Polietileno de baja densidad

Introducción
El polietileno es probablemente el polímero que más se ve en la vida diaria. Es el plástico más popular del mundo. Éste es el polímero que hace las bolsas de almacén, los frascos de champú, los juguetes de los niños, e incluso chalecos a prueba de balas. Por ser un material tan versátil, tiene una estructura muy simple, la más simple de todos los polímeros comerciales. Una molécula del polietileno no es nada más que una cadena larga de átomos de carbono, con dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. Eso es lo que muestra esquemáticamente la figura de la parte superior de la página, pero puede representarse más fácilmente como en la figura de abajo, sólo con la cadena de átomos de carbono, de miles de átomos de longitud

En ocasiones es un poco más complicado. A veces algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno. Esto se llama polietileno ramificado, o de baja densidad, o LDPE. Cuando no hay ramificación, se llama polietileno lineal, o HDPE. El polietileno lineal es mucho más fuerte que el polietileno ramificado, pero el polietileno ramificado es más barato y más fácil de hacer.

El polietileno es un polímero vinílico, obtenido a partir del monómero etileno, llamado también eteno. Cuando polimeriza, las moléculas de etileno se unen por medio de sus dobles enlaces, formando una larga cadena de varios miles de átomos de carbono conteniendo sólo enlaces simples entre sí.

Es un sólido más o menos flexible, según el grosor, ligero y buen aislante eléctrico. Se trata de un material plástico que por sus características y bajo coste se utiliza mucho en envasado, revestimiento de cables y en la fabricación de tuberías. Los objetos fabricados con LDPE se identifican, en el sistema de identificación americano SPI (Society of the Plastics Industry), con el siguiente símbolo en la parte inferior o posterior:

Síntesis

El polietileno lineal, o HDPE, se sintetiza por medio de un procedimiento muy complicado llamado polimerización Ziegler-Natta, mientras que el polietileno ramificado, o LDPE, se hace por medio de una polimerización por radicales libres.

Todo el proceso comienza con una molécula llamada iniciador. Este puede ser por ejemplo el peróxido de benzoilo (parte inferior de la figura) o el 2,2'-azo-bis-isobutirilnitrilo (parte superior de la figura) . Lo que hace especial a estas moléculas, es que poseen la inexplicable habilidad de escindirse de un modo bastante inusual. Cuando lo hacen, el par de electrones del enlace que se rompe, se separa. Esto es extraño, dado que siempre que sea posible, los electrones tienden a estar apareados. Cuando ocurre esta escisión, nos quedamos con dos fragmentos llamados fragmentos de iniciador, provenientes de la molécula original, cada uno con un electrón desapareado. Las moléculas como éstas, con electrones desapareados reciben el nombre de radicales libres.

Sin embargo, estos electrones desapareados no se sentirán cómodos estando aislados y tratarán de aparearse. Si son capaces de encontrar CUALQUIER electrón con cual aparearse, lo harán. El doble enlace carbono-carbono de un monómero vinílico como el etileno, tiene un par electrónico susceptible de ser fácilmente atacado por un radical libre. El electrón desapareado, cuando se acerca al par de electrones, no puede resistir la tentación de robar uno de ellos para aparearse. Este nuevo par electrónico establece un nuevo enlace químico entre el fragmento de iniciador y uno de los carbonos del doble enlace de la molécula de monómero. Este electrón, sin tener dónde ir, se asocia al átomo de carbono que no está unido al fragmento de iniciador. Y usted podrá comprobar que esto nos conduce a la misma situación con la que comenzamos, ya que ahora tendremos un nuevo radical libre cuando este electrón desapareado venga a colocarse sobre ese átomo de carbono. El proceso completo, desde la ruptura de la molécula de iniciador para generar radicales hasta la reacción del radical con una molécula de monómero, recibe el nombre de etapa de iniciación de la polimerización.

 

Se crea o no, este nuevo radical reacciona con otra molécula de etileno, del mismo modo que lo hizo el fragmento de iniciador. De hecho, como usted puede apreciar, esto no nos lleva a ninguna parte en cuanto al apareamiento de los electrones, ya que cuando esta reacción toma lugar una y otra vez, siempre formamos otro radical.

El proceso de adicionar más y más moléculas de monómero a las cadenas en crecimiento, se denomina propagación.

Puesto que seguimos regenerando el radical, podemos continuar con el agregado de más y más moléculas de etileno y constituir una larga cadena del mismo. Las reacciones como éstas que se auto-perpetúan, son denominadas reacciones en cadena. Por lo tanto, mientras la cadena siga creciendo, ¿a quién le importa que haya unos pocos electrones desapareados?

 

Lamentablemente, a los electrones sí les importa. Los radicales son inestables y finalmente van a encontrar una forma de aparearse sin general un nuevo radical. Entonces nuestra pequeña reacción en cadena comenzará a detenerse. Esto sucede de varias maneras. La más simple consiste en que se encuentren dos cadenas en crecimiento. Los dos electrones desapareados se unirán para formar un par y se establecerá un nuevo enlace químico que unirá las respectivas cadenas. Esto se llama acoplamiento. El acoplamiento es una de las dos clases principales de reacciones de terminación. La terminación es la tercera y última etapa de una polimerización por crecimiento de cadena. De hecho, iniciación y propagación son las dos primeras.

