PS (Poliestireno)

Introducción

El poliestireno es un plástico económico y resistente y probablemente sólo el polietileno sea más común en su vida diaria. La cubierta exterior de la computadora que usted está utilizando en este momento probablemente esté hecha de poliestireno, al igual que las maquetas de autos y aviones. El poliestireno también se presenta en forma de espuma para envoltorio y como aislante. Fue obtenido por primera vez en Alemania por la I.G. Faberindustrie, en el año 1930. Es un sólido vítreo por debajo de 100 ºC; por encima de esta temperatura es procesable y puede dársele múltiples formas.

El número 6 y las siglas PS indican que se trata de poliestireno. El triángulo con flechas indica que se trata de un plástico reciclable (en ningún caso significa que el objeto esté hecho con plástico reciclado)

Estructura y síntesis

A escala industrial, el poliestireno se prepara calentando el etilbenceno en presencia de un catalizador para dar lugar al estireno. La polimerización del estireno requiere la presencia de una pequeña cantidad de un iniciador, entre los que se encuentran los peróxidos, que opera rompiéndose para generar un radical libre. Este se une a una molécula de monómero, formando así otro radical libre más grande, que a su vez se une a otra molécula de monómero y así sucesivamente. Este proceso en cadena finalizará por combinación de dos radicales, sean ambos radicales polímeros o bien radical polímero y otro radical del iniciador, o por abstracción de un átomo de hidrógeno de otra molécula.

El número 6 y las siglas PS indican que se trata de poliestireno. El triángulo con flechas indica que se trata de un plástico reciclable (en ningún caso significa que el objeto esté hecho con plástico reciclado)

Usos del poliestireno y método de moldeo

Diferentes tipos de Poliestirenos

POLIESTIRENO CRISTAL

El producto de la polimerización del estireno puro se denomina poliestireno cristal o poliestireno de uso general (GPPS, siglas en inglés). Es un sólido transparente, duro y frágil. Es vítreo por debajo de 100 ºC. Por encima de esta temperatura es fácilmente procesable y puede dársele múltiples formas.

Estructura

Las unidades repetitivas de estireno conforman el polímero

Peso molecular
El peso molecular promedio del poliestireno comercial varía entre 100.000 y 400.000 g /mol. Cuanto menor es el peso molecular, mayor es la fluidez y por tanto la facilidad de uso del material, pero menor es su resistencia mecánica.

Para conseguir un poliestireno a la vez fluido y resistente se puede acudir a distribuciones bimodales de pesos moleculares.

Ramificación

Las moléculas de poliestireno formadas en los procesos industriales actuales son muy lineales. En laboratorio es posible generar ramificación añadiendo al reactor sustancias como el divinilbenceno o peróxidos tetrafuncionales pero el poliestireno así obtenido es más caro y apenas presenta ventajas frente a sus equivalentes lineales.

Tacticidad

El poliestireno cristal es completamente atáctico; es decir: los grupos fenilo se distribuyen a uno u otro lado de la cadena central, sin ningún orden particular. Por ello se trata de un polímero completamente amorfo (es decir, no cristalino).

Aplicaciones PS cristal

El poliestireno cristal se utiliza también en moldeo por inyección allí donde la transparencia y el bajo costo son importantes. Ejemplos: cajas de CD, perchas, cajas para huevos. Otra aplicación muy importante es en la producción de espumas rígidas, denominadas a veces "poliestireno extruido" o XPS, a no confundir con el poliestireno expandido EPS. Estas espumas XPS se utilizan por ejemplo para las bandejas de carne de los supermercados, así como en la construcción.

CAUCHO SBS

El poliestireno es también un componente de un tipo de caucho duro llamado poli(estireno-butadieno-estireno), o caucho SBS. El caucho SBS es un elastómero termoplástico.

EL POLIESTIRENO DEL FUTURO

Hay una nueva clase de poliestireno, llamada poliestireno sindiotáctico. Es diferente porque los grupos fenilo de la cadena polimérica están unidos alternativamente a ambos lados de la misma. El poliestireno "normal" o poliestireno atáctico no conserva ningún orden con respecto al lado de la cadena donde están unidos los grupos fenilos.

