Plastificante - Plasticizer

Un plastificante ( Reino Unido : plastificante ) es una sustancia que se agrega a un material para hacerlo más suave y flexible, para aumentar su plasticidad , para disminuir su viscosidad o para disminuir la fricción durante su manipulación en la fabricación.

Los plastificantes se agregan comúnmente a polímeros como plásticos y caucho , ya sea para facilitar el manejo de la materia prima durante la fabricación o para satisfacer las demandas de la aplicación del producto final. Por ejemplo, comúnmente se agregan plastificantes al cloruro de polivinilo (PVC), que por lo demás es duro y quebradizo, para hacerlo suave y flexible; lo que lo hace adecuado para productos como pisos de vinilo , ropa , bolsas, mangueras y revestimientos de cables eléctricos .

Los plastificantes también se agregan a menudo a las formulaciones de concreto para hacerlas más trabajables y fluidas para verter, lo que permite reducir el contenido de agua. De manera similar, a menudo se agregan a arcillas , estuco , combustible sólido para cohetes y otras pastas antes de moldear y formar. Para estas aplicaciones, los plastificantes se superponen en gran medida con los dispersantes .

Para polímeros

Uso de plastificantes en Europa y en todo el mundo por tipo 2017
Uso de plastificantes en Europa 2017
Tendencias del mercado europeo de plastificantes en 2017

Los plastificantes para polímeros son líquidos con baja volatilidad o sólidos. Según datos de 2017, el mercado global total de plastificantes fue de 7,5 millones de toneladas métricas. En América del Norte, el volumen de 2017 fue de ~ 1.01 millones de toneladas métricas y en Europa la cifra fue de 1.35 millones de toneladas métricas, divididas entre varias aplicaciones de uso final con una tendencia de tipo químico que se mueve hacia ortoftalatos de mayor peso molecular (HMW) y tipos alternativos debido a problemas regulatorios. relativo a ortoftalatos de bajo peso molecular (LMW).

Casi el 90% de los plastificantes poliméricos, más comúnmente ésteres de ftalato , se utilizan en PVC , lo que le da a este material una mayor flexibilidad y durabilidad. La mayoría se utiliza en películas y cables.

Mecanismo de acción

Se pensaba comúnmente que los plastificantes actúan incrustándose entre las cadenas de polímeros , separándolos (aumentando el "volumen libre") o hinchándolos y, por lo tanto, reduciendo significativamente la temperatura de transición vítrea del plástico y haciéndolo más blando; sin embargo, más tarde se demostró que la explicación del volumen libre no podía explicar todos los efectos de la plastificación. La imagen clásica sobre la movilidad de la cadena de polímero es más compleja en presencia de plastificante que la dibujada por Fox & Flory para una cadena de polímero simple. Las moléculas de plastificante controlan la movilidad de la cadena y la cadena de polímero no muestra un aumento del volumen libre alrededor de los extremos del polímero; en el caso de que el plastificante / agua cree enlaces de hidrógeno con partes hidrófilas del polímero, se puede disminuir el volumen libre asociado.

Para plásticos como el PVC, cuanto más plastificante se agregue, menor será su temperatura de flexión en frío. Los artículos de plástico que contienen plastificantes pueden exhibir una mayor flexibilidad y durabilidad. Los plastificantes pueden estar disponibles para exposición debido a la migración y abrasión del plástico, ya que no están unidos a la matriz del polímero. El " olor a coche nuevo " se atribuye a menudo a los plastificantes o sus productos de degradación. Sin embargo, múltiples estudios sobre la composición del olor no encuentran ftalatos en cantidades apreciables, probablemente debido a su extremadamente baja volatilidad y presión de vapor.

El efecto de los plastificantes sobre el módulo elástico depende tanto de la temperatura como de la concentración de plastificante. Por debajo de una cierta concentración, conocida como concentración cruzada, un plastificante puede aumentar el módulo de un material. Sin embargo, la temperatura de transición vítrea del material disminuirá en todas las concentraciones. Además de una concentración de cruce, existe una temperatura de cruce. Por debajo de la temperatura de cruce, el plastificante también aumentará el módulo.

La migración de plastificantes fuera de sus plásticos hospedantes conduce a la pérdida de flexibilidad, fragilización y agrietamiento. Este cable de lámpara de plástico de décadas de antigüedad se desmorona cuando se flexiona debido a la pérdida de plastificantes.

Selección

Durante los últimos 60 años, se han evaluado más de 30.000 sustancias diferentes para determinar su idoneidad como plastificantes poliméricos. De estos, solo un pequeño número, aproximadamente 50, se encuentran actualmente en uso comercial.