Otra forma en la que nuestro par electrónico puede concluir la polimerización es por desproporción. Esta es una manera bastante complicada en la cual dos cadenas poliméricas en crecimiento resuelven el problema de sus electrones desapareados. En la desproporción, cuando los extremos de dos cadenas en crecimiento se acercan, el electrón desapareado de una de ellas hace algo extraño. En lugar de unirse al electrón desapareado de la otra cadena, busca un compañero en cualquier parte. Encuentra uno en el enlace carbono-hidrógeno del átomo de carbono vecino al otro carbono radical. De modo que nuestro electrón desapareado no sólo toma uno de los electrones de este enlace, sino también el átomo de hidrógeno. Ahora, nuestra primera cadena no tiene electrones desapareados, el carbono terminal comparte ocho electrones y todo el mundo está contento.

La que no está contenta es la cadena polimérica que pierde su átomo de hidrógeno. No sólo posee ahora un átomo de carbono con un electrón desapareado, ¡sino dos! Pero aunque parece un gran problema, en realidad no lo es tanto. Los dos carbonos radicales, siendo vecinos, pueden unir fácilmente sus electrones desapareados para formar un par y por lo tanto un enlace químico entre ambos átomos de carbono. Como éstos ya compartían un par electrónico, el segundo par creará un enlace doble en un extremo de la cadena polimérica.

A veces, el electrón desapareado en el extremo de la cadena se encuentra tan incómodo, que se aparea con un electrón de un enlace carbono-hidrógeno de otra cadena polimérica. Esto deja un electrón desapareado en el medio de la cadena que no puede formar un doble enlace terminal como el electrón del último ejemplo, pero sí puede y de hecho lo hace, reaccionar con una molécula de monómero, del mismo modo que lo hace el fragmento de iniciador. ¡Esto origina una nueva cadena creciente en la mitad de la primera cadena! Se llama transferencia de cadena al polímero y da lugar a un polímero ramificado. Esta reacción constituye un problema en el polietileno, tan grave que es imposible obtener polietileno lineal no ramificado por polimerización por radicales libres. Estas ramificaciones ejercen un notable efecto en el comportamiento del polietileno.

Propiedades

Propiedades Eléctricas
Constante Dieléctrica @1MHz	2,2 - 2,35
Factor de Disipación a 1 MHz	1 - 10 x 10-4
Resistencia Dieléctrica ( kV mm-1 )	27
Resistividad Superficial ( Ohm/sq )	1013
Resistividad de Volumen a ^C ( Ohm·cm )	1015 - 1018

Propiedades Físicas
Absorción de Agua - en 24 horas ( % )	<0,015
Densidad ( g cm-3 )	0,92
Índice Refractivo	1,51
Índice de Oxígeno Límite ( % )	17
Inflamabilidad	Si
Resistencia a los Ultra-violetas	Aceptable

  

Propiedades Mecánicas
Alargamiento a la Rotura ( % )	400
Dureza - Rockwell	D41 - 46 - Shore
Módulo de Tracción ( GPa )	0,1 - 0,3
Resistencia a la Tracción ( MPa )	5 - 25
Resistencia al Impacto Izod ( J m-1 )	>1000

  

Propiedades Térmicas
Calor Específico ( J K-1 kg-1 )	1900
Coeficiente de Expansión Térmica ( x10-6 K-1 )	100 - 200
Conductividad Térmica a 23C ( W m-1 K-1 )	0,33
Temperatura Máxima de Utilización ( ºC )	50-90
Temperatura Mínima de Utilización ( ºC )	-60
Temperatura de Deflección en Caliente - 0.45MPa ( ºC )	50
Temperatura de Deflección en Caliente - 1.8MPa ( ºC )	35

 

Resistencia Química
Ácidos - concentrados	Aceptable
Ácidos - diluidos	Buena
Álcalis	Buena
Alcoholes	Buena
Cetonas	Buena
Grasas y Aceites	Mala
Halógenos	Mala
Hidrocarburos Aromáticos	Mala

Propiedades para películas de LDPE
Alargamiento a la Rotura	%	100 - 700
Factor de Disipación @1 MHz		0,0003
Permeabilidad al Agua @25C	x10-13 cm2 s-1 Pa-1	68
Permeabilidad al CO2 @25C	x10-13 cm2 s-1 Pa-1	9,5
Permeabilidad al Hidrógeno @25C	x10-13 cm2 s-1 Pa-1	7,4
Permeabilidad al Nitrógeno @25C	x10-13 cm2 s-1 Pa-1	0,73
Permeabilidad al Oxígeno @25C	x10-13 cm2 s-1 Pa-1	2,2
Resistencia Dieléctrica (25µm grosor)	kV mm-1	200
Resistencia al Desgarro Inicial	g µm-1	1,2 - 10,3
Temperatura de Sellado en Caliente	ºC	120 - 204

Aplicaciones

Los polímeros de polietileno de baja densidad (LDPE) utilizados en la industria presentan buenas propiedades mecánicas. Se trata de polímeros con buena procesabilidad y resistencia al impacto, al rasgado y al punzonado. Sus aplicaciones más importantes son:

Bolsas y elementos para publicidad

Podemos encontrar varios tipos de bolsas fabricadas a partir de polietileno de  baja densidad.

