La importancia de la densidad en la selección de polietileno

A comienzos de 2001, los procesadores que moldeaban tanques de combustible para equipos pequeños, como cortadoras de césped, afrontaron una crisis provocada por la retirada del mercado de un grado particular de polietileno y por la falta de un material de sustitución apropiado. Fue una lección práctica sobre un principio muy importante que rige la selección del material de polietileno: la densidad sí importa.

El polietileno es el único polímero comercial que puede ser seleccionado según su densidad. Para la mayoría de los polímeros la densidad es constante; el polipropileno es 0.90 g/cm3, el policarbonato es 1.2 g/cm3, etc. La adición de un relleno como talco o vidrio aumentará la densidad; la incorporación de un modificador de impacto puede bajarla un poco; pero la densidad del polímero base no cambia.

El polietileno, sin embargo, se puede fabricar en una amplia gama de densidades que están relacionadas con el espacio entre las cadenas del polímero.

Selección de material de polietileno según la densidad

El polietileno original, que fue creado en la década del treinta, mediante la colocación de gas etileno a muy altas presiones y temperaturas era lo que hoy se llama polietileno de baja densidad (PEBD ó LDPE). No fue llamado PEBD cuando fue desarrollado, porque no había ningún otro tipo. Simplemente, polietileno. Era suave, flexible y resistente al agrietamiento por esfuerzo; un reemplazo perfecto para los materiales de caucho reticulado que entonces se utilizaban para aislamiento de cables.

A mediados de la década del cincuenta, las nuevas tecnologías de catalizadores permitieron que los químicos de polímeros controlaran la forma en que la cadena de polietileno crecía durante el proceso de polimerización. Las cadenas del polímero del polietileno de baja densidad contenían numerosas ramas de diferentes longitudes que creaban cantidades considerables de espacio vacío entre las cadenas del polímero.

Los nuevos catalizadores producían cadenas que estaban comparativamente libres de estas cadenas laterales, dando como resultado una estructura lineal que permitía a las moléculas juntarse más estrechamente.

Efecto de la tecnología de catalizadores en la densidad del polietileno

Este empaquetamiento más compacto aumenta las interacciones moleculares entre las cadenas, para dar paso a un material de mayor densidad que era perceptiblemente más fuerte, más rígido y más resistente a la fluencia. También era menos dúctil y más susceptible al agrietamiento por esfuerzo, especialmente a bajas temperaturas.

Algo interesante es que los mismos catalizadores que hicieron posible el PEAD también dieron a los químicos de polímeros un nuevo nivel de control sobre otros tipos moleculares de organización. Esto hizo que el polipropileno pasara de ser un polímero adhesivo a un polímero semicristalino con propiedades mecánicas y térmicas que eran superiores en muchos aspectos a las de polietileno.

Con un mayor control sobre la reacción de polimerización, los químicos fueron capaces de variar la densidad del polietileno en una escala esencialmente continua, desde 0.912 g/cm3 hasta 0.975 g/cm3. El sistema de clasificación creció para categorizar las diferentes familias según su densidad.

Importancia de la densidad en la selección de materiales de polietileno

Los copolímeros de baja densidad, media densidad, alta densidad y los homopolímeros de alta densidad llegaron a conocerse como tipo I, tipo II, tipo III y tipo IV, respectivamente.

A medida que los polímeros tenían un creciente impacto en diversas industrias, los ingenieros aprendieron a seleccionar materiales para diversas aplicaciones con base en el equilibrio de resistencia, rigidez y dureza que ofrecía cada clase de polietileno. Incluso, dentro de una clase de tipo determinada, había una gama significativa de densidad, que iba de 0.014 g/cm3 a 0.017 g/cm3, que separaba los materiales de mayor y menor densidad.

A comienzos de la década del ochenta, otro desarrollo de catalizadores hizo posible controlar la longitud y la frecuencia de las cadenas en la gama de baja densidad, dando lugar al polietileno lineal de baja densidad (PELBD ó LLDPE). Aunque esto mejoró un conjunto de propiedades en este rango de baja densidad, no cambió el rango de densidad disponible.

