Fundamentos del polietileno: conceptos básicos

El polietileno está disponible comercialmente desde hace 80 años. Con todo ese tiempo para ganar experiencia, es de esperar que hubiéramos aprendido todo lo que hay que saber acerca de esta familia de materiales. Sin embargo, a juzgar por las conversaciones que tengo con la gente sobre la selección del PE correcto para una aplicación, la industria aún tiene mucho que aprender.

¿Qué es el polietileno?

El polietileno, a menudo conocido simplemente como plástico, es un polímero termoplástico versátil con una variedad de aplicaciones en nuestra vida diaria. A pesar de ser considerado un material 'commodity', elegir el grado correcto de polietileno no es tan sencillo como podría parecer.

Esta complejidad se debe a su disponibilidad en una amplia gama de densidades, abarcando un rango de 0.86-0.97 g/cm3, sin alterar su composición molecular. Este rango de densidades confiere al polietileno una amplia gama de propiedades, lo que contribuye a su utilización en una variedad de productos. Se estima que se producen hasta 65 millones de toneladas de este polímero en todo el mundo cada año.

La densidad suele ser una propiedad inherente. Todos los policarbonatos tienen una densidad de 1.19-1.20 g/cm3, todos los polipropilenos cubren un rango muy estrecho de 0.898-0.905 g/cm3, y la densidad de poliéster PBT es de 1.31 g/cm3. Es posible alterar la densidad de cualquier material, pero estos ajustes implican cambios en la composición. La adición de plastificantes reducirá la densidad de PVC, la mayoría de los modificadores de impacto reducirán la densidad de la resina base a la que se añaden, y los rellenos y refuerzos normalmente aumentarán la densidad de un material.

Pero el PE se puede hacer en densidades que cubren un rango de 0.86-0.97 g/cm3 sin alterar ni un poco la composición molecular. Y a través de este rango el polímero puede presentar una amplia gama de propiedades.

No siempre fue así. El polietileno, como muchos polímeros en los que hoy confiamos comercialmente, fue creado por accidente. Investigadores que experimentaban con gases a alta presión descubrieron que cuando llevaban a cabo experimentos con gas etileno, obtenían un compuesto sólido que era el resultado de la polimerización de la molécula de etileno. Se tardó unos seis años en comercializar el material, y según los estándares actuales el proceso de polimerización era rudimentario y producía una gama muy estrecha de productos.

Explorando tipos de polietileno: LDPE, HDPE, LLDPE

Hoy llamamos a estos materiales polietileno de baja densidad (LDPE), pero esta nomenclatura no existía en ese momento porque no existía algo como el polietileno de alta densidad y no se entendía que tal material podría incluso ser posible. Hemos entendido durante algún tiempo que LDPE está hecho de cadenas que contienen una cantidad significativa de ramificaciones.

Las ramificaciones largas impiden que las redes troncales de la cadena se sitúen estrechamente juntas. Esto limita la capacidad del material para cristalizar y reduce las atracciones intermoleculares que son responsables de proporcionar propiedades de soporte de carga como la resistencia y la rigidez.

El uso inicial de PE fue como aislamiento para alambre y cable, ya que la flexibilidad de LDPE era un atributo positivo. Sin embargo, si hubiéramos tenido que fabricar un producto como un recipiente de 5 galones en LDPE, llenarlo con 20-30 kg de contenido, y luego apilar los recipientes llenos de a tres o cuatro, se hubieran colapsado rápidamente. Así que es comprensible que las aplicaciones de PE fueran algo limitadas durante la década de 1940 y hasta mediados de la década de 1950.

Entran Karl Ziegler y Guilio Natta. En 1954, trabajando de forma independiente y algo competitiva, descubrieron los catalizadores que permitieron la polimerización del etileno sin las temperaturas y presiones extremas necesarias anteriormente. Más importante aún, la molécula resultante estaba en gran parte libre de las ramificaciones que caracterizaban los resultados de los procesos de alta presión.

