Elastómeros

Los elastómeros (cauchos) son polímeros especiales muy elásticos. Están ligeramente reticulados y son amorfos, con una temperatura de transición vítrea muy por debajo de la temperatura ambiente. Pueden considerarse como una molécula muy grande de tamaño macroscópico. Las fuerzas intermoleculares entre las cadenas de polímeros son bastante débiles. Los enlaces cruzados suprimen por completo el flujo irreversible, pero las cadenas son muy flexibles a temperaturas superiores a la transición vítrea, y una pequeña fuerza provoca una gran deformación (véase también la elasticidad del caucho).1 Por ello, los elastómeros tienen un módulo de Young bajo y un alargamiento de rotura muy elevado en comparación con otros polímeros. El término elastómero se utiliza a menudo indistintamente con el término caucho, aunque se prefiere este último para referirse a los cauchos vulcanizados.

Los elastómeros pueden clasificarse en tres grandes grupos: elastómeros dienos, no dienos y termoplásticos. Los elastómeros de dieno se polimerizan a partir de monómeros que contienen dos dobles enlaces secuenciales. Ejemplos típicos son el poliisopreno, el polibutadieno y el policloropreno. Los elastómeros no diénicos incluyen el caucho butílico (poliisobutileno), los polisiloxanos (caucho de silicona), el poliuretano (spandex) y los fluoroelastómeros. Los elastómeros que no son de dieno no tienen dobles enlaces en su estructura, por lo que la reticulación requiere otros métodos distintos a la vulcanización, como la adición de monómeros trifuncionales (polímeros de condensación), o la adición de monómeros de divinilo (polimerización por radicales libres), o la copolimerización con pequeñas cantidades de monómeros de dieno, como el butadieno.Los elastómeros termoplásticos, como los copolímeros en bloque SIS y SBS y ciertos uretanos, son termoplásticos y contienen unidades de repetición rígidas (duras) y blandas (gomosas). Cuando se enfrían desde el estado de fusión hasta una temperatura inferior a la temperatura de transición vítrea, los bloques duros se separan en fase para formar dominios rígidos que actúan como enlaces físicos para los bloques elastoméricos.

La fabricación de piezas elastoméricas se consigue de una de las tres maneras siguientes: moldeo por inyección, moldeo por transferencia o moldeo por compresión. La elección del proceso de moldeo depende de varios factores, incluyendo la forma y el tamaño de las piezas, la tolerancia requerida, así como la cantidad, el tipo de elastómero y el coste de la materia prima.

Como con casi cualquier material, la selección del producto elastomérico adecuado para la aplicación requiere la consideración de muchos factores, incluyendo los requisitos de servicio mecánicos y físicos, la exposición a los productos químicos, la temperatura de funcionamiento, la vida útil, la fabricabilidad de las piezas y el coste de la materia prima y de la fabricación.

Resistencia al calor

El rendimiento del elastómero se vuelve menos predecible y fiable cuando un elastómero se utiliza cerca de los límites de su rango de temperatura de servicio. Si, por ejemplo, la temperatura desciende, los elastómeros se vuelven más duros y menos flexibles y, cuando la temperatura alcanza la temperatura de transición vítrea, pierden por completo sus propiedades de caucho. A temperaturas aún más bajas, es decir, en el punto de fragilidad, pueden agrietarse. Los cambios en las propiedades de los elastómeros debidos a las bajas temperaturas suelen ser físicos y totalmente reversibles, a menos que la pieza elastomérica esté expuesta a grandes tensiones que puedan causar daños por debajo de la temperatura de fragilidad o de transición vítrea. Lo contrario ocurre cuando un elastómero se expone a altas temperaturas, es decir, a temperaturas cercanas o superiores al límite de temperatura de servicio. A estas temperaturas, los elastómeros suelen sufrir cambios químicos irreversibles. Por ejemplo, la columna vertebral del polímero puede sufrir la escisión de la cadena o las moléculas del polímero pueden entrecruzarse, lo que hace que la parte elastomérica se vuelva (mucho) más blanda o más rígida, lo que, a su vez, reduce su resistencia al ajuste por compresión.

La temperatura máxima de servicio puede variar mucho de un elastómero a otro. Las temperaturas de servicio continuas más elevadas las tienen los elastómeros de silicona y de fluorocarbono, que pueden superar los 400°F (230°C)2, seguidos de los elastómeros de poliacrílico y de nitrilo hidrogenado, con temperaturas de servicio máximas entre 320 y 350°F (160 – 180°C), mientras que los elastómeros más ordinarios, como el neopreno y el nitrilo, tienen una temperatura de servicio máxima entre 210 y 250°F (100 – 120°C).

