INFORMACIÓN SOBRE POLIPROPILENO Y GENERALIDADES

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1 INFORMACIÓN SOBRE POLIPROPILENO Y GENERALIDADES 1. Qué es el polipropileno? Figura 1. Estructura 3D del polipropileno. Es un polímero termoplástico formado de enlaces simples carbono-carbono y carbonohidrógeno, perteneciente a la familia de las poliolefinas. El polipropileno tiene una densidad 0,90 gr/cc y su estructura molecular básica consiste en un grupo metilo (CH3) unido a un grupo vinilo (CH2)-(molécula de propileno o propeno). Por medio del arreglo molecular del grupo metilo, se logran obtener diferentes configuraciones estereoquímicas organización espacial (isostático, sindiotáctico y atáctico). El ordenamiento uniforme del grupo metilo estereoquímicamente genera la configuración isotáctica (la más usada en el polipropileno), que le confiere una cristalinidad y le ofrece un balance de propiedades que le hace apto para muchas de las aplicaciones en las cuales le vemos en la actualidad. 2. Qué es la cristalinidad? En resinas termoplásticas como el Polipropileno (PP), las moléculas son capaces de ordenarse espacialmente minimizando la energía libre del sistema mediante estructuras cristalinas (organizadas). Estas estructuras se forman por flexiones de cadenas y se pueden ordenar en diversos niveles. En el polipropileno, se logra un alto porcentaje de ordenamiento, mas no total, que le hace un material semicristalino.

2 Como un primer nivel, se encuentran las cadenas del polímero que mantienen un orden con las adyacentes definiendo estructuras cristalinas caracterizadas por la organización de los átomos de la celda unitaria (Figura 2). Como segundo nivel, las flexiones de las cadenas definen las "lamelas". Para el siguiente nivel, estas lamelas se encuentran formando parte de estructuras microscópicas conocidas como "esferulitas". El crecimiento radial de estas lamelas forma las esferulitas; de este modo, constituye la principal morfología en la que cristalizan esta clase de resinas poliméricas y así, concentran la fase cristalina del polímero. La forma en que crecen estos cristales se efectúa principalmente por el aumento en la longitud de las lamelas. Figura 2. Organización de las cadenas que define la cristalinidad del polipropileno.

3 Se considera que las lamelas dentro de la esferulita están envueltas por una matriz de fase amorfa (no organizada), denominada espacio interlamelar, en el que se encuentran sin orden las cadenas que no se han incorporado a la fase cristalina. Los materiales que cristalizan de una manera más uniforme, con tamaño de cristales más homogéneo y controlado, donde la fase amorfa tiene una alta participación en la estructura final, son características que conciben un producto final idóneo para promover una alta transparencia. Pero, la transparencia no solo es dependiente de estos lineamientos, también es dependiente del tipo de acabados o accesorios en donde se procesa el material, ya sea molde de inyección, molde de soplado, calandras de extrusión, boquillas de soplado, por nombrar algunos. En algunos casos, las cadenas de un mismo polímero pueden adoptar conformaciones diferentes, originando distintas formas de empaquetamiento cristalino; el producir un empaquetamiento u otro, depende de varios factores, como pueden ser la presencia de aditivos específicos (agentes nucleantes o clarificantes), la propia historia térmica del material o las condiciones de transformación (presión, temperaturas de procesamiento, velocidad de enfriamiento, grado de cizalla, orientación del material). 3. Qué es la temperatura de fusión? Temperatura en la cual los cristales empiezan a fundirse y donde existe un movimiento total de las moléculas del polímero. Esta temperatura se encuentra para los Homopolímeros alrededor de 164ºC (alta Cristalinidad), de 145 C a 155ºC para los Copolímeros Random y de 150ºC para los Copolímeros de impacto. Es relevante conocer esta temperatura, ya que manifiestan al procesador temperaturas base para el procesamiento.

4 Figura 3. Análisis por Calorimetría (DSC) de un polipropileno homopolímero. 4. Qué es la Temperatura de Transición Vítrea (Tg)? Temperatura en la cual existe el primer movimiento molecular y marca el paso del polímero de zona vítrea a la zona pseudoplástica. Para el polipropileno varía desde -30 C a 0 C, dependiendo de la familia empleada y ayuda a determinar la temperatura mínima en la cual una aplicación puede trabajar antes de presentar características frágiles en una pieza dada. De acuerdo con su aplicación: Homopolímeros No se recomienda usos por debajo de 5º C. Copolímeros rándom No se recomiendan aplicaciones por debajo de -10º C.

