Mezclas de polímeros

El PVC se vuelve todavía “más caliente”

Axel Gottschalk, Michael Breulmann, Erik Fetter, Karsten Kretschmer y Martin Bastian09/01/2008
El cloruro de polivinilo ofrece una resistencia relativamente baja al calor, hecho que restringe la utilización de este económico plástico en aplicaciones sometidas a altas temperaturas resultantes de un esfuerzo mecánico considerable. No obstante esta característica puede verse mejorada fácil y económicamente hasta niveles interesantes desde el punto de vista técnico combinándolo con copolímeros alfa-metilestireno acrilonitrilo (Amsan). Un análisis sistemático muestra los principales factores a los que el usuario debe prestar atención en tal caso.
Gracias a su facilidad de proceso y a su elevada resistencia, además de a unos precios bastante competitivos, el material denominado cloruro de polivinilo (PVC) ha logrado conquistar posiciones seguras en el sector de la construcción. Más de la mitad de toda la producción europea occidental de PVC -en torno a los 6 millones de toneladas métricas, se utiliza a pie de obra en forma de perfil extruido para puertas y ventanas, canaletas de cables, revestimiento para suelos, tuberías y conductos. No necesitamos decir que el PVC es uno de los materiales clave de dicho sector.

Su potencial en este campo, sin embargo, dista mucho de estar agotado. Uno de los principales desafíos que presenta esta amplia utilización del PVC reside en su relativamente baja resistencia al calor. La mayor parte del género PVC se recomienda para temperaturas de trabajo no superiores a 60 o 65°C (con picos hasta 80°C). Más allá de este punto el material se reblandece. Esto tiene consecuencias negativas para su estabilidad dimensional, sobre todo cuando el elemento en cuestión está sometido a cargas mecánicas de algún tipo. Ejemplo concreto del problema lo tenemos en las tuberías de agua caliente o en paneles oscuros expuestos a la luz solar directa (Figura 1).

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La resistencia térmica de las mezclas a base de PVC aumenta de manera lineal con las proporciones del componente alfa-metilestireno-acrilonitrilo agregado (AMSAN, tipo: Luran KR 2556; datos gráfico: BASF)
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La estabilidad térmica de las mezclas (PVC+AMSAN) se ve incrementada hasta valores típicos del polímero de base PVC mediante la adición de tan solo un 0,5% de un estabilizante adecuado (DIN 53381-1, ensayo B; datos gráfico: BASF)

Cómo incrementar la resistencia al calor

Se puede aumentar la resistencia térmica del PVC a través de un clorinado post-producción en la cadena principal del polímero. El PVC clorinado (CPVC), con una proporción de clorinas del 66 por ciento, por ejemplo (en comparación con un 57 por ciento del material estándard), soporta temperaturas de trabajo constantes de hasta 90°C (con picos en torno a los 110°C). Sin embargo, la mayor densidad (aprox. 1,6 frente a 1,4 g/cm3 del PVC normal), la dificultad del proceso y el precio relativamente alto constituyen desventajas a tener en cuenta.

Una solución a este problema consiste en utilizar mezclas de PVC y polímeros que tengan una alta temperatura de transición vítrea relativamente alta en comparación con la del cloruro de polivinilo. La mezcla correspondiente debería tener una resistencia térmica mayor que la del PVC puro. Una medida útil para la resistencia al calor de un material plástico nos la proporciona su temperatura de reblandecimiento Vicat B50.. En plásticos de baja cristalinidad la temperatura Vicat guarda correlación con la temperatura de transición vítrea, la cual es predecible en función de una relación simple entre las proporciones de los componentes de una mezcla (relación Gordon-Taylor). Para aumentar la resistencia del PVC al calor, este polímero ha de ser mezclado con cantidades convenientes de otro caracterizado por poseer una elevada temperatura de transición vítrea.

Los copolímeros a-metilestireno-acrilonitrilo (Amsan) se distinguen por una alta afinidad con el PVC a la vez que por una temperatura de transición vítrea elevada. Uno de estos copolímeros (Luran KR 2556) ha sido utilizado por Basf desde comienzos de la década de los 70 en la elaboración de plásticos ABS altamente resistentes al calor (Terluran HH 106 y Terluran HH 112; el número tras los códigos HH indica la temperatura de reblandecimiento Vicat del tipo High Heat correspondiente). En función del nivel de resistencia al calor que se desee, AMSAN substituye una parte del componente SAN habitual (la temperatura Vicat del SAN es prox. 107°C, alcanzando la de Amsan aprox. 120°C).

La idea de utilizar Amsan -o incluso SAN o ASA- para incrementar la resistencia térmica del PVC ha sido debatida durante largo tiempo en el sector. En la actualidad los experimentos realizados por el Centro de Plásticos de Alemania del Sur (SKZ = Süddeutsches Kunststoff-Zentrum) y Basf están ayudando a incrementar la resistencia al calor del PVC en exigentes aplicaciones, de modo económico y sin tener que pasar por la alternativa CPVC.

Elaboración de mezclas en condiciones tolerables

Para determinar el efecto del componente Amsan de una mezcla sobre las propiedades mecánicas del cloruro de polivinilo, la mezcla debe realizarse bajo temperaturas muy controladas. De este modo queda reducida a un mínimo cualquier posibilidad de descomposición del polímero por efecto de la alta temperatura durante el proceso de mezcla, que causaría una reducción de las propiedades mecánicas. El procedimiento óptimo para conseguirlo consiste en emplear una extrusora con reductor planetario (Entex LWE 50 M2, figura 2). El flujo de extrusión es refrigerado durante un instante en un baño de agua, secado (Rieter SE/100) y paletizado (Rieter Primo 100). Este proceso se realizó con un PVC de la empresa Solvay estabilizado con calcio y zinc y modificado para mayor resistencia al impacto, cuya temperatura media de fusión en la punta del husillo asciende aprox. a 190°C. Con la mezcla obtenida de esta manera se produjeron pruebas para someterlas, entre otros, a los ensayos siguientes : medición de la temperatura de reblandecimiento Vicat (ISO 306, método B), medición de estabilidad térmica conforme a DIN 53381-1 (ensayo B), así como medición de resistencia a impactos en condiciones de temperatura ambiente (ISO 179-1) y alargamiento a la ruptura (ISO 527-2).

