El polipropileno metalocénico homopolímero y sus grandes cualidades

Los trabajos de desarrollo actuales están enfocados a mejorar un grupo de propiedades importantes que diferencien apreciablemente al polipropileno metalocénico de aquel fabricado por los métodos tradicionales.

El potencial del uso de polipropileno fabricado con catalizadores metaloceno en la fabricación de películas cast está apenas comenzando a ser evaluado. Los trabajos de desarrollo actuales están enfocados a mejorar un grupo de propiedades importantes que diferencien apreciablemente al polipropileno metalocénico de aquel fabricado por los métodos tradicionales, con catalizadores Ziegler-Natta.

Entre los beneficios potenciales que se están evaluando de las películas cast hechas con el nuevo polipropileno están la mayor facilidad de procesamiento, mayor transparencia, rigidez, barrera a la humedad y baja cantidad de extractables.

mPP: nueva resina

Desde mediados de la década de los noventa, el polipropileno fabricado con los catalizadores metaloceno, mPP, ha llamado la atención de los productores de película cast y de películas biorientadas, porque entre los principales atributos de la nueva resina se tienen unas distribuciones de pesos moleculares y de composiciones más angostas, menor cristalinidad y una cantidad de extractables más reducida.

Estas propiedades establecen una diferencia con respecto al polipropileno normal, fabricado con los catalizadores Ziegler-Natta. Las propiedades especiales del polipropileno metalocénico, mPP, se traducen en ventajas en el comportamiento de extrusión y otros procesos de fabricación, así como también en las propiedades de los productos terminados. Las películas cast y biorientadas fabricadas con mPP ofrecen una mayor rigidez, que puede ser atractiva en muchas aplicaciones. Otras propiedades benéficas son las mejoras en el coeficiente de fricción (COF), en la transmisión de vapor de agua y en la apariencia óptica.

El mPP en estudio

De acuerdo con estudios realizados en Fina Oil and Chemical Company, la tecnología de producción de polipropileno con los catalizadores metaloceno permite lograr un mayor control de la distribución del peso molecular, así como de la composición de la resina. Tales variables a su vez determinan otras de gran importancia, como la disposición espacial de las partes de la molécula y la regularidad de dicha disposición.

Todos estos aspectos controlan el grado de cristalinidad, la morfología y la facilidad de cristalización de la resina, que a su vez influyen sobre la facilidad de procesamiento de la misma y definen las propiedades del producto terminado. El conocimiento de estos parámetros moleculares es importante para que el ingeniero de polímeros pueda lograr las propiedades finales más deseables.

El polipropileno producido con la tecnología de los catalizadores metalocénicos proporciona propiedades competitivas superiores a las del polipropileno convencional, que se fabrica con los catalizadores Ziegler-Natta. Fina recientemente presentó sus nuevos tipos de polipropileno metalocénico de alto peso molecular que demuestra tener las propiedades generales típicas de esta clase de resina y que se mencionaron anteriormente. Las películas de BOPP fabricadas en laboratorio con dicho polipropileno demostraron que pueden ofrecer propiedades mejoradas de rigidez, COF, permeabilidad al vapor de agua y al oxígeno, así como propiedades ópticas satisfactorias.

mPP homopolímero

Las películas cast fabricadas con mPP homopolímero y copolímero demuestran tener una resistencia al rasgado Elmendorf alto en la dirección MD y propiedades ópticas superiores a las del Z-N PP. La rigidez es mayor también en el mPP homopolímero. En producción normal, estos resultados son susceptibles de ser mejorados.

La estructura morfológica de las moléculas del polipropileno comercial tradicional, Z-N PP, se describe con el concepto de isotacticidad, que indica que los grupos metilo del monómero mantienen siempre la misma configuración con respecto a la columna vertebral del polímero. Por lo tanto, la molécula mantiene una regularidad en términos de su distribución espacial, también denominada regularidad estérica. Cualquier disrupción en una secuencia isotáctica larga crea un defecto estérico, que rebaja el grado de isotacticidad. Una de tales disrupciones es creada por las inserciones “cabeza a cabeza” de los monómeros de propileno, en el momento de la formación del polímero. La disrupción resulta en la aparición de grupos metilo adyacentes, así como de grupos CH2 también adyacentes.

