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Polipropileno
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¿Qué es el polipropileno?

El polipropileno o PP es un plástico de desarrollo relativamente reciente que ha logrado superar las deficiencias que presentaba este material en sus inicios, como eran su sensibilidad a la acción de la luz y al frío. Ello es posible mediante la adición de estabilizantes y la inclusión de cargas reforzantes como el amianto, el talco o las fibras de vidrio.

El polipropileno se obtiene a partir del propileno extraído del gas del petróleo. Es un material termoplástico incoloro y muy ligero. Además, es un material duro, y está dotado de una buena resistencia al choque y a la tracción, tiene excelentes propiedades eléctricas y una gran resistencia a los agentes químicos y disolventes a temperatura ambiente.

El polipropileno (PP) es el polímero termoplástico, parcialmente cristalino, que se obtiene de la polimerización del propileno (o propeno. Pertenece al grupo de las poliolefinas y es utilizado en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen empaques para alimentos, tejidos, equipo de laboratorio, componentes automotrices y películas transparentes. Tiene gran resistencia contra diversos solventes químicos, así como contra álcalis y ácidos.

Estructura química

Por su mecanismo de polimerización, el PP es un polímero de reacción en cadena, "de adición" según la antigua nomenclatura de Carothers. Por su composición química es un polímero vinílico, cadena principal formada exclusivamente por átomos de carbono, y en particular una poliolefina.

Tacticidad

Las moléculas de PP se componen de una cadena principal de átomos de carbono enlazados entre sí, de la cual cuelgan grupos metilo (CH3-) a uno u otro lado de la cadena. Cuando todos los grupos metilo están del mismo lado se habla de "polipropileno isotáctico"; cuando están alternados a uno u otro lado, de "polipropileno sindiotáctico"; cuando no tienen un orden aparente, de "polipropileno atáctico". Las propiedades del PP dependen enormemente del tipo de tacticidad que presenten sus moléculas.

Las imágenes siguientes ilustran los distintos tipos de polipropileno según su tacticidad. Los átomos de carbono se representan en rojo (grandes) y los de hidrógeno en azul (pequeños).

Tipos

PP homopolímero. Se denomina homopolímero al PP obtenido de la polimerización de propileno puro. Según su tacticidad, se distinguen tres tipos:

PP atáctico. Material completamente amorfo, tiene pocas aplicaciones.

PP isotáctico. La distribución regular de los grupos metilo le otorga una alta cristalinidad, entre 70 y 80%. Es el tipo más utilizado hoy día.

PP sindiotáctico. Muy poco cristalino, lo cual le hace ser más elástico que el PP isotáctico pero también menos resistente...

Polipropileno Atáctico Polipropileno Atáctico
Polipropileno Isostático Polipropileno Isostático
Polipropileno Sindiotáctico Polipropileno Sindiotáctico

PP copolímero. Al añadir entre un 5 y un 30% de etileno en la polimerización se obtiene un copolímero que posee mayor resistencia al impacto que el PP homopolímero. Existen, a su vez, dos tipos:

Copolímero estadístico. El etileno y el propileno se introducen a la vez en un mismo reactor, resultando cadenas de polímero en las que ambos monómeros se alternan de manera aleatoria.

Copolímero en bloques. En este caso primero se lleva a cabo la polimerización del propileno en un reactor y luego, en otro reactor, se añade etileno que polimeriza sobre el PP ya formado, obteniéndose así cadenas con bloques homogéneos de PP y PE. La resistencia al impacto de estos copolímeros es muy alta, por lo que se les conoce como PP impacto o PP choque.

Propiedades

El PP isotáctico comercial es muy similar al polietileno, excepto por las siguientes propiedades:

  • Menor densidad: el PP tiene un peso específico entre 0,9 g/cm3 y 0,91 g/cm3, mientras que el peso específico del PEBD (polietileno de baja densidad) oscila entre 0,915 y 0,935, y el del PEAD(polietileno de alta densidad) entre 0,9 y 0,97 (en g/cm3)
  • Temperatura de reblandecimiento más alta
  • Gran resistencia al stress cracking
  • Mayor tendencia a ser oxidado (problema normalmente resuelto mediante la adición de antioxidantes)
  • Tiene una excelente compatibilidad con el medio.
  • Es un material fácil de reciclar

El PP tiene un grado de cristalinidad intermedio entre el polietileno de alta y el de baja densidad.