5 Copolímeros de impacto Altamente recomendados para aplicaciones a baja temperatura (< 0º C). Revisa con tu asesor técnico el mejor producto a usar de acuerdo con la aplicación final. 5. Qué tipos de polipropileno fabrica Esenttia? Esenttia fabrica homopolímeros y copolímeros, al igual que terpolímeros de propileno, etileno y buteno. Tabla 1. Principales familias de polipropileno y sus características. Principales características de los diferentes tipos de polipropileno Tipo Rigidez Trasparencia Resistencia al impacto Temperatura ambiente Baja temperatura Homopolímero T Copolímero Rándom T T Copolímero Impacto T T T 6. Qué es un homopolímero? Es un polipropileno cuya estructura molecular está compuesta únicamente de unidades de propileno. Es un producto altamente cristalino, con alta temperatura de fusión (164 C), con Tg de aprox. 0 C. El homopolímero posee buenas propiedades dieléctricas, su resistencia a la tensión es excelente en combinación con la elongación, alta rigidez o resistencia a la deformación incluso a altas temperaturas, presenta apariencia translúcida,

6 excelente resistencia a altas temperaturas y buena resistencia a diversos productos químicos. 7. En qué aplicaciones se utilizan los homopolímeros? Los homopolímeros son empleados ampliamente para extrusión de lámina de uso general o termoformado de envases, película para empaques (BOPP, Cast, TWQ, Blown film), gracias a su buena apariencia y altas propiedades mecánicas; fibra, multifilamentos, cinta rafia gracias a su alta resistencia y elongación; inyección de alta rigidez (cubiertos, electrodomésticos), muebles plásticos, entre otras aplicaciones. Es recomendado para aplicaciones de llenado en caliente. 8. Qué es un copolímero rándom? Es un polipropileno cuya estructura molecular está constituida por unidades de propileno y etileno (este último en menos del 10 %). El etileno reduce su cristalinidad proporcionándole mayor transparencia, resistencia al impacto a temperatura ambiente, baja temperatura de fusión (145 C C) y alta flexibilidad. Tiene temperaturas de sellado bajas (apto para aplicaciones de empaques), presenta también una temperatura más baja de deformación térmica que los homopolímeros y a -10 C su resistencia mecánica disminuye. 9. En qué aplicaciones se utilizan los copolímeros rándom? Empaques de mayor transparencia y que requieran buena resistencia al impacto; son recomendados para procesos especialmente de extrusión soplo (envases de hasta 2 litros transparentes), inyección (contenedores y organizadores transparentes), inyecto soplado (Botellas, biberones, termos), inyecto estirado soplado, aplicaciones como película como capa de sello (BOPP, Cast, TWQ), inyección de productos de alta capacidad de estiramiento (Tapas con bisagra), entre otros.

7 10. Qué es un copolímero de impacto? Es un polipropileno que en su estructura molecular está constituido por una parte de homopolímero y otra de un copolímero de etileno-propileno (fracción de caucho), motivo por el cual, a diferencia de los homopolímeros y copolímeros rándom, debe fabricarse en dos etapas. Es una mezcla íntima de un caucho de etileno-propileno y un homopolímero de propileno, el cual genera un excelente balance entre rigidez y resistencia al impacto; presenta mejor resistencia a bajas temperaturas (< 0º C). Debido a su composición, su apariencia es opaca. 11. En qué aplicaciones se utilizan los copolímeros de impacto? Empaques sin requisitos de transparencia, con excelente resistencia al impacto incluso a bajas temperaturas; recomendado para toda clase de volúmenes (hasta 20 lt); es especial para artículos inyectados tales como cuñetes para pinturas, bases para sillas de oficina, cajas industriales, baterías, baldes, tapas (uso general y de resistencia química), tubería, películas retortables, entre otras. 12. Qué es un terpolímero? Es un polímero constituido por tres monómeros. En el caso del terpolímero fabricado por Esenttia, compuesto por propileno, etileno y buteno. 13. En qué aplicaciones se usan los terpolímeros? La principal aplicación en la que se emplean los terpolímeros como los que fabrica Esenttia es en empaques. Gracias a su adecuado desempeño en cuanto a sellado (105º C frente a >117º C de un copolímero), los terpolímeros se usan en la capa de selle de películas BOPP y Cast, de tal manera que logra un alto desempeño de estas en sistemas de empaque y sellado automático.

8 PROPIEDADES DEL POLIPROPILENO 1. Qué es el melt flow (MF)? Es una forma indirecta para medir el peso molecular. Corresponde al peso en gramos de resina que pasa por un orificio normalizado bajo un peso y temperatura determinada durante 10 minutos. Para el polipropileno, el peso es de 2.16 kg y la temperatura de 230º C según la norma ASTM Los valores bajos de melt flow indican altos pesos moleculares y resinas más viscosas. Se conoce como MFR y es usada por convención para el polipropileno. Esenttia ofrece polipropilenos con un rango de Melt flow desde 0.25 g/10 min (tubería) hasta 130 g/10 min (inyección y compuestos). 2. Qué es la contracción en un polímero? La contracción al moldeo es el porcentaje de encogimiento que se espera de una pieza plástica, una vez esta se ha solidificado en el molde y enfriado a temperatura ambiente. Para un material dado, el encogimiento puede variar dependiendo del diseño del molde, las características de la resina, el espesor de la pared de la pieza, la dirección del flujo y las condiciones de moldeo. En general, los polímeros amorfos presentan menor contracción que los semi cristalinos. La mayoría del encogimiento (70-90%) ocurre en el molde, pero esta puede continuar por horas después de moldeada. El polipropileno tiene un rango de encogimiento entre 1,5 y 2,5%. La cristalinidad, la presencia de aditivos nucleantes y la presencia de cargas (carbonatos, talcos, fibras) podría afectar significativamente el desempeño a la contracción del material. 3. Qué melt flow debería emplear para mi proceso?

