86149756 Tecnologia de Polimeros M Beltran y a Marcilla[1]

PRÓLOGO Este material tiene su origen en de los apuntes de la asignatura “Tecnología de Polímeros” de la Titulación de Ingeniero Químico de la Universidad de Alicante. En el plan de estudios actual de esta titulación dentro de la orientación de “Polímeros” el Departamento de Ingeniería Química imparte un total de 5 asignaturas relacionadas con diferentes aspectos de los polímeros, como son, “Propiedades Físicas de Polímeros”, “Diseño de Moldes”, “Reología”, “Operaciones Unitarias del Procesado de Polímeros” y Tecnología de Polímeros”. Es por ello que en estos apuntes no se pretendía incluir todos los aspectos relacionados con la Tecnología de Polímeros, y se centran en las principales técnicas de transformación, si bien sí se incluyen algunos temas de introducción que se consideran básicos en el conocimiento del comportamiento de los polímeros, en consideración de aquellos alumnos que no cursan todas las asignaturas de la orientación. Por otra parte se hace un énfasis especial en aquellos procesos de transformación que tienen mayor auge en la Provincia de Alicante, donde es de esperar que muchos de los Ingenieros Químicos egresados de esta Universidad trabajen. Por tanto, la intención de los autores, no ha sido crear un tratado general de Tecnología de Polímeros, si no hacer unos apuntes que resultarán útiles para los alumnos de la titulación, con un enfoque adecuado para los Ingenieros Químicos, pero a la vez muy asequible. Se ha tratado de primar la claridad de la redacción, y muy especialmente la calidad de las ilustraciones. Si se ha conseguido o no queda al criterio de los posibles lectores.

Maribel Beltrán Antonio Marcilla

TEMA 1. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS 1. POLÍMEROS DE ADICIÓN Y DE CONDENSACIÓN ............................ 3 2. ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS ..................................................... 6 2.1. Estructura química ............................................................................. 6 2.1.1. Tipo de átomos en la cadena principal y sustituyentes ........... 6 2.1.2. Uniones entre monómeros ...................................................... 9 2.1.3. Peso molecular y su distribución .......................................... 10 2.1.4. Copolímeros .......................................................................... 12 2.1.5. Ramificaciones y entrecruzamiento ...................................... 13 2.1.6. Configuración........................................................................ 15 2.2. Estructura física ............................................................................... 17 2.2.1. Estado amorfo y estado cristalino. ........................................ 17 2.2.2. Temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión.... 17 2.2.3. Relación entre cristalinidad y comportamiento durante el procesado ........................................................................................ 21 3. PROPIEDADES COMUNES DE LOS POLÍMEROS .............................. 22 4. COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO .............................................. 24 5. COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE POLÍMEROS FUNDIDOS Y EN DISOLUCIÓN ..................................................................................... 25 5.1. Viscosidad en cizalla ....................................................................... 25 5.2. Viscosidad extensional .................................................................... 27 5.3. Fluidos Newtonianos y no Newtonianos ......................................... 27 5.3.1. Variación de la viscosidad con la velocidad de deformación 28 5.3.2. Variación de la viscosidad con el tiempo de aplicación de la cizalla. ............................................................................................. 29 5.3.3. Variación de la viscosidad con la temperatura...................... 30 5.3.4. Variación de la viscosidad con la presión. ............................ 32 5.4. Curvas de flujo en polímeros ........................................................... 32 5.5. Relación entre estructura y comportamiento durante el flujo.......... 35 5.5.1 Efecto del peso molecular ...................................................... 35 5.5.2. Efecto de la distribución de pesos moleculares .................... 37 6. PROPIEDADES MECÁNICAS ................................................................ 38 6.1. Ensayos de tracción ......................................................................... 42 6.2. Ensayos de flexión ........................................................................... 44 6.3. Ensayos de compresión.................................................................... 45 6.4. Ensayos de impacto ......................................................................... 46 6.4.1. Ensayos tipo péndulo ............................................................ 46 6.4.2. Ensayos tipo dardo ................................................................ 47 6.4.3. Ensayos de impacto con equipos instrumentados ................. 49

Tecnología de polímeros. M. Beltrán y A. Marcilla

6.5. Ensayos de fluencia.......................................................................... 50 6.6. Ensayos de relajación de esfuerzos .................................................. 52 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA ................................................. 54

Resumen En este tema se pretende dar una visión general de la estructura de los polímeros y de la relación entre la misma y las propiedades. Se profundiza especialmente en aquellas propiedades que tienen mayor interés práctico durante la vida de servicio de los materiales. Así mismo se estudia el comportamiento reológico de los polímeros y su relación con la estructura del material.

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Tema 1. Estructura y propiedades de los polímeros

1. POLÍMEROS DE ADICIÓN Y DE CONDENSACIÓN Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas unidas por enlaces covalentes. El término macromolécula significa molécula muy grande. “Polímero” y “macromolécula” son términos que suelen utilizarse indistintamente aunque estrictamente hablando no son equivalentes ya que las macromoléculas, en principio, no requieren estar formadas por unidades de repetición. Dependiendo de su origen, los polímeros pueden ser naturales o sintéticos. Los sintéticos contienen normalmente entre uno y tres tipos diferentes de unidades que se repiten, mientras que los naturales o biopolímeros como la celulosa, el ADN o las proteínas presentan estructuras mucho más complejas. Los polímeros sintéticos tienen, hoy por hoy, mayor interés desde el punto de vista comercial, por lo que en general nos referiremos casi exclusivamente a ellos. Las moléculas que se combinan para formar los polímeros se denominan monómeros y las reacciones a través de las cuales se obtienen se denominan reacciones de polimerización. Cuando se parte de un solo tipo de molécula se habla de homopolimerización y de homopolímero. Cuando son dos o más moléculas diferentes las que se repiten en la cadena se habla de copolimerización, comonómeros y copolímero. Las reacciones de polimerización se suele dividir en dos grandes grupos: reacciones de adición y de condensación, y los polímeros obtenidos por cada una de estas vías se conocen como polímeros de adición y polímeros de condensación. En los polímeros de adición la unidad estructural de repetición tiene la misma composición que la del monómero de partida. El grupo más importante de polímeros de adición corresponde a los formados a partir de monómeros que contienen un doble enlace carbono-carbono, como es el caso, por ejemplo, de la polimerización del policloruro de vinilo (PVC).

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Dentro de los polímeros de adición también cabe destacar aquellos que se obtienen a partir de monómeros cíclicos, como es el caso del poli(óxido de etileno) (POE).

En cambio, los polímeros de condensación se forman a partir de monómeros polifuncionales a través de diversas reacciones con la posible eliminación de alguna pequeña molécula, tal como el agua. Un ejemplo típico es la formación de las poliamidas a partir de la reacción de diaminas y ácidos dicarboxílicos:

R y R' son grupos alifáticos o aromáticos. La unidad entre paréntesis que se repite muchas veces en la cadena de polímero se denomina unidad de repetición. La composición de la unidad de repetición difiere de la de los dos monómeros de partida en una molécula de agua. En las tablas 1.1 y 1.2 se muestran algunos polímeros de adición y condensación de uso muy común, sus abreviaturas y sus unidades estructurales de repetición. En el caso de los polímeros de adición se muestran las estructuras de polietileno, polipropileno, poliestireno, poli(cloruro de vinilo), poliacrilonitrilo, poli(metil metacrilato), y pulibutadieno, mientras que para los polímeros de condensación se muestran ejemplos de poliéster, poliamida, policarbonato, polietilenterftalato, poliuretano y una resina de fenol-formaldehído.

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Tabla 1.1. Polímeros de adición de uso frecuente. Polímero Abreviatura Unidad de repetición Polietileno PE Polipropileno

PP

Poliestireno

PS

Poli(cloruro de vinilo)

PVC

Poliacrilonitrilo

PAN

Poli(metacrilato de metilo)

PMMA

Polibutadieno (1,4-cis)

PB

Tabla 1.2. Polímeros de condensación de uso frecuente. Polímero Abreviatura Unidad de repetición Poliéster Poliamida PA Policarbonato PC

Poli(etilen terftalato) Poliuretano

PET PU

Resina de Fenolformaldehido

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2. ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS Para abordar el estudio de la estructura de los polímeros se suelen considerar dos niveles, estructura química y estructura física. La estructura química se refiere a la construcción de la molécula individual y la estructura física al ordenamiento de unas moléculas respecto a otras. Comenzaremos abordando la estructura química de los polímeros, y por tanto, estudiaremos el efecto de la naturaleza de los átomos que constituyen la cadena principal y los sustituyentes de la misma, las uniones entre monómeros, el peso molecular y su distribución y el efecto de las ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena principal. Igualmente las diferentes configuraciones que pueden adoptar los sustituyentes de la cadena principal condicionan notablemente las propiedades de los polímeros y son parte de su estructura química. Cuando se hace referencia a la estructura física de los polímeros se trata básicamente de la orientación y cristalinidad que, como veremos, dependen en gran medida de la estructura química y a su vez condicionan el comportamiento del material durante el procesado y durante su vida de servicio. 2.1. ESTRUCTURA QUÍMICA 2.1.1. Tipo de átomos en la cadena principal y sustituyentes En los polímeros la unión entre monómeros se realiza siempre mediante enlaces covalentes. La figura 1.1 muestra un trozo de la cadena de polietileno. Los átomos de carbono que constituyen la cadena principal presentan una configuración sp3, por tanto sus orbitales se dispondrán formando un tetraedro en torno al átomo de carbono y el ángulo de enlace de dos carbonos consecutivos será de aproximadamente 109º, aunque en las siguientes representaciones consideraremos que se trata de moléculas planas.

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Figura 1.1. Configuración sp3 para los átomos de carbono de la cadena principal de la molécula de polietileno. Sin embargo, las fuerzas responsables de la cohesión entre cadenas diferentes pueden ser de naturaleza muy diversa, y están fuertemente condicionadas por las características de los átomos y de los sustituyentes de la cadena principal. La polaridad y el volumen de estos átomos afectarán especialmente a las fuerzas de cohesión entre cadenas, que a su vez determinarán la flexibilidad del material, temperatura de transición vítrea, temperatura de fusión y capacidad de cristalización entre otras propiedades. En la figura 1.2 se muestra la estructura de varios polímeros que se van a emplear para ilustrar estos aspectos. En el caso de la molécula de polietileno (PE), molécula sencilla no polar, las cadenas diferentes se atraen entre sí por fuerzas intermoleculares débiles de tipo London (dipolo inducido-dipolo inducido). En consecuencia el polietileno es un material blando y tiene una temperatura de fusión relativamente baja. Para moléculas polares, tales como el PVC, las cadenas se mantienen unidas mediante interacciones fuertes de tipo dipolo-dipolo resultantes de la atracción electrostática entre los átomos de cloro de una molécula y los de hidrógeno de otra, lo que resulta en un polímero muy rígido. Las cadenas de moléculas altamente polares que contienen átomos de oxígeno o nitrógeno se atraen entre sí por puentes de hidrógeno, como es el caso del poli(óxido de metileno) (POM). En general, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión entre las cadenas, tanto mas rígido resultará el polímero y tanto mayor será la temperatura de fusión en el caso de polímeros cristalinos o la temperatura de reblandecimiento en el caso de

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polímeros no cristalinos. En las poliamidas, por ejemplo, las fuerzas de cohesión entre las moléculas son el resultado de una combinación de enlaces por puentes de hidrógeno, fuerzas dipolo-dipolo y fuerzas de tipo London, lo que confiere una elevada temperatura de fusión al polímero. La introducción en la cadena principal de grupos aromáticos (grupos voluminosos y fácilmente polarizables) aumenta la rigidez de la misma como es el caso del polietilenterftalato (PET). Igualmente ocurre con la introducción de grupos voluminosos como sustituyentes de la cadena principal, como es el caso del polipropileno (PP) o del poliestireno (PS).

Figura 1.2. Estructura de diferentes polímeros. 8


2.1.2. Uniones entre monómeros En los procesos de polimerización por condensación los monómeros se unen unos con otros siempre de la misma forma. No ocurre siempre así en la polimerización por adición. Por ejemplo, en la polimerización del metacrilonitrilo para dar poliacrilonitrilo (PAN) la mayoría de los monómeros polimerizan vía el doble enlace:

Si bien existe una cantidad limitada que lo hace vía el grupo nitrilo:

Los grupos químicos que resultan de estas reacciones son generalmente menos estables que los producidos por las uniones normales de dobles enlaces carbono-carbono. Aparecen así uniones débiles que pueden tener mucha importancia en la estabilidad térmica del polímero. También pueden formarse enlaces lábiles como consecuencia de uniones cabeza-cabeza o cola-cola en lugar de las uniones normales cabezacola. Este tipo de uniones, como la mostrada para el PVC, son responsables de la baja estabilidad térmica de este polímero.

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2.1.3. Peso molecular y su distribución Muchas de las propiedades de los polímeros, como por ejemplo la resistencia mecánica, la elasticidad de los cauchos, la temperatura de transición vítrea de plásticos amorfos o la temperatura de fusión de fibras y materiales semicristalinos, se deben al alto peso molecular de los mismos. En la tabla 1.3 se muestra a modo de ejemplo, el estado de agregación de una serie de moléculas de alcanos de la misma estructura química y creciente peso molecular. Tabla 1.3. Efecto del tamaño de la molécula sobre su estado de agregación. Número de unidades -CH2-CH2-

Peso molecular

Estado físico a 20 ºC

1

30

gas

6

170

líquido

35

1000

grasa

430

>12000

resina

La molécula de etano (1 unidad de repetición) es gaseosa, pero al aumentar su tamaño hasta 6 unidades de repetición pasa a ser líquida, y conforme se van adicionando mas monómeros se convierte en un aceite, una cera y finalmente en un material sólido. El polietileno de peso molecular entre 1.000 y 5.000 es un sólido céreo que adquiere propiedades útiles como plástico sólo cuando su peso molecular supera los 10.000. El nailon (PA), por ejemplo, de peso molecular 1.000-2.000 es un sólido frágil, mientras que a pesos moleculares mas elevadas es altamente tenaz. Los polímeros sintéticos y la mayoría de los naturales están formados por una mezcla de moléculas que han alcanzado diferente grado de polimerización, y por tanto, diferente peso molecular. En los polímeros sintéticos obtenidos por polimerización en cadena, la longitud de la cadena viene determinada por el tiempo que la cadena está creciendo. Las etapas de

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terminación, iniciación, propagación y transferencia, responden a fenómenos al azar. En el caso de las reacciones de polimerización por etapas, la longitud de cadena viene determinada principalmente por la disponibilidad local de grupos reactivos en los extremos de las cadenas en crecimiento. En cualquier caso, el polímero contiene moléculas que poseen longitudes de cadena muy diferentes; de modo que en una muestra de polímero siempre nos encontraremos con una distribución de pesos moleculares. En la figura 1.3 se muestra una curva típica de distribución de pesos moleculares.

Figura 1.3. Distribución de pesos moleculares en un polímero. Los valores medios más importantes utilizados para representar el peso molecular de un polímero son el promedio en número, Mn (media aritmética):

y el promedio en peso Mw (media cuadrática):

donde Ni representa el número de moles de las especies i de peso molecular M i. 11


La relación Mw/Mn se utiliza frecuentemente como medida de la heterogeneidad de la distribución del peso molecular de un polímero y se conoce como índice de polidispersidad. Esta relación es la unidad para polímeros monodispersos (Mw = Mn), aumentando su valor cuando se hace más ancha la distribución. El índice de polidispersidad suele tomar valores entre 1.5 y 3, pero ocasionalmente puede alcanzar, dependiendo del tipo de polimerización, valores del orden de 25. 2.1.4. Copolímeros Cuando en un proceso de polimerización se utilizan dos o más monómeros químicamente diferentes, el polímero resultante se denomina copolímero. Comúnmente se emplean tan sólo dos, o como máximo tres monómeros diferentes. Los copolímeros se clasifican según la secuencia de los monómeros como copolímeros de bloque, de injerto y al azar, como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4. Tipos de copolímeros. El ABS, por ejemplo, es un copolímero generalmente de bloque formado por secuencias de acrilonitrilo, butadieno y estireno; el HIPS 12


(poliestireno de alto impacto) es un copolímero de injerto que consta de una cadena principal de poliestireno y cadenas de polibutadieno injertadas. Un ejemplo típico de copolímero al azar es el SAN (estireno-acrilonitrilo). La estructura química de los copolímeros es lógicamente mucho más compleja que la de los polímeros, pues al estar formados por mas de un monómero, pueden variar además en su composición y en la longitud de secuencia, lo que condiciona las propiedades finales. 2.1.5. Ramificaciones y entrecruzamiento Cuando durante las reacciones de polimerización no existen reacciones secundarias se obtienen polímeros lineales, no ramificados como el que se muestra en la figura 1.5.a. Bajo ciertas condiciones de polimerización se pueden obtener ramificaciones que pueden ser cortas o largas (figura 1.5b y c). Las propiedades de los polímeros pueden variar considerablemente dependiendo de si existen o no ramificaciones y de la longitud de las mismas.

Figura 1.5. Polímero lineal sin ramificaciones (a), con ramificaciones cortas (b), con ramificaciones largas (c) y polímero entrecruzado (d). A modo de ejemplo cabe destacar el polietileno lineal no ramificado, que se conoce como polietileno de alta densidad (HDPE). Conviene recordar que se emplea el término lineal aunque los ángulos de enlace serán próximos a 109º como consecuencia de la configuración tetraédrica de los átomos de carbono de la cadena principal (figura 1.1). Bajo ciertas condiciones de polimerización se puede obtener una serie de ramificaciones en el polietileno, generalmente de cadena corta (C1 a C4), y que se encuentran mas o menos espaciadas (1 ramificación por cada 20 a 100 átomos de carbono de la cadena principal). En este caso se trata de polietileno de baja densidad (LDPE). Otra

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variedad de polietileno comercial muy frecuente es el polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) que es un polímero casi lineal con ramificaciones de cadena larga. Las ramificaciones proporcionan volumen libre y aumentan la separación entre las cadenas, de ahí su relación con la densidad del polímero, y, como se verá más adelante, con la capacidad de cristalizar del mismo. Los polímeros lineales y ramificados funden y son, en general, solubles en ciertos disolventes. Cuando unas cadenas se unen con otras vecinas a través de otras cadenas de igual o diferente naturaleza se llega a obtener una red tridimensional (figura 1.5.d) y el polímero se hace insoluble y no funde. Se habla entonces de polímeros entrecruzados o reticulados. Para la formación de la red tridimensional es necesario que cada molécula se una en dos o más puntos a otras moléculas. Las redes entrecruzadas verdaderas se logran cuando existen muchos puntos de unión por cadena primaria, de modo que los polímeros entrecruzados que forman redes tridimensionales se consideran formados por una sola molécula de tamaño infinito. Estas estructuras, polímeros lineales con o sin ramificaciones, y polímeros entrecruzados se corresponden en la práctica con dos grupos de materiales denominados termoplásticos y termoestables. Su constitución estructural determina propiedades bien diferentes y también métodos de transformación distintos. Los materiales termoplásticos son básicamente polímeros lineales no entrecruzados, pudiendo hacerse fluidos por calentamiento y tomar una forma determinada, forma que mantienen una vez fríos. Este proceso de calentamiento, toma de forma y enfriamiento puede repetirse, en principio, indefinidamente (considerando, naturalmente, que no tienen lugar procesos de descomposición térmica). Son, por tanto, reciclables. Por otro lado, los materiales termoestables, debido a su estructura entrecruzada, no funden y son insolubles. En la práctica, para poder dar forma a estos materiales se parte de un intermedio (plástico termoendurecible) que todavía es capaz de fundir, teniendo lugar la polimerización y el

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entrecruzamiento en el propio proceso de toma de forma. La gran mayoría de los polímeros de adición son termoplásticos. Entre los polímeros de condensación, algunos son termoplásticos (poliamidas, policarbonatos, poliésteres lineales, poliuretanos lineales, etc.) y otros típicamente termoestables (poliésteres insaturados, resinas epoxi, resinas fenólicas, resinas de urea, etc.). 2.1.6. Configuración La configuración es la ordenación en el espacio de los sustituyentes alrededor de un átomo particular. En la figura 1.6 se muestra la cadena de un polímero (en este ejemplo, polipropileno) en su conformación en zigzag plana, completamente extendida. La configuración resultante cuando todos los grupos de sustituyentes de la cadena principal, en este caso CH3-, quedan por encima o por debajo del plano de la cadena principal se llama isotáctica. Si los grupos sustituyentes quedan alternativamente por encima y por debajo del plano, la configuración se denomina sindiotáctica, mientras que la secuencia al azar corresponde a la configuración atáctica. El tipo de configuración también condiciona el comportamiento del material. Por ejemplo, el polipropileno isotáctico es un polímero semicristalino comercial que se utiliza como plástico y como fibra. El polipropileno atáctico es amorfo, tipo cera, sin consistencia para su uso como material plástico. Estos ejemplos dejan ver una vez más la influencia de la estructura del polímero sobre sus propiedades.

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Figura 1.6. Configuraciones atáctica, isotáctica y sindiotáctica del PP.

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2.2. ESTRUCTURA FÍSICA 2.2.1. Estado amorfo y estado cristalino. Los términos cristalino y amorfo se utilizan normalmente para indicar las regiones ordenadas y desordenadas de los polímeros, respectivamente. La figura 1.7 muestra un esquema de un sistema amorfo, uno semicristalino y otro cristalino. En estado sólido algunos polímeros son completamente amorfos, otros son semicristalinos y, dependiendo de las condiciones de cristalización, un polímero con capacidad de cristalizar puede ser amorfo o semicristalino. Con frecuencia se utiliza el término cristalino en lugar de semicristalino, aunque ningún polímero es completamente cristalino.

Figura 1.7. Sistemas amorfo (a), semicristalino (b) y cristalino (c). Los polímeros con capacidad de cristalizar son aquellos cuyas moléculas son química y geométricamente regulares en su estructura. Las irregularidades ocasionales, tales como las ramificaciones de la cadena, o la copolimerización de una pequeña cantidad de otro monómero limitan el alcance de la cristalización, pero no evitan que ocurra. Por el contrario, los polímeros no cristalinos típicos son aquellos en los que existe una clara irregularidad en la estructura: polímeros ramificados, polímeros atácticos y copolímeros con cantidades significativas de dos o más constituyentes monoméricos bastante diferentes.

2.2.2. Temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión. En el estado líquido o fundido las moléculas del polímero se encuentran por lo general ovilladas y enmarañadas si no hay una fuerza externa que las 17


obligue a orientarse en una dirección. Si la energía disponible es suficiente, las moléculas podrán moverse y los átomos de las cadenas podrán rotar alrededor de los ángulos de enlace, produciéndose cambios de conformación. En una situación de este tipo el volumen no ocupado (volumen libre) asociado con cada molécula es alto. En las moléculas reales, la capacidad de rotación de los enlaces de cadena está más o menos limitada por impedimentos estéricos. En la figura 1.8 se representa la variación del volumen específico de dos polímeros a y b con la temperatura. A temperaturas elevadas los polímeros termoplásticos se encuentran en un estado líquido o fundido en el que pueden pasar rápidamente de una conformación a otra. En esta situación el volumen libre asociado a las moléculas es grande y por tanto el volumen específico también lo será. Para que un segmento de una cadena de polímero se mueva con respecto a otro se requiere energía térmica y en las condiciones descritas hay suficiente energía para que estos movimientos sean posibles. A medida que la temperatura desciende y hay menos energía disponible, el cambio de conformación es más lento, y el volumen específico disminuye gradualmente. De acuerdo con las leyes de la termodinámica, cuando se alcanza una temperatura determinada todos los sistemas tienden a ordenar sus moléculas formando redes cristalinas sólidas. El polímero a de la figura 1.8 es un material con capacidad de cristalizar y presenta una temperatura de cristalización, Tc, a la que se produce un cambio de fase desde el estado fundido amorfo al estado sólido cristalino, y una temperatura de fusión, Tm, muy próxima a la temperatura de cristalización cuando la transición se realiza desde el estado sólido al fundido. Las moléculas de polímero que poseen una estructura muy compleja e irregular (ramificaciones, fuertes interacciones entre cadenas, etc.) presentan viscosidades muy elevadas en el estado líquido. Cuando estas moléculas se enfrían, a la temperatura a la que cabría esperar que el estado cristalino fuese mas estable que el amorfo, la viscosidad de las moléculas es demasiado elevada, y/o su geometría demasiado compleja para adquirir una conformación cristalina. De modo que, en estos casos, en el estado sólido persiste la conformación desordenada típica de los líquidos. Es el caso del

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polímero amorfo b representado en la figura 1.8 en el que, como se puede ver, la disminución del volumen específico se produce de forma gradual con la temperatura. En estos polímeros existe una temperatura, la temperatura de transición vítrea, Tg, a partir de la cual el material sufre un marcado cambio de propiedades. A temperaturas por encima de la Tg segmentos relativamente grandes de 10 o 50 unidades de repetición se pueden mover con libertad en movimientos conjuntos, logrando modificar su conformación, mientras que por debajo de esta temperatura los movimientos quedan limitados a segmentos muy pequeños, impidiendo una reorganización. Por debajo de la temperatura de transición vítrea (estado vítreo), los polímeros amorfos tienen muchas de las propiedades asociadas con los vidrios inorgánicos ordinarios, incluida la rigidez, fragilidad y transparencia. Mientras que por encima de su Tg los polímeros amorfos se comportan como cauchos o elastómeros.

Figura 1.8. Variación del volumen específico en función de la temperatura para a) un polímero cristalino y b) un polímero amorfo. El término temperatura de fusión se debe emplear sólo para los polímeros cristalinos o semicristalinos. En el caso de los polímeros amorfos, a temperaturas por encima de la Tg las cadenas adquieren mayor movilidad, llegando a hacerse fluidas, si bien realmente no hay fusión, por lo que se habla

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de intervalo de reblandecimiento y estrictamente hablando no se puede decir que el polímero se encuentra fundido. Los polímeros cristalinos pueden presentar también temperatura de transición vítrea pues la cristalización sólo ocurre hasta una cierta extensión y siempre habrá regiones amorfas en un polímero sólido. Hasta cierto punto las propiedades de los polímeros cristalinos dependerán de si las regiones amorfas residuales se encuentran en el estado vítreo (por debajo de Tg) o en el estado caucho (por encima de la Tg). La tabla 1.4 muestra las temperaturas de transición vítrea y de fusión de varios polímeros de uso frecuente. Tabla 1.4. Temperatura de transición vítrea y de fusión de polímeros de uso frecuente. Polímero

Tg (ºC)

Tm (ºC)

Polietileno

-125

140

Poliestireno (isotáctico)

100

240

Polipropileno (isotáctico)

25

150

Polipropileno (sindiotáctico)

---

138

Poli(acrilonitrilo) (atáctico)

85

317

Poli(cloruro de vinilo)

81

---

Poli(óxido de etileno)

-56

66

Poli(etilen tereftalato)

29

270

Poli(metacrilato de metilo)

102

---

Policarbonato

150

267

Nailon 6,6

50

265

Politetrafluoroetileno

-113

327

Polibutadieno cis

-108

148

Poliisopreno (trans)

-67

74

Poliisopreno (cis)

-75

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2.2.3. Relación entre cristalinidad y comportamiento durante el procesado Durante el procesado los polímeros se comportan de forma bastante diferente dependiendo de si tienen capacidad para cristalizar o no. Igualmente algunas propiedades del producto final están fuertemente influenciadas por el grado de cristalinidad alcanzado por el material. Como se ha comentado, los polímeros cristalinos contienen regiones amorfas además de las cristalinas. Cuando estos materiales se calientan en principio se consigue un reblandecimiento debido a la movilidad que adquieren gradualmente las moléculas de las regiones amorfas, si bien las moléculas que se encuentran en la región cristalina siguen en estado sólido. Cuando se alcanza el punto de fusión de los cristales la estructura colapsa y todas las cadenas adquieren gran movilidad. El procesado de los materiales cristalinos debe, por tanto, realizarse por encima del punto de fusión. Por el contrario en el caso de los polímeros amorfos el procesado debe realizarse por encima de la temperatura de transición vítrea, sin embargo en este caso el reblandecimiento es gradual. Los grandes grupos de moléculas adquieren movilidad y el polímero se convierte en gomoso y a mayores temperaturas fluye con más facilidad relativa. Tanto los polímeros amorfos como los cristalinos tienden a contraerse en el procesado durante la etapa de enfriamiento, sin embargo la contracción es mucho mayor en el caso de los polímeros cristalinos que en el de los polímeros amorfos (1.5 a 3% en polímeros cristalinos frente a 0.4 a 0.8% en polímeros amorfos). Mientras el material con capacidad de cristalizar está fundido se encuentra en estado amorfo, pero tras el enfriamiento las moléculas se empaquetan produciendo una reducción importante en el volumen específico. El encogimiento que sufren los artículos moldeados es debido en este caso al proceso de expansión y contracción térmica y a la formación de cristales. El desarrollo de la cristalinidad será tanto mayor cuanto mas lenta sea la velocidad de enfriamiento del material, y lo mismo ocurrirá con la contracción. Por el contrario, los polímeros amorfos no cristalizan durante el enfriamiento y el encogimiento se debe tan sólo a la expansión y contracción

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térmica. En este caso la velocidad de enfriamiento no afecta a la contracción que sufre el artículo moldeado.

3. PROPIEDADES COMUNES DE LOS POLÍMEROS A pesar de que los distintos plásticos presentan grandes diferencias en su composición y estructura, hay una serie de propiedades comunes a todos ellos y que los distinguen de otros materiales. Un ejemplo de alguna de estas propiedades se encuentra en la tabla 1.5. Tabla 1.5. Densidad, conductividad térmica y eléctrica de diferentes materiales. Material

Densidad (g/cm3)

Cond. Term. (W/mK)

Cond. Elec. (S)

Plásticos

0.9-2.3

0.15-0.5

---

PE

0.9-1.0

0.32-0.4

---

PC

1.0-1.2

---

---

PVC

1.2-1.4

---

10-15

Acero

7.8

17.50

5.6

Aluminio

2.7

211

38.5

Aire

---

0.05

---

El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm3 (tabla 1.5). Entre los plásticos de mayor consumo se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales a los que los plásticos sustituyen en algunas aplicaciones es varias veces mayor, como es el caso del aluminio o del acero. Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los átomos que componen los plásticos son ligeros (básicamente C y H, y en algunos casos además O, N o halógenos), y por otro, las distancias medias entre átomos dentro de los plásticos son relativamente 22


grandes. Una densidad tan baja permite que los plásticos sean materiales fáciles de manejar y por otra parte, supone una gran ventaja en el diseño de piezas en las que el peso es una limitación. Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los plásticos es sumamente pequeño. Los metales, por ejemplo, presentan conductividades térmicas 2000 veces mayores que los plásticos (tabla 1.5); esto se debe a la ausencia de electrones libres en el material plástico. La baja conductividad térmica resulta un inconveniente durante la transformación de los plásticos. El calor necesario para transformar los plásticos se absorbe de manera muy lenta y la eliminación del calor durante la etapa de enfriamiento resulta igualmente costosa. Sin embargo, en muchas aplicaciones de los plásticos, la baja conductividad térmica se convierte en una ventaja, pues permite el empleo de estos materiales como aislantes térmicos. Igualmente los plásticos conducen muy mal la corriente eléctrica. Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, baja conductividad eléctrica (tabla 1.5). La resistencia eléctrica es función de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor. Gracias a su elevada resistencia eléctrica los plásticos se utilizan frecuentemente como aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que funcionan con corriente o la transportan. En cuanto a las propiedades ópticas, los plásticos que no contienen aditivos son por lo general bastante traslúcidos, aunque esta propiedad está fuertemente influenciada por la cristalinidad del material. Los polímeros amorfos son transparentes, mientras que los cristalinos son opacos. Las zonas cristalinas dispersan la luz, evitando así su libre transmisión, dando lugar a translucidez u opacidad excepto cuando se orientan o se tratan secciones muy finas. Por el contrario, en los polímeros amorfos el empaquetamiento al azar de las moléculas no causa una difracción de la luz importante, permitiendo una transparencia muy buena y una transmitancia a la luz que puede ser superior al 90%. Termoplásticos amorfos como el PC, PMMA y PVC presentan transparencia que no difieren mucho de la del propio vidrio. La transparencia de los plásticos se puede perder, al menos parcialmente, por exposición a la intemperie o a cambios bruscos de temperatura.

23


La resistencia química de los polímeros también está fuertemente influenciada por el grado de cristalinidad. En los polímeros cristalinos los disolventes pueden atacar ligeramente la superficie del polímero, que tiene una menor cristalinidad. Cuando se aplica un esfuerzo las grietas producidas no se propagan una vez que llegan a las zonas cristalinas. Los polímeros amorfos presentan una mayor solubilidad que los cristalinos. Los disolventes atacan al polímero formando pequeñas grietas que se extienden por todo el polímero cuando se aplica un esfuerzo por pequeño que sea.

4. COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO Otra peculiaridad de los polímeros, tanto en estado sólido como en disolución o fundido, es su marcado comportamiento viscoelástico. Clásicamente se ha clasificado a los materiales en dos tipos, los elásticos y los viscosos. Ambos términos se acuñaron en el siglo XVII; por una parte Robert Hooke estableció la proporcionalidad entre la deformación y el esfuerzo aplicado a un muelle. Por otra parte, Isaac Newton presentó por primera vez el concepto de viscosidad (como un sinónimo de fricción interna), siendo la viscosidad una constante de proporcionalidad entre el esfuerzo aplicado y la velocidad de deformación causada. Fluidos que se comportan de acuerdo con esta ley de proporcionalidad se denominan fluidos Newtonianos, siendo el agua y la glicerina los más comunes que siguen este comportamiento. Durante casi 200 años se clasificaron los materiales como fluidos de Newton o sólido de Hooke. En el siglo XVIII comenzaron las primeras dudas respecto a dicha clasificación, cuando Wilhelm Weber llevó a cabo experimentos con hilos de lana sobre los cuales aplicaba esfuerzos longitudinales, observando que para determinados esfuerzos sí se cumplía la ley de Hooke cuando la deformación causada volvía a su origen al retirar la fuerza aplicada, pero a partir de un cierto valor el hilo de lana se extendía para no volver a recuperar su longitud original, lo que en cierto modo correspondía al comportamiento esperado para los líquidos. Maxwell estableció un modelo matemático para justificar el comportamiento de sólidos como los hilos de lana empleados por Weber. En dicho modelo Maxwell propuso que las propiedades de una sustancia son una

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combinación de una componente elástica y otra viscosa. Este modelo es la base de los utilizados en la actualidad, y fue de gran importancia, ya que dio lugar a que en la comunidad científica de la época naciera el concepto de viscoelasticidad, que describe el comportamiento comprendido entre los extremos clásicos de una respuesta elástica de Hooke y un comportamiento viscoso de Newton. Los polímeros presentan un comportamiento mecánico enteramente dominado por su carácter viscoelástico. Los sólidos viscoelásticos presentan características de líquido y de sólido, con fuertes desviaciones del comportamiento Hookeano o Newtoniano, como se mostrará al comentar diferentes aspectos del comportamiento de los polímeros durante el procesado y durante su vida de servicio.

5. COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE POLÍMEROS FUNDIDOS Y EN DISOLUCIÓN 5.1. VISCOSIDAD EN CIZALLA Newton situó un fluido entre 2 láminas paralelas, una permanecía inmóvil mientras aplicaba una fuerza tangencial a la otra, conforme se muestra en la figura 1.9, y observó que cada fluido oponía una resistencia característica al deslizamiento de las láminas. Newton estableció que la fuerza por unidad de área (F/A) necesaria para mover la lámina era proporcional al gradiente de velocidades creado en el fluido, siendo la constante de proporcionalidad función de "la capacidad de deslizamiento del fluido". Esta constante de proporcionalidad fue llamada viscosidad.

Figura 1.9. Experimento de Newton.

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La ecuación de Newton puede escribirse:

donde es el esfuerzo de cizalla y se determina como el cociente entre la fuerza aplicada y el área de la lámina (F/A). (Pa). es la deformación que sufre el material (dx/dy). (ad)

es el gradiente de velocidades que se genera en el fluido a lo largo del espesor del mismo y es debido al movimiento de la lámina. Se denomina velocidad de deformación o velocidad de cizalla (s-1). μ es la viscosidad (Pa.s). En la tabla 1.6 se muestra el orden de magnitud típico de la viscosidad de cizalla para polímeros fundidos y se ha incluido la de otros materiales a efectos comparativos. Tabla 1.6. Valores aproximados de viscosidad de cizalla para diversos materiales. Material μ (Pa.s) 12

Vidrio fundido (500ºC)

10

Polímeros fundidos

10

Jarabes

10

Miel líquida

10

Glicerol

10

Aceite de oliva

10

Agua

10

Aire

10

26

3 2 1

-1 -2 -3 -5


5.2. VISCOSIDAD EXTENSIONAL Como veremos, en la mayoría de las técnicas de transformación, el movimiento del plástico en el interior de la máquina o del molde es debido a una diferencia de presión que se establece entre 2 puntos, o en ocasiones es debido al movimiento de una parte de la máquina que arrastra al material consigo. En cualquier caso, se produce el deslizamiento de unas capas de material sobre otras, de forma similar a como ocurre en el experimento descrito por Newton. La viscosidad de cizalla es, por tanto, representativa del comportamiento del material en la mayoría de los procesos de transformación. Sin embargo, existe un número menor de situaciones, como es por ejemplo el caso del proceso de soplado de plásticos, en las que el flujo de material es debido a esfuerzos de tensión o tracción a los que se somete al material, que tienden a estirarlo o comprimirlo (como en el hinchado de un globo). La viscosidad resultante en estos casos se conoce como viscosidad extensional y el valor de la misma es muy superior al de la viscosidad de cizalla, generalmente por un factor de 3. Este hecho resulta muy ventajoso en el soplado de películas, como veremos más adelante. En lo que sigue nos ocuparemos tan sólo de la viscosidad de cizalla, excepto cuando se especifique lo contrario. 5.3. FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS Por fluido Newtoniano se entiende aquel fluido cuyo valor de viscosidad, a una presión y temperatura dadas, es único independientemente de la velocidad de cizalla y del tiempo de aplicación de la cizalla. Los polímeros presentan un comportamiento newtoniano sólo en un intervalo relativamente estrecho de velocidades de cizalla, y en general, si el tiempo de aplicación de la cizalla es elevado, también sufren desviaciones del comportamiento Newtoniano. Estos son factores importantes a tener en cuenta durante el procesado de polímeros. En el caso de fluidos no Newtonianos la viscosidad no es constante y suele denominarse coeficiente de viscosidad y se representa por la letra griega en lugar de μ.

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5.3.1. Variación de la viscosidad con la velocidad de deformación En la tabla 1.7 se muestra el rango de velocidades de cizalla utilizadas en diversos procesos de transformación de plásticos. El rango aproximado de velocidades de deformación se ha calculado dividiendo la velocidad media de flujo del fluido por una longitud característica de la geometría donde está fluyendo (como el radio de una tubería o el espesor de una capa). Tabla 1.7. Rango de velocidades de cizalla en diversos procesos. Proceso Velocidades -1 de deformación (s ) -6 -4 Sedimentación 10 - 10 Moldeo por compresión 100 - 10 2 Calandrado 101 - 10 3 Flujo a través de tubos 100 - 10 2 3 Extrusión 10 - 10 Inyección

> 10

3

En vista del amplio rango de velocidades de deformación que se aplica en el procesado de polímeros, es muy importante tener en cuenta la variación que pueda sufrir la viscosidad de un fluido que no sigue la ley de Newton con la velocidad de deformación. En la figura 1.10 se muestran los diversos comportamientos posibles con la velocidad de deformación:

Figura 1.10. Variación de la viscosidad con la velocidad de deformación.

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El comportamiento dilatante es relativamente raro y lo presentan aquellos fluidos que ven aumentada su viscosidad al incrementar la velocidad de cizalla aplicada. Este aumento está provocado por la reorganización de la microestructura del material. Los fluidos que siguen este comportamiento son poco numerosos, podríamos citar suspensiones de almidón en agua, y ciertas suspensiones de PVC. Los materiales pseudoplásticos son aquellos que ven reducida su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación. Es el comportamiento más común y ha sido ampliamente estudiado. Muchas disoluciones de polímeros y polímeros fundidos muestran este tipo de comportamiento durante un amplio rango de velocidades de cizalla, siendo la pseudoplasticidad más o menos marcada dependiendo de la distribución de pesos moleculares y de la estructura del polímero en cuestión, como veremos. La pseudoplasticidad de los polímeros fundidos o disueltos se puede explicar en base a la formación y ruptura de interacciones entre las moléculas del polímero y al desenmarañamiento de las mismas. La plasticidad es un fenómeno que muestran ciertos materiales que se comportan como sólidos elásticos, almacenando una cierta cantidad de energía cuando son sometidos a esfuerzos menores que cierto valor umbral; mientras que con un esfuerzo superior al umbral se deforman continuamente como un fluido, siendo el esfuerzo una función, lineal o no, de la velocidad de deformación. Ejemplos típicos de este tipo de materiales son la pasta dentífrica, mayonesa, mermelada, clara de huevo y nata batida. 5.3.2. Variación de la viscosidad con el tiempo de aplicación de la cizalla. A menudo los valores de viscosidad encontrados para unos determinados valores de velocidad de cizalla no se mantienen constantes conforme aumenta el tiempo de aplicación de la deformación. Los comportamientos posibles se muestran en la figura 1.11.

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Figura 1.11. Variación de la viscosidad con el tiempo de aplicación de la cizalla. El comportamiento tixotrópico se da cuando la viscosidad disminuye con el tiempo de aplicación de la cizalla. Ejemplos de fluidos tixotrópicos son pastas de almidón, gelatinas, mahonesas, pinturas, adhesivos, y la mayoría de los polímeros fundido, entre otros. Por el contrario los fluidos reopécticos son aquellos en los que la viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación del esfuerzo, fenómeno poco frecuente. El comportamiento de estos fluidos depende en gran medida de la historia previa, hasta el punto que para un mismo material pueden obtenerse curvas de viscosidad distintas, dependiendo del procedimiento experimental. Las causas más comunes que provocan la variación de la viscosidad con el tiempo suelen estar asociadas a ruptura o formación de agregados coloidales e interacciones que formen una estructura reticular en la muestra. Experimentalmente es difícil detectar diferencias entre la pseudoplasticidad y la tixotropía ya que los efectos combinados de la cizalla y el tiempo se superponen durante una medida, con el inconveniente añadido de que la mayoría de los polímeros son tixotrópicos y pseudoplásticos. 5.3.3. Variación de la viscosidad con la temperatura. La viscosidad es fuertemente dependiente de la temperatura. La mayoría de los materiales disminuyen su viscosidad con la temperatura; la dependencia es exponencial y puede haber variaciones de hasta un 10% por 30


grado. Por ejemplo, la sensibilidad a la temperatura del agua es de 3% por grado centígrado a temperatura ambiente, así que para tener una precisión del 1% se requiere que la temperatura sea regulada en 0.3ºC. Para líquidos más viscosos esta dependencia es mayor, y han de tomarse mayores precauciones en el control de la temperatura. Respecto a los polímeros, la dependencia con la temperatura que estos presentan es lógicamente una función de la estructura y del tipo de polímero. En la figura 1.12 se muestra a modo de ejemplo la dependencia de la viscosidad con la temperatura de algunos polímeros, lo que tiene gran interés práctico durante el procesado de cualquier polímero. Por ejemplo, si durante el moldeo por inyección de un polímero se observa que éste no llena completamente el molde y deja huecos, para polímeros que presentan una alta dependencia de la viscosidad con la temperatura (PMMA, PVC) un ligero aumento de la temperatura podría solucionar el problema, a diferencia de otros polímeros (PP, LDPE, PA), que probablemente necesitarían además un aumento de la presión de alimentación.