Compatibilidad con los fluidos

Puede producirse un fuerte hinchamiento y un rápido deterioro o la completa rotura de una pieza elastomérica si el elastómero no es compatible con el fluido al que está expuesto. Factores como la concentración química, la temperatura de funcionamiento y la presión afectan a la estabilidad/compatibilidad con los productos químicos. En caso de duda, el elastómero debe ser evaluado en pruebas funcionales antes de su uso.

Debido a que muchas aplicaciones implican aceites de hidrocarburos, las piezas elastoméricas como las juntas se clasifican según su resistencia al calor y al aceite. Por ejemplo, en el sistema ASTM D2000, los elastómeros se clasifican por su resistencia al calor (tipo) y por su resistencia al aceite (clase). Los elastómeros de fluorosilicona y fluorocarbono tienen una excelente resistencia al aceite a temperaturas elevadas (> 200°C). Otros elastómeros con buena resistencia al aceite, pero sólo media, son el NBR, el ACM y el HNBR. En el caso del ACM y el HNBR, la temperatura de funcionamiento en aceites de hidrocarburos no debe superar los 150°C y en el caso del NBR los 100°C. Los elastómeros de silicona y neopreno sólo tienen una resistencia media al aceite. Sin embargo, los elastómeros de silicona pueden funcionar a temperaturas mucho más altas que los de neopreno. La resistencia al aceite de EPDM, SBR, butilo (IIR, CIIR, BIIR) y elastómeros basados en caucho natural (NR, IR) es baja.

Resistencia a la abrasión y al desgarro

La resistencia a la abrasión suele ser un criterio de selección importante para las aplicaciones de sellado dinámico y de neumáticos de los elastómeros, mientras que una buena resistencia al desgarro puede ser importante para otras aplicaciones mecánicas en las que los elastómeros tienen que resistir mellas, cortes y desgarros.Los elastómeros como el nitrilo hidrogenado (HNBR), el poliéster (AU) y los uretanos de poliéter (EU), el caucho de isopreno (NR/IR), el caucho de estireno-butadieno (SBR) y los copolímeros de tetrafluoroetileno-propileno tienen una resistencia inherente a la abrasión, mientras que la silicona (VMQ,), el butilo (IIR) y los elastómeros perfluorados (FFKM) tienen una escasa resistencia a la abrasión. En muchos casos, la resistencia a la abrasión y al desgarro puede mejorarse mediante la incorporación de lubricantes internos como el Teflon® o el disulfuro de molibdeno. Sin embargo, el nitrilo carboxilado (XNBR) ofrece una resistencia a la abrasión notablemente mejor.

La mayoría de los elastómeros con una buena resistencia a la abrasión también tienen una buena resistencia al desgarro y los elastómeros con una mala resistencia a la abrasión suelen tener una mala resistencia al desgarro. Por ejemplo, la silicona y la fluorosilicona sólo son adecuadas para aplicaciones estáticas debido a su escasa resistencia al desgarro y a la abrasión.

Precio

El coste es uno de los criterios de selección más importantes. Suponiendo que más de un elastómero cumpla con todos los demás requisitos para una aplicación determinada, el precio normalmente dictará qué elastómero se elegirá. Los precios de los elastómeros pueden variar mucho debido a las diferencias en los costes de las materias primas, los compuestos y el procesamiento. Los elastómeros más baratos son el estireno-butadieno (SBR) < el caucho natural (NR) < el isopreno (IR) < el neopreno (CR) < los cauchos de nitrilo (NBR), mientras que EPDM < uretano < silicona < poliacrilato (ACM) < butilo (IIR) < nitrilo hidrogenado (HNBR) son algo más caros pero a menudo siguen siendo una opción económica. Los elastómeros más caros son los fluorocarbonos (FKM) (copolímeros) < perfluorocarbonos (FFKM) < fluorosiliconas (FVMQ). Estos elastómeros suelen elegirse sólo si ningún otro elastómero puede cumplir los requisitos.

Notas

1. Los elastómeros suelen describirse como materiales viscoelásticos (véase, por ejemplo, Wikipedia). Sin embargo, la fluidez viscosa no es deseada, es decir, un elastómero «verdadero» debería volver siempre a sus dimensiones no deformadas después de eliminar una fuerza aplicada, es decir, no debería observarse ninguna deformación permanente notable cuando un elastómero se estira por debajo de su límite elástico y luego se relaja.
2. Algunos grados pueden ser adecuados para un uso continuo a temperaturas incluso más altas (>600°F o > 315°C).