¿Qué son los elastómeros?
¿Sabía que los elastómeros son los verdaderos campeones ocultos de nuestro día a día? Quisiéramos presentárselos:
Los elastómeros son polímeros que poseen una característica de viscoelasticidad (es decir, viscosidad y elasticidad); son polímeros generalmente amorfos con estructura de red reticulada que se deforman ante un bajo grado de tensión y cuando se elimina la tensión vuelven a su forma original.
El término “elastómero” es una palabra compuesta de “elástico” y “polímero”, y con frecuencia se usa como sinónimo de caucho; sin embargo, el último término se aplica más comúnmente a los elastómeros vulcanizados.
Los polímeros vagamente entrecruzados por lo general tienen módulos reducidos de elasticidad y un alto grado de extensibilidad, en comparación con otros materiales. Las cadenas de polímeros se mantienen unidas en los elastómeros mediante enlaces intermoleculares relativamente débiles que permiten a los polímeros estirarse bajo una situación de tensión. Los elastómeros deben su elasticidad a la capacidad de las moléculas de cadena larga de realinearse entre sí para distribuir una tensión aplicada.
Bajo condiciones normales, las largas moléculas de material elastomérico están enroscadas de forma irregular. Cuando se aplica una fuerza, se alinean entre sí en la dirección en la que son jaladas, regresando a su disposición normal cuando la fuerza o la tensión se libera. Debido a esta flexibilidad extrema, los elastómeros individuales se pueden expandir de manera reversible por hasta varios cientos por ciento.
Propiedades
¿Qué es importante sobre los elastómeros para los compradores, químicos y científicos de materiales profesionales? De la amplia gama de elastómeros disponible en el mercado, seleccionan el elastómero cuyas propiedades cumplan mejor los requisitos de su aplicación. Dependiendo de la aplicación, su atención se enfoca en lo siguiente:
- Propiedades mecánicas
- Propiedades térmicas
- Resistencia química
- Propiedades económicas
- Propiedades socio-ecológicas
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de un elastómero consisten en las propiedades físicas que éste presenta cuando existen fuerzas actuando sobre él. Esto incluye, por ejemplo, parámetros como dureza, elongación a la rotura, resistencia a la abrasión y resistencia al desgarro.
Dureza
La dureza de un elastómero es un criterio importante de selección. Una cifra clave en este contexto es la dureza Shore. Para determinarla, la resistencia del elastómero a una fuerza de deformación se mide sobre un periodo de tiempo definido. Mientras que los elastómeros más duros tienen un alto grado de resistencia a la deformación, para los elastómeros suaves sucede lo opuesto.
Elongación a la rotura
La elongación a la rotura es una medida de qué tanto puede estirarse un elastómero antes de romperse. La elongación a la rotura por lo general se da como un porcentaje de la longitud original.
Resistencia a la abrasión y resistencia al desgarro
La resistencia a la abrasión es un parámetro importante para los elastómeros, en especial para aplicaciones de sellado dinámico y neumáticos. Una buena resistencia al desgarro de los elastómeros es importante cuando están sujetos a cortes, desgarros y muescas. Los elastómeros con buena resistencia a la abrasión por lo general también tienen buena fuerza al desgarro. Los elastómeros con mala resistencia a la abrasión, por otro lado, por lo general también tienen mala resistencia al desgarro.
La mayoría de los selladores y adhesivos, por ejemplo, tienen requisitos bajos de resistencia a la abrasión y al desgarro (existen excepciones). Las aplicaciones como llantas, suelas de zapatos o cintas transportadoras industriales, por otro lado, exigen un alto grado de resistencia a la abrasión y resistencia al desgarro.
Propiedades térmicas / resistencia al calor
La temperatura de la aplicación merece especial atención, ya que puede tener un efecto directo en el rendimiento del elastómero. La temperatura operativa máxima puede variar en gran medida de un elastómero a otro. Los elastómeros se vuelven cada vez más duros y pierden flexibilidad conforme las temperaturas bajan o caen por debajo de su temperatura de transición vítrea, lo cual puede llegar a un punto en el que pierden las propiedades similares al caucho o incluso se rompen. Estos cambios son mayormente reversibles, pues son inducidos físicamente; sin embargo, un aspecto aún más crítico son las temperaturas altas, ya que en ese caso los elastómeros pueden sufrir cambios químicos irreversibles.
