Introducción a la polietileno Terephthalate (PET)

Polietileno Terephthalate (PET) es uno de los polímeros sintéticos más producidos en el mundo, valorados por su excelente resistencia mecánica, resistencia química, claridad óptica y reciclabilidad. De botellas de bebidas a fibras de poliéster para la ropa, desde películas de embalaje de alimentos a componentes de ingeniería como piezas automotrices y dispositivos médicos, la versatilidad de PET se impulsa fundamentalmente por su microestructura.

PET es un termoplástico semi-cristalino. En su estado amorfo, las cadenas de polímeros se arreglan al azar, dando un material claro y flexible. Cuando se forman los dominios cristalinos, las cadenas se envasan en laminados ordenados, aumentando la densidad, la fuerza y la resistencia al calor, pero reduciendo la transparencia.

Los fundamentos de la microestructura PET

Fases amorfos y cristalinas

La microestructura de PET se caracteriza por un sistema de dos fases: regiones cristalinas ordenadas incrustadas dentro de una matriz amorfo desordenada. Las regiones cristalinas están compuestas de cadenas de polímero plegadas que forman lamella que se organizan en esféricas más grandes. La fase amorosa consiste en cadenas libres y moléculas de corbata que conectan cristales.

Factores que influyen en la cristalización

El comportamiento de cristalización de PET está influenciado por la temperatura, la velocidad de enfriamiento, el peso molecular y la presencia de agentes nucleantes. La PET cristaliza más rápidamente entre 140°C y 190°C. El enfriamiento lento de la fusión (por ejemplo, en una prensa calentada) permite tiempo suficiente para que las cadenas de polímeros se organicen en cristales, lo que resulta en un mayor grado de cristalización.

Extrusión: Control de la Crystallinidad en Cine y Fibras

La extrusión es uno de los métodos más comunes para convertir la resina PET en perfiles continuos como la hoja, el cine y la fibra. En este proceso, las pellets PET se funden y se ven forzados a través de una murciélago, luego refrigerados y solidificados.El régimen de enfriamiento después de la muerte tiene un efecto profundo en la microestructura.

Quenching rápido para películas amorfos

Cuando PET se extruye sobre un rollo de refrigeración a una alta velocidad de refrigeración (por ejemplo, mediante un proceso de película de fundición), el polímero se solidifica con una cristalización muy baja, y por lo general menos del 5%. Esto resulta en una película transparente y flexible ideal para aplicaciones como el embalaje de alimentos donde la claridad es primordial. Sin embargo, tales películas tienen una resistencia al calor limitada y pueden reducirse cuando se exponen a temperaturas por encima de la transición de vidrio (aproximadamente muchos 70–80°).

Enfriamiento lento para fibras cristalinas

En la extrusión de fibra, el PET fundido se dibuja a través de espinas y luego se enfría en aire o baño líquido. La tasa de refrigeración puede ser controlada por la temperatura del medio de apagado y la brecha de aire. Enfriamiento más lento permite la cristalización, produciendo fibras con mayor cristalina, lo que aumenta la resistencia a la tensión y el módulo. Por ejemplo, las fibras de cordón de neumático requieren alta cristalización para ajustar la velocidad de resistencia repetida.

] Enlace externo: Para más detalles sobre los parámetros de procesamiento de extrusión y su efecto en la cristalización de PET, consulte el ScienceArtículo de texto sobre el procesamiento de PET.

Moldeo de inyección: piezas de precisión con cristalina controlada

El moldeo por inyección se utiliza para producir piezas PET complejas y tridimensionales como preformas para botellas, tapas de contenedores y componentes de ingeniería. El proceso implica la fusión de las pellets PET e inyectar la derretida bajo alta presión en un molde refrigerado. La temperatura del molde y la tasa de enfriamiento son factores críticos que determinan la microestructura de la parte final.

Temperatura moldeada y cinética de cristalización

Si el molde se mantiene a una temperatura inferior a la transición de vidrio (por ejemplo, 20–40°C), el PET inyectado se enfría rápidamente, lo que resulta en una microestructura principalmente amorfa. Esto produce partes transparentes con buena resistencia al impacto pero baja temperatura de deflexión de calor. En contraste, el uso de una botella de soplado (por ejemplo, 80–120°C) permite enfriar más despacio, promoviendo la cristalización.

