lunes, 28 de abril de 2008
Poliestireno Expandido
El poliestireno expandido es un material plástico espumado, derivado del poliestireno y utilizado en el sector del envase. En los países hispanoparlantes se le conoce coloquialmente por varios nombres, algunos de ellos derivados del nombre de su fabricante:
- Argentina: Telgopor, marca comercial de la empresa Hulitego, y probablemente abreviatura de "tela gomosa porosa"; corcho blanco. Otra denominación, aunque incorrecta, es tergopol.
- España: porespan, porexpan, poliexpan o corcho blanco.
- Costa Rica: Estereofón, probablemente derivado del nombre comercial en inglés "Styrofoam", registrado por la Dow Chemical.
- Perú: Tecnopor.
- Bolivia: Plastoformo.
- Chile: Generalmente se le dice Plumavit; aun que en ciertos lugares (especialmente en el area de la construcción) se le dice Aislapol, ya que esta, es la fabricante de poliestireno mas antiguo de Chile.
- Colombia: Icopor, por su fabricante, Industria Colombiana de Porosos.
- México: Unicel o hielo seco.
- Uruguay: Espuma plast.
- Ecuador: Espuma-flex.
- Venezuela: Anime.
Proceso de producción
La fabricación del material se realiza partiendo de compuestos de poliestireno en forma de perlitas que contienen un agente expansor (habitualmente pentano). Después de una pre-expansión, las perlitas se mantienen en silos de reposo y posteriormente son conducidas hacia máquinas de moldeo. Dentro de dichas máquinas se aplica energía térmica para que el agente expansor que contienen las perlitas se caliente y éstas aumenten su volumen, a la vez que el polímero se plastifica. Durante dicho proceso, el material se adapta a la forma de los moldes que lo contienen.
En construcción lo habitual es comercializarlo en planchas de distintos grosores y densidades. También es habitual el uso de bovedillas de poliestireno expandido para la realización de forjados con mayor grado de aislamiento térmico.
Impacto medioambiental
Producción
Para hacer poliestireno se usan recursos naturales no renovables, ya que es un plástico derivado del petróleo. En lo que respecta al proceso de producción y su huella ecológica, habitualmente al fabricar este material se usan productos químicos que liberan gases que contribuyen al agrandamiento del agujero de ozono.[1]
Uso y fin de vida
Este material no es biodegradable.[1] En 1.000 años podría encontrarse un vaso de este material intacto, mientras que en ese período uno de polipropileno se habría biodegradado. La naturaleza sólo puede dividir su estructura en moléculas mínimas, pero no biodegradarlo.[2] Algunos poliestirenos vienen con el símbolo triangular de reciclaje, aunque solamente serán descartados, incinerados o vertidos, ya que no admiten nigún tipo de reciclado.[3] [4]
Unas 100 ciudades de Estados Unidos han prohibido el uso de vasos desechables de poliestireno expandido, entre ellas Portland, Berkeley y Oakland.[2] Algunos fabricantes han prohibido unilateralmente el poliestireno en sus embalajes, como el fabricante de consolas Nintendo.[5]
Por otro lado, el poliestireno expandido constituye un peligro para los animales anfibios o acuáticos. Al flotar en el agua, estos pueden ingerirlo al confundirlo con algún tipo de alimento natural (alga, insecto, etc.). Este material luego puede hacerlos ganar flotabilidad impidiendo que vuelvan a sumergirse hasta su hábitat natural, o se les atraganta impidiéndoles comer, por lo que pueden terminar muriendo de hambre o siendo presa de otros depredadores.[1]
Poliestireno y salud
Algunos estudios demuestran que el poliestireno afecta a la salud reproductiva de animales de laboratorio.[6] Según
Proceso De Producciòn
El proceso más utilizado en la actualidad para el poliestireno se basa en la polimerización radical en masa.[2] "Radical" significa que la reacción es iniciada por radicales libres, generados bien térmicamente bien mediante moléculas específicas denominadas iniciadores. "En masa" significa que el medio de reacción está formado esencialmente por estireno y poliestireno, añadiéndose a veces otro hidrocarburo inerte perfectamente miscible con el estireno, a menudo etilbenceno, que sirve para moderar la velocidad de reacción. Las líneas basadas en procesos en emulsión y en solución han quedado anticuadas hoy día, siendo reservadas a la producción de grados de especialidad.[2]
Existen numerosas licencias de proceso de estireno disponibles en el mercado. Se diferencian en detalles tecnológicos que tratan de mejorar tanto la calidad del producto como la productividad del proceso pero en esencia el fondo del proceso es el mismo para todas.
