Los plásticos de alto rendimiento son plásticos que cumplen requisitos más estrictos que los plásticos estándar o de ingeniería . Son más caros y se utilizan en menores cantidades. [1]
Los plásticos de alto rendimiento se diferencian de los plásticos estándar y de los plásticos de ingeniería principalmente por su estabilidad de temperatura , pero también por su resistencia química y propiedades mecánicas , cantidad de producción y precio .
Existen muchos sinónimos para el término plásticos de alto rendimiento, como por ejemplo: plásticos de alta temperatura, polímeros de alto rendimiento, termoplásticos de alto rendimiento o plásticos de alta tecnología. El nombre de plásticos de alta temperatura se utiliza debido a su temperatura de servicio continuo (CST), que por definición siempre es superior a 150 °C (aunque esta no es su única característica, como se puede ver arriba).
El término " polímeros " se utiliza a menudo en lugar de "plásticos" porque ambos términos se utilizan como sinónimos en el campo de la ingeniería .
Sin embargo, la diferenciación con los plásticos menos potentes ha variado con el tiempo; Si bien el nailon y el poli(tereftalato de etileno) se consideraban inicialmente plásticos potentes, ahora son comunes. [2]
La mejora de las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica es y siempre ha sido un objetivo importante en la investigación de nuevos plásticos. Desde principios de los años 60, el desarrollo de plásticos de alto rendimiento ha estado impulsado por las necesidades correspondientes en la tecnología aeroespacial y nuclear . [3] Las rutas sintéticas, por ejemplo para PPS , PES y PSU, fueron desarrolladas en la década de 1960 por Philips , ICI y Union Carbide . La entrada al mercado se produjo a principios de los años 70. En los años 70 se desarrolló la producción de PEEK (ICI), PEK (ICI) y PEI (General Electric y GE) mediante policondensación . Raychem ofrece PEK desde 1972 , pero se fabrica mediante síntesis electrófila. Dado que la síntesis electrófila tiene en general el inconveniente de una baja selectividad hacia los polímeros lineales y utiliza reactivos agresivos , el producto sólo pudo mantenerse en el mercado por poco tiempo . Por este motivo, hoy en día la mayoría de los plásticos de alto rendimiento se producen mediante procesos de policondensación. [2]
En los procesos de fabricación por policondensación es importante una alta pureza de los materiales de partida. Además, la estereoquímica desempeña un papel en la consecución de las propiedades deseadas en general. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos plásticos de alto rendimiento está estrechamente relacionado con el desarrollo y la producción económica de los monómeros que los componen . [2]
Los plásticos de alto rendimiento cumplen requisitos más altos que los plásticos estándar y de ingeniería debido a sus propiedades mecánicas más deseables, su mayor estabilidad química y/o al calor. Especialmente este último dificulta el procesamiento, requiriendo a menudo maquinaria especializada. La mayoría de los plásticos de alto rendimiento se aprovechan por una única propiedad (por ejemplo, estabilidad térmica), a diferencia de los plásticos de ingeniería que proporcionan un rendimiento moderado en una gama más amplia de propiedades. [1] Algunas de sus diversas aplicaciones incluyen: tuberías de flujo de fluidos, aisladores de cables eléctricos, arquitectura y fibra óptica. [4]
Los plásticos de alto rendimiento son relativamente caros: el precio por kilogramo puede oscilar entre 5 dólares (PA 46) y 100 dólares ( PEEK ). El valor medio es ligeramente inferior a 15 dólares estadounidenses/kg. [5] Los plásticos de alto rendimiento son, por tanto, entre 3 y 20 veces más caros que los plásticos técnicos. [2] Tampoco se puede esperar una caída significativa de los precios en el futuro, ya que los costes de inversión en equipos de producción, el largo desarrollo y los elevados costes de distribución se mantendrán constantes. [5]
Dado que los volúmenes de producción son muy limitados (20.000 t/año), los plásticos de alto rendimiento ocupan una cuota de mercado de aproximadamente el 1%. [1] [3]
Entre los polímeros de alto rendimiento, los fluoropolímeros tienen una cuota de mercado del 45 % (principales representantes: PTFE), los polímeros aromáticos que contienen azufre, una cuota de mercado del 20 % (principalmente PPS), los poliariléteres aromáticos y policetonas, una cuota de mercado del 10 % (principalmente PEEK) y los polímeros de cristal líquido. (LCP) 6%. [5] [6] Los dos mayores consumidores de plásticos de alto rendimiento son las industrias eléctrica y electrónica (41%) y la industria automotriz (24%). Todas las industrias restantes (incluida la industria química ) tienen una participación del 23%. [5]
La estabilidad térmica es una característica clave de los plásticos de alto rendimiento. También las propiedades mecánicas están estrechamente relacionadas con la estabilidad térmica.