El nuevo poliestireno sindiotáctico es cristalino, y funde a 270^oC. Pero es mucho más costoso. El poliestireno sindiotáctico se obtiene por polimerización catalizada por metalocenos.

POLIESTIRENO DE ALTO IMPACTO HIPS

Se obtiene por polimerizción por radicales libres del monómero estireno, por agregado de caucho polibutadieno a la mezcla. El polibutadieno tiene enlaces dobles en su estructura, capaces de polimerizar. Se obtiene el polibutadieno copolimerizando con el monómero estireno. Copolímero llamado copolímero de injerto. Este es un polímero con cadenas que surgen de él y que son de diferente clase de la cadena principal. En este caso, se trata de una cadena de poliestireno con cadenas de polibutadieno que emergen de ella.

Estas cadenas elastómeras colgando de la cadena principal son altamente beneficiosas para el poliestireno. Recuerde que los homopolímeros de polibutadieno y poliestireno no se combinan entre sí. De modo que las ramas de polibutadieno tratan de provocar una separación de fases y forman pequeñas bolitas, como usted ve en la figura de abajo. Pero estas pequeñas bolitas siempre estarán unidas a la fase de poliestireno. Y por lo tanto ejercen un efecto sobre ese poliestireno. Actúan para absorber energía cuando el polímero es golpeado con algo, confiriéndole una resistencia que el poliestireno normal no posee. Esto lo hace más fuerte, no quebradizo y capaz de soportar impactos más violentos, sin romperse como el poliestireno normal. Este material se conoce como poliestireno de alto impacto, o HIPS, según se abreviatura.

Su inconveniente principal es su opacidad, si bien algunos fabricantes venden grados especiales de poliestireno choque translúcido
En la producción de poliestireno choque o de alto impacto, el medio de reacción consiste inicialmente sólo en una fase, una solución de polibutadieno en estireno ("fase PB"). A medida que el estireno va reaccionando, el poliestireno generado empieza a precipitar (a partir de 2% de conversión) y forma así una fase distinta, la "fase PS", que consiste en partículas de poliestireno dispersas en la fase PB. Las partículas de poliestireno van creciendo y siendo cada vez más numerosas hasta que, en cierto momento, ocupan un volumen igual al de la fase PB. A partir de entonces la disposición de las fases se invierte: la fase PS se convierte en el medio continuo y la fase PB pasa a formar partículas en el seno de la fase PS. A este fenómeno se le denomina inversión de fases.

La inversión de fases no es un fenómeno puntual ni instantáneo sino que se desarrolla sobre un intervalo de conversión relativamente amplio. El valor de este intervalo depende de varios parámetros, principalmente el porcentaje de caucho y el grado de injerto. En todo caso, es necesario un cierto grado de agitación en el reactor para que ocurra la inversión de fases; en caso de no hacerse de esta forma, el producto obtenido aparece como una mezcla informe de poliestireno y polibutadieno, sin distinción clara entre las dos fases.
Durante la inversión de fases la viscosidad de la mezcla aumenta de forma notable.

Aplicaciones HIPS

El poliestireno choque se utiliza principalmente en la fabricación de objetos mediante moldeo por inyección. Algunos ejemplos: carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos, maquinillas de afeitar desechables, juguetes. Según las aplicaciones se le pueden añadir aditivos como por ejemplo sustancias ignífugas o colorantes.

Propiedades

Propiedades mecánicas

Se describen las propiedades del HIPS y el PS cristal

Propiedades térmicas

El poliestireno "compacto" (sin inyección de gas en su interior) presenta la conductividad térmica más baja de todos los termoplásticos. Las espumas rígidas de poliestireno XPS presentan valores aun más bajos de conductividad, incluso menores de 0,03 W / K m, por lo que se suele utilizar como aislante térmico.

Sin embargo, tiene relativamente poca resistencia a la temperatura, ya que reblandece entre 85 y 105ºC (el valor exacto depende del contenido en aceite mineral).

