Polipropileno

Introducción

Es un termoplástico que reúne una serie de propiedades que es difícil encontrar en otro material como son:
Su alta estabilidad térmica le permite trabajar durante mucho tiempo a una temperatura de 100°C en el aire.
También es resistente al agua hirviente pudiendo esterilizarse a temperaturas de hasta 140°C sin temor a la deformación

V E N T A J A S
· Ligero
· Alta resistencia a la tensión y a la compresión
· Excelentes propiedades dieléctricas
· Resistencia a la mayoría de los ácidos y álcalis
· Bajo coeficiente de absorción de humedad

APLICACIONES TÍPICAS
· Tanque y depósitos para químicos
· Mobiliario de laboratorio
· Placas de presión para filtros
· Componentes para bombas
· Prótesis, etc. No es tóxico
· No mancha

Estructura del Polipropileno

Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo.

Estructura química del polipropileno

El polipropileno fabricado de manera industrial es un polímero lineal, cuya espina dorsal es una cadena de hidrocarburos saturados. Cada dos átomos de carbono de esta cadena principal, se encuentra ramificado un grupo metilo (CH3). Esto permite distinguir tres formas isómeras del polipropileno:

Isotáctica

Sindiotáctica

Atáctica

Estas se diferencian por la posición de los grupos metilo-CH3 con respecto a la estructura espacial de la cadena del polímero.
Las formas isotácticas y sindiotácticas, dada su gran regularidad, tienden a adquirir en estado sólido una disposición espacial ordenada, semicristalina, que confiere al material unas propiedades físicas excepcionales. La forma atáctica, en cambio, no tiene ningún tipo de cristalinidad. Los procesos industriales más empleados están dirigidos hacia la fabricación de polipropileno isotáctico que es el que ha despertado mayor interés comercial.

Rango de productos
El rango de productos comprende homopolímeros, copolímeros bloque y copolímeros random.

Homopolímeros
Los homopolímeros son altamente isotácticos y por ende muy cristalinos. Los artículos producidos con estos materiales presentan alta rigidez, dureza y resistencia a la deformación por calor.

Copolímeros de Impacto
Los copolímeros de impacto son copolímeros en bloque de etileno-propileno que muestran una alta resistencia al impacto tanto a temperatura ambiente como a bajas temperaturas. La línea de productos ofrece una extensa gama de fluencias. El rango de resistencia al impacto se extiende desde moderada a muy alta, con materiales que poseen un alto contenido de goma y una alta resistencia al impacto a muy bajas temperaturas. En el otro extremo se encuentra el 2240P, que es un material de moderado impacto, elevada rigidez y alta resistencia a la deformación por calor.

Copolímeros Random
Los copolímeros random poseen un menor grado de cristalinidad que los homopolímeros, por lo que presentan un rango de fundido más amplio, mayor transparencia y son más resistentes al impacto a temperatura ambiente.

Obtención del Polipropileno

El polipropileno se obtiene mediante la polimerización del propileno en presencia de catalizadores alquilmetálicos:

Síntesis del polipropileno

El polipropileno es el polímero comercial de más baja densidad y facilidad de moldeo. Se utiliza en una gran cantidad de láminas, fibras y filamentos. Entre sus propiedades cabe destacar su alto punto de fusión (no funde por debajo de los 160º C), una gran rigidez, alta resistencia a la rotura y a la abrasión, propiedades dieléctricas, bajo rozamiento, superficie brillante y flotación en agua. Es resistente a los ácidos, a los álcalis y a muchos disolventes orgánicos. Se recalienta cerca de los 100º C.
El polipropileno se comercializa con distintos pesos moleculares según su finalidad. Además del polipropileno existen en el mercado una gran cantidad de copolímeros del propileno. Los más importantes son los de propileno-etileno.