Los primeros experimentos con Amsan en la mezcla permitieron verificar un incremento de la temperatura Vicat mediante la adición de este polímero. Por cada 10 por ciento en peso de Amsan agregado la temperatura Vicat se incrementó aproximadamente en 4°C (Figura 3). En línea con lo esperado, este valor técnicamente relevante supera a los obtenidos mediante adición de cantidades equivalentes del copolímero SAN “clásico” así como de variedades ASA con temperaturas de transición vítrea correspondientemente más bajas.

Por lo general todas las mezclas suelen exhibir menor estabilidad térmica que el polímero de origen. Mientras que las mezclas formadas por PVC y Terluran HH 106 (ABS) o 112 y Luran S 778 T (ASA) se distinguen por unos valores de resistencia al impacto ligeramente mayores, y en ocasiones mucho más altas gracias a una proporción mayor, el incremento en temperatura Vicat y por consiguiente en resistencia al calor como resultado de los cambios en la proporción de Amsan al mismo tiempo trae consigo determinadas pérdidas en cuanto a resistencia a impactos.

La resistencia a impactos de una mezcla (PVC+Amsan) puede incrementarse hasta los niveles habituales mediante el recurso a métodos verificados y fiables de desarrollo de fórmulas para PVC. De este modo la adición de un 5 por ciento en peso de agentes basados en acrilatos para modificar la resistencia a impactos a una mezcla (PVC+Amsan) resulta suficiente para lograr valores de resistencia a impactos muy por encima de los correspondientes al PVC sin modificar utilizado en la elaboración de mezclas Amsan (23,8 en lugar de 16kj/m_). De acuerdo con lo esperado, el aumento en la proporción del agente modificador incrementa los niveles de resistencia a impactos; asimismo en todas las mezclas se midieron valores de alargamiento a la ruptura más elevados.
Para determinar el efecto del componente Amsan de una mezcla sobre las propiedades mecánicas del cloruro de polivinilo, la mezcla debe realizarse bajo temperaturas muy controladas

Uso de estabilizadores para mejorar la estabilidad térmica

Por otro lado, el restablecimiento de la termoestabilidad de (PVC+Amsan) requiere un análisis minucioso de los procesos de degradación. La causa de la descomposición gradual del cloruro de polivinilo a temperaturas relativamente altas reside en una eliminación del ácido clorhídrico, que una vez iniciada continúa con velocidades crecientes debido a un efecto autocatalizador. Inicialmente esto trae consigo tan solo una decoloración local del plástico, pero gradualmente termina perjudicando al rendimiento mecánico de todo el producto.

Existen numerosas posibilidades para estabilizar el PVC contra este proceso de degradación. Por ejemplo, la reacción puede ser inhibida mediante captura del cloruro de hidrógeno por aditivos básicos o bien convirtiendo el primer producto intermedio de la descomposición -reactivo alilcloruro- en substancias inocuas. A tal finalidad el fabricante de PVC dispone de gran número de aditivos de demostrada eficacia que actúan según diversos principios de funcionamiento.

Para comprobar si un aditivo estabilizado resulta idóneo para retardar la reacción de descomposición catalítica en presencia de polímeros que contienen nitritos, se llevaron a cabo algunos experimentos con mezclas (PVC+ABS) en el Centro de Plásticos de Alemania del Sur. No solamente se estudiaron los estabilizadores considerados, sino también las cantidades en que era preciso agregarlos. Se procedió a evaluar la estabilidad de cada mezcla en un flujo de hidrógeno calentado a 200°C (DIN 53381-1, ensayo B).

Incluso una ínfima cantidad del estabilizador adecuado resulta suficiente para retardar de modo eficaz la degradación térmica de las mezclas (PVC+ABS). Obviamente se trata de resultados extrapolables a las mezclas (PVC+Amsan).

En un ensayo directo, la adición de un 0,5 por ciento en peso del citado estabilizante bastó para elevar la estabilidad térmica de una mezcla de cloruro de polivinilo + copolímero _-metilestireno-acrilonitrilo (90:10 por ciento en peso: proporción total de nitrilo: alrededor de un 3 por ciento) hasta los niveles correspondientes al PVC en estado puro

Conclusiones

El presente estudio permite comprobar que los copolímeros _-metilestireno-acrilonitrilo como Luran KR 2556 pertenecientes a la gama PlasticsPlus, elaborada por la División de Plásticos Estirénicos de Basf, resultan adecuados para incrementar de manera eficaz la resistencia al calor del cloruro de polivinilo. El gradiente está situado en torno a 4°C por cada 10 por ciento en peso de Amsan agregado. Con ayuda de los aditivos correspondientes, las mezclas (PVC+Amsan) adquieren grados de resistencia a impactos y de termoestabilidad similares a los correspondientes del cloruro de polivinilo sin alterar.

De esto puede derivarse un considerable potencial para aplicaciones que hasta la fecha resultaban irrealizables o problemáticas debido a factores de coste asi como a la baja resistencia térmica inherente al PVC. Las perspectivas para estas mezclas son especialmente prometedoras en el sector de la construcción. En este campo se nos mostrarán con seguridad en el futuro soluciones verdaderamente notables.

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