La mayoría de las personas están familiarizadas con el concepto de punto de fusión, la temperatura a la que un sólido cambia al estado líquido. Sin embargo, no todos los materiales tienen un punto de fusión definido. Un polímero amorfo tiene una temperatura de transición vítrea, que no es una temperatura única en absoluto, sino un rango de temperaturas a lo largo del que las propiedades del polímero cambian drásticamente.
¿Alguna vez se preguntó por qué los pintores de casas hablan tanto sobre las temperaturas de aplicación? No solo es porque les gusta trabajar en los días de condiciones climáticas favorables, cuando no hace demasiado calor ni frío. La razón es que la pintura que usan, cuya fórmula muy probablemente sea a base de látex, tiene mejores resultados cuando se aplica en un rango de temperatura de 10 a 20 °C (de 50 a 70 °F). Si pintan fuera de este rango de temperaturas, es posible que la pintura no se cure correctamente, lo que significa que no se adherirá por completo a la superficie e incluso podría agrietarse o descascararse.
Esta propiedad de una pintura de látex surge debido a que los aglutinantes de látex se clasifican como polímeros amorfos, y todos los polímeros amorfos tienen una característica fundamental denominada temperatura de transición vítrea, o Tg. La temperatura de transición vítrea afecta cómo se comportará un polímero terminado, por lo que es sumamente importante.
En este artículo, analizaremos los pormenores de la Tg: qué es, cómo se mide y cómo se usa para modificar las propiedades de un producto terminado. Comencemos por analizar los polímeros amorfos y cómo se diferencian de sus homólogos cristalinos.
Polímeros amorfos versus polímeros cristalinos
Existen muchas clases de polímeros, que incluyen plásticos, caucho, elastómeros y látex, pero todos tienen una característica en común: contienen moléculas de cadena larga organizadas en secuencias complejas. En algunos polímeros, clasificados como cristalinos, las cadenas largas de moléculas se organizan de manera ordenada, a menudo con una cadena molecular unida a otra. En otros polímeros, clasificados como amorfos, las cadenas largas de moléculas se agrupan aleatoriamente y no muestran un orden perceptible.
Cuando los polímeros cristalinos se calientan, alcanzan una determinada temperatura a la que la secuencia ordenada de su estructura de cadenas largas se transforma en una secuencia aleatoria y desorganizada. El polímero, literalmente, pasa de un estado sólido a uno líquido. Esta temperatura se conoce como el punto de fusión, o Tm. El punto de fusión del polipropileno, por ejemplo, es 175 °C (347 °F). Para el polietileno de alta densidad, es de 130 °C (266 °F).
Cuando los polímeros amorfos se calientan, no se funden repentinamente. En cambio, alcanzan un rango de temperaturas por encima del cual el material se torna menos vítreo y más gomoso, o viceversa. En consecuencia, los polímeros amorfos no tienen un punto de fusión, sino que tienen una temperatura de transición vítrea, o Tg. La temperatura de transición vítrea de un polímero específico puede indicarse como una temperatura única, pero este número es un valor promedio calculado a partir de un rango de temperaturas. Analizaremos esto en mayor profundidad en la siguiente sección.
También se debe tener en cuenta que algunos polímeros pueden tener una parte de sus cadenas en la que son amorfos y otra parte en la que son cristalinos. Estos polímeros tendrán tanto un punto de fusión como una temperatura de transición vítrea.
Medición de la Tg
Los químicos utilizan varios métodos para medir la temperatura de transición vítrea de los polímeros amorfos, pero el más frecuente es la calorimetría diferencial de barrido (differential scanning calorimetry, DSC). Un calorímetro es un equipo que mide cantidades de calor absorbido o emitido en una muestra que se coloca en el dispositivo. En la DSC, la muestra del polímero se coloca en el dispositivo y se enfría desde la temperatura ambiente hasta una temperatura determinada, por ejemplo, -100 °C. Luego, se calienta de -100 °C a 50 °C, o una temperatura similar, a una velocidad constante.
Una computadora conectada al sistema mide la respuesta térmica del polímero, lo que genera un diagrama de flujo calorífico versus temperatura, similar al que se muestra a continuación. La transición vítrea aparece como un pliegue en el diagrama. La temperatura de transición vítrea se calcula utilizando una técnica de media altura, lo que significa identificar el punto medio del pliegue o el centro de la región en declive.