Cristalización inducida por las lágrimas

Durante la inyección, las altas tasas de encaje cerca de las paredes del molde pueden inducir la orientación molecular y acelerar la cristalización. Esta cristalización inducida por el tirón puede resultar en una morfología de color de piel: una capa de piel altamente orientada y cristalina y un núcleo menos orientado y más amorfo. El espesor de estas capas depende de la velocidad de inyección, la temperatura de derretimiento y la temperatura de molde.

] Enlace externo: Una revisión completa de los efectos de moldeo por inyección en polímeros semi-cristalinos está disponible en ACS Macro Letters.

Moldeo de soplado: orientación biaxial y cristalización inducida por el estrado

El moldeo por soplado es el proceso dominante para producir botellas PET y contenedores huecos. El proceso normalmente comienza con un preforma moldeada por inyección que se calienta a una temperatura por encima de la transición de vidrio (aproximadamente 100–120°C) y luego se infla con aire de alta presión dentro de un molde. El estiramiento rápido del polímero en las direcciones axial y aromática conduce a la orientación biaxial, que afecta dramáticamente la microestructura.

Orientación en cadena y propiedades mejoradas

Durante el estiramiento, las cadenas de polímeros se alinean en la dirección de la cepa, formando dominios amorfos orientados que pueden transformarse en regiones cristalinas mediante cristalización inducida por la cepa. Esta orientación conduce a una microestructura con moléculas de lamella y corbatas altamente alineadas, dando lugar a mejoras notables en la resistencia a la tensión, resistencia al impacto y propiedades de barrera de gas.

Optimización de la relación entre el estiramiento y la temperatura

El grado de orientación y cristalinidad depende de la relación de estiramiento (la cantidad que el material se expande) y la temperatura del preforma. Las proporciones de estiramiento más altas producen mayor alineación y mayor cristalinidad, hasta alrededor del 30-40%. Sin embargo, si la temperatura es demasiado baja, el material puede llegar a ser frágil; si es demasiado alto, las cadenas se relajan antes de la cristalización ocurre, reduciendo la orientación.

Enlace externo: Para un debate profundo de la cristalización inducida por la cepa en PET, véase este artículo en Journal of Polymers and the Environment.

Anacionalización: Control de postprocesamiento de la cristalina

El acolchado es un tratamiento térmico aplicado después del proceso de formación primaria. Se trata de mantener PET a una temperatura entre la transición de vidrio (Tg, ~70°C) y el punto de fusión (Tm, ~255°C), permitiendo la movilidad molecular para que las cadenas de polímeros puedan reorganizarse en una estructura más cristalina. El acolchado se utiliza comúnmente para mejorar la estabilidad dimensional, aumentar la resistencia al calor y mejorar las propiedades de la barrera.

Efecto de la temperatura y el tiempo de aprendimiento

La cristalina alcanzada durante el amasamiento depende fuertemente de la temperatura. Cerca de la transición del vidrio (por ejemplo, 80–100°C), la cristalización es lenta y la cristalina final es limitada (hasta ~20–25%).A temperaturas alrededor de 140–180°C, la tasa de cristalización es más alta, y la cristalina puede alcanzar 40–50% en minutos a horas.

La elaboración de estructuras orientadas

Cuando PET que ha sido previamente orientada (por ejemplo, película biaxialmente estirada) es amasada, la cristalina aumenta más mientras la orientación se mantiene parcialmente. Esta combinación produce materiales con una fuerza y rigidez excepcionalmente altas. Por ejemplo, las películas PET de calentar se tratan con un paso de aislante controlado para optimizar propiedades mecánicas y dielectricas.

Sólido Estado: estiramiento y dibujo

El estiramiento de estado sólido implica deformar un espécimen PET amorfo o parcialmente cristalino a una temperatura entre Tg y Tm sin fundirse. Este proceso se utiliza ampliamente para producir fibras, películas y monofilamentos de alta resistencia.

