Plastificante

Las moléculas del plastificante se inmovilizan dentro de la matriz formada por el polímero, en lugar de formar parte de él. Se creía comúnmente que los plastificantes actuaban insertándose entre las cadenas de polímeros , separándolas (aumentando el "volumen libre"), ^{[ 4 ] [ 5 ]} o hinchándolas y, por lo tanto, reduciendo significativamente la temperatura de transición vítrea del plástico y haciéndolo más blando. Posteriormente se demostró que la explicación del volumen libre no podía dar cuenta de todos los efectos de la plastificación. ^{[ 6 ]} La movilidad de una cadena polimérica es más compleja en presencia de plastificante que lo que predice la ecuación de Flory-Fox para una cadena polimérica simple.

Las moléculas de plastificante controlan la movilidad de la cadena; una cadena polimérica no muestra un aumento del volumen libre alrededor de los extremos del polímero. Si el plastificante/agua crea enlaces de hidrógeno con las partes hidrófilas del polímero, el volumen libre asociado puede disminuir. ^{[ 7 ]}

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

En los últimos 60 años se han evaluado más de 30 000 sustancias diferentes para determinar su idoneidad como plastificantes de polímeros. De estas, solo un pequeño número —aproximadamente 50— se utilizan actualmente a nivel comercial. ^{[ 8 ]}

Los plastificantes éster se seleccionan en función de su relación costo-rendimiento. El fabricante de compuestos de caucho debe evaluar la compatibilidad, la procesabilidad, la permanencia y otras propiedades de rendimiento de los plastificantes éster. La amplia variedad de ésteres en producción incluye sebacatos , adipatos , tereftalatos , dibenzoatos , glutaratos , ftalatos , azelatos y otras mezclas especiales. Esta extensa gama de productos ofrece una variedad de beneficios de rendimiento necesarios para las numerosas aplicaciones de elastómeros , como tubos y mangueras, pisos, revestimientos de paredes, sellos y juntas, correas, cables y alambres, y rodillos de impresión.

Los ésteres de baja a alta polaridad son útiles en una amplia gama de elastómeros, incluyendo nitrilo , policloropreno , EPDM , polietileno clorado y epiclorhidrina . La interacción plastificante-elastómero está regida por muchos factores, como el parámetro de solubilidad , el peso molecular y la estructura química. La compatibilidad y las características de rendimiento son factores clave en el desarrollo de una formulación de caucho para una aplicación particular. ^{[ 9 ]}

Los plastificantes utilizados en el PVC y otros plásticos suelen basarse en ésteres de ácidos policarboxílicos con alcoholes alifáticos lineales o ramificados de longitud de cadena moderada. Estos compuestos se seleccionan en función de diversos criterios, como baja toxicidad, compatibilidad con el material base, baja volatilidad y coste. Los ésteres de ftalato de alcoholes alquílicos de cadena lineal y ramificada cumplen estas especificaciones y son plastificantes comunes. Tradicionalmente, los ésteres de ortoftalato han sido los plastificantes predominantes, pero las normativas han propiciado el abandono de las sustancias clasificadas y su adopción de sustancias no clasificadas, entre las que se incluyen los ortoftalatos de alto peso molecular y otros plastificantes, especialmente en Europa.

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

Se han expresado preocupaciones sustanciales sobre la seguridad de algunos plastificantes de polímeros, especialmente porque algunos ortoftalatos de bajo peso molecular se han clasificado como disruptores endocrinos potenciales con cierta toxicidad para el desarrollo reportada. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Los plastificantes pueden escapar de los plásticos debido a la migración y abrasión del plástico, ya que no están unidos a la matriz polimérica. El " olor a coche nuevo " a menudo se atribuye a los plastificantes o sus productos de degradación, ^{[ 12 ]} sin embargo, múltiples estudios sobre la composición del olor no encuentran ftalatos en cantidades apreciables, probablemente debido a su volatilidad y presión de vapor extremadamente bajas. ^{[ 13 ]}

