Plásticos de ingeniería
Termoplàsticos
Plásticos de ingeniería
Los plásticos han tocado todos los aspectos importantes de nuestra vida en términos de diversas necesidades humanas: alimentos (envases), agua (membranas de intercambio iónico para desalinización), ropa (fibras sintéticas), refugio (laminados y pinturas), transporte (automóvil y avión). componentes corporales), salud (órganos artificiales e instrumentos quirúrgicos), entretenimiento (gabinetes de TV y carcasas de casetes), equipos de oficina (carcasas y muebles de computadoras), viajes (equipaje), etc. Los plásticos están reemplazando cada vez más a los materiales convencionales como el vidrio, la madera, el metal y la cerámica en aplicaciones de ingeniería. Por ejemplo, los revestimientos resistentes a la corrosión de PTFE y sulfuro de polifenileno se utilizan en las industrias químicas en lugar del revestimiento de vidrio; los plásticos fotosensibles se utilizan para la fabricación de circuitos microelectrónicos; Los tubos de metal y cerámica han sido reemplazados por tubos de poli (cloruro de vinilo) en aplicaciones agrícolas, etc. El uso de plásticos se ha expandido explosivamente en los últimos 50 años, hasta el punto de que hoy en todo el mundo se producen anualmente millones de toneladas métricas de plásticos. Una gran parte de este enorme volumen se extruye en películas, láminas, tuberías, revestimientos de cables y alambres y tuberías. Otra parte importante es la inyección o el moldeado por soplado en juguetes o en artículos desechables como botellas o paquetes de alimentos. La mayoría de los plásticos utilizados para estos fines se consideran materiales de uso general o plásticos básicos. En términos de costo, los plásticos básicos son los termoplásticos más baratos. Se producen en las mayores cantidades y se utilizan en un número máximo de aplicaciones. Una parte menor de la producción total de plásticos, aunque todavía se mide en miles de millones de libras anuales, está reservada para "termoplásticos de ingeniería". Se trata de materiales de alto rendimiento que ofrecen una combinación de altas calificaciones en cuanto a propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas. Son capaces de soportar cargas elevadas durante largos períodos de tiempo a temperaturas elevadas y en entornos adversos, y se comportan de manera predecible cuando se someten a técnicas y fórmulas de diseño. Encuentran aplicación en varios mercados automotrices, estructurales e industriales. Las aplicaciones típicas incluyen interruptores eléctricos, engranajes, cojinetes, levas, igniciones automáticas, etc. Los siguientes plásticos generalmente se clasifican como termoplásticos de ingeniería: acrílicos, poliacetales, nailon, poliésteres termoplásticos, policarbonato, polisulfona, sulfuro de polifenileno, mezclas de óxido de polifenileno / poliestireno, poliimidas, imidas de poliamida, poliéteres, fluoropolímeros, etc. A veces, los plásticos básicos como el polietileno de alta densidad (HDPE) y el polipropileno (PP) se pueden utilizar en aplicaciones de ingeniería cuando se llenan con el tipo correcto de rellenos de refuerzo.
