PBT modificado: rendimiento comprobado en piezas electrónicas y para automóviles
Entre la familia de los plásticos, existe un material reconocido por su excepcional resistencia mecánica, excelente resistencia al calor y excelentes propiedades eléctricas, lo que lo convierte en un 'jugador incondicional' entre los plásticos de ingeniería: el PBT. Cuando utiliza herramientas eléctricas, conduce un automóvil o opera un electrodoméstico, es probable que ya haya estado en 'estrecho contacto' con PBT. Este plástico de ingeniería aparentemente ordinario pero de alto rendimiento sustenta silenciosamente el funcionamiento confiable de la industria moderna.
PBT es un poliéster saturado lineal cristalino producido por la policondensación de ácido tereftálico purificado (PTA) o tereftalato de dimetilo (DMT) con 1,4-butanodiol (BDO). El PBT tiene una densidad de aproximadamente 1,30-1,32 g/cm³, un punto de fusión entre 225-235°C y exhibe buenas tasas de cristalización y ciclos de moldeo cortos, lo que beneficia la eficiencia de la producción. Las piezas de PBT se moldean fácilmente mediante ciclos cortos, lo que ayuda a reducir los costos de producción. Además, el PBT ofrece ventajas como resistencia a la humedad, resistencia al desgaste, resistencia al aceite y baja fluencia.
Actualmente, el consumo anual mundial de PBT supera el millón de toneladas. Ocupa una posición importante entre los cinco principales plásticos de ingeniería de uso general (PA, PBT, PC, POM, PPO) y es un material clave indispensable en campos como la electrónica/aparatos eléctricos y la industria automotriz.
Sin embargo, el PBT tiene inconvenientes como inflamabilidad, sangrado significativo de compuestos de bajo peso molecular al entrar en contacto con refrigerantes, propiedades dieléctricas insuficientes y tendencia a deformar las piezas de paredes delgadas, lo que limita su ámbito de aplicación. Para compensar las deficiencias de rendimiento de la resina PBT pura, se han realizado varios estudios de modificación.
I. Estado actual de la investigación de modificación de plásticos de ingeniería PBT
Para satisfacer las necesidades industriales, el mercado prefiere modificar el PBT para mejorar su funcionalidad. Actualmente, métodos como la modificación por copolimerización, la modificación de rellenos inorgánicos, la tecnología de nanocompuestos y la modificación de mezclas se utilizan principalmente a nivel nacional e internacional para mejorar el rendimiento general del PBT. La investigación sobre la modificación de materiales PBT se centra principalmente en alta resistencia, alto retardo de llama, baja deformación, bajo sangrado y bajas propiedades dieléctricas.
1. Propiedades mecánicas
La resina PBT pura tiene una resistencia a la tracción, una resistencia a la flexión y un módulo de flexión relativamente bajos, lo que limita su aplicación generalizada en los campos industriales. Se necesita modificación para mejorar sus propiedades mecánicas. La fibra de vidrio (GF) ofrece ventajas como una gran aplicabilidad, procesos de llenado simples y bajo costo. Agregar fibra de vidrio al PBT permite aprovechar las ventajas inherentes de la resina de PBT y al mismo tiempo mejorar significativamente la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión y la resistencia al impacto con muescas de los productos de PBT.
2. Retardante de llama
El PBT puro solo puede alcanzar una clasificación UL94 HB en pruebas de combustión vertical. Es inflamable, gotea continuamente mientras arde (potencialmente propagando las llamas), lo que restringe su aplicación en los sectores de automoción, electrónica/electricidad y textil. Comúnmente se agregan retardantes de llama halogenados y libres de halógenos para la modificación de retardantes de llama. Los retardantes de llama halogenados liberan humo tóxico que contiene haluros de hidrógeno durante su combustión, lo que plantea riesgos para la salud humana y el medio ambiente. La UE ha prohibido algunos retardantes de llama halogenados. Para la modificación del retardante de llama PBT, se utilizan principalmente retardantes de llama inorgánicos y a base de fósforo.
Cuando se utilizan retardantes de llama inorgánicos, una adición excesiva puede degradar las propiedades mecánicas del material. Los retardantes de llama a base de fósforo no comparten este inconveniente y ofrecen excelentes características como bajo nivel de humo, baja toxicidad y alta retardancia de llama. A menudo trabajan sinérgicamente con compuestos que contienen nitrógeno para lograr sistemas retardantes de llama más eficientes. Durante la combustión, los retardantes de llama a base de fósforo generan anhídrido fosfórico, que provoca la deshidratación y carbonización del material combustible. La capa de carbón reduce la conducción de calor, retarda o previene la generación de gases inflamables. Además, el anhídrido fosfórico forma una capa fundida que cubre la superficie combustible, dificultando la liberación de gases inflamables.
