Elastómeros: materiales con presente y futuro

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Le contamos en detalle qué son los elastómeros, sus propiedades distintivas y cuál será el futuro de estos materiales.


Según el Dr. Werner Breuers, de la junta directiva de Lanxess en este momento hay más de mil millones de autos en las carreteras del mundo. Se espera que en el 2050 esta cifra se expanda a más de 2.500 millones.Por esta razón, el desarrollo de una movilidad sostenible se está volviendo una mega tendencia.

Dentro de los ítems en los que se están investigando con más fuerza, de modo paralelo a los de desarrollo de partes ligeras hechas de compuestos con termoplásticos de alto desempeño y alto contenido de fibras, está el de los cauchos de alto desempeño y de químicos para la industria del caucho para hacer “llantas verdes” con baja resistencia al rodaje. La consecución de tipos de caucho basados en materias primas sostenibles es otra de estas tendencias de desarrollo en el área de los elastómeros

Qué son los elastómeros

Qué son los elastómeros

Los elastómeros son materiales poliméricos versátiles que han revolucionado numerosas industrias debido a sus propiedades elásticas y su capacidad de recuperación. Estos materiales únicos tienen la capacidad de deformarse bajo tensión y luego volver a su forma original una vez que se elimina la fuerza aplicada. Desde aplicaciones en neumáticos y sellos hasta aislamiento y juntas industriales, los elastómeros desempeñan un papel crucial en la fabricación de productos duraderos y de alto rendimiento.

Tipos de elastómeros: insaturados y saturados

Tipos de elastómeros

Existen dos tipos principales de elastómeros: los elastómeros insaturados y los elastómeros saturados. Los elastómeros insaturados contienen enlaces químicos insaturados en su estructura molecular, lo que les confiere una mayor flexibilidad y resistencia al desgaste. Ejemplos comunes de elastómeros insaturados incluyen el caucho natural y el caucho de poliisopreno sintético.

Por otro lado, los elastómeros saturados están compuestos por cadenas moleculares en las que todos los enlaces químicos son saturados. Estos elastómeros son más rígidos y menos elásticos en comparación con los elastómeros insaturados. El caucho de etileno-propileno-dieno (EPDM) y el caucho de cloropreno son ejemplos conocidos de elastómeros saturados.

Propiedades de los elastómeros

Los elastómeros exhiben una serie de propiedades que los hacen ideales para diversas aplicaciones. Algunas de estas propiedades incluyen:

  • Elasticidad: los elastómeros pueden deformarse considerablemente bajo tensión y luego recuperar su forma original una vez que se elimina la fuerza aplicada.
  • Resistencia a la tracción: los elastómeros tienen una alta resistencia a la tracción, lo que les permite soportar fuerzas mecánicas sin romperse.
  • Flexibilidad a bajas temperaturas: muchos elastómeros conservan su elasticidad incluso a bajas temperaturas, lo que los hace adecuados para aplicaciones en entornos fríos.
  • Resistencia química: Los elastómeros son resistentes a la acción de muchos productos químicos, lo que los convierte en materiales ideales para sellos y juntas expuestos a sustancias corrosivas.

¿A qué se debe la alta resiliencia y resistencia de los elastómeros?

El proceso de vulcanización

La vulcanización es un proceso crucial en la producción de elastómeros. Durante la vulcanización, se añaden agentes vulcanizantes, como azufre, al elastómero en su estado crudo. Estos agentes reaccionan con los enlaces químicos del elastómero, creando enlaces cruzados adicionales. Esta reacción química mejora las propiedades mecánicas y térmicas del elastómero, aumentando su resistencia y durabilidad.

Esto le da al elastómero una mayor capacidad de recuperación después de haber sido estirado o deformado y mejora su resistencia a la abrasión y a los productos químicos. La vulcanización es un proceso esencial en la producción de muchos productos de caucho, incluyendo neumáticos, juntas, sellos y otros componentes de automóviles

Elastómeros termoplásticos vs termoestables

Los elastómeros termoplásticos (TPE por sus siglas en inglés) son una subclase de los elastómeros que se comportan de manera similar a los termoplásticos en el sentido de que pueden ser procesados varias veces, pero tienen propiedades elásticas como los elastómeros convencionales. El TPE es una combinación de polímeros termoplásticos y elastómeros. A diferencia de los elastómeros termoestables, los TPE no necesitan curarse o vulcanizarse y se pueden moldear por inyección, extrusión y otras técnicas de moldeo. Los TPE también tienen una capacidad de ajuste de dureza y son reciclables.

Los elastómeros termoestables, por otro lado, son materiales que se solidifican irreversiblemente cuando se curan y no pueden ser moldeados o rehechos una vez que se han solidificado. La vulcanización es un ejemplo común de proceso de curado utilizado en la producción de elastómeros termoestables. Los elastómeros termoestables son conocidos por su alta resistencia al calor y a los productos químicos, pero no son reciclables y no se pueden reformar o moldear una vez curados. 