Propiedades ópticas

Mientras que el PS choque es completamente opaco, el PS cristal es transparente. Tiene un índice de refracción en torno a 1,57, similar al del policarbonato y el PVC.

Las mezclas de PS choque y cristal son más translúcidas pero también más frágiles cuanto más PS cristal contienen. Es posible encontrar un compromiso entre ambas propiedades de forma que los objetos fabricados, por ejemplo vasos desechables, sean transparentes a la vez que aceptablemente resistentes.

Propiedades eléctricas

El poliestireno tiene muy baja conductividad eléctrica (típicamente de 10^-16 S m^-1), es decir, es un aislante. Por sus propiedades suele usarse en las instalaciones de alta frecuencia

POLIESTIRENO EXPANDIDO

BASF y Dow desarrollaron independientemente el poliestireno expandido a principios de los años 1940. El proceso de BASF, basado en el uso de pentano como agente espumante, resultó ser muy superior y en la posguerra pasó a ser el único utilizado industrialmente.

La demanda de poliestireno expandido se disparó a finales de los años 1960 gracias en parte a la invención de extrusoras que permitían la inyección directa de pentano al poliestireno líquido.

El poliestireno expandido, conocido como "corcho blanco", es un plástico bastante frágil y muy sensible a prácticamente todos los disolventes. Está dotado de un excelente comportamiento diélectrico y es de fácil. Se utiliza principalmente en la industria para envases frigoríficos, vasos desechables del tipo térmico o empaques para el uso electrónico, entre otros.

Características y aplicaciones EPS

Envasado y embalado 

El EPS es un material que se utiliza ampliamente en el campo del envasado y embalado de una gran variedad de productos, esto es debido a sus propiedades entre las que destacan su alta capacidad de protección y de aislamiento térmico, así como su ligereza y facilidad de conformado.

ALIMENTACIÓN: Garantiza las máximas garantías de higiene y el mantenimiento de los niveles óptimos de protección térmica.

Electrodomésticos, componentes electrónicos, herramientas y muebles: 
Excelente comportamiento de amortiguación de impactos, además de una buena adaptabilidad de los envases y embalajes. 

El EPS en el sector de la construcciónTanto en la edificación como en las obras de ingenieria civil, nos encontramos con numerosas aplicaciones del EPS debido a su elevada capacidad de aislamiento térmico, su ligereza, sus propiedades de resistencia mecánica, su adecuado comportamiento frente al agua y resistencia a la difusión del vapor de agua. La utilización del EPS en la construcción aporta además, beneficios medioambientales principalmente derivados de su función de aislante térmico, ya que ahorra energía. 

PROCESO DE PRODUCCIÓN

El proceso más utilizado en la actualidad para el poliestireno se basa en la polimerización radical en masa. "Radical" significa que la reacción es iniciada por radicales libres, generados bien térmicamente bien mediante moléculas específicas denominadas iniciadores. "En masa" significa que el medio de reacción está formado esencialmente por estireno y poliestireno, añadiéndose a veces otro hidrocarburo inerte perfectamente miscible con el estireno, a menudo etilbenceno, que sirve para moderar la velocidad de reacción. Las líneas basadas en procesos en emulsión y en solución han quedado anticuadas hoy día, siendo reservadas a la producción de grados de especialidad.

Existen numerosas licencias de proceso de estireno disponibles en el mercado. Se diferencian en detalles tecnológicos que tratan de mejorar tanto la calidad del producto como la productividad del proceso pero en esencia el fondo del proceso es el mismo para todas.

Proceso de producción del poliestireno cristal

Acondicionamiento de las materias primas. Al no estar basado en catalizadores, el proceso del poliestireno puede aceptar concentraciones altas de impurezas en las materias primas, por lo que prácticamente no se realiza purificación de las mismas. Algunas plantas hacen pasar el estireno por un lecho de alúmina para retirar el inhibidor de polimerización.

