Elastómeros termoplásticos (TPE)

Introducción

Los elastómeros termoplásticos (TPE), a veces referidos como cauchos termoplásticos, son una clase de copolímeros o una mezcla física de polímeros (usualmente un plástico y un caucho) los cuales se comportan con las mismas propiedades de los termoplásticos y de los elastómeros. Mientras que la mayoría los elastómeros son termoestables, los termoplásticos son, en contraste, relativamente fácil de moldear por los métodos habituales de transformación, como por ejemplo, por moldeo por inyección. Los elastómeros termoplásticos muestran las ventajas típicas de ambos materiales. La diferencia principal entre elastómeros termoestable y elastómeros termoplásticos es el tipo de reticulación en sus estructuras. De hecho, la reticulación es un factor crítico estructural que contribuye a impartir altas propiedades elásticas. La reticulación en polímeros termoestables es un enlace covalente creado durante el proceso de vulcanización. Por otro lado, la reticulación en los polímeros elastómeros termoplásticos es un débil enlace dipolo o enlace por puente de hidrógeno o tiene lugar en una de las fases del material.

No fue sino hasta la década de 1950, cuando los polímeros termoplásticos de poliuretano llegaron a estar disponible, que convirtió a los TPE en una realidad comercial. Durante la década de 1960 los copolímeros en bloque de estireno estuvieron disponibles, y en la década de 1970 una amplia gama de elastómeros termoplásticos llegaron a la escena. El uso mundial de TPE (680.000 toneladas / año en 1990) creció en un orden del 9% anual.

Tipos de TPE
Hay seis clases genéricas de TPE comerciales: copolímeros estirénicos en bloque, las mezclas de poliolefinas elastoméricas, aleaciones (TPE-V o TPV), los poliuretanos termoplásticos, copoliéster termoplástico y poliamidas termoplásticas. Ejemplos de productos TPE que provienen del grupo de copolímeros en bloques son: Arntitel (DSM), Engage (Dow), Hytrel (Du Pont), Dryflex y Mediprene (ELASTO), Kraton (Shell).
Con el fin de calificar como un elastómero termoplástico, un material debe tener estas tres características esenciales:
- La capacidad de ser estirado a alargamientos moderados y, tras la eliminación del esfuerzo, volver aproximadamente a su forma original.
- Procesable como una masa fundida a una temperatura elevada.
- Ausencia de fluencia significativa.

Características
Los materiales de estireno-butadieno poseen una microestructura de dos fases debido a la incompatibilidad entre los bloques de poliestireno y polibutadieno, el primero se separa en esferas o varillas, dependiendo de la composición exacta. Con bajo contenido de poliestireno, el material es elastomérico con las propiedades del polibutadieno predominando. Por lo general ofrecen una gama mucho más amplia de propiedades que los cauchos reticulados convencionales, porque la composición puede variarse para adaptarse a las necesidades de uso.
Los copolímeros de bloques pueden generar "microfases separadas" para formar nanoestructuras periódicas, como en el copolímero en bloque de estireno-butadieno-estireno. El polímero es conocido como Kraton y se utiliza para suelas de zapatos y adhesivos. El material es hecho por polimerización viva de modo que los bloques son casi monodispersos, ayudando así a crear una microestructura muy regular. Como la mayoría de los polímeros son incompatibles entre sí, formando un polímero en bloques, dará lugar generalmente a la separación de fases, y el principio ha sido ampliamente explotado desde la introducción de los copolímeros en bloques SBS, especialmente cuando uno de los bloques es altamente cristalino. Una excepción a la regla de incompatibilidad es el material Noryl, donde el poliestireno y el óxido de polifenileno (PPO) forman una mezcla continua entre sí.
Otros TPE tienen dominios cristalinos donde un tipo de bloque se co-cristaliza con otro bloque en las cadenas adyacentes, tales como cauchos en copoliéster, logrando el mismo efecto que en los copolímeros de bloques SBS. Dependiendo de la longitud del bloque, los dominios son en general más estable que el último debido a que la parte cristalina posee un punto de fusión superior. Ese punto determina las temperaturas de tratamiento necesarias para dar forma al material, así como las temperaturas de servicio finales de uso del producto. Tales materiales incluyen Hytrel (copolímero de poliéster-poliéter) y Pebax (copolímero de nylon o poliamida-poliéter).

