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plásticos, polímeros, aditivos
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ADITIVOS PARA PLASTICOS
Centro de Investigación en Química AplicadaSantiago Sánchez
A
Polímeros
Petróleo Monómeros
A
ADITIVOS
Aditivos
Aditivos para plásticos
1.- INTRODUCCIONUsualmente los polímeros necesitan la ayuda de uno o más aditivos o modificadores para cumplir con su función, ya que casi nunca se utilizan en forma individual y sin la presencia de estos aditivos, algunas aplicaciones de los materiales plásticos no existirían.
En un principio, la función de los aditivos y modificadores fue vencer algunas limitaciones en los materiales plásticos. Por ejemplo, para convertir el PVC rígido en flexible, para proteger de los efectos de la degradación producida por el calor y la luz así como para mejorar la resistencia al fuego. Más tarde, los esfuerzos se enfocaron hacia el procesamiento de plásticos, dando como resultado los lubricantes y ayudas de proceso.
Más recientemente, los modificadores y aditivos son capaces de cambiar la forma y función de los plásticos y mejorar sus propiedades físicas. Por ejemplo, los agentes espumantes nos permite fabricar productos celulares, los agentes de acoplamiento mejoran los enlaces interfaciales entre resina y carga para aumentar las propiedades físicas y los modificadores de impacto aumentan la resistencia de los plásticos.
Aditivos en plásticos
●Antiacidos ●Antioxidantes●Colorantes ●Lubricantes●Agentes nucleantes●Antiestaticos●Estabilizadores UV●Otros
Cuando se sintetiza un polipropileno se utilizan catalizadores que frecuentemente dejan residuos ácidos en la resina.
Por esa razón desde ese momento se le agregan aditivos como:
ANTIACIDOS
●Los mas utilizados son estearato de calcio o de Zn.
Desde la polimerización es importante el uso de aditivos
Efecto del antiácido sobre la corrosión
Los polímeros son muy sensible a la degradación termo- oxidativa, debido a su estructura química.
Por esa razón es importante utilizar aditivos conocidos como:
ANTIOXIDANTES
Muchos productos son formulados con colorantes
Los colorantes se dividen en
●Pigmentos●Tintes
Pigmentos
Los Pigmentos son materiales orgánicos o inorgánicos, que son prácticamente insolubles en el polímero donde están dispersos. Esto significa que los pigmentos están siempre presentes en la matriz polimérica en forma de partículas.
Tintes
Los tintes son colorantes solubles en el polímero se encuentran dispersos en la matriz polimérica. Esto significa que no hay partículas visibles en la pieza coloreada, lo cual imparte transparencia.
Pigmentos
Los pigmentos inorgánicos a base de plomo y cadmio se han usado en gran cantidad en la industria del plástico, debido a su bajo costo y sus buenas propiedades.
No obstante su uso se ha limitado debido a problemas ambientales.
Esta limitación ayudó al desarrollo de los pigmentos orgánicos
Pigmentos
Existen diferentes familias de pigmentos orgánicos:
● Poli cíclicos (antraquinona, dioxazina)● Compuestos azo (sales mono azo y diazo)● Complejos metálicos (ftalocianina)
Pigmentos
Tintes
Si el colorante se disuelve parcialmente puede ocurrir migración, afectando las
características del producto.
Algunos pigmentos pueden cambiar su apariencia al interactuar con otros componentes como son agentes antiestáticos o compuestos metálicos como estearato de zinc.
Interacción con otros aditivos
Concentrados y compuestos
●El concentrado (masterbatch) es una mezcla de resina con una alta concentración de aditivos
Concentrados
El concentrado tiene las siguientes ventajas:
●Mejor mezclado de aditivos y resina
●Dispersivo y distributivo
Compuestos
●Compuesto: Mezcla de resina y aditivos con la concentración del producto final.
Compactación de los aditivos
DISPERSION
Es la determinación de la cantidad y tamaño de partículas por unidad de área del sistema mezclado, generalmente esta determinación se efectúa mediante microscopía
Entre mejor disperso está un sistema, existe una mayor uniformidad de distribución de las partículas.
La escala de examinación se refiere al tamaño de las muestras tomadas en un análisis, esta escala debe ser tomada de acuerdo a la naturaleza del material mezclado.
ETAPAS EN EL PROCESO DE MEZCLADO
Mezclado DispersivoEn esta etapa hay una reducción en el tamaño de las partículas a la vez que se distribuyen
Mezclado
Dispersivo
.. .. .... ...... ... ... ......... . .... . .... . .... .... .. ... ...
