Plastificantes para cauchos
Plastificantes para cauchos – El desarrollo de una nueva formulación para la fabricación de artefactos de caucho, con características que cumplen con las especificaciones donde los requisitos son cada vez mayores, lleva al “Tecnólogo Formulador” a una búsqueda constante de información, con la máxima precisión sobre cada ingrediente a utilizar en la composición.
Cuando, debido a las necesidades de aplicación y uso el artefacto debe ser fabricado con algún tipo de elastómero de alto rendimiento, el cuidado en la elección de los ingredientes es aún mayor, porque es esencial un análisis exhaustivo de cada propiedad de los ingredientes, como características fisicoquímicas, compatibilidad con los demás elementos de la composición límite en los contenidos utilizados, etc., datos que si no se analizan cuidadosamente pueden causar fallas con daños irreparables.
Los plastificantes constituyen un grupo de ingredientes que, cuando se utilizan, juegan un papel importante en el buen rendimiento de un artefacto de caucho.
Los plastificantes se incorporan a las composiciones de caucho para dos propósitos principales:
- Como auxiliar tecnológico:
- Una de sus principales funciones es disminuir la viscosidad del compuesto, aumentando así su plasticidad, mejorando así su procesabilidad en todas las etapas de fabricación hasta la vulcanización. Esta mejora en la procesabilidad se debe a un efecto de lubricación interna, que facilita las operaciones de mezcla, extrusión, calandrado y moldeo;
- Mejorar la humectación de cargas y pigmentos, facilitando así su incorporación en la fase de mezcla;
- Aumentar la velocidad de flujo del compuesto de caucho, en operaciones como la extrusión y la inyección;
- Reducir el aumento de temperatura y disminuir el consumo de energía en el proceso de mezcla, que se debe a su efecto lubricante interno;
- Aumentar el nivel de pegajosidad del compuesto no vulcanizado (tachuela verde). Al mejorar la adherencia del compuesto, aumenta su poder de adhesión a las superficies en contacto, lo cual es muy importante en las operaciones de fabricación de artefactos de caucho (por ejemplo, neumáticos, cintas transportadoras, calzado);
- Como agente modificador de las propiedades del vulcanizado:
- Disminuir la dureza del vulcanizado, contrarrestando el aumento de dureza que confiere el nivel de carga o cargas utilizadas;
- Mejorar la flexibilidad del vulcanizado;
- Reducir el módulo;
- Disminuir la tensión de ruptura;
- Aumentar el alargamiento a la rotura;
- Aumentar la resistencia al desgarro;
- Disminuir la temperatura de transición vítrea Tg;
- Reducir Tg es equivalente a extender el rango de temperatura de servicio del artefacto vulcanizado;
- Disminuir la formación de cargas electrostáticas.
La elección del tipo de plastificante más adecuado para un compuesto de caucho en particular debe guiarse por algunos criterios, tales como:
- Compatibilidad entre polímero y plastificante;
- Volatilidad del plastificante durante el procesamiento;
- No interferencia en el sistema de curado del compuesto;
- Resistencia a la extracción por solventes, aceites, grasas (artef. vulcanizadas);
- Baja volatilidad a altas temperaturas (artef. vulcanizado);
- Resistencia a la decoloración y tendencia a las manchas;
- Manejo de seguridad y toxicidad en el artefacto final.
Es de suma importancia elegir el tipo de plastificante que sea perfectamente compatible químicamente con el polímero y otros ingredientes de la composición, porque una elección inadecuada puede comprometer las propiedades del producto final (generalmente un plastificante incompatible con el polímero, tiende a migrar a la superficie del artefacto, siendo extraído lentamente).
Como guía, es recomendable elegir plastificantes con polaridad similar a la del polímero utilizado en la composición.
Un aspecto muy importante a tener en cuenta a la hora de añadir plastificante al caucho es su compatibilidad con él. Si el plastificante y el caucho son compatibles, se formará un compuesto homogéneo, que se mantendrá en todas las etapas del proceso de fabricación, después de la vulcanización y en servicio, en un amplio rango de temperaturas. Esta compatibilidad debe observarse para el nivel de dosificación utilizado, un nivel que permite obtener un cierto y deseable grado de efecto sobre las diversas propiedades.