Los TPE son ampliamente utilizados en aplicaciones donde se requiere una mayor flexibilidad, como en sellos y empaques, mientras que los termoestables son comunes en productos como juntas y componentes de automóviles.

Aplicaciones industriales de los elastómeros

Aplicaciones industriales de los elastómeros

Los materiales elastoméricos encuentran usos múltiples no solo en el campo de la movilidad, sino en el uso para productos en el hogar y la construcción, el diseño de máquinas, la protección a la corrosión, pasando por la técnica de sellamiento y empaquetaduras, entre muchos otros.

  • Neumáticos: los elastómeros, como el caucho sintético, se utilizan ampliamente en la fabricación de neumáticos para automóviles, camiones y maquinaria industrial debido a su capacidad para soportar cargas pesadas y resistir la abrasión.
  • Sellos y juntas: los elastómeros son utilizados en la fabricación de sellos y juntas para prevenir fugas y asegurar la estanqueidad en aplicaciones industriales, como en sistemas de tuberías, motores y equipos de sellado.

  • Aislamiento: los elastómeros se utilizan como materiales de aislamiento en la construcción y la industria eléctrica para proteger contra el calor, el ruido y la transferencia de energía.

En todos estos el valor técnico dado al material y a las piezas hechas de elastómero es muy alto. Para cumplir con estos requerimientos, el diseño de las propiedades del material, especificadas para cada aplicación, depende de la mezcla de las materias primas apropiadas, en conjunto con la reticulación química de la matriz polimérica, al igual que de sus procesos de fabricación correspondientes. 

Proveedores de maquinaria de elastómeros

Tecnologías de fabricación de elastómeros

Tecnologías de fabricación de elastómeros

La fabricación de elastómeros y productos elastoméricos se realiza normalmente en los siguientes pasos: generación de una receta y especificación de las materias primas, mezclado, formado y vulcanización.

El formado se puede generar  por prensado, inyección, calandrado o extrusión a la temperatura de vulcanización en un rango de 150 a 200 ºC. Junto con los variados tipos de cauchos sintéticos, el caucho natural tiene una gran importancia en el industria de los elastómeros. Esto no solo por provenir de una fuente renovable, sino por sus excelente elasticidad, su baja producción de calor interno debido a cargas dinámicas y su alta resistencia mecánica.

Debido al continuo requerimiento de propiedades cada vez mejores, el desarrollo de cauchos sintéticos especiales se ha vuelto necesario para los productos actuales de alta tecnología en la industria de la propulsión, el sellado y empaques. En el área de la medicina y la aeronáutica, se emplean productos como el caucho de nitrilo hidratado, caucho de flúor, silicona, cauchos de butilo y fluorosilicona. Los cauchos sintéticos se generan a partir de monómeros basados en derivados del petróleo bajo la aplicación de procesos de polimerización por emulsión, solución o por volumen.

Nuevos elastómeros para aplicaciones a baja temperatura

Una parte esencial de los elastómeros son los materiales de relleno. Gracias al uso, por ejemplo, de ácidos silícicos, se logra aumentar la resistencia al kilometraje de las llantas para automóviles entre 10 y 20 veces comparados con los cauchos sin rellenos.

Para lograr mejorar las propiedades de frenado y resistencia a la abrasión con menor resistencia al rodamiento se optimizan rellenos basados en ácidos silícicos en combinación con cauchos basados en estirol-butadieno (SBR). Desde el punto de vista de los usuarios, en la actualidad se ha implantado en Europa un sistema de etiquetado para las llantas en las que el comprador es informado mediante códigos preestablecidos sobre datos como la resistencia al rodamiento, ruido y resistencia a la abrasión.

Reciclaje de elastómeros

Reciclaje de elastómeros

En el ámbito del reciclaje existe el problema que los elastómeros como polímeros reticulados químicamente, no son fundibles y por ello no son moldeables nuevamente. Coloquialmente se usa el ejemplo de la imposibilidad de retornar un pastel horneado a sus ingredientes iniciales, de harina, huevos, azúcar y levadura.

El estado del arte para el reciclaje de caucho es actualmente la mezcla de material usado triturado en nuevas matrices de caucho. Desafortunadamente, este proceso lleva consigo una disminución notable de las propiedades físicas del material final.

Por tanto, el objetivo se ha sentado en el desarrollo de procesos de de-vulcanización. Charles Goodyear inventó en 1836 el proceso de la vulcanización. Para esto “horneó” en su momento caucho y azufre, obteniendo una masa resistente a la abrasión, los esfuerzos y la temperatura, que podía ser usada para la fabricación de la creciente demanda de llantas de la época.