Proceso del poliestireno cristal
- Acondicionamiento de las materias primas. Al no estar basado en catalizadores, el proceso del poliestireno puede aceptar concentraciones altas de impurezas en las materias primas, por lo que prácticamente no se realiza purificación de las mismas. Algunas plantas hacen pasar el estireno por un lecho de alúmina para retirar el inhibidor de polimerización.
- Reacción. El estireno polimeriza espontáneamente, más rápido cuanto más alta sea la temperatura. Los reactores son en esencia recipientes en los que se fija una temperatura (típicamente entre 100 y
- Desvolatilización. La conversión en los reactores oscila, según el proceso concreto de que se trate, entre un 60 y un 90%. El estireno no convertido y el etilbenceno son separados del poliestireno en la sección de desvolatilización y recirculados a la alimentación. Aunque los diseños varían según las licencias, la desvolatilización consiste generalmente de uno o varios recipientes vacíos (llamados desvolatilizadores) en los que se aplica alta temperatura y vacío extremo a fin de dejar menos del 0,1% de hidrocarburos residuales en el producto. No obstante, la temperatura no debe superar cierto valor (entre 250 y
- algunas plantas se procede a una purificación del reciclo, bien por destilación en vacío, bien mediante lechos de alúmina. En otras plantas simplemente se purga una parte del reciclo, lo cual permite mantener la concentración de impurezas en el proceso bajo control.
- Granulación. En el proceso más frecuente, el poliestireno fundido que sale del desvolatilizador pasa por una hilera de agujeros, formando hilos de pocos milímetros de espesor que son enfriados en un baño de agua, secados y cortados en forma de pequeños cilindros a los que se denomina granza. En otro proceso los hilos se cortan antes de secarlos, con la ventaja de generar menos polvo. Por último, en una pequeña minoría de plantas el cortador está situado directamente dentro del baño de agua, en una configuración idéntica a la utilizada para las poliolefinas por ejemplo.
- Expedición. El poliestireno es o bien enviado a silos para ser vendido a granel o bien ensacado y embalado en palés de una tonelada.
Particularidades del proceso del poliestireno choque
El poliestireno choque se produce según un proceso muy similar al del poliestireno cristal, por lo que a continuación sólo se enumeran las diferencias.
La diferencia más obvia es que hay que disolver el caucho (normalmente polibutadieno aunque en ocasiones se utiliza estireno-butadieno) en el estireno antes de alimentarlo a los reactores. Para ello se emplean grandes tanques agitados.
Los reactores pueden tener la misma geometría que los del poliestireno cristal pero su control es mucho más delicado porque los parámetros de la reacción influyen en la morfología de las partículas de polibutadieno (cantidad de partículas, tamaño, forma), lo cual tiene un gran efecto sobre las propiedades mecánicas del producto final.
Por último, la temperatura de desvolatilización también debe ser controlada de forma más fina porque de ella depende la reticulación del polibutadieno, que no debe ser ni excesiva ni insuficiente.
Aplicaciones
Las ventajas principales del poliestireno son su facilidad de uso y su coste relativamente bajo. Sus principales desventajas son su baja resistencia a la alta temperatura (se deforma a menos de
- El poliestireno choque se utiliza principalmente en la fabricación de objetos mediante moldeo por inyección. Algunos ejemplos: carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos, maquinillas de afeitar desechables, juguetes. Según las aplicaciones se le pueden añadir aditivos como por ejemplo sustancias ignífugas o colorantes.
- El poliestireno cristal se utiliza también en moldeo por inyección allí donde la transparencia y el bajo coste son importantes. Ejemplos: cajas de CD, perchas, cajas para huevos. Otra aplicación muy importante es en la producción de espumas rígidas, denominadas a veces "poliestireno extruido" o XPS, a no confundir con el poliestireno expandido EPS. Estas espumas XPS se utilizan por ejemplo para las bandejas de carne de los supermercados, así como en la construcción.