Características generales

El polipropileno es uno de esos polímeros versátiles que andan a nuestro alrededor. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer cosas como envases para alimentos capaces de ser lavados en un lavaplatos. Esto es factible porque no funde por debajo de 160°C. El polietileno, un plástico más común, se recalienta a aproximadamente 100°C, lo que significa que los platos de polietileno se deformarían en el lavaplatos. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, la clase que usted encuentra siempre alrededor de las piscinas y las canchas de mini-golf. Funciona bien para alfombras al aire libre porque es sencillo hacer polipropileno de colores y porque el polipropileno, a diferencia del nylon, no absorbe el agua. Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo. El polipropileno se puede hacer a partir del monómero propileno, por polimerización Ziegler-Natta y por polimerización catalizada por metalocenos.

Polipropileno: Polímero vinílico
Los polímeros vinílicos son polímeros obtenidos a partir de monómeros vinílicos; es decir, pequeñas moléculas conteniendo dobles enlaces carbono-carbono. Constituyen una gran familia de polímeros. Veamos cómo obtenemos un polímero vinílico a partir de un monómero vinílico, usando como ejemplo el polímero vinílico más simple, el polietileno. El polietileno se obtiene 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.

Los polímeros vinílicos más sofisticados se obtienen a partir de monómeros en los cuales uno o más de los átomos de hidrógeno del etileno han sido reemplazados por otro átomo o grupo atómico. Veamos qué podemos hacer si reemplazamos uno de esos átomos de hidrógeno. Podemos obtener un gran número de plásticos comunes.

Procesos de fabricación de polipropileno
Aunque los procesos comerciales de obtención del polipropileno son variados, se les puede clasificar, dependiendo del medio de reacción y de la temperatura de operación, en tres tipos:
Procesos en solución
Procesos en suspensión
Procesos en fase gas

En la actualidad muchas de las nuevas unidades de producción incorporan procesos híbridos, en los que se combina un reactor que opera en suspensión con otro que opera en fase gas.
Los procesos en solución, prácticamente en desuso, son aquellos en los que la polimerización tiene lugar en el seno de un disolvente hidrocarbonado a una temperatura de fusión superior a la del polímero. Entre sus ventajas han contado con la fácil transición entre grados, gracias a la pequeña dimensión de los reactores empleados.
Los procesos en suspensión (slurry), están configurados para que la reacción tenga lugar en un hidrocarburo líquido, en el que el polipropileno es prácticamente insoluble, y a una temperatura inferior a la de fusión del polímero. Dentro de este tipo de procesos existen marcadas diferencias en la configuración de los reactores (de tipo bucle o autoclave) y en el tipo de diluyente utilizado, lo que afecta a las características de la operación y al rango de productos que se puede fabricar.
Los procesos en fase gas están caracterizados por la ausencia de disolvente en el reactor de polimerización. Tienen la ventaja de poderse emplear con facilidad en la producción de copolímeros con un alto contenido en etileno (en otros procesos se pueden presentar problemas al agregar altas concentraciones de etileno, puesto que se hace aumentar la solubilidad del polímero en el medio de reacción).

Destilación del Propileno
Unos de los métodos más utilizados para obtener el Propileno es la destilación a partir de G.L.P. (Gas Licuado de Petróleo) con una proporción mayoritaria de componentes livianos (Propano, Propileno, etc).

El proceso de destilación se compone de una serie de pasos que van eliminando los diferentes componentes no deseados hasta obtener propileno.
Primero, se “dulcifica” la mezcla en la Merichem en la cual de separan componentes tales como anhídrido carbónico o mercaptanos.
Luego, se separan los componentes livianos en una columna de destilación “Deetanizadora”, tales como metano, etano o nitrógeno.
Después de esto llega el paso más complejo, que es el de separar el Propileno del Propano, los cuales poseen un peso específico muy similar, por lo tanto se necesita una columna de destilación “Splitter” muy larga con gran cantidad de platos y con un sistema muy complejo de reflujo de condensado.
Para finalizar, se eliminan los últimos componentes residuales, como Arsina, y se obtiene el Propileno listo para polimerizar.

