Plásticos de alta prestaciones - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Plásticos de alta prestaciones

Súperpolímeros

Súper polímeros

En los últimos años, se ha comercializado una generación completamente nueva de plásticos de ingeniería de alto rendimiento. Polímeros de alto rendimiento/alta temperatura como poliimidas, poli (amideimidas), poliamidas, poliésteres, etc. son de considerable interés debido a sus excelentes propiedades mecánicas y de alta temperatura. Sin embargo, por lo general exhiben solubilidades y puntos de fusión muy bajos muy por encima de sus temperaturas de descomposición térmica, lo que limita sus aplicaciones generalizadas. Hay varios informes que describen enfoques para mejorar la procesabilidad de los polímeros mediante el uso de monómeros modificados estructuralmente. Estos incluyen (1) la introducción de segmentos o grupos flexibles en la cadena principal del polímero que reduce la rigidez de la cadena, (2) la introducción de grupos laterales voluminosos que ayudan en la separación de las cadenas del polímero y obstaculizan el empaquetamiento molecular y la cristalización, (3) el uso de ampliaciones monómeros que contienen enlaces angulares que suprimen las estructuras coplanares, (4) uso de monómeros disustituidos en 1,3 en lugar de disustituidos en 1,4 y/o monómeros asimétricos que reducen la regularidad y el orden molecular, y (5) la unión de cadenas flexibles como grupos colgantes. Varios estudios se han centrado en la posibilidad de mejorar la solubilidad y procesabilidad de polímeros, tales como poliimidas aromáticas, poli (amideimidas), poliamidas, poliésteres, etc., mediante la introducción de cadenas laterales flexibles, tales como grupos alquilo o alcoxi. Es interesante notar que la estructura peculiar de la cadena principal de tales polímeros no se ve alterada por la unión de cadenas laterales flexibles. Se informa que el uso de monómeros que llevan grupos flexibles colgantes reduce en gran medida las interacciones moleculares fuertes de los polímeros aromáticos de cadena rígida, produciendo un efecto de separación de cadena eficaz. En general, estos grupos colgantes no solo mejoran la solubilidad, sino que también ayudan a reducir las temperaturas de fusión y transición vítrea. El desarrollo de polímeros de alto rendimiento / alta temperatura que se ajusten a diferentes requisitos de procesabilidad o que exhiban nuevas propiedades específicas es la fuerza impulsora para la investigación de nuevos monómeros. Para aplicaciones estructurales, se necesita una fácil procesabilidad, buenas propiedades mecánicas y un buen comportamiento al envejecimiento, pero el bajo costo es un requisito importante. Sin embargo, para las aplicaciones funcionales (dispositivos electrónicos, de cristal líquido, membranas para separaciones de gases, membranas de pilas de combustible), el factor de coste no es una consideración muy importante. En el área de síntesis de poliimidas y poli (amideimidas), los esfuerzos recientes se han concentrado en el diseño y síntesis de polímeros procesables con el fin de obtener ciertas propiedades ventajosas, como adhesión, aislamiento eléctrico, transparencia, cristal líquido (LC)) alineación y permeabilidad a los gases. La unión de cadenas laterales flexibles ha atraído un interés particular en la síntesis de poliimidas y poli (amideimidas), ya que se sabe que aumenta no solo la procesabilidad de los polímeros sino también el ángulo de preinclinación de las moléculas de LC en las superficies poliméricas frotadas. El ángulo de preinclinación es un parámetro crítico para el excelente rendimiento de los dispositivos de visualización de cristal líquido (LCD). Los dispositivos LCD nemáticos súper retorcidos comerciales se utilizan actualmente en muchos aparatos electrónicos y requieren ángulos de inclinación previa >5° para un rendimiento óptimo con ángulos de visión amplios. Algunos informes recientes han señalado que las cadenas laterales de alquilo a lo largo de la cadena principal del polímero elevan en gran medida el ángulo de preinclinación y que las poliimidas y poli (amideimidas) que contienen cadenas laterales de alquilo podrían ser candidatos muy prometedores para excelentes capas de alineación de LC. El esfuerzo de investigación se dirigió hacia modificaciones estructurales diseñadas para alterar la regularidad y el empaquetamiento de la cadena, proporcionando así una mejor procesabilidad de los polímeros. La plastificación normalmente implica la incorporación de un plastificante de bajo peso molecular que mejora el flujo y la procesabilidad del polímero. En la plastificación interna, el plastificante se une químicamente o se incorpora a la cadena principal del polímero. El primer objetivo de esta investigación fue desarrollar un esquema sintético que permitiera la introducción de grupos plastificantes como grupos alcoxi colgantes en los polímeros de alto rendimiento como poliimidas, poli (amideimidas), poliamidas y poliésteres. El enfoque implicó la síntesis de una serie de ácidos isoftálicos, dicloruros de isoftaloílo, metafenilendiisocianatos y dihidrazidas de ácido isoftálico sustituidos con alcoxi a partir del ácido 5-hidroxiisoftálico, una sustancia química disponible comercialmente.