..... .. . ....... .. ... ... ... .
El mezclado dispersivo tiene por objetivo disminuir el tamaño de las partículas o aglomerados que se están mezclando. En este caso sí se requiere de mayores esfuerzos, lo cual producirá un aumento en la temperatura del plástico, y puede causar degradación.
Egan
Cavidades
Maddock
ETAPAS EN EL PROCESO DE MEZCLADO
Mezclado DistributivoEn esta etapa no hay cambio en el tamaño de las partículas, solamente se incrementa su distribución en el polímero
Mezclado
Distributivo
El mezclado ocurre en la zona de plastificación y en la zona de bombeo. Muchos husillos incluyen una zona específica para mejorar el mezclado.El mezclado distributivo tiene por objetivo distribuir todas las partículas que se están mezclando. En este caso, no se requiere de altos esfuerzos para lograr un buen mezclado.
Piña
Pins
La dispersión es esencial para obtener buenas propiedades
Los defectos causados por no tener una buena dispersión pueden ser:
● Variabilidad del color● Perdida de propiedades mecánicas.● Defecto de la pieza inyectada.
DISPERSION DE UNA CARGA EN UN POLIMERO
EQUIPOS DE MEZCLADO
MEZCLADORES TIPO LOTE (BATCH)● Mezclador interno Banbury● Mezclador intensivo● Molino de rodillos
MEZCLADORES TIPO CONTINUO● Mezclador estático● Extrusor monohusillo con cabezal de
mezclado● Extrusor monohusillo reciprocante● Extrusor doble tornillo
MEZCLADOR BANBURY
Consta de dos rotores que giran en direcciones opuestas y a distinta velocidad, generándose cambios en el patrón de Flujo.
Se alcanzan grandes esfuerzos de corte en este equipo, por lo que provee un mezclado dispersivo y distributivo
Los materiales se alimentan a presión mediante una tolva neumática, o de peso constante, siendo muy importante el factor de llenado.
MEZCLADOR INTERNO
MOLINO DE RODILLOS ABIERTO
Es un sistema abierto de rodillos que giran a diferentes velocidadescalentados mediante resistencias eléctricas ó vapor y variándose laabertura y produciéndose ahí los esfuerzos de corte.
Este equipo de mezclado se utiliza en la elaboración de compuestos en la industria hulera, ya que produce un mezclado adecuado para los aditivos y cargas en los hules
MEZCLADOR INTENSIVO
El mezclador intensivo está diseñado para mezclar polímeros en polvo con cargas y aditivos (aditivos líquidos inclusive), consiste de un sistema de aspas de diseño especial que se encuentran dentro de un recipiente montadas en un eje centralque generan calentamiento por fricción y con sistema de enchaquetado par calentar ó enfriar
Vienen equipados con controladores para regular la velocidad de 400-600 rpm a 900-1400 rpm. El material es mezclado creándose un efecto de remolino. Se obtiene una distribución y dispersión de los componentes de la mezcla.
2.- Degradación por acción del calor
Todos los polímeros sufren reacciones de degradación en presencia de oxígeno a altas temperaturas durante:
● Polimerización● Transformación y reciclado● En almacen ● Su uso
Para proteger a los polímeros contra la Termo-oxidación, se emplean aditivos llamados ANTIOXIDANTES
● Polímeros estables: PS, PMMA● Polímeros sensibles: poliolefinas (PP), hules● Polímeros muy sensibles: PVC, poliacetales
La TERMODEGRADACIÓN se manifiesta mediante cambios en:● Color● Superficie● Transparencia● Prop. mecánicas (Flexión, tensión y elongación)● Fluidez
Los cambios físicos se deben a cambios químicos:● Aumento en peso molecular● Disminución en peso molecular
Ruptura de cadenas
Hay una disminución en peso molecular debido a una ruptura de cadenas.
El aumento en peso molecular se debe a la formación de geles
Mecanismos de la degradacion termo-oxidativa
Polímero
AO
AO AO
ESTRUCTURAS DE POLIOLEFINASPOLIETILENO
POLIPROPILENO
Cuando un polímero se degrada, ocurren cambios en FLUIDEZ.