Nitrógeno	0,40%	Deetanizadora
Monóxido de carbono	5 ppm
Oxígeno	20 ppm
Metano	0,10%
Etileno	0,14%
Etano	0,85%
Propano	37,06%
Propileno	58,80%	Splitter
I-Butano	0,90%
N-Butano	0,15%
Butileno	1,51%
1-3 Butadieno	0,8%
Metil-Acetileno	0,12%
Propileno	0,12%
Anhídrido carbónico	50ppm	Merichem
Sulfhídrico	25 ppm
Mercaptanos	25 ppm
Sulfuro carbonilo	25 ppm
Arsina	1 ppm
Agua	50 ppm

Proceso Novolen

El propileno, el etileno y/o alguno de los demás comonómeros utilizados se alimentan a los reactores. Se agrega hidrógeno para controlar el peso molecular en el medio de reacción. Se eligen las condiciones de polimerización (temperatura, presión y concentración de los reactivos) dependiendo del grado que se desee producir. La reacción es exotérmica, y el enfriamiento del reactor se realiza por la transferencia de calor por la descompresión (flash) de la mezcla de los gases licuados del reactor con las corrientes de alimentación. La evaporación de los líquidos en el lecho de polimerización asegura que el intercambio de calor extremadamente eficiente.
El polvo de polipropileno se descarga desde el reactor y se separa en un tanque de descarga a presión atmosférica. El comonómero sin reaccionar se separa del polvo y se comprime, y finalmente se recicla o se retorna aguas arriba a la unidad de destilación para su recuperación.
El polímero se pone en contacto con nitrógeno en un tanque de purga para despojarlo del propileno residual. El gas de purga se recupera, el polvo se transporta a los silos de polvo, y posteriormente por extrusión se convierte en pellets, donde se incorpora una gama completa de aditivos bien dispersados.

Proceso LIPP
Es un proceso similar al Novolen. Es el adoptado por Petroken S.A. para la producción de homopolímeros.

Consiste en hacer reaccionar el propileno junto con Hidrógeno y el catalizador en un reactor. Luego de terminado este paso, se separa el polipropileno de residuos de la reacción, como monómeros, catalizador, etc., los cuales son reflujados al reactor.
Luego se suceden los mismos pasos de terminación que en el proceso Novelen.

Proceso Spheripol
Para describir con más detenimiento los procesos, hablaremos de uno de los más empleados en la actualidad: el proceso Spheripol. Diseñado como híbrido con dos reactores en serie, el primero para trabajar en suspensión y el segundo en fase gas, es un proceso versátil, que permite preparar diferentes tipos de productos con propiedades óptimas. El primer reactor es de tipo bucle (o loop), en el cual se hace circular catalizador y polímero a gran velocidad para que permanezcan en suspensión en el diluyente. El diluyente es en realidad el mismo propileno líquido que, dadas las condiciones de operación, facilita la evacuación del calor generado por la reacción al mismo tiempo que permite aumentar el rendimiento del sistema catalítico. En el segundo reactor de fase gas se incorpora ulteriormente el polímero producido en el reactor loop. En esta fase se preparan grados con características especiales añadiendo un comonómero además del monómero. Tras separar el polímero fabricado de las corrientes de propileno, y de desactivar el catalizador, el polvo de polipropileno obtenido se envía a la línea de acabado donde se añaden aditivos y se le da la forma de granza requerida para su distribución comercial.

En el campo de los procesos, los últimos desarrollos han ido dirigidos a la optimización con objeto de mejorar las propiedades de los polímeros, aumentar las capacidades de producción y reducir costes. La adecuación del proceso al sistema catalítico empleado es un parámetro fundamental con vistas a este objetivo.

Tabla de Propiedades
Es muy importante tener un conocimiento general de nuestro polímero, en lo que concierne a propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, etc...
En la siguiente tabla aparecen un compendio de propiedades que nos permiten hacernos una idea general de cómo va a ser el polímero con el que trabajamos
A continuación vamos a mostrar una tabla con las principales propiedades del polipropileno agrupadas en función de sus características:

Propiedades Eléctricas
Constante Dieléctrica @1MHz	2,2-2,6
Factor de Disipación a 1 MHz	0,0003 - 0,0005
Resistencia Dieléctrica (kV mm-1)	30-40
Resistividad Supeficial (Ohm/sq)	1013
Resistividad de Volumen a ^C (Ohmcm)	1016-1018