- En Europa, la mayor aplicación del poliestireno es la elaboración de envases desechables mediante extrusión-termoformado. En estos casos se suele utilizar una mezcla de choque y de cristal, en proporción variable según se desee privilegiar la resistencia mecánica o la transparencia. Un mercado de especial importancia es el de los envases de productos lácteos, que aprovechan una propiedad casi exclusiva del poliestireno: su secabilidad. Es esto lo que permite separar un yogur de otro con un simple movimiento de la mano.
- La forma expandida (poliestireno expandido) se utiliza como aislante térmico y acústico y es ampliamente conocido bajo diversas marcas comerciales (Poliexpan, Telgopor, Emmedue, etc.).
- Por sus propiedades, también se emplea en diversos casos en la indumentaria deportiva, por ejemplo, por tener la propiedad de flotar en agua, se usa en la fabricación de chalecos salvavidas y otros artículos para los deportes acuáticos; o por sus propiedades ligeras y amortiguadoras, se usa en la fabricación de cascos de ciclismo.
- Este material también se utiliza como aglutinante en ciertos explosivos como el RDXNapalm (por ejemplo en el MK77).
Propiedades
Se describen las propiedades del PS choque y el PS cristal. Para el EPS, véase el artículo principal Poliestireno expandido.
Propiedades mecánicas
| Propiedad | PS cristal | PS choque | Comentarios |
| Módulo elástico en tracción(GPa) | | | |
| Alargamiento de rotura en tracción (%) | | | El PS cristal no es nada dúctil |
| Carga de rotura en tracción (MPa) | | | |
| Módulo de flexión (GPa) | | | El PS choque es mucho más flexible que el cristal y similar al ABS |
| Resistencia al impacto Charpy (kJ/m2) | 2 | | El PS cristal es el menos resistente de todos los termoplásticos; el PS choque es intermedio |
| Dureza Shore D | | | El PS cristal es bastante duro, similar al policarbonato. El PS choque es similar al polipropileno. |
Propiedades térmicas
Estructura del poliestireno vista al microscopio.
El poliestireno "compacto" (sin inyección de gas en su interior) presenta la conductividad térmica más baja de todos los termoplásticos.[4] Las espumas rígidas de poliestireno XPS presentan valores aun más bajos de conductividad, incluso menores de 0,03 W K-1 m-1, por lo que se suele utilizar como aislante térmico.
Sin embargo, tiene relativamente poca resistencia a la temperatura, ya que reblandece entre 85 y
Véase también: Aislante térmico de poliestireno
Propiedades ópticas
Mientras que el PS choque es completamente opaco, el PS cristal es transparente. Tiene un índice de refracción en torno a 1,57, similar al del policarbonato y el PVC.
Las mezclas de PS choque y cristal son más translúcidas pero también más frágiles cuanto más PS cristal contienen. Es posible encontrar un compromiso entre ambas propiedades de forma que los objetos fabricados, por ejemplo vasos desechables, sean transparentes a la vez que aceptablemente resistentes.
Propiedades eléctricas
El poliestireno tiene muy baja conductividad eléctrica (típicamente de 10-16 S m-1), es decir, es un aislante. Por sus propiedades suele usarse en las instalaciones de alta frecuencia[6
Quimica Del Poliestireno
El estireno puede polimerizar por cuatro mecanismos diferentes:
- Por radicales libres. Los radicales de estireno se forman espontáneamente, a mayor velocidad cuanto mayor sea la temperatura. Por ello el estireno es almacenado en tanques refrigerados y estabilizado con inhibidores, que consumen los radicales libres. La velocidad de reacción se vuelve significativa a partir de una temperatura superior a los
- Polimerización aniónica
- Polimerización catiónica
- Sobre catalizador
Mediante el uso de catalizadores de Ziegler-Natta o de tipo metaloceno se puede controlar de forma precisa la tacticidad del polímero formado. El poliestireno sindiotáctico se produce industrialmente de este modo.
