Plásticos y polímeros: definición y características

Los plásticos son polímeros orgánicos que se pueden deformar hasta conseguir una forma deseada por medio de diferentes métodos. Se caracterizan por una alta resistencia, por ser buenos aislantes térmicos y eléctricos, y por su resistencia a los ácidos. El producto final es sólido, aunque en algunas etapas de su producción o procedimiento son fluidos creados al aplicar calor y presión.

En forma final, son largas cadenas de polímeros obtenidas a partir de bloques de monómeros, por medio de catalizadores, calor y presión. El cruce de eslabones de dos o más polímeros se conoce como copolimerización.

Tipos básicos de plásticos

Los tres tipos básicos de plásticos son:

• Termoplásticos: se pueden reprocesar sin cambiar su composición química.
• Termoestables (termofijas): no se reprocesan porque cambian su composición química.
• Elastómeros: pueden ser termoplásticos o termoestables y tienen la capacidad de experimentar gran cantidad de deformación elástica a temperatura ambiente.

Tipos comerciales habituales

Algunos tipos comunes de polímeros y sus aplicaciones:

1. PET o PETE (tereftalato de polietileno): para botellas de bebidas; con su reciclado se obtienen fibras para rellenos de alfombras. Se recomienda un uso limitado y reciclado adecuado.
2. PEAD o HDPE (polietileno de alta densidad): para envases de leche y aceite; reciclado para macetas y contenedores; es seguro para ciertos usos.
3. PVC (policloruro de vinilo): para envases de champú, aceites y alimentos; se recicla en tubos de drenaje; puede filtrar líquidos según el uso.
4. PEBD o LDPE (polietileno de baja densidad): para bolsas de supermercado y film de envolver; se recicla y es seguro en muchos casos.
5. PP (polipropileno): para envases de yogures; reciclado para viguetas y peldaños; es seguro en muchos usos.
6. PS (poliestireno): para bandejas de carne; su reciclado puede emplearse en viguetas de plástico. Evitar usos alimentarios continuos: puede liberar estireno, que es preocupante.
7. Otros: envases para ketchup y bandejas para microondas; algunos no deben reciclarse por desconocer las resinas; evitar en lo posible si no se conoce su composición.

Polimerización y cristalinidad

Polimerización: es el proceso mediante el cual pequeñas moléculas de una sola unidad (conocidas como monómeros) o de unas pocas unidades (oligómeros) se unen químicamente para crear moléculas gigantes.

Cristalinidad: se presenta durante el procesamiento de los polímeros como resultado de cambios en la temperatura y de esfuerzos aplicados; incrementa su densidad, resistencia al ataque químico y propiedades mecánicas, incluso a temperaturas más elevadas, debido a la fuerte unión existente entre las cadenas.

Temperatura y comportamiento térmico

En los polímeros termoplásticos, la descomposición puede presentarse en estado líquido; esto corresponde a la temperatura de degradación. Las altas temperaturas rompen los enlaces covalentes; además, agentes biológicos pueden afectar el material a temperatura ambiente.

El estado vítreo (transición vítrea, Tg) es la temperatura a la que el material pasa de un comportamiento rígido y vítreo a uno más gomoso o dúctil. A bajas temperaturas hay poca vibración molecular; a temperaturas más altas, la vibración aumenta y las cadenas pueden moverse, pudiendo romperse enlaces secundarios.

Ventajas y desventajas

• Ventajas: peso ligero, menor coste, resistencia química, resistencia a la humedad, buena respuesta a choques y vibración, transparencia en ciertos polímeros, prelubricados en algunas aplicaciones.
• Desventajas: poca resistencia a esfuerzos y al calor en algunos materiales, tendencia a volverse quebradizos a baja temperatura, rotura por fatiga o deformación con el tiempo en ciertas condiciones.
• Propiedades mixtas: algunos plásticos son flexibles, aislantes térmicos y eléctricos, y se conforman por calor y presión.

Proceso de inyección

El proceso de inyección es discontinuo y se realiza con una sola máquina y su equipo auxiliar o periférico. Fases principales:

1. Plastificar / Homogenizar
2. Inyectar
3. Molde
4. Enfriamiento

Etapas del cierre del molde y la inyección

1. Cierre del molde vacío, en 3 pasos:
   • Alta velocidad / baja presión.
   • Menor velocidad / misma presión.
   • Aplicar la fuerza necesaria para un cierre óptimo.
2. El tornillo inyecta el material como pistón (sin girar), forzando el material hacia el interior del molde. Al acabar mantiene presión de sostenimiento para contrarrestar la contracción.
3. El tornillo gira y acumula material contra la boquilla cerrada para la siguiente inyección.
4. El material dentro del molde se enfría mediante refrigeración; al acabar se abre y se extrae la pieza.
5. Cierre del molde y reinicio del ciclo. El mayor consumo energético se produce en el momento de la inyección.