Los productos de consumo (por ejemplo, juguetes, productos de cuidado personal) o artículos deportivos (por ejemplo, mangos, artículos de nado) por lo general causan poca demanda en la resistencia a la temperatura de los elastómeros. La situación es muy diferente para aplicaciones de movilidad como neumáticos o compartimientos del motor, en la industria aeroespacial o para adhesivos resistentes al calor, en cuyo caso se deben cumplir los requerimientos.
Resistencia química
La resistencia química también puede ser importante, pues algunas aplicaciones de elastómeros implican contacto con otros químicos. La resistencia química hace referencia a la propiedad de un material que se presenta durante una reacción química o después de esta. Si un material sufre una reacción química, en ocasiones puede presentar diferentes propiedades como resultado de una estructura interna cambiada.
Algunos ejemplos de propiedades químicas incluyen compatibilidad líquida, así como resistencia al calor y capacidad inflamable. Mientras que los juguetes, los artículos deportivos y de papelería, por ejemplo, tienen poca necesidad de resistencia química para los elastómeros, sucede lo contrario con las llantas, partes automotrices y partes hidráulicas.
Compatibilidad de fluido
Los elastómeros tienen diversos grados de compatibilidad con fluidos. En caso de que exista una mala compatibilidad, las propiedades de una parte del elastómero pueden deteriorarse rápidamente al punto de falla total. La temperatura y la presión, así como la concentración de un químico, son factores comunes de influencia aquí. En aplicaciones críticas, hace sentido someter a los elastómeros a una prueba funcional.
En numerosas aplicaciones, las partes del elastómero entran en contacto con aceites de hidrocarburos. Ciertas partes del elastómero, como los sellos, se clasifican conforme a su resistencia al calor y al aceite. Un ejemplo es el sistema ASTM D2000, que clasifica a los elastómeros conforme a su resistencia al calor (tipo) y a su resistencia al aceite (clase).
Propiedades económicas
Este punto debe quedar claro: el costo es un criterio de decisión importante al seleccionar un plástico. Los elastómeros pueden ser una alternativa eficiente y rentable para otros materiales, y al mismo tiempo pueden mejorar la comodidad y las propiedades de un producto final. Debido a las diferentes materias primas y costos de los compuestos, así como diversos costos de proceso, los precios pueden fluctuar en gran medida.
Propiedades socio-ecológicas
¿Qué tan importante considera que es la sustentabilidad de un elastómero? Para cada vez más y más compradores y usuarios, este aspecto es el primero en la lista, por lo que vale la pena considerar a los elastómeros desde este punto de vista también.
El caucho natural se obtiene de árboles de caucho naturales y ha sido usado por las personas por miles de años. Hoy en día, es uno de los materiales más importantes que no se deriva del petróleo.
¿Esto hace que el caucho natural sea sustentable? Debe tener en mente que los bosques tropicales están siendo talados con el fin de poner plantaciones de caucho para satisfacer la demanda creciente. Además, se usan pesticidas y herbicidas para proteger los árboles de caucho de pestes y mala hierba.
Lo que muchos tampoco saben: amasar el caucho natural es una actividad muy demandante y, al final de su vida, es difícil de reciclar.
El caucho sintético es un producto de la industria del petróleo. Existen distintos compuestos de caucho sintético que son de gran uso hoy en día. El impacto ambiental negativo de su producción y uso es perjudicial para la sustentabilidad, incluyendo el uso de materia prima fósil, producción demandante y emisiones que son dañinas para el clima y el agua. Además, así como el caucho natural, los polímeros reticulados son difíciles de reciclar; sin embargo, el lado positivo es que pueden ser usados en aplicaciones que reducen las vibraciones y el ruido que son dañinos para la salud.
¿Y qué hay de los TPE? Los TPE están fabricados de una variedad de materiales sintéticos. También existen hoy en día algunos que son materiales de base biológica. Siendo termoplásticos, en teoría los TPE también se pueden reciclar; sin embargo, puesto que no es un tipo importante de plástico, las opciones son limitadas. Desmenuzado, puede servir como material de relleno para otros productos, o puede fundirse y con ello producirse nuevos TPE. Otro aspecto positivo es el bajo impacto ambiental de la manufactura del producto usando TPE, en comparación con el caucho natural.
En resumen: el caucho natural, el caucho sintético y los TPE tienen sus ventajas y desventajas cuando hablamos de sustentabilidad. La decisión final recae en el cliente.