Propiedades Físicas
Absorción de Agua - Equilibrio (%)	0,03
Densidad (g cm-3)	0,9
Indice Refractivo	1,49
Indice de Oxígeno Límite (%)	18
Inflamabilidad	Combustible
Resistencia a los Ultra-violetas	Aceptable

Propiedades Mecánicas
Alargamiento a la Rotura (%)	150-300. para bopp >50
Coeficiente de Fricción	0,1-0,3
Dureza - Rockwell	R80-100
Módulo de Tracción (GPa)	0,9-1,5. para bopp 2,2-4,2
Resist. a la Abrasión ASTM D1044	13-16
Resistencia a la Tracción (MPa)	25-40. para bopp 130-300
Resistencia al Impacto Izod (J m-1)	20-100

Propiedades Térmicas
Calor Específico ( J K-1kg-1)	1700 - 1900
Coeficiente de Expansión Térmica ( x10-6 K-1)	100-180
Conductividad Térmica a 23C ( W m-1 K-1)	0,1-0,22
Temperatura Máxima de Utilización (ºC)	90-120
Temperatura Mínima de Utilización (ºC)	-10 a -60
Temp. de Deflexión en Caliente - 0.45MPa (ºC)	100-105
Temp. de Deflexión en Caliente - 1.8MPa (ºC)	60-65

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

Propiedades de la película de polipropileno:

Propiedad		Valor
Alargamiento a la Rotura	%	50-1000
Factor de Disipación @1 MHz		0,0003
Permeabilidad al Agua @25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	16
Permeabilidad al CO2 @25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	6 @ 30C
Permeabilidad al H2 @25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	31
Permeabilidad al N2 @25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	0,4 @ 33C
Permeabilidad al O2 @25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	1,7 @ 30C
Resistencia Dieléctrica 25µm de grosor	kV mm-1	200
Resistencia al Desgarro Inicial	g µm-1	18-27
Temperatura de Sellado en Caliente	ºC	140-205

Propiedades para tubo de polipropileno:

Propiedad		Valor
Módulo de Tracción - Longitudinal	GPa	2
Módulo de Tracción - Transversal	GPa	1,3
Resistencia a la Tracción - Longitudinal	MPa	125
Resistencia a la Tracción - Transversal	MPa	40
Resistencia al Impacto Relativo		2,5

Aplicaciones
A partir de los procesos industriales se pueden preparar un sin fin de productos de polipropileno diferentes, cuyas propiedades varían según la longitud de las cadenas del polímero (peso molecular), de su polidispersidad, de los comonómeros eventualmente incorporados, etc. Estas características básicas definen las propiedades mecánicas del material y sus aplicaciones finales. Literalmente se habla de diferentes tipos o grados de polipropileno. Por todo esto, la gran diversidad de productos producidos con esta poliolefina le permite tener aplicaciones tan variadas como:
- Autopartes
- Baldes, recipientes, botellas
- Muebles
- Juguetes
- Películas para envases de alimentos
- Fibras y filamentos
- Bolsas y bolsones
- Fondo de alfombras
- Pañales, toallas higiénicas, ropa

Envases de pared delgada
Una de las tendencias más firmes en la industria del moldeo por inyección actual es el diseño de piezas de espesores menores a los 0.8 mm, genéricamente conocidas como "de pared delgada". Trabajar en esos espesores aumenta la rentabilidad del proceso en dos direcciones perfectamente definidas. Por un lado disminuye el peso por pieza y por el otro, los tiempos de ciclo incrementando, de esta forma, la productividad. Las principales aplicaciones de polipropileno en este campo se encuentran en artículos tales como copas de postre, potes de margarina, baldes de helado, entre otros. A modo de ejemplo, en ciclos de hasta 3 segundos es posible obtener potes de margarina de 250 cm³, de sólo 10 gr de peso y 0.4 mm de espesor.
Una variable muy importante es la relación entre la longitud total de flujo y el espesor de la pieza que, para el caso del polipropileno, no debe superar un valor de 330. Es decir que: una pieza de 1 mm de espesor puede tener una longitud de 330 mm. Si el espesor se disminuye a 0.8 mm, la longitud de flujo se debe disminuir en la misma proporción; si no la relación anterior se elevaría a 412 y habría severas dificultades para llenar el molde.
Trabajar en espesores tan pequeños representa un desafío para el material, que debe conjugar un buen balance de propiedades mecánicas en estado sólido con buenas propiedades de flujo en estado fundido. El material, a su vez, debe asegurar una elevada rigidez y una buena resistencia al impacto. Por otro lado debe poseer una fluidez lo suficientemente elevada como para llenar un molde que le ofrece gran oposición al flujo.

