Termoplásticos versus termoestables: rompiendo las diferencias

Los termoplásticos y termoestables son dos tipos principales de plásticos que se utilizan comúnmente en diversas industrias. Si bien comparten algunas similitudes con los polímeros orgánicos, los termoplásticos y los termoestables tienen diferencias clave en su estructura molecular y propiedades que determinan cómo se pueden usar.

Este artículo lo ayudará a comprender las diferencias entre termoplásticos y termoestables para ayudarlo a comprender sus diferentes características y aplicaciones.

Descripción general de termoplásticos y termoestables

Las dos categorías principales de materiales poliméricos utilizados en la fabricación son los termoestables y los termoplásticos.

Aquí hay una breve definición de ambos materiales:

• Los termoplásticos son polímeros que se vuelven flexibles o moldeables por encima de una temperatura específica y se solidifican al enfriarse. Puedes recalentarlos y remodelarlos una y otra vez sin alterar su estructura química.
• Los termoestables son materiales poliméricos que curan o endurecen irreversiblemente mediante la formación de redes entrecruzadas.

Diferencias entre termoestable y termoplástico:

Algunas propiedades clave que difieren:

• Los termoplásticos se pueden endurecer y ablandar repetidamente cuando se calientan, mientras que los termoestables se endurecen permanentemente después de su formación inicial.
• Los termoplásticos tienen temperaturas de fusión más bajas en comparación con las temperaturas de degradación de los termoestables.
• Los termoestables generalmente tienen mayor resistencia mecánica, dureza y estabilidad térmica.

A continuación se muestran algunos ejemplos de termoplástico.

• Acrílico
• Nylon
• Polioximetileno de copolímero de acetal
• Acetal Homopolímero Polioximetileno
• Policarbonato (PC)
• Polietileno (PE)
• Poliestireno (PS)
• Polipropileno (PP)
• Policloruro de vinilo (PVC)
• Tereftalato de polietileno (PET)
• teflón

Los plásticos termoestables se utilizan en las industrias porque los termoestables proporcionan integridad estructural y son más económicos. A continuación se muestran algunos ejemplos de plástico termoestable:

• Fenólicos
• Silicona
• Melamina
• Epoxy
• Fluoruro de polivinilideno (PVDF)
• Politetrafluoroetileno (PTFE)
• Poliuretano
• poliimida

En la fabricación, los termoplásticos son susceptibles de procesos como el moldeo por inyección, mientras que los termoestables requieren impregnación de refuerzos y curado controlado. Los compuestos se pueden fabricar utilizando matrices poliméricas tanto termoplásticas como termoestables. Algunos ejemplos son los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) y los compuestos de matriz cerámica (CMC) como C/C-SiC.

Propiedades químicas y estructura.

Cadenas de polímeros y reticulación 

Los termoplásticos son cadenas lineales de moléculas, generalmente basadas en carbono, como el polietileno y el nailon. Fáciles de remodelar, son flexibles porque carecen de uniones fuertes entre cadenas. Sin embargo, las moléculas de los termoestables están entrecruzadas, creando una red compleja. Los materiales como el epoxi, la silicona y los fenólicos tienen esta estructura similar a una malla, lo que los hace difíciles de remodelar una vez que se han curado.

• Termoplásticos: lineales, sin reticulación (p. ej., policarbonato, acrílico)
• Termoestables: redes reticuladas que se cruzan (p. ej., epoxi, poliuretano)

Resistencia química

Si te enfrentas a productos químicos, querrás saber qué aguantará. La elección del polímero es clave. Los termoplásticos como el polipropileno pueden resistir muchos villanos químicos sin problemas, pero pueden debilitarse con ciertos solventes. Los termoestables, bendita su estructura robusta, resultan un poco más fuertes: materiales como el epoxi y el fenólico se mantienen firmes contra un espectro más amplio de sustancias químicas debido a esa molesta reticulación.

• Resistencia química:
  • Termoplásticos: de bueno a excelente (varía según el material, por ejemplo, nailon, acrílico)
  • Termoestables: normalmente excelentes (p. ej., silicona, poliuretano)

Proceso de fabricación y moldeado.

Cuando se necesita producir productos termoplásticos y termoestables, existen diferentes técnicas para procesarlos en:

• Termoplásticos: calentados para hacerlos flexibles para procesos como moldeo por inyección y extrusión.
• Termoestables: Impregnados en refuerzos y sometidos a reacciones de curado controladas.

