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Un plastificante ( Reino Unido : plastificante ) es una sustancia que se añade a un material para hacerlo más suave y flexible, para aumentar su plasticidad , para disminuir su viscosidad y/o para disminuir la fricción durante su manipulación en la fabricación.
Los plastificantes se añaden comúnmente a los polímeros , plásticos y PVC , ya sea para facilitar el manejo de la materia prima durante la fabricación o para satisfacer las demandas de la aplicación del producto final. Los plastificantes son especialmente clave para la usabilidad del cloruro de polivinilo (PVC), el tercer plástico más utilizado. En ausencia de plastificantes, el PVC es duro y quebradizo; con plastificantes es adecuado para productos como revestimientos de vinilo , techos , pisos de vinilo , canaletas de lluvia , plomería y aislamiento/revestimiento de cables eléctricos. [1]
También se suelen añadir plastificantes a las formulaciones de hormigón para hacerlas más trabajables y fluidas para el vertido, permitiendo así reducir el contenido de agua. De manera similar, a menudo se agregan a arcillas , estuco , combustible sólido para cohetes y otras pastas antes de moldearlos y darles forma. Para estas aplicaciones, los plastificantes se superponen en gran medida con los dispersantes .
Los plastificantes para polímeros son líquidos con baja volatilidad o sólidos. Según datos de 2017, el mercado mundial total de plastificantes fue de 7,5 millones de toneladas métricas. En América del Norte, el volumen de 2017 fue de ~1,01 millones de toneladas métricas y en Europa la cifra fue de 1,35 millones de toneladas métricas, divididas entre varias aplicaciones de uso final con una tendencia de tipo químico hacia ortoftalatos de mayor peso molecular (HMW) y tipos alternativos debido a problemas regulatorios. sobre ortoftalatos de bajo peso molecular (BPM).
Casi el 90% de los plastificantes poliméricos, más comúnmente ésteres de ftalato , se utilizan en PVC , lo que proporciona a este material mayor flexibilidad y durabilidad. [2] Otros polímeros que pueden contener altas cargas de plastificantes incluyen acrilatos y plásticos de tipo celulosa , como acetato de celulosa , nitrocelulosa y acetato butirato de celulosa .
Comúnmente se pensaba que los plastificantes funcionan incrustándose entre las cadenas de polímeros , espaciándolas (aumentando el "volumen libre"), [3] [4] o hinchándolas y así reduciendo significativamente la temperatura de transición vítrea del plástico y haciendo es más suave. Posteriormente se demostró que la explicación del volumen libre no podía explicar todos los efectos de la plastificación. [5] La movilidad de una cadena polimérica es más compleja en presencia de plastificante que lo que predice la ecuación de Flory-Fox para una cadena polimérica simple.
Las moléculas de plastificante controlan la movilidad de la cadena: una cadena de polímero no muestra un aumento del volumen libre alrededor de los extremos del polímero. Si el plastificante/agua crea enlaces de hidrógeno con partes hidrófilas del polímero, el volumen libre asociado puede disminuir. [ se necesita aclaración ] [6]
El efecto de los plastificantes sobre el módulo elástico depende tanto de la temperatura como de la concentración del plastificante. Por debajo de cierta concentración, denominada concentración cruzada, un plastificante puede aumentar el módulo de un material. Sin embargo, la temperatura de transición vítrea del material disminuirá en todas las concentraciones. Además de una concentración de cruce, existe una temperatura de cruce. Por debajo de la temperatura de cruce, el plastificante también aumentará el módulo.
Durante los últimos 60 años se ha evaluado la idoneidad de más de 30.000 sustancias diferentes como plastificantes poliméricos. De ellos, sólo un pequeño número (aproximadamente 50) se encuentran actualmente en uso comercial. [7]
Los plastificantes de éster se seleccionan basándose en una evaluación de costo-rendimiento. El mezclador de caucho debe evaluar la compatibilidad, procesabilidad, permanencia y otras propiedades de desempeño de los plastificantes de éster. La amplia variedad de químicas de ésteres que se encuentran en producción incluyen sebacatos , adipatos , tereftalatos , dibenzoatos, glutaratos , ftalatos , azelatos y otras mezclas especiales. Esta amplia línea de productos proporciona una variedad de beneficios de rendimiento necesarios para las numerosas aplicaciones de elastómeros , como productos de tubos y mangueras, pisos, revestimientos de paredes, sellos y juntas, correas, alambres y cables, y rollos de impresión.