● La ruptura de las moléculas provoca un aumento de INDICE DE FLUIDEZ
(Ej. el PP)
● El entrecruzamiento de cadenas provoca una disminución en indice de fluidez(Ej. LDPE)
Responsables de la termo- oxidación.● Calor● Esfuerzos mecánicos● Oxígeno
Para proteger a los polímeros de la termo-oxidación se emplean aditivos ANTIOXIDANTES
ANTIOXIDANTES
● PRIMARIOS (Capturan radicales libres)
● SECUNDARIOS (Destruyen peróxidos)
ANTIOXIDANTES PRIMARIOS● BHT ● Fenólicos● Aminas● Lactonas
Polímeros con antioxidantes fenólicos pueden sufrir
decoloración
ANTIOXIDANTES SECUNDARIOS
● FOSFITOS ● TIOETERES
Los antioxidantes secundarios deben emplearse combinados con un Primario.
Antioxidantes
TABLA 3Efecto de diferentes fenoles y fosfitos sobre el Indice de fluidez de Polipropileno homopolimero durante extrusiones múltiples a 280 oC. Estabilización base 0.05 % de Estearato de Calcio.
Vitamina E
Ventajas:
● Mantiene la fluidez y el color durante el procesado● Buena resistencia ala extracción● Niveles bajo de aditivos
Desactivadores de iones metálicos
y promueven la termo-oxidación de los polímeros reduciendo drásticamente la efectividad de los antioxidantes.
El caso más grave es el de los cables telefónicos, donde los iones de cobre que libera el conductor al pasar la corriente, causan fallas por
degradación del recubrimiento de polietileno.
En otras aplicaciones los artículos moldeados que se usan a temperaturas altas como por ejemplo cafeteras de polipropileno, se ha observado que en general los rellenos minerales como el talco, la mica, los caolines, el asbesto y el carbonato de calcio reducen drásticamente la estabilidad del producto hacia la termo-oxidación. Esto se atribuye a la presencia de impurezas metálicas en esos rellenos de origen natural.
Chemtura: www.chemtura.com
Ciba: www.cibasc.com
Antianimales
Estabilizadores térmicos
Estabilizadores termicos para PVC
Estabilizadores termicos para PVC
2.3.2.- ESTABILIZADORES TERMICOS Y SU ACCION.
Los estabilizadores de plomo se usan principalmente en PVC plastificado en recubrimiento de cables. Asimismo, en menor escala, se emplean para otros productos flexibles opacos y para PVC expandido. Otra aplicación importante de los estabilizadores de plomo es la fabricación de tubería rígida para drenaje.
Estabilizadores de plomo
2.3.4.- ESTABILIZADORES DE BARIO-CADMIO Y CALCIO- ZINC.
Los estabilizadores de bario/cadmio y Ca/Zn actúan corrigiendo los defectos en las moléculas de PVC al sustituir cloros activos por grupos más estables:
2.3.5.- ESTABILIZADORES DE ESTAÑOSe pueden clasificar en dos categorías (dependiendo de la naturaleza del grupo Y):� Mercapturos y sulfuros de estaño.� Carboxilatos y maleatos de estaño.
2.3.5.- COSTABILIZADORES.Existen otros aditivos conocidos como coestabilizadores. Tal es el caso de los fosfitos orgánicos, los cuales son capaces de sustituir cloros activos, pueden inactivar peróxidos y neutralizan el HCl. También pueden inactivar iones metalicos por lo que se usan en combinación con los estabilizadores de Ba / Cd y Ca / Zn. Otro coestabilizador conocido son los aceites epoxidados de soya, los cuales inactivan los cloruros de Cadmio o de zinc y pueden neutralizar el HCl.
Anticorrosion
ESTABILIZADORES UV
ESTABILIZADORES UV
ESTABILIZADORES UV - Absorvedores
Benzofenona
Benzotriazol
ENVEJECIMIENTO ACELERADO
Fig. 3.2 Exposición de ABS en Suiza
Fig 3.3. Envejecimiento acelerado de HIPS
Fig. 3.4. Envejecimiento acelerado de PC
Fig. 3.5 Envejecimiento acelerado de PC/ABS
Fig 3.6 PU sometido a 500 horas de exposición
POLIURETANO
Vida de anaquel
Agentes antifog● Glycerol esters ● Polyglycerol esters ● Sorbitan esters ● Ethoxylated sorbitan
esters
� Antioxidantes
� Desactivadores metálicos� Estabilizadores UV� Estabilizadores térmicos� Lubricantes� Plastificantes� Ayudas de proceso� Agentes de nucleación� Modificadores de impacto� Rellenos y reforzantes� Agentes de acoplamiento� Retardantes de flama� Agentes antibloqueantes� Deslizantes� Agentes Espumantes� Biocidas� Colorantes