Moldeo por Inyección y Extrusión

Cuando se trata de termoplásticos, técnicas como el moldeo por inyección y la extrusión son los métodos preferidos. En el moldeo por inyección, el plástico termoestable se funde y se inyecta en un molde a alta presión. Es un proceso rápido, ideal para realizar grandes cantidades de artículos idénticos. Para la extrusión, el plástico se empuja a través de un troquel para crear formas largas y continuas.

Características clave del proceso:

• Los gránulos termoplásticos se introducen en un barril calentado y se introducen bajo presión en una cavidad del molde.
• Pueden ocurrir problemas debido a la dirección del flujo y la formación de líneas de soldadura.
• Los termoplásticos cristalinos como el polietileno (PE) son más propensos en comparación con los amorfos como el poliestireno (PS).

Procesos de curado

El curado es fundamental cuando se trabaja con plásticos termoestables. Se aplica calor o una reacción química y el material cambia permanentemente; no se le puede remodelar una vez curado. Este proceso permite que los termoestables como la poliimida se solidifiquen y se conviertan en elementos resistentes y duraderos como aislamientos o adhesivos. El curado los hace resistentes a altas temperaturas y productos químicos, por lo que a menudo se utilizan en entornos hostiles.

Infiltración de silicio líquido

Según los resultados de la búsqueda, la infiltración de silicio líquido (LSI) es un proceso utilizado para fabricar compuestos de matriz cerámica, específicamente compuestos de C/C-SiC (carburo de silicio carbono-carbono). Los puntos clave sobre la infiltración de silicio líquido (LSI) de las fuentes son:

• Se trata de infiltrar una preforma de carbono porosa con silicio fundido por encima del punto de fusión del silicio (1414°C). 
• El silicio fundido reacciona con el carbono para formar carburo de silicio (SiC), creando así una matriz compuesta de SiC.
• Es una forma eficiente y rentable de fabricar compuestos de matriz de SiC en comparación con otros procesos como la infiltración química de vapor.
• Los parámetros del proceso como la temperatura, el nivel de vacío y la presión del gas inerte se pueden controlar para optimizar la infiltración.
• La microestructura porosa de la preforma de carbono afecta la integridad de la infiltración y la reacción.
• Los compuestos fabricados por LSI tienen alta estabilidad térmica, conductividad térmica y otras propiedades mejoradas.

En resumen, la infiltración de silicio líquido (LSI) es un proceso de fabricación especializado para crear compuestos de matriz cerámica C/C-SiC mediante infiltración de silicio fundido y reacción con carbono.

Transferencia de resina y moldeo por inyección de reacción 

Si utiliza plásticos termoestables, puede utilizar el moldeo por transferencia de resina (RTM): es como una versión más sofisticada del moldeo por inyección, que utiliza preformas. El moldeo por inyección de reacción (RIM) es otra técnica para termoestables, que mezcla dos componentes líquidos para reaccionar y fraguar dentro del molde. Ambos métodos proporcionan piezas resistentes con formas complejas, que a menudo se encuentran en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

Propiedades y rendimiento del material

Los termoplásticos y termoestables difieren significativamente en sus propiedades y características de rendimiento:

 Propiedades mecánicas

• Resistencia: los termoestables generalmente ofrecen resistencia y durabilidad superiores en comparación con los termoplásticos. A menudo se utilizan en aplicaciones exigentes donde los materiales deben soportar altas tensiones sin deformarse. Mientras tanto, los termoplásticos como el polipropileno cuentan con una alta relación resistencia-peso, lo que los hace lo suficientemente fuertes para muchos usos y al mismo tiempo livianos.

Elasticidad y flexibilidad

Los termoplásticos suelen ser más flexibles y elásticos que los termoestables. Por ejemplo, los termoplásticos como el poliestireno se pueden doblar y estirar, lo que los hace ideales para productos que requieren cierta flexibilidad. Esta elasticidad se debe a sus puntos de fusión más bajos, que permiten recalentarlos y remodelarlos según sea necesario.

Estabilidad dimensional y tolerancia

Los termoestables destacan por su estabilidad dimensional: no los verá cambiar de forma o dimensiones fácilmente bajo el calor o durante el curado. Su estructura, una vez fraguada, es sólida como una roca. Para piezas de precisión donde las tolerancias son estrictas, esto es una gran ventaja. Los termoplásticos también tienen una buena estabilidad dimensional, pero pueden deformarse si no se procesan correctamente.

Comportamiento de contracción y fluencia

Observará que los termoplásticos tienden a encogerse un poco a medida que se enfrían tras los procesos de moldeo. Por otro lado, los termoestables tienen una contracción mínima gracias a su estructura reticulada. A largo plazo, los termoplásticos pueden deslizarse o deformarse bajo tensión constante, mientras que los termoestables mantienen su forma firmemente, lo que les otorga una mejor resistencia al impacto con el tiempo.