En la tecnología del hormigón , los plastificantes se conocen comúnmente como reductores de agua, mientras que los superplastificantes se clasifican como reductores de agua de alto rango. Los plastificantes suelen proporcionar reducciones de agua de aproximadamente 5–12%, mientras que los superplastificantes pueden lograr reducciones superiores al 12%, llegando a menudo a 20–40% dependiendo del tipo y la dosificación del aditivo. ^{[ 18 ]} Según la norma ASTM C494, los aditivos reductores de agua convencionales se clasifican generalmente como Tipo A, mientras que los reductores de agua de alto rango se clasifican como Tipo F o Tipo G cuando también proporcionan propiedades retardantes. ^{[ 19 ]} Los plastificantes se utilizan principalmente cuando se requieren mejoras moderadas en la trabajabilidad, mientras que los superplastificantes se emplean en aplicaciones que requieren bajas relaciones agua/cemento y una mayor fluidez. Cuando se añaden a las mezclas de hormigón, confieren una serie de propiedades, incluyendo una mejor trabajabilidad y resistencia. La resistencia del hormigón es inversamente proporcional a la cantidad de agua añadida, es decir, la relación agua/cemento (a/c). ^{[ 20 ]} Para producir un hormigón más resistente, se añade menos agua (sin "dejar sin agua" la mezcla), lo que hace que la mezcla de hormigón sea menos trabajable y difícil de mezclar, lo que requiere el uso de plastificantes, reductores de agua, superplastificantes, fluidificantes o dispersantes. ^{[ 21 ]}

Los plastificantes también se utilizan con frecuencia cuando se añade ceniza puzolánica al hormigón para mejorar su resistencia. Este método de dosificación es especialmente popular en la producción de hormigón de alta resistencia y hormigón reforzado con fibras.

Generalmente, basta con añadir entre un 1 % y un 2 % de plastificante por unidad de peso de cemento. En algunos casos, la adición de plastificante retrasa el fraguado.

Los plastificantes se fabrican comúnmente a partir de lignosulfonatos , un subproducto de la industria papelera . Los superplastificantes se han fabricado generalmente a partir de condensado de naftaleno sulfonado o formaldehído de melamina sulfonado , aunque ahora existen productos más recientes basados ​​en éteres policarboxílicos. Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonatos, naftaleno y superplastificantes a base de sulfonatos de melamina dispersan las partículas de cemento floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática (véase coloide ). En los plastificantes normales, las sustancias activas se adsorben en las partículas de cemento, dándoles una carga negativa, lo que provoca repulsión entre ellas. Los superplastificantes de lignina , naftaleno y sulfonatos de melamina son polímeros orgánicos. Las largas moléculas se envuelven alrededor de las partículas de cemento, dándoles una carga altamente negativa que hace que se repelan entre sí.

Los superplastificantes de éter de policarboxilato (PCE), o simplemente policarboxilato (PC), funcionan de manera diferente a los superplastificantes a base de sulfonatos, ya que proporcionan dispersión del cemento mediante estabilización estérica. Esta forma de dispersión es más potente y mejora la retención de la trabajabilidad de la mezcla cementicia. ^{[ 22 ]}

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

Los superplastificantes (dispersantes) de alto rango generalmente se han fabricado 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 proporciones de 1/2 a 1/3 de los tipos de lignosulfonato. ^{[ 23 ]}

Los plastificantes tradicionales a base de lignosulfonato y naftaleno sulfonato dispersan las partículas de yeso floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática (véase Coloide ). En los plastificantes convencionales, las sustancias activas se adsorben sobre las partículas de yeso, confiriéndoles una carga negativa que provoca repulsión entre ellas. Los plastificantes de lignina y naftaleno sulfonato son polímeros orgánicos. Sus largas moléculas se enrollan alrededor de las partículas de yeso, otorgándoles una carga altamente negativa que hace que se repelan entre sí. ^{[ 24 ]}

Las composiciones pirotécnicas de materiales energéticos , especialmente los propelentes sólidos para cohetes y las pólvoras sin humo para armas, suelen emplear plastificantes para mejorar las propiedades físicas del aglutinante o del propelente en general, proporcionar un combustible secundario e, idealmente, mejorar el rendimiento energético específico (por ejemplo, el impulso específico , el rendimiento energético por gramo de propelente o índices similares) del propelente. Un plastificante energético mejora las propiedades físicas de un material energético a la vez que aumenta su rendimiento energético específico. Los plastificantes energéticos suelen preferirse a los no energéticos, especialmente para los propelentes sólidos para cohetes . Los plastificantes energéticos reducen la masa de propelente necesaria, lo que permite que un cohete transporte más carga útil o alcance velocidades más altas de lo que sería posible de otro modo. Sin embargo, consideraciones de seguridad o de coste pueden exigir el uso de plastificantes no energéticos, incluso en los propelentes para cohetes. El propelente sólido para cohetes utilizado para alimentar el cohete propulsor sólido del Transbordador Espacial emplea HTPB , un caucho sintético , como combustible secundario no energético.