Figura 1.12. Dependencia de la viscosidad de distintos polímeros con la temperatura: PMMA, PVC, LDPE, PP, PA.

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La relación entre la viscosidad y la temperatura puede representarse generalmente por una expresión de tipo Arrhenius:

donde T es la temperatura absoluta y A y B son constantes del polímero. 5.3.4. Variación de la viscosidad con la presión. La viscosidad de los líquidos aumenta exponencialmente con el aumento de la presión. El agua por debajo de 30ºC es la única excepción, en la que disminuye en un primer momento, a continuación del cual el comportamiento es normal. Para presiones que difieren poco de la atmosférica, del orden de un bar, los cambios son bastante pequeños. Por esta razón este factor apenas se toma en consideración; pero hay casos, como en la industria de lubricantes, donde las medidas de viscosidad han de tomarse a elevadas presiones. Las presiones soportadas por lubricantes en engranajes son del orden de 1GPa, mientras que en las perforadoras que operan a profundidad han de soportar presiones de aproximadamente 20 MPa. En el caso de los polímeros, la viscosidad del fundido se ve también afectada por la presión. La compresión de un fundido reduce el volumen libre lo que conlleva un aumento de la viscosidad. 5.4. CURVAS DE FLUJO EN POLÍMEROS La figura 1.13 muestra una curva de flujo típica (viscosidad frente a la velocidad de cizalla en escala doble logarítmica) para un polímero. En general, se suele observar una zona Newtoniana a bajas velocidades de cizallas (con una viscosidad 0), hasta una velocidad de cizalla crítica,

,a

partir de la cual se observa un descenso paulatino. En ocasiones a velocidades de cizalla muy elevadas se puede observar una nueva zona newtoniana, con una viscosidad .

32


Figura 1.13. Curva de flujo típica de polímeros fundidos. En ausencia de cizalla, un polímero fundido se encuentra en un estado aleatorio de “equilibrio”, como el de la figura 1.14a, en el cual la movilidad de las cadenas del polímero, propiciada por la temperatura, produce simultáneamente la desaparición y formación de interacciones entre las distintas cadenas, siendo el resultado neto nulo. La presencia de dichas interacciones y los posibles enmarañamientos entre las cadenas poliméricas son los responsables de la viscosidad del fluido en ausencia de cizalla o a valores de ésta suficientemente bajos, 0. Cuando comienza a actuar un esfuerzo de cizalla sobre el fluido se produce una mayor destrucción de las interacciones entre las cadenas poliméricas, pero la movilidad térmica es capaz de compensarlas creándolas por otra parte, dando lugar a cambios apenas observables en la viscosidad del fluido. Sin embargo, si se continúa aumentando el esfuerzo de cizalla, se puede alcanzar un momento a partir del cual se destruyen más interacciones de las que se crean, dando lugar a una pérdida de la estructura presente; por otra parte, se puede producir también un desenmarañamiento y un alineamiento de las cadenas poliméricas, que produce una mayor separación entre ellas, siendo el resultado neto de ambos efectos un descenso en la viscosidad del fluido (pseudoplasticidad). La figura 1.14b representa la situación descrita en la que las cadenas de polímero tienden desenmarañarse y

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a alinearse en la dirección del esfuerzo aplicado y en consecuencia la resistencia que el polímero opone al flujo disminuye, lo que se corresponde con la zona pseudoplástica que se aprecia en la figura 1.13. En algunas ocasiones puede ocurrir que, si la cizalla es muy elevada, todas las cadenas queden alineadas en la dirección del esfuerzo aplicado (figura 1.14c), en cuyo caso se vuelve a apreciar una nueva zona Newtoniana. La estructura el polímero peso molecular, distribución de peso molecular, contenido en ramificaciones, etc., afecta en gran medida a la forma de las curvas de flujo.

(a)

(b)

(c) Figura 1.14. Representación esquemática de los posibles enmarañamientos o enlazamientos entre cadenas poliméricas.

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La ley de potencias es el modelo más utilizado para representar las curvas de flujo de los polímeros, pudiendo explicar el comportamiento newtoniano, dilatante y pseudoplástico. La expresión del la ley de potencias es la siguiente:

El exponente n, llamado el índice de comportamiento de flujo, se utiliza normalmente como indicador de la dilatancia o pseudoplasticidad de una sustancia. De acuerdo con la ley de Newton, la viscosidad es el cociente entre el esfuerzo y la velocidad de deformación, de modo que el valor de la pendiente de las curvas de flujo es n-1.

Si el valor del índice de comportamiento al flujo, n, es 1, la ley de potencias representa la zona Newtoniana, mientras que si n<1 representa la zona de comportamiento pseudoplástico, que será tanto más alejado de la idealidad cuanto menor sea el valor de n. 5.5. RELACIÓN ENTRE ESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO DURANTE EL FLUJO

La forma que adoptan las curvas de flujo tiene gran importancia sobre el comportamiento de los polímeros durante el procesado. El valor de los parámetros 0,

, , y n, depende en gran medida de la estructura de los

polímeros, especialmente de su peso molecular, polidispersidad, contenido en ramificaciones, etc. 5.5.1 Efecto del peso molecular La dependencia de la viscosidad a bajas cizallas con el peso molecular del polímero ha sido ampliamente estudiada, habiéndose observado que se cumple la siguiente ecuación (relación de Mark-Howink):

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donde el valor de “a” oscila entre 1 y 3.5 dependiendo del peso molecular del polímero, tal y como se observa en la figura 1.15. Como se puede apreciar la transición entre un valor y otro de “a” se produce a partir de un peso molecular crítico (Mc), que depende de cada polímero y que está asociado con las condiciones mínimas de tamaño molecular para que se produzcan entrelazamientos y enmarañamientos entre las cadenas poliméricas. El valor de Mc depende especialmente de la rigidez que los sustituyentes proporcionan a la cadena, de modo que aquellas cadenas más impedidas tendrán valores mayores de Mc. Así por ejemplo, el Mc para el PE es de 3800, de 27500 para el PMMA y de 36000 para el PS.

Figura 1.15. Efecto del peso molecular del polímero en la viscosidad a bajas cizallas para distintos polímeros.

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Por otra parte, comparando polímeros con distinto peso molecular (figura 1.16) se puede observar que al aumentar el peso molecular la velocidad de cizalla crítica,

, disminuye, al hacer más marcada la zona

pseudoplástica.

Figura 1.16. Variación de /o en función de la velocidad de cizalla para muestras de PS con distinto peso molecular. 5.5.2. Efecto de la distribución de pesos moleculares La anchura de la distribución de pesos moleculares (polidispersidad), también influye notablemente sobre las propiedades de flujo de un determinado polímero. En la figura 1.17 se muestra el comportamiento de dos poliestirenos de similar peso molecular, pero con distribuciones de pesos moleculares de diferente amplitud. Como se puede observar, el efecto más notable al aumentar la heterogeneidad del polímero es el desplazamiento de la zona newtoniana hacia menores cizallas. Por otra parte, el índice de pseudoplasticidad no se ve afectado por la polidispersidad de estas muestras.

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Figura 1.17. Comportamiento de la viscosidad para un PS de distribución estrecha de ( ) y para un PS de distribución ancha ( ) de pesos moleculares.

6. PROPIEDADES MECÁNICAS Los plásticos se encuentran sometidos a diferentes estados de carga en sus distintas aplicaciones, por lo que la selección del material adecuado para cada una de ellas se basa, entre otras consideraciones, en sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los polímeros dependen, fundamentalmente, de su composición, estructura y condiciones de procesado. Asimismo, existen otros factores que influyen en las mismas y son, principalmente, el tiempo (velocidad de aplicación de los esfuerzos) y la temperatura. Precisamente debido al carácter viscoelástico de los plásticos, el comportamiento de estos materiales cuando se les aplica un esfuerzo a velocidad elevada no puede extrapolarse para aplicaciones en las que la carga se aplica durante periodos prolongados de tiempo. Los ensayos a corto plazo y a largo plazo simulan estas situaciones en el laboratorio. En los ensayos a 38


largo plazo se estudia la deformación que sufre un material bajo un esfuerzo o una deformación constante en función del tiempo y son especialmente adecuados en el diseño de piezas que tienen que sufrir esfuerzos intermitentes. Por otra parte, la respuesta de un material puede ser muy diferente dependiendo del tipo de esfuerzo al que se vea sometido. Para caracterizar un material para una aplicación determinada es conveniente estudiar su comportamiento ante el tipo de esfuerzo al que va a ser sometido y no es prudente extrapolar los resultados de un tipo de ensayo a otro. Dentro de los ensayos a corto plazo, en los que no se tiene en cuenta el tiempo de aplicación del esfuerzo, estudiaremos el comportamiento de los materiales cuando se aplican esfuerzos en tracción, flexión, compresión e impacto. Por otra parte, hay dos tipos fundamentales de ensayos a largo plazo: los ensayos de fluencia y los de relajación de esfuerzos. Los ensayos de fluencia consisten en aplicar una carga fija a una muestra y estudiar la deformación resultante en función del tiempo. En los ensayos de relajación de esfuerzos se aplica una deformación fija a una muestra y se estudia la variación de la carga requerida para mantener la deformación en función del tiempo. Veremos cada uno de ellos con mayor detalle. La figura 1.18 muestra una curva típica esfuerzo-deformación obtenida en un ensayo a corto plazo, en el que el esfuerzo aplicado varía de forma constante. Como se ha comentado existen varios tipos de ensayos, pero la forma general de las curvas es siempre muy parecida aunque la respuesta del material puede ser muy diferente dependiendo de la orientación del esfuerzo. La curva esfuerzo-deformación se puede dividir en varios tramos. El primer tramo de la curva OA es lineal y muestra una proporcionalidad entre esfuerzo y deformación, es decir el material se comporta siguiendo la ley de Hooke. El punto A se conoce como límite de proporcionalidad. Aunque en el tramo AB ya no hay proporcionalidad entre esfuerzo y deformación, el material todavía se comporta como elástico, es decir, la deformación desaparecería totalmente si cesara el esfuerzo.

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Las deformaciones por debajo del punto A son relativamente pequeñas y se asocian con la extensión de los enlaces existentes entre los átomos de las moléculas de plástico, tal y como se muestra en la figura 1.19(a). Este tipo de deformación es instantánea y completamente recuperable. No hay desplazamiento de unas moléculas respecto a otras. La deformación que tiene lugar entre los puntos A y B es consecuencia del “estiramiento” de moléculas que se encuentran enrolladas sobre sí mismas, como se muestra en la figura 1.19(b). Tampoco en este caso hay desplazamiento de unas moléculas respecto a otras, por lo que la deformación es recuperable, aunque no de forma instantánea.

Figura 1.18. Curva típica esfuerzo-deformación de un plástico.

Figura 1.19. Tipos de deformación de las moléculas: (a) por extensión de enlaces, (b) por desenrollamiento de moléculas, (c) por desplazamiento. 40


Volviendo a la figura 1.18, a partir del punto B la deformación deja de ser elástica por lo que este punto recibe el nombre de límite elástico o punto de fluencia. Los esfuerzos y deformaciones correspondientes a este punto reciben el nombre de esfuerzo límite y deformación límite, respectivamente. Las deformaciones que tienen lugar por encima del límite elástico dejan de ser recuperables, debido a que estas deformaciones son consecuencia del deslizamiento de unas moléculas respecto de otras (figura 1.19 (c)). Las moléculas que se han desplazado no pueden volver a su posición original, por lo que la deformación es irreversible. En este caso el material ya no se comporta como un cuerpo elástico si no como un sólido plástico. El tramo BC, es aproximadamente horizontal, como consecuencia de que el material se hace dúctil y fluye a poco que varíe el esfuerzo aplicado. Después del punto C, puede ocurrir que para seguir deformando el material haya que aplicar un esfuerzo algo mayor, debido a que el material puede haber sufrido un ligero reforzamiento. El punto final D corresponde al momento en que el material rompe, con un esfuerzo de rotura D que recibe el nombre de resistencia a la rotura y una deformación D que en el caso de ensayos de tracción se llama alargamiento a la rotura. La pendiente de la parte recta de la curva (tramo OA) se conoce como módulo de Young, o simplemente módulo. Los plásticos que tienen un módulo alto se suelen llamar plásticos duros, mientras que los que tienen un módulo bajo son plásticos blandos. Plásticos duros son, por ejemplo, las resinas de fenol-formaldehido (PF), polioximetileno (POM), policarbonato (PC) y polietilenterftalato (PET). Esta dureza no debe confundirse con la dureza superficial, que normalmente se define como la resistencia de un material a ser rayado o penetrado. Para evitar confusiones los plásticos duros (con alto módulo) deberían llamarse plásticos rígidos. Según la norma ASTM los plásticos rígidos son aquellos que tienen un módulo superior a 700 MPa, los semirígidos tienen un módulo entre 70 y 700 MPa y los blandos son aquellos con un módulo inferior a 70 MPa. La tenacidad se puede estimar como el área total OABCDO. Representa el trabajo total que debe hacerse para romper el material. Cuando mayor cantidad de energía pueda absorber un

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material experimentando grandes deformaciones, más tenaz será. El término fragilidad hace referencia a la falta de tenacidad. 6.1. ENSAYOS DE TRACCIÓN Los ensayos de tracción son una medida de la respuesta de un material ante una fuerza que tiende a estirarlo. De estos ensayos se suele obtener información sobre la resistencia a la tracción, elongación y módulo, como se ha descrito en la figura 1.18. Los aparatos para realizar los ensayos de tracción constan de un brazo fijo y uno móvil, ambos dotados con unas mordazas donde se sujetan las probetas. Los brazos se separan a una velocidad constante mientras se determina la carga y la extensión. Las probetas que se emplean en los ensayos de tracción normalmente se preparan mediante inyección o compresión, o también se pueden obtener recortándolas de zonas planas de las piezas ya transformadas. Las probetas deben tener unas dimensiones normalizadas, que pueden variar según la aplicación. En la figura 1.20 se muestran las mordazas y una probeta de tipo halterio.

Figura 1.20. Mordazas y probeta tipo halterio para ensayos de tracción.

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La velocidad a la que se realiza el ensayo es muy importante. Generalmente se emplean velocidades de separación de las mordazas próximas a 50 mm/min. A velocidades de deformación lentas las moléculas pueden sufrir cambios de conformación u orientarse en la dirección del esfuerzo aplicado, de modo que presentan mayor tenacidad y elongación a la rotura que a velocidades altas. Este efecto puede observarse en la figura 1.21 que representa el comportamiento del PET a 220ºC.

Figura 1.21. Efecto de la velocidad a la que se realiza el ensayo en una muestra de PET a 220ºC. Las propiedades mecánicas de muchos plásticos cambian rápidamente con pequeñas variaciones de temperatura. Cuando la temperatura aumenta se produce una expansión gradual del material, lo que resulta en un aumento del volumen libre y en un debilitamiento de las fuerzas de cohesión del material. Como líneas generales al aumentar la temperatura la resistencia a la tracción y el módulo disminuyen, mientras que la elongación aumenta, como se puede observar en la figura 1.22 obtenida para PMMA a diferentes temperaturas.

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Figura 1.22. Efecto de la temperatura sobre una muestra de PMMA. 6.2. ENSAYOS DE FLEXIÓN La resistencia a la flexión de un material es su capacidad para soportar fuerzas aplicadas en su eje longitudinal. Los esfuerzos inducidos por una carga de flexión son realmente una combinación de esfuerzos de tracción, compresión y cizalla, como se muestra en la figura 1.23. Las propiedades de flexión se calculan referidas al esfuerzo y deformación que se producen en la superficie externa de la probeta empleada.

Figura 1.23. Fuerzas implicadas en los ensayos de flexión.

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Las probetas empleadas en los ensayos de flexión son paralelepípedos de material y presentan la ventaja sobre las de tracción de que son más fáciles de preparar dada su forma, además el alineamiento de las probetas en el equipo es mucho más sencillo y no provocan concentración de esfuerzos en ciertos puntos, como puede ocurrir en los ensayos de tracción. El método más empleado para realizar los ensayos de flexión consiste en un sistema de tres puntos de carga. En éste una probeta de material de sección rectangular se apoya en dos soportes y la carga la realiza un puntero situado entre los soportes, como se muestra en la figura 1.23. El valor obtenido para el módulo en ensayos de flexión puede coincidir en ocasiones con el módulo obtenido en ensayos de tracción, y la forma de calcularlo y el efecto de las diferentes variables es el mismo. 6.3. ENSAYOS DE COMPRESIÓN Los ensayos de compresión se emplean para estudiar el comportamiento del material cuando está sujeto a una carga compresiva a una velocidad de carga relativamente alta y uniforme. A pesar de que en muchas aplicaciones los plásticos están sujetos a cargas de compresión, estos ensayos tienen aplicaciones limitadas. En la práctica las cargas compresivas se suelen aplicar durante periodos prolongados de tiempo, como por ejemplo en el caso de aquellos plásticos que se emplean en juntas, tacos de sillas y mesas, etc. En aquellos polímeros que se rompen en un ensayo de compresión, la resistencia a la compresión tiene un valor definido, sin embargo en algunos casos los polímeros se siguen deformando hasta que forman una lámina muy delgada sin que se produzca una fractura bien definida. En estos casos la resistencia a la compresión obtenida del ensayo no proporciona un valor claro. La máquina empleada en los ensayos de compresión es prácticamente la misma que se emplea en los ensayos de tracción; sólo cambia la forma de las mordazas y la dirección en la que se aplica el esfuerzo (figura 1.24). Las probetas empleadas para este tipo de ensayos suelen ser láminas rectangulares o discos.

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Figura 1.24. Mordazas para ensayo de compresión y probetas. 6.4. ENSAYOS DE IMPACTO Se define la resistencia al impacto como la energía absorbida por un material por unidad de área ante un impacto. La capacidad de absorber energía depende no sólo del material, sino también de su forma, tamaño, espesor, etc. Un plástico es más susceptible de producir fallo cuando es sometido a un impacto que cuando esa misma carga se aplica más lentamente, debido a que en el impacto el material no tiene la oportunidad de compensar el esfuerzo con movimiento molecular, es decir, no puede orientarse ni relajarse. Los dos ensayos de impacto más frecuentes son los de tipo péndulo y los de tipo dardo. Existen versiones instrumentadas y no instrumentadas de los equipos que se emplean para realizar estos ensayos. Estas últimas, dada su sencillez, se encuentran muy extendidas. 6.4.1. Ensayos tipo péndulo La figura 1.25 muestra una representación de un equipo de impacto tipo péndulo. El péndulo consta de un martillo de masa M unido a un eje de giro mediante un brazo de masa m. En su posición inicial (elevado) el péndulo posee una energía potencial Ep = mo.g.ho, donde mo y ho son la masa y altura del centro de masas formado por el péndulo y el brazo. En el ensayo se deja caer el péndulo y cuándo éste alcanza el punto más bajo de su recorrido toda la energía potencial se habrá transformado en cinética y el péndulo se moverá a una velocidad

. En ese punto se produce el impacto sobre la

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probeta y ésta absorberá parte de la energía del péndulo. El péndulo seguirá su recorrido elevándose hasta una altura hf que depende de la cantidad de energía que le quedó disponible tras el impacto. La diferencia de energía potencial es la energía empleada por el entre el punto inicial y final péndulo durante el ensayo, la cuál es la suma de la energía necesaria para flexionar la probeta, iniciar la fractura, propagarla y acelerar la parte de la probeta rota que sale despedida tras el impacto. La energía perdida por fricción y vibración del aparato es mínima, por lo que se considera despreciable. El resultado del ensayo es la resistencia al impacto expresada como la energía gastada por el péndulo obtenida como se acaba de indicar, y dividida por la sección de la probeta. Las probetas empleadas en este tipo de ensayos tienen una hendidura para mejorar la reproducibilidad de los mismos, si bien este tipo de probetas son más difíciles de preparar que otros.

Figura 1.25. Máquina de ensayos de impacto de tipo péndulo y forma de las probetas. 6.4.2. Ensayos tipo dardo El principio básico de este ensayo es someter a la muestra al impacto de una masa conocida (dardo) que cae desde una altura determinada. Las probetas tienen forma cuadrada o rectangular y pueden obtenerse por

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compresión, inyección o troquelándolas de una parte lisa de una pieza procesada. Este ensayo tiene la ventaja sobre otros de que las probetas pueden proceder de piezas reales. La versión no instrumentada de máquinas tipo dardo consta básicamente de un soporte donde se coloca la probeta, el dardo y un sistema de ejes guía graduados por donde se eleva el dardo hasta la altura deseada y por los que caerá por gravedad, como se muestra en la figura 1.26. En estos equipos, la energía del impacto puede variarse de dos formas: variando la masa del dardo y variando la altura desde la que se deja caer. Esta versión tradicional del equipo sólo permite determinar la energía de impacto de forma estadística por un método tipo “pasa-fallo”. Cuando la rotura (fallo) ocurre se disminuye la altura o la masa del dardo por un incremento estándar, hasta que la energía es insuficiente para fallo y entonces se vuelve a ir aumentando la altura o el peso hasta volver a producir fallo, y así sucesivamente. La energía de impacto se calcula como ya se ha indicado E = m.g.h, donde h se calcula estadísticamente considerando las condiciones en las cuáles hay un 50% de probabilidad de fallo. Los resultados obtenidos son más representativos del comportamiento del plástico que los resultados de los ensayos pendulares, ya que en este caso hay menor dependencia de la geometría del ensayo, de la muestra, etc. También resulta conveniente observar las superficies de fractura de las probetas ya que pueden proporcionar información sobre qué tipo de rotura se ha producido (frágil o dúctil). En la figura 1.26 se representa un ejemplo de una probeta con una rotura dúctil.

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Figura 1.26. Equipo de ensayos de impacto tipo dardo y forma de las probetas. 6.4.3. Ensayos de impacto con equipos instrumentados Tanto en el caso de los equipos para ensayos de péndulo como en los de tipo dardo existe una versión instrumentada. En estos equipos el cabezal del instrumento de impacto (martillo o dardo) tiene un transductor que mide la fuerza creada por la resistencia de la muestra durante el impacto. Estos sistemas son capaces de registrar un gran número de puntos fuerzadeformación durante el tiempo en el que tiene lugar el proceso global de impacto (unos pocos milisegundos). En los ensayos instrumentados se trabaja con un exceso de energía de impacto respecto a la que será absorbida por el material. Los equipos permiten determinar a su vez las curvas fuerzadeformación y a partir del área encerrada bajo estas curvas hasta el punto de máxima fuerza, y conocido el espesor de la probeta, calcular la energía de impacto. En la figura 1.27 se muestran algunos ejemplos de curvas fuerzatiempo obtenidas en ensayos de impacto instrumentados. 49


Figura 1.27. Resultados de los ensayos de impacto instrumentados. (a) polietileno con comportamiento dúctil y (b) polimetilmetacrilado, con comportamiento frágil. 6.5. ENSAYOS DE FLUENCIA Los ensayos de fluencia, al igual que los de recuperación de esfuerzos, son ensayos a largo plazo, es decir se realizan durante periodos de tiempo considerables, lo cual lógicamente es una desventaja, si bien pueden ser más representativos del comportamiento real de materiales sometidos a este tipo de esfuerzos. En los ensayos de fluencia también es frecuente encontrar las versiones instrumentadas y no instrumentadas. El ensayo consiste en aplicar una carga fija a una probeta en forma de paralelepípedo y determinar la deformación en función del tiempo hasta que la muestra rompe o hasta que el incremento de la deformación es muy pequeño (generalmente durante horas o días). Se representa la deformación en función del tiempo empleando, por lo general, en escala logarítmica para el tiempo. El comportamiento en los ensayos de fluencia varía mucho dependiendo del tipo de plástico, sin embargo bajo el esfuerzo y temperatura adecuados, todos los plásticos exhiben un comportamiento característico de fluencia. En la figura 1.28 se muestra una curva de fluencia completa. La curva puede dividirse en cuatro etapas. La primera etapa (OP) representa la deformación elástica instantánea. En la segunda, PQ, la deformación tiene lugar rápidamente pero a una velocidad decreciente. Esta etapa en la que la velocidad de fluencia decrece con el tiempo se llama de “fluencia primaria”. La etapa 3 de la curva es prácticamente recta y se caracteriza por una velocidad constante de fluencia. Este proceso se llama de “flujo frío”. En la última zona RS se produce un

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marcado aumento de la velocidad de fluencia del material hasta que tiene lugar la fractura. A la fractura producida de esta forma se le llama rotura de fluencia o de fatiga estática.

Figura 1.28. Curva típica de fluencia. Es importante tener en cuenta que en muchas ocasiones en los plásticos se produce este tipo de fracturas, ya que es un error corriente asumir que si un material es capaz de soportar una carga estática durante un periodo de tiempo, podrá soportarla indefinidamente (como por ejemplo ocurre con los metales). Sin embargo, en el caso de los plásticos puede ocurrir que plásticos que sean tenaces en un corto periodo de tiempo se vuelvan frágiles en periodos más prolongados. Si la carga se retira antes de que se produzca la fractura, los plásticos pueden recuperar, al menos parcialmente, la deformación que han sufrido. Este fenómeno se ilustra en la figura 1.29. Tan pronto como se retira la carga se observa una recuperación elástica inmediata, prácticamente igual a la deformación elástica inicial. Una parte sustancial de la deformación no se recupera inmediatamente y el material tarda un cierto tiempo en recuperar su tamaño o longitud original. Si la recuperación no es completa se dice que el material ha sufrido una deformación permanente. La magnitud de la

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deformación permanente depende del esfuerzo aplicado, el tiempo y la temperatura del material.

Figura 1.29. Curva de fluencia y recuperación. 6.6. ENSAYOS DE RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Una consecuencia importante de la naturaleza viscoelástica de los plásticos es que cuando están sujetos a una deformación determinada y esta deformación se mantiene constante, se observa que el esfuerzo necesario para mantener la deformación disminuye con el tiempo. A este fenómeno se le conoce como relajación de esfuerzos y es de vital importancia para el diseño de juntas, precintos, y muelles. La figura 1.30 muestra un comportamiento de este tipo. En el eje de abscisas se muestra el tiempo en escala logarítmica y en el de ordenadas la variación del esfuerzo aplicado respecto al esfuerzo inicial. Los ensayos de fluencia son mucho más frecuentes que los de relajación de esfuerzos, puesto que la forma de realizarlos es más sencilla y en el caso de los de relajación de esfuerzos no existe versión no instrumentada del equipo, sin embargo, en algunas aplicaciones se hace necesario el empleo de este tipo de ensayos. Por ejemplo, cuando se emplean hilos de plástico en los cierres de botellas que estarán expuestos a una deformación constante, se requiere que el esfuerzo de relajación sea lo menor posible. Si el esfuerzo es grande, el cierre fallará. Problemas similares pueden tener lugar en los

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plásticos que se utilizan como precintos y en los que contienen inserciones metálicas.

Figura 1.30. Curva típica de un ensayo de relajación de esfuerzos.

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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA “An Introduction to Plastics”, Hans-George Elias, VCH, Weinheim, 1993. “Polymer Proccessing”, Morton-Jones, D.H., Chapman & Hall, Londres, 1991. “Introducción a la Química de los Polímeros”, Raimond B. Seymour & Charles E. Carraher, Editorial Reverté, SA Barcelona 1995. “Understanding Polymer Morphology”, Arthur E. Woodward, Hanser Publishers, Munich,1995. “Ciencia y Tecnología de los Materiales Plásticos” Revista de plásticos modernos, CSIC, Volumen I y II, Madrid, 1990. “Handbook of Plastics Testing Technology”, Vishu Shah, John Wiley & Sons, New York, 1983. “Iniciación a la Química de los Plásticos” Gnauk y Fründt, Hanser editorial, Barcelona, 1989. "Plastics Engineering", 3rd ed., R. J. Crawford, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999. “Polymers: Structure and Properties” C.A. Daniels, Technomic Publishing CO., Lancaster, 1989. "An Introduction to Rheology", Barnes H.A., Hutton, J.F., Walters K., Elsevier, Amsterdam, 1989.

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TEMA 2. TIPOS DE PLASTICOS, ADITIVACIÓN Y MEZCLADO 1. TIPOS DE PLÁSTICOS ............................................................................ 57 1.1. Termoplásticos................................................................................. 57 1.2. Plásticos de altas prestaciones ......................................................... 58 1.3. Termoestables .................................................................................. 59 1.4. Elastómeros...................................................................................... 60 1.5. Composites....................................................................................... 61 1.6. Plásticos espumados ........................................................................ 61 1.7. Cristales líquidos.............................................................................. 62 2. TIPOS DE ADITIVOS............................................................................... 63 2.1. Plastificantes .................................................................................... 65 2.1.1. Teorías de la plastificación ................................................... 65 2.2. Estabilizantes ................................................................................... 69 2.2.1. Antioxidantes ........................................................................ 69 2.2.2. Estabilizantes ultravioleta ..................................................... 70 2.2.3. Estabilizantes térmicos.......................................................... 71 2.3. Lubricantes....................................................................................... 72 2.3.1. Lubricantes externos ............................................................. 72 2.3.2. Lubricantes internos .............................................................. 74 2.4. Cargas .............................................................................................. 74 2.5. Retardantes de llama ........................................................................ 75 2.6. Agentes espumantes......................................................................... 76 2.7. Modificadores de impacto ............................................................... 77 2.8. Pigmentos y colorantes .................................................................... 78 3. MECANISMOS DE MEZCLADO ............................................................ 79 4. FORMULACIONES BÁSICAS ................................................................ 82 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA......................................................... 84

Tecnología de Polímeros. M. Beltrán y A. Marcilla

Resumen En este tema se presenta una clasificación de los distintos tipos de plásticos y se explica qué propiedades poseen en común los plásticos pertenecientes a una misma familia y qué tipo de estructura les confiere este conjunto de propiedades. En la segunda parte del tema se describen los principales aditivos empleados en la industria de transformación de plásticos, los mecanismos de acción y el conjunto de propiedades que modifican. A continuación se describen los tipos de mecanismos de mezclado y se dan nociones básicas sobre las formulaciones de plásticos empleadas en la industria.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado 1. TIPOS DE PLÁSTICOS Los plásticos se pueden agrupar o clasificar de maneras muy diferentes, si bien todas las posibles clasificaciones pueden resultar en algún momento ambiguas y por lo general un mismo plástico se encuentra en diferentes grupos. En este caso se muestra la clasificación propuesta por Crawford (Plastics Engineering, 3rd ed., R. J. Crawford, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999) que se basa en las propiedades mas destacadas desde el punto de vista del diseño de piezas y de selección del material para una aplicación determinada. De acuerdo con esta clasificación a continuación se describen brevemente los principales tipos de plásticos, sus propiedades y ejemplos de plásticos pertenecientes a cada tipo. 1.1. TERMOPLÁSTICOS Los termoplásticos son polímeros lineales, que pueden estar ramificados o no. Puesto que no se encuentran entrecruzados son polímeros solubles en algunos disolventes orgánicos, son capaces de fundir y son, por tanto, reciclables. Si los comparamos con los demás tipos de plásticos, los termoplásticos se fabrican y emplean en cantidades muy grandes y entre ellos los más frecuentes son PE, PP, PS y PVC. De hecho, más de la mitad de la cifra total de plásticos procesada corresponde a los cuatro plásticos citados. En la tabla 1.1. (Tema 1. Estructura y propiedades de los polímeros) se mostraron varios ejemplos de materiales termoplásticos. Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición vítrea Tg (si se trata de un material amorfo), o una temperatura de fusión Tm (si se trata de un material cristalino), superior a la temperatura ambiente. Por lo general, los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar y bastante económicos. La principal desventaja deriva del hecho de que son materiales que funden, de modo que no tienen aplicaciones a elevadas temperaturas puesto que por encima de la Tg comienzan a reblandecer, con la consiguiente pérdida de propiedades mecánicas.

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1.2. PLÁSTICOS DE ALTAS PRESTACIONES (O PLÁSTICOS INGENIERILES) Los plásticos de altas prestaciones son un grupo de termoplásticos que se caracterizan por poseer unas propiedades mecánicas excepcionalmente buenas. En principio la denominación de "materiales de altas prestaciones" se comenzó a utilizar para aquellos materiales que pudieran sustituir satisfactoriamente a metales tales como el aluminio en algunas aplicaciones. Sin embargo como ya se ha comentado, las propiedades de los plásticos, a diferencia de las de los metales, se ven muy afectadas por la temperatura de trabajo y dado su marcado comportamiento viscoelástico, sus propiedades mecánicas son fuertemente dependientes del tiempo de aplicación del esfuerzo. En este sentido todos los plásticos de altas prestaciones están en desventaja comparados con los metales, sin embargo presentan grandes ventajas sobre éstos, como baja densidad, resistencia a muchos líquidos que corroen a los metales y se procesan más fácilmente y se pueden producir piezas con diseños más complejos que con metales. Los plásticos de altas prestaciones se obtienen por polimerización de monómeros que incorporan anillos de benceno en la cadena del polímero. Estos anillos aromáticos dan rigidez a la cadena y confieren temperaturas de fusión muy elevadas, de modo que el plástico podrá exponerse a temperaturas superiores a los 200 ºC (y en ocasiones superiores a los 300 ºC) durante periodos prolongados de tiempo manteniendo sus propiedades mecánicas. Ejemplos de estos materiales son los plásticos de la familia de las poliimidas (PI), poliariletercetonas (PAEK), poliesteres aromáticos (APE), polisulfonas (PSU), entre otros, cuyas estructuras se muestran en la tabla 2.1. Por lo general estos materiales resultan más caros y más difíciles de procesar que los demás termoplásticos.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado Tabla 2.1. Estructura de algunos plásticos de altas prestaciones. Polímero Abreviatura Estructura Poliésteres aromáticos

APE

Poliimidas

PI

Polisulfonas

PSU

1.3. TERMOESTABLES Como ya se comentó, los termoestables son materiales que adquieren un estado final reticulado (entrecruzado), que los hace insolubles e incapaces de fundir. A estos materiales se llega partiendo de materias primas de bajo peso molecular de las que se obtiene, en una primera fase, un producto intermedio (prepolímero), muy poco o nada reticulado, todavía capaz de fundir y fluir, y por tanto de rellenar un molde. La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la pieza. Puesto que no funden y no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, entre otras ventajas sobre otros materiales. Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos años. Existen numerosas razones por las que esto ha ocurrido. Los termoestables requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de polimerización tiene lugar dentro del molde. Los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos; por lo general 59


las resinas termoestables son bastantes opacas y en muchos casos presentan cierta coloración amarillenta. Los ejemplos más corrientes de estos materiales son los poliuretanos reticulados (PUR), las resinas de fenol-formaldehido (fenoplastos) que se mostraron en la tabla 1.2., junto con las resinas de amina-formaldehido (aminoplastos). 1.4. ELASTÓMEROS Los elastómeros o cauchos son generalmente polibutadienos (Tabla 1.1) o compuestos que contienen dobles enlaces en la cadena principal, de modo que las cadenas de polímero se encuentran enrolladas sobre sí mismas, lo que les confiere gran flexibilidad. Estos materiales son capaces de soportar deformaciones muy grandes recuperando su forma inicial una vez que se elimina el esfuerzo. En los elastómeros suele producirse un entrecruzamiento parcial de las cadenas para evitar que cada vez que estos materiales se ven sometidos a un esfuerzo las moléculas se deslicen unas sobre otras, lo que provocaría deformaciones irrecuperables. El entrecruzamiento o curado a que se somete a estos materiales es similar al de los termoestables, pero en este caso el grado de entrecruzamiento es mucho más bajo, puesto que debe ser suficientemente espaciado, de modo que no impida el desenrollamiento de las cadenas, que es en definitiva lo que confiere al material la capacidad de recuperar su forma inicial cuando cesa el esfuerzo al que es sometido. Los elastómeros son materiales muy tenaces, resistentes a aceites y grasas y al ozono, y presentan buena flexibilidad a bajas temperaturas. De hecho, todos los elastómeros tienen temperaturas de transición vítrea inferiores a la temperatura ambiente. Presentan, sin embargo, algunas de las desventajas de los termoestables: requieren un procesado lento, lo que consume grandes cantidades de tiempo y energía, y en principio no son reciclables. En los últimos años se ha desarrollado un grupo de elastómeros conocidos como elastómeros termoplásticos (TR). Estos elastómeros pueden 60

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado estar reticulados de forma química o física. En los reticulados químicamente la reticulación es reversible a altas temperaturas, convirtiéndose en termoplásticos amorfos o semicristalinos. Tienen, por tanto, el comportamiento de uso de los elastómeros y el comportamiento de fusión de los termoplásticos. Los elastómeros reticulados físicamente consisten por lo general en una mezcla de una matriz termoplástica, generalmente PP, mezclada con un caucho, por lo general EPDM (caucho de etileno-propilenomonómero de dieno). La matriz termoplástica permite que el material funda y sea moldeado, mientras que las partículas de caucho contribuyen dando tenacidad y elasticidad al material. En general la capacidad de deformación de los elastómeros termoplásticos es menor que la de los demás elastómeros (elastómeros permanentes). 1.5. COMPOSITES Los composites o plásticos compuestos, son materiales con muy buenas propiedades mecánicas; elevada dureza y resistencia a la tracción. Están formados por dos componentes inmiscibles que forman dos fases separadas, lo que les confieren propiedades muy interesantes. Constan de una matriz, que se trata generalmente de un polímero termoplástico, aunque ocasionalmente puede ser termoestables, y de una carga, que se suele tratar de una fibra con muy buena resistencia a la tracción, por lo general fibra de vidrio o de carbón. Las propiedades de los materiales compuestos no sólo dependerán de las características de cada componente, sino también de la naturaleza de la interfase. En estos materiales la carga o refuerzo mejora las propiedades de la matriz polimérica, de modo que combinan las ventajas de los termoplásticos o termoestables, según se trate, con las del refuerzo. En contraposición estos materiales resultan caros y su procesado es más complejo que el de otros materiales. 1.6. PLÁSTICOS ESPUMADOS Son por lo general termoplásticos con una estructura celular, que contienen grandes proporciones de celdillas finas llenas de gas. Estas celdillas pueden ser cerradas o abiertas. Las propiedades físicas de los materiales 61


resultantes serán intermedias entre las del sólido y las del gas. En los plásticos espumados se consigue importantes reducciones de la densidad, conductividad térmica, propiedades dieléctricas y disipación de energía acústica y mecánica. En la mayoría de las propiedades de los plásticos espumados se cumple la ley de mezclas. La densidad del material celular disminuye proporcionalmente a la fracción volumétrica de la fase gaseosa. La conductividad térmica de los gases es muy inferior a la de los sólidos, de modo que la transferencia de calor por conducción disminuye linealmente al disminuir la densidad de la espuma. Igualmente la conductividad eléctrica, la constante dieléctrica y las pérdidas dieléctricas disminuirán proporcionalmente a la disminución de la densidad. En cuanto a las propiedades mecánicas el efecto de los agentes espumantes se pone claramente de manifiesto en la rigidez y la absorción de impactos de las piezas. La rigidez de un producto celular es relativamente alta si se utiliza como base el peso de muestra (en lugar del espesor o la sección del material) y lo mismo ocurre con la energía de impacto. Por otra parte los materiales celulares pueden usarse tanto como aislantes del sonido generado directamente en el aire como del sonido resultante de vibraciones resonantes de las estructuras. 1.7. CRISTALES LÍQUIDOS Los cristales líquidos (LCP) son termoplásticos basados en poliésteres aromáticos similares al mostrado en la tabla 2.1 que presentan estructuras altamente ordenadas al menos en una dirección espacial, incluso en estado líquido o fundido. Cuando estos materiales son sometidos a un esfuerzo las moléculas pueden deslizarse unas sobre otros, pero sin llegar a perder nunca la estructura ordenada. Esta estructura tan especial les confiere propiedades térmicas, mecánicas y ópticas excepcionales. Actualmente han despertado un gran interés pues presentan amplias aplicaciones tecnológicas, especialmente en los dispositivos de visualización gráfica.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado 2. TIPOS DE ADITIVOS La industria de los plásticos conoce desde siempre que la obtención de productos verdaderamente útiles sólo es posible si a la matriz polimérica se añaden ciertos aditivos. En general, se consideran aditivos aquellos materiales que van dispersos físicamente en una matriz polimérica, sin afectar a su estructura molecular. Por tanto, quedan excluidas sustancias tales como catalizadores, reticulantes, etcétera. La incorporación de aditivos a plásticos puede alterar considerablemente las propiedades del material. Por ejemplo, en el caso del caucho según los aditivos que se empleen se pueden obtener neumáticos, suelas de zapatillas, colchones, bandas elásticas, gomas de borrar, etc. En el caso del PVC se pueden obtener tubos rígidos, botellas, recubrimientos de cables, bandas transportadoras, ropa, balones, muñecas, etc., todos ellos materiales con propiedades y aspecto muy diverso. Los aditivos se clasifican según su función y no en relación con su constitución química (tabla 2.2). Por su especial importancia, en este tema trataremos los plastificantes, estabilizantes, lubricantes, modificadores de impacto, retardantes de llama, agentes espumantes, cargas y pigmentos y colorantes. Todos los aditivos deben cumplir una serie de requisitos técnicos. En general se espera que sean altamente eficaces, de modo que se consigan los objetivos propuestos a una concentración que sea aceptable económicamente. Ciertas mejoras en una determinada propiedad pueden dar lugar al empeoramiento de otras; por tanto, lo que determina la elección final de uno o varios aditivos es el comportamiento considerado en su conjunto. En algunos casos, cuando las moléculas de aditivo deben interactuar con las de polímero es preciso que exista una compatibilidad alta, es decir, una alta miscibilidad a nivel molecular. Sin embargo en otros casos es deseable que el aditivo y el polímero formen dos fases bien diferenciadas. Un aditivo, además, no debe ser volátil en las condiciones del proceso de transformación. Esto significa que debe tener una tensión de vapor baja a altas temperaturas y no debe tender a agregarse, lo que daría lugar a un depósito del aditivo en forma de capa fina superficial. Un aditivo no debe exudar durante su vida en servicio, ya que 63


daría lugar a problemas de estética y a la pérdida de eficacia por eliminación del aditivo. Los aditivos inorgánicos insolubles, tales como pigmentos, cargas, etc., no dan lugar, en general, a fenómenos de exudación, mientras que los plastificantes de bajo peso molecular, por ejemplo, tendrán más tendencia a migrar y exudar a la superficie durante el proceso de transformación y posteriormente por envejecimiento. Además, pueden ser vehículo para la migración de otros aditivos solubles. Por último, un aditivo no debe ser tóxico ni perjudicial para la salud del personal que lo manipule ni tampoco para los usuarios, especialmente cuando el material se utiliza para entrar en contacto con productos alimentarios, farmacéuticos o que se emplean en juguetería. Tabla 2.2. Aditivos para plásticos. Función del aditivo Aditivos que facilitan el procesado

Tipo de aditivo Estabilizantes Lubricantes Plastificantes Cargas reforzantes Modificadores de impacto Cargas Diluyentes y extendedores Agentes antiestáticos Aditivos antideslizamiento Aditivos antidesgaste Promotores de adhesión Pigmentos y colorantes Agentes de nucleación Estabilizantes contra luz UV Fungicidas Agentes espumantes Retardantes de llama

Aditivos que modifican las propiedades mecánicas Aditivos que disminuyen costos de las formulaciones Modificadores de propiedades superficiales

Modificadores de propiedades ópticas Aditivos contra el envejecimiento Otros

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado La concentración de los aditivos en las formulaciones de plásticos generalmente se expresa en peso referida a 100 gramos de polímero o phr (partes por 100 de resina). 2.1. PLASTIFICANTES Según el Consejo de la IUPAC “un plastificante es una sustancia que se incorpora a un material plástico o elastómero para aumentar su flexibilidad y facilitar su transformación. Un plastificante puede reducir la viscosidad del fundido, rebajar la temperatura de transición vítrea o disminuir el módulo elástico del fundido”. Esta definición pone de manifiesto las múltiples funciones que puede desarrollar un plastificante en un sistema polímeroplastificante. Desde el punto de vista tecnológico, la eficacia de un plastificante se suele expresar como la cantidad de plastificante necesaria para alcanzar un valor dado de una propiedad de interés práctico; por ejemplo, la cantidad en que el valor de la Tg del polímero disminuye al introducir el plastificante. En muchos casos, una buena eficacia es una propiedad muy importante; sin embargo, en otros puede suceder lo contrario: por ejemplo, si el plastificante es bastante más barato que el polímero, cuanto menor sea la eficacia mayor será la cantidad de plastificante necesaria para alcanzar un módulo o dureza dados, por lo que el coste de la formulación final será más bajo. En formulaciones de plastisoles de PVC puede lograrse viscosidad más baja y, normalmente, menor envejecimiento si se usan cantidades mayores de un plastificante de menor eficacia. Los plastificantes se emplean en concentraciones que pueden oscilar entre 40 y 180 phr. 2.1.1. Teorías de la plastificación La Teoría del volumen libre de Sears y Darby propone que entre las moléculas de un polímero tan solo existe volumen libre y que suficiente volumen libre permite libertad de movimiento. A mayor volumen libre mayor facilidad de movimiento de las moléculas o partes de las mismas, y por tanto mayor flexibilidad y menor Tg. Se puede conseguir un aumento del volumen 65


libre aumentando los grupos terminales (introduciendo ramificaciones o disminuyendo el peso molecular), o aumentando la temperatura, como se esquematiza en la figura 2.1. La adición de pequeñas moléculas de plastificante, con cadenas flexibles implica gran cantidad de volumen libre. El resultado de aumentar el volumen libre de una molécula al incorporar un plastificante es una reducción de la Tg, una mayor flexibilidad, aumento de la elongación a la rotura, etc.