Fuerza de cierre

Para verificar que la fuerza de cierre de la máquina será suficiente, es recomendable que sea un 20% superior a la necesaria para inyectar la pieza en cuestión.

Método aproximado: multiplicar la superficie proyectada por la presión en la cavidad (diferente según la resina).

Método preciso: aquí influyen el espesor y la longitud del flujo de la resina desde el punto de inyección hasta el punto más lejano; se multiplica por el factor de corrección por viscosidad (Fc = Ap x Pi).

Características de la máquina de inyección

• Capacidad de cierre: fuerza máxima en toneladas que se opone a la presión de inyección y evita que el molde se abra.
• Dimensiones del molde: distancia libre entre placa fija y móvil con el molde cerrado.
• Portamolde: especificación de dimensiones de las platinas portamolde, llenas de orificios para tornillos.
• Recorrido de apertura del molde: distancia recorrida por la placa móvil durante los movimientos de apertura y cierre.
• Capacidad de inyección teórica: volumen máximo calculado de material desplazado por el tornillo o pistón a lo largo de la carrera máxima sin fugas.
• Capacidad de inyección real: indicación del peso máximo de la pieza (más canales y vena) que puede ser inyectado por el tornillo bajo carga máxima.
• Presión de inyección: fuerza máxima que ejerce el tornillo sobre el material plástico por unidad de área; es la que obliga al material fundido a introducirse en las cavidades del molde.
• Capacidad de plastificación: cantidad máxima de material fundido descargado por el tornillo rotando a máxima velocidad en un tiempo determinado.
• Velocidad de inyección: volumen de material inyectado por unidad de tiempo durante el llenado, con el tornillo a máxima velocidad. Depende de la potencia necesaria y utilizada en la carrera de inyección.
• Las velocidades de inyección deben aumentar con el tamaño de las máquinas. Máquinas de preplastificación y de tornillo alternativo emplean mejor la potencia y pueden lograr mayores velocidades.

Métodos de conformado

Principales métodos de transformación y conformado de plásticos:

• Extrusión: semielaborados y productos intermedios para calandrado, soplado o hilado.
• Calandrado: bolsas, láminas, film.
• Soplado: cuerpos huecos (botellas, contenedores).
• Colada por inyección: piezas a partir de masas de colada por inyección.
• Conformado en caliente: piezas moldeadas a partir de semiacabados; inyección-prensado para resinas sintéticas y masas prensables.
• Prensado en capas (estratificación): productos estratificados a partir de rollos impregnados con resinas sintéticas.
• Lienzo de caucho con presión o vacío: productos estratificados a partir de rollos soporte impregnados con resinas a baja presión.
• Colada: modelos, inclusiones, piezas moldeadas.
• Centrifugado: cuerpos huecos con simetría axial o huecos cerrados.
• Inmersión: cuerpos huecos o revestimientos.
• Recubrimiento: plastificados sobre rollo de papel o tejido.
• Arranque de viruta: transformación de semiacabados, acabados y limpieza de piezas moldeadas.
• Inyección por llama: revestimientos sobre base fija.
• Soldadura y encolado: unión de semiacabados y piezas mediante conformado en caliente o arranque de viruta.

Moldeo por inyección

Técnica popular para fabricar artículos muy diferentes por su versatilidad, rapidez de fabricación, alta producción, bajo coste, posibilidad de geometrías complicadas, poco o nulo acabado, buena tolerancia dimensional y disponibilidad en muchos colores. El material entra en la tolva, pasa por el cilindro de calentamiento y se inyecta.

El sistema hidráulico controla el movimiento de los sistemas de inyección y cierre. Los sistemas eléctricos controlan el flujo de agua, aceite y la temperatura.

Unidades de la máquina

• Unidad de inyección: fundir, mezclar e inyectar el polímero.
• Unidad de cierre: prensa hidráulica o mecánica que contrarresta la fuerza del polímero al inyectarse, para evitar que el molde se abra y haya fugas.
• Unidad de control: gabinete eléctrico con controlador lógico programable e interfaz humano-máquina que regula el funcionamiento y las funciones.