Para que exista este grado de compatibilidad, es necesario que la polaridad del caucho y el plastificante sean idénticos.
La polaridad de los plastificantes es un factor a tener en cuenta con su compatibilidad con los diversos tipos de cauchos. Para obtener una buena compatibilidad entre el caucho y el plastificante es necesario que ambos tengan aproximadamente la misma polaridad.
También se indican los aceites minerales aromáticos, nafténicos y parafínicos (petróleo), de modo que los respectivos niveles de polaridad se posicionan en relación con los diversos plastificantes sintéticos.
Un compuesto de caucho durante el procesamiento de mezcla y conformado, generalmente alcanza altas temperaturas (en algunos casos entre 215 y 250 C).
La elección del plastificante en este caso es de gran importancia, ya que ciertos tipos tienden a evaporarse a altas temperaturas, lo que comprometerá las propiedades deseadas del artefacto final.
La elección en este aspecto debe tener en cuenta la temperatura del punto de inflamación del plastificante.
Es bastante común utilizar artefactos de caucho vulcanizado, especialmente en sellos, donde las piezas tienen contacto directo o indirecto con solventes, aceites grasos y otros productos químicos, que tienden a causar la extracción del plastificante contenido en el compuesto de caucho, cambiando consecuentemente las propiedades iniciales.
Algunos tipos de plastificantes sintéticos, como los polímeros, o polímeros de muy bajo peso molecular y la misma familia química que el elastómero utilizado en el compuesto, ofrecen ventajas de elección.
Los artefactos de caucho vulcanizado también se utilizan ampliamente en condiciones de trabajo constantes a altas temperaturas, como piezas de automóviles (mangueras de radiador, juntas, sellos, etc.).
La acción del calor continuo sobre la pieza puede causar lentamente la volatilización del plastificante si la elección del plastificante es incorrecta.
Los artículos de caucho vulcanizado, de color claro, sometidos a la acción de la luz solar, o bajo el efecto de rayos infrarrojos o ultravioletas, pueden presentar algún cambio de color. Básicamente, en este caso, el factor determinante es la elección del polímero. Sin embargo, el uso de plastificantes inadecuados puede acentuar aún más el problema.
Algunos tipos de plastificantes (especialmente aromáticos, derivados del petróleo) pueden causar manchas en el color del artefacto, así como en las superficies en las que dichos artefactos tienen contacto.
Básicamente podemos clasificar los ingredientes plastificantes en dos grupos:
- Plastificantes de acción química; y
- Plastificantes de la acción física.
Los plastificantes de acción química también se conocen como peptizantes (El producto que permite reducir la viscosidad del polímero, mejorando su capacidad de procesamiento, facilitando la incorporación de ingredientes durante la mezcla).
Los plastificantes de acción física todavía se pueden subdividir en seis categorías básicas, dependiendo de su acción principal sobre el compuesto de caucho, aunque todos los tipos tienen algunos efectos en común, como reducir la viscosidad del compuesto, disminuir la dureza del artefacto vulcanizado, reducir la generación de calor durante el proceso de mezcla y ayudar en el proceso de formación del artefacto.
Las categorías básicas de plastificantes son:
- Plastificantes de acción lubricante;
- Plastificantes de acción diluyente;
- Plastificantes de acción encapsulante (homogeneización);
- Plastificantes de acción solvente;
- Plastificantes que mejoran Tack; y
- Plastificantes específicos.
Podemos decir que los plastificantes de estas categorías proporcionan un cierto grado de lubricación entre las moléculas de elastómero, formando una fina película entre ellas, lo que facilita el deslizamiento de una sobre la otra. Básicamente, esta categoría de plastificantes presenta una interacción mecánica en compuestos de caucho.