Basándose en las propiedades de los plásticos estándar, algunas mejoras en las características mecánicas y térmicas ya se pueden lograr mediante la adición de estabilizadores o materiales de refuerzo ( fibras de vidrio y de carbono , por ejemplo) o mediante un aumento del grado de polimerización . Se pueden lograr mejoras adicionales mediante la sustitución de unidades alifáticas por aromáticas. De este modo se alcanzan temperaturas de funcionamiento de hasta 130 °C. Los termoestables (que no pertenecen a los plásticos de alto rendimiento, ver arriba) tienen una estabilidad de temperatura similar hasta 150 °C. Se puede alcanzar una temperatura de servicio aún más alta uniendo compuestos aromáticos (p. ej. fenilo ) con oxígeno (como grupo difenil éter, p. ej. PEEK), azufre (como grupos difenilsulfona en PES o grupo difenilo, por ejemplo en PPS) o nitrógeno ( grupo imida en PEI o PAI ). Las temperaturas de funcionamiento resultantes pueden oscilar entre 200 °C en el caso de PES y 260 °C en el caso de PEI o PAI. [7]
El aumento de la estabilidad térmica al incorporar unidades aromáticas se debe al hecho de que la estabilidad térmica de un polímero está determinada por su resistencia contra la degradación térmica y su resistencia a la oxidación. La degradación térmica se produce principalmente por una escisión estadística de la cadena ; la despolimerización y la eliminación de compuestos de bajo peso molecular desempeñan sólo un papel menor.
La degradación termooxidativa de un polímero comienza a temperaturas más bajas que la degradación meramente térmica. Ambos tipos de degradación se producen mediante un mecanismo radical. [8] Los aromáticos ofrecen una buena protección contra ambos tipos de degradación, porque los radicales libres pueden deslocalizarse a través del sistema π del aromático y estabilizarse. De este modo aumenta considerablemente la estabilidad térmica. Un ejemplo de ello es el poli(p-fenileno) , que se compone exclusivamente de compuestos aromáticos y proporciona una gran estabilidad, incluso a temperaturas superiores a 500 °C. Por otra parte, la rigidez de las cadenas lo hace más o menos inprocesable. Para encontrar un equilibrio entre procesabilidad y estabilidad, se pueden incorporar unidades flexibles a la cadena (p. ej., O , S , C(CH 3 ) . Los aromáticos también se pueden sustituir por otras unidades bastante rígidas (p. ej. , SO 2 , CO ). Estos diferentes elementos crean la diversidad de plásticos de alto rendimiento con sus diferentes características [2] .
En la práctica, se puede obtener una resistencia máxima a la temperatura (aproximadamente 260 °C) con fluoropolímeros (polímeros en los que los átomos de hidrógeno de los hidrocarburos han sido reemplazados por átomos de flúor). [7] Entre ellos, el PTFE tiene la mayor cuota de mercado, con un 65-70%. [6] Sin embargo, los polímeros que contienen flúor no son adecuados para servir como material de construcción debido a sus malas propiedades mecánicas (baja resistencia y rigidez , fuerte fluencia bajo carga). [7]
Los plásticos de alto rendimiento se pueden dividir en polímeros amorfos y semicristalinos, como todos los polímeros. La polisulfona (PSU), la poli(etersulfona) (PES) y la polieterimida (PEI), por ejemplo, son amorfas ; Sin embargo, el poli(sulfuro de fenileno) (PPS), la polieteretercetona (PEEK) y las polietercetonas (PEK) son semicristalinos .
Los polímeros cristalinos (especialmente los reforzados con cargas) se pueden utilizar incluso por encima de su temperatura de transición vítrea . Esto se debe a que los polímeros semicristalinos tienen, además de una temperatura vítrea Tg , un punto de fusión del cristalito Tm , que suele ser mucho mayor. Por ejemplo, PEEK posee una T g de 143 °C pero se puede utilizar hasta 250 °C (temperatura de servicio continuo = 250 °C). Otra ventaja de los polímeros semicristalinos es su alta resistencia contra sustancias químicas: PEEK posee una alta resistencia contra ácidos acuosos , álcalis y disolventes orgánicos . [2]