Componentes

Lista de componentes comúnmente citados en una máquina de inyección:

1. Tolva alimentadora
2. Cubierta de barril
3. Barril con bandas calefactoras
4. Cilindro de inyección
5. Boquilla
6. Tornillo
7. Controlador de temperatura de aceite
8. Alarma de temperatura de aceite
9. Motor hidráulico
10. Motor eléctrico
11. Bomba hidráulica
12. Acumulador
13. Sensor de temperatura de aceite
14. Filtro
15. Válvula hidráulica de control
16. Platinas portamolde
17. Sistema de cierre con palancas acodadas
18. Columnas guía
19. Microprocesador para control del proceso

Especificaciones de sistema

Sistemas de inyección (parámetros típicos): diámetro del husillo (mm), relación L/D del husillo, presión máxima (kg/cm²), volumen teórico de inyección (cm³), velocidad de inyección (cm³/s), velocidad de rotación del husillo (rpm), potencia del motor hidráulico (hp).

Sistema de cierre: fuerza de cierre (ton), distancia entre columnas (mm), carrera de la platina móvil (mm). Especificaciones técnicas adicionales: potencia máxima instalada (hp), ciclos en vacío (ciclos/min).

Propiedades mecánicas y otras consideraciones

Excepciones: los epóxicos reforzados son más rígidos y tienen mayor estabilidad dimensional; algunos son más baratos que el metal y, combinados con metal, tienen más aplicaciones. Los rellenos metálicos permiten conductividad; algunos materiales son más duros a baja temperatura.

Propiedades mecánicas

Comportamiento esfuerzo-deformación:

• Deformación gradual: polietileno, ABS, acetal.
• Fractura abrupta: nylon seco.
• Fractura por estiramiento: estirenos y acrílicos.

En deformaciones pequeñas, la curva para compresión y tracción es similar; en grandes deformaciones, el esfuerzo de compresión suele ser mayor que el de tracción.

Envejecimiento y fatiga

Los plásticos pueden deformarse bajo cargas cíclicas, altas temperaturas o ambientes oxidantes. Bajo carga constante, se observa deformación gradual. La relajación es la disminución de la fuerza necesaria para deformar con el tiempo.

Rellenos

Se adicionan rellenos para incrementar la resistencia a tracción, compresión, abrasión, la tenacidad, estabilidad dimensional, térmica y otras propiedades. Ejemplos: aserrín, sílice, arena, vidrio, arcilla, talco, caliza o polímeros sintéticos.

Pulverizados: disminuyen el coste final al sustituir parte del volumen del polímero más caro.

Degradación e intemperie

La degradación térmica divide cadenas moleculares a altas temperaturas; algunos materiales liberan gases. A la intemperie, la radiación UV provoca degradación y pérdida de propiedades.

Propiedades térmicas

Los plásticos responden al calentamiento expandiéndose. La capacidad calorífica es la propiedad de absorber calor del entorno: la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. Se expresa en J/mol·K o en calor específico J/kg·K. A mayor cristalinidad, mayor conductividad térmica en ciertos materiales.

En exteriores, las piezas experimentan cambios de temperatura más bruscos que pueden producir tensiones térmicas. La distribución de temperatura dependerá del tamaño y la forma de la pieza.

Plásticos biodegradables y bioplásticos

Plásticos bio: polímeros que pueden ser tratados como desechos orgánicos y eliminarse en depósitos sanitarios. Pueden estar:

• Extraídos o removidos directamente de la biomasa: polisacáridos y proteínas.
• Producidos por síntesis química clásica utilizando monómeros biológicos de fuentes renovables.
• Producidos por microorganismos: bacterias productoras nativas o modificadas genéticamente.

PLA (ácido poliláctico)

Los bioplásticos producidos a partir de este polímero tienen la característica de ser una resina que puede inyectarse, extruirse y termoformarse. Se obtiene a partir del almidón de maíz.

PHA (polihidroxialcanoatos)

En general, los PHA son insolubles en agua, biodegradables y no tóxicos, con beneficios ambientales: reducen la dependencia del petróleo, disminuyen el residuo sólido y la emisión de gases de efecto invernadero.

Conformado de los plásticos

Los plásticos se procesan de forma diferente según sean termoplásticos o termoestables. Las técnicas dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. Algunos polímeros con alta resistencia a la temperatura requieren procesos especiales.