Para comprender por qué un polímero amorfo calentado se comporta de esta manera, resulta útil considerar qué sucede a nivel molecular. Tenga en cuenta que las cadenas largas de polímeros amorfos se agrupan aleatoriamente, pero en el estado vítreo (es decir, por debajo de la Tg), los enlaces en las cadenas tienen poco movimiento segmentario, lo que torna el material más duro y más quebradizo. A la Tg, a medida que aumenta la energía térmica, los enlaces adquieren mayor movimiento segmentario y las cadenas comienzan a deslizarse una contra otra a una velocidad notable. A medida que esto sucede, el polímero se torna menos vítreo y más flexible.
Ahora centremos nuestra atención en el rol que desempeña la Tg en el desarrollo de aglutinantes de látex para aplicaciones específicas.
La importancia de la Tg
La transición del estado vítreo al estado gomoso implica cambios considerables en las propiedades físicas de los polímeros amorfos, de manera que, al elegir un polímero en función de su Tg, es posible seleccionar cómo desea que se comporte un polímero para determinadas aplicaciones de uso final. Por ejemplo, un polímero con una Tg baja tiende a tener una textura blanda y flexible o incluso pegajosa (glutinosa) a temperatura ambiente. Un polímero con una Tg cercana a la temperatura ambiente suele tener una textura firme y correosa. Y un polímero con una Tg alta tiende a ser duro y quebradizo a temperatura ambiente. La siguiente tabla muestra las temperaturas de transición vítrea de varios homopolímeros importantes, que son polímeros formados por una única especie de monómero.
| Monómero | Tg del polímero (°C) | Clasificación |
| Butadieno | -85 | Blando |
| Acrilato de 2-etilhexilo | -60 | Blando |
| Acrilato de n-butilo | -54 | Blando |
| Acrilato de etilo | -23 | Blando |
| Acrilato de metilo | +8 | Medio |
| Temperatura ambiente: 20-25 °C | ||
| Acetato de vinilo | +28 | Medio |
| Cloruro de vinilo | +75 | Duro |
| Acrilonitrilo | +97 | Duro |
| Estireno | +100 | Duro |
| Metacrilato de metilo | +105 | Duro |
En el caso de los copolímeros, es decir, polímeros formados por dos especies de monómeros, la Tg es ligeramente más complicada. Esto se debe a que la Tg puede manipularse al alterar la composición del polímero. Por ejemplo, en una emulsión de látex de estireno-butadieno, el estireno tiene una Tg de 100 °C, mientras que la del butadieno es de -85 °C. Cambiar la relación de estireno a butadieno modificará la Tg.
Si consideramos los aglutinantes de látex de estireno-butadieno desarrollados por Mallard Creek Polymers, el impacto de la composición química sobre la Tg es evidente. Por ejemplo, una emulsión de estireno-butadieno carboxilada con una Tg de -56 °C podría ser muy blanda a temperatura ambiente e ideal para adhesivos sensibles a la presión. Otro polímero de estireno-butadieno de uso general podría tener una Tg superior de -15 °C, lo que dota al producto de una rigidez baja y lo ayuda a formar una película blanda, pero resistente.
Tg y temperatura mínima de formación de película
Cuando se trata de pinturas, recubrimientos y adhesivos, aplicaciones cuya formación depende de una película de látex estable, los químicos también analizan una característica denominada temperatura mínima de formación de película (minimum film formation temperature, MFFT). La MFFT hace referencia a la temperatura más baja a la que un látex se fusiona de manera uniforme cuando se coloca sobre un substrato como una película delgada. Generalmente, la MFFT es cercana a la temperatura de transición vítrea de un polímero, si bien los químicos siempre se esfuerzan por lograr el equilibrio correcto entre la formación y la dureza adecuadas de la película. Muchos polímeros para recubrimiento están especialmente diseñados para tener una MFFT más baja en comparación con la Tg a fin de impartir una mejor formación de película mientras se mantiene su nivel de resistencia final.
Todas estas características nos retrotraen a los pintores de casas que mencionamos al comienzo del artículo. Es posible que no conozcan los términos “temperatura de transición vítrea” o “temperatura mínima de formación de película”, pero se rigen por esos principios a diario. En Mallard Creek Polymers, también nos regimos por la Tg para comprender qué rendimiento tendrá un látex en el rango de temperaturas en que se usará el producto. Nuestros especialistas pueden trabajar con su equipo para comprender sus necesidades de aplicación y diseñar una fórmula que proporcione un rendimiento superior en cualquier entorno. Comuníquese con nosotros hoy mismo para iniciar una conversación.
Asegúrese de revisar los demás artículos en nuestra serie Latex 101: