producen uniendo las cadenas poliméricas entre sí mediante el uso de reactivos químicos, temperatura y presión, y esta modificación en su estructura implica la aparición de propiedades termoendurecibles, es decir, es imposible remodelarlas. una vez que ocurrió la vulcanización. Como se mencionó, los TPE tienen todas las características elásticas del caucho típicas de los elastómeros reticulados, con la ventaja de ser procesados termoplásticos. Para concluir, las ventajas del TPE son las siguientes: posibilidad de procesado como termoplásticos y por tanto reciclabilidad, soldabilidad, transparencia para algunas formulaciones, marcada aptitud para la coloración. Las principales tecnologías de transformación utilizadas son:

Moldeo por inyección, incluso en dos componentes, donde se combinan materiales rígidos y flexibles
Extrusión y coextrusión. Según su formulación se pueden dividir en dos grupos
Mezcla de polímeros: compuesta por una matriz de polímero termoplástico “rígido”, a la que se incorporan partículas de elastómero reticulado o no reticulado como una “fase flexible”. Un ejemplo a este respecto lo dan los elastómeros poliolefínicos termoplásticos TPO o TPV, que consisten en PP con aproximadamente 65% de caucho de etileno propileno-[dieno](EPD[D]M)
Copolímeros o polímeros rizados: su molécula polimérica contiene secuencias elastoméricas rígidas A termoplásticas y B flexibles. Los dos componentes A y B son incompatibles y están separados localmente, de modo que las secuencias rígidas A actúan como puntos físicos de entrecruzamiento de la matriz continua de las secuencias flexibles B. Un ejemplo de esto es el copolímero de bloques de estireno SBS, en el que los bloques de poliestireno (S) y butadieno (B) se alternan: SSSSSS-BBBBB-SSSSSSSS. La temperatura de uso de las secuencias flexibles (B) es más alta que su temperatura de transición vítrea (temperatura de congelación por debajo de la cual se vuelven rígidas), mientras que la de las secuencias rígidas (A) es más baja que la temperatura de transición vítrea (para polímeros amorfos) o en su temperatura de fusión (para polímeros semicristalinos). Por encima de la temperatura de transformación de las secuencias A, estas se ablandan y los TPE pueden procesarse termoplásticos. Por tanto, en todo TPE existe una fase “rígida” y una fase “blanda” que aporta elasticidad al material.

Los productos comerciales de TPE se clasifican en base a su estructura polimérica

Se incluyen ejemplos representativos para cada clase de polímero. Los copolímeros de bloques segmentados, los copolímeros tribloque y los vulcanizados termoplásticos (TPV) representan una parte importante de la familia de TPE. Los aspectos fundamentales de las relaciones estructura-propiedad en copolímeros de bloque segmentados de etileno / octeno (EO), poliuretanos termoplásticos (TPU), copolímeros de bloque estirénicos (SBC) (con énfasis en copolímeros de estireno/etileno-1-buteno/estireno [SEBS] y SEBS) compuestos), y los TPV producidos a partir de polipropileno (PP) y caucho de etileno/propileno/monómero dieno (EPDM) se seleccionaron para su revisión en este capítulo, como representativos de los más importantes comercialmente y los más cercanos en rendimiento a los elastómeros termoendurecibles. Los TPV poseen suficiente recuperación elástica para desafiar al caucho termoestable en muchas aplicaciones, y se presentan conocimientos sobre la recuperación elástica y la procesabilidad del TPE basados en los últimos desarrollos en el campo. La escasa recuperación elástica de los TPE a temperaturas elevadas es una deficiencia clave que ha impedido que estos materiales reemplacen por completo a sus contrapartes termoestables. Los TPE deben su existencia como productos comerciales a la economía de fabricación y la ventaja ambiental que ofrecen sobre el caucho termoendurecible. Los TPE, por supuesto, están diseñados para fluir bajo la acción del calor; por lo tanto, su temperatura de servicio superior es limitada en comparación con el caucho termoestable.pell

Resistencia a la abrasión

La resistencia a la abrasión es importante donde el arrastre, la manipulación brusca, el uso industrial y el contacto por fricción pueden estar involucrados en la aplicación de TPE. Los TPE duros generalmente tienen una mejor resistencia a la abrasión. El TPU y el COPA logran una excelente resistencia a la abrasión. Se obtiene buena resistencia a la abrasión con MPR, COPE, TPV, TPO y NBR/PVC.

Claridad

Se logra claridad solo por unos pocos TPE, incluidos: copolímeros de bloque de estireno y TPU. TPO puede tener translucidez y es casi transparente en algunos casos. La mayoría de los TPE son opacos. Se han desarrollado algunos grados translúcidos de TPV.

Resistencia a la tracción y resistencia al desgarro

La resistencia a la tracción y al desgarro son cuestiones clave en algunas aplicaciones. Por lo general, los TPE duros tienen mejor resistencia al desgarro y resistencia a la tracción. TPU, COPA y COPE logran una excelente resistencia a la tracción/desgarro. Se observa una resistencia a la tracción/desgarro de buena a muy buena en los TPV, MPR, TPO y SBC.

Propiedades de barrera

La resistencia de barrera al aire y al oxígeno de la mayoría de los TPE es justa. La mayoría de los TPE contendrán gases, por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, etc., durante varios días o incluso semanas, según el grosor de la pieza y la temperatura. Sin embargo, para una resistencia de barrera de gas casi excelente, se utiliza IIR/PP TPV. La fase de caucho de butilo en IIR/PP TPV proporciona una alta resistencia a la barrera de gases.

Resistencia a la fatiga por flexión

La capacidad de un elastómero para estirarse o flexionarse repetidamente y resistir la aparición y el crecimiento de grietas es la resistencia a la fatiga por flexión. Si bien se sabe que los compuestos de caucho termoestable tienen una resistencia a la fatiga por flexión muy alta, se ha descubierto que los TPV de EPDM/PP tienen una resistencia a la fatiga por flexión superior. Los grados de TPV más suaves tienen la mejor resistencia a la fatiga por flexión.

Adhesión y capacidad de unión

La adherencia y la capacidad de unión son una característica de rendimiento importante cuando los TPE se moldean sobre un sustrato o se unen en un ensamblaje. En general, los TPE con química polar tienen una capacidad de unión excelente. Muchos sustratos comunes son materiales polares, por lo que los TPE polares son compatibles y pueden formar una buena unión. Se consigue una excelente adherencia en muchos casos con: TPU, COPE, AEM TPV, TPSiV, SBC y COPA donde la polaridad del sustrato es bastante similar. Para sustratos no polares, por ejemplo, polipropileno o polietileno, EPDM/PP TPV, TPO, IIR/PP TPV y NBR/PP TPV tienen una compatibilidad excelente y se pueden sobremoldear o soldar con calor. Sin embargo, estos TPV y TPO normalmente son relativamente difíciles de unir sin el uso de un adhesivo para formar una capa de unión química entre el TPE y el sustrato. Se han desarrollado nuevos grados de TPV que tienen una excelente adherencia en sobremoldeo y termosoldadura a la mayoría de los sustratos convencionales.

Elasticidad

Un área importante para el desempeño de TPE es la elasticidad. Se han realizado avances en la investigación para comprender el rendimiento y la fuente de la recuperación elástica observada en los TPV. Es un enigma que un TPV que tiene una red continua de fase termoplástica con dominios de caucho dispersos tenga una recuperación elástica muy parecida a la del caucho. La fase plástica continua tiene menos efecto sobre la capacidad de los TPE para recuperarse después de deformaciones muy altas de lo que la intuición podría hacer suponer. Durante los últimos años se han publicado extensas investigaciones en esta área sobre la caracterización y el estudio de los mecanismos de recuperación elástica de los TPV.e

