Degradación de los plásticos durante su procesamiento y aplicación

Antes de iniciar el artículo para esta edición, les deseo a todos los lectores que nos favorecen con su tiempo y confianza, que en este año 2023 se cumplan todos sus proyectos personales y profesionales, en un ambiente de armonía y mucha salud.  

Hoy trataremos un problema que, a mi juicio, es uno de los talones de Aquiles durante el procesamiento: la degradación de los plásticos. Y antes de entrar en materia técnica, quisiera recurrir a la sabiduría de los refranes mexicanos de carácter culinario, en particular al dicho siguiente: “Olla que mucho hierve, sabor que pierde”.

Su consejo es no tardar en los pasos para la resolución de los problemas, con el propósito de encontrar su pronta solución; de lo contrario, pueden presentarse pérdidas o daños importantes. Así pues, se debe comprender de qué trata el problema y qué medidas previas tomar en cuenta durante el procesamiento de los diversos plásticos, con el fin de reducir o evitar la presencia de la degradación de los materiales.  Empezaremos por definir qué es la degradación:

“Es un proceso irreversible donde el polímero experimenta cambios no deseados en su estructura química, ocasionados por la acción de determinadas condiciones medioambientales, que ocurre luego de que un material ha sido puesto en servicio.”

O tal vez, de una forma más concreta: “Degradación es el deterioro de un material como consecuencia de una reacción con su entorno, especialmente con el oxígeno (oxidación)”.

Así pues, la degradación de los plásticos en condiciones de uso normal es una de las mayores condicionantes que limitan la aplicación de estos materiales. Sin excepción, todos los plásticos son degradables eventualmente, de acuerdo con las condiciones ambientales a las que son expuestos a lo largo de su ciclo de vida útil, así como del tipo de resina plástica que se trate y su resistencia al deterioro.

Por ello, es necesario conocer las etapas previas que llevan a su degradación para:

• Establecer y extender su durabilidad.
• Permitir la transformación o reciclado una vez finalizada la vida útil, evitando o reduciendo de esta manera problemas de contaminación ambiental.
  

  Los materiales plásticos pueden degradarse por cambios físicos y/o reacciones químicas.

Los materiales plásticos pueden degradarse por diversos mecanismos, que dependen tanto de la estructura o tipo de resina, así como de las condiciones de exposición. Por ello, la degradación puede deberse a cambios físicos y reacciones químicas.

Cambios físicos o agentes energéticos

Estos promueven fallas en la morfología del plástico sin llegar a ocasionar reacciones o modificaciones a escala molecular, como sería el caso del agrietamiento por estrés ambiental y la fragilización térmica. Sin embargo, pueden conducir a una falla rápida y completa. Se pueden mencionar, entre otros, la acción de la temperatura y la acción de factores mecánicos.

Reacciones o agentes químicos

Pueden ser diversos y ocurrir varias reacciones simultáneamente.

El agua, como agente químico, provoca la hidrólisis con mayor efecto en polímeros cuyos grupos funcionales presentan cierta tendencia a reaccionar con el agua, como los grupos éster, en el caso de los poliésteres (PET, PBT, etc.) y grupos amida, en el caso de poliamidas o nailon.

La presencia de ácidos o bases cataliza la hidrólisis, acelera la reacción y acorta el tiempo. Por consiguiente, la susceptibilidad de un polímero frente a la hidrólisis está influida por la contaminación ambiental.

Por otra parte, entre los principales contaminantes, que participan como agentes químicos promotores de la degradación, se puede mencionar a los óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno, que por sí solos no inducen a la degradación; sin embargo, disueltos en agua, generan compuestos ácidos que pueden catalizar la hidrólisis.

Así, el oxígeno es el agente químico más importante. Todos los materiales poliméricos reaccionan con él, especialmente a altas temperaturas, aunque su efecto se hace sentir aun a temperatura ambiente. Se promueve así la autooxidación.

El proceso de autooxidación se acompaña de reacciones de ruptura de la cadena, con lo que se reduce el peso molecular, y esta disminución se manifiesta negativamente en las propiedades útiles de los polímeros.

