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.
Relación de alta resistencia a rigidez
En los primeros días de los plásticos de ingeniería, el reemplazo de piezas metálicas para lograr menores costos y flexibilidad de diseño era un objetivo viable, aunque la relación entre la resistencia a la tracción y la rigidez no era comparable a la de los metales fundidos a presión, los plásticos. estaban reemplazando. Sin embargo, los reemplazos se realizaron cuando los cálculos de diseño indicaron que las propiedades de los metales eran claramente superiores a las requeridas por la aplicación. Más recientemente, el exitoso refuerzo con fibra de vidrio o minerales de los plásticos de ingeniería nuevos y maduros ha aumentado drásticamente la relación resistencia / rigidez a una que se acerca a la de los metales fundidos a presión. Aunque los plásticos todavía no se corresponden con los metales, sus propiedades están mucho más cerca de los metales de lo que solían ser, lo que resulta en un aumento importante en la gama de aplicaciones en las que los plásticos de ingeniería pueden suplantar a los metales.
Flexibilidad de diseño
El proceso de moldeo por inyección hace posible fabricar formas intrincadas de plásticos, una clara mejora en la versatilidad proporcionada por las operaciones de conformado de metales. En una serie de aplicaciones de gran volumen, como las piezas de automóviles, la rentabilidad de un material se rige no solo por el coste del material, sino también por la mejora de la procesabilidad y la flexibilidad de diseño que ofrece el material. El uso de polímeros permite la producción de piezas con formas complejas en una sola operación de moldeo, reduciendo el número de piezas en el diseño de un producto y eliminando varios pasos de ensamblaje en comparación con un producto hecho de componentes metálicos. Para ahorrar costos de instalación, existen numerosos ejemplos de encajes a presión, bisagras moldeadas y tornillos autorroscantes. Un ejemplo concreto es el uso de policarbonato para un semáforo ferroviario compuesto por nueve componentes moldeados, sustituyendo un conjunto de 40 piezas metálicas y de vidrio, además de reducir el peso de 7 kg a 1 kg.30
Colorabilidad
Incorporando tintes y pigmentos directamente en la resina, es posible producir artículos de forma sencilla y económica en una gama ilimitada de colores. Este es otro ejemplo de la versatilidad de los plásticos. La coloración de las piezas de plástico es importante no solo desde el punto de vista estético, sino también por otras razones. Por ejemplo, es bien sabido que la temperatura de la superficie de cualquier material expuesto a la luz solar depende de su color. Por lo tanto, si el producto de plástico es para uso exterior, la selección del color puede ser crítica. Además de impartir color, los pigmentos ofrecen una protección significativa contra los efectos dañinos de la luz solar. Las longitudes de onda de la luz en el rango de 290 a 390 nm, que se encuentra en la región ultravioleta (UV), son más destructivas para los plásticos y promueven la degradación del polímero por ruptura directa de enlaces químicos o por transferencia de energía sensibilizada por impurezas excitadas por UV. Muchos pigmentos absorben la radiación ultravioleta y actúan como filtros. Otros reflejan y dispersan ondas de luz. Por lo tanto, los pigmentos ayudan a preservar la integridad física de una pieza al reducir sustancialmente el agrietamiento y la pérdida de resistencia a la tracción. Otros atributos valiosos de los plásticos de ingeniería que no están relacionados con el reemplazo de metales son los siguientes:
Aisladores eléctricos
Las propiedades dieléctricas de los plásticos de ingeniería son sobresalientes y son responsables del amplio uso de los plásticos en la industria eléctrica / electrónica. Buenas propiedades térmicas La conductividad térmica de los plásticos es muy baja en comparación con los metales. En los aparatos, por ejemplo, el aislamiento térmico proporcionado para los mangos de los utensilios de cocina es una característica atractiva y útil de un plástico de ingeniería rígido, fuerte, a altas temperaturas y resistente a la deformación.
Transparencia
La transparencia es una característica proporcionada ahora por varios de los plásticos de ingeniería amorfos que hace posibles nuevos usos finales. Un ejemplo son los instrumentos y recipientes utilizados en laboratorios médicos y otros laboratorios científicos.