Entre los elementos para publicidad fabricados con polietileno de baja densidad destacan:

El proceso de fabricación de las bolsas y de los elementos para publicidad es el que podemos ver en la figura adjunta. La película se empuja a través de un troquel a la salida de una extrusora de abertura anular, normalmente vertical, para formar un tubo amurallado delgado. Se introduce el aire por un agujero en el centro del troquel para explotar el tubo como un globo.

Montado encima del troquel, un anillo de aire a gran velocidad se sopla hacia la película caliente para refrescarlo. El tubo de película continúa hacia arriba mientras es refrigerado continuamente, hasta que atraviese los rodillos dónde el tubo se aplana para crear lo conocido como un 'lay-flat' de tubo de película. Este 'lay-flat' se devuelve entonces a la torre de extrusión mediante más rodillos. La película 'lay-flat' se puede guardar como a tal o dividirla para producir dos hojas de película planas y se enrollan en grandes bobinas. Si se guardó como 'lay-flat', el tubo de película es transformando en las bolsas sellando toda la anchura de la película y cortando o perforando para hacer cada bolsa. Esto o se hace en la línea con el proceso de soplado de film o en una fase más tardía. Generalmente, la proporción de la expansión entre el troquel y tubo de película soplado sería 1.5 a 4 veces el diámetro del troquel.

TUBOS, MANGUERAS Y CONDUCTOS

Las tuberías de polietileno de baja densidad están fabricadas con el adecuado porcentaje de negro de carbono que lo protege de la radiación ultravioleta. Las tuberías de uso alimentario están fabricadas según la norma UNE 53231; 53133; 53367. Los diversos diámetros y presiones nominales de trabajo le permiten adaptarse a cualquier proyecto de riego, de agua potable o residual. Encontramos tuberías que soportan entre 4 y 10 atmósferas con un diámetro de entre 20 y 50 mm.

Esquema estrusión de manguera

ELEMENTOS DIVERSOS
Entre los elementos diversos podemos encontrar piezas para juguetes, tapas para envases usados en el hogar, envases de alta resistencia usados en laboratorios químicos y biológicos, etc. El proceso de fabricación empleado es una extrusión o inyección seguida de un soplado en un molde. La máquina consiste en un cañón de extrusión normal con un tornillo acoplado para plastificar el polímero. El polímero fundido se lleva a través de un ángulo recto y a través de un troquel para surgir a través del hueco de una tubería de sección normalmente redonda. Cuando el tubo de polímero ha alcanzado una longitud suficiente un molde hueco es cerrado alrededor de él. El molde se ajusta estrechamente en su borde inferior, y de esta manera forma un sello. El tubo de polímero se corta en la parte superior mediante una cuchilla anterior al molde movido, el cual es movido a una segunda posición dónde el aire es soplado en el tubo de polímero para inflarlo a la forma del molde. Después de que un periodo de enfriamiento el molde se abre y el último artículo es evacuado. Para acelerar la producción pueden alimentarse varios moldes idénticos en ciclo por la misma unidad del extrusor. Este proceso se puede realizar de forma análoga mediante un proceso de inyección.

AISLAMIENTO PARA CABLES
Los cables encargados de la conducción de la energía eléctrica se recubren con materiales plásticos que les sirven de aislamiento eléctrico y de protección contra la corrosión y los agentes externos (humedad, temperatura, etc.). Otra ventaja de este recubrimiento es que se le puede dar cualquier color, con lo que se puede identificar rápidamente cada conductor gracias a un código de colores reconocido universalmente.

Durante el proceso de recubrimiento del conductor a gran velocidad, el plástico fundido surge de un troquel anular y es arrastrado hacia el alambre de metal por vacío, aplicado dentro del extrusora anular, o cono de fusión.

Cabezal de extrusión para recubrimiento de cables

RECUBRIMIENTO DE PELÍCULA
Las películas de LDPE se usan como recubrimiento de acequias y canales de agricultura, para el envasado automático de alimentos y productos industriales (leche, agua, plásticos, etc.) y como base para pañales desechables. En muchos casos el recubrimiento es solamente de 0,01 a 0,05 mm de grosor. Se conocen dos técnicas para realizar este recubrimiento, el método de rodillos (a), donde el recubrimiento del material del polímero se comprime contra el sustrato por medio de rodillos opuestos. En el otro método, el de bisturí (b), un borde afilado controla la cantidad de polímero fundido que se aplica sobre el sustrato. En ambos casos el material de recubrimiento se alimenta mediante un proceso de extrusión con un troquel de rendija.

Recubrimiento de película

Reciclado
El polietileno de baja densidad es un polímero termoplástico, por lo que tiene un elevado potencial de reciclado..



Fuentes:
http://www.eis.uva.es
http://www.pslc.ws
http://www.textoscientificos.com
http://www.goodfellow.com