Tipos de elastómeros
Los elastómeros se dividen en dos grupos: elastómeros termoestables y elastómeros termoplásticos. Los dos grupos difieren en gran medida cuando se trata de sus propiedades. Esto se relaciona en particular con su capacidad de forma.
Elastómeros termoestables
Esto es lo que debe saber: los elastómeros no son solo muy deformables, sino también son muy recuperables. Las cadenas de polímeros con gran flexibilidad y movilidad y una estructura de red reticulada garantizan esta elasticidad. Por el contrario, los elastómeros termoestables no pueden volver a moldearse después del proceso de curado, ya que este tipo de elastómeros tiene una estructura de red que está firmemente reticulada en tres dimensiones mediante enlaces químicos inducidos térmicamente. Mientras que los elastómeros insaturados son vulcanizados con azufre, los elastómeros saturados se vulcanizan mediante el uso de agentes reticulantes, ya que no se pueden vulcanizar con azufre.
Elastómeros insaturados
Una característica de los elastómeros insaturados es que contienen enlaces dobles de carbono-carbono. Pueden ser vulcanizados con o sin azufre.
Caucho natural
Analicemos ahora el caucho natural. Su material base es la savia lechosa del árbol de caucho tropical. En un inicio, se hicieron intentos experimentales para usarlo para la fabricación de bolsas, válvulas y otros productos; sin embargo, su resistencia a la temperatura baja, así como su capacidad de agrietamiento y adhesión lo hacen imposible.
No fue sino hasta que Charles Goodyear, quien investigaba formas de mejorar las propiedades materiales del caucho natural, logró el descubrimiento. En el proceso de vulcanización desarrollado por Goodyear, el caucho sin procesar se mezcla con azufre y se calienta. El caucho elástico obtenido se usaba inicialmente para hacer suelas de zapatos, mangueras, llantas y otros productos. El auge del caucho natural vino décadas más tarde con el surgimiento de la industria automotriz a principios del siglo XX, y la alta demanda de llantas para automóviles.
Gutapercha
¿Conoce la gutapercha? Este elastómero es químicamente similar al caucho natural, pero tiene una estructura molecular distinta (caucho natural: amorfo, gutapercha: cristalino). Esto también tiene como resultado otras propiedades, como mayor rigidez del material que se produce. La base del polímero natural es el líquido lechoso del árbol de la gutapercha, el cual, al evaporarse, genera la coagulación del látex que resulta.
En el pasado, la gutapercha se usaba, entre otros fines, para hacer pelotas de golf y para aislar los cables submarinos, pero hoy en día ya casi no existen aplicaciones en las que todavía se use.
Poliisopreno sintético
El caucho de poliisopreno sintético difiere del caucho natural en su microestructura. Mientras que el último consiste casi por completo de polímero cis-1,4, el poliisopreno sintético es una mezcla de polímero cis-1-4, trans-1-4 y 3,4-vinilo, lo que ocasiona diferencias en las propiedades. Por ejemplo, el caucho sintético por lo general tiene un nivel ligeramente menor de resistencia al desgarro y resistencia a la tracción que el caucho natural. Ambos tienen buena resistencia a la fatiga del caucho y, sobre un amplio rango de temperatura, excelente juego de compresión, elasticidad, y resistencia a la abrasión y el deslizamiento. Sin embargo, tienen mala resistencia a la gasolina, al ozono y a una variedad de solventes orgánicos. Un área importante de uso para el caucho sintético son las aplicaciones técnicas, donde sus muy buenas propiedades mecánicas e índice favorable de precio y rendimiento son una ventaja.
Polibutadieno
¿Sabía qué? El polibutadieno (PBD) representa casi un cuarto del consumo mundial de caucho sintético. Este caucho de gran elasticidad se caracteriza por una extremadamente baja temperatura de transición vítrea y buena resistencia a la abrasión y al desgarro. La generación de calor es reducida, lo que hace que el polibutadieno sea ideal para las aplicaciones de llantas. El PBD tiene menor resistencia al rodamiento que el SBR, pero también presenta menos fricción en superficies húmedas. Por lo tanto, el PBD comúnmente se mezcla con SBR y caucho natural a fin de mejorar el rendimiento de las llantas.