9 Los polímeros son calentados o fundidos por efecto de dos medios, uno por las resistencias que se encuentran a lo largo del cañón de la extrusora o inyector, y otro, por medio del esfuerzo de cizalladura (rozamiento) que se genera entre el tornillo, el polímero y las paredes del cañón. El esfuerzo de cizalladura o rata de corte es el medio principal para que el polímero funda. Cada proceso, debido a sus características de funcionamiento, posee un rango de esfuerzo de cizalladura y que, por consideraciones reológicas, está asociado a un valor de viscosidad a través de la ecuación que rige a este tipo de fluidos pseudo-plásticos como los polímeros (ecuación de ley de potencias "Power law fluid" η= mγn-1) Carreau o Carreau Yatzuda. Tabla 2. Sugerencia de valores de Melt Flow según el proceso de transformación. hpp: Homopolímero; rapp: Copolímero rándom; impp: Copolímero de impacto. Proceso Rango de Melt Flow Familia Película BOPP 2-3,5 g/10 min (homo), 5-8 g/10 min (random) hpp, rapp, terpolímero Película Cast, TWQ 5-13 g/10 min hpp, rapp, impp, terpolímero Película Blown film 0,6-3,5 g/10 min hpp, rapp, impp, terpolímero Tubería < 1 g/10 min hpp, rapp, impp Soplado de envases 0,6-3,5 g/10 min hpp, rapp, impp Inyección > 5 g/10 min hpp, rapp, impp Lámina / Termoformado 1,8-3,5 g/10 min hpp, rapp, impp Fibra g/10 min hpp, rapp Figura 4. Rango de Melt Flow y principales familias de polipropileno usadas por proceso de transformación.

10 4. Resistencia máxima a la tracción (tensile yield strenght): La resistencia máxima a la tracción se mide gracias a un ensayo esfuerzo vs. deformación. Lo que se busca determinar es la fuerza necesaria para llegar al punto en el cual el polímero pasa de su región elástica (región donde al eliminar la carga el polímero vuelve a sus dimensiones originales), a su región plástica (región donde al eliminar la carga el polímero no vuelve a sus dimensiones originales). 5. Elongación (Yield Elongation): Es el cambio de longitud que presenta un material bajo una carga teniendo en cuenta una longitud inicial. Este ensayo es complementario al de resistencia a la tracción y se mide como el aumento de la distancia o extensión entre dos marcas de la probeta, bajo condiciones normalizadas. 6. Módulo de flexión Es la pendiente de la curva que se genera cuando se realiza un ensayo esfuerzo vs deformación. Básicamente este valor representa el grado de rigidez de un material indicando que tanto la pieza se deformara bajo un determinado esfuerzo aplicado. En las familias de polipropileno, son los homopolímeros los que pueden ofrecer un mayor módulo llegando a valores de hasta psi. 7. Impacto Izod Este valor representa la resistencia que tiene un polímero a la propagación de una falla, el método mide la resistencia a la rotura por un choque de flexión e indica la cantidad de energía extraída de un péndulo de martillo por una probeta montada en su trayectoria.

11 Usualmente los copolímeros, gracias a su menor cristalinidad, ofrecen una mayor resistencia a la rotura por impacto. 8. Impacto Gardner Este valor representa la energía requerida para romper una probeta cilíndrica con impacto en caída libre de un peso determinado desde diferentes alturas. Representa la resistencia del polímero a generar y propagar la falla. 9. Temperatura de deflexión al calor (Heat Deflection temperature HDT) Temperatura a la cual ocurre una deformación a una probeta de un polímero determinado bajo una carga normalizada. Esta temperatura no debe ser considerada como una temperatura de proceso, se debe considerar como un valor que indica la conveniencia de emplear una pieza a temperaturas de trabajo elevadas. La temperatura de un homopolímero está alrededor de los 100º C (0.45MPa), 75º C para los random y 85º C para los copolímeros de impacto. 10. Opacidad (Haze) Opacidad es el porcentaje de luz dispersada en un ángulo mayor a 2.5º con respecto al rayo incidente cuando este pasa a través de un espécimen de prueba. Los copolímeros random con aditivo clarificante son los que ofrecen una menor opacidad en los productos inyectados.

12 11. Transparencia Es el porcentaje de luz que el espécimen de prueba deja pasar a través de él sin variarle mayormente la dirección con respecto a la fuente luminosa. En general los plásticos amorfos presentan mayor transparencia que los semicristalinos. 12. Reología Es la ciencia que estudia la deformación y flujo de los cuerpos. Es de gran importancia en el procesamiento de los materiales considerando que el polímero está expuesto a temperatura, esfuerzos de cizalla, presiones que le generan un cambio de estado y de forma. Figura 5. Curva reológica del polipropileno.