Poliolefinas termoplásticas (TPO)

Introducción

Las poliolefinas termoplásticas (TPO), generalmente, refieren a una clase de plástico que se utiliza en una variedad de mercados y aplicaciones (especialmente en el sector del transporte, incluidas las piezas plásticas tanto del interior como del exterior del automóvil). También son utilizados para fabricación de membranas para techos y aislamiento de cables eléctricos.

Los TPO son, por lo general, moldeados por inyección en el artículo deseado, aunque cada vez hay más uso de la lámina termoformada y el perfil de extrusión y otros procesos.

Los TPO se producen generalmente por la mezcla de polipropileno (PP) con copolímeros elásticos de etileno (elastómeros de poliolefina o POE) y la adición de otros materiales de carga y aditivos. Las cantidades de mezcla específicos dependen del equilibrio global de propiedades para cumplir con las especificaciones de rendimiento y equipos de procesamiento deseados que se utiliza para una aplicación.

Los ingredientes de los TPO generalmente incluyen:

• Polipropileno (incluyendo homopolímero, copolímero de impacto u otros), que generalmente proporciona la rigidez y la estabilidad a la temperatura

• Elastómeros que dan flexibilidad y resistencia al impacto

• Talco u otras cargas minerales (ejemplo: fibra de vidrio o carbono) que imparten alta rigidez y estabilidad dimensional a la pieza

• Aditivos (incluyendo antioxidantes, plastificantes y aditivos para la resistencia a la ignición, al rayado y al agua de mar) para mejorar el rendimiento de uso final y durabilidad.

Los TPO rígidos se hacen, en su mayoría, con un componente de polipropileno con ingredientes añadidos para alcanzar un equilibrio global de propiedades. El desarrollo de la formulación de TPO rígido se inicia mediante la selección de un PP apropiado, y la adición de sólo el nivel mínimo de modificador para lograr ductilidad aceptable, mientras que se mantiene la rigidez (que se mide por el módulo de flexión) lo más alta posible. Este balance de tenacidad/rigidez se muestra en la siguiente figura:

Balance de las propiedades del TPO

Un compuesto de TPO rígido típico se compone de:
• 56% de polipropileno, generalmente un copolímero de impacto (ICP) o un homopolímero (HPP)
• 24% de elastómero
• 20% de talco
• Estabilizante y aditivos, según sea necesario para la durabilidad de la pieza
Este tipo de compuesto se utiliza a menudo para inyección interiores de automóviles moldeados o fascia exterior y generalmente se dirige a ductilidad a -30°C y alta rigidez parte.
Por el contrario, los TPO blandos o flexibles contienen una fase mayoritaria de elastómero con adición de PP para mejorar la estabilidad a la temperatura.
Un compuesto TPO blando típico se compone de:
• Una base de matriz polimérica de:
- 70% de elastómero de alta resistencia en estado fundido
- 30% polipropileno ramificado o convencional
• La adición estabilizadores y de relleno (relleno mineral / plastificante), según se desee para el coste y el rendimiento
Este tipo de compuesto puede ser extruido en una lámina y termoformado para su uso en pieles interiores de automoción que son competitivos con productos como vinilo, cuero, y uretanos termoplásticos (TPU). Otras aplicaciones están creciendo a través de la utilización de perfiles de extrusión flexibles y aplicaciones de moldeo por soplado.

Procesos de Fabricación de TPO

Cualquier desarrollo de los TPO debe tener en cuenta el proceso que se utiliza para transformar el compuesto en su forma final. Las siguientes secciones proporcionan una breve descripción de estos procesos y algunas de las consideraciones para la aplicación que puede afectar a la selección del elastómero.

TPO moldeados por inyección

La mayoría de las TPO para automoción se moldean por inyección y requieren un equilibrio de la rigidez y ductilidad a baja temperatura para ser adecuado para su uso. La rigidez del TPO proviene del PP, mientras que los dominios añadidos de elastómero proporcionan la ductilidad para mayor durabilidad y resistencia al impacto.

La mayoría de las aplicaciones exteriores de los TPO están bastante establecidas y muchos mezcladores y transformadores están buscando optimizar costes y rendimiento.

Por el contrario, las aplicaciones de moldeo por inyección de TPO interiores se siguen desarrollando por lo que mezcladores y transformadores continúan trabajando en una serie de parámetros de rendimiento, incluyendo el aumento de la rigidez, manteniendo baja ductilidad a temperatura ambiente y al rayado, brillo y capacidad de pintado.