Dado el hecho de que los plásticos de ingeniería son esenciales para la producción de piezas críticas en muchas industrias, ¿cómo se selecciona el plástico correcto para una pieza específica? Antes de la década de 1960, la selección de un termoplástico para una aplicación de ingeniería era simple, ya que el número de plásticos de ingeniería apropiados era limitado. Incluso era posible realizar conjeturas basadas en prueba y error. Hoy en día, hay literalmente miles de grados de polímeros y modificaciones de polímeros para elegir y, por lo tanto, el ensayo y error puede ser una empresa extremadamente costosa, si no una misión imposible. La modificación de polímeros mediante mezcla, copolimerización y mediante el uso de cargas / aditivos ha aumentado virtualmente el número de grados de polímeros base de cientos a miles, cada grado con diferentes propiedades y cada uno adecuado para diferentes aplicaciones. Esta abrumadora variedad de grados es al mismo tiempo una consideración positiva y negativa en la selección de resinas. Si bien esta proliferación hace que sea más sencillo encontrar un ajuste para casi todas las aplicaciones razonables, requiere más esfuerzo para discriminar. Un ejemplo perfecto de la proliferación de materiales candidatos es la familia del nailon. El número teórico de resinas de poliamida posibles es bastante alto en base a la reacción de condensación de ácidos dibásicos con diaminas o la polimerización de lactamas; y bastantes se han explotado comercialmente. Casa resina exhibe propiedades diferentes y se utilizan en diferentes aplicaciones, y muestran las diferencias en los puntos de fusión, la absorción de humedad y las propiedades mecánicas de algunos de estos tipos de nailon. Además de estos, existen numerosos copolímeros de estas poliamidas básicas. Además, la mayoría de ellos están disponibles en versiones reforzadas con vidrio, retardantes de llama y con relleno mineral. Estas modificaciones pueden provocar un cambio considerable en las propiedades. A esto hay que añadir las medias de nailon mezcladas o injertadas con agentes endurecedores, como elastómeros y poliésteres, y de nuevo existen versiones de estas medias de nailon con relleno y reforzadas con vidrio. Si bien los polímeros de nailon estuvieron entre los primeros plásticos de ingeniería en generar una familia tan grande de productos disponibles, los más nuevos rápidamente siguieron su ejemplo. Los policarbonatos, poliésteres, acetales y otras familias también incluyen una amplia variedad de pesos moleculares, distribuciones de peso molecular, cargas, aditivos, compuestos reforzantes, agentes antifricción, antioxidantes, estabilizadores UV, agentes endurecedores, etc., para presentar un desconcertante multiplicidad de opciones para los encargados de la responsabilidad de seleccionar las "cosas correctas". Parece obvio que debería existir un procedimiento razonable disponible que permita a los responsables de seleccionar el plástico adecuado seguir un proceso lógico de discriminación. Dentro de ciertos límites, este libro ha sido preparado para sugerir un proceso de selección que se basa tanto en la lógica como en la experiencia, pero con la salvedad de que hay ciertas consideraciones empíricas involucradas que no siempre reflejan principios científicos estrictos. Una revisión de un proceso de selección de resina debe incluir una comprensión de los diversos antecedentes de quienes originan la necesidad de la pieza de plástico. Considere que en la lista de usuarios finales de las piezas se incluyen antecedentes tan erógenos como inversores, ingenieros, grandes corporaciones, empresarios, científicos, fabricantes de juguetes, mecánicos, diseñadores de indumentaria, diseñadores de embarcaciones, especialistas en electrónica y hospitales. La lista de aplicaciones potenciales es casi interminable y el grado de sofisticación y el conocimiento específico de la limitación de los plásticos varían ampliamente. Para empezar, el concepto de un nuevo objeto hecho de un termoplástico de ingeniería, o al menos que tenga un componente de ingeniería, presenta un desafío para algunos usuarios finales. Su enfoque para determinar qué plástico usar para su aplicación variará considerablemente, desde tratar de seguir todo el proceso de selección de principio a fin personalmente, hasta la contratación de ingenieros de diseño de plásticos. Para quienes no tengan experiencia con los plásticos, es recomendable leer el libro Lo que todo ingeniero debería saber sobre el desarrollo de productos plásticos o buscar a alguien que pueda proporcionar el tipo de asistencia técnica objetiva que se requiere. Una forma sencilla y económica de localizar una fuente de confianza de este tipo de asistencia es ponerse en contacto con cualquiera de los principales fabricantes de resinas.