Dibujo Uniaxial y Biaxial

El dibujo Uniaxial (estretching in one direction) alinea cadenas de polímeros a lo largo de la dirección del sorteo, produciendo propiedades anisotrópicas. El dibujo biaxial (estrepar en dos direcciones perpendiculares) crea propiedades equilibradas en el plano. Durante el dibujo, las cadenas amorfos se orientan y si la cepa es suficiente, se produce cristalización inducida por cepa.

Proporción de Dibujo y Control de Temperatura

La relación de cajo (longitud final / longitud inicial) es un parámetro clave. Las proporciones de cajo más altas aumentan la orientación y la cristalización, pero si es demasiado alta, puede causar microvoide o ruptura. La temperatura de dibujo debe ser cuidadosamente elegido: demasiado bajo y el material es frágil; demasiado alto y la relajación de cadena reduce la orientación.

Caracterización de la microestructura PET

Para correlacionar las condiciones de procesamiento con el rendimiento final del material, es crucial caracterizar la microestructura. Varias técnicas analíticas se emplean comúnmente:

  • Calorímetría de escaneo diferencial (DSC): Mide la temperatura de transición de vidrio, la entropia fundente y el pico de cristalización fría. El grado de cristalización se calcula a partir de la entropia de la fusión en comparación con el valor teórico de 140 J/g para PET 100% cristalino.
  • X-ray Diffraction (XRD): Proporciona información sobre las fases cristalinas, el tamaño cristalino y la cristalización relativa. La dispersión de rayos X de gran angular (WAXS) revela el tipo de célula de unidad de cristal y el grado de orientación.
  • Microscopía de Luz Polarizada (PLM): Permite la visualización de espherulites y sus tamaños en secciones delgadas, especialmente después del grabado o la mancha. Las muestras anaranjadas a menudo muestran esféricas bien desarrolladas.
  • Medidas de densidad: Dado que el PET cristalino tiene una densidad de ~1.455 g/cm3 y el PET amorfo ~1.335 g/cm3, la medición de densidad es un método indirecto simple para estimar la cristalina de granel.
  • Espectroscopia infrarroja (FTIR): Puede detectar bandas específicas correspondientes a las conformaciones trans y gauche, que se refieren a regiones cristalinas y amorfos, respectivamente.

Enlace externo: Una guía práctica para el análisis de PET por DSC está disponible desde la Nota de Aplicación de Instrumentos .

Implicaciones prácticas: PET de acoplamiento para aplicaciones específicas

La interdependencia del procesamiento, la microestructura y las propiedades permite a los fabricantes diseñar PET para diversos usos finales. Por ejemplo:

  • botellas de vaso: Conseguida mediante moldeo por inyección de un preforme seguido de moldeo por soplado. La orientación biaxial produce un recipiente fuerte, transparente e impermeable que puede soportar la presión interna de carbonación.
  • Fibras de poliéster para textiles: Extiende derretir y dibujado para aumentar la orientación y la cristalización, proporcionando alta resistencia a la tracción, elasticidad y rendimiento de lavado y ropa.
  • Trastas de embalaje de alimentos: A menudo termoformadas de hojas amorfo extruidas, a veces con un paso posterior de amasamiento para mejorar la resistencia al calor para el uso dual-venible.
  • ] Aplicaciones de ingeniería: Las piezas de PET moldeadas por inyección para uso automotriz o eléctrico pueden reforzarse con fibras de vidrio y cristalizarse mediante calefacción de moldes controlados o amasamiento para lograr una alta rigidez y resistencia a las escalofríos a temperaturas elevadas.

Conclusión

La microestructura de polietileno Terephthalate está profundamente influenciada por las técnicas de procesamiento empleadas durante su conversión de resina a producto final. Las tasas de refrigeración, temperaturas de molde, estiramiento mecánico y tratamientos térmicos post-procesamiento, todo dictan el grado de cristalización, orientación y morfología cristalina. Al comprender los principios físicos subyacentes, como la kinetica de cristalización, la resistencia a la tensión y la orientación de cadena