Recuperación elástica y de fraguado

El rendimiento de sellado de un TPE o caucho termoendurecido a menudo se evalúa de manera muy aproximada midiendo la deformación permanente por compresión. Esta prueba requiere comprimir un botón de material al 25 % de compresión y mantenerlo durante un período de tiempo, generalmente 24 h, y luego medir la cantidad del 25 % de compresión que no se recupera en poco tiempo. Esta prueba generalmente se realiza a temperatura ambiente para evaluar el rendimiento ambiental, pero la prueba acelerada se realiza a 70 o 100°C, como se especifica en el Método B de la norma ISO 3384. Una prueba acelerada similar es la prueba de ajuste por tensión, donde el TPE se estira a 100 % de extensión y se mantuvo durante 10 min. Para determinar el conjunto, se descarga la pequeña muestra con mancuernas y se mide para determinar qué parte de la extensión del 100 % no se recuperó. Los TPE funcionan moderadamente bien en estas pruebas establecidas a temperatura ambiente. Las pruebas a temperaturas más altas muestran los límites que tienen algunos TPE en el uso a temperaturas más altas. Los TPE más duros, por ejemplo, COPE, etc., son tan rígidos que no se puede realizar la prueba normal de deformación por compresión. COPE tiene una buena recuperación a bajos niveles de deformación, pero cuando se diseña para su uso, la deformación máxima esperada debe mantenerse en el rango de 6 a 8% para ver esta buena recuperación. Los TPV y MPR tienen un rendimiento de fraguado muy bueno incluso a la temperatura más alta de 100°C. Los SBC y los TPO tienen un buen desempeño de fraguado a temperatura ambiente, pero a alta temperatura, el fraguado generalmente excederá el 50 % del fraguado máximo deseado. Si bien el ajuste se usa para ayudar a identificar mejores materiales candidatos para un componente, el parámetro de rendimiento real de interés generalmente es la relajación de la tensión o la recuperación elástica, lo que sea más apropiado. Para una aplicación de sellado estático, la relajación de la tensión, como se mencionó anteriormente, es la medida de rendimiento que se debe tener en cuenta en el diseño. Para las aplicaciones dinámicas que se cargan y descargan repetidamente, la recuperación elástica es la medida de rendimiento a tener en cuenta. La recuperación elástica debería estabilizarse después de 5 ciclos de carga/descarga a un nivel de deformación máximo determinado. Para desarrollar un diseño apropiado, se debe usar la curva de tensión versus deformación condicionada de 5 ciclos para el análisis y determinar el diseño apropiado. Los comentarios sobre las diversas características de los conjuntos de TPE se aplican directamente a las comparaciones de rendimiento de recuperación elástica para ellos. Los datos sobre el TPE específico y el grado que se está evaluando para el componente deben usarse para guiar los cálculos de diseño.

Relajación de tensiones

Para aplicaciones de sellado estático, el rendimiento del diseño se puede evaluar utilizando los datos de relajación de tensiones. Los datos han sido generados por proveedores para los TPE de clase de ingeniería, en particular los TPV. Para los TPE con menos aplicaciones de ingeniería, no hay muchos datos disponibles sobre la relajación de la tensión. La relajación del estrés del paso inicial de 0 a 30 minutos debe usarse junto con datos a más largo plazo a partir de los 30 minutos. A partir de estas curvas se puede estimar un porcentaje total de relajación de la tensión. Para temperaturas y períodos de tiempo intermedios, se puede obtener una estimación de la relajación de la tensión utilizando el principio de superposición de tiempo-temperatura (TTS). El TTS con datos de relajación de tensión predice el rendimiento del sellado de tuberías durante más de 30 años a temperatura ambiente.ts,TPE granulos

Historia de los TPE

1935 Poli (cloruro de vinilo) plastificado
1943 Poliuretano termoplástico
1947 Mezclas de PVC / NBR
1965 Copolímeros de bloque de estireno
1972 Elastómeros de poliolefina termoplásticos
1972 Copolímeros de bloque de estireno (hidrogenados)
1972 Elastómeros de copoliéster
1981 Vulcanizados termoplásticos (PP / EPDM)
1982 Elastómeros de copoliamida
1984 PP / NBR TPV
1985 Caucho de interpolímero de poliolefina / etileno clorado
1995 UHMW PVC / NBR
1999 Etileno / etileno - buteno / etileno
2004 Caucho de nailon / acrilato TPVa
2004 Estireno / isobutileno / estireno tribloque
2006 Bloque segmentado de etileno / octeno

Comparación de materiales según ASTM D 1566