Los plastificantes de éster se seleccionan en base a la evaluación de costo-rendimiento. El mezclador de caucho debe evaluar los plastificantes de éster en cuanto a compatibilidad, procesabilidad, permanencia y otras propiedades de desempeño. La amplia variedad de químicas de ésteres que se encuentran en producción incluye sebacatos , adipatos , tereftalatos , dibenzoatos , gluteratos , ftalatos , azelatos y otras mezclas especiales. Esta amplia línea de productos proporciona una variedad de beneficios de rendimiento requeridos para las muchas aplicaciones de elastómeros , como productos de tubos y mangueras, pisos, revestimientos de paredes, sellos y juntas, correas, alambres y cables, y rollos de impresión.

Los ésteres de polaridad baja a alta proporcionan utilidad en una amplia gama de elastómeros, incluidos nitrilo , policloropreno , EPDM , polietileno clorado y epiclorhidrina . La interacción plastificante-elastómero se rige por muchos factores, como el parámetro de solubilidad , el peso molecular y la estructura química. Los atributos de compatibilidad y rendimiento son factores clave en el desarrollo de una formulación de caucho para una aplicación en particular.

Los plastificantes utilizados en PVC y otros plásticos se basan a menudo en ésteres de ácidos policarboxílicos con alcoholes alifáticos lineales o ramificados de longitud de cadena moderada. Estos compuestos se seleccionan sobre la base de muchos criterios que incluyen baja toxicidad, compatibilidad con el material huésped, no volatilidad y costo. Los ésteres de ftalato de alcoholes alquílicos de cadena lineal y de cadena ramificada cumplen estas especificaciones y son plastificantes comunes. Los ésteres de orto-ftalato han sido tradicionalmente los plastificantes más dominantes, pero las preocupaciones regulatorias han llevado a pasar de sustancias clasificadas a no clasificadas, lo que incluye ortoftalatos de alto peso molecular y otros plastificantes, especialmente en Europa.

Antiplastificantes

Los antiplastificantes son aditivos poliméricos que tienen un efecto opuesto al de los plastificantes. Aumentan el módulo mientras disminuyen la temperatura de transición vítrea.

El ftalato de bis (2-etilhexilo) es un plastificante común.

Seguridad y toxicidad

Se han expresado preocupaciones sustanciales sobre la seguridad de algunos plastificantes poliméricos, especialmente porque algunos orto-ftalatos de bajo peso molecular se han clasificado como disruptores endocrinos potenciales y se ha informado de cierta toxicidad para el desarrollo.

Plastificantes poliméricos comunes

Ortoftalatos

  • Los plastificantes a base de ftalatos se utilizan en situaciones en las que se requiere una buena resistencia al agua y a los aceites. Algunos plastificantes de ftalato comunes son:
  • Ortoftalatos de alto peso molecular
    • Ftalato de diisononilo (DINP), utilizado en materiales para pisos, que se encuentra en mangueras de jardín, zapatos, juguetes y materiales de construcción
    • Ftalato de bis (2-propilheptilo) (DPHP), utilizado en cables, alambres y materiales para techos
    • Ftalato de diisodecilo (DIDP), utilizado para el aislamiento de alambres y cables, revestimiento interior de automóviles, zapatos, alfombras, revestimientos de piscinas
    • Ftalato de diisoundecilo (DIUP), utilizado para el aislamiento de alambres y cables, revestimiento interior de automóviles, zapatos, alfombras, revestimientos de piscinas. Buen rendimiento a altas temperaturas y a la intemperie
    • El ftalato de ditridecilo (DTDP) es el plastificante de ftalato de mayor peso molecular, que proporciona un mayor rendimiento a altas temperaturas. Es el plastificante preferido para aplicaciones de cables y alambres de automoción.

Trimelita

Adipatos, sebacates

De base biológica

Se están desarrollando plastificantes con mejor biodegradabilidad y presumiblemente menor toxicidad ambiental. Algunos de estos plastificantes son:

Otros plastificantes

  • Nota: El bisfenol A , o BPA, no es un plastificante, a pesar de lo que dicen los medios populares. El BPA es un monómero y, a veces, otro aditivo para plásticos, pero no es un plastificante según ninguna definición científica.

Plastificantes para materiales inorgánicos

Hormigón

En la tecnología del hormigón, los plastificantes y superplastificantes también se denominan reductores de agua de alto rango. Cuando se agregan a mezclas de concreto , confieren una serie de propiedades que incluyen mejorar la trabajabilidad y la resistencia. La resistencia del hormigón es inversamente proporcional a la cantidad de agua añadida, es decir, la relación agua-cemento (a / c). Para producir un concreto más fuerte, se agrega menos agua (sin "matar de hambre" la mezcla), lo que hace que la mezcla de concreto sea menos trabajable y difícil de mezclar, requiriendo el uso de plastificantes, reductores de agua, superplastificantes, fluidificantes o dispersantes.

Los plastificantes también se usan a menudo cuando se agrega ceniza puzolánica al concreto para mejorar la resistencia. Este método de dosificación de la mezcla es especialmente popular cuando se produce hormigón de alta resistencia y hormigón reforzado con fibra.