Ventajas
Los materiales TPE tienen el potencial de ser reciclable ya que pueden ser moldeados y reutilizados como plásticos, pero tienen propiedades elásticas típicas de cauchos que no son reciclables, debido a sus características termoendurecibles. Los TPE también requieren poca o ningún compouding, sin necesidad de añadir agentes de refuerzo, estabilizantes o sistemas de curación. Por lo tanto, las variaciones de lote a lote de los componentes están ausentes, lo que lleva a la mejora de la consistencia tanto en materias primas como en los artículos fabricados. Los TPE pueden ser fácilmente coloreados por la mayoría de los tipos de colorantes. Además, se consume menos energía en su procesado y se puede lograr un control más estrecho de la calidad del producto resultando en un beneficio económico.

Desventajas
Las desventajas de TPE relativos al caucho convencional o termoestable son el costo relativamente alto de materias primas, incapacidad general para cargar TPE con rellenos de bajo costo, tales como negro de humo (lo que impide que TPE se utilice en los neumáticos de automóvil), pobre resistencia química y al calor. Si los TPE se funden a una temperatura elevada por encima de lo especificado pierden su comportamiento elástico. Los TPE muestran un comportamiento de deformación en el uso prolongado.

Estructura química
El entrecruzamiento entre las cadenas poliméricas hace posible que los elastómeros presenten cierta elasticidad. Pero los polímeros entrecruzados no pueden ser fácilmente reciclados. Por lo que los elastómeros termoplásticos despiertan un gran interés. La idea detrás de los elastómeros termoplásticos es la noción de un entrecruzamiento reversible.
Los polímeros entrecruzados normalmente no pueden ser reciclados porque no funden. Y no funden porque el entrecruzamiento mantiene unidas las cadenas, impidiendo que el material sea capaz de fluir.
Aquí es donde interviene el entrecruzamiento reversible. Los retículos normales son covalentes, uniendo químicamente a las cadenas poliméricas en una sola molécula. El entrecruzamiento reversible emplea interacciones secundarias no covalentes para unir entre sí a las cadenas. Estas interacciones incluyen los enlaces por puente de hidrógeno y los enlaces iónicos.
La ventaja de emplear interacciones no covalentes para formar retículos es que cuando el material se calienta, los retículos se rompen. Esto permite que dicho material pueda ser procesado, y lo más importante, reciclado. Cuando se enfría, los retículos vuelven a formarse.
Se han identificado dos métodos, ionómeros y copolímeros en bloque.

Ionómeros
Un ionómero es un polímero que contiene un ion (átomo que posee una carga eléctrica, ya sea positiva o negativa). Pero un ionómero es algo más que un polímero con grupos iónicos. Cualquier polímero con grupos iónicos es denominado un polielectrolito. Pero un ionómero es un tipo especial de polielectrolito. En primer lugar, es un copolímero. Está formado por unidades repetitivas no iónicas y pequeñas cantidades de unidades repetitivas conteniendo iones. Los grupos iónicos constituyen menos del 15% del polímero.
Un ejemplo de un ionómero es el poli(etileno-co-ácido metacrílico). Este polímero es una sal sódica o una sal de zinc (que aporta los iones) de copolímeros derivados del etileno y del ácido metacrílico.

Las atracciones iónicas que se manifiestan, ejercen una gran influencia en las propiedades del polímero. En un ionómero, las cadenas no polares se encuentran agrupadas y los grupos iónicos polares se atraen entre sí. Esto permite que los ionómeros termoplásticos se comporten de modo similar al de los polímeros entrecruzados o a los copolímeros en bloque.

Los ionómeros no son polímeros entrecruzados, sino un tipo de termoplástico llamado entrecruzante reversible. Cuando se calientan, los grupos iónicos dejan de atraerse y las cadenas comienzan a moverse libremente. A medida que la temperatura aumenta, las cadenas se mueven más y más rápido y los grupos ya no pueden quedarse en sus lugares de partida. Esto hace que el polímero adquiera las propiedades de un elastómero y la facilidad de procesado de un termoplástico.

Existen un tipo especial de ionómeros utilizados para la fabricación de membranas semipermeables. Las membranas constituidas por ionómeros se denominan específicamente membranas selectivas de iones. Funcionan dejando pasar el agua, pero no los iones metálicos. Una membrana selectiva de iones sumamente específica es un ionómero perfluorosulfonato, que la DuPont llama Nafion.

