Temperatura de transición vítrea de los polímeros

Hay una consideración de material importante pero que a menudo se pasa por alto cuando se diseñan piezas para el moldeo por inyección de plástico. Se llama Tg, abreviatura de temperatura de transición vítrea. Más adelante nos adentraremos en la ciencia que hay detrás de todo esto, pero por ahora, solo hay que saber que hay una temperatura a la que los materiales amorfos pasan de un estado vítreo/rígido a un estado correoso/gomoso.

¿Qué es la temperatura de transición vítrea (Tg)?

La temperatura de transición vítrea es aquella a la que un polímero amorfo pasa de un estado duro/vítreo a un estado blando/correoso, o viceversa. La Tg está directamente relacionada con la resistencia y las capacidades de un material en cualquier aplicación de uso final. La temperatura de transición vítrea está relacionada con las propiedades mecánicas de un polímero. Esto incluye su resistencia a la tracción, su resistencia al impacto, su módulo de elasticidad y su rango de temperatura operativa, como se puede ver en la figura 1.

Polímeros amorfos vs. semicristalinos

Los polímeros se dividen en dos clases: termoestables y termoplásticos. A su vez, los polímeros termoplásticos se dividen en dos categorías: los que son amorfos, como el policarbonato (PC) y el poliestireno (PS), y los que son semicristalinos (como el polipropileno y el acetal).

Para analizarlo, hay que rememorar las clases de química del instituto. Pero no te preocupes, no te llevará mucho tiempo. Empezaremos por el primer día, cuando el profesor plantea la pregunta: ¿qué son los polímeros? El cerebrito que se sienta en primera fila y que estudia lenguas antiguas para divertirse sabe que "poli" y "mer" son palabras griegas que significan "muchas partes" y que, por lo tanto, la respuesta sería "los polímeros son cadenas largas de moléculas más pequeñas unidas mediante un proceso llamado polimerización, cuyo peso molecular oscila entre los cientos y los cientos de miles". Enhorabuena.

Estructura del polímero

Cadenas moleculares largas

¿Qué es el peso molecular? Y lo que es más importante, ¿a quién le importa? A cualquiera que diseñe piezas de plástico debería importarle. El peso molecular de cualquier polímero determina la longitud de las "cadenas largas" que acabamos de mencionar y, por tanto, sus características físicas. Por ejemplo, mientras que una molécula de hidrógeno "pesa" solo 1,01 g/mol (masa molar) y una de carbono pesa 12,01 g/mol, una sola molécula de polietileno de alta densidad (HDPE) (que no es más que una serie enlazada de estas dos moléculas) puede pesar 250.000 g/mol o más.

Ya sean moléculas de tereftalato de polietileno (PET) que oscilan entre 8.000 y 31.000 g/mol o moléculas de poliestireno (PS) con la friolera de 400.000 g/mol, estas cadenas de monómeros en forma de ciempiés (que son los bloques de construcción de los polímeros) se organizan en estructuras amorfas o semicristalinas.

Morfología de los polímeros

Los polímeros amorfos tienen una estructura de cadena aleatoria/desordenada. Por debajo de la Tg, son duros y quebradizos. A medida que se aplica calor, comienzan a ablandarse gradualmente hasta un punto en el que se vuelven correosos/gomosos. Esta transición se denomina transición vítrea. Si se sigue aplicando calor, se funden gradualmente (son moldeables), y se pasa por la Tg hasta llegar a una temperatura en la que el polímero empieza a mostrar un flujo viscoso. Algunos ejemplos comunes de polímeros amorfos son los materiales duros y rígidos como el poliestireno (PS) y el polimetilmetacrilato (PMMA), que se utilizan en su estado vítreo y muy por debajo de sus temperaturas de transición vítrea.

Los polímeros semicristalinos tienen regiones cristalinas altamente ordenadas junto con regiones amorfas. Las regiones amorfas tendrán el mismo comportamiento que acabamos de describir. Sin embargo, en el caso de los materiales semicristalinos, una vez que las regiones amorfas han pasado por la Tg, las regiones cristalinas permanecen muy ordenadas y estructuran el material bruto. Por ello, muchos materiales semicristalinos pueden utilizarse mucho más allá de su Tg. Los materiales semicristalinos, como el polipropileno (PP), que tiene una Tg en torno a los -20 °C, se utilizan por encima de su Tg en aplicaciones como muebles de jardín, que muestran dureza y flexibilidad en los cálidos meses de verano, pero que pueden volverse quebradizos en los fríos inviernos del norte.

Los polímeros termoestables tienen enlaces cruzados que unen sus cadenas. Estos enlaces cruzados se forman entre las cadenas, convirtiéndolas en una gran molécula. Piensa en ello la próxima vez que sostengas una bola de bolos. Los enlaces cruzados proporcionan una estructura de cadena robusta que permite utilizar materiales elastoméricos como la silicona líquida muy por encima de su Tg. Otros materiales termoestables suelen utilizarse por debajo de su Tg y son bastante rígidos, como los fenólicos. Los enlaces cruzados forman uniones entre las cadenas moleculares tan fuertes que el punto de fusión de los materiales termoestables está por encima de su temperatura de descomposición.

Pros y contras de los polímeros

Los polímeros amorfos suelen ser transparentes (como el policarbonato y el acrílico) en lugar de opacos como la mayoría de los materiales semicristalinos. Suelen tener más estabilidad dimensional y es menos probable que se deformen durante el proceso de moldeo. Suelen ser resistentes al agua caliente y al vapor (piensa en los materiales de fontanería) y tienen una buena rigidez y resistencia al impacto. Y como se ha explicado anteriormente, tienden a ablandarse gradualmente cuando se exponen al calor.

Los termoplásticos semicristalinos, debido a su estructura interna, presentan enlaces moleculares muy fuertes. Este atributo los hace resistentes a los ataques químicos. Al igual que el teflón, muchos de ellos también ofrecen un bajo coeficiente de fricción, por lo que son una buena opción para las superficies de rodamiento y de desgaste o cuando la carga estructural pesada es importante. También son mucho más resistentes a la fatiga que los polímeros amorfos. Se ablandan cuando se exponen al calor, pero pueden utilizarse por encima de su Tg debido a que las regiones cristalinas conservan la estructura hasta la temperatura de fusión del polímero.

Los materiales termoestables, con su estructura interna de enlaces cruzados, presentan muy buena resistencia química, estabilidad dimensional y resistencia al calor. Los termoestables van de transparentes a opacos, así como de elastoméricos a rígidos. Pueden utilizarse por debajo o por encima de su Tg, y no tienen punto de fusión.

Es un tema complejo, sin duda. Esperamos que esta explicación bastante técnica haya ayudado a reducir la confusión sobre el tema. ¿Tienes un proyecto de moldeo por inyección en marcha? Ponte en contacto en el teléfono +34 932 711 332 o en [email protected]. Estaremos encantados de hablarte sobre los polímeros.