Luego, a comienzos de la década del noventa, metalocenos o catalizadores single site cambiaron todo eso. De repente era posible controlar la estructura molecular del polímero en un nivel sin precedentes. También llegó a ser posible producir materiales de polietileno con densidades inferiores a la del polipropileno, hasta 0.857 g/cm3. Estos materiales eran muy suaves y flexibles, tenían puntos de fusión muy bajos y crearon un nuevo sistema de perfiles de rendimiento para las resinas puras y para los productos que utilizan estos nuevos materiales como modificadores de impacto.

Tipos de polietileno según su densidad

Como la densidad del PE puede ser controlada y variada, debe especificarse como parte del proceso de selección de materiales. Quienes trabajan todo el tiempo con polietileno tienden a hablar en términos de dos números, que les dicen mucho sobre el material que están utilizando. Un material puede ser descrito en la jerga de la industria como un "953 7-melt".

Esto es una referencia abreviada a dos propiedades muy importantes del material: el índice de fusión o la velocidad de flujo de la masa fundida, que es un indicador relativo del peso molecular promedio del material; y la densidad, que se relaciona con una amplia gama de propiedades térmicas y mecánicas.

El 953 tiene un punto delante de él, como en 0.953 g/cm3. Se va a escuchar también un adjetivo más en la descripción resumida, el término "estrecho o amplio”. Esto se refiere a la distribución del peso molecular del material, pero de eso hablaremos en otro artículo.

El polietileno ha estado en el mundo de los plásticos comerciales por mucho tiempo y se tiende a considerar un material simple. Después de todo, es una mercancía, que se consume en el mundo a un ritmo de decenas de miles de millones de libras cada año en las aplicaciones que a menudo parecen más bien triviales. Pero considere los entresijos de la selección de un material donde las variaciones en densidad son posibles.

Un polímero de fusión 7 con una densidad de 0.953 g/cm3 es un candidato ideal para moldear cubos. Los cubos de uno, dos y cinco galones en PE han estado produciéndose durante casi 40 años. Estos representan muchos de los objetivos y complejidades del proceso de selección de materiales.

Los cubos, una vez llenados con su contenido, pueden ser apilados de modo que el cubo inferior de la pila está bajo una carga constante considerable. En la variedad de 5 galones, cada cubo puede tener 40 a 60 lb de material. La resistencia a la fluencia por lo tanto es un requisito importante. Si las condiciones de almacenamiento incluyen temperaturas elevadas, aumenta el grado de dificultad en el cumplimiento de este requisito.

Al mismo tiempo, el cubo completo puede caerse, creando una carga de impacto. La dureza y resistencia a la fluencia son objetivos contrapuestos; la mejora de uno normalmente reduce el otro.

Con el tiempo, la combinación de peso molecular y la densidad en los materiales del “cubo” ha sido optimizada para lograr el equilibrio óptimo entre estas propiedades contrapuestas. Si esta cae muy por debajo del objetivo, el material pierde resistencia y rigidez y la carga aplicada hace que la pila de cubos colapse. Si aumenta la densidad, el material se vuelve menos dúctil y los cubos llenos se agrietarán al caer.

Ventajas y desventajas de la densidad en el polietileno

En la mayoría de los polímeros, se puede mejorar el rendimiento al impacto, seleccionando un grado de material de peso molecular más alto sin olvidar el resto del perfil de propiedades.

Aquí es donde aparece la velocidad del flujo de la masa fundida, un tema que hemos debatido largamente en una serie anterior de artículos. Pero el peso molecular no puede aumentarse indefinidamente sin desafiar al procesador. En el PE, la densidad proporciona otro mecanismo para controlar las propiedades. Pero debe ser especificada correctamente.

A menudo la ventana de densidades apropiadas para una aplicación dada es muy pequeña. Y este es exactamente el problema que tuvo el fabricante de tanques de combustible. En un próximo artículo vamos a revisar el cambio aparentemente pequeño aunque crítico que se hizo a la especificación de material para este producto y las consecuencias de largo alcance para todos los involucrados.

Lea a continuación Parte 2: especificación del material.