La acción de los agentes nucleantes en el polipropileno

Los agentes nucleantes han sido usados en la industria de fabricación del polipropileno para proveer mayor transparencia y una mayor temperatura de distorsión. Hasta la década de los 80 el agente nucleante preferido fue el benzoato de sodio; a partir de esa fecha la industria vio la aparición de varios agentes nucleantes avanzados, tales como las sales de ésteres fosfatados (como el NA-11 y NA-21 de Asahi Denka) y los acetales de sorbitol (Millad 3988 de Milliken), entre otros.

Es aceptado que los agentes nucleantes ofrecen una superficie heterogénea a la resina de polipropileno durante el enfriamiento en fase fundida. Este tipo de superficie actúa como un conjunto de semillas (partículas pequeñas) para formación de cristales, los cuales bajo estas circunstancias se forman más rápidamente y a una temperatura mayor a la que se presenta cuando no existen dichos agentes. Estos gérmenes de la cristalización pueden ser los residuos del catalizador, impurezas, polvo, etc.; es posible entonces modificar y controlar la morfología de la cristalización adicionando gérmenes artificiales mediante un proceso que se denomina nucleación. Por lo anterior, la nucleación aumenta la temperatura de cristalización y el número de cristales formados, y además mejora otras propiedades del polipropileno como el módulo de flexión, la temperatura de deflexión y la transparencia.

El cambio en la temperatura de cristalización se mide cuando la resina fundida está en el proceso de enfriamiento y tiende a solidificarse; este fenómeno de recristalización se presenta normalmente en el molde formador o en el dado de extrusión. La temperatura de cristalización, Tc, de un polímero puede ser medida como el pico de absorción máxima de energía en un equipo de barrido por calorimetría, DSC (siglas de su nombre en inglés). Otra forma de medir la tendencia a la cristalización se hace por medio del tiempo medio de cristalización, T1/2, el cual corresponde al tiempo al cual se logra el 50% de la capacidad total de cristalización en condiciones isotérmicas. Esta medida también se realiza usando el DSC.

tabla 1 describe algunas mediciones logradas con varios agentes de nucleación de vieja y nueva generación.

El agente nucleante HPN-68 corresponde a la última generación, es producido por Milliken quien lo considera como un "hiper nucleador", y como se puede observar en la tabla, promete ser un agente más efectivo que los mencionados en este conjunto. Una consecuencia inmediata es que en los procesos de conversión realizados con polipropileno nucleado los productos podrían ser retirados del molde a una temperatura mayor que la usada en las piezas no nucleadas. Igual expectativa existiría en el caso de la extrusión de productos de polipropileno nucleado. En tales casos, se lograrían reducciones en los tiempos de los ciclos de moldeo o aumentos en la velocidad de extrusión, respectivamente.

Aunque la referencia HPN-68 fue desarrollada para ser empleada por los fabricantes de la resina, hoy en día los transformadores que moldean o extruyen polipropileno cuentan con la opción de usar una presentación en forma de concentrado que puede ser adicionada directamente en la máquina extrusora. Se trata de la nueva referencia Hyperform HI5-5, también de Milliken.

Para información del lector, la  tabla 2 indica el efecto de la adición de los agentes nucleantes sobre las propiedades mecánicas y térmicas mencionadas arriba.

En la tabla se puede observar que las referencias de polipropileno nucleado ofrecen propiedades mecánicas y térmicas superiores. Llama la atención que la resistencia al impacto no parece ser afectada de manera significativa por el aumento en la rigidez del material.

Otro punto de interés con respecto al desempeño de las resinas semicristalinas es el dimensional, sobre todo en el momento de la cristalización y enfriamiento del producto. Quizás el factor más importante en este sentido es la homogeneidad con que se da el enfriamiento y las contracciones en el material. La literatura especializada le da mucha importancia al buen mezclado que el agente nucleante debe tener en la matriz de la resina; los agentes nucleantes en general no se dispersan tan fácilmente como lo hacen los agentes clarificantes, puesto que los primeros son materiales inorgánicos que no se disuelven en la resina. La dispersión depende entonces de las características mecánicas del proceso de extrusión, como el mezclado en condiciones de comportamiento elongacional de la resina.

Otra desventaja potencial en la acción de los agentes nucleantes se debe a la alta velocidad de cristalización asociada; bajo un patrón de alta velocidad de cristalización puede existir una mayor tendencia hacia el congelamiento de los esfuerzos residuales en las piezas moldeadas o formadas, lo cual a su vez puede llevar al incremento de la deformación. Tal situación puede presentarse con mayor facilidad en la producción de partes de mayor tamaño, como ocurre en la industria automotriz.

Sin embargo, para que un agente nucleante sea eficiente en la tarea de modificar la cinética de la cristalización en el polímero, debe cumplir con los siguientes requisitos: debe ser insoluble en el polímero, su punto de fusión debe ser superior al de la resina, el tamaño de partícula debe situarse entre 1 y 10 micrones y, por último, debe dispersarse homogéneamente en la matriz polimérica. El mecanismo de nucleación es en realidad muy complejo y el efecto de un agente nucleante depende de numerosos parámetros como pueden ser la naturaleza del polipropileno (homopolímero, copolímero de impacto o al azar, etc.), el índice de fluidez, el índice de polidispersidad, las condiciones de procesamiento e inclusive el proceso de polimerización. Por esta razón, el uso óptimo de un agente requiere el empleo de un trabajo extenso de desarrollo.

En conclusión, el proceso de nucleación es una herramienta poderosa que permite mejorar las propiedades físicas, mecánicas y ópticas del polipropileno isotáctico.