Más allá de los retardantes de llama tradicionales, agregar nanorellenos a los materiales PBT también puede mejorar el retardo de llama y el rendimiento antigoteo sin comprometer la procesabilidad.
3. Deformación por alabeo
El material PBT tiene un deslizamiento molecular relativamente fácil, lo que conduce a una alta orientación y cristalización, lo que resulta en altas tasas de contracción. Esto provoca deformación por alabeo en las piezas de PBT, especialmente en las grandes de paredes delgadas. Para el PBT reforzado con fibra de vidrio, la naturaleza anisotrópica de las fibras de vidrio añadidas conduce a diferentes tasas de contracción en diferentes direcciones durante el moldeo por inyección, lo que aumenta la deformación de la pieza. Esto no sólo afecta la calidad de la superficie y el rendimiento del ensamblaje de los productos plásticos, sino que también afecta su resistencia.
Para abordar la deformación de las piezas de PBT, además de mejorar el diseño de las piezas, el diseño del molde y los parámetros de procesamiento, modificar el material PBT en sí puede mitigar la deformación. En los últimos años, la deformación por alabeo en materiales PBT se ha mejorado principalmente mediante la adición de relleno inorgánico y la mezcla/aleación.
Además, los polímeros amorfos como el policarbonato (PC), el copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y el copolímero de estireno-acrilonitrilo (SAN) no sufren cristalización durante el moldeo por inyección. Mezclarlos con PBT puede reducir efectivamente la tasa de contracción del PBT.
4. Rendimiento de sangrado/exudación
Debido a reacciones incompletas de las materias primas durante la producción de PBT, se generan pequeñas moléculas y oligómeros. Los productos fabricados con material PBT no modificado pueden presentar sangrado/exudación en determinadas condiciones, lo que afecta la funcionalidad de la pieza. Cuando se utilizan materiales PBT en componentes como silenciadores de compresores de refrigeradores, bobinas de bobinas de motores o marcos aislantes de aire acondicionado, las condiciones operativas únicas pueden provocar la exudación de grandes cantidades de moléculas pequeñas. Estos pueden disolverse en refrigerantes (p. ej., freón, diclorodifluorometano) y potencialmente obstruir las líneas de refrigerante, lo que provoca fallas en el enfriamiento.
Las sustancias sangrantes del PBT se componen principalmente de oligómeros de moléculas pequeñas de la propia resina y pequeñas cantidades de aditivos. El uso de fibra de vidrio, resinas de alta viscosidad y el relleno con una cierta cantidad de adsorbente pueden reducir el sangrado/exudación del PBT.
5. Propiedades dieléctricas
La aplicación de materiales PBT en circuitos integrados y blindaje electromagnético otorga importancia a sus propiedades dieléctricas, que afectan la velocidad y pérdida de transmisión de la señal. En los últimos años, se han impuesto requisitos más estrictos a las propiedades dieléctricas de los materiales aislantes, exigiendo constantes dieléctricas que no superen 2,8 para los materiales de resina aislantes. Las propiedades dieléctricas del PBT puro no pueden cumplir con los requisitos de comunicación, lo que hace que sea significativo el desarrollo de materiales de PBT con baja constante dieléctrica y baja pérdida dieléctrica.
Actualmente, la modificación de las propiedades dieléctricas del PBT implica principalmente rellenar o mezclar con copolímeros de baja constante dieléctrica. Los rellenos comúnmente utilizados incluyen polvo de politetrafluoroetileno (PTFE) y microesferas de vidrio huecas. Los nanotubos de carbono también tienen un impacto positivo en las propiedades dieléctricas del PBT, pero una adición excesiva puede aumentar tanto la constante dieléctrica como la pérdida dieléctrica.
Con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos (EV), la transmisión de alto voltaje impone mayores exigencias a la rigidez dieléctrica de los materiales de los conectores. Aunque el PBT tiene buena resistencia al arco y es adecuado para moldeo a alta velocidad, su baja rigidez dieléctrica impide su uso para transmisión de alto voltaje en vehículos eléctricos. La modificación de las propiedades dieléctricas del PBT con rellenos conductores o cerámicos puede mejorar la rigidez dieléctrica para garantizar la seguridad de los vehículos eléctricos.
II. Aplicaciones de los plásticos de ingeniería PBT modificados
1. Campo automotriz
Con el desarrollo gradual de 'reemplazar el acero por plásticos', cada vez más metales y aleaciones no ferrosos están siendo reemplazados por plásticos. La buena resistencia química, la resistencia al agrietamiento por tensión, la resistencia al desgaste, la resistencia a la intemperie, la resistencia al envejecimiento y la alta resistencia del PBT lo hacen ampliamente utilizado en piezas exteriores de automóviles. Algunos ejemplos son los soportes de los brazos del limpiaparabrisas, los parachoques, las manijas de las puertas, las carcasas de los espejos, los paneles de los bajos, los paneles laterales de la carrocería, los ventiladores del radiador, las cubiertas transparentes al radar, las rejillas de las esquinas y los componentes de iluminación.
