Los rellenos no solo reducen los costos de producción y aumentan los márgenes de ganancia, sino que también mejoran propiedades como la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la dureza superficial, la resistencia, la resistencia al desgaste, la resistencia a la llama y el aislamiento, en cierta medida. En el caso de los plásticos, se utilizan comúnmente rellenos como la fibra de vidrio, el carbonato de calcio, las microesferas de vidrio, los minerales de silicato y el dióxido de titanio.
Fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un relleno común en plásticos de ingeniería. Su componente principal es el dióxido de silicio, junto con otros óxidos metálicos derivados. El principal proceso de producción internacional es el método de trefilado en horno de tanque. Según su contenido alcalino, se puede clasificar en fibras de vidrio sin álcali, con contenido alcalino medio y con contenido alcalino alto. Los plásticos de ingeniería utilizan principalmente fibras de vidrio cortadas sin álcali y fibras de vidrio largas sin torsión. Tras la adición de fibras de vidrio, los plásticos de ingeniería experimentan las siguientes modificaciones:
Ventajas:
Mayor rigidez y dureza: la adición de fibras de vidrio mejora la resistencia y la rigidez de los plásticos.
Mayor resistencia al calor y temperatura de deflexión térmica: Por ejemplo, añadir fibra de vidrio al nailon aumenta su temperatura de deflexión térmica en al menos 30 °C. Generalmente, el nailon reforzado con fibra de vidrio puede soportar temperaturas superiores a 220 °C.
Otras ventajas incluyen: mayor estabilidad dimensional y menor contracción. Menor deformación por alabeo. Menor fluencia. Menor absorción de humedad.
Desventajas:
Un módulo mayor del producto puede reducir la tenacidad. Afecta negativamente la resistencia al fuego debido al efecto mecha, lo que interfiere con el sistema ignífugo y reduce su eficacia. Las fibras de vidrio expuestas también pueden disminuir el brillo superficial de los productos plásticos.
La longitud de las fibras de vidrio afecta directamente la fragilidad del material. Las fibras cortas mal procesadas pueden reducir la resistencia al impacto, mientras que las fibras largas bien procesadas pueden mejorarla. Seleccionar una longitud de fibra adecuada es crucial para minimizar la fragilidad.
El contenido de fibra del producto también es crucial. Los estándares de la industria suelen utilizar porcentajes enteros como 15%, 25%, 30% o 50%, según la aplicación del producto.
Para lograr propiedades mecánicas y efectos superficiales óptimos es necesario considerar cuidadosamente el diámetro y la longitud de la fibra, el tratamiento de la superficie durante la modificación y el contenido de la fibra.
Carbonato de calcio
Los productos de carbonato de calcio se dividen en carbonato de calcio pesado y carbonato de calcio ligero. El carbonato de calcio pesado, abreviado como GCC, se produce mediante la trituración mecánica de calcita natural, piedra caliza, tiza, conchas, etc. Se denomina "pesado" porque su volumen de sedimentación es menor que el del carbonato de calcio ligero. Actualmente, la producción industrial de GCC implica dos procesos: el método seco y el método húmedo. El método seco produce productos más rentables y de amplia aplicación en comparación con el método húmedo.
El carbonato de calcio ligero, abreviado como PCC o carbonato de calcio precipitado, se produce calcinando materias primas como la piedra caliza para producir cal (principalmente óxido de calcio y dióxido de carbono). Posteriormente, la cal se hidrata para formar lechada de cal (principalmente hidróxido de calcio), que se carbonata con dióxido de carbono para precipitar carbonato de calcio. Finalmente, se deshidrata, seca y pulveriza. Alternativamente, se puede producir mediante una doble reacción de descomposición de carbonato de sodio y cloruro de calcio para formar un precipitado de carbonato de calcio, seguida de deshidratación, secado y pulverización.
El carbonato de calcio es uno de los primeros rellenos inorgánicos utilizados para mejorar y tensar el PP. El carbonato de calcio de tamaño micrométrico ha dominado durante mucho tiempo sus aplicaciones. Estudios demuestran que añadir carbonato de calcio aumenta la resistencia al impacto del PP, pero reduce la resistencia a la tracción. El carbonato de calcio ligero puede mejorar tanto la resistencia al impacto como el límite elástico, y el PCC tratado con ácido esteárico muestra mejores resultados. El carbonato de calcio tratado con agente de acoplamiento de titanato mejora significativamente la resistencia al impacto del PP.
Con la llegada del carbonato de calcio de tamaño nanométrico, se ha descubierto que el nano-CaCO₃ puede mejorar y endurecer simultáneamente el PP, con mejores efectos de endurecimiento que el carbonato de calcio de tamaño micrométrico. Las investigaciones indican que la morfología del nano-CaCO₃ influye considerablemente en las propiedades mecánicas de los compuestos. El nano-CaCO₃ cúbico mejora la resistencia al impacto, mientras que el nano-CaCO₃ fibroso mejora las propiedades de tracción. El nano-CaCO₃ también refina las esferulitas de PP y promueve la formación de cristales β.