Figura 2.1. Efecto sobre el volumen libre de a) los grupos terminales, b) ramificaciones, c) vibraciones consecuencia del aumento de la temperatura y d) la adición de plastificantes. La teoría del volumen libre está ampliamente difundida, sin embargo no explica aspectos básicos de la plastificación, como por qué algunas sustancias son útiles como plastificantes y otras no, ni el hecho de que algunos polímeros se plastifican con facilidad mientras que otros no lo hacen. Moorshead desarrolló un enfoque empírico para explicar el fenómeno de la plastificación, el cual trataremos con un cierto detalle por considerarlo muy práctico y fácilmente comprensible. Se refiere al PVC en particular y se plantea el por qué este polímero puede ser plastificado tan eficazmente, por qué determinados productos químicos son apropiados como plastificantes y, 66

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado lo que es más importante, por qué ciertas estructuras químicas en un plastificante comunican propiedades tan interesantes. Modelo de Moorshead En general todas las teorías de la plastificación están de acuerdo en que un plastificante penetra en el interior de la masa del polímero y separa las cadenas, reduciendo así las fuerzas de atracción entre ellas. Las moléculas de un polímero altamente reticulado se mantienen juntas por enlaces covalentes, que no permiten que el plastificante separe las cadenas entre sí. En el caso de un polímero altamente cristalino, las fuerzas de asociación son casi tan fuertes como los enlaces covalentes, por lo que el efecto es similar al caso anterior. Estos tipos de polímeros no se pueden plastificar. De igual manera, todos los líquidos, de acuerdo con su estructura química, poseen una cohesión característica. Para conseguir que el polímero y el plastificante se mezclen adecuadamente la fuerza cohesiva que atrae las moléculas del líquido entre sí debe ser del mismo orden que la que atrae las moléculas del polímero. Si la fuerza cohesiva de las moléculas de polímero es mucho mayor que la del líquido, las cadenas del polímero se asocian entre sí preferentemente y rechazan al líquido, cuyas moléculas se asocian también entre sí para formar gotitas, y lo mismo ocurriría en caso contrario. En el caso del PVC, las cadenas son casi lineales y hay muy pocas zonas cristalinas. Los átomos de cloro, que son voluminosos, separan las cadenas del polímero reduciéndose así las fuerzas de Van der Waals, responsables de la cohesión en polímeros tales como el PE. Sin embargo, en el PVC, hay un átomo de Cl que sustituye a un átomo de H en átomos de C alternativos. El átomo de Cl no equilibrado, da lugar al desplazamiento de una carga, por lo que forma un dipolo. Las fuerzas de atracción debidas a los dipolos y, en menor proporción, las fuerzas de Van der Waals debidas al C y al H, así como las zonas cristalinas que pudieran existir, proporcionan la cohesión total del polímero. En el PVC la fuerza de cohesión dominante es la debida a la interacción dipolo-dipolo. Los líquidos que posean una estructura dipolar adecuada serán los más compatibles con el PVC. Los dipolos más corrientes en los plastificantes son los grupos éster de ácidos carboxílicos o de oxiácidos inorgánicos. Otro dipolo particularmente útil e interesante es el 67


anillo de oxirano (grupo epoxi). En la tabla 2.3 se muestra la estructura de 4 plastificantes pertenecientes a las familias más comunes (fosfatos, ftalatos, adipatos y epoxi).

Familia Ftalato

Tabla 2.3. Plastificantes mas frecuentes. Plastificante Estructura DINP Diiso-nonil ftalato

Fosfato

TFF Trifenil fosfato

Adipato

DOA Diiso-octil adipato

Epoxi

Epoxiestearato de octilo

La estructura de la molécula de plastificante en su conjunto tiene un profundo efecto en las propiedades del compuesto plastificado. Mientras que los grupos polares son esenciales para lograr una buena compatibilidad, el resto de la molécula puede ser cíclica o alifática, o lo que es más corriente, parte cíclica y parte alifática. Si el plastificante contiene grupos polares y polarizables (caso de los ftalatos y de los fosfatos de arilo), la resistencia a la tracción en el polímero plastificado será grande pero su flexibilidad sólo mejorará moderadamente, ya que habrá puntos de alta cohesión en muchas zonas de las cadenas del polímero (de forma similar a cuando el polímero se encuentra sin plastificar). Sin embargo, si la molécula de plastificante contiene además grupos alifáticos no-polares y no-polarizables, estos grupos separarán los dipolos del polímero sin introducir nuevos puntos de interacción entre las cadenas. Los dipolos del polímero que resultan apantallados por 68

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado grupos alifáticos del plastificante se comportan como líquidos, como se esquematiza en la figura 2.2. Las moléculas plastificadas con estos plastificantes presentan una buena flexibilidad.

Figura 2.2. Asociación plastificante-polímero y efecto de apantallamiento de la cadena alifática de del plastificante. 2.2. ESTABILIZANTES Desde que los polímeros sintéticos comenzaron a emplearse han interesado todos los procesos que, desencadenados por la acción de factores externos (calor, atmósfera, radiaciones, etc.), conducen al deterioro de su estructura. Generalmente los estabilizantes ejercen una acción retardante sobre el proceso de degradación. Un buen estabilizante debe ser capaz de controlar los procesos que tienen lugar durante la descomposición de los polímeros, pero además hay una serie de propiedades de otra índole que se suele exigir a los estabilizantes, como buena compatibilidad con el polímero, efectividad a bajas concentraciones, no afectar a otras propiedades de la formulación, bajo coste, y en ocasiones, estar exentos de color, olor y toxicidad. Se suelen emplear en concentraciones entre 1 y 6 phr. 2.2.1. Antioxidantes Algunos polímeros como el polipropileno, que presentan átomos de carbono terciarios, tienden a oxidarse cuando se exponen a la intemperie. Las reacciones de oxidación comienzan con la formación de radicales libres, que en presencia de oxígeno forman peróxidos, produciéndose finalmente la rotura de la cadena y por tanto la degradación del material. En general, se supone que los antioxidantes interrumpen las reacciones de degradación 69


combinándose con los radicales libres o con los peróxidos formados, dando lugar a especies no reactivas. Muchos de los estabilizantes primarios son fenoles estéricamente impedidos o aminas aromáticas. En el esquema se muestra la reacción de estabilización de un polímero con di-ter-butil-p-cresol.

2.2.2. Estabilizantes ultravioleta Los estabilizantes ultravioleta generalmente se utilizan junto con los antioxidantes. La energía de la radiación UV que alcanza la superficie de la tierra puede ser lo suficientemente elevada para producir la rotura de los enlaces covalentes en los polímeros, y la consiguiente pérdida de propiedades con el amarilleo de su superficie. Estos estabilizantes absorben energía a una longitud de onda que resultaría perjudicial para los polímeros y la reemiten a una longitud de onda diferente. Se utilizan las 4-alcoxibenzofenonas, benzotriazoles, acrilonitrilos sustituidos, entre otros. A modo de ejemplo sobre el modo de actuación de estos compuestos, en la siguiente reacción se muestra la absorción de energía del salicilato de fenilo para formar una hidroxibenzofenona, y la posterior emisión de energía del quelato para formar una quinona.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado

2.2.3. Estabilizantes térmicos Los estabilizantes térmicos generalmente se emplean con polímeros halogenados. Los polímeros halogenados, tales como los derivados del cloruro de vinilo y de vinilideno tienen una gran importancia comercial, a pesar de que presentan problemas especiales con respecto a su estabilidad térmica durante el procesado. Además de las reacciones oxidativas que tienen lugar en el resto de polímeros, en el caso de los polímeros halogenados puede tener lugar un proceso de deshidrohalogenación muy rápido. El haluro de hidrógeno formado durante la descomposición de estos polímeros actúa además como catalizador de la misma. Otra desventaja adicional en estos polímeros es que los dobles enlaces conjugados formados durante el proceso de deshidrohalogenación confieren una fuerte coloración a los productos. Muchos polímeros halogenados, como el PVC, presentan una temperatura de descomposición inferior a su temperatura de procesado, de modo que el empleo de estos estabilizantes es imprescindible con estos materiales. Dentro de las sustancias que pueden actuar como estabilizantes térmicos para el PVC y otros polímeros halogenados, los carboxilatos metálicos (R2M) constituyen el grupo más numeroso y homogéneo, y además cubren el mayor número de aplicaciones. Al igual que el mecanismo de degradación del PVC, la forma en que los estabilizantes interaccionan con éste no está del todo clara. Los siguientes mecanismos que se muestran hacen referencia al PVC, pero serían igualmente válidos para otros polímeros halogenados. Un modo de acción de los estabilizantes podría ser que reaccionaran con el cloruro de hidrógeno formado en la descomposición del PVC (o en general con el haluro de hidrógeno para otros polímeros halogenados):

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La otra posibilidad es que el estabilizante reaccione directamente con las estructuras lábiles del polímero. Los carboxilatos metálicos de Cd y Zn y de otros metales como Pb, Ba, Sn, pueden reaccionar con los átomos de cloro lábiles, impidiendo el crecimiento de las cadenas poliénicas, de la forma siguiente:

2.3. LUBRICANTES Los lubricantes se utilizan para disminuir las fuerzas de fricción y reducir el desgaste de dos cuerpos que rozan entre sí. En la industria de transformación de plásticos es frecuente que en diferentes etapas del procesado del polímero aparezcan problemas como consecuencia de una fricción excesiva. En ocasiones ésta ocurre en las tolvas de alimentación de la granza del polímero creando problemas en el transporte y alimentación a los equipos de transformación. También es frecuente que se produzca fricción excesiva entre el polímero fundido y las superficies metálicas de los equipos de transformación, que podría dificultar seriamente el flujo del fundido, dando lugar a efectos indeseables tales como baja producción o mala calidad superficial del producto acabado. En ocasiones también se presentan problemas de este tipo durante las operaciones de acabado, por ejemplo, durante la impresión, envasado y embalaje. Para resolver estos problemas se suelen emplear lubricantes internos (lubricación de capa sólida) y lubricantes externos (lubricación en la capa límite). Realmente los lubricantes no pueden dividirse categóricamente en externos e internos, ya que es probable que la mayor parte de ellos actúen de ambas maneras; por tanto, la clasificación se refiere al comportamiento dominante. 2.3.1. Lubricantes externos Tienen como misión reducir y controlar la adhesión entre el polímero y las partes metálicas de los equipos de transformación. Deben tener baja solubilidad en el polímero, sobre todo a las temperaturas de procesado, pero 72

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado han de tener suficiente polaridad de modo que tengan afinidad tanto por el polímero como por las superficies metálicas. Esto se consigue con moléculas que posean una zona polar y una apolar. En el proceso de lubricación los grupos polares de las moléculas del lubricante se orientan hacia la superficie metálica y forman una capa permanente. Esta capa límite de la película lubricante consiste en moléculas orientadas hacia la parte metálica del equipo, como se muestra en la figura 2.3, evitando ser solvatadas por las moléculas móviles del polímero. Este mecanismo se aplica a todos los sistemas poliméricos, sean o no polares.

Figura 2.3. Capa límite de lubricante entre la superficie metálica y el polímero fundido. En general, la compatibilidad de estos lubricantes con el polímero es baja y, por consiguiente, la formación de una capa límite se puede lograr con niveles muy bajos de incorporación. La velocidad de migración de los lubricantes a la interfase es bastante baja, debido a su peso molecular relativamente alto y a la baja concentración en el sistema. Al aumentar la concentración de lubricante y debido a su reducida compatibilidad con el polímero, puede producirse una exudación o migración hacia la superficie, que podría incluso arrastrar partículas de pigmentos o de cargas y formar un depósito en las superficies del equipo y del material.

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Los lubricantes externos más usados son: ácido esteárico, estearato cálcico y de plomo, ceras de parafina y otras ceras, PE de bajo peso molecular, ciertos ésteres, tales como palmitato de etilo, etcétera. Las concentraciones empleadas se sitúan normalmente entre 0.5 y 1.0 phr. 2.3.2. Lubricantes internos La función de estos aditivos consiste en disminuir la fricción de las moléculas de polímero entre sí, de modo que mejore el flujo del material. Idealmente, los lubricantes internos deben ser compatibles con el polímero sólo a altas temperaturas. Si la compatibilidad se mantiene también a temperaturas bajas el lubricante debe usarse en pequeñas concentraciones. Un exceso de lubricación podría provocar el deslizamiento excesivo entre partículas y partículas/metal. Esta situación daría lugar a una velocidad menor de fusión y en consecuencia provocaría una disminución en la producción. En general, los lubricantes internos son químicamente similares a los externos, con la excepción de que tienen mayor compatibilidad con el polímero y no migran fácilmente a la superficie. Además de los productos ya citados como lubricantes externos, se usan como internos los siguientes: derivados de ceras, como ésteres de cera de Montana; gliceril ésteres, tales como los de los ácidos esteárico y oleico; alcoholes de cadena larga, etcétera. Se emplean en concentraciones entre 1 y 2 phr. 2.4. CARGAS El concepto de carga es muy amplio, pero se pueden definir las cargas como materiales sólidos que se añaden a las formulaciones de plásticos y adhesivos, con objeto de reducir costes. Una carga debería no interferir con las propiedades del polímero (propiedades mecánicas, comportamiento reológico, color) y debería dispersarse en el polímero con facilidad, de modo que la distribución sea adecuada, lo que difícilmente se consigue en la práctica. Por otra parte, las cargas deben ser baratas de modo que supongan una clara disminución del coste de la formulación. Sin embargo, en el caso de cargas con densidades muy bajas se puede conseguir una disminución 74

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado sustancial del precio de una formulación aún cuando la carga sea más cara que el resto de componentes, pues al reducir la densidad de la formulación se puede reducir el peso de la pieza acabada, lo que puede ser doblemente interesante. La naturaleza química de las cargas puede ser muy diversa. Se utilizan desde las sustancias inorgánicas minerales más sencillas como carbonato de calcio, sulfatos de metales alcalinotérreos, silicatos, sílices y otros óxidos, hasta negro de humo, microesferas de vidrio o cerámica, entre otras. Entre las cargas orgánicas se encuentran la celulosa, almidón, cáscara de almendra, etc. Se emplean generalmente en concentraciones de entre 5 y 50 phr. En general los materiales cargados presentan peores propiedades mecánicas (resistencia a la tracción e impacto) y problemas de blanqueamiento al aplicar un esfuerzo (deshumedecen), por ello solo se emplean para aplicaciones de bajos requerimientos. 2.5. RETARDANTES DE LLAMA Para que se produzca el proceso de combustión es necesario que haya oxígeno, un combustible y temperatura alta. Cuando se dan estas condiciones se produce una reacción muy exotérmica con llama. Cuando los polímeros se calientan experimentan rotura química de sus enlaces con formación de volátiles, generalmente hidrocarburos de bajo peso molecular, lo que conduce a la formación de un residuo poroso. Generalmente estas reacciones se inician en el interior del material y en condiciones de pirólisis (en ausencia de oxígeno), por tanto son endotérmicas y con tendencia a autoextinguirse. Sin embargo la formación del residuo poroso facilita la penetración del oxigeno del aire, con lo que la reacción de combustión de los volátiles formados puede tener lugar. Si esto sucede, el calor generado por combustión suministra continuamente la energía necesaria para la pirólisis del material. Por lo tanto, puede haber una subida de la temperatura y eventualmente los vapores generados en la pirólisis se inflamarán por combinación con O2 para formar llama. En este caso se dice que el material es 75


inflamable (o combustible). Si tal calor de combustión no es suficiente para que el material pirolice y produzca volátiles a velocidad suficiente, la llama se extinguirá. Se dice, entonces que el material es autoextinguible. Los volátiles generados en la degradación térmica de polímeros contienen por lo general grupos C-C y C-H y son buenos combustibles. Los productos no-combustibles de la pirólisis, tales como haluros de halógenos, aminas, CO2, etc., dan lugar a una subida de la temperatura de ignición y a un incremento de la demanda de oxígeno para mantener la ignición, por tanto, pueden provocar la autoextinción de los productos de combustión. A los aditivos capaces de lograr una reducción en la tendencia a la ignición se les llama retardantes de llama. Pueden actuar de forma muy diferente, como por ejemplo, por recubrimiento del área expuesta, de modo que reducen la permeación de oxígeno y así, la velocidad de las reacciones oxidativas. También pueden actuar como retardantes de llama aquellos compuestos que conducen a la formación de grandes cantidades de gases incombustibles que diluirán el suministro de oxígeno y reducirán la velocidad de combustión. A su vez, esta situación disminuiría la temperatura del material, que podría caer por debajo de la temperatura de ignición, provocando la autoextinción. Los sistemas retardantes de llama más utilizados comercialmente son bromuros y cloruros orgánicos. Se pueden emplear acompañados de óxidos de antimonio, compuestos de fósforo y boro. 2.6. AGENTES ESPUMANTES Su función consiste en producir estructuras celulares en los plásticos, es decir, estructuras que contienen grandes proporciones de celdillas finas llenas de gas. Estas celdillas pueden ser cerradas o abiertas. Las propiedades físicas de los compuestos resultantes serán intermedias entre las del sólido y las del gas. Como se vio al principio del tema, en los plásticos espumados se consiguen importantes modificaciones en la densidad, conductividad térmica, propiedades dieléctricas y disipación de energía acústica y mecánica.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado Los agentes de espumación usados en la producción de plásticos celulares se dividen en físicos y químicos, de acuerdo a si el gas se genera por un proceso físico (evaporación, sublimación) o por uno químico (rotura de la estructura química o por otras reacciones químicas). Los agentes espumantes físicos son normalmente líquidos de bajo punto de ebullición, que son solubles en la matriz polimérica. Ejercen su acción cuando se llevan a las condiciones de evaporación al incrementar la temperatura y/o reducir de la presión del sistema. Son, por ejemplo, pentano, heptano, cloruro de metileno, etc. Los agentes espumantes químicos son sustancias químicas, compatibles o finamente dispersas en el polímero, que se descomponen a la velocidad requerida en un intervalo estrecho de temperatura. Los más importantes comercialmente son azodicarbonamidas, benceno-sulfonil hidracina, azobisbutironitrilo, etc. 2.7. MODIFICADORES DE IMPACTO Los modificadores de impacto se emplean para mejorar la resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas. Esto se consigue generalmente mediante mezclas de polímeros, un termoplástico rígido y un elastómero, de tal modo que se obtienen plásticos con un amplio espectro de propiedades bien equilibradas. En general, los materiales poliméricos son compatibles entre sí de una manera muy limitada y, por tanto, no pueden mezclarse homogéneamente. Una característica morfológica esencial en los polímeros modificados para aumentar la resistencia al impacto es que exista una estructura multifase, como consecuencia de una cierta incompatibilidad entre la fase termoplástica rígida y el componente elástico, es decir, la fase elastomérica. Cuando un material de este tipo se somete a un impacto, la energía mecánica asociada al mismo es absorbida primero por la matriz o fase rígida. Si se ha de evitar la fractura frágil, la energía debe transmitirse inmediatamente a la fase elastomérica embebida en la matriz. En la figura 2.4 se representa esquemáticamente esta situación. Si la energía absorbida no puede ser transmitida a la fase elastomérica, permanecerá en la fase rígida con el resultado de que pueden crearse tensiones en puntos donde eventualmente 77


aparecerán fracturas. Por ello es importante que exista una estructura de dos fases, pero a la vez que haya buen contacto entre ambas fases. El PS modificado con caucho es el ejemplo más corriente de polímero modificado al impacto y recibe el nombre de HIPS.

Figura 2.4. Modo de acción de los modificadores de impacto. 2.8. PIGMENTOS Y COLORANTES Los términos pigmento y colorante se emplean en ocasiones indistintamente, aunque según un uso más correcto los pigmentos son sustancias inorgánicas sólidas inmiscibles y los colorantes son sustancias orgánicas miscibles o relativamente compatibles con el polímero. En cualquier caso se emplean en concentraciones muy bajas (0.1 a 0.5 phr). Los pigmentos se emplean con tamaño de partícula muy fino de modo que se consiga una dispersión lo mejor posible en el polímero. Están muy extendidos, los más frecuentes son el óxido de titanio para el blanco, negro de humo para el negro, diferentes óxidos de hierro para ocres o marrones, 78

Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado cromatos como el de plomo (amarillo) o zinc (verde), entre muchos otros. Generalmente se emplean mezclas de pigmentos para conseguir las tonalidades deseadas. Los colorantes por su parte, aunque se emplean en menor medida, son capaces de proporcionar colores más brillantes, y a diferencia de los pigmentos suelen dar acabados completamente traslúcidos, más cuando más compatibles con el polímero. Como contrapartida los colorantes se degradan con mayor facilidad que los pigmentos y pueden presentar problemas de migración o exudación. Los más habituales son la ftalocianina (tonos azules), la rodamina (rojos), quinacridona (violeta y magenta), y muchos otros.

3. MECANISMOS DE MEZCLADO El tipo de equipamiento requerido para producir las mezclas de polímeros y aditivos depende sobre todo de su estado físico: Los polímeros se sirven en formas muy diferentes, que van desde gránulos (granzas), polvos, planchas (en el caso del caucho natural), resinas líquidas de peso molecular bajo (en el caso de los termoestables), etc. Además el tipo de mezclador depende del grado de dispersión que se desee alcanzar entre el polímero y los aditivos. Según esto se distingue dos tipos de mezclado que pueden aparecer en la bibliografía con los siguientes nombres: •Mezclado extensivo, distributivo, o simplemente mezclado (blending). •Mezclado intensivo o dispersivo (compounding). El mezclado extensivo consiste en mezclar los componentes de una formulación mediante la agitación de los mismos. De este modo se obtiene una mezcla que en principio podría ser separada (aunque obviamente en la práctica resultaría difícil). El equipo requerido es un sencillo mezclador en el que todos los ingredientes se añaden a la vez y está provisto de aspas o palas que giran a una velocidad moderada y no es necesario aplicar calor durante el proceso (incluso en algunos casos se requiere de refrigeración). En la figura 2.5 se representa un mezclador de este tipo. 79


Figura 2.5. Ejemplo de mezclador extensivo (blending). El mezclado intensivo implica una dispersión de los diferentes componentes mucho más íntima. Este tipo de mezclado por lo general implica un cambio en estado físico de los componentes; el polímero debe estar en estado fundido durante el mezclado, por lo que se deben aplicar altas temperaturas para conseguir la fusión del polímero y en algunos casos de otros componentes de la mezcla y por lo general se requieren cizallas muy elevadas. Por lo general la mezcla debe ser granulada o troceada antes de introducirla en el proceso de transformación. Los mezcladores de este tipo son lógicamente mucho más complejos que los de tipo extensivo. La figura 2.6 muestra un mezclador intensivo discontinuo tipo Banbury. En el tema 4 nos ocuparemos de las extrusoras que se emplean con mucha frecuencia para preparar formulaciones, en este caso, trabajando en continuo.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado

Figura 2.6 Mezclador intensivo tipo Banbury. El mezclado extensivo se emplea preferentemente frente al intensivo en aquellos casos en los que el método de transformación implique una cizalla elevada y en concreto en el caso de las formulaciones de materiales termoestables y para mezclar pigmentos y cargas en materiales termoplásticos. Por otra parte, el mezclado intensivo se prefiere al extensivo cuando se requiera una distribución completamente uniforme de los diferentes aditivos de la formulación, así como en el caso de que en el proceso empleado las cizallas aplicadas no sean excesivamente grandes.

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4. FORMULACIONES BÁSICAS En la tabla 2.4 se presentan diferentes formulaciones que se emplean en la industria para la fabricación de productos de propiedades muy diferentes y que emplean los aditivos estudiados a lo largo del tema. La primera formulación que se muestra corresponde a un plastisol de PVC que se procesa mediante moldeo rotacional para la obtención de artículos blandos, por ejemplo cabezas o piernas de muñecas. Como se puede apreciar esta formulación contiene una gran cantidad de un plastificante de compatibilidad media, como es el DINP y emplea como estabilizantes térmicos estearato de Ca/Zn y aceite de soja epoxidado, ambos no tóxicos puesto que se trata de una formulación para juguetería. Es importante resaltar que se emplea una cantidad relativamente grande de estabilizantes térmicos pues aunque en el proceso de moldeo rotacional no se emplea cizalla, los ciclos son bastante largos. Esta formulación requeriría de un mezclado extensivo antes de ser introducida en el proceso de moldeo rotacional. La segunda de las formulaciones corresponde a la fabricación de botellas mediante soplado, por ejemplo para contener productos de limpieza. Se trata de un material relativamente blando y no transparente, ya que en la formulación se incluye un modificador de impacto. Obsérvese que en este caso la concentración de los estabilizantes térmicos es muy inferior a la empleada en el caso anterior. La siguiente formulación para inyección producirá artículos rígidos de PVC y de una buena transparencias (por ejemplo llaveros), pues como se puede apreciar no incluye plastificantes, pero sí una pequeña cantidad de negro de humo y un estabilizante que contiene cadmio.

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Tema 2. Tipos de plásticos, aditivación y mezclado Tabla 2.4. Ejemplos de formulaciones de plásticos. Proceso

Formulación

Conc. (phr)

Moldeo Rotacional

Polímero: PVC, E Estabilizante: Estearato Ca/Zn Coestabilizante: Aceite de Soja epoxidado Plastificante: DINP Pigmento

100 2 4 70 0.1

Soplado

Polímero: PVC, S o M Estabilizante: Octoato de Zn Coestabilizante: Aceite de Soja epoxidado Modificador de impacto: ABS

100 0.2 3 10

Inyección

Polímero: PVC, S Estabilizante: carboxilato Ba/Cd/Zn Coestabilizante: Aceite de Soja epoxidado Lubricante: Ácido esteárico Estabilizante UV: negro de carbón

100 2 5 0.4 0.3

Inyección

Polímero: EVA Reticulante: Peróxido de dicumilo Espumante: Azodicarbonamida Ayu. Espumante: ZnO

100 1.5 2.5 1.5

Extrusión

Polímero: PVC, S o M Estabilizante: Estearato tribásico de Pb Plastificante: Trimellitato Retadante de llama: Trióxido de Sb Carga: Carbonato Cálcico

100 7 70 6 50

Con la cuarta formulación se obtendría una espuma de densidad aproximada 0.2 g/cm3. Esta formulación incluye un agente espumante químico, la azodicarbonamida. Como este agente descompone a temperaturas muy elevadas (próximas a 220ºC) se ha incluido además en la formulación un catalizador (ZnO) que reduce la temperatura de descomposición de la azodicarbonamida. Como se puede apreciar la formulación además incluye peróxido de dicumilo que actuará como entrecruzante. El objetivo de añadir entrecruzante en este caso es evitar que la espuma colapse y pierda su estructura celular mientras el polímero fundido se encuentra en el molde. 83


En el último caso se trata de una formulación para la fabricación de cables mediante extrusión. Se trata de cables semirigidos pues como se aprecia, aunque incluyen una cantidad relativamente alta de un plastificante de compatibilidad media, también incluye una cantidad grande de carga (carbonato cálcico) que absorberá parte del plastificante y que dará rigidez a la pieza final. A pesar de ser el PVC un material autoextingible, la formulación incluye un retardante de llama, de acuerdo con la legislación para este tipo de aplicaciones.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA “Plastics Engineering”, 3rd ed., R. J. Crawford, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999 “PVC Plastics”, W. V. Titow, Elsevier Sci. Publishers, New York, 1990. “Handbook of Plasticizers”, G. Wypych, Ch. 5. “Mechanism of Plasticizers Action”, A. Marcilla and M. Beltrán, ChemTec Publishing, New York, 2004. "The Technology of Plasticizers", J.K. Sears and J.R. Darby, John Wiley & Sons, New York, 1982. “Introducción a la Química de los Polímeros”, Raimond B. Seymour & Charles E. Carraher, Editorial Reverté, SA, Barcelona 1995. "Encyclopedia of Industrial Chemistry”, Vol. A21, F. Ullmann. Ullmann's 5 ed., Ed. Advisory Board, Weinheim, 1992. “Ciencia y Tecnología de los Materiales Plásticos”. Revista de plásticos modernos, CSIC, Volumen I y II, Madrid, 1990. “Iniciación a la Química de los Plásticos” Gnauk y Fründt, Hanser editorial, Barcelona, 1989. "Polymer Processing", D. H. Morton- Jones, Chapman & Hall, London, 1989.

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TEMA 3. BASES DEL PROCESADO DE POLÍMEROS 1. PRINCIPALES TÉCNICAS DE TRANSFORMACIÓN DE PLÁSTICOS .............................................................................................. 86 1.1. Extrusión .......................................................................................... 86 1.2. Inyección.......................................................................................... 87 1.3. Moldeo por soplado ......................................................................... 88 1.4. Moldeo rotacional ............................................................................ 90 1.5. Moldeo por compresión ................................................................... 92 1.6. Termoconformado ........................................................................... 93 2. OPERACIONES UNITARIAS EN EL PROCESADO DE POLÍMEROS 95 2.1. Manejo de sólidos ............................................................................ 95 2.2. Calentamiento y fusión de polímeros .............................................. 96 2.3. Flujo a través de canales .................................................................. 97 2.4. Solidificación o endurecimiento ...................................................... 98 2.4.1. Solidificación química .......................................................... 99 2.4.2. Enfriamiento de termoplásticos ............................................ 99 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA....................................................... 100

Resumen

En este tema se describen brevemente las técnicas de transformación que se tratarán con mayor detalle en los temas siguientes y así como cada una de las operaciones unitarias en el procesado de polímeros comunes a todas las técnicas de transformación.


1. PRINCIPALES TÉCNICAS DE TRANSFORMACIÓN DE PLÁSTICOS En los siguientes temas se van a estudiar los métodos más empleados para la transformación de plásticos, como son la inyección, extrusión, soplado, moldeo rotacional, compresión y termoconformado. A continuación se da una visión general de los diferentes procesos de transformación. 1.1. EXTRUSIÓN El proceso de extrusión se utiliza ampliamente en la industria de plásticos para la producción en continuo de piezas con sección constante de materiales termoplásticos (y algunos termoestables). Se utiliza también para recubrimiento de superficies y en el moldeo por soplado y termoconformado para la obtención de las preformas. Consiste en obligar a un material fundido a pasar a través de una boquilla o matriz que tiene la forma adecuada, para obtener el diseño deseado. El equipo debe ser capaz de proporcionar sobre el material suficiente presión de una forma continua, uniforme y reblandecer y acondicionar el material de forma que pueda ser extruído. Para ello se requiere de una máquina compuesta de un cilindro y un husillo o tornillo de plastificación que gira dentro del cilindro, como se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1. Máquina convencional de extrusión con husillo.

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Tema 3. Bases del procesado de polímeros El material granulado o en forma de polvo se carga en una tolva, desde la cual se alimenta al cilindro, donde el husillo se encarga de introducirlo, transportarlo hacia adelante y comprimirlo. El calentamiento hasta la fusión se realiza desde la cara exterior del cilindro, mediante elementos calefactores y desde el interior por conversión del esfuerzo en calor. De esta forma el material termoplástico funde (se plastifica) y al salir del cilindro a través de una boquilla recibe la forma de ésta. En una línea completa de extrusión, además debe existir un sistema de enfriamiento del material que sale de la máquina, así como equipos de tensionado y recogida. El resultado es un perfil (a veces se le llama semifabricado o preforma). 1.2. INYECCIÓN El moldeo por inyección es, quizás, el método de moldeo más característico de la industria de plásticos. Consiste básicamente en fundir un material plástico en condiciones adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde donde se enfría a una temperatura apta para que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse. En el moldeo por inyección son de gran importancia las características de los polímeros tales como peso molecular y distribución, configuración química y morfología, cristalinidad, estabilidad, etc. El comportamiento reológico de los materiales es fundamental en el moldeo por inyección; puede darse el caso, por ejemplo, de que un plástico demasiado viscoso no llene el molde a velocidades de cizalla bajas, pero que pueda llenarlo si se modifican las condiciones de procesado. El proceso, en lo que a moldeo se refiere, puede dividirse en dos fases, en la primera tiene lugar la fusión del material y en la segunda la inyección en el molde. En las máquinas convencionales como la de la figura 3.2, el material de moldeo, en forma de gránulos o granza, entra en el cilindro de calefacción a través de una tolva de alimentación situada en la parte posterior del cilindro. El material se calienta y funde en el cilindro de calefacción, al mismo tiempo que circula hacia la parte anterior de éste, gracias al movimiento rotatorio del tornillo de plastificación que se encuentra en el interior del cilindro, de forma similar a como ocurre en el proceso de extrusión. Sin embargo, en el proceso de inyección el material plastificado va quedando acumulado en la parte 87


anterior del tornillo, para lo cual, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundido acumulado delante del tornillo, se detiene el giro y el tornillo realiza un movimiento axial hacia adelante, con lo que el material fundido sale por la boquilla de inyección hacia el molde, que en ese momento debe encontrarse cerrado. De esta forma el tornillo actúa como tornillo plastificador y además como émbolo de inyección. El molde se encuentra refrigerado y en el momento de la inyección del material debe estar cerrado. El tornillo permanecerá en posición avanzada hasta que el material que se encuentra en los canales de alimentación del molde tenga suficiente consistencia para evitar su retroceso hacia la máquina de inyección. Una vez que el tornillo retrocede comienza a plastificar nuevamente material para el siguiente ciclo. El molde se mantiene cerrado el tiempo suficiente para que el material se enfríe a una temperatura tal que la pieza pueda ser extraída sin que sufra deformaciones. Cuando esto sucede se abre el molde y se extrae la pieza de modo que el molde queda preparado para el ciclo siguiente.

Figura 3.2. Máquina convencional de inyección. 1.3. MOLDEO POR SOPLADO Mediante el proceso de soplado pueden fabricarse cuerpos huecos como son depósitos de combustibles, bidones, tablas de surf, depósitos de aceite de calefacción y botellas. El proceso consiste básicamente en insuflar aire en una preforma tubular fundida que se encuentra en el interior del molde. Se emplea exclusivamente con materiales termoplásticos.

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Tema 3. Bases del procesado de polímeros Para ello son necesarias dos piezas fundamentales: una extrusora o una inyectora y una unidad de soplado. El funcionamiento del proceso de soplado se esquematiza en la figura 3.3, para el caso de la extrusión soplado.

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Figura 3.3. Proceso de extrusión-soplado. La extrusora transforma el plástico en una masa fundida homogénea, como se ha descrito anteriormente. El cabezal adosado a ella desvía la masa hasta la dirección vertical, para después hacerla pasar por una boquilla que la convierte en una preforma tubular. Esta preforma queda entonces pendiendo hacia abajo. El molde de soplado consta de dos partes móviles con la forma del negativo de la pieza a moldear. Una vez que la preforma tiene la longitud suficiente, el molde se cierra en torno a ella. Seguidamente el molde se desplaza hacia la unidad de soplado donde el cabezal de soplado penetra dentro del molde y de la preforma, de forma que el cabezal da forma a la región del cuello del cuerpo hueco y al mismo tiempo le insufla aire. Esto origina una presión que obliga al material a estamparse contra las paredes del molde, adoptando la forma deseada. El molde debe permitir la evacuación del aire entre la pieza la cavidad. La pieza se enfría en el molde de donde es extraída una vez que ha adquirido la consistencia adecuada. 1.4. MOLDEO ROTACIONAL El moldeo rotacional o rotomoldeo es un método para transformar plásticos, que generalmente se encuentran en polvo o en forma de pasta líquida, para producir artículos huecos. En este proceso el plástico frío funde sobre las paredes de un molde metálico caliente que gira en torno a dos ejes, 90

Tema 3. Bases del procesado de polímeros donde más tarde se enfría hasta que adquiere consistencia para poder ser desmoldeado. Se puede emplear indistintamente para materiales termoplásticos y termoestables. En rotomoldeo, a diferencia de lo que ocurre con las demás técnicas de transformación, el calentamiento y enfriamiento del plástico tienen lugar en el interior de un molde en el que no se aplica presión. De una forma simple el proceso se puede describir normalmente, tal y como se muestra en la figura 3.4: Una cantidad de plástico frío, se introduce en una mitad del molde también frío. El molde se cierra y se hace rotar biaxialmente en el interior del horno. Como la superficie metálica del molde se calienta el plástico que se encuentra en el interior comienza a pegarse por las paredes del molde. Cuando el plástico ha fundido, la superficie interna del molde debe estar completamente recubierta por el mismo. En ese momento puede comenzar la etapa de enfriamiento mientras continúa la rotación biaxial del molde. Una vez solidificado el plástico se abre el molde y se extrae la pieza.

Figura 3.4. Esquema del proceso de rotomoldeo. El competidor directo del rotomoldeo para la fabricación de artículos huecos es el soplado. Mediante rotomoldeo se pueden fabricar artículos más grandes que mediante soplado, sin embargo, para piezas que pueden ser 91


fabricadas por los dos procesos, el soplado suele resultar más rentable que el rotomoldeo. El rotomoldeo presentan las ventajas de que las piezas fabricadas pueden tener formas más complejas, se pueden emplear simultáneamente moldes de distinto tamaño y forma, y además como no se emplea presión los moldes resultan relativamente baratos y las piezas están libres de tensiones. Por otra parte, en el caso del rotomoldeo los materiales deben estar finamente pulverizados, las etapas de carga y descarga del material se realizan a mano y los ciclos son relativamente lentos. 1.5. MOLDEO POR COMPRESIÓN La industria transformadora de plásticos utiliza el moldeo por compresión para moldear materiales termoestables. En la figura 3.5 se muestra una prensa empleada en moldeo por compresión. Puede considerarse que el ciclo comienza con la apertura del molde para la extracción de la pieza obtenida en el ciclo anterior. Una vez limpio el molde se colocan en él las inserciones metálicas si las hubiere y se introduce el material de moldeo, bien en forma de polvo o en forma de pastilla; se cierra el molde caliente y se aplica presión. En ocasiones se abre después un instante para permitir la salida de humedad y materias volátiles que pudieran haber quedado atrapadas o que se generan durante el entrecruzamiento del material. Finalmente, se aplica toda la presión al molde caliente y se mantiene el tiempo necesario hasta que el material haya curado totalmente.

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Tema 3. Bases del procesado de polímeros

Figura 3.5. Prensa para moldeo por compresión. 1.6. TERMOCONFORMADO El termoconformado es un proceso de moldeo de preformas de termoplásticos que generalmente se encuentran en forma de lámina o plancha. El proceso de moldeo del semifabricado o preforma se desarrolla en tres etapas, tal y como se muestra en la figura 3.6. En el primer paso el material se calienta, generalmente por radiación infrarroja, aunque también se puede calentar mediante convección o conducción. A continuación se tensa encima de un bastidor y, por medio de aire a presión o vacío, se estampa o se presiona sobre las paredes de un molde frío.

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Se distingue entre procesos en positivo y en negativo, según sea la cara exterior o interior de la pieza la que se moldea. El proceso en negativo es el que queda reflejado en la figura 3.6. Este proceso se emplea para moldear piezas muy grandes que difícilmente se podrían obtener por otra técnica. La principal desventaja del proceso es que solo una de las caras de la pieza copia exactamente la forma del molde.

Figura 3.6. Proceso de termoconformado.