Estas moléculas lineales podrían empaquetarse más juntas creando un conjunto muy diferente de propiedades. El polietileno de alta densidad (HDPE) era más fuerte, más rígido y más duro, consecuencias del mayor grado de cristalinidad que se derivó de la disposición más regular de las cadenas de polímeros lineales. También era menos resistente a los impactos, especialmente a temperaturas frías. Pero la mayor resistencia y rigidez del material hizo posibles productos como esos recipientes de 5 galones.

Dos investigadores de Phillips Petroleum habían descubierto un proceso similar alrededor de un año antes que Ziegler y Natta, y este sistema para polimerizar PE todavía se conoce hoy en día como el proceso Phillips. Sin embargo, el logro técnico se convirtió en objeto de largos y dispendiosos litigios que no se resolvieron hasta la década de 1980, y para entonces la designación Ziegler-Natta se había arraigado firmemente y en 1963 compartieron el Premio Nobel de Química por su descubrimiento.

Una vez que estos catalizadores de metales de transición se hicieron conocidos, el mundo del polietileno se expandió rápidamente. Se podría fabricar un amplio rango de densidades de 0.91 a 0.97 g/cm3 con una amplia gama de propiedades correspondientes.

Los avances adicionales produjeron polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) a finales de la década de 1970. Este material introdujo la ramificación de una manera más controlada de lo que era posible en el LDPE tradicional.

Procesos de producción e innovaciones técnicas

Casi en este mismo momento se estaba iniciando una nueva revolución en los catalizadores que tendría consecuencias de gran alcance para el polietileno. En 1977, Walter Kaminsky, en la Universidad de Hamburgo, demostró la utilidad de los catalizadores de metaloceno en la polimerización de PE.

Ha sido un largo y sinuoso camino de desarrollo para estos materiales, pero a finales de la década de 1990 y en las dos primeras décadas del nuevo milenio, los PE hechos con estos nuevos sistemas de catalizadores añadieron formas del material que antes eran imposibles.

El LLDPE catalizado con metaloceno es más difícil de procesar que el LLDPE Ziegler-Natta, al igual que las primeras versiones de LLDPE eran más desafiantes que el LDPE tradicional.

Pero a medida que los procesadores se pusieron al día con estos materiales, las mejoras en el rendimiento se hicieron evidentes. Las películas podrían ser derribadas sustancialmente mientras se producían estructuras con un rendimiento equivalente. Se ha mejorado la claridad, la resistencia al impacto de dardo y la resistencia al desgarro.

El mayor nivel de control sobre la polimerización que ofrecen estos catalizadores dio lugar a un nuevo conjunto de materiales de polietileno con densidades tan bajas como 0.86 g/cm3.

Los bajos niveles de cristalinidad produjeron una familia de materiales conocidos como plastómeros: materiales flexibles y resistentes que podían duplicar las propiedades de materiales como el copolímero de etilvinilacetato (EVA) a densidades mucho más bajas y con niveles mejorados de estabilidad térmica en la fusión.

Con todo este desarrollo, la tarea de seleccionar el PE adecuado para una aplicación se ha vuelto cada vez más complicada. Seleccionar el grado correcto de PE siempre ha sido más difícil que seleccionar otras resinas, precisamente debido a la inusual versatilidad del polímero.

En la mayoría de las familias de polímeros, los grados sin rellenos y sin modificar se distinguen principalmente por su peso molecular. Los grados de mayor peso molecular funcionan mejor, pero son más difíciles de procesar debido a sus mayores viscosidades de fusión. En general, el peso molecular del PE se captura en la velocidad de flujo o en la especificación del índice de fluidez.

Pero hay otra propiedad que debe tenerse en cuenta con PE al definir el rendimiento del material: la densidad. La capacidad de especificar dos propiedades en lugar de una proporciona una mayor variedad, pero también hace que sea más difícil llegar a una selección adecuada.

La persona que selecciona el material debe entender cómo cambian las propiedades en función tanto del peso molecular como de la densidad. (La distribución del peso molecular es otro factor que debe tenerse en cuenta, pero nos ocuparemos de ello más adelante).

En nuestro siguiente artículo definiremos la interacción entre el peso molecular y la densidad y luego ilustraremos la importancia de saber cómo seleccionar grados de PE basados en estos dos parámetros interrelacionados, pero, en última instancia, independientes.