Microesferas de vidrio
Las microesferas de vidrio son un nuevo tipo de material de silicato, que incluye variedades sólidas y huecas. Normalmente, las microesferas de vidrio con un tamaño de partícula de 0,5 a 5 mm se denominan microesferas finas, mientras que las inferiores a 0,4 mm se denominan microesferas. Las microesferas provienen de diversas fuentes, como las microesferas de vidrio de cenizas volantes, que son partículas esféricas ligeras extraídas de las cenizas volantes. Su componente principal es el dióxido de silicio, junto con diversos óxidos metálicos. Las microesferas de vidrio de cenizas volantes ofrecen ventajas como resistencia a altas temperaturas y baja conductividad térmica. Cuando se utilizan como rellenos en plásticos, mejoran la resistencia al desgaste, la resistencia a la compresión y la resistencia a la llama. Su forma esférica única mejora la fluidez del procesamiento, mientras que su superficie lisa mejora el brillo del producto y reduce la adherencia de la suciedad.
Las microesferas de vidrio se utilizan ampliamente para reforzar y endurecer el PP. Diversos estudios demuestran que, a medida que aumenta el contenido de microesferas de vidrio, el módulo de tracción, la resistencia a la flexión y el módulo de los compuestos de PP/microesferas de vidrio extruidos con uno o dos tornillos aumentan linealmente, mientras que el límite elástico disminuye ligeramente. La deformación por fractura mejora con un contenido bajo, pero disminuye rápidamente con niveles más altos. La resistencia al impacto de los materiales extruidos con uno o dos tornillos mejora y aumenta con el contenido de microesferas de vidrio dentro de un rango determinado. La resistencia al impacto de los materiales extruidos con un solo tornillo es ligeramente superior a la de los materiales extruidos con dos tornillos. El tamaño de partícula de las microesferas de vidrio afecta significativamente la tenacidad de los compuestos de PP/microesferas de vidrio.
Minerales de silicato
Los minerales de silicato más utilizados e investigados incluyen el talco, la montmorillonita (MMT) y la wollastonita, aunque la atapulgita y la zeolita también reciben considerable atención.
El talco y el MMT son minerales de silicato estratificados. El talco es un mineral de silicato de magnesio con una estructura laminar. Generalmente, las partículas más finas ofrecen una mejor dispersión, lo que mejora la temperatura de deflexión térmica del material y la suavidad de la superficie. El MMT presenta una mayor separación entre capas y se utiliza a menudo en la preparación de compuestos de PP mediante el método de intercalación. El MMT puede formar una estructura bien intercalada dentro de la matriz de PP, lo que mejora la resistencia al impacto y la estabilidad dimensional.
La atapulgita (ATP) es un silicato estratificado. Se trata de un mineral de silicato nanomaterial unidimensional natural, cuyas unidades estructurales básicas son monocristales aciculares o fibrosos cortos. La ATP puede combinarse con polipropileno tanto a nivel de microcarga como de nanorefuerzo, mejorando así las propiedades mecánicas del material. Este nuevo tipo de fibra corta de arcilla supera las desventajas de las resinas convencionales reforzadas con fibra de vidrio, como la baja fluidez, la rugosidad y el alto desgaste de los equipos de procesamiento, lo que la hace muy valiosa para el desarrollo.
La wollastonita es un mineral de silicato monocatenario que se presenta típicamente en forma de agregados laminares, radiales o fibrosos. Estudios demuestran que los plásticos con relleno de wollastonita no solo mejoran las propiedades mecánicas, sino que también pueden reemplazar las fibras de vidrio, reduciendo costos. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de relleno, la dureza del compuesto aumenta, lo que provoca un desgaste significativo en los equipos de procesamiento.
La zeolita es un mineral de silicato estructural. Su rica estructura porosa le permite adsorber o cargar partículas funcionales, lo que facilita la preparación de compuestos de polipropileno altamente funcionales y aumenta el valor del producto. Por lo tanto, el desarrollo de compuestos funcionales de PP/zeolita presenta un gran potencial y se ha convertido en un tema clave en la investigación actual.
Dióxido de titanio
La composición química del dióxido de titanio es TiO₂. Dependiendo de su forma cristalina, puede ser rutilo o anatasa. El rutilo es la forma cristalina más estable, con una estructura densa, y ofrece mayor dureza, resistencia a la intemperie y propiedades anti-calcificación que la anatasa. Es estable frente a diversas sustancias químicas presentes en la atmósfera, insoluble en agua y presenta buena resistencia al calor. La adición de dióxido de titanio no solo mejora la blancura del producto, sino que también reduce el daño por rayos UV, mejorando así la resistencia del polipropileno al envejecimiento por la luz. También mejora la rigidez, la dureza y la resistencia al desgaste de los productos. Sin embargo, su compatibilidad con materiales cristalinos como el PP y el PA es deficiente, lo que hace necesaria una modificación de la compatibilización.
Polvo épico
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