Los plásticos de alto rendimiento son aquellos que cumplen requisitos más exigentes que los plásticos estándar o de ingeniería . Son más caros y se utilizan en cantidades más pequeñas. [1]
Los plásticos de alto rendimiento se diferencian de los plásticos estándar y de los plásticos de ingeniería principalmente por su estabilidad térmica , 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 siempre es superior a 150 °C por definición (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 plásticos menos potentes ha variado con el tiempo: mientras que el nailon y el tereftalato de polietileno se consideraban inicialmente plásticos potentes, ahora son materiales comunes. [2]
La mejora de las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica ha sido y es un objetivo importante en la investigación de nuevos plásticos. Desde principios de los años 60, el desarrollo de plásticos de alto rendimiento ha sido 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 los años 60 por Philips , ICI y Union Carbide . La entrada al mercado tuvo lugar a principios de los años 70. Una producción de PEEK (ICI), PEK (ICI) y PEI (General Electric y GE) mediante policondensación se desarrolló en los años 70. El PEK fue ofrecido desde 1972 por Raychem , sin embargo, fabricado mediante una síntesis electrofílica. Dado que la síntesis electrofílica en general tiene la desventaja de una baja selectividad para polímeros lineales y utiliza reactivos agresivos , el producto podría permanecer solo un corto tiempo en el mercado . Por esta razón, la mayoría de los plásticos de alto rendimiento se producen actualmente mediante procesos de policondensación. [2]
En los procesos de fabricación por policondensación es importante que los materiales de partida tengan una elevada pureza. Además, la estereoquímica desempeña un papel importante a la hora de conseguir las propiedades deseadas en general. Por tanto, el desarrollo de nuevos plásticos de alto rendimiento está estrechamente vinculado al desarrollo y la producción económica de los monómeros que los componen . [2]
Los plásticos de alto rendimiento cumplen requisitos más exigentes que los plásticos estándar y de ingeniería debido a sus propiedades mecánicas más deseables, una mayor estabilidad química y/o una mayor estabilidad térmica. Especialmente esto último hace que el procesamiento sea difícil, requiriendo a menudo maquinaria especializada. La mayoría de los plásticos de alto rendimiento se explotan por una sola propiedad (por ejemplo, la estabilidad térmica), en contraste con los plásticos de ingeniería que ofrecen un rendimiento moderado en una gama más amplia de propiedades. [1] Algunas de sus diversas aplicaciones incluyen: tubos 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 estar entre 5 dólares (PA 46) y 100 dólares ( PEEK ). El valor medio es ligeramente inferior a 15 dólares estadounidenses/kg. [5] Por tanto, los plásticos de alto rendimiento son aproximadamente entre 3 y 20 veces más caros que los plásticos de ingeniería. [2] Tampoco se puede esperar una reducción significativa de los precios en el futuro, ya que los costes de inversión en equipos de producción, el desarrollo que requiere mucho tiempo y los altos costes de distribución se mantendrán constantes. [5]
Dado que los volúmenes de producción son muy limitados, a 20.000 t/año, los plásticos de alto rendimiento tienen una cuota de mercado de apenas el 1 %. [1] [3]
Entre los polímeros de alto rendimiento, los fluoropolímeros tienen una participación de mercado del 45% (representantes principales: PTFE), los polímeros aromáticos que contienen azufre tienen una participación de mercado del 20% (principalmente PPS), los poliariléteres aromáticos y policetonas tienen una participación 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. Las propiedades mecánicas también están estrechamente relacionadas con la estabilidad térmica.
Basándose en las propiedades de los plásticos estándar, ya se pueden lograr algunas mejoras de las características mecánicas y térmicas mediante la adición de estabilizadores o materiales de refuerzo ( fibras de vidrio y carbono , por ejemplo) o mediante un aumento del grado de polimerización . Se pueden lograr mejoras adicionales mediante la sustitución de unidades alifáticas por unidades aromáticas. De esta manera se alcanzan temperaturas de funcionamiento de hasta 130 °C. Los termoestables (que no pertenecen a los plásticos de alto rendimiento, véase más arriba) tienen una estabilidad de temperatura similar con hasta 150 °C. Se puede alcanzar una temperatura de servicio aún más alta mediante la unión de aromáticos (p. ej. fenilo ) con oxígeno (como grupo de éter de difenilo, p. ej. PEEK), azufre (como grupos de sulfona de difenilo en PES o grupo difenilo, por ejemplo en PPS) o nitrógeno ( grupo imida en PEI o PAI ). Las temperaturas de funcionamiento resultantes pueden estar entre 200 °C en el caso de PES a 260 °C en el caso de PEI o PAI. [7]
El aumento de la estabilidad térmica mediante la incorporación de unidades aromáticas se debe al hecho de que la estabilidad térmica de un polímero está determinada por su resistencia a 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 a través de 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 esta manera, la estabilidad térmica aumenta considerablemente. El poli(p-fenileno) puede servir como ejemplo, consiste exclusivamente en aromáticos y proporciona una estabilidad extrema, incluso a temperaturas superiores a 500 °C. Por otro lado, la rigidez de las cadenas lo hace más o menos inprocesable. Para encontrar un equilibrio entre procesabilidad y estabilidad, se pueden incorporar unidades flexibles en la cadena (por ejemplo, O , S , C(CH 3 ) ) . Los aromáticos también se pueden sustituir por otras unidades más bien rígidas (por ejemplo, SO 2 , CO ). Al mezclar estos diferentes elementos, se crea 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 participación 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, al igual que todos los polímeros. La polisulfona (PSU), la poli(etersulfona) (PES) y la polieterimida (PEI), por ejemplo, son amorfos ; el poli(sulfuro de fenileno) (PPS), la polieteretercetona (PEEK) y las polietercetonas (PEK), en cambio, son semicristalinos .
Los polímeros cristalinos (especialmente los reforzados con cargas) pueden utilizarse incluso por encima de su temperatura de transición vítrea . Esto se debe a que los polímeros semicristalinos tienen, además de una temperatura vítrea T g , un punto de fusión de los cristalitos T m , que suele ser mucho más alto. Por ejemplo, el PEEK posee una T g de 143 °C pero sigue siendo utilizable hasta 250 °C (temperatura de servicio continuo = 250 °C). Otra ventaja de los polímeros semicristalinos es su alta resistencia a las sustancias químicas: el PEEK posee una alta resistencia a los ácidos acuosos , los álcalis y los disolventes orgánicos . [2]