Orientación - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Los procesos de orientación en polímeros son una imitación de los que ocurren en la naturaleza, tales como el hilado de la seda por el gusano o la construcción de una tela de araña; en ambos casos se produce hilado y deformación por estirado. Es durante este siglo, con la síntesis de una gran cantidad de polímeros cuando el hombre ha intentado reproducir dicho fenómeno de estirado para mejorar las propiedades, en gran escala. Aunque hay ocasiones que la orientación es un fenómeno indeseable, como ocurre en el moldeo por inyección, en general, es aprovechado por la industria para la producción de fibras sintéticas. Las propiedades mecánicas de los polímeros están fuertemente influenciadas no sólo por la estructura del material sino por la orientación molecular. La orientación en las cadenas polímeras durante el proceso de estirado aumenta la resistencia mecánica en la dirección de estirado hasta 30 veces y afecta a sus propiedades ópticas y dieléctricas de tal manera que la fibra resultante es marcadamente anisotrópica. La anisotropía producida por el proceso de deformación puede estudiarse mediante técnicas diversas: birrefringencia, módulos sónicos, dicroísmo IR, difracción de rayos X, espectroscopía Raman. La más fácil, rápida y que requiere menor cantidad de polímero es la medida de los índices de refracción con el uso de compensadores, cuya misión es compensar la diferencia de camino óptico de la luz en las dos direcciones, normales entre si, de medida de los índices de refracción,es decir la determinación de la birrefringencia.

Los procesos de conversión de polímeros más importantes comercialmente involucran métodos de procesamiento en fusión en los que el polímero se calienta y se hace fluir. En forma fundida, todos los polímeros son amorfos; es decir, no tienen estructura. Cuando el polímero fluye, las cadenas de polímero se deslizan, o se deslizan, unas sobre otras mientras también se produce la rotación alrededor de los enlaces carbono-carbono. Las capas se deslizan una sobre la otra en lo que se denomina flujo laminar o cortante. A medida que las moléculas de polímero individuales se mueven entre sí, pueden cambiar su dirección u orientación como resultado de enredos de cadenas y fricción entre capas. Las cadenas se vuelven así "estiradas" en la dirección del flujo. Debido al enfriamiento rápido empleado a menudo en el procesamiento de polímeros, esta orientación puede estar "congelada" y el producto contendrá, lo que se conoce como tensiones por congelación o cepas por congelación. Por lo tanto, estos productos contienen moléculas que están orientadas en la dirección del flujo, lo que significa que hay un "efecto de grano" presente, como el que existe en la madera. Como resultado de la veta, la madera es más fuerte en una dirección que en otra. Debido a la orientación, los productos termoplásticos pueden ser mucho más fuertes en una dirección que en otra; es decir, el producto es anisotrópico. Se hace uso comercial de este efecto “uniaxial” en la extrusión en la producción de la cinta utilizada para flejar paquetes. La orientación biaxial (orientación en dos direcciones perpendiculares) permite la producción de una película fuerte y rígida a partir de polímeros frágiles, como el poliestireno (PS).

En estado fundido, y cuando no están sujetas a tensiones externas, las moléculas de polímero tienden a enrollarse. Es decir, prefieren existir en una configuración de bobina aleatoria. Cuando se aplican tensiones externas (como ocurre durante la extrusión, el moldeo y otras operaciones de conformación), las moléculas se distorsionan de su estado enrollado aleatoriamente y tienden a orientarse. En la mayoría de las operaciones de procesamiento, generalmente es deseable "fraguar" el polímero tan pronto como sea posible después de que se haya formado; generalmente enfriando en un baño de agua después de la extrusión. En tales circunstancias, es posible que las moléculas de polímero no tengan tiempo de enrollarse (retroceder) completamente antes de que la masa fundida se congele. Esto da como resultado el efecto conocido como orientación congelada.

Se puede introducir una mayor orientación en un sistema estirando el polímero fundido justo antes de que se congele. La orientación uniaxial, es decir, el estiramiento en una dirección, es importante en la fabricación de cintas y fibras, mientras que la orientación biaxial, el estiramiento simultáneo en dos direcciones, es importante en la producción de películas. También puede ser deseable incorporar una orientación biaxial en tuberías, botellas y otros recipientes huecos, con el fin de mejorar la resistencia del aro y la resistencia a la fractura de estos productos.

Por tanto, la orientación congelada puede ser deseable o indeseable según las circunstancias. Es mayor cuando la masa fundida se somete a tensiones más altas y cuando hay un intervalo corto entre el cizallamiento y la congelación (o fraguado) de la masa fundida. Tales condiciones se obtienen con bajas temperaturas de fusión y bajas temperaturas de enfriamiento después del conformado, como se encuentra con bajas temperaturas del molde de inyección o bajas temperaturas del baño de enfriamiento de extrusión.