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Tema 3. Bases del procesado de polímeros 2. OPERACIONES UNITARIAS EN EL PROCESADO DE POLÍMEROS Bajo el término de “operaciones unitarias en procesado de polímeros” se engloban todas aquellas operaciones comunes en las distintas técnicas de transformación, como son manejo y transporte de sólidos, fusión, transporte de fluidos y solidificación, que se describen a continuación. En alguno de los libros que aparecen en la bibliografía recomendada se realiza un tratamiento muy riguroso de las distintas operaciones unitarias, lo que requiere plantear y resolver simultáneamente las ecuaciones de transferencia cantidad de movimiento y energía en procesos no isotermos, y teniendo en cuenta además que los polímeros fundidos o en disolución son materiales compresibles y no Newtonianos. Desde el punto de vista del ingeniero químico es una visión muy adecuada, si bien ese tratamiento riguroso excede en mucho de los objetivos de este tema, donde sólo se pretende dar una breve descripción de estas operaciones unitarias. 2.1. MANEJO DE SÓLIDOS La mayoría de los polímeros se suministran a los transformadores en forma de sólidos particulados. Esta es la forma más conveniente de manejarlos, transportarlo, mezclarlos, almacenarlos y más importante, de procesarlos en la maquinaria existente. Las formas más frecuentes son los pelets o granza, en una gran variedad de formas, como cubos, cilindros, esferas, lentejas o elipsoides, así como polvos o granulados. La granza se obtiene al final del proceso de polimerización en etapas especiales. La elección del proceso de granceado depende de la naturaleza del polímero, producción requerida y características del proceso. Los procesos más comunes son los de cortado del extruido bajo corriente de agua o aire, el cortado en frío de tiras. Los tamaños típicos oscilan entre 3 y 6 mm. Los pelets normalmente contienen todos los aditivos requeridos para el posterior procesado del material y son las forma normalmente preferida como alimentación para las máquinas de transformado como extrusores, inyectores y máquinas de soplado. Otros procesos requieren otro tipo de alimentaciones, así por ejemplo, el moldeo rotacional requiere de alimentación en forma de polvo de 95


la granulometría adecuada. Los polvos se pueden preparar directamente en el proceso de polimerización o por procesos posteriores de molienda en molinos o pulverizadores (molinos de martillos, de cuchillas, de chorro, etc.). El material de recortes suele triturarse en granulados de tamaño variable que se suele reprocesar mezclado con material virgen. 2.2. CALENTAMIENTO Y FUSIÓN DE POLÍMEROS En la mayoría de las técnicas de transformación el polímero está originalmente en estado sólido y debe calentarse hasta su punto de fusión o reblandecimiento. La capacidad calorífica de los plásticos y el calor latente de fusión tienen valores elevados, de modo que la cantidad de calor que hay que aplicar para fundir estos materiales es muy alta. En la tabla 3.1 se muestra el valor del calor específico de algunos polímeros en estado sólido y en el caso de los cristalinos se muestra el calor latente de fusión. También se muestra la temperatura habitual de procesado de estos polímeros y el calor que es necesario aplicar a 1 kg de polímero que se encuentra a temperatura ambiente para alcanzar la temperatura de procesado, calculado de la forma habitual (q = cpT + ). Como se puede apreciar el calor que es necesario aplicar en el caso de los polímeros cristalinos es mayor que en el caso de los polímeros amorfos, en los que no hay fusión. Tabla 3.1. Propiedades térmicas de algunos polímeros y cantidad de calor necesario para su procesado. Calor Calor latente Temperatura Calor Polímero específico de fusión de procesado procesado (kJ/kg/ºC) (kJ/kg) (ºC) (kJ/kg) HDPE 2.30 209 240 720 PP 1.93 100 250 550 PS 1.34 --200 240 PVC 1.00 --180 160 PMMA 1.47 --225 300 ABS 1.47 --225 300 Nailon6,6 1.67 130 280 570 El calor para conseguir la fusión en los procesos de transformación puede proceder de dos fuentes. Lo más frecuente es que sea aportado desde el 96

Tema 3. Bases del procesado de polímeros exterior, por ejemplo por medio de resistencias eléctricas, como ocurre en las máquinas de extrusión o de inyección, o por la combustión de un gas que a su vez calienta hornos de convección forzada como en el caso del moldeo rotacional. La segunda fuente de calor es el propio calor generado cuando se aplica una cizalla muy alta a un fluido muy viscoso. Éste se conoce como calor generado por disipación viscosa y en los procesos en los que se realiza un trabajo importante sobre el polímero puede llegar a superar al calor aportado desde el exterior. 2.3. FLUJO A TRAVÉS DE CANALES En el procesado de polímeros es frecuente que éstos sean obligados a fluir desde un punto a otro de la máquina a través de canales de geometría cilíndrica. Si la longitud del canal es L y su radio R, la caída de presión a lo largo del canal es P y Q es el caudal de fluido que circula por el interior, el esfuerzo de cizalla y la velocidad de cizalla en la pared del canal se pueden calcular por medio de las siguientes expresiones:

Esfuerzo de cizalla en la pared

Velocidad de cizalla en la pared

De modo que de acuerdo con la expresión de Newton la viscosidad se puede calcular de la siguiente forma:

Que no es otra que la ecuación de Poiseuille. Esta expresión puede emplearse para determinar la viscosidad de un material que fluye a través de una conducción de dimensiones conocidas cuando se aplica una caída de presión determinada entre los dos extremos de la conducción, como es por ejemplo el caso de un polímero fluyendo a través de una boquilla de 97


extrusión. Determinando experimentalmente el caudal de material y conociendo las dimensiones de la boquilla se puede obtener la viscosidad aparente. Además variando la presión variará el esfuerzo de cizalla y de esta forma se puede determinar la respuesta no Newtoniana del material. Por otra parte, también se pueden emplear expresiones de este tipo para evaluar de forma muy sencilla (aunque sólo aproximada) la presión con la que es necesario llenar un molde en moldeo por inyección. Si las dimensiones del molde son conocidas y se conoce la viscosidad aparente del material a una velocidad de cizalla determinada, se puede calcular la presión que es necesario emplear para llenar el molde a una velocidad (caudal) determinada. Por ejemplo si las dimensiones del canal son L= 5 cm, R= 0.25 cm y el llenado del molde debe realizarse a una velocidad de 250 cm3/s y la viscosidad del material es de 150 Pa.s (para una velocidad de cizalla de 1000 s-1), mediante la expresión anterior se obtiene P:

En el moldeo por inyección son frecuentes presiones de este orden en los canales de alimentación que conducen al molde. Antes de la entrada al molde se produce un estrechamiento (entrada a la cavidad) donde la velocidad de cizalla puede alcanzar valores de 105 s-1. La viscosidad en estas condiciones disminuirá como consecuencia del comportamiento pseudoplástico del material, mientras que el esfuerzo de cizalla se mantendrá del mismo orden de magnitud. 2.4. SOLIDIFICACIÓN O ENDURECIMIENTO Una vez que el material que se encuentra en estado líquido o fundido ha adquirido la forma final deseada debe solidificarse. En las diferentes técnicas de transformación encontramos 2 posibilidades; que la solidificación del sistema se produzca mediante reacción química (en el caso de los termoestables) o bien simplemente enfriando el polímero (termoplásticos).

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Tema 3. Bases del procesado de polímeros 2.4.1. Solidificación química o física Existen diferentes tipos de reacciones químicas que pueden darse para conseguir la solidificación. A veces se emplean resinas líquidas que se introducen en el molde con una mezcla de aditivos que contienen agentes entrecruzantes, generalmente peróxidos que son iniciadores de radicales libres, junto con otros aditivos como iniciadores y catalizadores de la reacción, de modo que el entrecruzamiento del material se produce en el molde. En otros casos se emplean “polvos de moldeo”. En este caso en lugar de partir de materiales líquidos se parte de materiales sólidos con un cierto grado de polimerización (termoendurecibles) y la reacción se completa en el molde. En el proceso de vulcanización o curado de cauchos y gomas también tiene lugar una reacción química. Generalmente se parte de un caucho (polibutadieno) termoplástico y, por la adicción de azufre, entre otros aditivos, se obtiene el entrecruzamiento parcial del material que confiere a los cauchos la capacidad de recuperar su forma original tras la aplicación de un esfuerzo. Otra posibilidad es el empleo de plastisoles de PVC. Los plastisoles son mezclas líquidas de PVC con un plastificante, de modo que el PVC forma una suspensión en el plastificante. El material se introduce dentro del molde y por la aplicación de calor tiene lugar la gelificación del sistema, que consiste en la completa plastificación del PVC, esto es, el plastificante se ha mezclado completamente con el PVC y es adsorbido por éste, de modo que cuando el proceso finaliza se obtiene un material sólido altamente plastificado y muy flexible con comportamiento similar al de los cauchos. 2.4.2. Enfriamiento de termoplásticos El proceso de enfriamiento es inverso al de calentamiento o fusión de polímeros, si bien hay una diferencia básica y es que el enfriamiento se realiza mediante la eliminación de calor por conducción, y a veces por convección, y el trabajo realizado sobre el polímero no contribuye al enfriamiento del mismo como si ocurría en el proceso de calentamiento. Generalmente el 99


enfriamiento no se realiza hasta temperatura ambiente, basta con alcanzar una temperatura a la que la pieza pueda ser desmoldeada sin que se deforme.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA “Polymer Proccessing”, Morton-Jones, D.H., Chapman & Hall, Londres, 1991. “Polymer Processing. Principles and Design”, Donal. G. Baird, Dimitris I. Collias, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998 “Principles of Polymer Processing” Z. Tadmor, C.G. Gogos, Wiley Interscience, New York 1979. “Polymer Processing Fundamentals” Tim A. Osswald, Hanser Publishers, Munich, 1998

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TEMA 4. EXTRUSIÓN 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................... 103 2. COMPONENTES DE LA EXTRUSORA ............................................... 107 2.1. El tornillo de extrusión .................................................................. 107 2.2. Cilindro .......................................................................................... 108 2.3. Garganta de alimentación .............................................................. 109 2.4. Tolva .............................................................................................. 110 2.5. Plato rompedor y filtros ................................................................. 111 2.6. Cabezal y Boquilla......................................................................... 112 3. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA ............................................ 114 4. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA EXTRUSORA . 116 4.1 Transporte de sólidos (zona de alimentación) ................................ 116 4.1.1. Transporte de sólidos en la tolva......................................... 117 4.1.2. Transporte de sólidos en el cilindro .................................... 118 4.2. Fusión (zona de transición)............................................................ 122 4.3. Transporte del fundido (zona de dosificado) ................................. 126 4.4. Mezclado........................................................................................ 134 4.4.1. Mezclador de agujas............................................................ 134 4.4.2. Mezclador de anillo............................................................. 135 4.4.3. Mezclador con filetes desiguales ........................................ 135 4.4.4. Mezcladores con filetes secundarios................................... 136 4.5. Desgasificado................................................................................. 136 4.6. Conformado ................................................................................... 137 4.6.1. Tensionado .......................................................................... 138 4.6.2. Relajación............................................................................ 138 4.6.3. Enfriamiento........................................................................ 139 5. MODELADO DE LA ZONA DE DOSIFICACIÓN ............................... 140 5.1 Obtención de las ecuaciones ........................................................... 140 5.1.1. Ecuaciones de velocidad ..................................................... 140 5.1.2. Cálculo del caudal ............................................................... 143 5.2. Influencia de variables ................................................................... 147 5.2.1. Efecto de las dimensiones del tornillo ................................ 147 5.2.2. Efecto de la viscosidad del polímero .................................. 149 5.2.3. Efecto de las condiciones de operación .............................. 149 5.2.4 Efecto de la restricción de la boquilla .................................. 150 6. LÍNEAS DE EXTRUSIÓN ...................................................................... 154 6.1. Líneas de extrusión de tubos, tuberías y perfiles ........................... 156 6.2. Líneas de mezclado........................................................................ 157


6.3. Líneas de películas y láminas......................................................... 158 6.3.1. Proceso con pila de rodillos................................................. 158 6.3.2. Proceso con sistema de rodillos fríos .................................. 160 6.3.3. Líneas de películas sopladas................................................ 161 6.3.4. Coextrusión ......................................................................... 163 6.3.5. Recubrimientos.................................................................... 164 6.4. Líneas para la producción de fibras y filamentos........................... 165 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA ....................................................... 167

Resumen En este tema se profundiza en el procesado de termoplásticos mediante extrusión. En primer lugar se realiza una descripción general del proceso y se describen las principales partes de la máquina así como las especificaciones de diseño. En el tercer apartado se explican con detalle las diferentes funciones que puede realizar una extrusora (transporte de sólidos, fusión, transporte del fundido, mezclado, venteo y conformado). A continuación se propone un modelo simplificado pero de gran utilidad desde el punto de vista práctico, que relaciona el caudal de material extruido con las condiciones de operación, las características de diseño del tornillo y la boquilla, y la viscosidad del material extruido. Para finalizar se describen las principales líneas completas de extrusión que se encuentran en la industria.

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Tema 4. Extrusión 1. INTRODUCCIÓN En una definición amplia el proceso de extrusión hace referencia a cualquier operación de transformación en la que un material fundido es forzado a atravesar una boquilla para producir un artículo de sección transversal constante y, en principio, longitud indefinida. Además de los plásticos, muchos otros materiales se procesan mediante extrusión, como los metales, cerámicas o alimentos, obteniéndose productos muy variados como son marcos de ventanas de aluminio o PVC, tuberías, pastas alimenticias, etc. Desde el punto de vista de los plásticos, la extrusión es claramente uno de los procesos más importantes de transformación. El proceso de extrusión de plásticos se lleva a cabo en máquinas denominadas extrusoras o extrusores. Aunque existen extrusoras de diversos tipos, las más utilizadas son las de tornillo o de husillo simple, por lo que haremos referencia a ellas continuamente. En el proceso de extrusión, por lo general, el polímero se alimenta en forma sólida y sale de la extrusora en estado fundido. En algunas ocasiones el polímero se puede alimentar fundido, procedente de un reactor. En este caso la extrusora actúa como una bomba, proporcionando la presión necesaria para hacer pasar al polímero a través de la boquilla. En otras ocasiones se extruyen los materiales sólidos, como es el caso del procesado de fibras en el que se requieren elevadas orientaciones en el material. Para el caso más corriente de la extrusión de un polímero inicialmente sólido que funde en el proceso, la extrusora, y en concreto una de husillo único, puede realizar seis funciones principales: • Transporte del material sólido hacia la zona de fusión • Fusión o plastificación del material • Transporte o bombeo y presurización del fundido • Mezclado • Desgasificado • Conformado

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Debe tenerse en cuenta que no todas las funciones anteriores tienen lugar necesariamente durante la operación de todas y cada una de las extrusoras. Por ejemplo, el desgasificado o venteo únicamente se produce en las máquinas preparadas para ello. Por otra parte, el conformado no tiene porque ser definitivo; en muchas ocasiones el producto obtenido adquiere su forma final en un proceso secundario puesto que las extrusoras se emplean con frecuencia para mezclar los componentes de formulaciones que se procesarán posteriormente mediante otras técnicas o bien para obtener preformas que serán procesadas mediante soplado o termoconformado. De acuerdo con las misiones que debe cumplir, una extrusora debe disponer de un sistema de alimentación del material, un sistema de fusiónplastificación del mismo, el sistema de bombeo y presurización, que habitualmente generará también un efecto de mezclado y finalmente, el dispositivo para dar lugar al conformado del material fundido. La figura 4.1 muestra, como ejemplo, una representación esquemática de una extrusora típica de husillo único.

Figura 4.1. Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo. Como puede apreciarse el sistema de alimentación más habitual es una tolva, en la que el material a procesar se alimenta en forma de polvo o granza. El dispositivo de fusión-plastificación, bombeo y mezclado está constituido por un tornillo de Arquímedes que gira en el interior de un cilindro calentado, generalmente mediante resistencias eléctricas. En la parte del cilindro más 104

Tema 4. Extrusión alejada de la tolva de alimentación se acopla un cabezal cuya boquilla de salida tiene el diseño adecuado para que tenga lugar el conformado del producto. La parte esencial de la máquina es el sistema cilindro-tornillo que, como consecuencia del giro, compacta el alimento sólido, da lugar a la fusión del material y lo transporta hacia la boquilla de conformado, produciendo al mismo tiempo la presurización y el mezclado del material. Todas las extrusoras se consideran divididas en tres zonas que se pueden apreciar en la figura 4.2, junto con la evolución de la presión a lo largo de la extrusora. La zona de alimentación es la más cercana a la tolva, en la cual la profundidad del canal del tornillo es máxima. Tiene como objetivo principal compactar el alimento en una forma sólida densa y transportarlo hacia la siguiente zona a una velocidad adecuada. La zona de transición o compresión es la zona intermedia en la cual la profundidad del canal disminuye de modo más o menos gradual. Conforme el material sólido va compactándose en esta zona el aire que pudiera quedar atrapado escapa del material vía la tolva de alimentación. En la zona de transición, además, tiene lugar la fusión del material. La zona de dosificado se sitúa al final, en la parte más cercana a la boquilla y tiene una profundidad de canal muy pequeña y constante. En este zona el material fundido es homogeneizado y presurizado para forzarlo a atravesar a presión la boquilla de conformado. Hay que tener presente que esta asignación de funciones a cada una de las zonas de la extrusora no es estricta; por ejemplo, el transporte, presurización y homogeneización se producen a lo largo de todo la extrusora. Las extrusoras actuales pueden operar entre 10 y 500 rpm y según su tamaño, pueden proporcionar caudales de 2000 kg/h de material.

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Figura 4.2. Zonas de una extrusora y evolución de la presión a lo largo de las mismas. Existen otros tipos de extrusoras como son las extrusoras multitornillo que, como su nombre indica, poseen más de un tornillo. Entre éstas las más importantes son las de dos tornillos, dentro de las cuales existe gran variedad dependiendo de si los tornillos tienen giro contrario (lo más corriente ya que generan mayor fuerza de cizalla) o paralelo, y del grado de interpenetración entre los mismos. En la figura 4.3 se muestran algunas variantes posibles. Las extrusoras de dos tornillos presentan posibilidades que a menudo superan en gran medida a las de un solo tornillo. Entre las ventajas que presentan se incluye una buena capacidad de mezclado y desgasificación, y un buen control del tiempo de residencia y de su distribución. Algunas desventajas de estas extrusoras son su precio, superior al de las de tornillo único y el hecho de que sus prestaciones son difíciles de predecir.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.3. Disposición posible de los husillos en las extrusoras de doble husillo; giro contrario y giro en paralelo; diferentes grados de interpenetración de los tornillos.

2. COMPONENTES DE LA EXTRUSORA 2.1. EL TORNILLO DE EXTRUSIÓN El tornillo o husillo consiste en un cilindro largo rodeado por un filete helicoidal (figura 4.4). El tornillo es una de las partes más importantes ya que contribuye a realizar las funciones de transportar, calentar, fundir y mezclar el material. La estabilidad del proceso y la calidad del producto que se obtiene dependen en gran medida del diseño del tornillo. Los parámetros más importantes en el diseño del tornillo son su longitud (L), diámetro (D), el ángulo del filete () y el paso de rosca (w).

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Figura 4.4. Tornillo de una extrusora. El material se va presurizando a medida que avanza por el tornillo, comenzando con presión atmosférica en la tolva y aumentando hasta la salida por la boquilla. La sección de paso del tornillo no es constante, si no que es mayor en la zona de alimentación (mayor profundidad de canal). Normalmente el tornillo no viene acompañado de ningún sistema de calentamiento o enfriamiento, aunque en algunos casos se emplean tornillos huecos por los que se hace circular un fluido refrigerante o calefactor. Los materiales termoplásticos que se usan en el proceso de extrusión difieren notablemente entre sí. La elasticidad, calor específico, coeficiente de fricción, temperatura de fusión, viscosidad del fundido, etc., cubren un amplio rango de valores, y puesto que todas estas propiedades tienen su importancia en el momento de diseñar el tornillo, es lógico que sea necesario utilizar diferentes tipos de tornillos para trabajar adecuadamente cada material. En la práctica es muy raro que un tornillo determinado sea adecuado para trabajar con materiales muy diversos; de hecho, cada tornillo se diseña o elige para trabajar con una determinada combinación boquilla/material. 2.2. CILINDRO El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo como se muestra en la figura 4.5. La superficie del cilindro debe ser muy rugosa para aumentar las fuerzas de cizalla que soportará el material y permitir así que éste fluya a lo largo de la extrusora. Para evitar la corrosión y el desgaste mecánico, el cilindro suele construirse de aceros muy resistentes y en algunos casos viene equipado con un revestimiento bimetálico que le confiere una

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Tema 4. Extrusión elevada resistencia, en la mayoría de los casos superior a la del tornillo, ya que éste es mucho más fácil de reemplazar.

Figura 4.5. Sistema cilindro de calefacción-tornillos El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares localizadas en toda su longitud como se muestra en la figura 4.5, y también, aunque es menos usual, mediante radiación o encamisado con fluidos refrigerantes o calefactores. El cilindro suele dividirse en varias zonas de calefacción, al menos tres, con control independiente en cada una de ellas, lo que permite conseguir un gradiente de temperatura razonable desde la tolva hasta la boquilla. El cilindro debe enfriarse si como consecuencia de la generación interna de calor originada por la cizalla a la que se somete al plástico se rebasa la temperatura nominal del proceso (lo que ocurre normalmente). El enfriamiento en la menor parte de las ocasiones se hace con líquidos, ya que aunque tengan una mayor capacidad para eliminar calor que el aire, la temperatura es más difícil de controlar. Normalmente se usan soplantes como las representadas en la figura 4.5. Hay que tener en cuenta que los sensores de control de temperatura quedan situados en el cilindro, por lo que la temperatura del material será siempre superior a la que indican los controles. 2.3. GARGANTA DE ALIMENTACIÓN El cilindro puede estar construido en dos partes, la primera se sitúa debajo de la tolva y se denomina garganta de alimentación. Suele estar provista de un sistema de refrigeración para mantener la temperatura de esta zona lo suficientemente baja para que las partículas de granza no se adhieran a las paredes internas de la extrusora. 109


La garganta de alimentación está conectada con la tolva a través de la boquilla de entrada o de alimentación. Esta boquilla suele tener una longitud de 1.5 veces el diámetro del cilindro y una anchura de 0.7 veces el mismo (figura 4.6), y suele estar desplazada del eje del tornillo para facilitar la caída del material a la máquina.

Figura 4.6. Garganta de alimentación. 2.4. TOLVA La tolva es el contenedor que se utiliza para introducir el material en la máquina. Tolva, garganta de alimentación y boquilla de entrada deben estar ensambladas perfectamente y diseñadas de manera que proporcionen un flujo constante de material. Esto se consigue más fácilmente con tolvas de sección circular, aunque son más caras y difíciles de construir que las de sección rectangular (ver figura 4.7). Se diseñan con un volumen que permita albergar material para 2 horas de trabajo.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.7. Tipos de tolvas. En ocasiones para asegurar el flujo constante del material se usan dispositivos de vibración, agitadores e incluso tornillos del tipo del que se muestra en la figura 4.8.

Figura 4.8. Ejemplo de un tornillo de alimentación. 2.5. PLATO ROMPEDOR Y FILTROS El plato rompedor se encuentra al final del cilindro. Se trata de un disco delgado de metal con agujeros, como se muestra en la figura 4.9. El propósito del plato es servir de soporte a un paquete de filtros cuyo fin principal es atrapar los contaminantes para que no salgan con el producto extruído. Los 111


filtros además mejoran el mezclado y homogenizan el fundido. Los filtros van apilados delante del plato rompedor, primero se sitúan los de malla más ancha, reduciéndose el tamaño de malla progresivamente. Detrás se sitúa un último filtro también de malla ancha y finalmente el plato rompedor que soporta los filtros. Conforme se ensucian las mallas es necesario sustituirlas para evitar una caída de presión excesiva y que disminuya la producción. Por ello, el diseño del plato debe ser tal que pueda ser reemplazado con facilidad.

Figura 4.9. Plato rompedor. 2.6. CABEZAL Y BOQUILLA El cabezal es la pieza situada al final del cilindro, que se encuentra sujetando la boquilla y por lo general manteniendo el plato rompedor. Generalmente va atornillado al cilindro. El perfil interno del cabezal debe facilitar lo más posible el flujo del material hacia la boquilla. La figura 4.10 muestra un sistema cabezal-boquilla de forma anular. En la figura el material fluye del cilindro a la boquilla a través del torpedo, situado en el cabezal. La sección transversal de los soportes del torpedo se diseña para proporcionar el flujo de material a velocidad constante. La función de la boquilla es la de moldear el plástico. Las boquillas se pueden clasificar por la forma del producto, teniendo así boquillas anulares como la mostrada en la figura 4.10 (por ejemplo, para la fabricación de 112

Tema 4. Extrusión tuberías o recubrimientos de materiales cilíndricos), boquillas planas como la de la figura 4.11 (con las que se obtienen planchas y láminas), boquillas circulares (con las que se obtienen fibras y productos de forma cilíndrica), etc. Se puede distinguir tres partes diferenciadas en todas las boquillas que se muestran en la figura 4.11 (corte de boquilla plana): la primera parte es el canal de entrada, luego el distribuidor y a continuación la zona de salida.

Figura 4.10. Boquilla anular y cabezal.

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Figura 4.11. Partes diferenciadas en una boquilla de extrusión. Las dimensiones de la boquilla no son exactamente las mismas que las del producto extruído. Hay varias razones para ello: la recogida del material, el enfriamiento y el fenómeno de relajación contribuyen a que el material cambie de tamaño e incluso de forma; todas ellas serán discutidas posteriormente. Excepto para las boquillas circulares es prácticamente imposible fabricar una boquilla en la que la geometría del canal sea tal que la boquilla puede ser empleada para un número amplio de materiales y de condiciones de operación. En cualquier caso el diseño de la boquilla debería tener en cuenta en la medida de lo posible una serie de consideraciones como son emplear radios amplios en todas las esquinas, evitar canales estrechos o pequeños y partes profundas.

3. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA Diámetro del cilindro (D): Es representativo del tamaño de la extrusora y afecta en gran medida a la velocidad de flujo. Como deduciremos más adelante, el caudal de material que proporciona la extrusora es proporcional al cuadrado del diámetro del tornillo. La mayoría de las extrusoras tiene diámetros comprendidos entre 2 y 90 cm. Relación longitud/diámetro (L/D): Para un diámetro de tornillo dado, la capacidad para fundir, mezclar y homogeneizar a una velocidad de giro del tornillo determinada aumenta al aumentar la longitud del tornillo, y por tanto la relación L/D. Sin embargo tornillos excesivamente largo son difíciles de construir y alinear dentro del cilindro, de modo que no resultan operativos. La 114

Tema 4. Extrusión relación L/D típica para la extrusión de polímeros termoplásticos varía generalmente entre 20:1 y 30:1. Relación de compresión: Una definición exacta de este parámetro es “la relación volumétrica de las vueltas del filete en las zonas de alimentación y de dosificado”. Se suele expresar, sin embargo, en términos de la relación de profundidades del canal en ambas zonas, una aproximación que es únicamente válida si el ángulo de los filetes y la anchura del canal se mantienen constantes. Las relaciones de compresión típicas oscilan entre 2.0 y 4.0. Una zona de dosificado de pequeña profundidad (alta relación de compresión) impone mayor velocidad de cizalla sobre el fundido (para una velocidad de tornillo dada), y se asocia también con un gradiente de presión mayor. Configuración del tornillo: es un aspecto de gran importancia. La elección definitiva del número y del diseño geométrico de las zonas del tornillo es un proceso complejo. Esta decisión depende no solo del diseño de la boquilla y de las velocidades de flujo esperadas, sino también de las características de fusión del polímero, de su comportamiento reológico y de la velocidad del tornillo. Un tornillo simple, de tres zonas, se define usualmente según el número de vueltas de hélice en las zonas de alimentación, compresión y dosificado. Un ejemplo de diferentes configuraciones de tornillo se muestra en la figura 4.12.

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Figura 4.12. Ejemplo de tornillos para diferentes fines.

4. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA EXTRUSORA En este apartado se describen los mecanismos por los que tienen lugar las seis funciones que puede realizar una extrusora; transporte de sólidos, fusión, transporte del fundido, mezclado, desgasificado y conformado. 4.1 TRANSPORTE DE SÓLIDOS (ZONA DE ALIMENTACIÓN) El material sólido que se alimenta a una extrusora, se transporta en dos regiones que estudiaremos separadamente: en la tolva de alimentación y en la propia extrusora.

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Tema 4. Extrusión 4.1.1. Transporte de sólidos en la tolva El transporte de sólidos en la tolva es, en general, un flujo por gravedad de las partículas; el material se mueve hacia la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso. Se puede dar un flujo en masa como se representa en la figura 4.13, en el que no hay regiones estancadas y todo el material se mueve hacia la salida, o bien flujo tipo embudo en el que el material más cercano a las paredes de la tolva queda estancado. Lógicamente el flujo en masa es preferido sobre el flujo tipo embudo. Algunos materiales que tienen un flujo muy deficiente en estado sólido pueden quedar atascados en la garganta de entrada a la extrusora, dando lugar a un problema denominado formación de “puente” o "arco".

Figura 4.13. Flujo del material en una tolva de alimentación. Tanto las características del material como el diseño de la tolva influyen sobre el transporte de sólidos en esta parte de la máquina. Es mejor una tolva con sección circular que una tolva con sección cuadrada o rectangular (figura 4.7), ya que la compresión a que está sometido el material será diferente en algunas zonas dependiendo de la forma de la tolva. Las tolvas de sección circular ejercen una compresión gradual sobre el material mientras que las de sección cuadrada ejercen una compresión poco uniforme, pudiendo provocar que el material se detenga. Además, pueden tomarse precauciones como añadir un sistema vibratorio que ayude a eliminar el puente formado o incorporar agitadores para evitar que el material se deposite y consolide (figura 4.8). 117


Las características del material que influyen en el transporte del sólido en la tolva, son: • Densidad aparente: es la densidad del material incluyendo el aire que hay entre sus partículas. Lógicamente, la densidad aparente del material siempre será inferior a la densidad real. Si la densidad aparente del material es excesivamente baja (no superior al 20 o 30% de la densidad real), el material dará problemas de fluidez puesto que para obtener un determinado caudal se necesitará alimentar un gran volumen de material. Resulta más fácil manipular materiales con una densidad aparente que no sea demasiado baja (alrededor del 60% de la densidad real). • Compresibilidad: es el aumento que se produce en la densidad aparente de un plástico al presionarlo. Interesan materiales con factor de compresibilidad bajo, es decir que sufran un cambio pequeño en su densidad aparente al aplicarles presión. • Coeficiente de fricción: se puede distinguir entre el coeficiente de fricción interno, que es la fricción existente entre las propias partículas del polímero, y el coeficiente de fricción externo, que es la fricción existente entre las partículas del plástico y la superficie del cilindro con la que está en contacto el plástico. Para tener un flujo en la tolva adecuado, interesa que estos dos coeficientes sean bajos, para lo que en ocasiones es necesario el empleo de lubricantes. • Distribución del tamaño de partícula de la granza (DTP): interesa que sea lo más uniforme posible, para evitar problemas de fluidez de la granza. Si el material presenta una DTP ancha, las partículas tenderán a empaquetarse, lo que dificultará el flujo de las mismas en la tolva. En general el flujo de material por gravedad que la tolva puede proporcionar es superior al necesario para la extrusión salvo en los casos en los que se produzca puenteado. 4.1.2. Transporte de sólidos en el cilindro En cuanto al transporte de sólidos dentro de la extrusora, una vez que el material sólido cae al interior del canal de la extrusora, el mecanismo de 118

Tema 4. Extrusión transporte deja de estar controlado por la gravedad y se transforma en un transporte inducido por arrastre. Este tipo de flujo tiene lugar debajo de la tolva a lo largo del tornillo en una distancia relativamente corta. Una descripción cuantitativa del flujo del material sólido en la extrusora fue propuesta por Darnell y Mol en 1956 y la idea básica de su trabajo permanece aun hoy. Aquí se describirá de una forma cualitativa. Según estos autores hay dos fuerzas de fricción principales que actúan sobre la masa sólida: una en la superficie del cilindro y otra en la superficie del tornillo. La fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento de la masa sólida hacia la salida de la extrusora, mientras que la fuerza de fricción en la superficie del tornillo es la fuerza retardante. El hecho de que la fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento del sólido, que quizás es difícil de asumir intuitivamente, puede ser apreciado si se considera una situación extrema: Si la fuerza de fricción con la superficie del cilindro fuera cero y fuera alta con el tornillo, la masa sólida rotaría simplemente con el tornillo, y jamás se movería hacia adelante, de forma similar a como lo haría una tuerca sobre un tornillo que gira. Sin embargo si existe una fuerza de fricción suficientemente elevada con el cilindro y baja con el tornillo, en principio el material se moverá hacia adelante. De acuerdo con el modelo expuesto se puede mejorar el transporte de sólidos aumentando el coeficiente de fricción del material con el cilindro y disminuyéndolo con el tornillo. Para aumentar el coeficiente de fricción con el cilindro podría disminuirse la temperatura del mismo o de la garganta de alimentación. Otra posibilidad consiste en utilizar cilindros con superficies rugosas, esto es, empleando cilindros estriados. Las ventajas de utilizar cilindros estriados en lugar de lisos son las siguientes: • Para una misma caída de presión a lo largo de la máquina, el caudal obtenido con un cilindro estriado es mayor que el obtenido con uno liso. Esto se aprecia en la figura 4.14.

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• Hay una mayor estabilidad en el caudal que proporciona el cilindro estriado, de modo que las oscilaciones de la presión a lo largo de la extrusora afectan más al caudal con el cilindro liso que con el estriado.

Figura 4.14. Representación del caudal de salida frente a la presión, para un cilindro liso y para uno estriado. Los cilindros estriados permiten utilizar polímeros con pesos moleculares elevados y difíciles de transportar. Sin embargo, las fuerzas de cizalla que se generan en estos cilindros son mayores que las que se generan en los lisos, de modo que por una parte el consumo del motor será mayor, y por otra, se puede producir una fusión prematura del material, que al fundir se puede introducir en las estrías, obstruyéndolas y disminuyendo así la eficiencia del proceso. Además el material que queda atrapado en las estrías podría llegar a descomponerse. Los materiales empleados para la fabricación de estos cilindros deben ser muy resistentes y en consecuencia caros, pues deben estar diseñados para soportar las altas cizallas generadas. Las estrías se pueden practicar directamente sobre el cilindro o sobre la garganta de alimentación, en aquellas extrusoras que dispongan de ésta. En cualquier caso se practican en la dirección axial y tienen una longitud de varios diámetros, como se puede observar en la figura 4.15.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.15. Sección de una garganta de alimentación ranurada. Otra forma de mejorar el transporte de sólidos inducido por arrastre es disminuir la fricción entre el tornillo y el material. Para conseguirlo se podría aumentar la temperatura del tornillo, si bien esto es poco frecuente pues la mayoría de los tornillos son macizos, como se comentó anteriormente. En ocasiones también se pueden utilizar tornillos con recubrimientos, generalmente de PTFE, con lo que además se consigue facilitar la limpieza de los mismos. En cuanto al diseño del tornillo hay que tener en cuenta lo siguiente: • El filete del tornillo debe ser simple, no doble. El filete doble produce una mayor fricción. • El ángulo de los filetes ha de ser grande. • El radio de los flancos del filete ha de ser lo más grandes posible. En la tabla 4.1 se muestran dos tornillos, el de la izquierda es de diseño adecuado desde el punto de vista del flujo del material sólido, de acuerdo con lo que se acaba de comentar.

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Tabla 4.1. Diseño del tornillo para reducir el coeficiente de fricción entre el material y el tornillo. Características del tornillo

Diseño adecuado

Diseño defectuoso

Número de filetes

Sencillo

Doble

Ángulo del filete

Grande

Pequeño

Radio del flanco del filete

Grande

Pequeño

4.2. FUSIÓN (ZONA DE TRANSICIÓN) La zona de transporte de sólidos finaliza cuando empieza a formarse una fina película de polímero fundido. La fusión se iniciará como consecuencia del calor conducido desde la superficie del cilindro y del generado por fricción a lo largo de las superficies del cilindro y del tornillo. En general se genera gran cantidad de calor por fricción, de modo que, en ocasiones, es incluso posible iniciar la fusión sin necesidad de aplicar calor externo. En primer lugar aparecerá una fina capa de material fundido junto al cilindro, que irá creciendo hasta que su espesor se iguale con la tolerancia radial entre el cilindro y el filete del tornillo, , mientras que el resto del material se encontrará formando un lecho sólido. Como consecuencia del movimiento del tornillo se creará un gradiente de velocidad en la película fundida situada entre la capa sólida y la superficie del cilindro. El polímero fundido en la película será barrido por el filete que avanza, separándose así 122

Tema 4. Extrusión del cilindro. El polímero fundido se reunirá en una zona o pozo situado delante del filete que avanza en la parte posterior del canal. La figura 4.16 muestra un corte transversal de la zona de transición.

Figura 4.16. Corte transversal de la extrusora en la zona de transición. A medida que se va acumulando más y más fundido en el pozo de polímero fundido, el tamaño del pozo aumenta, mientras que el ancho de la capa sólida irá disminuyendo. De esta forma se desarrolla una presión que empuja a la capa sólida y la sitúa en la parte anterior del canal. Por eso, a pesar de que casi toda la fusión ocurre en la superficie del cilindro, la altura de la capa sólida no disminuye, sino que disminuye su anchura, como se puede apreciar en la figura 4.17. En esta figura también se indica la longitud de fusión que es la longitud de tornillo desde que comienza la fusión hasta que ésta termina. En una extrusora funcionando de forma adecuada la transmisión de calor está muy favorecida, debido a que continuamente tendremos una fina capa de material renovado en contacto con el cilindro. En general se puede despreciar la transmisión de calor entre el pozo fundido y la capa sólida. La existencia de la capa sólida explica también la eliminación del aire atrapado entre las partículas sólidas. A medida que la capa sólida es compactada y

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comprimida por el pozo de fundido, el aire atrapado entre las partículas escapa hacia el exterior vía la tolva de alimentación.

Figura 4.17. Ancho del pozo de fundido a lo largo de la zona de transición. Como se ha visto el calor necesario puede ser suministrado bien por conducción desde la superficie caliente del cilindro, a través de la película fundida o bien por disipación viscosa (cizalla) debido a las fuertes cizallas a que está sometida la delgada película de fundido. La relación entre estas dos cantidades de calor depende de las condiciones de operación y del polímero utilizado. El flujo de calor por disipación viscosa está favorecido al aumentar la velocidad del tornillo. Sin embargo, en este caso la contribución de la transmisión de calor por conducción a la fusión se verá reducida puesto que aumentará el caudal, y por tanto disminuirá el tiempo de residencia del material en la extrusora. Por otro lado, un aumento de la temperatura del cilindro implicará en principio un aumento del flujo de calor por conducción, y por tanto aumento de la velocidad de fusión, pero por otra parte al aumentar la temperatura disminuirá la viscosidad del material y, por tanto, la generación de calor por disipación viscosa, de modo que algunos polímeros cuya viscosidad es muy sensible a la temperatura podrían ver reducida la velocidad de fusión. Una situación general se muestra en la figura 4.18 donde se representa la longitud de fusión en función de la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. De acuerdo con lo comentado la longitud de fusión 124

Tema 4. Extrusión disminuye (por tanto aumenta la velocidad de fusión) al aumentar la temperatura del cilindro hasta un cierto punto en el que la longitud de fusión aumenta al disminuir la cantidad de calor generado por disipación viscosa.

Figura 4.18. Relación entre la longitud de fusión y la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. Además de las condiciones de operación, la configuración del tornillo afecta en gran medida a la velocidad de fusión y a la longitud de fusión. El ángulo del filete del tornillo puede tener un efecto considerable sobre la eficiencia de la fusión, como se muestra en la figura 4.19, donde se observa como la longitud de fusión disminuye al aumentar el ángulo del filete, especialmente para ángulos pequeños. La eficiencia sería máxima con un ángulo de 90º, sin embargo, en este caso no se produciría el avance del material a lo largo de la máquina. Por tanto hay que buscar ángulos que den una buena eficiencia para la fusión y un buen transporte del material. Normalmente se utilizan ángulos entre 20 y 30º. El empleo de tornillos con múltiples filetes también puede mejorar el proceso de fusión. Cuando el filete es múltiple la capa de fundido es más delgada que cuando el filete es simple. Sin embargo el transporte del material sólido empeora con los tornillos de múltiples filetes (como se vio en el apartado anterior sobre el transporte del sólido), por lo que estos tornillos sólo se emplean en el caso de que la velocidad de fusión sea el proceso controlante.

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Figura 4.19. Efecto del ángulo de hélice y del número de filetes sobre la longitud de fusión. Por otra parte, está comprobado que la holgura entre el filete del tornillo y el cilindro debe ser lo menor posible para que el proceso de fusión tenga lugar de forma adecuada. En cuanto a la profundidad del canal, como se ha visto, en la mayoría de los tornillos se produce una reducción gradual de su profundidad entre la zona de transporte de sólidos y la de dosificado del fundido, que viene fijada por la relación de compresión. En general la velocidad de fusión aumenta al disminuir la profundidad del canal, puesto que se produce una compresión del pozo de sólido hacia la capa de fundido, mejorando la transmisión de calor y aumentando la cizalla. Sin embargo, si la compresión tiene lugar muy rápidamente el pozo de sólido podría provocar un taponamiento de la extrusora. 4.3. TRANSPORTE DEL FUNDIDO (ZONA DE DOSIFICADO) La zona de dosificado se inicia en el punto en que finaliza la fusión, es decir, en el punto en que todas las partículas de polímero han fundido. De hecho, la profundidad del canal es uniforme en la zona de dosificado, por lo que todo el lecho sólido debe haber desaparecido o en caso contrario el aire se eliminaría con mucha dificultad y podría quedar atrapado en el fundido. La zona de dosificado del fundido actúa como una simple bomba en la que el movimiento del material fundido hacia la salida de la extrusora se produce 126

Tema 4. Extrusión como resultado del giro del tornillo y de la configuración helicoidal del mismo. El estudio del movimiento de un material viscoso en el tornillo de una máquina de extrusión se simplifica considerando tres tipos distintos de flujo: el flujo de arrastre o de fricción, QD, que es debido a la fricción del material con el tornillo y con las paredes del cilindro, es el principal responsable del movimiento del material desde la tolva de alimentación hasta la boquilla; el flujo de presión o de retroceso, QP, opuesto al anterior y debido a la diferencia de presión entre la tolva y el cabezal de la máquina, presión esta última que es originada por la restricción que impone la boquilla o el plato rompedor. Finalmente, el flujo de pérdida o de fugas, que tiene lugar entre el cilindro y el filete del tornillo y es también opuesto al flujo de arrastre y originado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo. La tolerancia radial de ajuste entre el tornillo y las paredes internas del cilindro es generalmente muy pequeña (del orden de 0,1 milímetros) y, por tanto, el flujo de pérdidas es mucho más pequeño que los dos mencionados anteriormente. El flujo total a lo largo del tornillo viene dado por la suma de los tres flujos anteriores: Qtotal = QD + QP + Qpérdida Una representación esquemática de la distribución de velocidades para cada tipo de flujo viene dada por las figuras 4.20, 4.21 y 4.22. El flujo de arrastre tiene lugar debido a que el material fundido en el canal del tornillo se adhiere a las paredes internas del cilindro, que se mueven respecto al tornillo. Si solamente existiera el flujo de arrastre, el perfil de velocidades sería aproximadamente lineal (figura 4.20), y si la superficie en movimiento tuviera una velocidad V, la velocidad media de avance el material en el canal sería V/2.

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Figura 4.20. Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre. El flujo de presión se debe, como ya se ha indicado, al gradiente de presión a lo largo del cilindro. La presión es mayor en el lado de la boquilla, y este gradiente de presión tiende a hacer que el material fluya hacia atrás a lo largo del canal del tornillo oponiéndose pues al flujo de arrastre y suponiendo un retroceso del material en el canal del tornillo. El perfil de velocidades debido a la existencia de un gradiente de presión es parabólico y se representa en la figura 4.21.

Figura 4.21. Perfil de velocidades debido al flujo de presión. El flujo de pérdidas es mucho menor que los dos anteriores y no es preciso considerarlo. El flujo total a lo largo del canal del tornillo es el resultado del flujo de avance y del de presión y su perfil de velocidades puede determinarse sumando algebraicamente los dos. Se ha representado en la figura 4.22.