Súper polímeros plastificados

La 1,3-disustitución de los grupos reactivos en la estructura del monómero se seleccionó por las siguientes razones: (i) los grupos ácido, cloruro de ácido, isocianato e hidrazida ácida se colocaron en las posiciones 1 y 3 para obtener la metacatenación en la columna vertebral del polímero. Se sabe que dicha catenación aumenta la solubilidad y reduce la Tg de los polímeros; (ii) los grupos funcionales se ubicaron a una distancia suficiente del grupo alcoxi para que su reacción con comonómeros (dianhídridos / diaminas / bisfenoles) no se vea impedida estéricamente. Mediante rutas químicas relativamente fáciles y económicas, estos monómeros podrían prepararse que proporcionen las características estructurales necesarias para la mejora de propiedades como la procesabilidad, y específicamente propiedades como el ángulo de preinclinación y la permeabilidad. La longitud de las cadenas laterales colgantes se varió sistemáticamente para estudiar los efectos de la longitud de la cadena lateral en las propiedades de los polímeros, tales como solubilidad, estabilidad térmica, Tg y procesabilidad. Se diseñó y sintetizó otra serie de monómeros que consisten en diaminas aromáticas sustituidas con alcoxi que contienen enlaces amida preformados y diaminas aromáticas que contienen enlaces éster preformados. El segundo objetivo de esta investigación fue sintetizar y caracterizar poliimidas, poli (amideimidas), poliamidas y poliésteres que contienen cadenas alcoxi flexibles colgantes. Con el fin de investigar el efecto de la incorporación de grupos alcoxi colgantes sobre las propiedades de los polímeros, se evaluaron propiedades como la solubilidad, las transiciones térmicas y la resistencia al calor y se compararon con las de los no sustituidos. Para este estudio, se sintetizaron y caracterizaron cuatro series de polímeros como poliimidas, poli (amideimidas), poliamidas y poliésteres, lo que permitió establecer una relación estructura-propiedad confiable.

Polímeros de alto rendimiento/alta temperatura

Estos ofrecen propiedades muy superiores a todo lo disponible hasta ahora, particularmente en lo que respecta al rendimiento a altas temperaturas, y abren la puerta a tipos de aplicaciones completamente nuevos para los plásticos. Se llaman plasticos de superingenierfa aquellos que tienen resistencia termica mas alta que los plasticos de ingenieria, permitiendo ser utilizados por un tiempo prolonga do incluso a una temperatura de 150°C. Tienen alta funcionalidad, resistencia termica y durabilidad y se utilizan como materiales alternativos de metales. Se caracterizan por tener una estructura en la que su cadena principal contiene anillos de benceno. Cuanto mas alta la proporcion de los anillos de benceno, mas alta la resistencia termica. La cadena principal de benceno contiene atomos de azufre u oxigeno y la cadena principal contiene los enlaces de cetona o eter, lo cual otorga la resistencia termica y la formabilidad en el moldeo. La resina de fluor no tiene la estructura de anillos de benceno, pero en la cadena lateral de la principal de carbono se agregan los atomos de fluor. Al formar un enlace covalente entre los atomos de fluor y el carbono, se puede obtener una estabilizacion significativa. Lo cual permite mejorar la resistencia termica, la resistencia al frio y otras propiedades. Las principales clases de estos nuevos materiales son:

