Procesamiento e ingeniería de polímeros
Experiencia ¿De qué están hechos los productos similares? Cuando se concibe un producto, es una buena práctica ver lo que se ha hecho en el pasado para conocer los éxitos y los fracasos. Los datos del análisis de fallos suelen ser útiles para seleccionar el polímero adecuado. Esta información puede obtenerse de otros ingenieros de diseño y fabricación, de los constructores de moldes y de las plantas de moldeo donde se producen estas piezas. Estas fuentes también son buenas para proporcionar información valiosa sobre las materias primas que son bastante nuevas en el mercado y que pueden carecer de documentación sustantiva del fabricante.
Análisis El análisis de tensiones puede realizarse para los elementos sometidos a tensión. Se trata de broches, cierres, tornillos, elementos que soportan cargas, etc. Los cálculos manuales clásicos y el análisis de elementos finitos (FEA) pueden ser útiles, pero el ingeniero de diseño debe ser consciente de que los plásticos tienen características en parte de sólidos y en parte de líquidos viscosos, por lo que las fórmulas de ingeniería clásicas de Hooke no pueden utilizarse con confianza.
El procesado y el efecto piel El moldeo y la extrusión de los plásticos alteran sus propiedades, por lo que hay que tener cuidado con las piezas similares. El procesamiento suele inducir una gran anisotropía y no homogeneidad en un plástico. Es difícil producir un modelo estructuralmente preciso de la pieza, ya que una pieza moldeada será anisotrópica y no homogénea. La mayoría de las piezas moldeadas tienen una “piel” superficial desprovista de relleno y a menudo cristalina y, por tanto, altamente direccional. Afortunadamente, la direccionalidad y la falta de homogeneidad suelen aportar una mayor resistencia a la estructura plástica. Las diferencias inducidas por el procesamiento son más pronunciadas en los plásticos cristalinos, como el nailon, el acetal y el polietileno. Las diferencias son menos significativas en materiales amorfos como el policarbonato, el poliestireno y el ABS.
Producción de polímeros
i PHAs de cadena corta (scl-PHAs). Las unidades monoméricas constan de tres a cinco átomos de carbono, como el polihidroxibutirato [P(3HB)], el poli(4-hidroxibutirato) P(4HB) y el poli(3-hidroxivalerato) P(3HV; Anjum et al., 2016). Estos polímeros son producidos por organismos como Cupriavidus necator y Alcaligenes latus (Lee y Na, 2013; Raza et al., 2018). Estos scl-PHAs presentan propiedades de material termoplástico similares al polipropileno (PP; Wang et al., 2016).
ii PHAs de longitud de cadena media (mcl-PHAs). Sus unidades monoméricas constan de 6 a 14 átomos de carbono. Son producidos por varias bacterias como Pseudomonas putida y Pseudomonas mendocina. Los mcl-PHA son flexibles y elásticos, similares al caucho. También poseen una baja cristalinidad y resistencia a la tracción y tienen un alto punto de fusión y temperaturas de transición al vidrio (Nduko et al., 2012a; Gopi et al., 2018).
En esta revisión, destacamos ideas novedosas que introducen conceptos de la producción microbiana de P(LA-co-3HB), PLA y oligómeros de LA utilizando microbios de ingeniería. Discutimos la creación de la fábrica de células microbianas para la síntesis de P(LA-co-3HB) y damos una sinopsis de la mejora del monómero de LA en la biosíntesis del copolímero y el eventual PLA, las propiedades y la degradación de los polímeros basados en LA [se discutió más información en Nduko et al. (2015)], el uso de refinerías integradas de biomasa lignocelulósica para la producción de polímeros y oligómeros, y los informes recientes sobre las tecnologías facilitadoras, como la ingeniería metabólica, la ingeniería de proteínas y la ingeniería genética, y las estrategias de manipulación de los medios de fermentación para la producción de los polímeros renovables. Este artículo también ofrece una visión general de los retos que plantea la producción de polímeros a partir de LA y las perspectivas futuras de su producción.
Proceso de fabricación del plástico
El campo de los materiales está representado principalmente por la cerámica, los metales y los polímeros. Aunque se han producido notables mejoras en el ámbito de la cerámica y los metales, es el campo de los polímeros el que ha experimentado una explosión de progreso. Los polímeros han pasado de ser sustitutos baratos de los productos naturales a ofrecer opciones de alta calidad para una gran variedad de aplicaciones. En los próximos años cabe esperar que se produzcan más avances y progresos que sirvan de apoyo a la economía.
Los polímeros se derivan del petróleo, y su bajo coste tiene su origen en la abundancia de la materia prima, en el ingenio de los ingenieros químicos que idearon los procesos de fabricación y en las economías de escala que han surgido con el aumento del uso. Menos del 5% del barril de petróleo se utiliza para polímeros, por lo que es probable que el petróleo siga siendo la principal materia prima en un futuro indefinido. Los polímeros constituyen una parte de alto valor añadido de la base de clientes del petróleo y han dado lugar a una creciente competencia internacional en la fabricación de materiales básicos, así como de termoplásticos de ingeniería y polímeros especiales.
Propiedades mecánicas de los polímeros
La fabricación aditiva (AM) ha permitido la creación rápida de prototipos de estructuras con geometrías complejas construidas mediante diseño asistido por ordenador (CAD). En los últimos años, la AM se ha extendido más allá de la simple creación de prototipos y ha comenzado a desempeñar un papel en la fabricación de componentes activos, especialmente para aplicaciones que no requieren materiales con propiedades mecánicas robustas (es decir, componentes electrónicos y andamios biomédicos). Este informe revisa el estado actual de la impresión 3D con respecto a los materiales poliméricos y compuestos, centrándose en las aplicaciones, los procesos de impresión y las perspectivas de selección de materiales. Se hace especial hincapié en la química de los polímeros de la fabricación aditiva para dilucidar las limitaciones actuales de los materiales, las tendencias de I+D y las oportunidades de desarrollo. Se proponen algunas reacciones de curado de termoestables no convencionales para la AM que pueden superar las limitaciones actuales. Además, se discuten las posibles características de degradación de los materiales poliméricos de la AM y las variaciones de propiedades previstas en comparación con el procesamiento tradicional, lo que llama la atención sobre la complejidad de las relaciones estructura/procesamiento/propiedades para la optimización de materiales innovadores. La fabricación de polímeros AM y los enfoques de impresión 3D son muy prometedores siempre que la química de los polímeros, la física de los materiales y los aspectos de procesamiento (curado a demanda) se adopten conjuntamente dentro de las estrategias de investigación en evolución.