Rellenos
Los rellenos también se utilizan en termoplásticos de ingeniería convencionales para reducir costos o para impartir propiedades funcionales específicas. Una variedad de rellenos funcionales como fibras de aramida / carbono para refuerzo, fibras de vidrio con revestimiento metálico para conducción eléctrica, ferritas de bario o estroncio para propiedades magnéticas se utilizan cada vez más en plásticos. Los desarrollos en plásticos rellenos se han discutido en varios libros, y también está disponible una lista de la variedad de rellenos que se han probado. En general, los rellenos de partículas, como harina de madera, carbonato de calcio, arcilla y arena, se utilizan como reductores o extensores de costos; mientras que los rellenos fibrosos (como la wollastonita, las fibras de vidrio y la fibra Franklin) y los rellenos en forma de placa (como la mica) representan adiciones de refuerzo que mejoran las propiedades mecánicas del plástico. Los plásticos básicos como el poliestireno (PS) y el poli (cloruro de vinilo) (PVC) pueden entrar en aplicaciones de ingeniería a través de mezclas, en las que se mezclan físicamente con ciertos termoplásticos de ingeniería para mejorar su rendimiento. Hay una serie de mezclas termoplásticas comerciales. Cabe señalar que se pueden combinar dos termoplásticos de ingeniería para formar una mezcla polimérica útil, como en el caso de ABS / PC, ABS / polisulfona o SAN / polisulfona. En mezclas de polímeros, los polímeros individuales son químicamente diferentes y no forman enlaces covalentes como en copolímeros como SAN o terpolímeros como ABS. En el presente contexto, las palabras "termoplásticos de ingeniería" abarcan todos los termoplásticos que se pueden utilizar en aplicaciones de ingeniería. Por esta connotación, todos los homopolímeros y copolímeros enumerados en la categoría de termoplásticos de ingeniería, junto con todos los plásticos básicos que se llenan de manera apropiada con rellenos de refuerzo o funcionales, o se mezclan apropiadamente para mejorar el desempeño, se denominarían termoplásticos de ingeniería. Dado que los plásticos se utilizan en aplicaciones de ingeniería, también se incluyen en esta amplia clasificación. Los termoplásticos de ingeniería se dividen generalmente en dos clases, cristalinos y amorfos. No es la intención aquí al hacer la distinción entre polímeros cristalinos y amorfos sondear las profundidades de la estructura molecular. Esta información está disponible para quienes la deseen en la vasta literatura dedicada al tema. En su lugar, solo se cubrirán las diferencias prácticas. Las ventajas de los polímeros cristalinos incluyen:
- Resistencia a solventes orgánicos
- Resistencia a la fatiga dinámica
- Rango de temperatura aumentado por refuerzo de vidrio
- Retención de ductilidad en envejecimiento por calor a corto plazo
- La orientación da fibras de alta resistencia
Las ventajas de los polímeros amorfos incluyen:
- Transparente
- Contracción del molde baja y uniforme
- Coeficiente de expansión térmica bajo y uniforme
- Contracción mínima después del molde
- Las propiedades tienen menor dependencia de la temperatura
- Los polímeros cristalinos tienen una disposición molecular ordenada, con un punto de fusión nítido e identificable
Debido a la estructura ordenada de las moléculas, los polímeros cristalinos reflejan la mayor parte de la luz incidente y, por lo tanto, son opacos. Además, estos polímeros sufren una reducción significativa de volumen cuando se solidifican, lo que da como resultado una contracción alta, aunque predecible. Normalmente son resistentes a muchos disolventes orgánicos y tienen buenas propiedades de resistencia a la fatiga y al desgaste. Los polímeros amorfos, por otro lado, tienen disposiciones moleculares aleatorias y se funden en un amplio intervalo de temperaturas en comparación con los polímeros cristalinos. Una diferencia física importante es que la luz se transmite fácilmente a través del polímero, haciéndolo transparente. La contracción es mucho menor con polímeros amorfos. Por otro lado, son, en general, más sensibles a los efectos de los contactos con disolventes y tienen peores características de fatiga y desgaste. Los plásticos de ingeniería cubiertos aquí incluirán ejemplos de polímeros cristalinos y amorfos. En muchas aplicaciones, las propiedades de los dos se superponen lo suficiente como para que se pueda utilizar cualquiera de ellos. Los termoplásticos de ingeniería, ya sean cristalinos o amorfos, se utilizan en miles de aplicaciones mecánicas hoy en día en casi todas las industrias. A medida que aumenta la experiencia con ellos, los usos mecánicos de los plásticos de ingeniería continúan proliferando. Algunas de las razones importantes de este rápido crecimiento, con especial énfasis en su uso en lugar de metales, son las siguientes.