Caucho de estireno-butadieno
El caucho de estireno-butadieno (SBR, por sus siglas en inglés) se produce de estireno y butadieno. La mezcla de los dos monómeros se polimeriza en una solución (S-SBR) o como una emulsión (E-SBR), donde el proceso de manufactura de la última es todavía más comúnmente usado hoy en día. Las propiedades del polímero dependen del índice de los dos monómeros. Por ejemplo, un alto contenido de estireno genera cauchos más duros.
El SBR se caracteriza por tener un precio relativamente menor, buenas propiedades de desgaste y adhesión, y buena resistencia al envejecimiento (con la ayuda de aditivos). Cerca de la mitad de las llantas de automóviles se producen de diversos tipos de SBR. Otras aplicaciones incluyen embragues, suelas de zapatos, cintas transportadoras, adhesivos y muchas otras partes de caucho moldeado.
Sin embargo, no debe confundir el SBR con el TPS, un copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno, pues este último también se obtiene de los mismos monómeros, pero en el copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno, cada monómero de estireno y butadieno forma un bloque y estos se combinan uno con el otro. Por el contrario, en el SBR los dos monómeros se combinan de manera aleatoria.
Otros elastómeros insaturados
Otros elastómeros insaturados de importancia son el caucho de cloropreno, el caucho de butilo y el caucho de nitrilo.
Elastómeros saturados
¿En qué consisten los elastómeros saturados? Estos se caracterizan por el alto grado de estabilidad en factores ambientales como el calor, la radiación, el ozono y el oxígeno. Una reacción a estos factores sucede solo bajo ciertas condiciones y situaciones. Los tipos más importantes incluyen caucho de poliacrílico y de silicona, copolímero de etileno y acetato de vinilo y cauchos EPM y EPDM.
Caucho EPM y EDPM
Lo que debe saber: la base del caucho EPM son los monómeros de etileno y propileno sin enlaces dobles de carbono-carbono insaturados. Los polímeros de cadena larga consisten cada uno de uno o más monómeros que están reticulados de extremo a extremo. Mientras que un copolímero consiste de dos monómeros, etileno y propileno, se añade un tercero monómero en un terpolímero con dieno.
Los dos cauchos de etileno-propileno, EPM(EPR) y EPDM, son un copolímero EP y un terpolímero EP, respectivamente. El EPM y el EPDM difieren solo muy poco en cuanto a rendimiento. Las diferencias significativas en rendimiento existen solo en aplicaciones extremadamente demandantes, como en el ácido acético concentrado. Aquí, algunos compuestos de EPDM ofrecen mejor rendimiento que muchos EPM.
Con el fin de producir un material de caucho elástico, en esencia las cadenas de polímeros tienen que ser enlazadas por vulcanización. Debido a las propiedades químicas de estas cadenas, el proceso de curado para el EPM solo puede estar basado en peróxido. Esto es diferente con el EPDM, donde el monómero adicional de dieno brinda un sitio de vulcanización que permite que el polímero sea vulcanizado en una base de peróxido o azufre. Debido a esta mayor flexibilidad, la industria de selladores prefiere el EPDM, por encima del EPM, para la mayoría de los compuestos de caucho fabricados de EP. Sin embargo, aún existen industrias, como la automotriz, donde el EPM sigue siendo de mucho uso.
Caucho poliacrílico (ACM)
Los cauchos de poliacrílico, también conocidos por el nombre químico copolímero de acrilato de alquilo (ACM, por sus siglas en inglés), son elastómeros sintéticos compuestos de acrilato de etilo u otros acrilatos y una pequeña cantidad de un monómero que facilita la vulcanización. El proceso de manufactura es por lo general emulsión o suspensión. La combinación de una columna vertebral saturada con grupos polares tiene como resultado productos que tienen excelente resistencia al calor y la oxidación, al igual que su resistencia a los aceites hidráulicos que es excelente. La resistencia al ozono y al clima también es muy buena.
Los elastómeros ACM se usan principalmente en aplicaciones que requieren gran resistencia al calor y al aceite. Estas incluyen, en particular, componentes de transmisión como mangueras y sellos, así como sellos mecánicos. Debido a su excelente elasticidad, también se usan en gran medida para amortiguar vibraciones, como los cojinetes de amortiguamiento para vibración.