Debido a su buena procesabilidad y propiedades de aislamiento, el PBT también se usa ampliamente en componentes interiores de automóviles, como paneles de instrumentos, pedales de acelerador/embrague, ceniceros y soportes de espejos interiores. Además, debido a su buena resistencia al aceite, el PBT se utiliza en piezas de sistemas de motores de automóviles, como componentes del sistema de combustible y subplacas de bujías. En los últimos años se ha aplicado PBT modificado mediante aleación a piezas como casquillos y cojinetes de amortiguadores. El PBT modificado, con sus ventajas de buen retardo de llama, propiedades dieléctricas, baja deformación y baja absorción de agua, también se usa ampliamente en componentes de motores de automóviles.
2. Campo de electrónica/aparatos eléctricos
Debido a sus bajas propiedades dieléctricas, baja deformación, alto retardo de llama, alta tenacidad, resistencia al envejecimiento y respeto al medio ambiente, el PBT se usa ampliamente en electrónica y aparatos eléctricos. Los ejemplos incluyen carcasas de computadoras, encendedores, interruptores eléctricos, fotocopiadoras, bobinas de transformadores, piezas de tostadoras y cubiertas de hierro. Además, el PBT modificado con excelentes propiedades dieléctricas y fácil procesabilidad se puede utilizar para cubiertas de bases, carcasas y bobinas de electrodomésticos.
Los equipos de comunicación también utilizan ampliamente PBT, por ejemplo, cajas de conexión, puertos de red y marcos intermedios para teléfonos móviles y portátiles. El PBT modificado también se utiliza para fabricar componentes de casquillos de lámparas de bajo consumo.
3. Campo de maquinaria y equipos
Debido a su alto retardo de llama y resistencia al calor, el PBT se usa ampliamente en maquinaria y equipos, como levas, engranajes, piezas de cámaras, cajas de relojes, cubiertas de lámparas de mercurio y varios botones. Las bobinas de bobina comunes requieren materiales con alta resistencia a la rotura del aislamiento para evitar fallas eléctricas durante el uso. Cuando se utiliza en componentes como refrigeradores, también es necesario un bajo sangrado/exudación para evitar que los exudados de moléculas pequeñas causen fallas en los componentes mecánicos.
Debido a su excelente retardo de llama, buena fluidez, bajas propiedades dieléctricas y fácil moldeabilidad del PBT, se utiliza en la fabricación de ventiladores de refrigeración, como los de CPU de computadoras, fuentes de alimentación, motores y aplicaciones similares de disipadores de calor.
4. Campo de las comunicaciones
Debido a sus buenas propiedades dieléctricas, procesabilidad/moldeabilidad, estabilidad dimensional y coeficiente de expansión lineal relativamente bajo, el PBT se usa ampliamente en el campo de las comunicaciones. En la comunicación inalámbrica, se añaden nanopartículas de Fe₃O₄ a los compuestos de PBT para aumentar la absorción de ondas electromagnéticas para el blindaje magnético, reduciendo los riesgos de radiación electromagnética para los humanos. Esto lo hace adecuado como sustrato plástico para componentes básicos en equipos de comunicación de alta potencia.
PBT también se utiliza para producir conectores para transmisión de señales. El PBT modificado no solo posee el aislamiento, el retardo de llama y la resistencia a la intemperie necesarios para los conectores, sino que también ofrece ventajas de costos y buena moldeabilidad, lo que lo hace adecuado para la producción de conectores. Se utiliza ampliamente en puertos de cables de red y TV, y para conexiones y transmisiones entre varios componentes de unidades en vehículos de nueva energía.
III. Conclusión
Se han desarrollado varios métodos de modificación diferentes para abordar deficiencias de rendimiento específicas de los plásticos de ingeniería PBT en diversos campos de aplicación. A través de métodos de modificación como llenado, mezcla y preparación de nanocompuestos, el PBT puede lograr excelentes propiedades de alta resistencia, alto retardo de llama, baja deformación, bajo sangrado y bajas propiedades dieléctricas, cumpliendo con los requisitos en automoción, electrónica/electricidad, fibra óptica, textil y otros campos.
Los esfuerzos futuros deberían centrarse en desarrollar materiales PBT que se alineen con los objetivos ambientales bajos en carbono y las demandas de materiales de alta calidad de diversas industrias. Al avanzar en las tecnologías de modificación para acelerar el desarrollo de productos PBT funcionales, la combinación de múltiples estrategias de modificación puede evitar los inconvenientes asociados con métodos únicos, lo que lleva a materiales PBT con una alta funcionalidad añadida. Se debe hacer hincapié en ampliar las aplicaciones del material PBT en conductividad térmica, biotecnología y blindaje electromagnético, permitiendo su uso en un número cada vez mayor de campos.