En esta categoría de plastificantes se clasifican los derivados del petróleo, como los aceites parafínicos, nafténicos y aromáticos, así como algunas resinas del mismo origen.
Los plastificantes sintéticos también pertenecen a esta categoría, se entiende que, durante el procesamiento de la mezcla, estos plastificantes penetran en los espacios intermoleculares del elastómero causando una reducción de las fuerzas interactivas entre las moléculas facilitando el deslizamiento de una sobre la otra, y simultáneamente crea interfaces activas de cargas de polímero – plastificante, lo que proporciona compatibilidad y dispersión.
Algunos plastificantes sintéticos todavía causan modificaciones de las condiciones reológicas del compuesto, mejorando la resistencia a la flexión a bajas temperaturas.
Basándonos en el uso de aceites plastificantes en caucho, podemos separar inicialmente en dos aplicaciones, que son: Producción del elastómero y Procesamiento del compuesto.
La aplicación de plastificante en la producción de elastómero, como materia prima, se llama aceites diluyentes (SBR 1783 / Keltan 6675).
Es muy común en la producción (polimerización) de algunos tipos de caucho, como ciertos grados de SBR, BR, IR y EPDM, obtener polímeros de excelentes propiedades físicas, pero con alto peso molecular, en consecuencia muy alta viscosidad, lo que hace casi imposible procesar la mezcla y el conformado con equipos de producción normales en fábricas de caucho. Luego, aprovechando las propiedades del polímero y buscando adaptarlas a los medios normales de procesamiento (de las industrias del caucho), los productores de los polímeros agregan cantidades definidas de aceites diluyentes formando así “masterbatches”.
Plastificantes parafínicos
El aceite mineral parafínico es una sustancia derivada del petróleo que tiene aleaciones químicas estables y resistentes, que no pueden ser fácilmente alteradas por influencias químicas. Estas características se justifican por el hecho de que las parafinas no se oxidan a temperaturas ambiente o relativamente altas.
Estos son hidrocarburos parafínicos que contienen átomos de carbono combinados con hidrógeno por medio de enlaces simples, que ofrecen cadenas moleculares lineales o ramificadas.
Los plastificantes (aceites), altamente parafínicos (aquellos que tienen predominio de moléculas de parafina), se presentan como un fluido casi transparente.
Se consideran no tinción, tienen baja polaridad y son menos volátiles (más estables) a altas temperaturas.
Los plastificantes parafínicos son más compatibles con cauchos de butilo y EPDM, presentando mayor dificultad de incorporación en otros tipos de elastómeros.
A medida que aumenta la cantidad de átomos de carbono en la cadena molecular de plastificantes, se vuelven más viscosos, pesados y opacos, es decir, la longitud de la cadena molecular aumenta y, en consecuencia, el peso molecular también aumenta.
Plastificantes nafténicos
Los aceites nafténicos tienen una estructura molecular muy similar a la de los aceites parafínicos, y en este caso también, los átomos de carbono tienen enlaces simples. Sin embargo, la disposición en la cadena tiende a formar anillos cíclicos.
Los aceites nafténicos tienen una buena compatibilidad con la gran mayoría de los elastómeros comunes. Por lo tanto, podemos agregar mayores contenidos (en comparación con la parafínica) a las composiciones de caucho.
Los plastificantes nafténicos tienen una coloración más opaca (translúcida). La viscosidad es ligeramente superior a la de los aceites parafínicos y también se considera que no mancha en los artefactos de caucho.
Plastificantes Aromáticos
Los aceites aromáticos tienen una estructura primaria de hidrocarburos que contiene seis átomos de carbono dispuestos en forma de anillo, unidos por enlaces simples y dobles enlaces alternos.
La coloración de los aceites aromáticos es bastante oscura. Se consideran plastificantes de tinción en artículos de caucho. La viscosidad de los aceites aromáticos es mayor que la de los aceites parafínicos y nafténicos.