Efectos de la microestructura

• La cristalinidad afecta las propiedades de los termoplásticos semicristalinos.
• La densidad de reticulación afecta la estabilidad térmica de los termoestables.
• La porosidad y los defectos degradan el rendimiento mecánico.

Comportamiento a altas temperaturas

• La mayoría de los termoplásticos se ablandan entre 150 y 200 °C.
• Los termoestables conservan propiedades hasta 300-400°C
• La resistencia a la oxidación y la corrosión es importante

 Reciclaje y Sostenibilidad

• Los termoplásticos son reciclables
• Los termoestables forman redes entrecruzadas y no pueden reprocesarse

Aplicaciones y uso industrial

Los termoplásticos y termoestables se utilizan en diversas industrias debido a las diferencias en sus propiedades y costos económicos:

Aplicaciones industriales

Algunas áreas de aplicación importantes:

• Automoción: piezas interiores, componentes debajo del capó
• Aeroespacial: estructuras de aviones, componentes de motores.
• Construcción: Tuberías, revestimientos, adhesivos.
• Electrónica: placas de circuito impreso, conectores.

 Compuestos y Precursores

• Compuestos C/C-SiC fabricados utilizando resina fenólica y otros termoestables como precursores
• Plásticos reforzados con fibra de carbono y fibra de vidrio utilizando matrices epoxi.

Economía de costos

Si bien los termoplásticos tienen costos de materia prima más altos, el procesamiento de termoestables puede ser más complejo y costoso. El análisis del costo del ciclo de vida es importante para determinar la elección óptima del material.

Tendencias actuales de investigación de plásticos termoestables y termoplásticos

La investigación en curso se centra en seguir mejorando los termoplásticos y el plástico termoestable, así como en comparar su potencial para diferentes aplicaciones:

Desarrollo de precursores termoestables

• Evaluación de nuevas resinas fenólicas y otros polímeros como precursores de fibra de carbono y carbono-carbono (C/C)
• Adaptación de las propiedades precursoras para un rendimiento compuesto optimizado

Mejoras en el método de procesamiento

• Optimización de los parámetros de moldeo por inyección para minimizar los defectos de la línea de soldadura
• Desarrollar técnicas de fabricación aditiva de alta velocidad y precisión.

Relaciones microestructura-propiedad

• Aclaración de los vínculos entre la cristalinidad, la densidad de enlaces cruzados y las propiedades mecánicas finales
• Estrategias para reducir la porosidad y mejorar la resistencia interfacial.

Evaluación comparativa

• Análisis tecnoeconómicos para determinar la elección óptima del material.
• Modelos de evaluación del ciclo de vida considerando métricas de sostenibilidad.
• Matrices de decisión que clasifican materiales según criterios clave

¿Perspectivas futuras de los termoplásticos y los plásticos termoestables?

Los avances continuos en materiales y fabricación darán forma al panorama futuro de los termoplásticos y termoestables:

Precursores termoplásticos

• Nuevos precursores termoplásticos diseñados para la fabricación de compuestos
• Aprovechar la reciclabilidad manteniendo un alto rendimiento mecánico

Sistemas híbridos

• Mezclas y composites para optimizar propiedades.
• Los ejemplos incluyen epoxis endurecidos termoplásticos.

Fabricación aditiva

• Impresión 3D de alta velocidad de piezas termoplásticas de uso final
• Supera las limitaciones en la complejidad geométrica.

Procesamiento sustentable

• Cambio hacia una producción de base biológica y con reducción de CO2
• Adopción de los principios de la Industria 4.0

En general, la utilización sinérgica de termoplásticos y termoestables permitirá desarrollar sistemas de ingeniería sostenibles y de alto rendimiento.

En resumen, los termoplásticos y los termoestables difieren significativamente en cómo se forman y cómo responden al calor. Los termoplásticos se pueden ablandar repetidamente con calor y endurecer con enfriamiento, lo que permite remodelarlos y reciclarlos más fácilmente. Los termoestables, por otro lado, sufren una reacción química irreversible cuando se curan, lo que significa que mantienen su forma de forma permanente pero no se pueden volver a fundir ni remodelar. Conocer las propiedades de los termoplásticos frente a los termoestables es importante para que los ingenieros y fabricantes seleccionen el material plástico adecuado para los diferentes requisitos del producto y consideraciones de final de vida.