En todos los casos la polimerización del estireno genera la misma cantidad de calor: 165 cal g-1.[2]
Inversión de fases
En la producción de poliestireno choque, el medio de reacción consiste inicialmente sólo en una fase, una solución de polibutadieno en estireno ("fase PB"). A medida que el estireno va reaccionando, el poliestireno generado empieza a precipitar (a partir de 2% de conversión) y forma así una fase distinta, la "fase PS", que consiste en partículas de poliestireno dispersas en la fase PB. Las partículas de poliestireno van creciendo y siendo cada vez más numerosas hasta que, en cierto momento, ocupan un volumen igual al de la fase PB. A partir de entonces la disposición de las fases se invierte: la fase PS se convierte en el medio continuo y la fase PB pasa a formar partículas en el seno de la fase PS. A este fenómeno se le denomina inversión de fases.
La inversión de fases no es un fenómeno puntual ni instantáneo sino que se desarrolla sobre un intervalo de conversión relativamente amplio. El valor de este intervalo depende de varios parámetros, principalmente el porcentaje de caucho y el grado de injerto. En todo caso, es necesario un cierto grado de agitación en el reactor para que ocurra la inversión de fases; en caso de no hacerse de esta forma, el producto obtenido aparece como una mezcla informe de poliestireno y polibutadieno, sin distinción clara entre las dos fases.
Durante la inversión de fases la viscosidad de la mezcla aumenta de forma notable. Esto permite que sea detectada en laboratorio.
Poliestireno Choque
Para mejorar la resistencia mecánica del material, se puede añadir en la polimerización hasta un 14% de caucho (casi siempre polibutadieno). El producto resultante se llama poliestireno choque o poliestireno de alto impacto (HIPS, siglas en inglés). Es más fuerte, no quebradizo y capaz de soportar impactos más violentos sin romperse. Su inconveniente principal es su opacidad, si bien algunos fabricantes venden grados especiales de poliestireno choque translúcido
Estructura del Poliestireno ChoqueTipo de caucho
Partículas de caucho
Injerto
Reticulación
Estructura del Poliestireno Choque
El poliestireno choque o poliestireno de alto impacto (high-impact polystyrene o HIPS, en inglés) consiste en una matriz de poliestireno cristal en la cual están dispersas partículas microscópicas de caucho, casi siempre polibutadieno.
Tipo de caucho
En la gran mayoría de los casos el caucho utilizado es el polibutadieno, en concreto grados fabricados con catalizadores de cobalto ("alto-cis") o litio ("bajo-cis"). El peso molecular del polibutadieno utilizado suele estar comprendido entre 180.000 y
En algunas aplicaciones muy minoritarias se utiliza un elastómero consistente en un dibloque estireno-butadieno. Debido a su mayor afinidad por el poliestireno (y por tanto menor tensión superficial), este polímero forma partículas de menor tamaño que las de polibutadieno.
No es posible utilizar caucho estireno-butadieno (SBR) para la modificación de poliestireno porque en este caso no se forman partículas sino una mezcla informe de los dos polímeros que no presenta propiedades mecánicas de interés.
Partículas de caucho
En la mayoría de los poliestirenos comerciales la fase elastomérica se presenta en forma de partículas con una estructura llamada "tipo salami": una partícula más o menos esférica de polibutadieno que tiene a su vez en su interior partículas de poliestireno de diferentes tamaños, a las que se denomina "oclusiones".
En algunos casos se observan partículas con morfología "core-shell" (que podría traducirse como "núcleo-envoltura"), en las que el caucho forma sólo una delgada membrana alrededor de una única oclusión de poliestireno, normalmente de pequeño tamaño (inferior a una micra de diámetro).
Para tener un poliestireno de alto impacto con buena resistencia mecánica hacen falta partículas tipo salami con un tamaño comprendido entre 1 y 6 micrómetros. Cuando el tamaño es inferior a una micra el producto se vuelve casi tan frágil como el poliestireno cristal, si bien la transparencia aumenta, lo cual puede ser interesante en algunas aplicaciones. El tamaño de las partículas depende esencialmente de tres factores:
- el cizallamiento durante la inversión de fases
- la relación de viscosidades entre el polibutadieno y la matriz de poliestireno
- la cantidad de poliestireno injertado
Se ha comprobado que una distribución bimodal de tamaños de partícula aumenta la resistencia al impacto del material. Existen diversos métodos químicos y físicos para conseguir o al menos aproximarse a la bimodalidad, siendo el más habitual el emplear dos polibutadienos de viscosidad diferente.