Copolímeros en bloque
Un elastómero termoplástico también puede ser obtenido mediante un copolímero en bloque. Un copolímero es un polímero constituido por más de una clase de monómero, es decir, a partir de dos o más comonómeros. Un copolímero en bloque es un copolímero en el cual los comonómeros se encuentran separados en largas secciones de la cadena polimérica principal. Cada una de estas secciones, llamadas bloques, se ve como si fuera una especie de homopolímero.

Un elastómero termoplástico muy común que es un copolímero en bloque es el caucho SBS. SBS es la abreviatura en inglés de estireno-butadieno-estireno, puesto que dicho copolímero está constituido por una corta cadena de poliestireno, seguida por otra larga cadena de polibutadieno y finalmente por otra corta cadena de poliestireno. Si pudiéramos extender una cadena de SBS, se vería como en la figura de abajo.

Debido a la incompatibilidad existente entre el poliestireno y el polibutadieno, los bloques de poliestireno tienden a agruparse entre sí, al igual que los bloques de polibutadieno. Cada bloque de polibutadieno posee un bloque de poliestireno en cada extremo y los distintos bloques de poliestireno de la misma molécula de SBS no forman parte necesariamente del mismo clúster (agrupación). Esto quiere decir que los distintos clústers de poliestireno se mantendrán unidos entre sí por los bloques de polibutadieno.

Los clúster de poliestireno actúan como reticulantes para los bloques de polibutadieno. Y al igual que los clústers iónicos de los ionómeros, las agrupaciones de poliestireno se romperán cuando el SBS es calentado, de modo de poder ser procesado y reciclado como un polímero no entrecruzado.
También puede fabricar un elastómero termoplástico empleando un copolímero en bloque constituido a partir de una sola clase de monómero. Esto debido a que se puede fabricar polipropileno en el cual existan bloques de distinta tacticidad. Puede hacerse polipropileno a partir de bloques atácticos empleando una polimerización catalizada por metalocenos.

Los bloques se separan tal como lo hacen en el caucho SBS. Y esto es posible porque los bloques isotácticos forman cristales, mientras que los atácticos son amorfos. Se comporta como un elastómero por las mismas razones que el caucho SBS. El resultado es algo similar a la figura siguiente.

Procesamiento
Los dos métodos de fabricación más importantes con TPE son moldeo por extrusión y moldeo por inyección. El moldeo por compresión se utiliza muy poco. La fabricación mediante moldeo por inyección es extremadamente rápida y muy económica. Tanto el equipo y los métodos utilizados normalmente para el moldeo por extrusión o inyección de un termoplástico convencional son generalmente adecuados para TPE. Los TPE también pueden ser procesados por moldeo por soplado, termoconformado y soldadura por calor.

Aplicaciones
Los TPE se utilizan cuando los elastómeros convencionales no pueden proporcionar la gama de propiedades físicas necesarias en el producto. Estos materiales encuentran gran aplicación en el sector de la automoción y el sector de los electrodomésticos para el hogar. Además el TPE copoliéster se utilizan en pistas de motos de nieve en las que la rigidez y la resistencia a la abrasión es un lujo. Son también ampliamente utilizados para catéteres, en donde los copolímeros en bloque de nylon ofrecen una suavidad ideal para los pacientes. Mezclas termoplásticas de silicona y olefinas se utilizan para la extrusión de perfiles de burletes para el vidrio automóviles. Copolímeros en bloque de estireno se utilizan en las suelas de zapatos por su facilidad de procesamiento, y es ampliamente usado como adhesivo. Los TPE se utilizan normalmente para hacer bujes de suspensión para componentes de automóviles, debido a su mayor resistencia a la deformación cuando se compara con bujes de goma regulares. Es utilizado por algunos fabricantes de copas menstruales. Los TPE también está encontrando más y más usos como una chaqueta de cable eléctrico / aislamiento interior. Los TPE se utilizan también en algunos cables de los auriculares. Otro uso muy difundido es en mangos de cepillos de dientes y maquinillas de afeitar descartables obtenidos mediante inyección bi-componente. También se utiliza en mangos de herramientas, tales como martillos y desarmadores, para un mejor agarre.

Suela de zapatilla de TPE

Mango de palo de golf

Distintos productos que contienen TPE

Fuentes:
Polymer - Lewis y Price
Modern Plastic - Introduction to TPEs
http://en.wikipedia.org
http://www.glstpes.com
http://pslc.ws