Recocido: transformando la estructura de los polímeros

Mucho antes de que hubiera plásticos ya existía el proceso de recocido. La industria de metales, y más específicamente la industria siderúrgica, ha sabido durante mucho tiempo que llevar a cabo un proceso que expone materiales a calentamiento y enfriamiento controlados reducirá la dureza del material, aumentará la ductilidad y disminuirá los esfuerzos internos. También modifica la microestructura del material. Otros materiales metálicos como el cobre y el latón también pueden beneficiarse.

Recocido en plásticos y metales

El recocido de plásticos no forma parte de la mayoría de los procesos de fabricación. Hay excepciones. Los productos de espesor significativo, como barras sólidas, tubos de paredes gruesas y láminas, a menudo son recocidos como paso preparatorio para el mecanizado. Esto se hace para estabilizar la estructura del material y reducir el esfuerzo interno, las mismas razones por las que el proceso se lleva a cabo en materiales metálicos.

En todos los productos fabricados por un proceso de fusión, las velocidades de enfriamiento relativamente rápidas que se asocian con estos procesos introducen cierto nivel de esfuerzo interno y una desviación de un estado de equilibrio. En los casos en que esto produce un nivel de esfuerzo interno que crea problemas funcionales en uso, el recocido puede reducir el esfuerzo a niveles no alcanzables durante el procesamiento.

Impacto del recocido en polímeros amorfos

La razón para el recocido, y el efecto que tiene en el material, dependerá en gran medida del polímero que vaya a ser recocido. En polímeros amorfos el objetivo es reducir el esfuerzo interno. Las piezas que se producen en un proceso bien controlado, que presta atención adecuada a la importancia de la frecuencia de enfriamiento, pueden contener esfuerzos internos inferiores de 1,000 psi.

Pero las piezas que se enfrían rápidamente pueden mostrar esfuerzos internos dos a tres veces más altos. Cuanto mayor sea el esfuerzo interno, menos capaz será el producto de gestionar las tensiones externas sin presentar fallas. Además, las fallas en las piezas que contienen un alto grado de esfuerzo interno resultan más propensas a ser frágiles.

Incluso, si no se espera que la aplicación implique un elevado esfuerzo externo, los altos esfuerzos internos pueden aumentar la susceptibilidad al agrietamiento por esfuerzo ambiental (ESC).

Los polímeros amorfos son particularmente propensos a exhibir ESC si están expuestos a ciertos agentes químicos. Estos agentes químicos pueden ser disolventes, plastificantes, agentes de limpieza, anticorrosivos y adhesivos, y el contacto prolongado de un polímero amorfo con estos fluidos puede resultar en fallas en el ESC. En este tipo de entornos, el recocido puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso.

Objetivos del recocido en polímeros semicristalinos

En polímeros semicristalinos el propósito para el recocido es fundamentalmente diferente. Los polímeros semicristalinos se utilizan por los atributos mecánicos y térmicos que surgen de su cristalinidad.

El grado de cristalinidad controla propiedades tales como resistencia, módulo, retención de propiedades mecánicas por encima de la temperatura de transición vítrea, resistencia química, fatiga y resistencia a la fluencia, así como propiedades tribológicas.

Al igual que los esfuerzos internos en polímeros amorfos se minimizan por velocidades de enfriamiento más lentas, la cristalinidad en un polímero semicristalino se maximiza al ralentizar la velocidad a la que se enfría el material.

Pero incluso en las mejores circunstancias, las tasas de enfriamiento asociadas con el procesamiento de fusión dan como resultado una pieza que posee aproximadamente el 90 % de la cristalinidad alcanzable. En la mayoría de los casos, esto es suficiente. Pero en aquellos casos en los que no lo es, se realiza el recocido para proporcionar ese 10 % adicional.

La oportunidad de formación de cristal ocurre en una ventana de temperatura por debajo del punto de fusión del polímero y por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg).

Por consiguiente, la temperatura de recocido debe estar por encima de la Tg para lograr el resultado deseado. Las tasas óptimas de cristalización, generalmente, se obtienen cerca del punto medio entre el punto de fusión y la Tg. Como ejemplo, el nylon 66, con una Tg de 60 °C (140 °F) y un punto de fusión de 260 °C (500 °F), son recocidos más eficientemente alrededor de 160 °C (320 °F).

Recocido en materiales entrecruzados

En materiales entrecruzados, el proceso de recocido se realiza por razones similares a las que aplican para los termoplásticos semicristalinos. Así como los procesos de moldeo luchan por alcanzar el nivel más alto de cristalización posible, tampoco suelen alcanzar el nivel óptimo de entrecruzamiento.

Si bien esto puede lograrse al ampliar el tiempo de ciclo, la economía a menudo no favorece tal enfoque y es más eficiente recalentar un gran número de piezas después del moldeo. En la industria de materiales termofijos esto se conoce típicamente como poscocción y se realiza con mayor frecuencia en polímeros fenólicos y poliimidas.

Sin embargo, muchos profesionales de la industria también han encontrado beneficios en la realización de esta operación en poliésteres, epoxies y siliconas insaturadas. Para que el proceso posterior a la cocción avance eficazmente la densidad del entrecruzado del material, la temperatura del proceso de cocción debe exceder la Tg del polímero en la pieza moldeada. Como veremos en un artículo posterior, algunos termoplásticos también requieren poscocción con el fin de lograr propiedades óptimas.

Algunos elastómeros también se benefician de un proceso posterior de cocción o recocido. Al igual que con los termoplásticos semicristalinos y polímeros entrecruzados rígidos, el objetivo no es la reducción del esfuerzo interno, sino una reorganización estructural que mejore el rendimiento mecánico y térmico.

Este proceso puede ser útil en elastómeros termoplásticos como los poliuretanos, y también se ha demostrado que mejora el rendimiento en sistemas entrecruzados como el caucho de silicona. El proceso es particularmente útil para proporcionar un rendimiento óptimo en aplicaciones donde se requiere una exposición prolongada a temperaturas elevadas.

Importancia de la gestión del enfriamiento postrecocido

Con el fin de que estos procesos logren el resultado deseado, son críticas las condiciones específicas de recocido o temperatura y el tiempo de cocción posterior. En algunos de estos casos reviste igual importancia la tasa de enfriamiento después de concluido el proceso de calentamiento. Si este proceso de enfriamiento no se gestiona bien, muchas veces es la razón por la que el recocido no logra el resultado deseado. Este parámetro a menudo se pasa por alto.

En artículos posteriores de esta serie discutiremos los diferentes requisitos que se refieren a termoplásticos amorfos, termoplásticos semicristalinos, materiales entrecruzados y elastómeros. También analizaremos los límites de este proceso para lograr resultados positivos sin introducir consecuencias negativas no deseadas.