Termoplásticos de ingeniería (ETP)
Los plásticos son uno de los materiales indispensables de la vida moderna que ha cambiado la forma en que vivimos. A lo largo de la historia, hemos sido testigos de tendencias en las que un material se ha elevado para reemplazar a otro por motivos económicos o de rendimiento. El avance en materiales ha sido coeval con la difusión de la civilización. El hombre primitivo usó los metales disponibles en su estado natural. El progreso de la civilización fue literalmente determinado por la capacidad del hombre para descubrir nuevos materiales, permitiendo a la humanidad inducir las propiedades necesarias para herramientas e implementos de destrucción cada vez más sofisticados. De hecho, las sociedades que las ventajas distintivas sobre sus vecinos. Esto fue ampliamente ejemplificado en términos de materiales clave donde la humanidad avanzó desde la Edad de Piedra hasta la Edad de Bronce, la Edad de Hierro y la edad del acero. La edad de los plásticos sintéticos comenzó en 1909 con el descubrimiento por parte de Leo Baekeland de la resina sintética de fenolformaldehído. En general, los materiales plásticos se colocan arbitrariamente en tres categorías de productos termoplásticos, termoplásticos de ingeniería (ETP) y termoplásticos de ingeniería avanzada (AETP), a los que también se hace referencia como especiales, avanzados o ultrapolímeros. Los plásticos básicos constituyen el mayor volumen de uso, su consumo supera el millón de toneladas anuales a escala mundial. ETP comprende un segmento especial de alto rendimiento de materiales plásticos sintéticos que ofrecen propiedades de primera calidad y también "tecnopolímeros". Cuando se formula adecuadamente, ETP puede conformarse en piezas mecánicamente funcionales, piezas de semi precisión o componentes estructurales. El término "mecánicamente funcional" implica que las piezas continuarán funcionando incluso si están sujetas a factores como tensión mecánica, impacto, flexión, vibración, fricción por deslizamiento, temperaturas extremas y ambientes hostiles.
Resistencia a la corrosión
La resistencia a la corrosión se reconoció desde el principio como una ventaja significativa de los plásticos sobre los metales. Una excelente ilustración de esta ventaja en acción es el conjunto de grifo de bola utilizado para controlar el flujo de agua en los inodoros. El conjunto de grifo de bola de cobre y latón utilizado en el pasado finalmente falló debido a la corrosión, y la sincronización dependió de la calidad del metal y las propiedades del agua. Hoy en día, muchos grifos de bola están hechos de resina acetálica, y más de 200 millones de estos se han utilizado en todo el mundo sin casi fallas debido a la corrosión.
Peso ligero
Con menos de la mitad de la gravedad específica del aluminio para la mayoría de los plásticos de ingeniería, la ventaja de un peso más ligero es atractiva para muchas aplicaciones en la industria automotriz, aeronáutica, de electrodomésticos y de artículos deportivos. La industria automotriz, en particular, ha aumentado su uso de plásticos de 15 lb./car a 200 lb./car en los últimos 20 años, siendo los automóviles más livianos uno de los principales objetivos, aunque esto incluye plásticos de uso general y de ingeniería.
Bajo costo
A lo largo de los años, a medida que los volúmenes han aumentado drásticamente, los costos de los plásticos de ingeniería se han reducido en relación con los costos de metales como el magnesio, el aluminio y el latón. Hoy en día, sobre la base de un precio por pulgada cúbica, varios de los plásticos cuestan menos que los metales con los que compiten con frecuencia. Además, debido a los grados de libertad proporcionados por el proceso de moldeo por inyección, se pueden fabricar piezas complejas de plástico en una sola operación, a diferencia de las piezas metálicas comparables que deben ensamblarse uniendo varias piezas metálicas formadas tediosamente. Por supuesto, la reducción de costes laborales obtenida es significativa. La mayor esperanza de vida y la mayor facilidad de mantenimiento de las piezas de plástico resistentes a la corrosión son factores adicionales para la competitividad de costes sobre sus piezas metálicas, incluso cuando el precio del plástico es a veces más elevado.