Cuando el porcentaje de etileno supera un cierto valor, el material pasa a comportarse como un elastómero, con propiedades muy diferentes del PP convencional. A este producto se le llama caucho etileno-propileno (EPR, del inglés Ethylene-Propylene Rubber).

Propiedades mecánicas

PP homopolímero PP copolímero Comentarios
Módulo elástico en tracción (GPa) 1,1 a 1,6 0,7 a 1,4
Alargamiento de rotura en tracción (%) 100 a 600 450 a 900 Junto al polietileno, una de las más altas de todos los termoplásticos
Carga de rotura en tracción (MPa) 31 a 42 28 a 38
Módulo de flexión (GPa) 1,19 a 1,75 0,42 a 1,40
Resistencia al impacto Charpy (kJ/m2) 4 a 20 9 a 40 El PP copolímero posee la mayor resistencia al impacto de todos los termoplásticos
Dureza Shore D 72 a 74 67 a 73 Más duro que el polietileno pero menos que el poliestireno o el PET

Presenta muy buena resistencia a la fatiga, por ello la mayoría de las piezas que incluyen bisagras utilizan este material así como otros elementos deslizantes no lubricados. Zdemás, tiene buena resistencia superficial, buena resistencia química a la humedad y al calor sin deformarse, así como buena dureza superficial y estabilidad dimensional.

Propiedades térmicas

PP homopolímero PP copolímero Comentarios
Temperatura de fusión (ºC) 160 a 170 130 a 168 Superior a la del polietileno
Temperatura máxima de uso continuo (ºC) 100 100 Superior al poliestireno, al LDPE y al PVC pero inferior al HDPE, al PET y a los "plásticos de ingeniería"
Temperatura de transición vítrea (ºC) -10 -20

A baja temperatura el PP homopolímero se vuelve frágil (típicamente en torno a los 0ºC); no tanto el PP copolímero, que conserva su ductilidad hasta los -40ºC.

Propiedades ópticas

El PP homopolímero es transparente, con un índice de refracción en torno a 1,5. Esto, unido a su buena resistencia mecánica, lo hace un material muy utilizado para producir vasos desechables.

Propiedades eléctricas

El PP es un buen dieléctrico. Por ello se le utiliza en películas muy delgadas para formar capacitores de buen desempeño.

La resistencia transversal es superior a 1016 O cm. Además, por presentar buena polaridad, su factor de perdidas es bajo.

Propiedades químicas

Tiene naturaleza apolar, y por esto posee gran resistencia a agentes químicos. Presenta poca absorción de agua, por lo tanto no presenta mucha humedad. Tiene gran resistencia a soluciones de detergentes comerciales. El polipropileno como los polietilenos tiene una buena resistencia química pero una resistencia débil a los rayos UV (salvo estabilización o protección previa).

Usos y aplicaciones

El polipropileno ha sido uno de los plásticos con mayor crecimiento en los últimos años y se prevé que su consumo continúe creciendo más que el de los otros grandes termoplásticos (PE, PS, PVC, PET). En 2005 la producción y el consumo de PP en la Unión Europea fueron de 9 y 8 millones de toneladas respectivamente, un volumen sólo inferior al del PE.

Por su gran resistencia al calor, se emplea en la fabricación de objetos que precisan esterilización, como los artículos sanitarios en general. También se emplea en la fabricación de utensilios de cocina, engranajes que no precisen lubrificación y como aislante eléctrico, elementos mecánicos de electrodomésticos, parachoques de automóviles etc. Por ser lineal y cristalino, el polipropileno también se emplea para la obtención de monofilamentos y rafias para su utilización en la industria textil, especialmente en la fabricación de moquetas. También se utiliza este material para la confección de flejes para el atado de embalajes. El polipropileno presenta, además, una peculiar propiedad, dada su especial organización macromolecular: si se moldea una pieza produciendo un estrangulamiento lineal de la misma, se orienta de forma que permite la flexión alterna a lo largo del eje formado por el estrangulamiento sin apenas fatiga del material, por lo que mediante este método es posible moldear cajas de una sola pieza que tengan el efecto bisagra, o bisagras convencionales para aplicarlas en la articulación de elementos ligeros. En forma de película, se emplea ampliamente en sustitución de las celofanas en embalajes y artículos de escritorio.