Al cociente entre el volumen ocupado por las partículas de polibutadieno (incluyendo las oclusiones) y el volumen total del poliestireno se le denomina "fracción en volumen de la fase elastomérica" (RPVF, siglas en inglés). En líneas generales, cuanto mayor es
Injerto
Durante la polimerización del estireno, a veces ocurre que un radical libre ataca uno de los dobles enlaces de las moléculas de polibutadieno, formando así una molécula de poliestireno unida químicamente a una de polibutadieno. Se dice entonces que el poliestireno está "injertado" en el polibutadieno.
El injerto mejora las propiedades del poliestireno de alto impacto por dos motivos. Por un lado facilita la transmisión de energía entre las fases polibutadieno y poliestireno. Por otro, actúa como un emulsionante, estabilizando la dispersión de partículas de caucho en la matriz de poliestireno. Los productores de poliestireno de alto impacto tratan de adaptar su proceso para maximizar el injerto, a fin de obtener la mejor relación posible entre propiedades mecánicas del producto y cantidad de caucho utilizado.
Reticulación
Los dobles enlaces del polibutadieno también pueden reaccionar entre sí, formando puentes entre las moléculas. A esto se le denomina "reticulación" de la fase elastomérica. La reticulación es más intensa cuanto más tiempo pasa el polibutadieno a alta temperatura. En el proceso de producción del poliestireno choque ocurre sobre todo en la sección de desvolatilización.
Cierto nivel de reticulación es necesario para que el caucho sea elástico pero, si la reticulación llega demasiado lejos, el caucho se vuelve rígido y por tanto el poliestireno pierde parte de su resistencia mecánica.
Poliestireno Cristal
El producto de la polimerización del estireno puro se denomina poliestireno cristal o Poliestireno de uso general (GPPS, siglas en inglés). Es un sólido transparente, duro y frágil. Es vítreo por debajo de
Estructura del poliestireno cristal
Las unidades repetitivas de estireno conforman el polímero
El peso molecular promedio del poliestireno comercial varía entre 100.000 y 400.000 g mol-1. Cuanto menor es el peso molecular, mayor es la fluidez y por tanto la facilidad de uso del material pero menor es su resistencia mecánica.
Para conseguir un poliestireno a la vez fluido y resistente se puede acudir a distribuciones bimodales de pesos moleculares, un activo campo de investigación en el poliestireno.
Ramificación
Las moléculas de poliestireno formadas en los procesos industriales actuales son muy lineales. En laboratorio es posible generar ramificación añadiendo al reactor sustancias como el divinilbenceno o peróxidos tetrafuncionales pero el poliestireno así obtenido es más caro y apenas presenta ventajas frente a sus equivalentes lineales.
Tacticidad
El poliestireno cristal es completamente atáctico, es decir, los grupos fenilo se distribuyen a uno u otro lado de la cadena central, sin ningún orden particular. Por ello se trata de un polímero completamente amorfo (es decir, no cristalino)
lunes, 14 de abril de 2008
El Poliestireno
El poliestireno (PS) es un polímero termoplástico que se obtiene de la polimerización del estireno. Existen tres tipos principales: el PS cristal, que es transparente, rígido y quebradizo; el PS choque, resistente y opaco, y el PS expandido, muy ligero. Las aplicaciones principales del PS choque y el PS cristal son la fabricación de envases mediante extrusión-termoformado y de objetos diversos mediante moldeo por inyección. La forma expandida se emplea principalmente como aislante térmico en construcción.
La primera producción industrial de poliestireno cristal fue realizada por BASF en Alemania en 1930. El PS expandido y el PS choque fueron inventados en las décadas siguientes. Desde entonces los procesos de producción han sido mejorados sustancialmente y el poliestireno se ha convertido en una industria sólidamente establecida. Con una demanda mundial de unos 13 millones de toneladas al año (dato de 2000), el poliestireno es hoy el cuarto plástico más consumido, por detrás del polietileno, el polipropileno y el PVC.
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