Figura 4.22. Perfil de velocidad del flujo total. 128

Tema 4. Extrusión

Para facilitar la visualización del movimiento del fluido dentro de la extrusora, supongamos que tenemos un canal desenrollado (tornillo) sobre el que se encuentra un plano (cilindro). El canal permanece quieto, mientras el plano se mueve sobre el canal con una velocidad tangencial Vb, cuyo vector no es paralelo a las paredes del canal, sino que se encuentra girado un ángulo , que coincide con el ángulo de los filetes del tornillo. En consecuencia, en una extrusora trabajando en condiciones normales (esto es con una boquilla que provoca una caída de presión a lo largo de la extrusora) existirá un perfil de velocidades tal como el mostrado en la figura 4.22 tanto en la dirección axial del tornillo como en la transversal. Esto es, en ambas direcciones existirá flujo de arrastre y flujo de presión, éste último originado por la boquilla en el caso del flujo en la dirección axial del canal, Z, y por las paredes del filete en el caso del movimiento del material que se dirige hacia ellas, (dirección X). El flujo total será la suma del flujo en las direcciones X y Z. En la figura 4.23 se muestra la situación global que se presenta en el canal del tornillo. En esta figura se representa la dirección y el movimiento relativo del polímero a varias profundidades y en el centro del canal; en el esquema (a) la extrusora funciona a descarga abierta, es decir, el flujo no tiene ninguna restricción, pues no existe boquilla, válvulas, plato rompedor ni ningún otro elemento limitativo. En este caso el perfil de velocidades en la dirección Z será lineal, como el representado en la figura 4.20, mientras que el perfil en la dirección X será el representado en la figura 4.22. Los vectores componentes de la velocidad del polímero en el punto C, son CE en la dirección axial y CF en la dirección transversal, representando el vector resultante CD la velocidad del polímero en dicho punto C. Obsérvese que el material situado en la mitad superior (aproximadamente) del canal fluye hacia la derecha mientras que el material situado en el fondo del canal fluye hacia la izquierda. Excepto el pequeño flujo de material que escapa por encima del filete, todo el material avanza hacia la boquilla. En el esquema (b) de la figura 4.23, el flujo total de extrusión está limitado parcialmente por la presencia de una boquilla, que es la situación normal; en este caso el polímero que se encuentra en la parte superior del canal (punto C) se dirige hacia adelante y hacia la derecha, mientras que el que se encuentra en la parte inferior del 129


canal (punto O) lo hace en dirección opuesta. Por otra parte el material que se encuentra en los punto D y E sólo presenta una componente de velocidad en las direcciones axial y longitudinal, respectivamente. En el esquema (c), la producción de la extrusora está totalmente bloqueada y el flujo de polímero en la dirección axial del canal es análogo al flujo transversal excepto que sus velocidades son mayores; obsérvese que el punto B presenta una velocidad cero en dirección axial (Z) y en dirección transversal (X).

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.23. Movimiento global del polímero fundido en la sección de dosificación de la extrusora; a) descarga abierta, b) con una boquilla en condiciones normales, c) descarga cerrada. La figura 4.24 muestra otra representación de lo que ocurre en las tres situaciones planteadas. Si para el caso normal (b), seguimos el movimiento de una porción de fluido que se encuentra cerca de la superficie del cilindro, éste avanzará a lo largo de esta superficie hasta que se encuentre con la pared del filete del tornillo. En este punto, el fluido girará hacia abajo, se deslizará por la pared del filete, y luego cruzará el canal del tornillo retrocediendo ligeramente, deslizándose por la base. Cuando el elemento llegue a la otra pared del filete del tornillo, girará hacia el cilindro, volviendo otra vez a realizar el mismo tipo de movimiento. Los casos a) y c), al igual que en la figura anterior, representan el movimiento del material en una extrusora trabajando a descarga abierta y descarga cerrada, respectivamente.

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Figura 4.24. Movimiento del material dentro del canal de la extrusora trabajando; a) descarga abierta, b) con una boquilla y c) descarga cerrada. De acuerdo con esto, en una extrusora funcionando en condiciones normales, una pequeña porción del material que se encuentra próximo al centro del canal no tiene componente de velocidad en la dirección transversal (en el punto D de la figura 4.23b), de modo que este material pasará rápidamente a lo largo de la extrusora, con un tiempo de residencia menor que el material que se encuentra próximo a las paredes del cilindro y del tornillo. El material que se encuentra, por ejemplo, cercano al punto E (figura 4.23b) sufrirá un movimiento de avance hacia la boquilla mucho mas lento. En la 132

Tema 4. Extrusión figura 4.25 se observa un corte transversal del canal, donde la temperatura en las diferentes zonas del material se representa en diferentes colores.

Figura 4.25. Flujo de recirculación en el canal del tornillo. La situación planteada provoca que la temperatura en diferentes zonas en un corte de la sección de una extrusora pueda variar sustancialmente. La medición de la temperatura en los canales del tornillo es complicada debido a la rotación del tornillo, si bien se puede predecir usando técnicas numéricas y las diferentes teorías de la extrusión. La temperatura más alta se encontrará en el centro del canal, donde el material está expuesto a mayores cizallas, mientras que en los alrededores se obtendrán temperaturas inferiores si el cilindro está enfriado, lo que suele ocurrir en la zona de dosificación. Las capas internas difícilmente llegan a alcanzar la superficie fría del cilindro y se encuentran aisladas por las capas externas. En consecuencia la diferencia de temperatura entre las diferentes capas puede alcanzar con facilidad los 60 ºC. Si esta situación se mantiene hasta el final del tornillo, el fundido que sale por la boquilla no será homogéneo. Además, el grado de mezcla de las capas internas puede ser deficiente, al ser el tiempo de residencia menor que el del resto del material. Esto conlleva problemas no sólo en la boquilla, sino también distorsiones en el producto extruído. La forma más eficaz de evitarlo consiste en incorporar mezcladores en el diseño del tornillo. Además de homogeneizar la temperatura del material, los mezcladores también son importantes cuando se pretende mezclar diferentes tipos de plásticos o aditivos.

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4.4. MEZCLADO Para evitar problemas de falta de homogeneidad del material que llega a la boquilla se puede introducir una sección de mezclado. Esto es especialmente importante en las extrusoras grandes y en las que se emplean para fabricar láminas finas. El mezclado se conseguirá haciendo pasar al material por diferentes zonas que lo obliguen a reorientarse. Las secciones de mezclado son simplemente tramos del tornillo dentro de la zona de dosificado que tienen una configuración especial para este propósito. Las secciones de mezclado deben cumplir los siguientes requisitos: • Provocar una caída de presión mínima de modo que la presencia de la zona de mezclado afecte lo menos posible al caudal de material extruído • Evitar zonas muertas donde el material pudiera quedar estancado • Barrer la superficie del cilindro completamente • Ser fáciles de instalar, poner en marcha y limpiar • Tener un precio razonable A continuación se muestran diferentes tipos de mezcladores. 4.4.1. Mezclador de agujas Consisten en una serie de “pins” o agujas que se encuentran sobre el tornillo, como se muestra en la figura 4.26. Estas agujas pueden tener numerosas formas y tamaños. Consiguen un nivel moderado de reorientación. Una contrapartida del empleo de estos sistemas es que suponen una restricción al flujo, y por tanto, reducen el caudal de salida de la extrusora, y además pueden crear volúmenes muertos donde se estanque el material. La principal ventaja es que son muy sencillos, económicos y fáciles de instalar.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.26. Mezcladores de tipo aguja con orientación de las agujas perimetral y axial. 4.4.2. Mezclador de anillo Consiste simplemente en un anillo situado sobre el tornillo que deja una sección de paso pequeña, como se ve en la figura 4.27. Todo el material debe fluir por este paso, con lo que es sometido a altas cizallas durante un periodo de tiempo corto. Estos mezcladores resultan efectivos y fáciles de construir, pero provocan una caída de presión relativamente alta y además no tienen capacidad de impulsar el material hacia adelante.

Figura 4.27. Mezclador de anillo. 4.4.3. Mezclador con filetes desiguales Una sección de mezclado de este tipo es, por ejemplo, el mezclador “Saxton”, que aparece en la figura 4.28. En estos mezcladores la profundidad 135


de los filetes es variable, con lo que se obliga a que el material se divida y reoriente continuamente, resultando en una buena capacidad de mezclado. Además la orientación de los filetes en este tipo de mezcladores ayuda al bombeo del material hacia adelante. De esta forma se obtiene buena capacidad de mezclado, pero sin detrimento de la capacidad de bombeo del tornillo.

Figura 4.28. Zona de mezclado con filetes desiguales tipo “Saxton”. 4.4.4. Mezcladores con filetes secundarios Estos mezcladores tienen unos filetes secundarios que actúan de barrera entre los filetes principales del tornillo. Los filetes secundarios tienen altura no uniforme, como se muestra en la figura 4.29 para un mezclador de tipo “Zorro”. La altura no uniforme de los filetes obliga al material a pasar por una sección pequeña. Las caídas de presión no son tan grandes como en otros mezcladores, debido a que el ángulo de inclinación de los filetes secundarios favorece el bombeo del material.

Figura 4.29. Mezclador con filetes secundarios tipo “Zorro”. 4.5. DESGASIFICADO El desgasificado es necesario sólo en los plásticos que retienen gran cantidad de componentes volátiles o en materiales muy higroscópicos, como es el caso de las poliamidas. También suele emplearse en las extrusoras que se emplean en líneas de mezclado. En los materiales que presentan humedades de equilibrio muy elevadas, es posible secarlos antes de introducirlos en la extrusora, si bien el proceso de secado es lento (puede durar entre 4 y 40 136

Tema 4. Extrusión horas), por lo que se suelen desgasificar directamente en la extrusora, de forma mucho más rápida. El desgasificado se produce a través de un orificio de venteo practicado sobre el cilindro. Las extrusoras con zona de desgasificado deben tener un diseño especial del tornillo, que asegure que la presión en esta zona coincida con la presión atmosférica, de forma que el material no tienda a escapar por el orificio de venteo. En estas extrusoras los gránulos de sólido atraviesan las zonas de alimentación y transición donde son aglomerados, transportados y fundidos. A continuación pasan a una zona de descompresión en la que los productos volátiles son evacuados a través del orificio de venteo. El material fundido y desgasificado se vuelve a comprimir en una nueva zona de transición, como se muestra en la figura 4.30. Estos tornillos deben tener un diseño adecuado, de modo que la zona de eliminación de volátiles esté siempre parcialmente llena y el material no se salga por el orificio de venteo. Además, la capacidad de bombeo de la segunda sección del tornillo (tras el orificio de venteo) debe ser superior a la de la primera.

Figura 4.30. Extrusora con sección de desgasificado. 4.6. CONFORMADO El material toma la forma de la boquilla conforme sale por ésta. Es primordial que el material salga a velocidad uniforme, sin embargo, a veces esto no es fácil de conseguir, especialmente cuando se extruyen perfiles con secciones irregulares. Como ya hemos mencionado se producen cambios de tamaño y forma conforme el material sale por la boquilla. De hecho, las 137


boquillas se fabrican con una forma y tamaño que compensen los cambios que se producen en el material, de modo que al final se obtenga un producto de las dimensiones requeridas. Para conseguirlo es necesario conocer muy bien cómo se comporta el material con el que se está trabajando. Hay tres factores principalmente que provocan cambios en el tamaño y forma del material: tensionado, relajación y enfriamiento. 4.6.1. Tensionado Conforme el material sale de la extrusora es recogido por diferentes sistemas, que generalmente consisten en rodillos, que mantiene el material tenso. Esto hace que en la mayoría de los casos se reduzca un poco el tamaño del material, a veces de forma considerable. Además de los cambios de tamaño, los productos que no sean circulares pueden sufrir cambios de forma debido al estirado. 4.6.2. Relajación El material dentro de la extrusora está sometido a grandes deformaciones y tensiones (esfuerzos normales) por lo que, debido a su naturaleza viscoelástica, se relaja conforme sale por la boquilla. La relajación provoca el hinchamiento del material, tanto más rápido cuanto mayor sea la temperatura, por lo que el cambio más pronunciado tiene lugar cuando el material sale de la extrusora, pero generalmente continúa durante las horas siguientes al conformado, y a veces dura incluso días. En la figura 4.31 se muestra el hinchamiento que sufriría un material extruído con sección cuadrada.

Figura 4.31. Hinchamiento debido a la relajación de un material de sección cuadrada. 138

Tema 4. Extrusión

Con una forma cuadrada de boquilla, la dilatación ocurre más en el centro de las caras que en las esquinas, esto es resultado de que los esfuerzos normales que se producen dentro del material serán mayores en la zona central. Si el producto extruído sufre tensiones no uniformes, la relajación puede conducir a una torcedura o combadura del mismo, especialmente en piezas que contengan partes gruesas y delgadas. 4.6.3. Enfriamiento El enfriamiento del material fundido produce su contracción, reduciéndose el tamaño y aumentando su densidad. Los plásticos semicristalinos se contraen más que los amorfos, ya que las regiones cristalinas tienen densidades mayores que las amorfas, y en cualquier caso, el método, velocidad y homogeneidad del enfriamiento condicionan la microestructura del material. La contracción que produce el enfriamiento normalmente no es uniforme, puesto que en partes gruesas puede haber una diferencia muy grande entre la velocidad a la que se enfrían las zonas externas y las más internas del material (la cristalinidad del interior de estas piezas será mayor), pudiendo aparecer zonas hundidas (rechupadas) al contraerse el interior de las piezas. En la figura 4.32 se muestra la contracción que sufriría una pieza de sección cuadrada debido a la diferente velocidad de enfriamiento entre las distintas partes.

Figura 4.32. Contracción debida al enfriamiento de un material de sección cuadrada.

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5. MODELADO DE LA ZONA DE DOSIFICACIÓN 5.1 OBTENCIÓN DE LAS ECUACIONES 5.1.1. Ecuaciones de velocidad La zona de dosificado es la que ha sido analizada en mayor profundidad desde un punto de vista teórico. Los cálculos se simplifican mucho en esta zona respecto a las otras debido a que todo el material se encuentra en estado fundido y se puede considerar que es homogéneo. Con ciertas aproximaciones, los resultados del análisis se pueden expresar en forma de ecuaciones simples que son útiles como primera aproximación a la operación de la extrusora en esta zona. Para hacer el estudio del movimiento del material en el canal del tornillo se realizan algunas suposiciones: • El canal del tornillo se considera de sección rectangular • El canal del tornillo se encuentra “desenrollado” y se escoge el sistema de coordenadas de la figura 4.33 • El cilindro es una superficie plana que se mueve sobre el canal del tornillo, arrastrando al material • Se considera que el fundido tiene un comportamiento newtoniano • Se considera que el fundido se comporta como un fluido incompresible • Se supone que el proceso es continuo y que se ha alcanzado régimen estacionario La notación que se va a emplear a lo largo del desarrollo del modelo teórico es la que se muestra en la figura 4.33.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.33. Sistema de coordenada y nomenclatura. donde: R = radio del tornillo D = diámetro del tornillo = ángulo del filete del tornillo con la vertical w = ancho del canal h = profundidad del canal = holgura entre el cilindro y el filete N= número de revoluciones a las que gira el tornillo Hay dos tipos de flujo a lo largo del eje Z que han sido comentados anteriormente: el movimiento del material es debido en parte al flujo de fricción o flujo de arrastre provocado por el movimiento de la superficie del cilindro (siempre en dirección +Z, la dirección positiva + Z es considerada hacia la boquilla). Si hay un impedimento al flujo (una boquilla, una válvula, etc.) se crea un gradiente de presión en dirección Z. Esto causa un flujo en dirección negativa –Z, es el flujo de presión o flujo de retroceso. El análisis del caudal en esta sección se basa en considerar el flujo newtoniano e isotermo de un fluido incompresible en un canal rectangular de 141


ancho w y altura h. Se desprecia (holgura entre el tornillo y el cilindro) porque << h y se supone que el flujo es uniforme. Realizando un balance de cantidad de movimiento sobre un sistema de este tipo se obtiene la siguiente expresión (ec. Navier-Stokes).

(1) donde: dP/dZ = gradiente de presión a lo largo del canal. v = velocidad del fluido en el canal. = viscosidad del fluido La ecuación anterior se puede simplificar si se considera que w>>h, de modo que

, lo que supone despreciar el efecto que puedan tener

las paredes del canal en el flujo. Con esto, la ecuación del flujo se simplifica a: (2)

Usando esta última ecuación se obtienen unos resultados que discrepan menos del 10% de los obtenidos con la ecuación completa si la relación del ancho del canal (w) a la profundidad del mismo (h) es mayor de 10. Este es precisamente el caso de la mayoría de los tornillos usados en las máquinas de extrusión de plásticos. La integración de la ecuación (2) proporciona:

Integrando nuevamente:

142

Tema 4. Extrusión

(3)

Teniendo en cuenta las condiciones límite: cuando y = 0, es decir, junto al tornillo v = 0. Sustituyendo esta condición en la ecuación (3), se obtiene C2 = 0. Por otro lado, junto a la pared del cilindro donde y = h, la velocidad será v = V, velocidad lineal periférica del cilindro, con lo que resulta:

Y sustituyendo el valor de C1 y C2 en la expresión (3):

(4)

En el segundo miembro de esta ecuación aparecen dos términos. El primero varía linealmente con y, y depende de la velocidad del tornillo; representa el flujo de arrastre o fricción; el segundo será negativo o cero (y varía entre 0 y h), luego se opone al movimiento del material hacia la boquilla, da un perfil de velocidades parabólico que depende de la caída de presión a lo largo del tornillo; por tanto representa el flujo de retroceso o presión. La suma de estos dos términos representa la velocidad resultante en cualquier punto del canal. 5.1.2. Cálculo del caudal El caudal de material extruído podrá calcularse como el producto de la velocidad del material por la sección del tornillo. Se puede partir de la ecuación (4), integrando el producto de la velocidad por el ancho del canal entre los límites y = 0 e y = h. 143


(5)

de donde se obtiene: (6)

Igual que en el caso de la velocidad, el caudal también presenta dos términos. El primero representa al flujo de arrastre, y el segundo al flujo de presión:

Flujo de arrastre: Flujo de presión:

Interesa ahora escribir la ecuación (6), que da el flujo de material a través del tornillo, en función de las dimensiones del tornillo, empleando la notación de la figura 4.33. Si imaginamos el tornillo cortado a lo largo de una generatriz y desenrollado, despreciando el ancho del filete, tal como se representa en la figura 4.34 podemos escribir la siguiente ecuación: w = D sen

Figura 4.34. Tornillo cortado a lo largo de su eje y desenrollado. 144

Tema 4. Extrusión

Si V es la velocidad con que se mueve el cilindro sobre el tornillo, en términos de velocidad angular V = D N, y está dirigida formando un ángulo con el filete del tornillo y tiene dos componentes vz y vx paralelas al eje Z y al eje X, respectivamente: vz = V cos = D N cos vx = V sen = D N sen Una partícula de fluido describe un movimiento muy complejo dentro del canal, pero sólo la componente vz es responsable del avance del fluido a lo largo del canal. La componente X actúa en un plano normal al eje Z y causa un movimiento circulatorio importante para mejorar el mezclado y la transmisión de calor pero no para la capacidad de transporte del tornillo. Por tanto, para calcular el caudal de material basta con considerar vz. Sustituyendo los valores así hallados de w y V en el primer término de la ecuación (6) tenemos:

El segundo término de la ecuación (6) puede expresarse en función de las dimensiones del tornillo, teniendo en cuenta que si se desenrolla completamente el tonillo se puede escribir:

Donde L es la longitud del cilindro y Z la longitud total del canal del tornillo una vez desenrollado, a lo largo del cual existe un el gradiente de presión

. De este modo se puede escribir el segundo término de la

ecuación (6) como: 145


Si se considera que la caída de presión a lo largo del tornillo es , la ecuación (6) puede

constante y tomando incrementos escribirse como sigue:

(7)

que se puede escribir en la forma más general para un determinado tornillo:

(8) donde A y B son constantes del tornillo. La ecuación (7) es una recta en una representación de Q frente a P y es conocida como ecuación característica del tornillo o recta operativa (figura 4.35), y tiene gran utilidad en la predicción del caudal de salida de una extrusora.

Figura 4.35. Recta operativa de un tornillo. Cuando se trabaja en un proceso de extrusión interesa que el caudal de material extruído sea lo mayor posible, pero además, que la pendiente de la 146

Tema 4. Extrusión recta operativa sea lo menor posible, de modo que pequeñas fluctuaciones en la presión impuesta por la boquilla no afecten demasiado al caudal de material extruído. 5.2. INFLUENCIA DE VARIABLES El caudal extruído por un sistema tornillo-boquilla depende de diversas variables que se pueden agrupar del siguiente modo: • Dimensiones del tornillo; D, L, h, • Tipo de polímero; • Condiciones del proceso; N, T • Restricción impuesta por la boquilla; P Veamos, de acuerdo con el modelo propuesto, el efecto que causa cada uno de estos parámetros. 5.2.1. Efecto de las dimensiones del tornillo La longitud del tornillo no afecta al flujo de arrastre pero sí que afecta al flujo de presión. Si la zona de alimentación y transición lo permiten, un aumento en la longitud del tornillo conlleva una disminución del flujo de presión. El aumento de la longitud del tornillo se refleja en la representación de Q frente a P como una disminución en la pendiente de la línea operativas del tornillo, tal y como viene reflejado por la ecuación (7). Otra variable que tiene gran importancia es la profundidad del canal, h. La profundidad del canal afecta tanto al flujo de arrastre como al de presión, de modo que un aumento de la profundidad del canal supone un aumento de ambos tipos de flujo. Sin embargo, el efecto de la profundidad del canal es mucho más pronunciado sobre el segundo que sobre el primero, puesto que este parámetro aparece elevado a la tercera potencia en el segundo término de la ecuación (7). Por tanto, con una pequeña disminución en h se produce una importante disminución de la pendiente en la línea característica del tornillo.

147


La figura 4.36 muestra el efecto de la profundidad del canal y de la longitud del tornillo sobre las rectas operativas de una extrusora. La situación normal en un extrusor es que P > 0, ya que la presión a lo largo de la extrusora va aumentando entre la garganta de alimentación (presión atmosférica) y el estrechamiento que suponen el plato rompedor y la boquilla, de modo que según la ecuación (7) el caudal de retroceso se opone al de arrastre. El efecto de h y L que hemos comentado corresponde a esta situación normal. En los casos en los que P < 0, el caudal de retroceso va en la misma dirección que el de arrastre pudiendo interesar otros valores de h y L. En general cuanto mayor sea el diámetro del tornillo mayor será el caudal de material que la máquina es capaz de extruir. El efecto de otras variables como el ángulo de los filetes, , no es tan claro. Nos limitaremos a apuntar que en la práctica el ángulo usado generalmente varía entre 25 y 30º, aunque en algunos casos se utilizan valores tan bajos como 10º.

Figura 4.36. Efecto de la profundidad del canal y de la longitud del tonillo sobre las rectas operativas del tornillo.

148

Tema 4. Extrusión 5.2.2. Efecto de la viscosidad del polímero La ecuación (7) sugiere que un incremento en la viscosidad supone una disminución de la pendiente de las rectas. Sin embargo, una mayor viscosidad del polímero supone también un mayor consumo energético, por lo que en ocasiones resultante interesante utilizar materiales de baja viscosidad. La disminución en la viscosidad puede lograrse de varias formas: • Aumentando la temperatura de la boquilla o el perfil de temperatura a lo largo del cilindro • Utilizando un material de menor peso molecular • Usando aditivos tales como lubricantes internos o plastificantes Cualquiera de estas soluciones puede presentar inconvenientes, como un aumento de los precios, incremento del tiempo de enfriamiento, variación de las propiedades mecánicas del producto, entre otras. 5.2.3. Efecto de las condiciones de operación Al aumentar el número de vueltas, N, aumenta el flujo de arrastre, pero de acuerdo con la ecuación (7) el flujo de retroceso no se ve afectado, por lo que se obtiene un mayor caudal. Así, para un mismo tornillo, al aumentar el número de vueltas se debería obtener un haz de rectas operativas paralelas con mayor ordenada en el origen, lo que implica que a mayor N, mayor caudal, independientemente de P. Sin embargo la experiencia demuestra que al aumentar el número de vueltas en realidad no se obtienen rectas paralelas, pues el polímero fundido es pseudoplástico, como vimos en temas anteriores. Así, al aumentar el número de vueltas, aumenta la cizalla sobre el material, por lo que disminuye su viscosidad, y en consecuencia aumenta el término QP, aumentando también la pendiente de las líneas operativas del tornillo, como se aprecia en la figura 4.37.

149


Figura 4.37. Líneas operativas del tornillo a diferente número de vueltas. 5.2.4 Efecto de la restricción de la boquilla El comportamiento global de la extrusora está determinado por la interacción entre el comportamiento de la boquilla y el del tornillo. La forma de la boquilla no puede ser cualquiera, pues lógicamente depende de las dimensiones del perfil que se desea obtener. El flujo del material en la boquilla es debido exclusivamente a la diferencia de presión que se genera entre el punto por donde el material entra a la boquilla y la salida, donde la presión es la atmosférica. En la boquilla existe sólo flujo de presión en la dirección de salida del material, con un perfil de velocidades parabólico como el mostrado en la figura 4.21. Si la diferencia de presión entre los extremos de la boquilla fuese nula, no habría caudal de extrusión. En general la cantidad de material que fluye a través de una boquilla en la que hay una diferencia de presión P se calcula como:

(9)

donde k es una constante que depende del orificio de salida de la boquilla. Cuanto mayor sea el orificio de salida de la boquilla, mayor será el caudal 150

Tema 4. Extrusión extruído para una P dada. A continuación se listan algunos valores de k para determinadas geometrías del orificio: •Boquilla circular sencilla, de radio R y longitud L

de modo que (9) se transforma en la ecuación de Hagen-Poiselle. •Boquilla plana, de profundidad h, anchura w y longitud L (obtención de láminas planas)

Con lo que la expresión (9) se convierte en el segundo término de la expresión (6). •Boquilla anular, de diámetro interno R0, diámetro externo R1 y longitud L (obtención de tubos)

La representación de la ecuación (9) en un diagrama Q frente a P da una haz de rectas que pasan por el origen para distintos valores de k, es decir, para distintos tamaños y geometrías de la boquilla. Las rectas son conocidas como rectas operativas o líneas características de la boquilla. Esta representación se ilustra en la figura 4.38. Cada una de estas líneas representa el flujo de material a través de una boquilla particular.

151


Figura 4.38. Líneas características de la boquilla. Al aumentar el tamaño del orificio, aumenta el valor de k, y por tanto la pendiente de la recta operativa de la boquilla. Para un P dado, a mayores dimensiones de la boquilla mayor caudal de material extruído. En la figura 4.38 las líneas experimentales de las boquillas no son totalmente rectas, sino que presentan una ligera curvatura y no pasan exactamente por el origen de coordenadas. Esta desviación es característica de los fluidos no newtonianos, como es el caso de los termoplásticos fundidos. Si se superponen las operativas de la boquilla con las del tornillo se obtienen los puntos donde trabaja una extrusora determinada, que se conocen como puntos operativos, como se muestra en la figura 4.39.

152

Tema 4. Extrusión

Figura 4.39. Rectas operativas de un conjunto de boquillas y tornillos. La recta característica del tornillo 1 en la figura 4.39 corresponde a un tornillo con una relación L/h mayor que en el caso de usar el tornillo 2, o lo que es igual, el tornillo 1 tiene un canal menos profundo y una mayor longitud que el tornillo 2 en la zona de dosificado, de modo que proporciona un caudal más estable y menos dependiente de P. Ambas rectas vienen referidas a igual número de revoluciones del tornillo. Los puntos operativos de un proceso determinado se corresponden en el diagrama anterior con la intersección de la recta operativa del tornillo y de la boquilla. Cuando se utiliza una boquilla de abertura grande, como el caso de k2, el tornillo 2, de canal más profundo y más corto, presenta un punto de operación más alto, por lo que es capaz de extruir más caudal que el tornillo 1. Si tenemos una boquilla pequeña, como es el caso de k1, es el tornillo 1, poco profundo y largo, el que consigue proporcionar una mayor presión en la boquilla y mayor cantidad de material extruído. Esto quiere decir que el tornillo 2 da menor rendimiento en material extruído cuando se usan boquillas pequeñas, pero dará mayor rendimiento en caso de usar boquillas suficientemente grandes. Como vemos, la elección del juego boquilla/tornillo para trabajar con un determinado material es muy importante. Diagramas del tipo de la figura 4.39 permiten predecir el tipo de tornillo más adecuado para usar con una boquilla determinada. Muchas veces el procesador se encuentra con una situación de compromiso en la que se necesita un tornillo que trabaje razonablemente bien con diferentes boquillas con un amplio margen de tamaños: en este caso, lo 153


mejor es adoptar un tornillo con relación L/h elevada, puesto que la pendiente de la línea característica del tornillo es menor. En los puntos operativos se cumple que el caudal que pasa por el tornillo es el mismo que el caudal que pasa por la boquilla, por lo que igualando las ecuaciones (8) y (9) se obtenemos:

Qtornillo = Qboquilla de donde: (10)

A partir de la ecuación (10) se puede obtener las dimensiones del tornillo que proporcionan el máximo valor de A, es decir, el máximo rendimiento de la máquina de extrusión en lo que respecta a máximo caudal de material extruído para unas determinadas condiciones de trabajo (N) y un determinado material ().

6. LÍNEAS DE EXTRUSIÓN Para fabricar un producto extruído, además de una extrusora se necesitan una serie de equipos auxiliares que en algunos casos son comunes a todas las líneas de extrusión y en otros son característicos de un producto concreto. En general todas las líneas constan de unidades de refrigeración, calibrado, tensionado y recogida y cortado. Cuando el material fundido sale de la extrusora debe enfriarse inmediatamente para que conserve la forma y adquiera la rigidez necesaria. Para ello es necesario un sistema de enfriamiento. Sea cual sea el sistema escogido, el enfriamiento debe ser lo más uniforme posible a lo largo de la sección de la pieza, y en ocasiones también gradual, de modo que no existan gradientes de temperatura importantes entre puntos cercanos del material. En el caso de productos con forma anular y de láminas, el enfriamiento se suele 154

Tema 4. Extrusión realizar en un tanque o artesa por la que circula agua, en ocasiones a diferente temperatura a lo largo del recorrido del material para lograr un enfriamiento gradual. En otros casos, como en la producción de películas sopladas, la refrigeración se consigue por medio de chorros de aire que circulan a pequeña velocidad para evitar posibles vibraciones de la película. En el caso de planchas, películas y recubrimientos es frecuente que la refrigeración se realice empleando rodillos metálicos fríos, por el interior de los cuales circula un fluido refrigerante. Estos rodillos además pueden realizar la función de imprimir el acabado superficial final a la pieza (pulido, mate, con dibujo) y de actuar de equipo de recogida. Cuando la tolerancia de las dimensiones de las piezas es pequeña debe existir un sistema de calibrado que determine el espesor en el caso de piezas planas, o bien el diámetro interno y externo en el caso de secciones anulares, etc. Generalmente estas mediciones se realizan mediante equipos de ultrasonidos o láser. El sistema de calibrado, además, puede actuar sobre el motor de la máquina para modificar el caudal, o sobre los sistemas de enfriamiento (interno y externo en el caso de piezas anulares) o el de tensionado, de modo que se pueda compensar instantáneamente cualquier desviación en los estándares fijados para una pieza. El equipo de tensionado y recogida determina la velocidad lineal a la que el material debe ser extruído. Hasta cierto punto el espesor o la forma del producto extruído depende de la relación entre el caudal de material extruído y la velocidad de recogida. El estiramiento o tensionado provocado por el equipo de recogida sirve en ocasiones para mejorar determinadas propiedades mecánicas del producto en la dirección del estirado (fibras). Por lo general, los sistemas de recogida son rodillos, bandas sin fin, cabrestantes, etc. Los rodillos de recogida se suelen construir de caucho o cualquier otro elastómero, estando a veces su superficie adaptada a la forma del material que se extruye. En otras ocasiones se emplean bandas de traccionado que proporcionan mayor superficie de agarre evitando que el extrudado resbale. El equipo de cortado en longitudes consiste en cuchillas estacionarias si la velocidad de extrusión es suficientemente baja o el material es flexible, o 155


en cuchillas transportables, o en el caso de materiales suficientemente rígidos, de tipo guillotina. Es cada vez más frecuente el cortado por chorros de aire. A continuación se describen las principales líneas de extrusión. 6.1. LÍNEAS DE EXTRUSIÓN DE TUBOS, TUBERÍAS Y PERFILES En la figura 4.40 se pueden observar los principales componentes de una línea de extrusión de tubos (diámetro inferior a 10 mm) y tuberías (diámetro mayor). Estas líneas consisten en una extrusora, una boquilla anular, un sistema de calibrado y uno de enfriamiento, una zona de tensionado y un cortador. La bomba de engranajes antes de la boquilla puede estar o no dependiendo de la precisión de la extrusión, al igual que el secador que alimenta a la tolva. Por lo general, el sistema de calibrado se encuentra inmediatamente después de la boquilla y puede ser de calibrado del diámetro externo o interno. En el sistema de calibrado externo se aplica aire a presión que se introduce por el interior de la boquilla (figura 4.10) o vacío desde el exterior para forzar a que el material tome la forma de un tubo externo. En el sistema de calibrado interno la boquilla tiene un mandril que se prolonga fuera de la máquina fijando el diámetro interno deseado. El diámetro de la pared se controla normalmente con un láser calibrador.

Figura 4.40. Línea de extrusión de tubos. Para la extrusión de tubos y tuberías se emplean básicamente PVC y poliolefinas como HDPE, PP y LDPE, generalmente para la obtención de 156

Tema 4. Extrusión conducciones para agua y alcantarillado, así como para gases y líquidos a presión. Estos materiales ofrecen unas excelentes características en largos periodos de tiempo, con poco desgaste y con un precio relativamente bajo. PB, XLPE y CPVC son utilizados para aplicaciones a presión con elevadas temperaturas, como calentadores domésticos. La velocidad de producción está limitada por lo general por la velocidad a la que el material puede ser enfriado, que básicamente depende del diámetro y del espesor de pared de la pieza. Por ejemplo, para tubos de diámetro de 2.5 mm y 0.4 mm de espesor de pared la velocidad de extrusión puede ser de 4 ms-1, mientras que para tuberías de 1 m de diámetro externo y 60 mm de espesor de pared una velocidad de producción típica podría ser de 3 mh-1. Muchas líneas de extrusión se utilizan para la producción de perfiles. Las líneas de perfiles tienen muchas formas y tamaños, pero en general son muy similares a las líneas para tubos y tuberías, cambiando lógicamente la forma de la boquilla y la posibilidad de emplear aire interno a presión para controlar el tamaño. En las líneas de extrusión de perfiles por lo general se procesan PVC para canalizaciones, irrigación, guías para cortinas, cubiertas protectoras, etc, y PVC con modificadores de impacto para perfiles de ventanas y puertas. PC y PMMA se emplean para aplicaciones transparentes en edificación, construcción y alumbrado. El PC se prefiere cuando la duración y la dureza son importantes. Para aplicaciones como empaquetados y precintados flexibles se emplea PVC plastificado. 6.2. LÍNEAS DE MEZCLADO La mayoría de los plásticos necesitan una etapa previa de mezclado antes del procesado. En ocasiones ser requiere sólo de un mezclado extensivo, donde los componentes de la formulación se mezclan superficialmente, y se realiza en mezcladoras rápidas, y en otras es necesario un mezclado intensivo de los diferentes componentes de una formulación, y se suele llevar a cabo en 157


extrusoras. En algunos casos son necesarios ambos, el mezclado extensivo previo al intensivo. En las líneas de mezclado es frecuente el empleo de extrusoras de doble husillo. La configuración de la línea está determinada, entre otras cosas, por el tipo de aditivos a combinar en la extrusión. Estas líneas suelen tener a la salida de la extrusora troceadoras o granceadoras que permiten producir la granza formulada, como muestra la figura 4.41. Cuando se ha de mezclar con el polímero aditivos o rellenos abrasivos, el polímero se suele añadir en la primera tolva de alimentación y el relleno se añade cuando el plástico ha fundido, con lo que se reduce el desgaste de la extrusora causado por el relleno. Con grandes cantidades de relleno, a menudo el fundido tiene gran cantidad de aire por lo que la extrusora debe tener una zona de venteo, como se aprecia en la figura 4.41.

Figura 4.41. Línea típica de mezclado. 6.3. LÍNEAS DE PELÍCULAS Y LÁMINAS 6.3.1. Proceso con pila de rodillos La diferencia entre las películas y las láminas es su grosor, considerándose láminas si tienen un grosor superior a 2 mm y películas si éste es inferior. A pesar de que suele hacerse diferenciación, las líneas para películas y láminas son muy similares. 158

Tema 4. Extrusión El proceso de pila de rodillos que se muestra en la figura 4.42 se emplea para la fabricación de láminas que pueden llegar a tener hasta 30 m de ancho. En el caso de láminas tan anchas el control de la temperatura en la boquilla debe ser muy preciso, y por lo general la temperatura se mantiene más alta en los extremos que en el centro de la lámina para evitar que se deforme. Los principales componentes de una línea de este tipo son: la extrusora, la pila de rodillos, la sección de enfriamiento, generalmente formada por una serie de rodillos, la sección de tensionado y el recogedor (figura 4.42). La pila de rodillos se usa para ejercer presión sobre la lámina, corrigiendo posibles variaciones de espesor, y para determinar la textura de la misma. Si se requiere una superficie lisa, se usan rodillos pulidos y si se necesitan texturas se utilizan rodillos con el dibujo adecuado. La textura del rodillo es el negativo de la textura requerida en la hoja. Es posible producir una hoja con una textura por una cara y lisa por la otra. La figura 4.42 muestra una lámina de plástico recorriendo el rodillo central y realizando una trayectoria en forma de S alrededor del rodillo central y dirigiéndose luego hacia arriba. La pila de rodillos en otras ocasiones se dispone de forma que el recorrido es hacia abajo.

Figura 4.42. Proceso con pila de rodillos para la fabricación de láminas. Por el interior de los rodillos normalmente se hace circular un fluido que controla la temperatura del proceso en esta zona. También es posible controlar la temperatura de cada rodillo por separado según interese. La sección de enfriamiento consiste en un conjunto de rodillos puestos en serie donde la lámina pasa por debajo y por encima alternativamente, haciéndose 159


circular aire forzado o incluso agua pulverizada por el exterior. Al final de la sección de enfriamiento se encuentran los rodillos de tensionado, que son rodillos de caucho que estiran la lámina desde la pila de rodillos para mantener una cierta tensión. Después de los rodillos de tensionado, la hoja se lleva al recogedor, o en caso de láminas rígidas se cortan en la longitud deseada y se apilan. 6.3.2. Proceso con sistema de rodillos fríos Las películas (con espesor inferior a 2 mm) se producen con frecuencia en líneas de rodillos fríos. Los principales componentes de estas líneas son la extrusora, la boquilla, la unidad de tratamiento superficial y el recogedor, además de un amplio sistema de rodillos. En este caso el esquema del proceso es muy similar al mostrado en la figura 4.42, aunque el sistema de rodillos puede llegar a ser mucho más complejo. Otra diferencia es que la película es expulsada hacia abajo sobre los rodillos fríos. El contacto inicial entre la película y los rodillos fríos se establece mediante el uso de cuchillas de aire, las cuales producen una corriente de aire a gran velocidad a través del ancho del rodillo enfriado, empujando la película contra la superficie del rodillo. A continuación la película se dirige a una unidad de calibrado donde se determina su espesor. Tras la unidad de calibrado, la película puede pasar, si así lo requiere por una unidad de tratamiento superficial. Habitualmente, esto se realiza para mejorar la adhesión, por ejemplo, para una impresión posterior u operación de laminado. Después la película se envía a la unidad de recogida. Del mismo modo que con la extrusión de láminas, puede utilizarse distintos tipos de recogedores, según el producto que se desee obtener. Mediante este proceso se pueden obtener productos que son prácticamente transparentes, aun en el caso de emplear materiales cristalinos, gracias al rápido enfriamiento que se produce en los rodillos conforme el material sale de la máquina. El proceso de rodillos fríos se emplea para la fabricación de películas de plásticos de PVC que se usan extensamente en la industria de la construcción. También se emplea para unir espumas de PS, HIPS y ABS con otros plásticos amorfos como PVC, PC, PMMA, PET y más

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Tema 4. Extrusión recientemente con otras combinaciones de plásticos en multicapa que se usan en termoconformado. 6.3.3. Líneas de películas sopladas Este proceso es el más común para la obtención de películas, y generalmente se emplea para fabricar bolsas de plástico a partir de HDPE y LDPE, y en ocasiones también de PVC, PP, PA, entre otros. En estas líneas la extrusora está equipada con una boquilla anular, dirigida habitualmente hacia arriba, como se muestra en la figura 4.43. Por el interior de la boquilla se inyecta aire que queda confinado en el interior del material que sale por la boquilla y que es contenido, como si de una gran burbuja se tratara, por un par de rodillos situados en la parte superior. La boquilla dispone de unos orificios que permiten la circulación de aire por el exterior para enfriar el material. El cociente entre el diámetro de la burbuja y el diámetro de la boquilla se llama proporción de explosión y suele estar en el intervalo de 2.0 a 2.5. En algunos casos el material se expande hasta tres veces su diámetro original, y a la vez es estirado por los rodillos que se encuentran en la parte superior, de modo que se orienta biaxialmente. El material sale de la boquilla en estado fundido, pero conforme asciende se enfría, gracias a la corriente de aire que circula por el exterior de la burbuja, de modo que solidifica, “congelando” la orientación en las dos direcciones, axial y longitudinal. El punto de solidificación se suele apreciar fácilmente debido a la pérdida de transparencia del material al pasar del estado amorfo al cristalino o semicristalino. A este proceso se le conoce como “estabilización de la burbuja”. La orientación biaxial confiere muy buenas propiedades mecánicas si se comparan con las obtenidas en el proceso de rodillos fríos donde sólo existe orientación en una dirección.

161


Figura 4.43. Línea de extrusión de película soplada. Si se mira detenidamente el proceso resulta extraño, en principio, que mientras que el material permanece en estado fundido la burbuja no se rompa (se trata de un material fundido, fluyendo en una capa muy delgada, y sobre el que se aplican grandes esfuerzos). La respuesta está en el tipo de esfuerzos al que el fundido es sometido. Hasta ahora hemos hablado de esfuerzos en cizalla, ante los cuales la mayoría de los plásticos se comportan reduciendo su viscosidad (psuedoplásticos). En este caso los esfuerzos que actúan sobre el material son perpendiculares (de tracción) al material. Ante un esfuerzo de este tipo los polímeros desarrollan una viscosidad que suele ser 3 veces superior a su valor cuando el esfuerzo es aplicado tangencialmente y que se conoce como viscosidad extensional. La viscosidad extensional además se mantiene constante para la mayoría de los polímeros al aumentar el esfuerzo de tracción aplicado. A este comportamiento se le conoce como Troutoniano, y sería el equivalente al comportamiento Newtoniano en el caso de esfuerzos en cizalla. En algunos casos como ocurre con el polietileno, que generalmente se emplea en estos procesos, la viscosidad aumenta al aumentar el esfuerzo de tracción aplicado, con lo que si en alguna zona la capa de material es más 162

Tema 4. Extrusión fina, el esfuerzo (fuerza/sección) será mayor, por lo que la viscosidad del material en esa zona aumentará, contribuyendo a la estabilización de la burbuja. 6.3.4. Coextrusión Los requerimientos de muchos productos, particularmente en aplicaciones para envases, son tales que no se puede utilizar un único plástico, si no que tienen que ser combinados dos o más materiales. Esto ocurre cuando el producto obtenido debe presentar buenas propiedades barrera (permeación a gases), resistencia química, una determinada apariencia, etc. Existe un grupo de técnicas de combinación de diferentes materiales; las más frecuentes son coextrusión, recubrimiento y laminado. La coextrusión consiste en combinar dos o más plásticos haciéndolos pasar por una boquilla de extrusión. Cada material se procesa en una extrusora diferente, compartiendo todas las extrusoras la misma boquilla. Hay dos sistemas de boquillas diferentes, el sistema de alimentación en bloque y el sistema de multiconducto. En el sistema de alimentación en bloque los diferentes plásticos se combinan en un módulo de alimentación en bloque, y después se introducen en una boquilla simple de extrusión (con una única entrada y salida). La ventaja del sistema de la alimentación en bloque es que es simple y barato. El principal inconveniente es que las propiedades de flujo de los diferentes plásticos deben ser bastante parecidas para evitar la distorsión de la interfase. En el sistema multiconducto cada plástico tiene su propia entrada y conductos en la boquilla, de forma que las diferentes corrientes de fluido fundido se combinan justo antes de la salida de la boquilla, con lo que la distorsión en la interfase será menor. La ventaja del sistema multiconducto es que se puede combinar plásticos con diferentes propiedades de flujo. Las desventajas son que el diseño de la boquilla es más complejo y más caro que en el sistema anterior. La figura 4.44 muestra una boquilla para coextrusión. Esta boquilla tiene dos entradas, dos conductos, y una salida simple (boquilla

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multiconducto). Estas boquillas llevan a una serie de dispositivos que permiten regular el flujo de cada material.