Por lo tanto, algunos de los diseños de elastómero y criterios de selección puede ser diferente que el utilizado para los TPO exteriores, o requieren el uso de aditivos especiales para alcanzar las propiedades deseadas.

TPO termoformados

En el pasado, los compuestos de TPO, en general, no han ido bien en aplicaciones de termoformado, ya que no se habían podido procesar correctamente después de llegar a su punto de ablandamiento. Los avances en las tecnologías tanto del elastómero como del polipropileno ahora están haciendo esto una realidad mediante las formulaciones de mayor resistencia en estado fundido de los compuestos.

Soluciones a los laminados termoformados están surgiendo para los paneles exteriores de vehículos especializados y vehículos utilitarios. Para estas aplicaciones, una lámina extruida se produce con frecuencia con una capa de cubierta coextruida con el acabado y apariencia deseados para reducir al mínimo las operaciones de pintura de post-formación. Varias especialidades con elastómeros de alta resistencia a la fusión se han desarrollado que complementan a los polipropilenos modificados ramificado añadidos para proporcionar resistencia a la fusión para mejorar el termoformado. En algunos casos, estos paneles pueden ser producidos con una rigidez muy elevada, lo que los hace candidatos viables para la sustitución de termoplásticos de ingeniería (ETP) o fibra de vidrio.

Existe un desarrollo de TPO blandos para su uso en paneles termoformados de instrumentos, paneles de puertas y pisos sin alfombras. Como se señaló anteriormente, un elastómero de alta resistencia en estado fundido se utiliza como el componente mayoritario y se combina con un PP ramificado.

La alta resistencia en fundido del elastómero también le da el beneficio deseado de un brillo más bajo y la replicación de grano excelente de la superficie del molde.

 

Otros procesos de moldeo

Más allá de extrusión/termoformado y moldeo por inyección, existe un creciente desarrollo de productos para uso TPO en extrusión de perfiles y aplicaciones de moldeo por soplado.

El moldeo por sinterizado rotacional es otra área de interés, en el que un elastómero se combina con el PP, se convierte en polvo o micro-gránulos, y, posteriormente, se carga a un molde donde se calienta y luego se enfría en una pieza acabada.

Incorporación de elastómero en un compuesto TPO

Los elastómeros pueden ser introducidos en un TPO en varios puntos diferentes en la cadena de valor, como se ilustra en la siguiente figura:

Etapas de adición del elastómero para fabricación de TPO

No hay manera correcta o incorrecta de introducir el elastómero al TPO. Sin embargo, hay beneficios y riesgos inherentes que pueden influir en la decisión del fabricante, mezclador o el procesador.

Por otra parte, la selección del elastómero puede estar influenciada por las capacidades del fabricante (productor de PP, mezclador, o moldeador/extrusor), los otros ingredientes de los compuestos de TPO y el rendimiento de uso final deseado. En muchos casos, el mejor balance costo/rendimiento está dada por una formulación de PP de bajo rendimiento con un elastómero de alto rendimiento versus el uso de un copolímero de polipropileno de impacto o TPO de reactor (R-TPO).

Técnicas de introducción de los elastómeros para TPO

Método	Ventajas	Desventajas
PP en el reactor Adición de etileno al reactor de PP para crear segmentos de elastómero etileno-propileno (EP) de copolímero de impacto (ICP) o un reactor (R-TPO)	• Excelente dispersión del comonómero de etileno • Las necesidades de elastómero inferiores que el compounding o para el procesamiento en prensa y en línea	• A menudo, el rendimiento más bajo en la producción de PP (mayor costo) • El elastómero del reactor generalmente no es tan eficiente como los elastómeros de alto rendimiento (especialmente para la resistencia al impacto a baja temperatura) • Aún necesitará probablemente de relleno / aditivos para su uso como TPO
PP Post-Reactor La alimentación de un elastómero en las operaciones posteriores de la fabricación PP	• A menudo, un mayor rendimiento de fabricación de la base de polipropileno • Mayor flexibilidad en la formulación frente a  la adición en el reactor	• Puede ser necesario capital para la introducción del elastómero • Aún necesitará probablemente compuesto de relleno / aditivos para su uso como TPO
Compounding Adición de un elastómero, cargas y otros aditivos en una operación de compounding del PP	• Mayor flexibilidad • Múltiples fuentes de ingredientes • Capacidad para optimizar el coste y el rendimiento	• Los requisitos de capital para las operaciones de compuunding • Logística / calor
En prensa o en línea Adición de un elastómero directamente en una operación de moldeo por inyección o extrusión	• Anula la operación de composición y reduce costos • Se puede modificar los niveles de elastómero según sea necesario	• Dispersión general menos eficiente que con el compounding • Posible necesidad de nuevos capital y niveles de elastómeros superiores para satisfacer los requisitos de impacto

Diseño y selección del elastómero

Existen una variedad de catalizadores, procesos y monómeros para crear elastómeros que son útiles para los TPO.