Gracias a sus características en estado fundido, el polipropileno puede ser moldeado por la mayoría de los diferentes procesos de transformación de plásticos, entre los cuales pueden destacarse:

Moldeo por inyección
Este proceso consiste en la fusión del material, junto con colorantes o aditivos, para luego forzarlo bajo presión dentro de un molde. Este molde es refrigerado, el material se solidifica y el artículo final es extraído. Este método es usado para hacer muchos tipos de artículos, como por ejemplo frascos, tapas, muebles plásticos, cuerpos de electrodomésticos, aparatos domésticos y piezas de automóviles. El polipropileno es apreciado por su fácil proceso y por sus excelentes propiedades finales, que incluyen baja densidad, alto brillo y rigidez, resistencia térmica y química, entre otras. 

Silla de jardín de polipropileno

Extrusión
Por este proceso pueden ser obtenidos un sinnúmero de artículos continuos, entre los que se incluyen tubos, chapas, fibras, etc. Las chapas de polipropileno son hechas mediante el pasaje del material fundido a través de una matriz plana, y posteriormente enfriado en cilindros paralelos. Las chapas pueden ser usadas para la producción de varios artículos a través de su corte y doblez, o termoformadas para la producción de potes, vasos, etc. Las fibras son producidas por el corte y posterior estiramiento de una chapa, que luego son utilizadas en telares para la producción de tejidos, bolsas, etc.

Tubo corrugado

Fibras de polipropileno
Son empleadas para la producción de alfombras, tapices y hilos, entre otros. Para su elaboración, el material fundido es plastificado en una extrusora y forzado a través de minúsculos orificios, formando las fibras. De modo semejante son producidos los no tejidos de polipropileno, que son ampliamente utilizados en productos higiénicos desechables, ropas protectoras, etc. Estos productos se benefician de la tenacidad y flexibilidad de los nuevos materiales.

Hilos de polipropileno

Películas de polipropileno
Son largamente empleadas en el embalaje de alimentos y otros artículos. Son fabricadas por extrusión, forzando el pasaje del material fundido a través de una matriz tubular o plana. La película producida de esta forma puede ser orientada posteriormente, obteniéndose una película más resistente (Polipropileno biorientado BOPP).

Película de polipropileno

Moldeo por soplado
Es usado para la producción de frascos, botellas, tanques de vehículos, etc. En este proceso, un tubo de material fundido es soplado dentro de un molde y toma la forma de la cavidad. Cuando es enfriado, el molde es abierto y el artículo extraído.

Botella de polipropileno

Aplicaciones en la industria automotriz
La industria del automóvil evoluciona rápidamente. En su afán de optimización, la búsqueda de materiales que reúnan el mayor número de requerimientos específicos se ha convertido en una de las metas de las grandes empresas internacionales. Esa búsqueda ha encontrado en el polipropileno uno de los aliados fundamentales dentro de la gran familia de los materiales plásticos. En él, diseño y propiedades (arte y técnica) se combinan para volcar al mercado productos cada vez más innovadores, competitivos, y confiables.
En un sector tan exigente, el polipropileno y sus compuestos han encontrado nuevos campos de aplicación aportando confort visual y al tacto en los interiores de los habitáculos, estabilidad dimensional en los compartimentos del motor, óptima perfomance frente a los agentes climáticos en la periferia, y buena aptitud para recibir tratamientos decorativos de superficie (pinturas). Tan disímiles requerimientos primarios satisfechos por un solo material, han logrado posicionar al polipropileno como el plástico más importante de la ingeniería del automóvil en la actualidad.

Paragolpe de polipropileno

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