Figura 4.44. Ejemplo de una boquilla de multiconducto. Si la coextrusión se compara con el laminado se consigue una muy buena adhesión de los materiales, al unirse cuando se encuentran fundidos, y además se evita que pueda quedar aire atrapado entre las láminas. 6.3.5. Recubrimientos En este tipo de extrusión, una capa fundida de plástico se combina con otro sustrato sólido. El sustrato puede ser papel, cartón, lámina de aluminio, película de plástico o tela; o puede ser también un producto multicapa. La figura 4.45 muestra un esquema de este sistema. Este tipo de procesos se emplea para recubrimiento de madera, aluminio, acero, papel, cartón y los plásticos más habituales empleados son PVC plastificado y PE.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.45. Esquema de un proceso de extrusión de recubrimientos. 6.4. LÍNEAS PARA LA PRODUCCIÓN DE FIBRAS Y FILAMENTOS Las fibras y filamentos se fabrican por lo general de PA, PP y poliésteres, que se emplean para la producción de ropa y tejidos, raquetas de tenis, hilos de pescar, fibras para refuerzo de otros materiales, etc. Las líneas para obtener las fibras y filamentos, constan de una extrusora que alimenta a un distribuidor que obliga al material a pasar a través de una serie de boquillas con finos agujeros (cabezal hilador en la figura 4.46). El sistema precisa de una bomba dentada para asegurar un buen control del caudal. Conforme los hilos de material fundido salen por la boquilla quedan pendiendo hacia abajo, pasan por una cámara donde la temperatura del aire está controlada para enfriar el material y son recogidos por rodillos, generalmente a velocidades muy elevadas, entre 4000 y 6000 m/min), lo que produce una elevada orientación en el material. En ocasiones es necesaria una etapa de templado del material, que mejorará las propiedades mecánicas del mismo.

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Figura 4.46. Línea de extrusión de filamentos.

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Tema 4. Extrusión BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

C. Rauwendal, "Understanding Extrusion", Hanser Publishers, Munich, 1998. Ramón Anguita, "Extrusión de Plásticos" H. Blume Ediciones, Madrid, 1977. Arthur N. Wilkinson and Anthony J. Ryan, “Polymer Processing and Structure Development”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998. D. H. Morton-Jones, "Polymer Processing", Chapman & Hall, Londres, 1991. Dominick Rosato, “Plastics Processing Data Handbook, 2nd ed., Chapman & Hall, London, 1997. James L. White "Twin Screww Extrusion" Technology and Principles", Hanser, Munich, 1991 R.J. Crawford, Plastics Engineering, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1998. F. Hensen, "Plastics Extrusion Technology", 2nd ed. Hanser, Munich, 1997 Tim A. Osswald, "Polymer Processing Fundamentals", Hanser Publishers, Munich, 1998.

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TEMA 5. INYECCIÓN 1. DESARROLLO Y ESTADO ACTUAL DEL MOLDEO POR INYECCIÓN. EVOLUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ............................. 170 1.1. Máquinas de pistón ........................................................................ 171 1.2. Máquinas de pistón con preplastificación ...................................... 175 1.3. Máquinas de husillo ....................................................................... 177 1.4. El ciclo de inyección ...................................................................... 180 2. MÁQUINAS DE INYECCIÓN................................................................ 182 2.1. Características básicas de las máquinas ......................................... 182 2.1.1. Capacidad de inyección....................................................... 183 2.1.2. Capacidad de plastificación................................................. 184 2.1.3. Presión de inyección............................................................ 184 2.1.4. Velocidad de inyección ....................................................... 185 2.1.5. Fuerza de cierre ................................................................... 186 2.2. Variables que intervienen en el proceso......................................... 186 2.2.1. Temperatura de inyección ................................................... 186 2.2.2. Temperatura del molde........................................................ 187 2.2.3. Presión inicial o de llenado ................................................. 187 2.2.4. Presión de mantenimiento o compactación (holding pressure) ....................................................................................................... 187 2.2.5. Presión posterior o de retroceso (back pressure)................. 188 2.2.6. Tiempo de inyección inicial ................................................ 188 2.2.7. Tiempo de mantenimiento o compactación......................... 188 2.2.8. Tiempo de enfriamiento ...................................................... 189 2.3. Componentes de la máquina de inyección ..................................... 189 2.3.1. Unidad de inyección ............................................................ 190 2.3.1.1. Válvulas de no retorno ..................................................... 190 2.3.1.2. La tobera........................................................................... 191 2.3.2. La unidad de cierre .............................................................. 194 2.3.2.1. Sistemas mecánicos .......................................................... 195 2.3.2.2. Sistemas hidráulicos ......................................................... 195 2.3.2.3. Sistemas mecánico-hidráulicos ........................................ 196 3. MOLDES DE INYECCIÓN..................................................................... 198 4. FUNDAMENTOS DEL MOLDEO POR INYECCIÓN.......................... 203 4.1. Control de la temperatura en la cámara de calefacción.................. 203 4.2. Comportamiento del material dentro del molde............................. 205 4.2.1. Análisis de la etapa de llenado de la cavidad ...................... 206 4.2.1.1. Flujo del material durante la etapa de llenado.................. 207

Tema 5. Inyección 4.2.1.2. Determinación del tiempo óptimo de llenado .................. 209 4.2.2. Análisis de la etapa de compactación ................................. 211 4.2.2.1. Transición entre llenado y compactación......................... 212 4.2.2.2. Influencia de variables durante la fase de compactación . 213 4.2.3. Análisis de la etapa de enfriamiento ................................... 215 4.3. Análisis del proceso a partir de curvas P-V-T ............................... 217 5. DEFECTOS COMUNES EN PIEZAS INYECTADAS .......................... 220 6. TÉCNICAS DE INYECCIÓN ................................................................. 223 6.1. Inyección de múltiples materiales.................................................. 223 6.2. Inyección de termoestables ............................................................ 226 6.3. Inyección asistida por gas .............................................................. 227 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA....................................................... 232

Resumen El objetivo de este tema es profundizar en diferentes aspectos del proceso de inyección. En primer lugar se describe el ciclo de inyección, las características técnicas de una máquina de inyección, los componentes de las máquinas y las variables del proceso. A continuación se describe con detalle todas las etapas por las que pasa el material desde que se introduce en el molde hasta que se extrae la pieza, así como el efecto de las diferentes variables sobre estas etapas que conduce a la obtención de una pieza inyectada de calidad adecuada. Por último se describen diferentes técnicas dentro de la inyección, como son la inyección asistida por gas, la inyección multicapa o la inyección de termoestables.

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1. DESARROLLO Y ESTADO ACTUAL DEL MOLDEO POR INYECCIÓN. EVOLUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE INYECCIÓN El moldeo por inyección consiste básicamente en fundir un material plástico en condiciones adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde, donde se enfría hasta una temperatura a la que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse. El gran desarrollo que las máquinas de inyección han sufrido en los últimos años se ha visto influenciado no sólo por el creciente número de materiales y tipo de los mismos disponible, si no también por la demanda creciente de artículos de plástico. Muchos de los materiales corrientes como PS, PA, PVC, PMMA, etc., se desarrollaron en la década de los años 30. El moldeo por inyección se aplica normalmente a resinas termoplásticas si bien, con ciertas modificaciones, se puede aplicar a materiales termoestables y a elastómeros sintéticos. En el moldeo por inyección un polímero en estado líquido y caliente, no newtoniano, fluye a través de conductos o canales de geometría compleja, las paredes de los cuales están mucho más frías que el propio polímero, y llena un molde que también tiene las paredes frías. El modelado del proceso es muy complejo, aunque existen algunos programas comerciales ampliamente extendidos como el MOLDFLOW, que han contribuido al estado actual de desarrollo de esta técnica. El moldeo por inyección es, quizás, el método de transformación más característico de la industria de plásticos, y de hecho las máquinas de inyección modernas son un ejemplo de máquinas ideadas y fabricadas con vistas a la producción masiva de piezas. El proceso puede dividirse en dos fases; en la primera tiene lugar la fusión del material y en la segunda la inyección del mismo en el molde. La manera de realizar estas dos fases es lo que distingue unas máquinas de otras. A continuación se describen las primeras máquinas de inyección empleadas y la evolución lógica que sufrieron las mismas hasta llegar a las máquinas convencionales actuales. Al final del apartado se describe un ciclo completo de inyección en una máquina convencional.

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Tema 5. Inyección 1.1. MÁQUINAS DE PISTÓN En las primeras máquinas empleadas (figura 5.1), la fase de fusión se realizaba en una cámara cilíndrica de calefacción. En estas máquinas el material, en forma de gránulos o granza, entra en el cilindro de calefacción a través de la tolva de alimentación situada en la parte posterior del cilindro. El material se calienta y funde en el cilindro de calefacción al mismo tiempo que circula hacia la parte anterior de éste, empujado en veces sucesivas por las emboladas de un pistón que se mueve ajustadamente en el cilindro de calefacción. Este émbolo actúa de pistón de inyección y obliga al material fundido a pasar desde el cilindro de calefacción a las cavidades del molde, realizando así la segunda fase del proceso. Por tanto, en estas máquinas, tanto la inyección como la fusión se realizan en un único cilindro diseñado para cumplir estos dos fines.

Figura 5.1. Esquema de una máquina de moldeo por inyección con pistón. La máquina esquematizada en la figura 5.1 se puede considerar constituida por los elementos básicos siguientes: • Un sistema de alimentación y dosificación • Un pistón de inyección, que empuja al material dentro de la cámara de calefacción y le da presión para que entre en el molde

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• Una cámara de calefacción, que calienta el material a una temperatura suficiente para que pueda fluir al ser sometido a la presión del pistón • El molde en el que se inyecta el material, que debe abrirse en un momento determinado del ciclo de moldeo, lo que permite extraer la pieza moldeada • Un mecanismo de cierre que mantiene unidas las dos mitades del molde durante el ciclo de inyección • Un sistema de controles para que los distintos mecanismos actúen en la secuencia adecuada Estas máquinas de inyección fueron empleadas durante muchos años, y siguen siendo utilizadas en laboratorios o para producciones a pequeña escala. Sin embargo, presentan una serie de desventajas, que se comentan a continuación. En las máquinas de pistón se realiza una dosificación volumétrica de la granza, lo que significa que se alimenta a la máquina el volumen de material sólido que cae delante del pistón de alimentación, solidario al pistón de inyección, como se puede apreciar en la figura 5.1. El tamaño y forma de la granza de polímero suele ser bastante irregular, lo que afecta muy sensiblemente a la densidad aparente del material, y por tanto a la cantidad de material alimentado en cada embolada. El deslizamiento de los gránulos entre sí también afecta a este tipo de dosificación. Otro inconveniente importante es que, aunque se dispusiera de granzas muy uniformes, la reutilización de los recortes (mermas de producción) no sería posible ya que incidiría negativamente en el flujo del material. Por otra parte, la transmisión de calor en el cilindro de calefacción de estas máquinas es bastante deficiente. Dada la baja conductividad térmica de los plásticos, en la práctica es difícil calentarlos rápida y uniformemente. Además, los polímeros fundidos son sumamente viscosos y es también difícil crear en ellos cualquier tipo de turbulencia que mejore la mezcla. El problema de la transmisión de calor se complica aún más por la limitación en el tiempo de permanencia del material dentro del cilindro, limitación impuesta por razones de producción evidentes, y en algunos casos debido a la baja 172

Tema 5. Inyección estabilidad térmica de los polímeros. Evidentemente el diseño más simple del cilindro de calefacción sería un cilindro recto calentado exteriormente y dentro del cual se aloja el material. Este diseño tan elemental se empleó en las primeras máquinas de inyección, pero muy pronto se llegó a la conclusión de que era necesario mejorara la transmisión de calor en la cámara de calefacción para lo que era necesario hacer que la relación entre la superficie disponible para la transmisión de calor y el volumen de material a calentar adquiera un valor lo mayor posible. Por ello se impuso el empleo de un torpedo cilíndrico colocado centralmente en el cilindro de calefacción y sujeto a las paredes del mismo por aletas laterales (figura 5.2) que obliga al material a circular en capas delgadas. Por lo general el torpedo lleva unas resistencias eléctricas que permiten calentarlo desde el interior.

Figura 5.2. Cilindro de calefacción con torpedo. Otra manera de aumentar la superficie de calefacción podría ser hacer muy larga la cámara de calefacción, y al mismo tiempo disminuir su diámetro. Sin embargo, en este tipo de cilindros aumentan innecesariamente las pérdidas de presión y la resistencia al flujo del polímero, por lo que realmente no ha habido tendencia a construir máquinas con este tipo de cámaras. Por otra parte, en las máquinas de pistón la unidad de inyección está constituida por el propio cilindro en el que se realiza la plastificación (calentamiento) del material. Para que la presión sea suficientemente alta en las cavidades de moldeo es preciso que las pérdidas de presión sean lo menores posible. Estas pérdidas de presión se deben fundamentalmente a la fricción que tiene lugar entre los gránulos fríos situados en la zona posterior del cilindro (delante del pistón de inyección) y a la fricción entre éstos y las paredes del cilindro. La máxima caída de presión se produce delante de la 173


superficie de ataque del torpedo en donde los gránulos aún sin fundir son obligados a pasar a la zona anular alrededor del torpedo. Una vez en la zona anular entre torpedo y cilindro, aunque la sección disponible para el paso del polímero es más pequeña, el polímero está ya fundido y las pérdidas de presión causadas por el flujo del polímero son relativamente menores, como se puede apreciar en la figura 5.3.

Figura 5.3. Evolución de la presión en una máquina de pistón. Considerando el cilindro de estas máquinas como un mecanismo de inyección sería preciso conseguir que las pérdidas de presión fueran lo más pequeñas posible. Para ello la sección del cilindro por el que circula el polímero fundido debería ser lo más grande posible. Además el cilindro debería ser todo lo corto que permitiera la construcción de la máquina y finalmente debería eliminarse cualquier tipo de obstáculo dentro del cilindro que, como el torpedo, dificulte el paso del material. Por ello, en estas máquinas el diseño del cilindro descansa en un balance razonable entre los requisitos para conseguir una buena eficacia para la transmisión de calor y reducir en lo posible la caída de presión.

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Tema 5. Inyección Por último, la velocidad de inyección en las máquinas con pistón se ve muy limitada por la presencia del torpedo, por el diseño de la cámara de calefacción y por la presencia de los gránulos fríos. 1.2. MÁQUINAS DE PISTÓN CON PREPLASTIFICACIÓN Por los motivos mencionados, las máquinas con pistón fueron paulatinamente sustituidas por las máquinas de inyección con preplatificación. En estas máquinas las etapas de fusión y plastificación son independientes, de modo que el diseño de cada una de las zonas de la máquina resulta más adecuado. La idea de la preplastificación consiste en calentar el material en una cámara o cilindro de calefacción y transferir el material ya caliente (al que nos referiremos como material plastificado) desde esta cámara al cilindro de inyección. Generalmente se distinguen dos tipos de máquinas con preplastificación: de pistón y de husillo, según utilicen uno u otro elemento en la cámara de preplastificación. Además, pueden ser en paralelo o en ángulo según sea la disposición relativa de los cilindros de plastificación e inyección. En las máquinas de preplastificación de pistón y en ángulo, como la de la figura 5.4, el material plastificado se transfiere al cilindro de inyección cuando éste se encuentra vacío. Durante la inyección del material en el molde el propio émbolo de inyección actúa como válvula de cierre del cilindro de plastificación. Las máquinas con esta disposición tienen el inconveniente de que es preciso disponer de dos estructuras diferentes para soportar los esfuerzos originados en cada cámara.

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Figura 5.4. Máquina de inyección de preplastificación con pistón en ángulo. En las máquinas de preplastificación con pistón y en línea como la de la figura 5.5, el cuerpo del cilindro de preplastificación actúa como pistón de inyección una vez que el cilindro de inyección se ha terminado de llenar. El material plastificado entra al cilindro de inyección por el centro taladrado del émbolo de inyección, donde se coloca una válvula para evitar el retroceso del material durante el periodo de inyección. Las máquinas de este tipo ofrecen la ventaja de su simetría y la de constituir máquinas compactas, junto con una mayor economía de construcción en comparación con las máquinas de preplastificación en ángulo.

Figura 5.5. Máquina de inyección con pistón de preplastificación en línea. En las máquinas de inyección con preplastificación suele ser frecuente el problema de que el material fundido tienda a fluir hacia la cámara de plastificación cuando se realiza la inyección, o bien que tienda a salirse de la 176

Tema 5. Inyección máquina mientras se llena el pistón de inyección. Por ello se emplean válvulas de retención que sólo permiten el paso del polímero fundido en una dirección. Estas válvulas suelen ser de construcción sencilla, generalmente de tipo de asiento de bola, y se abren o cierran por la propia presión del polímero. Su principal inconveniente es que pueden afectar al flujo del polímero y esto a veces puede dar lugar a defectos que aparecen en las piezas moldeadas. Además de las válvulas de bola, se emplean también válvulas de tipo rotatorio. En cualquier caso el diseño de este tipo de válvulas debe ser tal que no haya zonas en las que pueda estancarse el material. En otros casos el propio pistón de inyección sirve como válvula que impide el retroceso del polímero hacia la cámara de plastificación. 1.3. MÁQUINAS DE HUSILLO Las máquinas de husillo (figura 5.6) proporcionan un calentamiento uniforme del material así como un mezclado homogéneo. En estas máquinas la inyección del material se realiza desde la cámara de plastificación, que está provista de un husillo similar al de las máquinas de extrusión. El calentamiento del material se produce por tanto de forma similar a como ocurre en las máquinas de extrusión: la rotación del tornillo transforma parte de la energía mecánica en calor por fricción, y además las paredes calientes del cilindro contribuyen a aumentar la temperatura por conducción. La eficiencia en la transmisión de calor de estas máquinas resulta muy elevada frente a las máquinas con pistón. Sin embargo aquí, a diferencia de lo que ocurre en las máquinas de extrusión, el tornillo además se mueve axialmente para realizar la inyección. El funcionamiento de estas máquinas en cuanto al transporte de sólidos, plastificación y transporte del fundido es análogo a lo que se estudió en el proceso de extrusión. En la actualidad son, con diferencia, las más utilizadas, por lo que a partir de ahora nos referiremos a ellas como “máquinas convencionales”.

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Figura 5.6. Máquina de inyección de tornillo. En estas máquinas conforme el tornillo gira la máquina produce material fundido que se va acumulando en la parte anterior del mismo. Para alojar este material fundido dentro del cilindro, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundido acumulada delante del tornillo, se detiene el giro y se realiza un movimiento axial hacia adelante, con lo que se realiza la inyección del material fundido. Esta secuencia de movimientos se puede apreciar en la figura 5.7. Al igual que en las máquinas de extrusión, el diseño del tornillo viene determinado por las características del polímero con que se ha de trabajar y por las condiciones del proceso. Las variaciones de diseño se consiguen modificando el paso de hélice, la profundidad del canal y la longitud del tornillo.

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Tema 5. Inyección

Figura 5.7. Secuencia de movimientos de una máquina de inyección convencional. Un tornillo con movimiento axial, que actúa como pistón de inyección, tiene que vencer una gran resistencia para realizar la inyección. Por eso en ocasiones se emplean máquinas que presentan un tornillo de extrusión en la cámara de plastificación y un cilindro de inyección, como la que se muestra en la figura 5.8.

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Figura 5.8. Máquina con tornillo preplastificador y pistón de inyección. 1.4. EL CICLO DE INYECCIÓN De acuerdo con lo visto hasta ahora, un ciclo de inyección en una máquina convencional puede considerarse constituido por los tiempos y movimientos siguientes: a) Tiempo de cierre del molde, durante el cual actúa el sistema de cierre, la máquina ejecuta el movimiento necesario y cierra el molde. b) Tiempo de avance de la unidad de inyección, durante el cual la unidad de inyección, que hasta ese momento se encuentra separada del molde, avanza hasta que la boquilla se posa sobre el bebedero del molde (punto de entrada al molde). c) Tiempo de llenado o de inyección, en el que el pistón o el husillo avanza realizando la inyección del material. En este tiempo el molde se llena con el polímero inyectado. El tiempo necesario para realizar la inyección depende del polímero empleado, de la temperatura que éste alcanza, de la velocidad de avance del husillo, del tamaño del molde y de los canales que ponen en comunicación el molde con el cilindro de inyección. d) Tiempo de compactación (o tiempo de moldeo o de mantenimiento), durante el cual el molde permanece cerrado y el polímero comienza a enfriarse en el molde. Cuando el material comienza a enfriarse se contrae, por lo que para mantener la presión en el molde durante este periodo se suele introducir lentamente algo más de material dentro de la cavidad de moldeo, lo que compensa la contracción. Este periodo puede variar entre unos segundos y varios minutos. El peso final de la pieza, su estabilidad 180

Tema 5. Inyección dimensional y las tensiones internas que pudieran aparecer dependen de cómo se realice esta etapa, que finaliza en el momento en el que el material que ocupa la entrada del molde solidifica, de modo que ya no es necesario mantener la unidad de inyección en posición avanzada para seguir manteniendo la presión. e) Tiempo de retroceso de la unidad de inyección. Cuando la entrada a la cavidad solidifica la unidad de inyección retrocede, y comienza el movimiento rotatorio del husillo para plastificar el material para la siguiente etapa, simultaneándose con la fase de enfriamiento, apertura del molde y extracción de la pieza y acelerando así el tiempo total de ciclo. f) Tiempo de enfriamiento, necesario para enfriar el polímero que ocupa las cavidades del molde. Generalmente se toma este tiempo desde que acaba la etapa de compactación hasta que se abre el molde, sin embargo realmente el enfriamiento del material comienza tan pronto como el polímero toca las paredes frías del molde, y finaliza cuando se extrae la pieza, por lo que el enfriamiento tiene lugar también durante las etapas de llenado y compactación. g) Tiempo de apertura del molde, durante el cual se abre el molde. Este tiempo viene a ser aproximadamente constante para cada máquina. h) Tiempo de extracción de la pieza, durante el cual se sacan las piezas moldeadas de las cavidades de moldeo. i) Tiempo con el molde abierto, que generalmente es muy corto, pero que en ocasiones puede ser considerable, por ejemplo si es preciso colocar inserciones metálicas en el molde. La figura 5.9 muestra la duración relativa de cada una de estas etapas. Por ejemplo, un ciclo para la fabricación de peines de poliestireno está compuesto por los siguientes tiempos: tiempo para cerrar el molde y para el avance de la unidad de inyección 1s (mold closing time); tiempo de inyección 1s (mold filling time); tiempo de compactación 5 s (injection hold time); tiempo de enfriamiento 16 s (clamp time); tiempo de apertura del molde 2 s (mold opening time); tiempo de extracción de la pieza 5s (part removal time).

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Figura 5.9. Duración relativa de las diferentes etapas del ciclo de inyección en una máquina convencional.

2. MÁQUINAS DE INYECCIÓN 2.1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LAS MÁQUINAS Antes de seguir adelante conviene aclarar y definir algunos conceptos y vocablos propios de las máquinas, moldes y tecnología del moldeo por inyección. Con respecto a la máquina debemos considerar las siguientes características básicas que son las primeras consideraciones que se realizan a la hora de definir una máquina de inyección, como son capacidad de inyección, capacidad de plastificación, presión de inyección máxima, fuerza de cierre máxima y velocidad de inyección máxima.

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Tema 5. Inyección 2.1.1. Capacidad de inyección Se entiende por capacidad de inyección la cantidad máxima de material que una máquina es capaz de inyectar de una sola vez en un molde a una presión determinada. La capacidad de inyección proporciona una idea de las posibilidades de la máquina considerada. En los catálogos de los fabricantes de máquinas de inyección en ocasiones se indica la capacidad de inyección como el peso máximo, expresado en gramos, que puede inyectar la máquina en un solo ciclo, supuesto que no se ha colocado ningún molde o que éste ofrece muy poca resistencia a la entrada del polímero. Es frecuente encontrar la capacidad de inyección referida al poliestireno, aunque en ocasiones también viene referida a otros materiales de uso común en inyección. En ocasiones también se expresa la capacidad de inyección de la máquina como el volumen barrido por el husillo de inyección en su recorrido hacia adelante, lo que resulta menos ambiguo que referirla a un tipo concreto de material. En una situación real la capacidad de inyección viene determinada por el diámetro y la carrera del pistón o husillo de inyección, así como por el tipo de molde utilizado, la temperatura que alcanza el polímero fundido, la presión a que se inyecta y otras variables. Cuando se emplea un molde que es difícil de llenar, la capacidad real de inyección de la máquina es siempre algo menor que la indicada por el fabricante. La unidad de inyección suele escogerse de forma que sea capaz de contener material suficiente para dos ciclos. En otras palabras el 50% de la capacidad de inyección de un cilindro debería vaciarse en cada ciclo. Por otra parte, la cantidad de material introducida en el molde nunca debería ser inferior al 20% ni superior al 80% de la capacidad del cilindro, de modo que el tiempo de permanencia del material en la cámara de plastificación no sea excesivamente largo para evitar que el material se degrade, ni excesivamente corto para evitar que no se encuentre plastificado.

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2.1.2. Capacidad de plastificación La capacidad de plastificación es otro dato muy importante para evaluar las posibilidades de una máquina de inyección, sin embargo no es fácil expresar numéricamente este concepto. Se puede definir, aunque ambiguamente, como la cantidad máxima de material que la máquina es capaz de plastificar por unidad de tiempo. Para comprender mejor este criterio es preciso aclarar que por “plastificar” un polímero debe entenderse el calentar éste lo suficiente para que alcance una temperatura a la que pueda ser inyectado, y esta aclaración mantiene la ambigüedad de la definición anterior. Evidentemente, la capacidad de plastificación depende de la eficacia de calefacción de la cámara de plastificación y de las propiedades térmicas del polímero que se calienta. No hay método universalmente aceptado que indique las condiciones en que debe medirse la capacidad de plastificación de una máquina. Como en el caso de la capacidad de inyección, cada fabricante indica en el catálogo de sus máquinas la capacidad de plastificación de éstas expresada como caudal máximo plastificado de un material en unas condiciones de procesado determinadas, por lo general poliestireno (en kg/h o g/s), de modo que sólo sirve como guía para hacer comparaciones aproximadas entre máquinas de diversa procedencia. 2.1.3. Presión de inyección La presión de inyección es una característica mejor definida. Se entiende por presión de inyección la medida en la cara delantera "a” del pistón de inyección o husillo (figura 5.10). Como el husillo está actuado por un pistón hidráulico al que es solidario, la fuerza en ambas caras "A” y “a” será la misma, y si p es la presión de la línea hidráulica y P la presión de inyección se cumplirá P= p (A/a)

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Tema 5. Inyección La presión p en la línea puede leerse en un manómetro M y la relación de superficies entre las caras de los pistones (A/a) es una característica de construcción de la máquina que debe conocerse. Las máquinas convencionales se construyen con relaciones A/a entre 8 y 9 generalmente. Esta presión de inyección P no es la misma que la máxima presión que se desarrolla en las cavidades de moldeo, la cual es bastante menor y puede tener valores solamente del 20% de la presión de inyección y aun menores, dependiendo de las características del molde, de las condiciones de moldeo y del polímero utilizado.

Figura 5.10. Posición en la que se determina la presión de inyección, P, y la presión del sistema hidráulico, p, que actúa sobre el tornillo. 2.1.4. Velocidad de inyección La velocidad de inyección es el caudal de material que sale de la máquina durante el periodo de inyección; se expresa generalmente en cm3/s y es una medida de la rapidez con que puede llenarse un molde dado. La velocidad de inyección viene principalmente determinada por la velocidad de avance del pistón o husillo, y también se puede expresar como el número de veces por unidad de tiempo que el tornillo puede efectuar su recorrido completo de ida y vuelta cuando la máquina funciona en vacío, es decir, sin molde y sin material de moldeo. Naturalmente, esta característica de la máquina sólo depende de las demás características con que ha sido construida y en especial del tipo de sistema hidráulico utilizado. En una situación real (con material y molde en la máquina) la velocidad de inyección del material en el molde dependerá de otros factores como la 185


presión de inyección, la temperatura de la cámara de calefacción, las características del material utilizado y el camino que debe recorrer el polímero fundido hasta llegar a las cavidades de moldeo, principalmente. 2.1.5. Fuerza de cierre La fuerza de cierre es aquella que mantiene unidas las dos mitades del molde mientras en la cavidad de moldeo se desarrolla la máxima presión como consecuencia de su llenado. Como ya se ha mencionado, la presión en la cavidad de moldeo es mucho menor que la presión de inyección, si bien se desarrolla una fuerza que tiende a separar las dos mitades del molde y que viene dada por el producto de la presión en la cavidad de moldeo por el área proyectada de ésta. Esta fuerza interna del molde puede ser muy grande y necesita ser contrarrestada por una fuerza de cierre que en todo momento sea superior a ella para asegurar así que el molde se mantiene cerrado durante la inyección. Cuanto mayor es la fuerza disponible para mantener cerrado el molde tanto mayor es el área transversal de la pieza que puede moldearse, a igualdad de las demás condiciones. Las máquinas de inyección convencionales empleadas hoy en día son capaces de desarrollar fuerzas de cierre de más de 1000 toneladas.

2.2. VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO Diversos autores consideran que en el proceso de inyección intervienen de forma directa o indirecta del orden de 200 variables diferentes. Sin embargo para simplificar, estas variables se pueden clasificar en 4 categorías; temperatura, presión, tiempo y distancia. Lamentablemente estas variables no son independientes, y un cambio en una de ellas afectará a las otras. A continuación se comentan las más importantes. 2.2.1. Temperatura de inyección Es la temperatura a la que se calienta el material para introducirlo en el interior del molde. La temperatura del material aumenta gradualmente desde 186

Tema 5. Inyección que entra por la tolva hasta que se encuentra preparado para ser inyectado. Esta temperatura es función del tipo de material, y no debe ser superior a la temperatura a la que comienza a descomponerse, pero debe ser suficientemente elevada para permitir que el material fluya correctamente. La fusión y homogeneización del material a lo largo de la cámara de plastificación se lleva a cabo por los mismos mecanismos que se describieron para las extrusoras. 2.2.2. Temperatura del molde Es la temperatura a la que se encuentra la superficie de la cavidad de moldeo. Debe ser lo suficientemente baja para enfriar el material fundido y conseguir que solidifique. Esta temperatura varía a lo largo del molde y depende de varios parámetros (temperatura del fluido refrigerante, temperatura del material, características térmicas del molde, etc.), pero a efectos prácticos se evalúa como el valor medio a lo largo de toda la cavidad. La velocidad a la que se enfría el plástico es un factor muy importante puesto que va a condicionar la morfología del material, y por tanto sus propiedades físicas, mecánicas, ópticas, etc. 2.2.3. Presión inicial o de llenado Es la presión que se aplica inicialmente al material fundido y que se desarrolla como consecuencia del movimiento hacia adelante del tornillo. Esta presión obliga a que el material fundido fluya hacia adelante, produciendo el llenado inicial del molde. En una situación ideal la presión inicial debe ser lo mayor posible, de modo que el llenado se produzca lo más rápidamente posible. 2.2.4. Presión de mantenimiento o compactación (holding pressure) Es la presión que se aplica al final de la inyección del material, cuando el molde se encuentra casi completamente lleno. Se llama presión de mantenimiento o compactación, puesto que es la presión que se aplica durante la etapa de compactación, cuando algunas partes del material han comenzado 187


a enfriarse y contraerse, y obliga a que el molde se acabe de llenar y se obtenga una pieza con una densidad uniforme. 2.2.5. Presión posterior o de retroceso (back pressure) Es la presión que se aplica al tornillo mientras retrocede, una vez finalizada la etapa de compactación. Una vez que el molde está completamente lleno el tornillo comienza a girar para plastificar más material para el siguiente ciclo. Este material comienza a alojarse delante del tornillo, obligando a que el tornillo retroceda, sin embargo no se permite que el tornillo retroceda libremente si no que se aplica una cierta presión posterior para conseguir que el material se mezcle y homogenice adecuadamente. 2.2.6. Tiempo de inyección inicial El tiempo necesario para realizar la inyección depende de numerosos factores, como de cuanto material se está inyectado, su viscosidad, las características del molde y el porcentaje de la capacidad de inyección que se está empleando. En la mayoría de las máquinas el tiempo de inyección se divide en dos: el tiempo de inyección inicial y el tiempo de mantenimiento. El tiempo de inyección inicial es el tiempo necesario para que el tornillo realice el recorrido hacia adelante, obligando a que el material se introduzca dentro del molde. Normalmente este tiempo no es superior a 2 segundos, y rara vez excede los 3 segundos. 2.2.7. Tiempo de mantenimiento o compactación El tiempo de mantenimiento o tiempo de compactación es el tiempo que, después de realizar la inyección inicial del material, el tornillo permanece en posición avanzada, para mantener la presión del material dentro del molde. Este tiempo se prolonga hasta que la entrada a la cavidad de moldeo solidifica. A partir de ese instante la cavidad de moldeo queda aislada del resto del sistema mientras continúa enfriándose por lo que prolongar el tiempo que el pistón permanece en posición avanzada carecería de sentido. Para una

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Tema 5. Inyección pieza de 1.5 mm de espesor el tiempo de mantenimiento no suele exceder de 6 segundos. 2.2.8. Tiempo de enfriamiento Es una de las variables más importantes para conseguir una pieza de buena calidad. Es el tiempo que la pieza requiere para enfriarse hasta que ha solidificado y además ha adquirido la rigidez suficiente para poder ser extraída del molde sin que se deforme. Las partes más externas de las piezas se enfrían a velocidad más rápidas. El tiempo de enfriamiento debe ser suficiente para que un espesor considerable de la pieza (al menos el 95% de la pieza) se encuentre frío para evitar que la pieza se deforme. Lógicamente cuanto mayor sea el espesor de la pieza que se está moldeando mayor será el tiempo de enfriamiento requerido. Como media una pieza de 1.5 mm de espesor requiere de 9 a 12 segundos para solidificar y adquirir suficiente resistencia para poder ser extraída del molde sin deformaciones. 2.3. COMPONENTES DE LA MÁQUINA DE INYECCIÓN Considerando todo lo comentado anteriormente, la máquina de inyección convencional puede considerarse constituida por dos unidades fundamentales; el sistema de cierre y la unidad de inyección, como se aprecia en la figura 5.6. Cuando se proyecta y construye una máquina, estas unidades pueden acoplarse de varias formas. En particular la manera de disponer la unidad de inyección y el sistema de cierre permite distinguir entre máquinas con sistema de inyección vertical u horizontal, y según la dirección en que actúa la fuerza que mantiene cerradas las dos mitades del molde, se distingue entre máquinas de cierre vertical y horizontal. El hecho de considerar independientes las unidades de cierre y de inyección permite la construcción de máquinas "a medida", de acuerdo con las características de la pieza que se desea moldear. De esta forma se aprovechan al máximo las posibilidades de ambas unidades y se abarata el proceso tanto desde el punto de vista de los costes de operación como desde el punto de vista de inversión en equipo. Esto es particularmente interesante, por ejemplo, 189


en el caso de que se desee moldear piezas de gran sección transversal y pared delgada, por ejemplo bandejas, que pesan relativamente poco pero que requieren grandes fuerzas de cierre. También puede presentarse el caso inverso, cuando se pretenda moldear piezas muy compactas, con espesores de pared gruesos y sección transversal pequeña, de modo que se requiere de una máquina con elevada capacidad de inyección, pero no es necesaria una fuerza de cierre elevada. Otra ventaja de las máquinas "a medida" es la de que permiten intercambiar estas unidades cuando se precise moldear otro tipo de piezas. 2.3.1. Unidad de inyección La unidad de inyección consta de un sistema de alimentación (tolva), y del sistema cilindro-tornillo, todos ellos de características muy similares a los de las máquinas de extrusión que se estudiaron anteriormente. Sin embargo en el proceso de extrusión el material sale de la máquina por la boquilla, que tiene un diseño condicionado por la geometría de la pieza, mientras que en el proceso de inyección el diseño de esa parte de la máquina (tobera) se realiza teniendo en cuenta exclusivamente las características térmicas y de flujo del material. Otra diferencia clara con las máquinas de extrusión reside en el movimiento hacia adelante que realizan los tornillos de las máquinas de inyección. Para evitar el retroceso del material durante la inyección estas máquinas están dotadas de válvulas o sistemas que impiden el retorno del material a la unidad de inyección. En este tema se abordarán aquellas partes de la unidad de inyección diferentes de las que se estudiaron en el tema de extrusión, esto es; la válvula de no retorno y la tobera. 2.3.1.1. Válvulas de no retorno Las válvulas de no retorno de tipo anillo son las más utilizadas, y están constituidas por un anillo que debe deslizarse sobre el cilindro con muy poca holgura sobre éste, como se muestra en la figura 5.11. Mientras el tornillo gira la válvula se encuentra abierta y el material que está siendo plastificado fluye a través del espacio entre el extremo del tornillo y el anillo. Cuando el tornillo realiza su movimiento hacia adelante para inyectar el material en el molde, la 190

Tema 5. Inyección válvula se cierra, de modo que el tornillo queda apoyado sobre el asiento del anillo, lo que impide el retroceso de material.

Figura 5.11. Válvula de no-retorno de tipo anillo. Este tipo de válvulas sufre un gran desgaste por lo que deben reemplazarse con frecuencia y aumentan las pérdidas de presión en la cámara de plastificación. Además pueden crear zonas donde el material pudiera quedar estancado, por lo que en el caso de emplear materiales muy sensibles térmicamente se suele evitar el empleo de estos mecanismos, para no provocar la degradación del material. Hay otros tipos de mecanismos de no retorno que se utilizan frecuentemente, como las válvulas de asiento de bola, aunque aparecen continuamente en el mercado nuevos tipos de sistemas de noretorno. 2.3.1.2. La tobera La tobera es la pieza situada en el extremo del cilindro de inyección y que da salida al material fundido hacia los canales del molde. El diseño de la tobera depende mucho del tipo de polímero con que se trabaje y del diseño del molde, y el diámetro del taladro suele oscilar entre 3 y 8 mm dependiendo del peso de la pieza inyectada. La tobera debe poder intercambiarse con facilidad, para poder emplear la más adecuada dependiendo del tipo de polímero y de las piezas moldeadas. Debe, además, mantener correctamente la temperatura 191


del polímero, y evitar el goteo de material que impediría un buen asiento entre tobera y bebedero (la zona del molde sobre la que se apoya la tobera se conoce como bebedero), y por supuesto debe tener un diseño tal que evite caídas de presión innecesarias. En líneas generales puede considerarse dos tipos de toberas, dependiendo de la forma como hacen su asiento en el molde. Estos dos tipos son la tobera redonda y la plana, que se presentan en la figura 5.12. Como se puede apreciar el diámetro del taladro de la tobera siempre debe ser 1 o 2 mm menor que el del bebedero (casos a y b) para evitar retenciones del material. Si se usa una tobera redonda la curvatura de la punta debe ser menor que la del asiento sobre el molde, como se aprecia en la figura 5.12 (caso b), pues en caso contrario se produciría la salida del polímero fundido y no sería posible conseguir un buen asiento entre tobera y bebedero (caso c).

Figura 5.12. Diseño de toberas y bebederos. En la figura 5.13 se ha representado diferentes tipos de toberas. La tobera normal o cónica de la figura 5.13a es económica y fácil de fabricar, sin embargo la conicidad de su taladro provoca pérdidas de presión innecesarias en el polímero fundido. No se aconseja el uso de esta tobera cuando se producen grandes pérdidas de presión en el molde, pues para mantener la presión suficiente para llenar las cavidades sería necesario un orificio de salida de la tobera excesivamente grande. En la figura 5.13b se presenta la tobera de flujo libre que mantiene el diámetro del taladro principal de la tobera relativamente grande y muy corto el recorrido del pequeño orificio final. De este modo disminuye la resistencia ofrecida al paso del material. El diseño de esta tobera permite la colocación de bandas de calefacción a lo 192

Tema 5. Inyección largo de la misma para mantener la temperatura del polímero, así como la prolongación (toberas prolongadas) de la misma dentro del propio molde para así poder disminuir la longitud del bebedero y mantener el diámetro de entrada de éste en un valor pequeño.

Figura 5.13. Esquema de diferentes tipos de toberas: a) tobera normal o cónica, b) tobera de flujo libre, c) tobera de conicidad invertida. Un problema típico que suele presentarse en materiales que tienen viscosidad muy baja del fundido, como es el caso de las poliamidas, es que entre ciclo y ciclo salga material goteando por la tobera, el cual podría ensuciar la superficie exterior de la tobera, impidiendo así un buen asiento sobre el molde. Este problema se evita empleando toberas de conicidad invertida, como es el caso de la “tobera italiana” que se presenta en la figura 5.13c. El problema del goteo de material también se puede evitar mediante el uso de los diferentes tipos de toberas con válvula, como por ejemplo es el caso de la tobera con válvula deslizante de la figura 5.14. Cuando esta tobera apoya sobre el molde, la pieza que lleva el orificio que permite la salida del material se desliza hacia atrás, y sus taladros laterales se ponen en comunicación con el polímero fundido que llena el cuerpo principal de la tobera, con lo que el material puede salir y ser inyectado (figura 5.14a). Cuando el cilindro de inyección se retira y la tobera deja de apoyar en el molde, la propia presión del polímero fundido obliga al elemento móvil a deslizarse hacia adelante con lo que los taladros laterales dejan de estar en comunicación con el cuerpo principal de la tobera (figura 5.14b).

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Figura 5.14. Tobera con válvula deslizante. 2.3.2. La unidad de cierre Un cierre perfecto del molde tiene una gran importancia sobre la calidad de la pieza moldeada y puede hacer innecesarias operaciones secundarias de eliminación de rebabas de los artículos producidos. Al escoger las condiciones del proceso debe darse la debida consideración a la fuerza de cierre que, según lo que llevamos comentado, debe ser superior a la fuerza de apertura. Los sistemas de cierre constan generalmente de dos platos o placas fijas unidas por unas robustas columnas de alineación, generalmente cuatro (figura 5.15). Entre los dos platos fijos hay uno móvil que desliza por las columnas de alineación. A un lado de un plato fijo va situada la unidad de inyección y al otro lado del otro plato fijo va situada la unidad de cierre, que desplaza al plato móvil. El molde se coloca entre el plato móvil y el plato fijo situado al lado de la unidad de inyección.

Figura 5.15. Esquema de sistema de cierre hidráulico.