Inyectoras para caucho y silicona líquida

La empresa que lleva su nombre hoy en día, la Goodyear Tire & Rubber Company, ha patentado un proceso para de-vulcanizar productos curados de caucho. Según Larry Hunt, quien descubrió el proceso junto con Ron Kovolak del departamento de ciencia analítica de la empresa, “un gran número de técnicas de de-vulcanización se han desarrollado durante los años, pero ninguna había sido comercialmente viable. Este proceso, sin embargo parece ofrecer una tasa de recuperación de considerablemente más alta que cualquiera de los intentos anteriores y esto podría reducir al final la cantidad de petróleo y caucho natural necesarios para la producción de partes de caucho”.

El proceso generado por la empresa Goodyear preserva la composición química del caucho, al igual que su peso molecular, preservando el material en buena forma para volverlo a mezclar y curarlo para formar nuevos productos. Para ello se usa un solvente amigable con el medio ambiente y a su vez, reciclable. La empresa asegura que ha alcanzado tasas de recuperación del polímero de hasta 80% en condiciones de laboratorio.

Desarrollos actuales en elastómeros

Desarrollos actuales en elastómeros

En el campo de la fabricación del polímero se usan materias primas renovables en nuevos desarrollos para la consecución de mónomeros. Lo anterior, con el fin de lograr un mejor balance de CO2, constituye un paso importante para la protección de los recursos en comparación con la aplicación del petróleo.

Por ejemplo, con el fin de producir monómeros de etileno y butileno, se usan cultivos de caña de azúcar y maíz. De esta manera, dentro de poco se comercializará caucho etileno-propileno-dieno tipo M (EPDM) que se usa en grandes cantidades en la industria automotriz debido a su alta resistencia a la vejez. De la misma manera, el caucho butilo que se necesita para la fabricación de llantas estará disponible en versión bio-basada. De la misma manera se está investigando en la producción de un caucho natural “sintético” fabricado con procesos bioquímicos.

El uso de materiales de relleno nanoescalados como los nanotubos de carbono, grafeno, filosilicatos, partículas magnéticas y supramagnéticas, materiales renovables como celulosa, almidones o lignina son materiales prometedores para la fabricación de nanocompuestos para alcanzar alto sello contra la permeación, alta resistencia contra diferentes medios, conductividad eléctrica, propiedades conmutables y capacidades sensoriales, al igual que una reducción de peso, lo cual logra mejoras en el gasto energético. La ventaja de muchos de estos nanomateriales es que están ampliamente disponibles en la naturaleza o vienen de fuentes renovables, lo cual mejora el balance de CO2 en su ciclo de vida.

Los desarrollos novedosos de compuestos entre materiales plásticos y elastómeros fabricados por medio de procesos como el moldeo por inyección, sin usar sistemas adhesivos, eliminan pasos y emisiones en el procesos de producción. Estos desarrollos de materiales y procesos hoy en día se llevan a cabo para piezas de dos componentes (2K) basadas en NBR o HNBR y poliamida, debido a los requerimientos de estabilidad térmica y resistencia a los aceites en la industria automotriz.

Los elastómeros debido a su complejo proceso de fabricación en comparación con los plásticos son más costosos. Los procesos de mezclado y de vulcanización son también energéticamente costosos, lo cual trae retos interesantes para el desarrollo futuro de los aparatos de mezclado y las máquinas de procesamiento. Un punto crítico además, es la pregunta del reciclaje de los elastómeros en cuanto a la sostenibilidad y la protección de los recurso, debido a que en el caso de estos materiales, el tema no está completamente resuelto.

El futuro de los elastómeros

El Profesor Dr. Ulrich Giese, director general del Instituto Alemán para la Tecnología del Caucho en Hannover, Alemania, considera que existe un panorama de alto potencial para los elastómeros en el futuro, como lo muestran los siguientes ejemplos:

Llantas: mejoramiento de las propiedades de resistencia al rodamiento, desgaste, tracción y peso, con un resultado favorable para el ahorro de gases invernadero. De igual forma existe potencial en la mejora de la durabilidad y seguridad, al igual que en la instalación de sensores en las llantas mismas.

Técnica de medicina: Sensores, implantes, prótesis, a través del uso de nanocompuestos elastoméricos y cauchos especiales.

Productos elastoméricos técnicos: durabilidad, reducción de peso, resistencia a los medios, a la vejez y a la temperatura. De igual forma se encuentra potencial en el desarrollo de propiedades conmutables como rigidez y amortiguamiento, conductividad eléctrica.

Transporte: reducción de peso, transporte de energía a través de inducción, propiedades conmutables como el amortiguamiento.

Energía: sellos y membranas para celdas de combustible, amortiguamiento en molinos de viento, películas de laminado para módulos fotovoltáicos (energía solar).

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