Por ejemplo, la empresa DOW utilizó la tecnología INSITE a principios de 1990 que permitió la creación de elastómeros de poliolefina (POE) denominados comercialmente ENGAGE, con lo que se había mejorado el control de la arquitectura molecular mediante catálisis de metaloceno. Estos nuevos elastómeros, combinan varias ventajas que han llevado a un mejor desempeño de los compuestos TPO y su rápido éxito como sustitutos de otros copolímeros de etileno como el EPDM (copolímero de etileno-propileno dieno). Esas ventajas son las siguientes:

• Baja temperatura de transición vítrea. El aumento de longitud de la cadena alfa-olefina de propileno (C3) a buteno (C4) y octeno (C8) da un mejor rendimiento al impacto a baja temperatura.

• Distribución estrecha del peso molecular y niveles bajos de ramificación. Contribuye a mejorar la dispersión del elastómero en el polipropileno.

• Forma de Pellet. Permite la capitalización continua y manipulación a granel del elastómero.

Rendimiento de los TPO según su composición

Vista microscópica de la dispersión del elastómero en los TPO

Un mayor desarrollo de la tecnología INSITE ha dado lugar a la capacidad de modificar la ramificación y características de peso molecular para producir grados de POE de alta resistencia en fundido. Estos elastómeros demuestran beneficios en la extrusión, termoformado y aplicaciones de moldeo por soplado, así como la mejora de la estética (la reducción de brillo y líneas de flujo) en piezas moldeadas por inyección.

Efecto del diseño del elastómero en los TPO

Las tecnologías de desarrollo de los elastómeros utilizados continúan evolucionando para satisfacer las necesidades de costo/rendimiento para las aplicaciones de los TPO. La evolución de los elastómeros tendrá que seguir para que coincida con los avances en los materiales (polipropileno, rellenos y aditivos) y las tecnologías de los procesos. Muchas de las tendencias de desempeño están bien establecidas para aplicaciones y procesos existentes y el desarrollo se está centrando en las nuevas tecnologías.

Aplicaciones principales de los TPO

Como se ha mencionado, uno de los mayores usos de los TPO es en la industria automotriz para fabricación de autopartes tales como recubrimiento del panel de instrumentos, paneles interiores de puertas, paragolpes, bandas laterales exteriores, etc. Otro uso importante es para fabricación de membranas de impermeabilización y aislación de techos y azoteas. También son utilizados para fabricación de aislantes de conductores eléctricos libres de halógeno.

Ejemplo de partes exteriores de un automóvil hechas de TPO

Ejemplo de partes interiores de un automóvil hechas de TPO

Membrana para techos de TPO reforzada con fibra poliéster

Instalación de una membrana de TPO

Aislamiento de cables de alta tensión libre de halógeno

Fuentes:
http://www.dow.com
http://www.ptonline.com
http://patentados.com
http://www.patentgenius.com
http://www.firestonebpe.com
http://www.specjm.com
http://www.tporoofing.org
http://www.directindustry.es
http://www.generalcable.es
Artículo: New Advances in Elastomer Technology - J.J.Hemphill.
Artículo: Expanding the Product Portfolio of Ethylene Elastomers – ENGAGE Polyolefin Elastomers for Large Volume TPO Applications - J.J.Hemphill.
Publicación: High Melt Strength Materials Expand Thermoforming Possibilities for TPOs – DOW.
Artículo: The Role of Impact Modifiers on TPOs Requiring High Melt Strength - K.W. Walton.
Artículo: Novel Thermoforming TPO Compound Developed Using Advanced Material Science - B.W. Walther.
Artículo: Novel Ethylene/Alpha-Olefin Copolymers - Polyproylene Blends for Thermoforming, Blow Molding and Extruded Profiles - L.B. Weaver.
Artículo: Development Of A Slush Molded TPO Instrument Panel Skin – S. Patel. Artículo: Continued TPO Elastomer Development - J.J. Hemphill.