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Tema 5. Inyección La acción de cierre requiere la máxima eficacia y la máxima rapidez. Conviene que se haga lo más rápidamente posible (50 m/min) hasta un instante antes de que se toquen las dos mitades del molde, y que después el movimiento sea más lento aplicando la máxima fuerza de cierre (5-10000 T). De este modo se evitan golpes innecesarios sobre los moldes. Suelen distinguirse tres tipos básicos de sistemas de cierre: sistemas mecánicos, sistemas mecánico-hidráulicos y sistemas hidráulicos. 2.3.2.1. Sistemas mecánicos Estos sistemas emplean una acción mecánica para el cierre del molde y se encuentran en las pequeñas máquinas experimentales de laboratorio. El sistema, en su forma más sencilla, puede consistir en una palanca, piñón o manubrio. Las ventajas de los sistemas totalmente mecánicos están en su sencillez y bajo coste, si bien consiguen fuerzas de cierre moderadas y velocidades bajas. 2.3.2.2. Sistemas hidráulicos El pistón hidráulico directo como el representado en la figura 5.15 es el sistema de cierre hidráulico más sencillo y el primero que se utilizó. La principal ventaja que ofrece es la elevada fuerza de cierre que puede desarrollar, que es constante en toda la carrera del pistón de cierre. Estos sistemas de cierre pueden llegar a desarrollar movimientos muy rápidos (50 m/min), si bien el coste para conseguirlo resulta muy elevado. La situación general que plantea un sistema de cierre hidráulico de cualquier tipo es que para mantener un tamaño razonablemente pequeño del pistón de cierre consiguiendo una fuerza de cierre adecuada, es necesario aumentar la presión del fluido, con lo que las pérdidas de fluido hidráulico y la deformación de tuberías y accesorios llegan a constituir un serio problema. Las máquinas más modernas utilizan, para los movimientos rápidos de avance y retroceso del pistón principal, otros pistones auxiliares que son de pequeño diámetro y van situados paralelamente al pistón principal o incluidos centralmente en él. La fuerza total de cierre la da el pistón principal mientras 195


que los pistones auxiliares sólo sirven para conseguir movimientos más rápidos del sistema. En la figura 5.16 se representa un sistema de cierre hidráulico de este tipo, que consta de un pistón hidráulico principal, de mayor sección, que da una elevada fuerza de cierre y que realiza los movimientos finales, mientras que el resto del movimiento del plato móvil es debido a un pistón secundario de menor sección, y que proporciona movimientos más rápidos.

Figura 5.16. Sistema de cierre de dos pistones. Entre las principales ventajas de los sistemas hidráulicos de cierre se encuentra que la fuerza de cierre puede ser monitorizada y cambiada en cualquier momento durante el ciclo, y lo mismo ocurre con la velocidad a la que se mueve el pistón a lo largo de su recorrido. 2.3.2.3. Sistemas mecánico-hidráulicos Las máquinas con sistema de cierre mecánico-hidráulico están basadas en el uso de rodilleras actuadas por un sistema hidráulico. Estos sistemas de cierre son muy empleados en máquinas de pequeño y mediano tamaño. Las ventajas de los sistemas de rodilleras estriban en la acción positiva de cierre de las rodilleras, así como en la mayor velocidad de cierre 196

Tema 5. Inyección empleando un pistón más pequeño, ya que las rodilleras son sistemas multiplicadores de fuerza. Además, la fuerza relativamente grande que se desarrolla al final de la carrera de cierre va acompañada de una reducción de velocidad del mismo orden, lo que es muy conveniente para evitar golpes cuando se cierra el molde. En la figura 5.17 se muestra un sistema mecánicohidráulico de rodillera simple. Cuando el molde está abierto las rodilleras se encuentran formando una V. Cuando se aplica presión el eje que conecta las dos rodilleras obliga a éstas a mantenerse en línea recta. La fuerza necesaria para mantener las rodilleras rectas la proporciona un pistón hidráulico. En este caso cuando el pistón hidráulico comienza a avanzar el plato móvil se mueve en principio lentamente, alcanzando la velocidad máxima a mitad del recorrido. Cuando las rodilleras están casi extendidas, la velocidad vuelve a decrecer.

Figura 5.17. Sistema mecánico-hidráulico de cierre. Estos sistemas presentan la desventaja de que tanto la velocidad de cierre como la fuerza son más difíciles de controlar que con sistemas completamente hidráulicos. La principal ventaja que presentan los sistemas mecánico-hidráulicos de cierre es el bajo coste de operación, tanto para conseguir elevadas fuerzas de cierre como elevadas velocidades de cierre. 197


3. MOLDES DE INYECCIÓN Con respecto a los moldes de inyección conviene definir algunas partes de los mismos antes de seguir avanzando. En la figura 5.18 se presentan esquemáticamente dos moldes que ayudan a describir algunos términos que se emplean para denominar diferentes partes de los moldes o de las piezas de inyección, tales como: • • • • • •

Bebedero Mazarote Canales de alimentación Ramificaciones Cavidades de moldeo Recortes

198

Tema 5. Inyección

Figura 5.18. Representación esquemática de un molde: a) molde de una sola cavidad; b) y c) área transversal y corte de un molde de cuatro cavidades. El bebedero es la parte del molde sobre la que se apoya la tobera, y el polímero fundido que ocupa el bebedero cuando termina el moldeo, recibe el nombre de mazarote. En la figura 5.18a el bebedero comunica directamente con la cavidad de moldeo, mientras que en las figuras 5.18b y 5.18c el bebedero se ramifica en varios canales que llegan hasta las cavidades de moldeo. Estos canales se denominan canales de alimentación y el polímero que los llena después de terminar cada ciclo de moldeo se conoce como ramificaciones. Mazarote y ramificaciones suelen ir unidos a las piezas moldeadas y reciben en conjunto la denominación de recortes pues han de ser separados de las piezas moldeadas en una operación posterior de recorte. Los canales de alimentación acaban en una sección más estrecha que comunica con la cavidad de moldeo, a la que se llama entrada a la cavidad o simplemente entrada (gate). Según el tamaño de la pieza que se moldea, la cavidad puede tener una sola o varias entradas convenientemente distribuidas. Después de lo expuesto el concepto de cavidad de moldeo no necesita ningún otro comentario. Un molde de inyección puede tener una o varias cavidades de moldeo. 199


Un molde está constituido al menos por dos mitades, una mitad positiva y la otra negativa, que juntas forman la cavidad de moldeo. Estas mitades se unen por presión cuando se cierra el molde, tocándose entre sí en una superficie plana a la que se suele llamar plano de partición del molde. Cuando se representa una sección del molde, la superficie de partición puede quedar reducida en el dibujo a una sola línea que recibe el nombre de línea de partición. El plano de partición es perpendicular a la dirección en que actúa la fuerza de cierre. Se llama área transversal de las cavidades o "área proyectada de las cavidades" (figura 5.18b) a la proyección de las cavidades de moldeo sobre el plano de partición. El producto de la presión del polímero dentro de la cavidad por el área transversal de ésta (proyectada de este modo) será la fuerza que tienda a separar las dos mitades del molde. El área transversal de la pieza depende de la posición en que se coloque en el molde la cavidad de moldeo. En ocasiones se utilizan moldes en tres partes como el de la figura 5.18c. En éstos los canales de alimentación y las cavidades de moldeo están en diferentes planos. Los moldes en tres partes resultan más caros, si bien tienen la ventaja de que el llenado de las cavidades puede ser mucho más simétrico y las piezas obtenidas son de mejor calidad. Conforme el polímero llena el molde cerrado, el aire que se encontraba llenando la cavidad de moldeo debe ser evacuado. Por lo general este aire escapa por la línea de participación del molde o por la holgura que queda entre el molde y las espigas extractoras. Cuando esto no sea posible (por ejemplo, cuando se emplean fuerzas de cierre muy elevadas) el molde debe tener una serie de pequeños orificios, generalmente practicados a lo largo del plano de partición que permitan la evacuación del aire, pero no del polímero fundido (con un diámetro próximo a 0.025 mm). En los moldes de inyección es muy importante que la temperatura de la pieza sea lo más uniforme posible durante el enfriamiento. Por ello el molde contiene una serie de canales de refrigeración por los que circula el líquido de refrigeración, generalmente agua. Estos canales deben estar diseñados de 200

Tema 5. Inyección modo que permitan el enfriamiento de la pieza a velocidad adecuada y de manera uniforme. La calidad y propiedades finales de las piezas moldeadas dependen en gran medida de las condiciones físicas del polímero que llena la cavidad en el momento en que solidifica el mazarote. Por ello, en los moldes de múltiples cavidades se requiere que todas ellas comiencen a llenarse a la vez y acaben al mismo tiempo. Esto se puede conseguir haciendo que el material recorra siempre el mismo camino para llenar todas las cavidades, lo que se conoce como flujo equilibrado (figura 5.19a), pero presenta los inconvenientes de que se pierde una cantidad de material considerable en los recortes y de que el molde debe ser bastante grande. Otra posibilidad es modificar el diámetro y la longitud de la entrada a las cavidades para compensar las diferentes caídas de presión debidas al flujo del material, lo que se conoce como flujo compensado (figura 5.19b). Con el flujo compensado se consigue disponer las cavidades lo más juntas posible y con canales lo más cortos posible.

201


Figura 5.19. Cavidades de moldeo dispuestas en: a) flujo equilibrado, y b) flujo compensado. En un molde convencional los canales de alimentación que conducen desde la tobera y el bebedero hasta las cavidades de moldeo quedan llenos de polímero fundido al terminar cada etapa de inyección. Este polímero se enfría a la vez que las piezas moldeadas y se extrae con ellas del molde, frecuentemente unido a las propias piezas, por lo que es preciso realizar una operación posterior para separarlos y otra operación para triturar estos recortes y poder aprovecharlos de nuevo en otro ciclo. El moldeo con canales calientes se realiza con un tipo de molde de inyección que incluye en su diseño un sistema que mantiene los canales de alimentación a una temperatura más alta que las cavidades de moldeo. De este modo el polímero que ocupa los canales alimentación permanece siempre en estado fundido y preparado para la próxima inyección. El principal objeto del uso de canales calientes es eliminar del molde de inyección el sistema de alimentación a las cavidades y con ello evitar la formación de "recortes" y la necesidad de una operación de acabado en las piezas moldeadas y de trituración del material para volver a utilizarlo. Esto significa que el control de la temperatura debe ser muy riguroso, tanto en el molde como en las toberas, que el área de contacto entre las toberas secundarias y el molde ha de mantenerse en el mínimo y que el ciclo de moldeo ha de ser rigurosamente constante. Se suelen rebajar determinadas zonas del molde para disminuir el área de contacto de las toberas y se aísla el sistema de canales del resto del molde. Estos moldes resultan caros y por ello, sólo se usan para producciones muy grandes que permiten amortizar el coste de los mismos. La técnica de moldeo con canales aislados elimina prácticamente estos inconvenientes. En esta técnica los canales son de gran diámetro (como mínimo 12.5 mm). Cuando se inyecta el material plástico la capa en contacto con el metal frío solidifica. Esta capa actúa como aislante térmico por lo que el polímero que fluye por el centro del 202

Tema 5. Inyección canal permanece fundido inyección tras inyección. Estos moldes permiten economizar los costes de construcción, no necesitan de un control riguroso de la temperatura y suprimen la necesidad de eliminar recortes.

4. FUNDAMENTOS DEL MOLDEO POR INYECCIÓN En este apartado se estudian todas las etapas por las que pasa el material desde que se introduce en la máquina hasta que se obtiene la pieza moldeada. En primer lugar se compara el comportamiento del material dentro de la cámara de plastificación con el comportamiento en una extrusora y a continuación se estudia con detalle el proceso de llenado del molde y enfriamiento del material dentro de la cavidad de moldeo. 4.1. CONTROL DE LA TEMPERATURA EN LA CÁMARA DE CALEFACCIÓN Como se ha comentado, en todo lo referente al transporte de sólidos, mecanismo de fusión y transporte del fundido, el comportamiento del material en una máquina de inyección es análogo al de extrusión, que se estudió en el tema 4. El calentamiento del material es muy similar, si bien existen algunas diferencias. En una extrusora el calentamiento del material tiene lugar por conducción del calor suministrado por los elementos externos de calefacción y por disipación viscosa debido al giro del tornillo. En las máquinas de inyección conforme el tornillo gira se acumula material fundido delante de la cámara de plastificación, y puesto que no se permite la salida continua del material por la tobera ni el retroceso libre del tornillo, este material se encuentra sometido a presión (presión posterior del tornillo). Al aumentar esta presión aumenta el trabajo que realiza el tornillo sobre el polímero fundido, lo que se traduce en un aumento de la temperatura del material. Por tanto para controlar la temperatura del material es preciso controlar la presión posterior del tornillo, además de la velocidad de giro y de la temperatura del cilindro de inyección. En la figura 5.20 se muestra la influencia de la presión posterior que se aplica sobre el tornillo durante la plastificación del material sobre la 203


temperatura que alcanza el polímero fundido. Al aumentar la presión aumenta la temperatura del fundido y mejora notablemente la eficacia de plastificación y de mezclado del material.

Figura 5.20. Efecto de la presión posterior del tornillo sobre la temperatura del polímero fundido. La presión posterior que se ejerce sobre el tornillo se iguala a la que se crea delante del mismo, y por tanto, durante la etapa de plastificación equivale a la presión con la que el tornillo descarga material plastificado y que queda acumulando delante de él. Durante esta etapa el tornillo presenta unas líneas características o rectas operativas, que dependen de su diseño y de las variables de operación, de forma similar al tornillo de una extrusora. Sin embargo en el caso de la máquina de inyección debe tenerse en cuenta que un aumento de P, supone un aumento de la temperatura, como se aprecia en la figura 5.20. Las variaciones de presión afectan en este caso, no sólo al caudal de material descargado, si no también, a la temperatura del mismo. En consecuencia, para conseguir un control adecuado de la temperatura es preciso controlar todas las causas de calentamiento; los elementos externos de calefacción, el calor causado por el giro del tornillo y la presión posterior que se ejerce sobre el tornillo.

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Tema 5. Inyección

4.2. COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL DENTRO DEL MOLDE Desde un punto de vista teórico, el flujo del polímero fundido en el moldeo por inyección resulta un problema reológico muy complejo. Se trata del flujo de un líquido no newtoniano, compresible y que fluye a través de canales de geometría complicada, cuyas paredes están mucho más frías que el polímero. En esta sección se describen detallada y cualitativamente las diferentes etapas por las que pasa el material desde que abandona la cámara de plastificación hasta que se extrae la pieza del molde, y del efecto de las principales variables sobre las propiedades de la pieza moldeada. Las tres variables fundamentales que rigen el comportamiento del material dentro del molde son temperatura, presión y tiempo. Las diferentes etapas que se van a estudiar se puede resumir de la siguiente forma. Se puede considerar que el ciclo de inyección comienza en el momento en el que el molde vacío se cierra y queda listo para la inyección del material. A continuación el husillo comienza a avanzar haciendo fluir al fundido, que sale a través de la tobera y recorre los canales de alimentación hasta que llena las cavidades de moldeo. Cuando el plástico fundido entra en el molde y toca las paredes relativamente frías de éste, la capa de fundido más externa en contacto con las paredes metálicas se enfría rápidamente, por lo que el artículo moldeado consiste en una corteza de polímero sólido que rodea a un núcleo fundido. Conforme se enfría, el material comienza a contraerse, por lo que el pistón de inyección debe permanecer un corto periodo de tiempo en posición avanzada para compactar el material y compensar la contracción que sufre al enfriarse. La presión máxima que puede mantenerse a través de la entrada a la cavidad dependerá del tamaño eficaz de ésta, de las dimensiones del núcleo fundido y de la fluidez del polímero dentro del molde. El punto de entrada a la cavidad de moldeo es generalmente la zona más estrecha del sistema, que presenta la máxima relación entre la superficie disponible para la transmisión de calor y el volumen de material que aloja, por tanto, es la primera zona donde el material solidifica. Una vez que la entrada a la cavidad solidifica, el pistón ya no es capaz de transmitir más presión dentro del molde, por lo que se le hace retroceder. Dentro del molde la capa fría de material va engrosando gradualmente hasta que el polímero solidifica completamente. La 205


presión dentro de la cavidad disminuirá a medida que el polímero se enfría y se contrae. La presión variará con la temperatura del artículo moldeado, es decir, habrá una relación de estado entre la presión, el volumen y la temperatura de la pieza que se está enfriando, que va a determinar en gran medida la calidad de la pieza obtenida. Una manera muy conveniente de estudiar el ciclo de moldeo por inyección es medir la presión del material que ocupa la cavidad y ver como ésta varía con el tiempo. En la figura 5.21 se muestra un diagrama típico presión/tiempo donde se pueden observar las etapas que se acaban de describir; llenado, compactación y enfriamiento. El origen de tiempos se toma en el momento en que se cierra el molde.

Figura 5.21. Presión en el molde durante un ciclo típico de moldeo. A continuación se analizan con mayor detalle las tres etapas: 1) llenado de la cavidad, 2) compactación y 3) enfriamiento de la pieza. 4.2.1. Análisis de la etapa de llenado de la cavidad La etapa de llenado comprende desde que el material entra en la cavidad hasta que comienza la fase de compactación. Los dos parámetros más importantes que intervienen en esta fase son la velocidad de inyección y la temperatura de inyección. 206

Tema 5. Inyección

4.2.1.1. Flujo del material durante la etapa de llenado En la figura 5.22 se representa la sección de un molde que se está llenando, junto con el perfil de velocidades del material en el frente de llenado y en 2 puntos detrás del mismo. Puesto que la superficie de los moldes está perfectamente pulida se puede suponer que el frente de llenado presenta un perfil de velocidades prácticamente lineal, como el que se muestra en la figura 5.22. Conforme avanza el frente de llenado el material se enfría y aparece una capa de material solidificado sobre las paredes del molde, que recibe el nombre de capa fría. El material que circula cerca de la capa fría presentará una viscosidad elevada por lo que tiende a detenerse, pero es arrastrado por el material que sigue entrando al molde a gran velocidad. Cuando este material rebasa el límite de la capa fría, si su viscosidad es suficientemente elevada quedará retenido sobre las paredes del molde provocando lo que se conoce como efecto fuente (que se aprecia en la figura 5.22) que origina una fuerte orientación de las moléculas.

Figura 5.22. Perfil de velocidades en el frente de llenado y en 2 puntos por detrás del mismo en una sección del molde. En la siguiente figura se representan los perfiles de la velocidad de flujo, gradiente de velocidad y temperatura a través de la capa fría y del 207


núcleo fundido en una sección de un molde que se está llenando. En las cercanías de la capa fría el material se ve sometido a un gradiente de velocidad elevado, tal como se observa en la figura 5.23. En una situación normal, la temperatura del material aumentará de forma progresiva desde la capa fría hacia el núcleo fundido. Sin embargo, si como consecuencia del gradiente de velocidad en el límite entre la capa fría y el núcleo, la cizalla es muy elevada, se puede producir un incremento local de la temperatura del material es esa zona, como se aprecia en la figura.

Figura 5.23 Perfil de velocidad de flujo, gradiente de velocidad y temperatura durante el llenado de un molde. El espesor de la capa fría por detrás del frente de llenado no es constante. En la figura 5.24 se muestra como varía el espesor de la capa fría para un molde rectangular de sección constante en función de la distancia a la entrada de la cavidad recorrida por el frente de llenado. Por lo general, el máximo porcentaje de capa fría se encuentra en el punto medio de la longitud recorrida, pues en la zona cercana a la entrada, el material se encuentra todavía a una temperatura elevada y fluye a una velocidad más o menos uniforme, de forma que la capa fría se mantiene en un espesor pequeño, mientras que en la última zona del recorrido el material del frente de llenado es renovado continuamente y se encuentra relativamente caliente.

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Tema 5. Inyección

(%) 14 12 10 8 6 4

% de capa fría

2 0 0

20

40

60

80

100

Longitud de flujo (mm) Figura 5.24. Porcentaje de capa fría en función de la longitud recorrida. 4.2.1.2. Determinación del tiempo óptimo de llenado La velocidad de llenado del molde depende de la velocidad a la que avanza el pistón de inyección, que por lo general no es constante, sino que se encuentra parametrizada en una serie de intervalos para conseguir que el llenado de la cavidad sea lo más uniforme posible. El motivo es evitar que cuando el frente de llenado alcanza las zonas de paso más estrecho del molde se produzcan gradientes de velocidades excesivamente elevados en el seno del material. La velocidad de llenado al final del recorrido del pistón de inyección debe disminuir para conseguir que la transición entre la etapa de llenado y la de compactación sea adecuada. Si el tiempo establecido de llenado es muy bajo (velocidad de llenado media muy alta), la presión de inyección necesaria para conseguir el caudal adecuado de material será muy alta. Igualmente si el tiempo de llenado es demasiado alto (velocidad media lenta) también se necesitará una presión de inyección elevada para conseguir llenar el molde, puesto que parte de la sección de los canales habrá solidificado y la sección de paso del material 209


puede haber disminuido mucho. Una presión de inyección elevada supone la necesidad de emplear fuerzas de cierre muy altas, lo que repercute sobre los costes y sobre la vida de la máquina y de los moldes. Por ello, la selección de la velocidad de llenado adecuada debe realizarse atendiendo a criterios de presión mínima de inyección. Otro factor muy importante que afecta a la calidad de la pieza es la temperatura en el seno del material y entre diferentes partes del mismo. Sería deseable que entre diferentes puntos de la pieza no existiera una diferencia de temperatura demasiado grande, para evitar que éstos solidifiquen a velocidades muy diferentes, y por tanto, que existan diferencias importantes de densidad en la pieza. La temperatura del material que se encuentra llenando la cavidad es más alta en el punto de entrada y, en principio, va descendiendo conforme se aleja de la entrada, puesto que se va enfriando en contacto con las paredes del molde. Sin embargo también puede ocurrir que la temperatura del material aumente conforme se aleja del punto de inyección. Esto puede suceder cuando los tiempos de llenado son muy bajos y hay zonas de paso muy estrecho, de modo que se produce una disipación de calor en el seno del material debido a las fricciones internas a las que está sometido. En la figura 5.25 se muestra la evolución de la presión de inyección y de la temperatura del material en la entrada a la cavidad y en un punto alejado de la misma en función del tiempo de llenado. En análisis de este tipo de curvas permite determinar los tiempos de llenado óptimos teniendo en cuenta los 2 criterios; mantenimiento de la presión de inyección necesaria en un mínimo (y por tanto la fuerza de cierre), así como mínima diferencia de temperatura entre diferentes partes de la pieza.

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Tema 5. Inyección

Figura 5.25. Determinación del tiempo óptimo de llenado en la cavidad en función de la presión de inyección y temperatura de la entrada a la cavidad y de un punto alejado de la misma. 4.2.2. Análisis de la etapa de compactación Durante la etapa de compactación se añade el material necesario para acabar de llenar la cavidad, compensando los efectos de la contracción térmica que sufre el material durante su enfriamiento y solidificación. Durante esta fase se consigue evitar la presencia de aire atrapado y de rechupes así como minimizar la contracción final de la pieza y las deformaciones que algunas partes pudieran sufrir. La fase de compactación finaliza cuando la entrada a la cavidad solidifica, de modo que la máquina ya no puede transmitir la presión de compactación al interior de la cavidad. La etapa de llenado se realizaba a una velocidad de avance del pistón elevada y por ello el control de esta etapa se realiza bajo “el control de la velocidad”. La fase de compactación se realiza sin embargo bajo el control de la presión. Durante esta etapa el tornillo de inyección se mantiene en posición avanzada, de modo que transmite una determinada presión, que puede ser variable, y en la mayoría de las máquinas se encuentra parametrizada en una serie de intervalos. La transición entre la fase de llenado y la de compactación

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debe realizarse de forma que se eviten picos de presión dentro de la cavidad, lo que provocaría la aparición de tensiones en las piezas. 4.2.2.1. Transición entre llenado y compactación La transición entre las fases de llenado y compactación debe realizarse de manera suave. En la figura 5.26 se muestran tres ejemplos de transición entre estas fases, efectuados a distintos tiempos. Si la transición se realiza demasiado pronto, una parte del llenado se realiza bajo el control de la presión, lo cual provoca una caída brusca de la misma (figura 5.26a). En consecuencia la pieza presentará defectos superficiales, rechupes y porosidad interna. Si por el contrario la transición se efectúa demasiado tarde (figura 5.26b), se produce un pico de presión dentro de la cavidad, que produce un retorno de material hacia la entrada del molde, lo cual genera orientaciones del material inadecuadas. En este caso suelen aparecer rebabas en el plano de partición del molde, así como sobreesfuerzos en la máquina y el molde, que pueden afectar a su vida útil. En la figura 5.26c aparece un ejemplo de transición adecuada, que favorece una evolución suave de la presión en la cavidad, que evita los defectos señalados.

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Tema 5. Inyección

Figura 5.26. Transición entre la etapa de llenado y la de compactación. 4.2.2.2. Influencia de variables durante la fase de compactación Como ya se ha dicho, la fase de compactación tiene la misión de comprimir el material para que las características del mismo sean uniformes en toda la cavidad, de modo que se eviten rechupes. Las principales variables que afectan a la calidad del material durante esta etapa son el tiempo, la presión y la temperatura de compactación, así como la temperatura del molde. El tiempo de compactación influye en el perfil de presiones en la cavidad. Si el tiempo establecido para la compactación es demasiado bajo, la entrada del material no habrá solidificado aún y parte del material contenido en el molde fluirá hacia la cámara de calefacción, reduciéndose el peso final 213


de la pieza, provocando la aparición de orientaciones en el material y favoreciendo la aparición de rechupes. En este caso se observará una disminución muy pronunciada de la presión en el momento en el que se retira el pistón de inyección. Por otra parte, si se mantiene la presión de compactación después de que la entrada a la cavidad haya solidificado, el efecto de dicha presión no se transmitirá a la cavidad. En este caso el único efecto será un aumento del consumo de la máquina y la ralentización del ciclo. En la figura 5.27 quedan reflejadas tres situaciones posibles en una curva presión-tiempo.

Figura 5.27. Efecto del tiempo de compactación en una curva P-t. a) tiempo de compactación demasiado corto, b) situación normal en la que el pistón se retira cuando la entrada solidifica, y c) el pistón permanece demasiado tiempo en posición avanzada. Para poder establecer el instante en que el material de la entrada solidifica, y por tanto el tiempo óptimo de compactación, existen principalmente dos métodos: • Comprobación de la presión en la entrada de la cavidad. Mientras la entrada no haya solidificado la presión irá disminuyendo paulatinamente, de forma que cuando la entrada solidifica, la presión se mantiene constante. • Determinación del peso de piezas obtenidas a diferentes tiempos de compactación. Se pueden realizar varios ciclos aumentando 214

Tema 5. Inyección gradualmente el tiempo de compactación. Cuando se detecte que el peso de la pieza no varía se puede deducir que la entrada a la cavidad está sellada. Otra de las variables que influye sobre la etapa de compactación es la presión de compactación. Si la presión de compactación se aumenta, el resultado es que el tiempo necesario para que se produzca la solidificación del material que ocupa la entrada será mayor. En cuanto al efecto de la temperatura de inyección sobre el tiempo de compactación, se producen dos efectos que pueden llegar a compensarse: al aumentar la temperatura de inyección el material fundido del núcleo tiene mayor temperatura y menor viscosidad. Según esto el tiempo necesario para que la entrada a la cavidad se cierre aumentaría. Sin embargo un aumento de la temperatura de inyección permite reducir la presión de inyección necesaria, lo que supone que el tiempo de compactación necesario disminuye. El último factor que afecta a esta fase es la temperatura del molde. Cuando la temperatura de las paredes del molde se incrementa, el material fundido se enfría más lentamente, y la entrada a la cavidad solidifica más tarde, alargando el tiempo necesario para la compactación. 4.2.3. Análisis de la etapa de enfriamiento Una vez que la entrada a la cavidad ha solidificado la pieza queda aislada en el interior del molde, independientemente de si el tornillo se mantiene en posición avanzada o no. Al enfriarse el material aparecen dos efectos contrarios y simultáneos. Por un lado, como consecuencia del enfriamiento tiene lugar un aumento de la densidad del material, lo que supone la contracción del mismo; por otro lado, al disminuir la temperatura disminuye la presión a que está sometido el material, y esto tiende a permitir la expansión del material, con el consiguiente aumento de volumen de la pieza moldeada (disminución de densidad del material). Estos dos efectos tienen lugar simultáneamente y se deben compensar de tal manera que el volumen de la pieza moldeada se mantenga constante. En el momento en que se abre el 215


molde, las piezas moldeadas deben estar libres de defectos, deben llenar totalmente la cavidad del molde, y finalmente su temperatura debe ser tal que no sufran deformación alguna cuando se extraigan. Teniendo en cuenta lo anterior, la relación entre presión, temperatura y densidad en el momento de abrirse el molde seguirá uno de los tres caminos siguientes: a) La presión ha disminuido hasta ser prácticamente nula, y al disminuir ha compensado exactamente la contracción originada por el enfriamiento de la pieza moldeada, de manera que el volumen de ésta es adecuado y se extrae de la cavidad fácilmente. Esta es la situación ideal que debe buscar el moldeador para obtener piezas de la calidad máxima. b) En el momento de abrir el molde queda aún cierta presión residual sobre la pieza moldeada que permite una última expansión de la pieza dentro de la cavidad. Esto origina que la pieza se ajuste contra las paredes de la cavidad, dificultando la extracción. Es frecuente también que cuando la pieza no está limitada por el molde sufra una dilatación, modificando sus dimensiones y presentando esfuerzos internos indeseables. c) El último caso que puede presentarse es que la presión en el material que llena la cavidad del molde se anule antes de que la temperatura disminuya hasta su valor previsto para la extracción. En este caso el efecto que subsiste es el de contracción de la pieza hasta que se enfría a la temperatura de extracción. Esto da lugar a la aparición de ampollas o burbujas, bien en la superficie de la pieza moldeada, bien en el interior de dicha pieza (cavitación). La velocidad de enfriamiento y por tanto, la temperatura del molde, juegan un papel muy importante en esta etapa. Mientras la pieza está enfriándose en el interior del molde las paredes de la cavidad inhiben las contracciones y deformaciones que pueda sufrir la pieza. Puesto que la pieza no puede deformarse libremente, en su lugar se generan tensiones internas que se acumulan en el seno del material. Parte de estas tensiones se liberan cuando la pieza se desmoldea y se deforma libremente, pero otra parte quedan acumuladas en el material, afectando a sus características y comportamiento mecánico, químico, y a las dimensiones finales de la pieza. Las condiciones 216

Tema 5. Inyección de enfriamiento son, además, muy diferentes en el interior del molde y en el exterior. En el interior del molde predomina fundamentalmente el mecanismo de conducción, mientras que la pieza una vez desmoldeada se enfría por convección, con lo que la velocidad de enfriamiento es mucho más baja. Si existe una diferencia muy grande entre la temperatura del molde y la temperatura ambiente, la pieza una vez expulsada se encuentra todavía a temperatura elevada y se enfría con lentitud, por lo que se ve sometida a un efecto de relajación de tensiones, que favorece la deformación de la pieza. La velocidad de enfriamiento también condiciona al grado de cristalinidad alcanzado por el material; cuanto menor sea la velocidad de enfriamiento mayor cristalinidad desarrollará el material, ya que se permite al material ordenarse y cristalizar más durante la solidificación. Lógicamente, dentro de una sección de la cavidad, la velocidad de enfriamiento es distinta y depende de la distancia que existe entre el punto considerado y la pared del molde. Esto provoca que el grado de cristalinidad sea variable dentro de la misma sección, lo que favorece la aparición de tensiones entre distintas partes de la pieza. 4.3. ANÁLISIS DEL PROCESO A PARTIR DE CURVAS P-V-T La figura 5.28 muestra como varía el volumen específico de un polímero semicristalino en función de la temperatura para diferentes presiones (diferencias de presión con la atmosférica). Como es sabido mientras el material permanece fundido el volumen específico disminuirá paulatinamente conforme el material se enfría. Cuando el material alcanza la temperatura de cristalización se produce una disminución muy acentuada del volumen específico (aumento de la densidad) como consecuencia de la cristalización del material. Cuando el proceso de cristalización finaliza, el volumen específico disminuye otra vez progresivamente al enfriarse el material. Al ser los polímeros fundidos muy compresibles, cuanto mayor sea la presión a la que está sometido el material, menor será el volumen específico del mismo. Estas curvas proporcionan información muy valiosa sobre la evolución de las características del material durante el proceso, ya que sobre las mismas se

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puede trazar el ciclo de inyección desde que el material entra en el interior de la cavidad hasta que se extrae la pieza.

Figura 5.28. Curva PVT para un material semicristalino.

En la figura 5.29 se muestra la evolución de la presión y de la temperatura en el interior de la cavidad. Entre los puntos 0 y 1 tiene lugar el llenado de la cavidad, en el caso de la figura que se muestra el llenado seproduce a 240ºC. Durante el llenado la presión en la cavidad aumenta rápidamente (desde 0 MPa hasta un valor comprendido entre 30 y 65 MPa) mientras que el material apenas se enfría. Durante la fase de compactación (puntos 1 a 2) la presión en el interior del molde prácticamente no varía puesto que el tornillo permanece en posición avanzada introduciendo material para compensar la contracción, de modo que el material todavía en estado fundido evoluciona por una isoentálpica mientras se enfría. Entre los puntos 2 y 3 el material cristaliza, mientras continúa la fase de compactación. Una vez que el material solidifica (punto 3) el pistón de inyección puede retroceder puesto que la entrada a la cavidad queda cerrada. A partir de este momento el material queda aislado en el interior del molde mientras continúa enfriándose. Simultáneamente disminuye la presión a que está sometido, consecuencia lógica de la disminución de la temperatura, por lo que el material evoluciona 218

Tema 5. Inyección desde el punto 3 al punto 4. Una vez que la presión se ha igualado a la presión atmosférica, y que el material se encuentra suficientemente frío, se puede desmoldear la pieza sin riesgo de que se deforme.

Figura 5.29. Curva PVT mostrando las etapas de moldeo. El punto en el que la presión alcanza el valor 0 (presión atmosférica) es fundamental para evaluar la contracción del material, y en consecuencia, las dimensiones finales de la pieza. La calidad de la pieza será óptima cuando se obtenga la mínima diferencia entre el valor del volumen específico en el momento en el que la temperatura se iguala a la del molde y la presión se iguala a la atmosférica. La evolución mostrada en la figura 5.29 es adecuada, ya que la simultaneidad entre la disminución de la temperatura y la caída de presión da como resultado un volumen específico adecuado a temperatura ambiente. Esto supone que gran parte de la contracción de la pieza ha sido compensada con material fundido inyectado.

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5. DEFECTOS COMUNES EN PIEZAS INYECTADAS Sobre los diagramas PVT es fácil comprobar la influencia de parámetros tales como la temperatura de inyección, presión de compactación, tiempo de compactación y temperatura del molde. En la figura 5.30 se muestra una curva para una pieza en la que la etapa de compactación ha sido demasiado corta. En este caso el punto en que se alcanza la presión atmosférica tiene un volumen específico elevado. La contracción que sufre el material es función de la diferencia de volúmenes específicos entre el punto en el que se alcanza la presión atmosférica (punto 3) y el punto en el que la pieza alcanza la temperatura ambiente (punto 4). En este caso la contracción se verá notablemente acentuada.

Figura 5.30. Curva PVT mostrando la evolución de una pieza en la que el tiempo de compactación ha sido demasiado corto. En la figura 5.31 se muestra otro ejemplo. Como se ha comentado, en el caso de piezas moldeadas con secciones gruesas, el enfriamiento del material queda limitado a la superficie en contacto con el molde, por lo que se produce de forma muy defectuosa. Cuando la entrada a la cavidad solidifica, la 220

Tema 5. Inyección temperatura media del material es elevada, y lo más probable es que la presión del material en el interior de la cavidad se anule antes de que la temperatura media disminuya hasta la temperatura de extracción, dando lugar a la contracción de la pieza. Este efecto se observa en la figura 5.31. Para contrarrestar este efecto y obtener piezas sin ampollas y con la densidad debida, se podría emplear una presión de inyección mayor y disminuir la temperatura de inyección.

Figura 5.31. Curva PVT mostrando la evolución de una pieza en la que el enfriamiento es defectuoso. En el caso de piezas moldeadas con secciones delgadas el material inyectado en la cavidad se enfría rápidamente cuando entra en contacto con las paredes frías del molde. Cuando la entrada a la cavidad solidifica la temperatura media del material es baja, pero la presión ejercida puede ser todavía grande. En consecuencia cuando se alcanza la temperatura de extracción, lo más probable es que la presión aún no se haya anulado, dando lugar al "agarrotamiento" de la pieza en el molde. Las posibles soluciones cuando se trata de moldes sencillos son disminuir la presión de inyección, o bien disminuir el tiempo que el émbolo pasa en posición avanzada. De ambas formas se podría conseguir eliminar la presión residual. En el caso de moldes 221


de geometría compleja el problema podría resolverse reduciendo la entrada de las cavidades o mediante el empleo de válvulas especiales, etc. Un problema típico en moldes que tienen entradas pequeñas o mal situadas, ocurre cuando el primer material se inyecta a una velocidad excesivamente grande. En estos casos esta porción inicial de material se enfría muy deprisa, dificultando la entrada del resto del material, con el que no llega a soldar, siendo perceptible las líneas de flujo y de unión entre el material inicial y el resto. Otro fenómeno muy corriente es la formación de líneas de soldadura. Cuando se llena un molde la entrada del material se produce siguiendo un frente de flujo que habitualmente encuentra una serie de obstáculos que frenan o favorecen su avance. Cuando dos frentes de flujo están excesivamente fríos puede ocurrir que no suelden bien, produciéndose las líneas de soldadura (figura 5.32).

Figura 5.32. Formación de líneas de soldadura. La aparición de orientaciones o tensiones congeladas dentro del material también es frecuente. Las tensiones congeladas y formación de capas orientadas se producen como consecuencia del flujo de material una vez que 222

Tema 5. Inyección la cavidad del molde se ha llenado y el pistón de inyección permanece en posición avanzada introduciendo más material. Parte del material se encontrará ya formando una capa rígida y fría, mientras que el material que acaba de incorporarse a la cavidad continúa caliente y en movimiento y entra en la cavidad prácticamente a la máxima presión de inyección. Las fuerzas de fricción entre estas capas son muy altas, especialmente en las zonas cercanas a las paredes, y dan lugar a esfuerzos o tensiones de cizalla que tienden a orientar al polímero en la dirección del flujo. Las fuerzas moleculares internas pueden llegar a alabear las piezas si la temperatura de desmoldeo no es suficientemente baja para congelar estas tensiones. Si se aumenta la temperatura del molde pueden reducirse las tensiones internas, puesto que al disminuir la velocidad de enfriamiento las moléculas orientadas pueden relajarse. Un fenómeno frecuente asociado con las tensiones congeladas es el "glaseado o crazing". Con este término se denomina a la aparición de un cuarteamiento superficial, es decir, la formación de pequeñas y numerosas grietas en la superficie del plástico que no se desarrollan hacia el interior.

6. TÉCNICAS DE INYECCIÓN 6.1. INYECCIÓN DE MÚLTIPLES MATERIALES La inyección de varios materiales diferentes en una misma cavidad de moldeo, o inyección «sandwich», consiste en inyectar a través de un solo bebedero dos materiales distintos que proceden de dos unidades de inyección diferentes. Mediante este procedimiento se pueden obtener piezas en las que el material de la capa superficial presenta un acabado especial, mientras que el material del núcleo admite materiales reforzados, de menor densidad (espumas) o de menor calidad o precio, para conseguir una estructura más rígida, más ligera o más económica. Mediante esta técnica se obtienen excelentes acabados, con total distinción entre núcleo y piel, diversidad de texturas y tactos. Por otra parte, tanto las máquinas como los moldes resultan relativamente caros y es necesario un ajuste muy preciso de las condiciones de operación.

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La operación de moldeo en el caso de emplear dos materiales se realiza del siguiente modo (figura 5.33). Inicialmente el molde se encuentra cerrado con las dos unidades de inyección (A y B) cargadas de material, y ambos tornillos en posición retrasada. La válvula de conmutación de paso de material está en posición de cierre para ambos circuitos (C) (figura 5.33a). A continuación la válvula se desplaza permitiendo el paso del material de la unidad de inyección (A), introduciendo en el molde una carga parcial mediante avance (casi total) del tornillo (figura 5.33b). La válvula C vuelve a desplazarse pero dejando paso ahora a la segunda unidad de inyección (B), cuyo tornillo avanza introduciendo el material en el interior de la masa inyectada anteriormente y obligándola a acoplarse a las paredes del molde (figura 5.33c-d). Por último se vuelve a inyectar material de la primera unidad de inyección (A); el tornillo avanza en su totalidad, cerrando la entrada y completando la piel de la pieza (figura 5.33e). Cuando se desea inyectar más materiales diferentes el procedimiento es similar. El problema fundamental es la dosificación adecuada de cada uno de los materiales, así como la fluidez y presiones de llenado, ya que debe evitarse el flujo turbulento para que los materiales no se mezclen inadecuadamente.

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Tema 5. Inyección

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Figura 5.33. Secuencia de operaciones en el moldeo de piezas de doble capa. 6.2. INYECCIÓN DE TERMOESTABLES La tecnología de inyección se ha extendido al moldeo de termoestables. Aunque los fundamentos de la técnica son los mismos que para termoplásticos, la inyección de termoestables requiere una serie de modificaciones en los ciclos y en los equipos respecto al moldeo de termoplásticos. Los termoestables inician su reticulación a temperaturas relativamente bajas. Al aumentar la temperatura hay inicialmente una disminución de la viscosidad de estos compuestos, y un posterior aumento de la misma como consecuencia del proceso de reticulación. La disminución de viscosidad inicial debe producirse en el cilindro de plastificación, que suele situarse entre 60 y 120 ºC, donde el material adquiere la fluidez suficiente para ser transportado al molde. El molde se encuentra a temperaturas mucho más altas, entre 150-180 ºC, y es allí donde el material reticula y adquiere una forma determinada. El control de temperatura, por tanto, debe ser mucho más estricto que en el moldeo de termoplásticos. Las formulaciones de resinas para inyección de termoestables son especiales; adecuadas para que reticulen lentamente a la temperatura del cilindro y rápidamente a la temperatura del molde. En el caso de moldeo de 226

Tema 5. Inyección termoestables se necesitarán mayores presiones de inyección, tanto para la compactación del material como para el llenado del molde. Por ello, las máquinas de inyección de termoestables deben poseer elevadas fuerzas de cierre. Por último, en muchas ocasiones, como consecuencia de las reacciones de reticulación se desprende algún volátil, por lo que los moldes deben estar diseñados de forma adecuada y contener respiraderos. 6.3. INYECCIÓN ASISTIDA POR GAS El proceso de inyección asistida por gas se utiliza para conseguir piezas inyectadas con partes huecas en su interior. Podría decirse que es una modalidad de la inyección de materiales múltiples, polímero y gas. Consiste en un llenado parcial o a veces completo de la cavidad con un polímero convencional, seguido por la inyección de un gas inerte en su interior a presión. Este gas, normalmente nitrógeno, empuja al material termoplástico fundido para que termine de llenar la cavidad, de tal forma que el interior de la pieza queda hueco. El gas se introduce a través de la boquilla de la máquina o con algún otro dispositivo directamente en la pieza. En cualquier caso el gas avanzará por la parte central de la pieza, todavía fundida (de menor viscosidad que la corteza o piel). La secuencia de operaciones en inyección asistida por gas es la siguiente: a) Cierre del molde y aplicación de la fuerza de cierre b) Inyección del termoplástico fundido c) Introducción del gas a presión en el interior de la vena líquida del material plástico d) Mantenimiento de la presión del gas durante el tiempo necesario para la compactación e) Enfriamiento de la pieza en el molde f) Apertura del molde y expulsión de la pieza En las figuras 5.34 a 5.36 se muestra la secuencia de operaciones para la obtención de piezas de inyección asistida por gas en las que el gas se 227


inyecta directamente en la pieza. En la figura 5.34 se representa el caso más sencillo en el que la pieza se llena parcialmente con el material y el gas empuja al material para que acabe de llenar el molde.