Poliarileteres y poliaritioéteres

poliariletersulfonas (PES)
sulfuro de polifenileno (PPS)
polietemitrilo (PEN)
polietercetonas (PEK y PEEK)

Poliimidas y polibencimidazol

polieterimida (PEI)
poliimida termoplástica (PI)
poliamidaimida (PAI)

Fluoropolímeros

etileno propileno fluorado (FEP)
perfluoroalcoxi (PFA)

Propiedades Súper polímeros

Buena temperatura de inflexión bajo carga
Buena estabilidad dimensional
Baja absorción de agua
Alta resistencia mecánica y alta rigidez
Buena resistencia a la hidrólisis
Buena resistencia al agua industrial clorada
Aprobación para el contacto directo con agua potable
Buena resistencia a agentes químicos

Varios de estos materiales ofrecen temperaturas de servicio superiores a 200°C y los grados llenos de fibra se pueden utilizar por encima de 300°C. Los súperpolímeros pueden mantener sus propiedades mecánicas, eléctricas y de resistencia química a temperaturas superiores a 220°C. Poliftaloamidas, sulfuro de polifenileno, poliarilsulfona, poliéster aromático y poliamida-imida, son conocidos como súper polímeros, que contienen anillos aromáticos en sus cadenas principales, que le da las propiedades alta resistencia mecánica , térmica y una resistencia superior al fuego incluso en comparación con los tecnopolímeros Además de la resistencia a altas temperaturas, tienen una alta resistencia y un módulo de elasticidad comunes, y una excelente resistencia a solventes, aceites y ambientes corrosivos. Su mayor desventajas son la dificultad de procesamiento y el costo. Las temperaturas y presiones de moldeo son extremadamente altas en comparación con los plásticos convencionales. Algunos de ellos, incluyendo la poliimida y el poliéster aromático, no están moldeados convencionalmente. Debido a que no se derriten, el proceso de moldeo es más que una operación de sinterización. Las resistencias a altas temperaturas de los superpolímeros 260°C , se compara con menos de 177°C para la mayoría de los plásticos convencionales. En el caso de las poliimidas, la transición vítrea es superior a 427°C y el material se descompone en lugar de ablandarse cuando se calienta excesivamente. El poliéster aromático, un homopolímero también conocido como polioxibenzoato, no se funde, pero a 427°C se puede hacer fluir de una manera no viscosa similar a los metales. Por lo tanto, las formas y partes rellenas y sin rellenar pueden realizarse mediante sinterización en caliente, forjado a alta velocidad y pulverización de plasma. Las propiedades notables son alta estabilidad térmica, buena resistencia a 316°C, alta conductividad térmica y resistencia a la compresión extra alta. Los poliésteres aromáticos también se han desarrollado para moldeo por inyección y compresión. Tienen una estabilidad térmica a largo plazo y una resistencia de 20 MPa a 288ºC. A temperatura ambiente, la poliimida es la más rígida del grupo con un módulo de elasticidad de 51.675 MPa, seguido de sulfuro de polifenileno con un módulo de 33.072 MPa. La poliarisulfona tiene la mejor resistencia de los superpolímeros con una resistencia al impacto de 0,27 kg m/cm (muesca).

Aplicaciones

Para aplicaciones que necesitan resistencia a largo plazo a altas temperaturas, las aplicaciones más comunes incluyen piezas de bobina de motor automotriz, conectores de línea de combustible y bombas de refrigerante, así como bujes y almohadillas de cojinetes en motores de aeronaves, bombas en las industrias de petróleo y gas y energía. Tienen un costo mucho más alto y una procesabilidad más exigente, también teniendo en cuenta las temperaturas en juego.

Cadena molecular principal	Resina	Punto de fusion
Solo carbono	Polietileno	120°C
Carbono + nitrogeno	Poliamida 6	224°C
Carbono + nitrogeno + benceno	Resina de aramida	450°C