El PP es transformado mediante muchos procesos diferentes. Los más utilizados son:

  • Moldeo por inyección de una gran diversidad de piezas, desde juguetes hasta parachoques de automóviles
  • Moldeo por soplado de recipientes huecos como por ejemplo botellas o depósitos de combustible
  • Termoformado de, por ejemplo, contenedores de alimentos. En particular se utiliza PP para aplicaciones que requieren resistencia a alta temperatura (microondas) o baja temperatura (congelados).
  • Producción de fibras, tanto tejidas como no tejidas.
  • Extrusión de perfiles, láminas y tubos.
  • Producción de película, en particular:
  • Película de polipropileno biorientado (BOPP), la más extendida, representando más del 20% del mercado del embalaje flexible en Europa Occidental
  • Película moldeada ("cast film")
  • Película soplada ("blown film"), un mercado pequeño actualmente (2007) pero en rápido crecimiento

Una gran parte de los grados de PP son aptos para contacto con alimentos y una minoría pueden ser usados en aplicaciones médicas o farmacéuticas.

El polipropileno es el tercer plástico más importante desde el punto de vista de las ventas y es uno de los de mas bajo costo puesto que pueden sinterizarse de materiales petroquímicos que a su vez son más económicos. Es un material parcialmente cristalino, con una cristalinidad del 65% aproximadamente y con una entalpía, en estado fluido de unos 110j/g. Tiene además, un buen equilibrio de propiedades interesantes para producir muchos productos manufacturados, no se oxida, ni se deteriora, reduce la permeabilidad, tiene alta resistencia a los ambientes alcalinos y ácidos, posee buena tenacidad. Por todo esto, el polipropileno es considerado uno de los plásticos mas competitivos hoy en día. Los diferentes procesos que se le pueden aplicar al polipropileno, son fundamentalmente inyección, extrusión, moldeo por soplado y calandrado. Es apto para el termo conformado y conformado en frió. Dentro de sus innumerables aplicaciones, se destacan los utensilios domésticos, juguetes, cassetes, block de dibujo o escritura, piezas de dispositivos, empaquetados, utensilios de laboratorio y botellas de diferentes tipos.

Es también utilizable para la conducción de todo tipo de fluidos. En el transporte, el polipropileno, ha sustituido los cauchos duros en las carcasas de las baterías, y cuando posee relleno, tiene aplicaciones en la tapicería de automóviles y en conductos de calefacción, por su alta resistencia a la deformación, por calor, además es utilizado como material de protección y refuerzo en el transporte de mercancías. Se utiliza en la fabricación de sacos y se emplea como bolsas y envolturas debido al lustre satinado, y como se dijo anteriormente, buena tenacidad. Dentro de las ventajas del polipropileno, se encuentra por ejemplo el hecho de no requerir mano de obra especializada, el tener menor tiempo de montaje y fácil manipuleo, es totalmente anticorrosivo, tiene vida útil ilimitada, se adapta a sistemas tradicionales, no forma sarro y no requiere protección especial.

Un segmento importante del mercado es el sector de envasado de productos alimenticios y de artículos de lujo con películas transparentes y opacas, con estas ultimas se envuelven y envasan sobre todo, tabletas de chocolate y galletas, para todo esto, se utilizan películas del mismo material, y el crecimiento de estas en el mercado, se estima de un 8 a un 10% a escala mundial, a causa de las numerosas posibilidades de aplicación, el elevado potencial de sustitución y la buena compatibilidad con el medio ambiente.

Por eso es tenido en cuenta hoy en día mas que todo para ser utilizado a nivel automotriz, ya que sus ventajas, como lo es su peso reducido, precio, facilidad de conformación y muchas otras mencionadas anteriormente, es seguramente lo que más a influido en la notable influencia del polipropileno en los automóviles de nuestros tiempos.

