Densidad y Peso Molecular en Polietileno

Este material llamado "commodity" es en realidad bastante complejo, por lo que la selección del tipo adecuado un reto.

El esquema muestra como nos imaginamos que lucen las moléculas de polietileno de alta densidad, LLDPE y LDPE. Una cadena de PE lineal puede aproximarse muy de cerca a otras cadenas de PE de estructura similar, creando una red muy densa. Esto resulta en un material de alta densidad que es relativamente fuerte y rígido. Pero esta red no nos dice nada acerca de la longitud de las moléculas individuales, lo que afecta a las propiedades tales como la dureza y resistencia a la fluencia.

El polietileno ha estado como material comercial por un poco más de 70 años. Fue uno de los primeros desarrollos en materiales termoplásticos sintéticos. Dada su larga historia, se podría suponer que entendemos todo lo que hay que saber acerca de este polímero. Sin embargo, estoy constantemente sorprendido por la confusión que existe con respecto a dos propiedades clave que describen las propiedades y el desempeño de los PEs. Estas son la densidad y el peso molecular. El peso molecular es típicamente capturado por un número conocido como índice de fusión o velocidad de flujo fundido. Cuanto mayor sea el índice de fusión del material menor es el peso molecular medio del polímero.

Si le preguntas a un procesador de qué tipo de PE está corriendo, una respuesta típica será: "Estoy corriendo un material 7-fundido, 953". Traducción: un material con un índice de fusión nominal de 7 g/10 min. y una densidad de 0,953 gramos/cm3. Estos dos números transmitir una gran cantidad de información con respecto al balance de propiedades que puede obtenerse a partir de piezas moldeadas en este material. Por ejemplo, esta selección particular sería típico para un balde de 5-gal. Estas piezas requieren un equilibrio de resistencia a la fluencia y la tenacidad de modo que cuando se apilen no colapsen bajo su propio peso y cuando se caigan no se rajen.

Mientras que los moldeadores pueden conocer a través de la experiencia lo que funciona para una aplicación determinada, ellos a menudo no saben porqué. Tienden a pensar del índice de fusión como un medidor de procesabilidad y ellos a menudo creen que el peso molecular y densidad están vinculadas, cuando en realidad ellos pueden variar independientemente uno de otro. Parte de la confusión es comprensible. La capacidad de especificar la densidad como una característica de un material puede ser único para el polietileno. Para la mayoría de los polímeros, a menos que esten cargados, la densidad es esencialmente una propiedad inherente del material. La densidad de las mezclas puede variar como una función de la relación de los dos materiales siendo mezclados, pero aquí de nuevo, una vez que la receta se fija esta propiedad es un aspecto fundamental del producto.

No es así con el PE. Debido a la capacidad del material para formar estructuras lineales o ramificadas, la densidad de polietileno puede variar desde un mínimo de 0.857 g/cm3 a un máximo de 0,975 g/cm3. Si tu sostienes dos partes del mismo diseño hechos con materiales que representan estos dos extremos puedes facilmente notar la diferencia. La parte de mayor densidad sería mucho más fuerte y más rígido y también sería más probable que falle una prueba de impacto, particularmente si se realiza a una temperatura baja.

Si usted pesa las dos partes también se daría cuenta de que la pieza elaborada a partir del producto de mayor densidad era más pesado. Y es aqui donde la confusión entra. Mucha gente asume que el peso de la parte está relacionada con el peso de las moléculas de polímero individuales que componen la pieza. Sin embargo, los dos no están relacionados en absoluto. Si nos fijamos suficientemente en las hojas de datos de los PEs, veremos que hay materiales de baja densidad con valores altos y bajos de índice de fusión y hay materiales de alta densidad con este mismo rango de valores de índice de fusión. Si las dos propiedades estuvieran ligadas esto no sería posible.

La figura 1 ayuda a ilustrar la diferencia. Muestra un esquema de como nos imaginamos que lucen las moléculas de PEAD, PEBDL y PEBD. Una cadena de PE lineal puede aproximarse muy de cerca a otras cadenas de PE de estructura similar, creando así una red muy densa. Esto resulta en un material de alta densidad que es relativamente fuerte y rígido.
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Pero esta red no nos dice nada acerca de la longitud de las moléculas individuales. Pueden ser muy larga o relativamente corto. Lo mismo puede decirse de las estructuras ramificadas. La ramificación mantiene las cadenas individuales más separadas, lo que reduce la densidad y las propiedades de soporte de carga del material. Pero una vez más, las cadenas individuales pueden ser muy largas o muy cortas. Si las cadenas son largas el índice de fusión será bajo, el material exhibira una mayor viscosidad de fundido y una mayor resistencia de fundido, y la pieza moldeada resultante tendrá un mejor desempeño al impacto en comparación con un material de densidad comparable que se compone de cadenas más cortas.

El hecho de que estas dos propiedades sean variables independientes es una noticia buena y mala. La buena noticia es que ofrece la posibilidad de una gama muy amplia de opciones de transformación y de desempeño y es una de las razones por las que el polietileno es un material tan versátil. La mala noticia es que hace más difícil la comprensión de la relación entre estas propiedades y el desempeño de la parte .

A veces, estas dos propiedades trabajan juntas para mejorar un aspecto particular de desemepeño mientras que otras veces funcionan en oposición unos a otros. Por ejemplo, laresistencia a la fluencia se mejora mediante el aumento de la densidad o el peso molecular. Sin embargo, la mejora de la tenacidad se logra mediante el aumento de peso molecular o disminuyendo la densidad.
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Si el índice de fusión del material del balde que se discutió anteriormente se elevara para facilitar su procesamiento, el desempeño al impacto podría disminuir a un punto en que las partes no pasarian las pruebas estándar realizadas por la industria de los envases. Si la densidad del material fuera reducida para restaurar esta tenacidad perdida, un cambio de unas pocas milésimas incluso podría causar quela resistencia a la fluencia se convierta en inaceptable. La combinación adecuada para una aplicación dada es crítica.

Esto se puso de manifiesto más de una década atrás, cuando los fabricantes de pequeñas tanques de gas para productos tales como las cortadoras de césped y turbinas quitanieves cambiaron la densidad del polietileno que estaban usando de 0.946 a 0.952 g/cm3, cuando el material original dejó de estar disponible. El índice de fusión se mantuvo igual en 4 g/10 min. Al principio no hubieron problemas aparentes con el nuevo material.

Sin embargo, con el tiempo ciertos diseños mostraron una mayor tendencia a agrietarse durante el uso. Esto llevó a un retiro grande y la experiencia ha tenido efectos duraderos en las regulaciones para la fabricación de estos tanques. Es posible que la pérdida de tenacidad provocada por el aumento de la densidad podría haber sido compensada por una reducción en el índice fusion. Pero la mayoría de los procesadores involucrados en el moldeo de las piezas estimaron que los materiales de más altos peso molecular eran demasiado difíciles de procesar. No fue hasta otro proveedor de PE intervino con un material que tiene un peso molecular y densidad comparable a la del producto original que el problema fue resuelto.

Así que tan común como el PE puede ser, este "commodity" es un material muy complejo. La selección del grado correcto entre las miles de opciones comerciales, requiere un conocimiento profundo de la interacción entre estas dos propiedades. El abanico de propiedades de este polímero se extiende desde materiales que lindan con elastómeros hasta aquellos que son relativamente fuertes y rígidos.

Michael Sepe - Michael P. Sepe LLC
Plastics Technology
Junio 2012