Análisis del uso de los agentes nucleantes tipo Beta para polipropileno

En la Conferencia sobre Poliolefinas 2005, presentada por la Sociedad de Ingenieros del Plástico de Estados Unidos (SPE) llamó la atención un trabajo presentado sobre el tema de la nucleación tipo beta de polipropileno. La conferencia tuvo lugar en Houston, Texas, al comienzo de este año y el trabajo en cuestión fue presentado por el Dr. Philip Jacoby, vicepresidente de tecnología de la empresa Mayzo Inc., localizada en el estado de Georgia, Estados Unidos.

El polipropileno es un polímero semi-cristalino que puede alcanzar su estado sólido adoptando más de una estructura cristalina; es decir que esta resina exhibe la propiedad de polimorfismo. A modo de aclaración, el Dr. Jacoby [1] explica que muchas sustancias en la naturaleza son polimórficas y una de las más famosas es el carbón, pues puede cristalizar como grafito o como diamante.

Por otro lado, los agentes nucleantes son aditivos que desde hace varios años se aplican al polipropileno para mejorar su transparencia (agentes clarificantes) o para mejorar sus propiedades de rigidez (agentes nucleantes propiamente dichos). Estos aditivos funcionan manipulando el proceso de cristalización del polipropileno cuando se está enfriando, ya sea en la extrusión de lámina o película, o en la inyección, entre otros procesos de transformación.

Los agentes nucleantes proporcionan "semillas" para la formación de cristales, en un número superior a las preexistentes espontáneamente en el polipropileno. Sobre estas semillas crecen los cristales de la resina y al ser el número de semillas superior al normal, los cristales crecen formando unas esferulitas* más pequeñas que las regulares. El tamaño de los cristales llega a ser tan pequeño que su diámetro representativo puede ser menor que la longitud de onda de la luz. Como consecuencia, el material adquiere transparencia.

A la vez, la cristalización ocurre más rápidamente y a una mayor temperatura que aquella que es normal para el polipropileno. Estas características le permiten al procesador disminuir el tiempo de los ciclos de inyección y teóricamente, de termoformación.

Una propiedad adicional de los agentes nucleantes, y que hasta hace poco no se conocía mucho a nivel comercial, es el hecho de que éstos también pueden determinar el tipo de los cristales en el polipropileno. La forma de cristal conocida comercialmente es la alfa, o forma monoclínica, la cual funde a aproximadamente 160°C en los homopolímeros producidos con catalizadores Ziegler-Natta, de acuerdo con el Dr. Jacoby.

Su explicación continúa con la aclaración de que en inyección o en extrusión de productos de polipropileno homopolímero, cerca del 95% de los cristales formados espontáneamente son del tipo alfa. Una forma de cristalización que ocurre con menor frecuencia son los cristales de forma hexagonal, también denominados tipo beta. Esta forma ocurre normalmente en un 5% de composición sobre el total de cristales en la resina y su punto de fusión es inferior al del tipo alfa, en el rango de 146°C a 148°C. El Dr. Jacoby afirma que si una muestra de polipropileno contiene ambas formas de cristales, los análisis por barrido de calorimetría diferencial muestran dos picos como puntos de fusión.

Mayzo Inc. lanzó al mercado el año pasado dos referencias de concentrados con aditivos nucleantes que producen la cristalización tipo beta de manera preferencial en el polipropileno homopolímero. Estos son los primeros concentrados de esta clase que llegan al comercio y ya cuentan con la aprobación FDA para contacto con alimentos. Las referencias se denominan BNX BetaPP-LN y BNX BetaPP-N, y son adecuadas para materiales no pigmentados y pigmentados, respectivamente. Los niveles de adición fluctúan entre el 2 y 3%, en peso. Los productores de polipropileno y de compuestos pueden emplear adiciones de 0,25% a 0,50%, en peso.

El Dr. Jacoby ha encontrado otros efectos de interés como resultado de la adición de los nucleantes tipo beta. Por un lado, además de la disminución del punto de fundición del polipropileno homopolímero, también encontró que la resistencia al impacto es mayor y que la resistencia a la tensión en el punto de cedencia disminuye. Sin embargo, cuando el propileno contiene preferencialmente cristales tipo beta y se somete a procesos de deformación, como ocurre en la biorientación de películas y en termoformación, estos cristales se convierten a su forma más estable, o sea a cristales tipo alfa. Esta transformación deja detrás un micro-hueco debido a la contracción del cristal. En consecuencia, la densidad del material disminuye en un rango que se ha calculado entre el 12% y el 40%, dependiendo de las condiciones del proceso.

La formación de micro-huecos tiene otros efectos muy interesantes. Además de reducir la densidad, difracta la luz dando una apariencia opaca y que a la larga permite rebajar el contenido de pigmentos blancos, cuando éstos se requieren. El Dr. Jacoby también afirma que debido a la formación de los micro-huecos mejoran las propiedades de termoformación, porque se presenta una mejor formación de las paredes de los productos. En las películas biorientadas, los micro-huecos aportan la propiedad de respiración de los vapores de agua debido a la mayor difusión de éstos a través del material. Sin embargo, el agua líquida no puede migrar; el material es impermeable, lo que le proporciona aplicaciones en las industrias de empaque y vestuario.

Como se puede observar, con la aparición de los nucleantes de cristales tipo beta para polipropileno se amplía aún más el campo de aplicación de esta resina. El polipropileno sigue siendo un material atractivo por su menor precio y por el desarrollo constante de mejores y más amplias propiedades.

* Las esferulitas son las formas de cristales de los polímeros. 
[1] http://www.mayzo.com/