Polipropileno de muy alto peso molecular
En agosto pasado publiqué en Plásticos Universales – Interempresas e Internet 'Un plástico tan fuerte como el acero, el polipropileno'. Las ventajas de su polimerización. El éxito del kevlar en chalecos antibalas impulsó la investigación de polimerizar el polipropileno y este artículo es un segundo avance sobre el tema, al substituir el solvente decalina por canola oil, aceite vegetal, con aumento de ventajas sobre el acero. Las propiedades del polipropileno de alto peso molecular son parecidas a las del PP.
En la segunda mitad del siglo pasado se creó el PP de alto peso molecular. Hay muchas modalidades registradas en un centenar de patentes de dicho período, y disponibles desde Internet. Fabricación compleja debido a los cambios de temperatura de cada paso, y que omitimos aquí, a favor de la amenidad. El lector industrial tiene acceso a las Patentes en Internet, una descripción completa, larga.
La modalidad más importante es la polimerización en cadena: las moléculas del monómero insaturado se adicionan al sitio activo de una cadena polimérica creciente, uno cada vez. El crecimiento del polímero ocurre solo en uno, o posiblemente más bordes. La adición de cada unidad de monómero regenera el sitio activo. Un tipo de polimerización es la apertura de anillo. Por encima de cierta temperatura de techo no ocurre la polimerización.
La polimerización en cadena tiene los siguientes pasos:
- Iniciación de la cadena, generalmente por medio de un iniciador, que da pie al proceso.
- Propagación de la cadena.
- Transferencia de la cadena. El sitio activo es transferido a una nueva cadena. Esto puede ocurrir con el solvente, el monómero u otro polímero.
- Terminación de la cadena. La terminación en la polimerización por radicales ocurre cuando los radicales libres se combinan, y es el final del proceso.
Luego sigue la extrusión para fabricar filamentos de polímero, muy fuertes y de alto módulo, no se alargan.
El centro activo puede ser uno de varios tipos diferentes:
- Un radical de polimerización por radicales libres. El poliestireno por ejemplo, es producido al polimerizar estireno con peróxido de benzoilo, como su iniciador radical.
- Una carbonatación en polimerización catiónica, por ej.: el caucho sintético de isobutilo.
- Una carbounión en polimerización aniónica.
- Un complejo orgánicometálico en polimerización por coordinación
La distinción entre polimerización por etapas o en cadena fue introducida por P.Flory en 1953. La polimerización en cadena o por adición son dos conceptos diferentes.
La extrusión del filamento de polímero
Se trata de retorcer los polímeros lineales de alto módulo. El primer paso es fundir el monómero en una disolución para formar el filamento macromolecular. Las moléculas orientadas al azar se reorientan en la dirección del filamento con gran aumento de fuerza del macropolímero, y a este fin se crearon patentes en la década de los 70. Pero el proceso de fabricación era lento y perjudicaba a la economía. Al disolvente se le obliga a un movimiento circular. Había que estirar el filamento a una temperatura entre el reblandecimiento y la fusión del monómero. Logrado el filamento es enfriado inmediatamente con un líquido apropiado a una temperatura inferior a la del disolvente. El filamento enfriado todavía contiene un 25% del disolvente, y hay que seguir estirándolo. Una inyección de aire termina evaporando el disolvente que continúa en el filamento.
La fuerza mecánica del filamento es aumentada en los pasos siguientes con diferentes temperaturas, todas ellas inferiores a la temperatura de fusión del filamento. Al descender la temperatura precipita el polímero en la solución, y se forma un gel. A continuación va aumentando la temperatura entre el reblandecimiento del polímero y la temperatura de fusión, el filamento es alargado. El alargado con algo de disolvente permite aumentar la dureza del filamento ante un esfuerzo, con un rendimiento superior a la extrusión por via seca. El filamento está compuesto de partes cristalizadas y otras partes amorfas.
El disolvente del filamento con decalina substituido con éxito por Canola Oil. Más ventajas. El filamento es de baja densidad.
La empresa Dyneema usó como disolvente del filamento de polipropileno la decalina, un alcano bicíclico, también llamado decahidroftaleno, con aumento de las propiedades energéticas del filamento de PP, dos veces más fuerte que el acero común. La fibra que lograron tenia 10% de PP y 90% de decalina, por volumen. Por cada kg de fibra tenían que recuperar 9 kg de decalina.
Lo último en mejoras ha sido la investigación de la Universidad de Zurich, (Paul Smith y Theo Terwoort) de substituir el disolvente de decalina por un aceite vegetal, canola oil, con aumento de fuerza del 100% Ese trabajo se pubicó en Macromolecules 2015. El filamento se ha podido alargar hasta 20, y su fuerza en el eje es de 1,5 GPa.
El filamento contiene 25% de pp y 75% de aceite vegetal triglicérido. Es una fibra de alto módulo no elástica. Canola oil es una semilla de la familia Brassica, con poca grasa supersaturada y alto contenido de grasas poliinsaturadas. Se usa para fabricar el biodiesel. Es una fibra comestible, una verdura de densidad 0,92 g/ml. Reduce el colesterol y la lipoproteína de baja densidad. En la fabricación del aceite se aplasta la semilla de canola oil, y con ella se obtiene 43% de aceite, y los costes de producción del filamento PP han disminuido 50%. El resto de la semilla es proteína, carne para el ganado vacuno. Es el mayor descubrimiento en fibras durante los últimos 50 años, según Alan English, de DuPont.
En el comercio de aceites hay pocas diferencias entre canola oil y el aceite de colza. Canola oil crece en el Canadá oriental.