Generalmente es suficiente agregar 1-2% de plastificante por unidad de peso de cemento. Agregar una cantidad excesiva de plastificante resultará en una segregación excesiva del concreto y no es aconsejable. Dependiendo del químico particular utilizado, el uso de demasiado plastificante puede resultar en un efecto retardador.

Los plastificantes se fabrican comúnmente a partir de lignosulfonatos , un subproducto de la industria del papel . Los superplastificantes se han fabricado generalmente a partir de condensado de naftaleno sulfonado o formaldehído de melamina sulfonado , aunque ahora se encuentran disponibles productos más nuevos basados ​​en éteres policarboxílicos. Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonato, superplastificantes a base de naftaleno y sulfonato de melamina dispersan las partículas de cemento floculadas a través de un mecanismo de repulsión electrostática (ver coloide ). En los plastificantes normales, las sustancias activas se adsorben sobre las partículas de cemento, dándoles una carga negativa, lo que conduce a la repulsión entre las partículas. Los superplastificantes de lignina , naftaleno y sulfonato de melamina son polímeros orgánicos. Las moléculas largas se envuelven alrededor de las partículas de cemento, dándoles una carga muy negativa para que se repelan entre sí.

El superplastificante de éter de policarboxilato (PCE) o simplemente el policarboxilato (PC), funcionan de manera diferente a los superplastificantes a base de sulfonato, dando la dispersión del cemento por estabilización estérica. Esta forma de dispersión tiene un efecto más potente y mejora la retención de la trabajabilidad de la mezcla cementosa.

Estuco

Se pueden agregar plastificantes a las mezclas de estuco para paneles de yeso para mejorar la trabajabilidad. Con el fin de reducir la energía consumida al secar el tablero de yeso, se agrega menos agua, lo que hace que la mezcla de yeso sea muy inviable y difícil de mezclar, lo que requiere el uso de plastificantes, reductores de agua o dispersantes. Algunos estudios también muestran que demasiado dispersante de lignosulfonato podría resultar en un efecto retardador de fraguado. Los datos mostraron que se produjeron formaciones de cristales amorfos que restaron valor a la interacción mecánica del cristal en forma de aguja en el núcleo, evitando un núcleo más fuerte. Los azúcares, los agentes quelantes de los lignosulfonatos como los ácidos aldónicos y los compuestos extractivos son los principales responsables del retardo de fraguado. Estos dispersantes reductores de agua de bajo rango se fabrican comúnmente a partir de lignosulfonatos , un subproducto de la industria del papel .

Los superplastificantes (dispersantes) de alto rango se han fabricado generalmente a partir de condensado de naftaleno sulfonado , aunque los éteres policarboxílicos representan alternativas más modernas. Ambos reductores de agua de alto rango se utilizan en 1/2 a 1/3 de los tipos de lignosulfonato.

Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonato y naftaleno sulfonato dispersan las partículas de yeso floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática (ver Coloide ). En los plastificantes normales, las sustancias activas se adsorben sobre las partículas de yeso, dándoles una carga negativa, lo que conduce a la repulsión entre las partículas. Los plastificantes de lignina y naftaleno sulfonato son polímeros orgánicos. Las moléculas largas se envuelven alrededor de las partículas de yeso, dándoles una carga altamente negativa para que se repelan entre sí.

Materiales energéticos

Las composiciones pirotécnicas de material energético , especialmente propulsores de cohetes sólidos y polvos sin humo para armas, a menudo emplean plastificantes para mejorar las propiedades físicas del aglutinante propulsor o del propulsor general, para proporcionar un combustible secundario e idealmente, para mejorar el rendimiento energético específico (p. Ej ., Impulso específico , rendimiento energético por gramo de propulsor o índices similares) del propulsor. Un plastificante energético mejora las propiedades físicas de un material energético al tiempo que aumenta su rendimiento energético específico. Los plastificantes energéticos se prefieren generalmente a los plastificantes no energéticos, especialmente para los propulsores de cohetes sólidos . Los plastificantes energéticos reducen la masa requerida de propulsor, lo que permite que un vehículo cohete transporte más carga útil o alcance velocidades más altas de lo que sería el caso. Sin embargo, las consideraciones de seguridad o costos pueden exigir el uso de plastificantes no energéticos, incluso en propulsores de cohetes. El sólido propulsor de cohete utilizado para alimentar el transbordador espacial cohete sólido emplea HTPB , un caucho sintético , como combustible secundario no energético.

Plastificantes para materiales energéticos

Estos son algunos plastificantes energéticos utilizados en propulsores de cohetes y polvos sin humo :

Debido a los grupos de alcoholes secundarios , NG y BTTN tienen una estabilidad térmica relativamente baja. TMETN, DEGDN, BDNPF y BDNPA tienen energías relativamente bajas. NG y DEGN tienen una presión de vapor relativamente alta .

Referencias

enlaces externos