Reacción. El estireno polimeriza espontáneamente, más rápido cuanto más alta sea la temperatura. Los reactores son en esencia recipientes en los que se fija una temperatura entre 100 y 200ºC y se asegura la homogeneidad mediante agitación. Para acelerar la reacción se pueden añadir también peróxidos, que actúan como iniciadores de polimerización. Existen muchos diseños diferentes de reactor que se diferencian principalmente por la forma de evacuar el calor (por tubos internos o condensador externo), por la distribución de tiempos de residencia (tanque agitado o flujo pistón) y por el tipo de agitación.

Desvolatilización. La conversión en los reactores oscila, según el proceso concreto de que se trate, entre un 60 y un 90%. El estireno no convertido y el etilbenceno son separados del poliestireno en la sección de desvolatilización y recirculados a la alimentación. Aunque los diseños varían según las licencias, la desvolatilización consiste generalmente de uno o varios recipientes vacíos (llamados desvolatilizadores) en los que se aplica alta temperatura y vacío extremo a fin de dejar menos del 0,1% de hidrocarburos residuales en el producto. No obstante, la temperatura no debe superar cierto valor, entre 250 y 300ºC, para no degradar las propiedades del poliestireno.

Purificación del reciclo. El estireno y etilbenceno separados en la desvolatilización (corriente a la que se llama reciclo) contienen gran parte de las impurezas introducidas con las materias primas. En algunas plantas se procede a una purificación del reciclo, bien por destilación en vacío, bien mediante lechos de alúmina. En otras plantas simplemente se purga una parte del reciclo, lo cual permite mantener la concentración de impurezas en el proceso bajo control.

Granulación. En el proceso más frecuente, el poliestireno fundido que sale del desvolatilizador pasa por una hilera de agujeros, formando hilos de pocos milímetros de espesor que son enfriados en un baño de agua, secados y cortados en forma de pequeños cilindros a los que se denomina granza. En otro proceso los hilos se cortan antes de secarlos, con la ventaja de generar menos polvo. Por último, en una pequeña minoría de plantas el cortador está situado directamente dentro del baño de agua, en una configuración idéntica a la utilizada para las poliolefinas por ejemplo.

Expedición. El poliestireno es o bien enviado a silos para ser vendido a granel o bien ensacado y embalado en palet de una tonelada.

Particularidades del proceso del poliestireno choque

El poliestireno choque se produce según un proceso muy similar al del poliestireno cristal, por lo que a continuación sólo se enumeran las diferencias.

La diferencia más obvia es que hay que disolver el caucho (normalmente polibutadieno aunque en ocasiones se utiliza estireno-butadieno) en el estireno antes de alimentarlo a los reactores. Para ello se emplean grandes tanques agitados.

Los reactores pueden tener la misma geometría que los del poliestireno cristal pero su control es mucho más delicado porque los parámetros de la reacción influyen en la morfología de las partículas de polibutadieno (cantidad de partículas, tamaño, forma), lo cual tiene un gran efecto sobre las propiedades mecánicas del producto final.

Por último, la temperatura de desvolatilización también debe ser controlada de forma más fina porque de ella depende la reticulación del polibutadieno, que no debe ser ni excesiva ni insuficiente.

Obtención del poliestireno expandido

Para obtener el EPS se someten los granos de poliestireno a una atmósfera muy disolvente y a una cierta temperatura, con lo que los granos, al absorber el disolvente (pentano), aumentan de volumen convirtiéndose en bolitas blandas llamadas "perlas". Si se introducen estas bolitas en un molde y se someten a un rápido calentamiento, la acción conjunta del gas disolvente y el calor provoca la hinchazón de las perlas y la compresión de las mismas dentro del molde hasta adquirir formas poliédricas y colmar el espacio. Al enfriarse, el poliestireno se ha convertido en un material de constitución globular, elástico y ligero. Otros procedimientos, como la inyección llamada "celular", permite la obtención de piezas en las que la densidad del material es decreciente a medida que se progresa hacia su interior. Este material presenta una buena resistencia mecánica y una apariencia similar a la madera.