Ciertamente, las empresas automotrices tienen mucha experiencia y conocimientos, y tienen su propio personal y procedimientos para la selección de resinas. Otras grandes corporaciones de las industrias de electrodomésticos y electrónica tienen ventajas similares. Sin embargo, incluso estas industrias sofisticadas ocasionalmente tienen algunos problemas para seleccionar la resina exactamente apropiada o, rara vez, hacen una selección y luego la encuentran inadecuada. Por último, numerosas pequeñas empresas independientes tienen una necesidad real de asistencia en la selección de resinas y deben encontrarla a través de proveedores de materiales, moldeadores de inyección o diseñadores que tengan los conocimientos y la experiencia necesarios. La producción exitosa de un artículo de plástico funcionalmente útil, libre de defectos y de alto rendimiento requiere la interacción adecuada entre las siguientes cuatro variables:
- pieza, geometría
- resina
- características de procesamiento
- diseño del molde
Por lo tanto, el proceso de selección de resina requiere el trabajo en equipo entre cuatro grupos:
- el diseñador y proveedor del producto
- el proveedor del material
- el procesador
- el fabricante de moldes
Existe una interdependencia obvia entre los miembros de estos grupos, y las líneas de comunicación deben mantenerse abiertas y bien definidas en todo momento. Una mala comunicación puede resultar en artículos de mayor calidad. Muchas veces el procesador no pone al proveedor / especialista del material en contacto con el diseñador / proveedor del producto o con el fabricante de moldes. Esto da como resultado que se transfiera información correcta o incompleta al selector de material durante su evaluación y recomendación. En realidad, todos los miembros del equipo deben interactuar y proporcionar información detallada, que debe estudiarse cuidadosamente antes de recomendar el termoplástico adecuado para una aplicación en particular. Aquellos con experiencia en el diseño y uso de piezas moldeadas a partir de plásticos de ingeniería seguramente tendrán serias reservas sobre la practicidad de intentar definir un proceso de selección. Ellos saben muy bien que el diseño de la pieza, los ciclos y condiciones de moldeo, la cantidad de material reciclado en una pieza, etc., pueden tener un efecto importante en la utilidad final de una pieza de plástico. En el otro extremo del espectro están aquellos que están considerando el uso de un plástico de ingeniería por primera vez y que no tienen idea de qué enfoque usar para seleccionar una resina. La intención de este libro es proporcionar una guía de tal manera que tanto los experimentados en el uso de plásticos de ingeniería como los novatos con una total falta de experiencia previa puedan al menos apreciar las consideraciones involucradas en la selección de resinas y participar activamente en el proceso de toma de decisión.
Contracción del molde
Los polímeros cristalinos, en la mayoría de sus formas, presentan contracciones elevadas en comparación con las que se obtienen con los amorfos. Las contracciones más altas normalmente presentan más dificultades en el diseño de un molde y, a veces, en su funcionamiento. Por un lado, las resinas cristalinas suelen ser anisotrópicas y las piezas se encogen más en una dirección de la pieza moldeada que en otra. Eso no quiere decir que este problema no pueda resolverse mediante cuidadosas consideraciones de diseño de moldes, pero es más exigente, y ocasionalmente más caro, que diseñar un molde para una resina amorfa. Debe tenerse en cuenta que, a pesar de las consideraciones de contracción, una gran proporción de plásticos de ingeniería se especifican en polímeros cristalinos debido a sus propiedades superiores. El moldeador se preocupa no solo por la uniformidad de la contracción, sino también por el grado de contracción, ya que cortar acero cuando los problemas de contracción alta son un problema conocido puede ser una experiencia angustiosa para el diseñador de moldes, el fabricante de moldes y el moldeador por igual. Si no se obtienen las dimensiones especificadas en la pieza después del dimensionamiento inicial del molde, el molde debe modificarse hasta que se puedan obtener dimensiones aceptables con los consiguientes retrasos y mayores costos para todos. Si, de buena fe, los moldeadores consideran que una resina amorfa puede proporcionar piezas con propiedades adecuadas para una aplicación, aunque las propiedades de un polímero cristalino serían mejores, la recomendarán al usuario final. Por otro lado, hay ocasiones en las que el diseño de piezas requiere poco o ningún calado en una superficie importante; y el polímero amorfo (de baja contracción) solo se puede quitar del molde con gran dificultad, en cuyo caso el moldeador se inclinará hacia el uso de un polímero cristalino cuando haya una opción disponible. Nuevamente, si los usuarios finales no son lo suficientemente sofisticados o experimentados para encontrar fallas en este razonamiento, aceptarán la recomendación; y la selección de resina la habrán hecho los moldeadores en función de lo que les resulte más sencillo..