Hay además varios tipos de tratamientos térmicos aislantes que brinda el polipropileno. Por ejemplo, el Polipropileno Expandido, es anticorrosivo, y aplicado por extrusión lateral en altos espesores . Sirve para la protección anticorrosiva externa de tuberías de acero, sumergidas para el transporte de fluídos. De baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica e impermeabilidad, es ideal para su utilización en aguas poco profundas. Es utilizado en la Aislación térmica y protección anticorrosiva externa de tuberías de acero sumergidas para el transporte de fluidos. De baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica e impermeabilidad, es ideal para su utilización en aguas poco profundas.

Otro que vale la pena mencionar es el Polipropileno Compacto, que igualmente sirve como revestimiento anticorrosivo, y aislante a base de polímeros termoplásticos aplicados a altos espesores. Es utilizado al igual que el anterior en la protección anticorrosiva externa y aislación térmica de tuberías de acero sumergidas para el transporte de fluidos. Es de alta resistencia mecánica e impermeabilidad es ideal para una amplia gama de condiciones de instalación, en aguas muy profundas .

El Polipropileno Sintactico, es un Revestimiento Aislante Térmico y anticorrosivo a base de Polipropileno adicionado con micro-esferas de vidrio, aplicado por extrusión lateral en altos espesores.

Proceso de producción

Existen numerosos procesos diferentes para la producción de PP. El más utilizado en el mundo actualmente (2002) es el Spheripol de Basell.

Catalizador

El elemento clave en el proceso es el catalizador utilizado. Se pueden utilizar tres tipos de catalizadores; en orden cronológico de invención:

  • óxidos metálicos
  • Ziegler-Natta
  • metalocenos

Reactores

Los diferentes procesos también se diferencian por el tipo de reactor utilizado. Hoy en día (2007) se utilizan tres tipos de reactores:

En masa. El reactor contiene sólo propileno líquido, catalizador y el PP producto. El ejemplo más extendido de este tipo de procesos es el Spheripol.

En suspensión. Además de propileno y catalizador, en estos reactores se añade un diluyente inerte. Este tipo de procesos fue el utilizado en primer lugar por Montecatini y el más empleado hasta los años 1980 pero hoy en día (2007) ya no se construyen plantas basadas en él por ser más complejo que las alternativas (en masa y en fase gas). Sin embargo, las plantas construidas hasta los años 1980 siguen funcionando y produciendo sobre todo PP choque.

En fase gas. En este caso el propileno se inyecta en fase gas para mantener al catalizador en suspensión, formando un lecho fluido. A medida que el PP se va formando sobre las partículas de catalizador, éstas modifican su densidad, lo cual hace que abandonen el lecho al terminar su función.

Control de la polimerización

La mayoría de los procesos inyectan hidrógeno para limitar el peso molecular producido, ya que actúa como agente de transferencia de cadena.

Historia

Invención (1950-1957)

A principios de la década de 1950, numerosos grupos de investigación en todo el mundo estaban trabajando en la polimerización de las olefinas, principalmente el etileno y el propileno. Varios de ellos lograron, casi simultáneamente, sintetizar PP sólido en laboratorio:

  • J. Paul Hogan y Robert Banks, de la estadounidense Phillips Petroleum, produjeron una pequeña muestra de PP en 1951, pero ni sus propiedades ni el catalizador utilizado la hacían apta para un desarrollo industrial.
  • Bernhard Evering y su equipo de la también estadounidense Standard Oil produjeron mezclas de PP y PE desde 1950 mediante un catalizador de molibdeno, pero los resultados obtenidos no fueron satisfactorios y esta vía de desarrollo fue finalmente abandonada por Standard Oil.
  • El equipo dirigido por el alemán Karl Ziegler, del Instituto Max Planck, había obtenido en 1953 polietileno de alta densidad usando unos excelentes catalizadores organometálicos que con el tiempo se llamarían catalizadores Ziegler. A finales de ese mismo año, obtuvieron PP en un experimento pero no se dieron cuenta hasta años más tarde. En 1954 Ziegler concedió una licencia para usar sus catalizadores a la estadounidense Hércules, que en 1957 empezó a producir PP en Norteamérica.
  • El italiano Giulio Natta, del Instituto Politécnico de Milán (Italia) obtuvo PP isotáctico sólido en laboratorio, en 1954, utilizando los catalizadores desarrollados por Ziegler. Si bien hoy se sabe que no fue realmente el primero en manipular PP, sí fue el primero en arrojar luz sobre su estructura, identificando la isotacticidad como responsable de la alta cristalinidad. Poco después, en 1957, la empresa italiana Montecatini, patrocinadora del Politécnico, inició la comercialización del PP.
  • W.N. Baxter, de la estadounidense DuPont, también obtuvo PP en 1954 pero sólo en cantidades ínfimas y sin encontrarle utilidad al producto obtenido. DuPont nunca llegó a comercializar industrialmente polipropileno.