Los ésteres de polaridad baja a alta proporcionan utilidad en una amplia gama de elastómeros, incluidos nitrilo , policloropreno , EPDM , polietileno clorado y epiclorhidrina . La interacción plastificante-elastómero se rige por muchos factores, como el parámetro de solubilidad , el peso molecular y la estructura química. Los atributos de compatibilidad y rendimiento son factores clave en el desarrollo de una formulación de caucho para una aplicación particular. [8]
Los plastificantes utilizados en PVC y otros plásticos suelen estar basados en ésteres de ácidos policarboxílicos con alcoholes alifáticos lineales o ramificados de longitud de cadena moderada. Estos compuestos se seleccionan sobre la base de muchos criterios que incluyen baja toxicidad, compatibilidad con el material huésped, no volatilidad y costo. Los ésteres de ftalato de alcoholes alquílicos de cadena lineal y ramificada cumplen estas especificaciones y son plastificantes comunes. Los ésteres de ortoftalato han sido tradicionalmente los plastificantes más dominantes, pero las preocupaciones regulatorias han llevado a pasar de sustancias clasificadas a no clasificadas, lo que incluye ortoftalatos de alto peso molecular y otros plastificantes, especialmente en Europa.
Los antiplastificantes son aditivos poliméricos que tienen un efecto opuesto al de los plastificantes. Aumentan el módulo al tiempo que disminuyen la temperatura de transición vítrea.
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Se han expresado preocupaciones sustanciales sobre la seguridad de algunos plastificantes poliméricos, especialmente porque algunos ortoftalatos de bajo peso molecular se han clasificado como posibles disruptores endocrinos con cierta toxicidad para el desarrollo. [9] Los plastificantes pueden escapar de los plásticos debido a la migración y abrasión del plástico, ya que no están unidos a la matriz polimérica. El " olor a coche nuevo " a menudo se atribuye a los plastificantes o sus productos de degradación, [10] sin embargo, múltiples estudios sobre la composición del olor no encuentran ftalatos en cantidades apreciables, probablemente debido a su volatilidad y presión de vapor extremadamente bajas. [11]
Se han investigado plastificantes de base biológica, como el triacetato de glicerol (Triacetina) y el citrato de acetiltributilo . Se utilizan en aplicaciones de nicho. El aceite de soja epoxidado se utiliza ampliamente como plastificante secundario en muchas aplicaciones de vinilo.
En la tecnología del hormigón , los plastificantes y superplastificantes también se denominan reductores de agua de alto rango. Cuando se añaden a mezclas de hormigón, confieren una serie de propiedades que incluyen una mejor trabajabilidad y resistencia. La resistencia del hormigón es inversamente proporcional a la cantidad de agua añadida, es decir, la relación agua-cemento (a/c). Para producir concreto más resistente, se agrega menos agua (sin "matar de hambre" a la mezcla), lo que hace que la mezcla de concreto sea menos trabajable y difícil de mezclar, lo que requiere el uso de plastificantes, reductores de agua, superplastificantes, fluidificantes o dispersantes. [dieciséis]
Los plastificantes también se utilizan a menudo cuando se añaden cenizas puzolánicas al hormigón para mejorar su resistencia. Este método de dosificación de la mezcla es especialmente popular cuando se produce hormigón de alta resistencia y hormigón reforzado con fibras.
Generalmente es suficiente agregar entre 1 y 2 % de plastificante por unidad de peso de cemento. Agregar una cantidad excesiva de plastificante dará como resultado una segregación excesiva del concreto y no es aconsejable. Dependiendo del producto químico particular utilizado, el uso de demasiado plastificante puede provocar un efecto retardante.