“Cabeza a cabeza”

El defecto “cabeza a cabeza” se presenta únicamente en el mPP y no en el Z-N PP. Los científicos en polímeros consideran que tales defectos son ocasionales, pero pueden tener un efecto importante en la estructura cristalina de la resina, hasta el punto de afectar las temperaturas de fundición y de cristalización de la misma. La presencia de estos defectos se pueden asimilar a la del etileno en el propileno copolímero al azar, donde las unidades de etileno hacen la función de estos defectos. Uno de los efectos del etileno en la resina es la de rebajar la temperatura de fundición.

Un comportamiento térmico similar se observa en pruebas realizadas estirando películas en el laboratorio para determinar la resistencia de cedencia a varias temperaturas con resinas Z-N PP y mPP. Se ha observado que las películas fabricadas con mPP desarrollan un nivel dado de resistencia de cedencia a temperaturas inferiores a las del Z-N PP, de 5 a 10 °C menos. Esta condición puede tenerse en cuenta para procesamiento de películas de BOPP y cast.

En otro estudio reciente de Cheng y Kuo, de Exxon Chemical, se corrobora el concepto de que los defectos ocasionales del tipo “cabeza a cabeza” en la construcción del polímero, afecta la cristalinidad de la resina mPP provocando disminuciones en la temperatura de fundición de 8 a 10 °C aproximadamente, con respecto al Z-N PP. La temperatura de cristalización también disminuye desde un rango de 105-06 °C del polipropileno convencional a un valor entre 100 y 101 °C en el polipropileno metalocénico.

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Comportamiento reológico

En el mismo estudio de Cheng y Kuo, se tomó en consideración el comportamiento reológico de la resina mPP comparada con el mismo comportamiento de la resina Z-N PP. Las resinas del estudio en particular tenían un índice de fluidez de 35. A bajos niveles de esfuerzo cortante, menores a 20 seg-1, la viscosidad del polipropileno metalocénico es inferior a la del convencional. Tal diferencia se explica aduciendo que en las resinas de distribuciones de pesos moleculares angostas, la viscosidad reducida en la región de bajo esfuerzo cortante se correlaciona con una viscosidad elongacional baja. Este atributo es especialmente ventajoso en procesos tales como la fabricación de fibras retorcidas o en películas cast, donde el polímero está sujeto a flujos extensionales en la región de bajos esfuerzos cortantes. 

Y también puede esperarse que la generación de calor por efecto de la fricción sea mayor en las primeras que en las últimas. Por otro lado, una mayor viscosidad exige operar con un mayor torque y consumo de amperios en el motor de la extrusora. Bajo las mismas condiciones de ajuste de operación del extrusor, el mPP requiere un mayor consumo de energía que se deriva por un lado en una mayor generación de calor por efecto de la mayor viscosidad del material, y por otro, en una mayor temperatura en la masa fundida; esto, comparado con el Z-N PP. En términos generales, este efecto se controla limitando el peso molecular del mPP, para no tener limitaciones en el desempeño de la extrusión.

En el proceso de extrusión de películas cast, es importante que el espesor del polímero pueda ser reducido con facilidad a la salida del labio y a la vez, que el polímero pueda ser procesado a alta velocidad. En la medida en que se adelgaza la película cast con respecto a la abertura del labio del dado se presenta la tendencia a que ocurra resonancia en la película, lo cual limita la velocidad de operación de la línea. Debido a que el mPP tiene una menor viscosidad elongacional y una menor elasticidad en fundido, con respecto al Z-N PP, las películas cast pueden ser fabricadas a una mayor velocidad lineal (en un caso se reportó un incremento de velocidad del 10%, aproximadamente).

Al comparar las propiedades de las películas del mismo espesor, el mPP ofrece una mayor rigidez. En parte, esta mayor rigidez se explica por la mayor orientación que puede lograrse con la resina mPP. La mayor capacidad de adelgazamiento y la mayor flexibilidad de operación que se tiene con el mPP, son ventajas importantes para aplicar el mPP en el proceso de extrusión de películas cast. Las otras ventajas observadas se mencionaron en este artículo y son propiedades muy deseables en una película cast destinada para empaques de alimentos y otros bienes de consumo en el mercado. Entre los mercados de interés están el de productos de panadería, bizcochería y otros alimentos, así como bolsas de alta resistencia mecánica.