La existencia de dobles enlaces en la estructura molecular de los aceites aromáticos los hace muy compatibles con la mayoría de los cauchos que tienen cadenas poliméricas insaturadas. Los aceites aromáticos también son ampliamente utilizados como extensores en la producción de caucho. Sin embargo, este tipo de plastificante es menos estable a altas temperaturas, volatilizándose más fácilmente. Por lo tanto, generalmente no están indicados para compuestos que estarán sujetos a las altas temperaturas del procesamiento de mezcla o formación, o cuando el artefacto vulcanizado funcionará en presencia de mucho calor.
Los aceites aromáticos también se extraen más fácilmente en pruebas de inmersión con disolventes, principalmente químicas.
Plastificantes Sintéticos
Los plastificantes sintéticos son ampliamente utilizados en elastómeros polares de rendimiento técnico medio y alto como: NBR, CR, CSM, CPE, Epiclorhidrinas y Policrílicos, principalmente debido a la compatibilidad, debido a que estas familias de elastómeros son muy sensibles a la composición química de los plastificantes.
Los plastificantes sintéticos también ofrecen muy buenas propiedades a los compuestos de caucho, tanto a los artefactos de procesamiento como a los vulcanizados.
Típicamente, los plastificantes sintéticos están indicados cuando el artefacto vulcanizado debe presentar una resistencia superior y un rendimiento de trabajo a bajas temperaturas, o cuando las características de resistencia a la extracción por solventes o productos químicos es un requisito importante en piezas de caucho, o cuando se requieren ambas propiedades (resistencia a bajas temperaturas y resistencia a solventes).
La polaridad de los plastificantes sintéticos se da en función de su estructura química dominante, siendo básicamente carbono-oxígeno.
Los plastificantes sintéticos con largas cadenas de carbono son menos polares. La producción de plastificantes sintéticos es el resultado de la reacción de varios tipos de ácidos orgánicos tales como: Anhídridos, Ésteres, Alcoholes, Glicoles y Polioles.
En pocas palabras, podemos entender que los plastificantes sintéticos se pueden clasificar como:
- Monoésteres – butilo-oleato; Es el resultado de ácidos monobásicos con alcohol;
- Diésteres – di-2-etilhexil-adipato; es el resultado de ácido-dibásico con alcohol;
- Glicoles – trietilenglicol; Es el resultado de ácidos monobásicos con glicoles;
- Triésteres – tri-2-etilhexil-trimelita; Es el resultado de ácidos tribásicos con alcohol (también puede ser reacción de ácidos monobásicos con glicerol);
- Poliésteres – más comúnmente conocidos como plastificantes poliméricos; Es el resultado de la reacción de ácidos dibásicos con glicoles.
Por lo general, los plastificantes monoésteres, diésteres, triésteres y epoxidados tienen viscosidades bajas, mientras que los plastificantes poliésteres (poliméricos) tienen una viscosidad más alta.
El ftalato de octilo di es un líquido aceitoso, generalmente transparente. Es soluble en los disolventes orgánicos más comunes y es miscible en aceites minerales como el etanol y el éter, aunque es insoluble en agua.
Este producto tiene baja volatilidad, pero se debe tener cuidado al almacenarlo, ya que no se puede mezclar con oxidantes fuertes como cloro líquido y oxígeno concentrado. Debe evitarse el contacto con llamas abiertas, calor y chispas. Requiere ventilación adecuada.
El ftalato de dioctilo, como su nombre lo indica, pertenece al grupo de los ftalatos. Que son un grupo de compuestos químicos, que se utilizan principalmente como plastificantes, ya que aumentan la flexibilidad, elasticidad y alargamiento del caucho.
Conclusión
Nuestro objetivo aquí era recopilar información básica sobre más de este ingrediente utilizado en compuestos de caucho que a menudo, por elección inade quada, pueden comprometer las características deseadas, ya sea de procesamiento o del artefacto vulcanizado.
Sabemos que el universo de información sobre plastificantes es muy amplio. Por lo tanto, el contacto cercano con los fabricantes de estos productos puede ayudarnos a elegir la condición adecuada para la condición que deseamos
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