Un lento desarrollo (1957-1983)

Al principio el uso del PP no se extendió mucho debido a dos razones. En primer lugar, Montecatini se vio envuelta en una compleja serie de litigios de propiedad intelectual con Phillips, DuPont y Standard Oil, lo cual paralizó en gran medida el desarrollo industrial del PP. Esta serie de litigios sólo se resolvió completamente en 1989. Por otro lado Montecatini también tuvo un conflicto con Ziegler porque Natta había usado sus catalizadores sin permiso para obtener polipropileno. Paradójicamente, el renombre obtenido por Natta hizo que los catalizadores Ziegler llegaran con el tiempo a conocerse como catalizadores Ziegler-Natta y ambos investigadores compartirían el Premio Nobel de Química de 1963.

En segundo lugar, el PP tenía serias desventajas frente al PE: menos resistencia al calor y a la luz y fragilidad a baja temperatura. El desarrollo de antioxidantes específicos solucionó la resistencia al calor y la luz mientras que el problema de la baja temperatura fue resuelto incorporando a la formulación del PP pequeñas cantidades de otros monómeros como por ejemplo el etileno.

Crecimiento (de 1983 a la actualidad)

En 1988 el consumo mundial de polipropileno fue de 10 millones de toneladas anuales.

Producción y consumo en Estados Unidos y Canadá: 18.000 millones de libras en 2005 y 18.300 en 2006.

El crecimiento de la producción de polipropileno ha ido de la mano de una serie de fusiones entre los principales productores. Un ejemplo es la historia de la formación de Basell

En 1983 Hercules y Montedison unieron su producción de PP en una empresa conjunta llamada Himont, que pasó así a ser el mayor productor mundial, con alrededor de 1,1 millones de toneladas año (1,1 Mt/a). En 1987 Hercules se retiró de Himont y en 1990 Montedison adquirió el 100% de la empresa, alcanzando su producción casi 1,6 Mt/a. En 1995 Montedison fusionó Himont con el negocio de Shell en el polipropileno, resultando una nueva empresa llamada Montell, con una capacidad de unos 2,8 Mt/a. En 1997 Montedison vendió a Shell su parte por 2.000 millones de dólares.

Por otra parte, BASF y Hoechst, dos empresas químicas alemanas, unieron también en 1997 sus actividades de producción de PP en una empresa común llamada Targor. En 1998 BASF y Shell fusionaron sus divisiones de polietileno, formando Elenac. El polipropileno vino poco después y así en 1999 BASF y Shell anunciaron la creación de Basell, un gigante de las poliolefinas formado por la fusión de Montell, Targor y Elenac. Esta empresa se convirtió en el primer productor de polipropileno del mundo, con un 34% de cuota de mercado, y principalmente centrado en Europa.

Sin embargo, la rentabilidad de la producción de poliolefinas empezó a decaer a partir de 2000. Shell decidió desprenderse de sus activos petroquímicos y solicitó a BASF poner en venta Basell. 2005 BASF y Shell vendieron Basell a The Chatterjee Group y al fondo de inversión Access Industries por 4.400 millones de euros. Chatterjee es la mayor accionista de Haldia Petrochemicals, una petroquímica que, entre otros productos, fabrica PP mediante un proceso licenciado por Basell.


Documentación

http://perso.wanadoo.es/chyryes/glosario/poliprop.htm
http://html.rincondelvago.com/polipropileno.html
http://es.wikipedia.org/