Caucho de silicona (SI, Q, VMQ)
Analicemos ahora el caucho de silicona. Este elastómero de alto rendimiento contiene silicona, carbono, hidrógeno y oxígeno, y por lo general no es reactivo. Debido a su enlace de Si-O en su estructura, el caucho de silicona tiene propiedades mejoradas en comparación con el caucho natural en cuanto a calor, resistencia a la intemperie, al ozono y al desgaste, estabilidad química y aislamiento eléctrico. Es importante enfatizar su buena estabilidad y resistencia a temperaturas extremas.
El caucho de silicona se usa cada vez más en las industrias donde el producto final debe conservar su resistencia mecánica y su forma original, incluso cuando se expone a temperaturas de calor intenso o bajo cero. Debido a sus propiedades y la facilidad con la que pueden ser fabricados y formados, los cauchos de silicona se usan en una gran variedad de aplicaciones y productos:
- Automotrices
- Productos de consumo
- Ropa deportiva
- Aparatos eléctricos y electrónicos
- Selladores
- Aplicaciones médicas y de cuidado a la salud
- Industrial
- Aeroespacial
- Industria semiconductora
Otros elastómeros saturados
A continuación, se enumeran otros elastómeros saturados importantes:
- Caucho de epiclorhidrina (ECO)
- Caucho de fluorosilicona (FVMQ)
- Fluoroelastómeros (FKM y FEPM)
- Perfluoroelastómeros (FFKM)
- Polietileno clorosulfonatado (CSM)
Elastómeros termoplásticos
¿Desea un alto grado de flexibilidad en manufactura y diseño? Entonces los elastómeros termoplásticos (TPE) podrían ser el mejor material para usted, ya que son los plásticos más versátiles. Los elastómeros termoplásticos se procesan bien con los procesos termoplásticos como extrusión y moldeo por inyección. Para el caucho no se requieren métodos de procesamiento que sean muy demandantes de tiempo, como la vulcanización.
Debido a su estructura molecular con segmentos duros y blandos, los TPE gozan de una gran elasticidad. Pueden ser mezclas físicas o aleaciones de polímeros cristalinos y amorfos. Otra posibilidad son los copolímeros de bloque, que tienen mezclas químicas de bloques de dominios cristalinos (o si no: con una fuerte cohesión) y amorfos en la cadena del polímero.
En caso de los elastómeros termoplásticos y las mezclas, los bloques duros son responsables de las propiedades plásticas del producto final. Entre otras cosas, aseguran una fácil procesabilidad y resistencia a la temperatura, así como propiedades del material como resistencia a la rotura y a la tracción, resistencia química y buena adhesión. Los bloques blandos son responsables de las propiedades elastoméricas o elásticas, en particular la dureza y la flexibilidad, así como el grado de deformación permanente.
Algunas aplicaciones de TPE son:
- Adhesivos, recubrimientos y selladores
- Compuestos
- Productos de consumo
- Electrónicos
- Industria y construcción
- Aplicaciones médicas
- Movilidad
- Modificación de aceites
- Artículos deportivos y calzado
- Impresión en 3D
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Procesamiento de los elastómeros
Ahora, quizá se pregunte cómo se procesan los elastómeros. Los métodos de procesamiento más importantes son la vulcanización y el moldeo por inyección. En el moldeo por inyección, el elastómero líquido se inyecta en un molde y el producto final es una copia exacta del molde. Algunas aplicaciones incluyen los procesos de co-inyección e inyección por inserto. En el caso de la vulcanización, los cauchos naturales y sintéticos se convierten en elastómeros. El caucho producido tiene propiedades permanentemente elásticas en comparación con el producto inicial. Además de la vulcanización clásica con azufre, la reticulación del caucho con frecuencia se lleva a cabo con la ayuda de otros procesos, como rayos catódicos o radicales libres.
Otros métodos de procesamiento son:
- Extrusión
- Moldeo por extrusión-soplado
- Impresión en 3D
- Calandrado de moldeo, etc.
Aplicaciones
Ejemplos de elastómeros
Existe una amplia gama de elastómeros disponible. A continuación, le presentamos los elastómeros con propiedades exclusivas de Kuraray y otros ejemplos muy conocidos.
Elastómeros de Kuraray
Otros ejemplos populares
Encontrará caucho a su alrededor en nuestras vidas diarias. Cientos de miles de artículos del día a día funcionan gracias al caucho -desde pequeños sellos de goma hasta cintas transportadoras de kilómetros de largo. Los elastómeros también se usan como material para un producto muy conocido con cuya capacidad de elongación estamos muy familiarizados: las ligas.
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