En una primera etapa no se observan cambios en el material pero, microscópicamente, a medida que transcurre el tiempo se produce una disminución de las propiedades del polímero hasta quedar inutilizable, en algunos casos.

Por lo antes descrito, queda claro que la degradación es un factor clave para considerar durante el procesamiento de los plásticos, ya que este fenómeno puede ocasionar una reducción en las propiedades físicas, defectos superficiales al igual que inestabilidades de proceso resultantes en variables como tiempo de inactividad de la máquina y aumento de los costos de control de calidad.

Tipos de degradación en los plásticos

Existen diferentes tipos de degradación que participan y son motivo de preocupación durante los diversos procesos para plásticos, principalmente la extrusión y el moldeo por inyección, así como a lo largo de los periodos de aplicación de los diversos productos. Se consideran como categorías principales la degradación química, la fisicoquímica y la biodegradación (este tipo, para fines de discusión del presente artículo, no será detallado).

Degradación química (degradación hidrolítica)

La degradación química es causada por la reacción entre un polímero y una sustancia química que puede ser un solvente, un ácido, una base o un gas.

Sin embargo, en este rubro destacan las reacciones de hidrólisis resultante del contacto del material con un medio acuoso.

La introducción del agua en la estructura provoca la ruptura de puentes de hidrógeno intermoleculares, hidratación de las moléculas y finalmente la hidrólisis de los enlaces inestables. La ruptura de los grupos funcionales por hidrólisis puede suceder tanto en los grupos situados en la cadena principal como en los sustituyentes laterales.

Es decir, al ponerse en contacto con agua y en presencia de alta temperatura, un polímero promoverá el rompimiento de la cadena molecular del polímero y se separará en oligómeros (cadenas más cortas) y en sus monómeros.

Degradación física / físico-química

En esta categoría se contempla la fotodegradación, la termodegradación y la degradación mecánica.

Fotodegradación

La energía de la luz ultravioleta procedente de la luz solar resulta ser mayor que la energía de unión de los enlaces moleculares carbono-carbono y carbono-hidrógeno; por lo tanto, rompen las cadenas moleculares reduciendo su peso molecular y propiedades mecánicas fragmentándose en partículas diminutas.

Todos los plásticos de uso comercial en empaques son fotodegradables por la naturaleza misma del polímero, en mayor o menor grado.

El primer paso de la fotooxidación es la absorción de la luz UV. Entre más corta sea la longitud de onda, mayor será el contenido de energía; en el intervalo de 290 μm ~ 400 μm de luz UV es mayor el efecto para romper los enlaces químicos hasta la fractura.

Termodegradación

Proceso acompañado por la ruptura de los enlaces covalentes debido al aumento de la temperatura. Tiene una velocidad de degradación más alta que la fotodegradación.

Altas temperaturas, además de propiciar una degradación térmica, aumentan las reacciones químicas y oxidativas. Sin embargo, aunque aumente la temperatura, el efecto de las fuerzas mecánicas disminuye, ya que los esfuerzos cortantes decrecen a medida que cae la viscosidad. Por ello, debe manejarse una temperatura óptima de procesamiento para cada tipo de polímero, ya que puede interactuar con diversos parámetros de proceso.

Degradación mecánica

Proceso que se desarrolla debido a todas las reacciones químicas que se presentan como consecuencia de la aplicación de una tensión al material polimérico.

Tensión mecánica asociada con la maquinaria empleada en la etapa de procesado de estos materiales, como inyectoras o extrusoras, y en la etapa de transformado (molienda, corte, etc.).

Para que ocurra degradación mecánica, la tensión debe superar un umbral crítico determinado por la energía de rotura de los enlaces.

Todo depende de si el material puede disipar esa energía en otra forma que no sea romper sus enlaces. Las variables que deben tenerse en cuenta son la temperatura, el tiempo y el torque aplicado.

Durante el procesado, los polímeros sufren reacciones de oxidación térmica que modifican su estructura debido a procesos de entrecruzamiento y de reducción del peso molecular. Esto se puede manifestar macroscópicamente de la siguiente manera:

• Cambio de color.
• Pérdida de propiedades mecánicas (rigidez, resistencia al impacto, etc.)
• Cambio en la procesabilidad en función de la viscosidad.