Los plastificantes se fabrican habitualmente a partir de lignosulfonatos , un subproducto de la industria papelera . Los superplastificantes generalmente se han fabricado a partir de condensado de naftaleno sulfonado o melamina formaldehído sulfonado, aunque ahora se encuentran disponibles productos más nuevos basados en éteres policarboxílicos. Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonato, los superplastificantes a base de naftaleno y sulfonato de melamina dispersan las partículas de cemento floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática (ver coloide ). En los plastificantes normales, las sustancias activas se adsorben en las partículas de cemento, dándoles una carga negativa, lo que provoca una repulsión entre las partículas. Los superplastificantes de lignina , naftaleno y sulfonato de melamina son polímeros orgánicos. Las largas moléculas se envuelven alrededor de las partículas de cemento, dándoles una carga muy negativa para que se repelan entre sí.
El superplastificante de éter de policarboxilato (PCE) o simplemente policarboxilato (PC), funciona de manera diferente a los superplastificantes a base de sulfonato, proporcionando dispersión del cemento mediante estabilización estérica. Esta forma de dispersión tiene un efecto más potente y proporciona una mejor retención de la trabajabilidad de la mezcla cementosa. [17]
Se pueden agregar plastificantes a las mezclas de estuco para paneles de yeso para mejorar la trabajabilidad. Para reducir el consumo de energía al secar el panel, se agrega menos agua, lo que hace que la mezcla de yeso sea muy impracticable y difícil de mezclar, lo que requiere el uso de plastificantes, reductores de agua o dispersantes. Algunos estudios también muestran que demasiado dispersante de lignosulfonato podría provocar un efecto retardador del fraguado. Los datos mostraron que se produjeron formaciones de cristales amorfos que restaron valor a la interacción mecánica del cristal en forma de aguja en el núcleo, impidiendo un núcleo más fuerte. Los azúcares, los agentes quelantes de los lignosulfonatos, como los ácidos aldónicos , y los compuestos extractivos son los principales responsables del retraso del fraguado. Estos dispersantes reductores de agua de bajo rango se fabrican comúnmente a partir de lignosulfonatos , un subproducto de la industria del papel .
Los superplastificantes (dispersantes) de alto rango generalmente se han fabricado a partir de condensado de naftaleno sulfonado , aunque los éteres policarboxílicos representan alternativas más modernas. Ambos reductores de agua de alto rango se utilizan en 1/2 a 1/3 de los tipos de lignosulfonato. [18]
Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonato y naftalenosulfonato dispersan las partículas de yeso floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática (ver coloide ). En los plastificantes normales, las sustancias activas se adsorben en las partículas de yeso, dándoles una carga negativa, lo que provoca una repulsión entre las partículas. Los plastificantes de lignina y naftalenosulfonato son polímeros orgánicos. Las largas moléculas se envuelven alrededor de las partículas de yeso, dándoles una carga muy negativa para que se repelan entre sí. [19]
Las composiciones pirotécnicas de materiales energéticos , especialmente propulsores sólidos para cohetes y pólvoras sin humo para armas de fuego, a menudo emplean plastificantes para mejorar las propiedades físicas del aglutinante del propulsor o del propulsor en general, para proporcionar un combustible secundario e, idealmente, para mejorar el rendimiento energético específico (por ejemplo, impulso específico) . , rendimiento energético por gramo de propulsor, o índices similares) del propulsor. Un plastificante energético mejora las propiedades físicas de un material energético al mismo tiempo que aumenta su rendimiento energético específico. Generalmente se prefieren los plastificantes energéticos a los plastificantes no energéticos, especialmente para los propulsores sólidos de cohetes . Los plastificantes energéticos reducen la masa requerida de propulsor, lo que permite que un vehículo cohete transporte más carga útil o alcance velocidades más altas que las que alcanzaría de otro modo. Sin embargo, consideraciones de seguridad o costos pueden exigir el uso de plastificantes no energéticos, incluso en propulsores de cohetes. El propulsor sólido utilizado para alimentar el propulsor sólido del transbordador espacial emplea HTPB , un caucho sintético , como combustible secundario no energético.
A continuación se muestran algunos plastificantes energéticos utilizados en propulsores de cohetes y pólvoras sin humo :
Debido a los grupos de alcohol secundarios , NG y BTTN tienen una estabilidad térmica relativamente baja. TMETN, DEGDN, BDNPF y BDNPA tienen energías relativamente bajas. NG y DEGDN tienen una presión de vapor relativamente alta . [20]
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