Figura 5.34. Inyección asistida por gas. En las figuras 5.35 y 5.36 se muestran diferentes posibilidades para el llenado del molde. En el caso de la figura 5.35 el molde se llena 228

Tema 5. Inyección completamente (figura 5.35b) y conforme se introduce el gas en el mismo se abre un vástago que permite que el material sobrante se desplace a un rebosadero (figura 5.35c y d). En el caso de la figura 5.36 el molde también se llena completamente y se encuentra articulado, de modo que la parte móvil del molde se desplaza para permitir la entrada del gas (figura 5.36c y d).

Figura 5.35. Inyección asistida por gas en molde con rebosadero. 229


Figura 5.36. Inyección asistida por gas en molde articulado. Existen básicamente 3 tipos de piezas susceptibles de ser moldeadas por inyección asistida por gas: piezas gruesas de espesor uniforme, piezas con nervios y piezas con distribución sensible de espesores. Las piezas con espesor uniforme son generalmente piezas con forma de barra o asa, en las que no existe una dirección preferente de avance del gas frente a las demás. 230

Tema 5. Inyección Mediante inyección asistida en este tipo de piezas es posible conseguir una reducción de peso, el acortamiento del tiempo de ciclo así como evitar rechupes. La principal desventaja es que puede aparecer la marca del punto por donde se introduce el gas. Por lo general, las piezas que contienen nervios suelen ser piezas planas con problemas de rigidez y de formación de alabeos. Los nervios se introducen en estas piezas para mejorar su rigidez, sin embargo en los nervios suelen aparecer rechupes debido al mayor espesor de material en los mismos. El vaciado de los nervios con gas, colocando al final de los nervios unos rebosaderos que recogen el material sobrante suele solucionar este problema. Por último en el caso de piezas con zonas de espesor grueso y zonas de espesor delgado la colocación de los puntos de entrada del plástico y del gas debe ser la correcta para conseguir una distribución adecuada del gas dentro de la pieza. En estas piezas en primer lugar se procede al llenado parcial de la pieza con el plástico. La zona de menor espesor debe quedar completamente llena mientras que sólo se produce el llenado parcial de la zona gruesa. A continuación el gas desplaza al plástico, acabando de llenar la zona gruesa mientras que se va compactando la zona más fina. Aunque en algunos casos la inyección con gas reduce considerablemente el ciclo de inyección, no en todos los casos esta secuencia de operaciones conduce a un ciclo más corto. La presión del gas actúa como presión de compactación, con la ventaja de que actúa no solo en la entrada del molde, sino que lo hace por igual en toda la superficie de recorrido del gas, homogenizando más la pieza. En general la inyección asistida por gas es una técnica novedosa que puede presentar grandes ventajas como son: • • • • •

Reducción de peso (de hasta un 50 %) Reducción del tiempo de enfriamiento (más de un 50%) Desaparición o reducción de rechupes Reducción de las deformaciones y alabeos Disminución de la fuerza de cierre necesaria

Para la aplicación de esta técnica las piezas y moldes deben estar especialmente diseñados teniendo en cuenta el comportamiento reológico del

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material y del gas. Igualmente el ajuste de los parámetros que controlan el proceso debe ser muy preciso.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Douglas M. Bryce, “Plastics Injection Molding. Manufacturing Process Fundamentals”, SME. Dearborn, 1996. Herbert Rees, “ Understanding Injection Molding Technology”, Hanser Publishers, New York, 1994. I.I. Rubin, "Injection Molding. Theory and Practice”, Wiley Interscience, New York, 1972. F. Johannaber, “Injection Molding Machines. A User’s guide”, Hanser Publishers, 1983. Michael L. Berins, “Plastics Engineering Handbook”, Van Nostrand Reinhold, New York, 1991. Ramón Anguita Delgado, “Moldeo por Inyección”, Ed. Blume, 1975. D.V. Rosato & D.V. Rosato, “Injection Molding Handbook”, Kluwer Academic Publishers, 2nd ed., Boston 1995.

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TEMA 6. MOLDEO POR COMPRESIÓN 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 234 1.1. Descripción de la técnica de moldeo por compresión ................. 235 1.2. Moldeo por compresión frente a moldeo por inyección .............. 237 1.3. Descripción de la técnica de moldeo por transferencia ............... 238 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA MOLDEO POR COMPRESIÓN .......................................................................................... 240 2.1. Gelificación y vitrificación de termoestables .............................. 240 2.2. Factor de compresión................................................................... 241 2.3. Propiedades de flujo y tiempo de curado..................................... 242 2.4. Influencia de la temperatura y la presión..................................... 244 3. EQUIPOS PARA MOLDEO POR COMPRESIÓN .............................. 246 3.1. El uso de preformas ..................................................................... 246 3.2. Precalefacción del material .......................................................... 248 3.3. Moldeo por compresión totalmente automático .......................... 249 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA..................................................... 250

Resumen En esta tema se describe la técnica de moldeo por compresión de termoestables y moldeo por transferencia, y se comparan estas técnicas frente al moldeo por inyección. Se explican las principales características de los materiales termoestables y su comportamiento durante el procesado. Para finalizar se describen algunos equipos que se pueden utilizar para automatizar el moldeo por compresión.


1. INTRODUCCIÓN El moldeo por compresión es el método de transformación de plásticos más antiguo que existe. Aparece descrito por primera vez en la bibliografía de principios del siglo XIX, aunque no comenzó a desarrollarse a escala industrial hasta 1908, cuando Leo Baeckeland desarrolló las resinas de fenolformaldehido, que siguen empleándose hoy en día. El moldeo por compresión se utiliza casi exclusivamente para moldear materiales termoestables, y ocasionalmente para procesar termoplásticos. Los materiales termoestables son, como se estudió en temas anteriores, materiales altamente entrecruzados. Para procesarlos se parte de mezclas de precursores (termoendurecibles), que además incluyen una serie de aditivos, como cargas, lubricantes, pigmentos, catalizadores, etc. Estos materiales se encuentran inicialmente en forma de polvos o granzas, a veces incluso son líquidos. Cuando los materiales termoendurecibles se someten a calor y presión, en primer lugar disminuye su viscosidad, hasta alcanzar el estado líquido y luego sufren una reacción química irreversible (polimerización o curado). Los principales materiales termoestables empleados son resinas epoxi, fenólicas, poliésteres, poliuretanos y siliconas. Los materiales reforzados de con fibras (BMC; bulk moulding compounds) también se suelen procesar mediante esta técnica, así como los materiales espumados. Como ya se comentó en temas anteriores (tema 1 y 2), los termoestables poseen una buena estabilidad dimensional, estabilidad térmica y resistencia química. En algunas ocasiones el moldeo por compresión de termoplásticos se prefiere al moldeo por inyección debido al bajo nivel de orientación que se consigue en compresión, y por tanto a las bajas deformaciones y alabeos que alcanzan las piezas, lo que es muy importante en algunos artículos como por ejemplo lentes de gafas (fabricadas de PMMA) o de discos de música (los antiguos LP que se fabricaban de PVC). En otras ocasiones se escoge el moldeo por compresión simplemente debido a la baja inversión que se debe realizar frente al moldeo por inyección, lo que resultará interesante en el caso de producciones cortas. En el caso de la compresión de termoplásticos el

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Tema 6. Moldeo por Compresión material debe enfriarse en el interior del molde antes de ser desmoldeado, lo que implica ciclos muy largos. 1.1. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE MOLDEO POR COMPRESIÓN En el moldeo por compresión (figura 6.1) el material, bien líquido, o en forma de polvo, granza o de pastillas preformadas (preformas), se coloca en el molde caliente, y éste se cierra lentamente, hasta que las dos mitades del molde ejercen presión sobre el material. Conforme el molde va cerrándose, el material es obligado a ocupar todas las partes de la cavidad de moldeo. En ciertos casos, es ventajoso realizar el moldeo cerrando primeramente el molde casi por completo y abriéndolo después unos segundos antes de aplicar la presión definitiva. De esta forma se deja “respirar” al material, para permitir la evacuación del gas que queda atrapado entre el polvo de moldeo o que es generado en la reacción de polimerización. Una vez que el molde se ha cerrado completamente se aplica la máxima presión, que provoca el llenado final y completo de la cavidad. Bajo la acción conjunta del calor y la presión tienen lugar las reacciones de entrecruzamiento que transforman al material termoendurecible en termoestable, proceso que se conoce vulgarmente como “curado”. Tras el curado se abre el molde y se extrae la pieza totalmente sólida, que solamente alcanza su rigidez definitiva cuando se ha enfriado totalmente. Cuando la pieza tiene forma complicada o grandes dimensiones, es aconsejable colocarla en conformadores después de extraerla del molde, para evitar que se deforme mientras se enfría.

Figura 6.1. Esquema del proceso de moldeo por compresión. El ciclo de moldeo, por tanto, podría considerarse el siguiente: 235


• Apertura del molde • Extracción de las piezas moldeadas en el ciclo anterior • Preparación del molde, lo que incluye limpieza del molde y lubricación para facilitar la extracción de la pieza siguiente y colocación de las inserciones metálicas, si las hubiera, y del compuesto de moldeo, bien líquido, en forma de polvo o de pastilla • Cierre del molde caliente y aplicación de presión. • Apertura del molde para dejarlo “respirar” y permitir la salida de humedad y materias volátiles • Aplicación de toda la presión al molde caliente y mantenimiento durante el tiempo necesario hasta que el material haya curado totalmente • Extracción de la pieza La temperatura del molde y la presión aplicada son los factores más importantes del proceso. Además de estas variables, otros factores que influyen en la calidad de las piezas moldeadas por compresión son: el diseño de la pieza que debe moldearse, la velocidad de cierre de la prensa, la plasticidad del material y las condiciones en que se encuentra la superficie de la cavidad de moldeo. Es importante poner en la cavidad de moldeo la cantidad exacta de material que se necesita, pues una cantidad en defecto puede dar lugar a piezas porosas con baja densidad y con malas propiedades mecánicas, mientras que una cantidad en exceso puede dar lugar a excesivas rebabas. El moldeo por compresión tiene algunas limitaciones, y no es muy aconsejable cuando se trata de moldear artículos de forma muy complicada con resaltes, entrantes o pequeños taladros laterales. Tampoco es aconsejable para moldear artículos de paredes gruesas (1 cm o más). Valores típicos de temperatura del molde, presión de moldeo y tiempo de moldeo para, por ejemplo, una resina fenólica son 150-200 ºC, 20000 kg/cm2 y 1.5 min, respectivamente.

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Tema 6. Moldeo por Compresión Los moldes en moldeo por compresión suelen tener áreas muy elevadas, por lo que las prensas utilizadas deben desarrollar elevadas fuerzas de cierre. Las características de las prensas empleadas en moldeo por compresión son las mismas que se describieron en inyección, cuando se estudió el sistema de cierre de la máquina. La figura 6.2 muestra una prensa típica empleada en moldeo por compresión.

Figura 6.2. Prensa de moldeo por compresión. 1.2. MOLDEO POR COMPRESIÓN FRENTE A MOLDEO POR INYECCIÓN A pesar de ser una técnica mucho más rudimentaria, el moldeo por compresión presenta una serie de ventajas respecto al moldeo por inyección. 237


• En el moldeo por compresión prácticamente no hay recortes, por lo que se genera una cantidad muy pequeña de mermas. • Los materiales gozan de mejores propiedades mecánicas al no sufrir orientaciones elevadas. • Es posible fabricar piezas de sección muy fina que mantienen su forma sin alabearse. • Es posible fabricar piezas de más de 1.5 kg de peso que pueden resultar muy problemáticas mediante inyección. • Los moldes y en general la maquinaria son bastante más económicos que en el moldeo por inyección. Asimismo el moldeo por compresión presenta una serie de desventajas frente al moldeo por inyección. • No es aconsejable esta técnica en caso de emplear moldes con formas complejas. • Para conseguir que el molde se llene completamente con un material de viscosidad elevada es necesario emplear presiones elevadas y, por tanto, que los moldes cierren perfectamente para evitar que el material pueda salir por la línea de partición antes de llenar las partes de acceso más difícil. El polvo debe repartirse de forma adecuada o se deben emplear preformas. 1.3. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE MOLDEO POR TRANSFERENCIA El moldeo por transferencia es un desarrollo a partir del moldeo por compresión en el que el compuesto de moldeo se introduce en una cavidad dentro del molde, de modo que al cerrar el molde el compuesto se transfiere hasta las diferentes cavidades de moldeo a través de una serie de canales. En la figura 6.3 sea muestra un esquema de este proceso.

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Tema 6. Moldeo por Compresión

Figura 6.3. Esquema del moldeo por transferencia.

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El proceso de transferencia es, por tanto, un proceso intermedio entre la inyección y la compresión y presenta una serie de ventajas y desventajas respecto a éstos. El moldeo por transferencia está indicado en el caso de que se deseen moldear muchas cavidades o cuando el llenado del molde con el material de moldeo resulte problemático (moldes muy planos, con inserciones metálicas, cuando se emplea polvo de moldeo de densidad aparente muy baja, etc.). El ciclo en moldeo por transferencia suele ser algo más corto debido a la mejor transferencia de calor cuando el material circula por los canales. En contrapartida el moldeo por transferencia presenta una serie de desventajas frente al moldeo por compresión: el flujo del material a través del molde es más complejo, por lo que puede darse cierto grado de orientación; los moldes sufren más abrasión de modo que el mantenimiento es más costoso; los equipos son más complejos y más caros; y por último es material que queda en los canales tras el proceso es material de desecho, que no se puede reutilizar.

2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA MOLDEO POR COMPRESIÓN 2.1. GELIFICACIÓN Y VITRIFICACIÓN DE TERMOESTABLES El curado de termoestables es complejo e incluye varias etapas. Como se ilustra en la figura 6.4, el proceso de curado empieza con la formación y el crecimiento lineal de las cadenas que pronto empiezan a ramificarse y posteriormente a entrecruzarse. A medida que la reacción avanza el peso molecular aumenta rápidamente y varias cadenas se unen en un retículo de peso molecular infinito. La transformación, que ocurre rápidamente y de forma irreversible, en la que el material pasa desde un estado líquido viscoso hasta un estado gel elástico, que marca el inicio de la aparición del retículo, suele llamarse proceso de gelificación o punto de gel. La gelificación es característica de los termoestables y tiene una gran importancia en el procesado. El punto de gel es crítico en la manipulación de los materiales termoestables, ya que a partir de este estado el material deja de fluir. Después de la gelifícación, la reacción continúa hasta la formación de un retículo infinito, con un aumento sustancial de la densidad de entrecruzamiento, de la 240

Tema 6. Moldeo por Compresión temperatura de transición vítrea y de las propiedades físicas últimas alcanzadas.

Figura 6.4. Representación del proceso de entrecruzamiento de termoestables. Otro fenómeno que puede ocurrir durante el curado es la vitrificación de las cadenas que están creciendo. Esta transformación, desde un estado líquido viscoso o de gel elástico a un estado vítreo, empieza a ocurrir cuando la temperatura de transición vítrea de las cadenas crecientes o del retículo coincide con la temperatura de curado. A partir de aquí, el curado es extremadamente lento y, a efectos prácticos, la vitrificación supone una parada brusca del curado. La vitrificación es un fenómeno reversible y el curado puede ser completado por calentamiento, desvitrificándose el termoestable parcialmente curado. 2.2. FACTOR DE COMPRESIÓN Se llama factor de compresión de un material de moldeo a la relación entre la densidad de la pieza moldeada y la densidad aparente del polvo de moldeo. Como ya se definió, la densidad aparente es la relación entre el 241


peso de material que, sin compactar, llena un volumen normalizado, y dicho volumen. Según lo anterior podemos escribir las siguientes relaciones: Factor de compresión = FC =

F.C.=

x

F.C.= Por tanto, el factor de compresión es la relación entre el volumen que ocupa el polvo de moldeo sin compactar y el volumen de la pieza tras ser moldeada. El factor de compresión en un material de moldeo depende, fundamentalmente, del tipo de carga utilizada y del tamaño de partícula y distribución de tamaño de partícula del polvo de moldeo. Cuando el factor de compresión tiene un valor alto, es deseable, siempre que sea posible, comprimir previamente el material antes del moldeo, es decir, utilizar preformas. De esta forma se reduce notablemente el factor de compresión y es posible colocar la cantidad correcta de material en el molde sin necesidad de un espacio suplementario encima de la cavidad (espacio de carga). En otros materiales con factores de compresión inferiores, entre 2.5 y 1.8 se pueden emplear directamente los polvos para moldear sin necesidad de usar preformas. 2.3. PROPIEDADES DE FLUJO Y TIEMPO DE CURADO En moldeo por compresión el material se calienta por contacto con las paredes del molde, reblandeciéndose y adaptándose a los contornos de la cavidad de moldeo, siguiendo posteriormente un proceso de curado y endurecimiento. El tiempo que tarda en endurecerse el material totalmente, o tiempo de curado, es función del espesor de la pieza moldeada debido a que

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Tema 6. Moldeo por Compresión el material plástico es mal conductor del calor. Cuanto mayor es el espesor de la pieza tanto más largo será el tiempo de curado. Dos características fundamentales de un compuesto de moldeo son la fluidez y la velocidad de curado. Un polvo de moldeo que en su proceso de preparación ha sido calentado a temperaturas elevadas (termoendurecible) y ha alcanzado un grado avanzado de curado, permanecerá lo suficientemente fluido un tiempo sumamente corto. A este tipo de polvo de moldeo se le llama de flujo duro y convendrá emplearlo para moldear artículos de formas muy sencillas y que no necesitan fluir mucho para llenar el molde. Con este tipo de polvo de moldeo la contracción que aparece después del moldeo será pequeña, y las piezas moldeadas tendrán una buena apariencia. Si el polvo no ha alcanzado un grado de curado avanzado, necesitará un tiempo de curado más largo durante el proceso de moldeo. Este polvo de moldeo se dice que es de flujo blando. El aspecto de las piezas será algo peor que en el caso de moldear con un material de flujo duro y la contracción de dichas piezas será algo mayor. Generalmente, los fabricantes de compuestos de moldeo proporcionan información técnica sobre las mejores condiciones de moldeo para sus productos. Este tipo de información se suele dar en gráficos como el de la figura 6.5, donde se representa el tiempo de curado frente a la temperatura del molde para un espesor (3 ó 4 mm.) y presión determinados. Esta información está completa cuando se dispone de estas gráficas de curado para un intervalo razonable de espesores. En la figura se indican las curvas de curado mínimo, óptimo y máximo, así como las zonas que corresponden a condiciones en las que se obtienen piezas excesivamente curadas o poco curadas.

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Figura 6.5. Representación de las condiciones de curado para una pieza de espesor dado y una determinada resina de moldeo. 2.4. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN Se llama temperatura de moldeo a la temperatura media del molde. La temperatura óptima de moldeo es, en la mayoría de los casos, próxima a 160 ºC. Si la temperatura disminuye, también disminuye sensiblemente la máxima fluidez de material hasta el punto de que si la temperatura se hace demasiado baja, puede hacerse difícil el llenado de un molde de forma compleja. Por otra parte, si la temperatura es demasiado elevada, también puede resultar difícil llenar las cavidades, debido a que, si bien el material de moldeo es más fluido, sólo lo es durante un tiempo excesivamente corto (figura 6.6). El tiempo de curado disminuye marcadamente con la temperatura de moldeo. Por otra parte la fluidez máxima que alcanza el material es tanto mayor (viscosidad mínima) cuanto mayor es la temperatura de moldeo y disminuye cuando la temperatura disminuye.

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Figura 6.6. Variación de la viscosidad de los materiales termoestables con el tiempo a diferentes temperaturas del molde. Como guía general, podemos decir que se podrá moldear a una temperatura elevada cuando la pieza es de forma sencilla, el material de moldeo es blando y el material no ha sido precalentado. Sin embargo, se debe tener presente que un curado muy lento, obtenido a una temperatura relativamente baja, da más posibilidades de obtener una pieza moldeada homogénea y de buena calidad, puesto que como el calentamiento es más uniforme, no habrá grandes diferencias en el grado de curado alcanzado por las paredes y el interior de la pieza. Se llama presión de moldeo al cociente entre la fuerza de la prensa y la sección transversal de la cavidad. Cuando una prensa cierra un molde completamente, se mejoran las condiciones de moldeo al aumentar la fuerza de la prensa. No es aconsejable un cierre demasiado rápido de la prensa, pues puede conducir a que parte del material salga repentinamente expulsado de la cavidad, dando lugar a la formación de artículos de baja densidad y pobres características técnicas. Cuanto mayor sea la presión de moldeo, mejor será la calidad de las piezas y menor la temperatura necesaria para alcanzar el curado óptimo.

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3. EQUIPOS PARA MOLDEO POR COMPRESIÓN La parte fundamental de la máquina de compresión es la prensa, de la que ya se habló en temas previos. Además hay una serie de equipos que se pueden emplear para mejorar el proceso. 3.1. EL USO DE PREFORMAS El uso de preformas permite controlar mejor la cantidad de material de moldeo, conseguir una manipulación más sencilla y acortar el ciclo de moldeo. Una preforma o tableta no es otra cosa que una pastilla de polvo de moldeo someramente aglomerada por presión para que mantenga su forma, de manera que permita su manejo sin problemas. Las preformas suelen tener formas sencillas y son fáciles de obtener en prensas de empastillar. Las ventajas del empleo de preformas se pueden resumir como sigue: • Acortar el ciclo de moldeo. • Controlar el peso de la carga. • Facilitar el manejo del material de moldeo. • Facilitar el precalentamiento. Por otra parte, las principales desventajas son las siguientes: • El coste de obtención de preformas no está siempre compensado. • Algunos materiales no pueden prepararse en preformas. • Los polvos de moldeo dan mejores distribuciones de flujo y llenan mejor moldes de forma compleja. En la figura 6.7 se muestra esquemáticamente el funcionamiento de una máquina de hacer preformas de tipo horizontal; A es el pistón fijo, B es el pistón móvil unido al cilindro hidráulico C, y D es la matriz que comunica con la tolva. La distancia entre A y B, cuando la máquina está abierta se puede variar para aumentar o disminuir el peso de la tableta ajustando el retroceso del pistón C. La matriz junto con la tolva se mueven mediante pequeños pistones hidráulicos que no están dibujados en el esquema.

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Figura 6.7. Máquina horizontal para fabricar preformas. La secuencia de operación es la siguiente: a) Posición de llenado; la abertura entre pistones queda situada debajo de la tolva. b) Matriz y tolva se han desplazado a la izquierda; la abertura entre pistones (llena de polvo de moldeo) queda situada dentro de la matriz. c) La tableta o preforma es comprimida entre los pistones. El pistón C avanza comprimiendo al polvo dentro de la matriz. d) Matriz y tolva se desplazan hacia la izquierda y la tableta sale de la máquina (simultáneamente retrocede el pistón C). El siguiente movimiento es el de desplazamiento de matriz y tolva hacia la derecha para volver a cargarse de polvo. Para justificar el uso de preformas, hay otros dos puntos que deben tenerse en cuenta. Durante el proceso de moldeo de los materiales termoendurecibles se produce cierta cantidad de gases y materias volátiles. Estos gases son generalmente aire que queda atrapado en el polvo de moldeo 247


y vapor de agua que se forma como consecuencia de la condensación final. La manera de eliminar los productos volátiles es dejando respirar el molde unos segundos. Con el empleo de tabletas de preformas, el material de moldeo está densificado y es menos probable que aparezcan este tipo de problemas. 3.2. PRECALEFACCIÓN DEL MATERIAL Las técnicas de precalefacción colocan el material (bien en polvo o en tabletas de preforma) dentro de las cavidades del molde a mayor temperatura que la ambiente, para así disminuir los ciclos de moldeo, reduciendo el tiempo necesario para el curado. El empleo simultáneo de precalefacción y preformas permite mejorar notablemente la velocidad de producción. Se consiguen además, otras ventajas adicionales, como la eliminación del tiempo necesario para la “desgasificación” del material de moldeo y un secado previo que en ocasiones puede ser interesante. Por tanto, las ventajas que se consiguen usando precalefacción son las siguientes: • Gran aumento en la producción: reducción del tiempo de curado en un 50-60%. • Aumentan las posibilidades de la prensa, debido a que la mayor fluidez de la masa precalentada permite reducir las presiones de moldeo necesarias. Se pueden moldear piezas mayores y más gruesas en la misma prensa o usar una prensa menor. • Disminución del desgaste de los moldes (el material es menos abrasivo). • Supresión del desgasificado (los gases se pierden durante el precalentamiento). • Curado más homogéneo (mejores propiedades mecánicas y eléctricas de las piezas). • Mejor acabado y pulido de la superficie de los artículos. Si la pieza que debe ser moldeada necesita un gran flujo del material, puede ser preciso reducir el tiempo de precalefacción o la temperatura de precalefacción. En general un material de flujo blando se puede precalentar

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Tema 6. Moldeo por Compresión durante más tiempo, con seguridad de obtener buenos resultados, que un material de flujo duro. 3.3. MOLDEO POR COMPRESIÓN TOTALMENTE AUTOMÁTICO En algunas ocasiones el moldeo por compresión se realiza de forma automática. Para ello es necesario utilizar una prensa de moldeo equipada con sistemas adicionales para almacenar cierta cantidad de material de moldeo, medir exactamente la cantidad de polvo de moldeo por ciclo, depositarla dentro de las cavidades del molde, y extraer, finalmente, la pieza moldeada. Con este tipo de prensa el operario sólo debe cargar periódicamente la tolva de alimentación y retirar las piezas moldeadas. En este caso se necesitan producciones suficientemente grandes ya que exige una mayor inversión de capital. Por otra parte, el moldeo automático asegura una producción masiva de artículos moldeados de calidad muy homogénea y con unos costes mínimos de producción. Como principal inconveniente, destacar que el moldeo automático no es practicable cuando la pieza moldeada lleva inserciones, resaltes o taladros laterales.

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D.H., Morton-Jones, Douglas M. Bryce, “Polymer Processing”, Chapman & Hall, Londres, 1991. Michel L. Berins, “Plastics Enineering Handbook”, Van Nostran Reinhold, New York, 1991. Jack Avery, “Injection Molding Alternatives”, Hanser Publishers, Cincinnati, 1998.

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TEMA 7. MOLDEO ROTACIONAL 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 252 2. MÁQUINAS Y MOLDES ..................................................................... 256 2.1. Máquinas...................................................................................... 256 2.2. Moldes ......................................................................................... 260 3. ETAPAS ................................................................................................. 263 3.1. Etapa de inducción....................................................................... 265 3.2. Etapa de sinterización .................................................................. 266 3.3. Etapa de densificación ................................................................. 269 3.4. Etapas de enfriamiento, cristalización y enfriamiento final ........ 271 4. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES PARA MOLDEO ROTACIONAL...................................................................................... 275 4.1. Forma, tamaño y distribución de tamaño de partícula................. 275 4.2. Peso molecular y distribución de pesos moleculares................... 277 4.3. Cristalinidad................................................................................. 277 5. MOLDEO ROTACIONAL DE MATERIALES LÍQUIDOS................ 278 6. INNOVACIONES EN MOLDEO ROTACIONAL .............................. 281 6.1. Métodos alternativos de calefacción............................................ 282 6.2. Presurización de moldes .............................................................. 283 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA..................................................... 285

Resumen En este tema se trata el proceso de obtención de artículos huecos mediante moldeo rotacional. Se explican las principales características del proceso, los materiales empleados y las peculiaridades de las máquinas y moldes. A continuación se estudian las etapas básicas por las que pasa el material desde que se introduce en el molde de moldeo rotacional hasta que se extrae la pieza. En el siguiente apartado se describe como cuales son las principales características que debe tener un polvo de moldeo para que sea apto para este proceso y a continuación se describe el proceso de moldeo rotacional de sistemas líquidos. Para finalizar se estudian las principales innovaciones que se están introduciendo en este proceso.


1. INTRODUCCIÓN El moldeo rotacional o rotomoldeo es un método para transformar plásticos, que generalmente se encuentran en polvo, para obtener artículos huecos. De una forma simple el proceso se puede describir, tal y como se muestra en la figura 7.1.

Figura 7.1. Proceso de moldeo rotacional. En este proceso una cantidad de plástico frío, en polvo o líquido, se introduce en la mitad del molde también frío. El molde se cierra y se hace rotar en torno a dos ejes en el interior del horno. Cuando la superficie metálica del molde se calienta lo suficiente, el plástico que se encuentra sobre su base en el interior comienza a fundir y se adhiere a las paredes internas del molde. El plástico va fundiendo en capas sucesivas y gracias a la rotación biaxial cuando todo el plástico ha fundido el interior del molde debe estar completamente recubierto. En ese momento puede comenzar la etapa de enfriamiento mientras continúa la rotación del molde. Una vez solidificado el plástico, el molde se desplaza hacia la zona de carga y descarga donde se extrae la pieza. Este proceso se puede emplear también para materiales termoestables, siendo todas las etapas descritas iguales, sólo que en este caso 252

Tema 7. Moldeo Rotacional el material no funde si no que polimeriza sobre la superficie del molde y de modo que el diseño del molde debe ser tal que permita la extracción de las piezas. A diferencia de lo que ocurre con las otras técnicas de transformación descritas, el calentamiento y enfriamiento del plástico tienen lugar en el interior de un molde en el que no se aplica presión. El proceso de moldeo rotacional fue desarrollado en los años 40 pero en principio atrajo poca atención porque se consideró un proceso lento restringido a un número reducido de plásticos. A escala industrial comenzó a emplearse en la década de los 50 para la fabricación de muñecas y balones de playa que se fabricaban con plastisoles de PVC, siendo todavía un proceso marginal. En los años 60 comenzó la expansión con la introducción de ciertos grados de PE en polvo especialmente desarrollados para rotomoldeo. En las dos últimas décadas las mejoras en el control del proceso y el desarrollo de nuevos materiales para rotomoldeo han dado lugar a un gran aumento de la utilización de esta técnica de transformación. Actualmente se rotomoldea una gran diversidad de plásticos como distintos grados de PA, ABS, PC, HIPS, PP, EVA, acetales, materiales reactivos (termoestables), plastisoles de PVC, entre otros. El PE en sus diferentes grados supone el 85% de la cantidad total de plásticos rotomoldeados, pues presenta unas propiedades de flujo tanto del polvo como del fundido y una estabilidad térmica que lo hacen ideal para este proceso. Actualmente el crecimiento del rotomoldeo frente a las demás técnicas de transformación es espectacular. En la figura 7.2 se compara el crecimiento promedio anual determinado como el aumento del consumo de plásticos por diferentes tipos de procesado entre el año 1996 y 2000. Mientras que el crecimiento de otras técnicas de transformación tradicionales como el soplado o la inyección, está alrededor del 4%, las cifras de crecimiento de estos años para rotomoldeo ascienden al 14%. A pesar de ello las cifras de negocio están todavía hoy alejadas de las de otras técnicas de transformación tradicionales como inyección o extrusión.

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Figura 7.2. Crecimiento anual promedio del moldeo rotacional frente a otras técnicas de transformación para los años 1996-2000. El tipo de artículos que actualmente se rotomoldea es muy variado, en general se trata de artículos huecos que pueden ser cerrados o abiertos, con paredes sencillas o con múltiples. Igualmente pude tratarse de artículos espumados o reforzados con fibras o artículos blandos. En EEUU más del 40% de la producción se destina a la industria del juguete, el 30% a la fabricación de tanques, contenedores y envases de todo tipo, y un 8% a la fabricación de piezas para automóviles, embarcaciones y aeronáutica. En Europa la situación es bastante diferente; los envases, tanques y contenedores suponen el 44% de los productos rotomoldeados, los juguetes tan solo el 12% y los productos de automoción y menaje el 17 y 16%, respectivamente. En la Comunidad Valenciana, y más concretamente en la provincia de Alicante, hay comarcas enteras en las que la economía reside básicamente en la industria del juguete, donde la mayor parte de las piezas de plásticos son rotomoldeadas, por lo que este proceso se encuentra muy extendido. El competidor más directo del rotomoldeo para la fabricación de artículos huecos de una sola pieza es el soplado. Aunque también compite con los procesos de inyección y termoconformado en los que se puede fabricar artículos huecos obtenidos en dos mitades que deben ser unidas después. 254

Tema 7. Moldeo Rotacional Respecto de otras técnicas de transformación, las principales ventajas y desventajas del proceso de moldeo rotacional son las siguientes: Ventajas: • Las máquinas y los moldes son simples y relativamente baratos. Esto es debido al hecho de que el moldeo rotacional no emplea presión pues no es necesario obligar a que el material fluya desde unas partes de la máquina a otras, como ocurre con las demás técnicas de transformación, lo que hace que no se requieran moldes excesivamente resistentes • En el mismo equipo, e incluso en un mismo ciclo se puede trabajar con moldes de distinto tamaño y forma, con lo que la planificación de la producción puede ser muy flexible • Se puede obtener diversidad de productos huecos, artículos muy grandes (más que con cualquier otra técnica), con gran facilidad para modificar el espesor, dobles capas, artículos reforzados, espumados, entre otros • Los productos pueden estar libres de tensiones si se adoptan las precauciones oportunas (puesto que no se aplica presión) • Se puede evitar o disimular las líneas de unión en las piezas rotomoldeadas en el caso de piezas flexibles Desventajas: • El coste de los materiales es relativamente alto puesto que la mayoría de los plásticos se sirven en granza y deben ser sometidos a un proceso de molienda criogénica que encarece el proceso y, además las características del polvo obtenido son cruciales para la calidad de las piezas • Los ciclos son largos pues cada vez los moldes se calientan desde temperatura ambiente hasta elevadas temperaturas y luego se enfrían, empleando por lo general hornos de convección forzada o corrientes de aire, lo que resulta en un deficiente aprovechamiento del calor • Las etapas de carga y descarga de los moldes pueden resultar muy complicadas y requieren mucha mano de obra

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• Los materiales que se emplean hoy todavía son limitados en comparación con otros procesos En definitiva se trata de un proceso económico y muy flexible (tanto en la planificación de la producción como en el diseño de piezas), muy adecuado para la fabricación de tiradas cortas de piezas grandes, y en el cual se pueden obtener piezas de unas dimensiones que no es posible obtener mediante otros procesos. Sin embargo, también se trata de un proceso lento donde el aprovechamiento del calor es bastante deficiente y que requiere de mucha mano de obra en las etapas de carga y descarga.

2. MÁQUINAS Y MOLDES 2.1. MÁQUINAS Las máquinas de rotomoldeo deben ser capaces de hacer girar al molde en torno a dos ejes perpendiculares. Las primeras máquinas empleadas utilizaban un sistema de giro de vaivén, y se denominan máquinas de tipo “Rock and Roll” como las que se muestran en la figura 7.3.

Figura 7.3. Máquina de rotomoldeo de vaivén. En estas máquinas se produce el giro completo alrededor de uno de los ejes, mientras que simultáneamente el sistema se coloca sobre otro eje perpendicular que hace que el molde gire hasta 45º, provocando el movimiento de vaivén. Estas máquinas se emplean todavía hoy en la 256

Tema 7. Moldeo Rotacional producción de artículos muy grandes en los que resulta complicado hacer el giro completo alrededor de los dos ejes, como el que se muestra en la figura 7.3 para la fabricación de cascos de canoas. Las máquinas más modernas consiguen la rotación completa como se muestra en la figura 7.4.

Figura 7.4. Brazo recto y brazo acodado para la realización del giro en torno a dos ejes en las máquinas de moldeo rotacional. En el primer tipo de brazo (brazo recto) se puede colocar mayor número de moldes en cada ciclo, pero deben ser de menor tamaño que en el caso del brazo acodado. En ambos tipos de brazo los motores que hacen girar cada eje son independientes, de modo que se puede seleccionar distintas velocidades de rotación en cada eje para obtener la relación de rotación deseada. La velocidad de rotación óptima para conseguir una distribución adecuada del material dependerá especialmente de la geometría de la pieza que se desea moldear. Por ejemplo, para geometrías esféricas se recomienda una velocidad de rotación de 12 rpm (para el eje principal) y una relación de rotación de 4:1, mientras que para piezas alargadas (montadas en el molde horizontalmente) la relación que recomiendan los fabricantes es 8:1 (y 1:5 si van montadas verticalmente). Por lo general, el molde debe mantenerse girando durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. En cuanto al sistema de calentamiento, en el pasado se realizaron diversos intentos para calentar los moldes con aceite o disoluciones salinas calientes que circulaban por camisas situadas alrededor de los moldes, pero 257


hoy en día este tipo de calefacción no es habitual. Estos métodos ofrecen muy buena eficacia para la transmisión de calor pero presentan problemas de mantenimiento. En las máquinas modernas de rotomoldeo se emplea un horno de convección forzada para calentar los moldes. En la mayoría de los casos el horno se calienta por combustión de un gas, aceite o electricidad como fuente de energía. La electricidad es limpia pero lenta, el aceite requiere cuidados y mantenimiento regular, por lo que habitualmente se prefieren los hornos calentados por la combustión de un gas. Para conseguir una buena circulación del aire en el interior del horno se emplean ventiladores y tabiques deflectores, de modo que se evita la aparición de zonas muertas. Habitualmente se emplea como sistema de enfriamiento aire forzado, agua pulverizada o combinaciones de ambos. En ocasiones se pueden sumergir los moldes en baños de agua. Los sistemas de giro, calentamiento y enfriamiento son muy parecidos en todas las máquinas industriales. Las distintas máquinas de rotomoldeo empleadas industrialmente difieren principalmente en la disposición de las distintas estaciones (calentamiento/enfriamiento/descarga/carga) y en la forma de transferir los moldes de una estación a otra. Las máquinas más corrientes hoy en día son, sin duda, las máquinas tipo carrusel. Estas máquinas resultan muy eficientes, altamente productivas y de bajo mantenimiento. Las máquinas carrusel de tres brazos fijos, como la que se muestra en la figura 7.5 tienen tres estaciones, por lo que los brazos giran 120º para desplazarse. Se emplean cuando los ciclos de horno y enfriamiento tienen duraciones similares y cuando la carga y descarga pueden ser fácilmente manipuladas. En las máquinas de brazos fijos el tiempo en que los brazos están en cada estación está controlado por la duración de la etapa más lenta.

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Tema 7. Moldeo Rotacional

Figura 7.5. Máquina tipo carrusel de tres brazos fijos. Cuando la duración de uno de los ciclos es muy superior a la duración de los otros se pueden emplear máquinas de 4 brazos, los cuales forman un ángulo de 90º entre sí. En estas máquinas la estación más lenta se encuentra duplicada. Actualmente estas máquinas están siendo equipadas con brazos independientes, de modo que la planificación de la producción es mucho más versátil. Además la mayoría de las máquinas modernas disponen de una línea de aire frío y/o caliente que circula por el interior del brazo que puede introducirse en el interior del molde o dirigirse a algún punto del exterior donde el acceso del frío o el calor es más complicado. En la figura 7.6 se muestra un máquina de carrusel de brazos independientes.

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Figura 7.6. Máquina tipo carrusel de brazos independientes. 2.2. MOLDES Los moldes son piezas clave en el proceso de rotomoldeo. Deben tener los siguientes requerimientos básicos: • El material del que están fabricados debe tener una buena conductividad térmica para que el calor se transfiera o se elimine del plástico lo más rápidamente posible • Deben tener la suficiente resistencia mecánica para permanecer sin alabearse durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento a que deben ser sometidos • Las dos partes del molde deben disponer de un sistema de cierre que permita cerrarlo fuertemente y abrirlo con sencillez • Deben poder montarse sobre el brazo o plato de forma que no se impida la circulación del aire a su alrededor • Deben tener un respiradero que tiene la función de mantener la presión del interior del molde igual a la atmosférica. Esto es muy importante si se tiene en cuenta el gran volumen de aire que se aloja en el interior de los moldes y la gran variación de temperatura que se produce a lo largo del ciclo 260


Si el respiradero se bloquea en algún momento de la etapa de calentamiento puede dar lugar a sobrepresión que podría provocar que el material saliera por la línea de partición, o si el bloqueo del respiradero se produce durante la etapa de enfriamiento, se pueden producir presiones por debajo de la atmosférica, lo que puede conducir a piezas rechupadas y deformadas. En la figura 7.7 se muestra un molde típico de aluminio empleado en moldeo rotacional.

Figura 7.7. Molde de aluminio para moldeo rotacional. Los moldes normalmente están constituidos por dos mitades, aunque cuando la geometría de la pieza es complicada pueden tener más partes para facilitar el desmoldeo. Se pueden fabricar a partir de distintos materiales, como el acero, aluminio y aleaciones de cobre/níquel. En cuanto a los métodos de fabricación, generalmente se fabrican por mecanización, galvanoplastia y fundición. Los moldes de aluminio fundido son los más empleados, especialmente cuando se moldean formas complejas. El precio de una colada puede ser relativamente elevado, si bien cuando se fabrican diversas cavidades suele preferirse este tipo de moldes sobre otros. Por otra parte, estos moldes son algo más blandos y susceptibles de estropearse que, por ejemplo, los moldes fabricados de planchas de acero. Los moldes galvanizados, generalmente de 261


cobre/níquel, se emplean especialmente para plastisoles de PVC. En estos moldes la reproducción de detalles es muy precisa y suelen emplearse para artículos flexibles en los que no deben aparecer líneas de partición (como cabezas de muñecas). Estos moldes resultan relativamente baratos, sin embargo, tienen una duración corta. Los moldes fabricados a partir de planchas de metal son generalmente los más económicos y se emplean para productos muy grandes, que no requieran texturas especiales o reproducción de detalles muy precisa. En cuanto al diseño de piezas en moldeo rotacional, se dice que este proceso es el sueño hecho realidad de cualquier diseñador por la libertad de la que goza para diseñar las piezas. Aún así existen una serie de restricciones. Mediante rotomoldeo se pueden producir artículos huecos de doble pared, como por ejemplo cascos de embarcaciones. En la figura 7.8a se muestra la sección de un molde de este tipo. En muchos casos este tipo de estructuras se pueden rellenar con un material espumado para mejorar la resistencia o el aislamiento. Existe una serie de limitaciones en estas piezas como que el hueco de la cavidad debe tener un volumen al menos 3 veces mayor que el volumen de las paredes de la pieza, y la distancia entre las paredes debe ser al menos de 5 veces el espesor de la pared. Se suelen emplear nervios de refuerzo para dar rigidez a piezas que contienen grandes superficies planas con un espesor pequeño, como se muestra en la figura 7.8b. Se recomienda para estos nervios una altura de aproximadamente 4 veces el espesor de la pared y un ancho de 5 veces el espesor de la misma. También se puede construir canales para dar rigidez. En este caso son preferibles las estructuras de "casi-contacto" para evitar tensionar la pieza en esos puntos (figura 7.8c, estructura B). En cuanto a los ángulos, en general en ángulos agudos se acumulan más tensiones que en ángulos suaves. Diseñando piezas con ángulos amplios como los de la figura 7.8d se puede conseguir la resistencia adecuada, donde el material se reparte de forma correcta. En el caso de ángulos agudos hacia afuera tiende a acumularse una cantidad extra de material, mientras que los que se proyectan hacia adentro tendrán escasez de material.

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Figura 7.8. Limitaciones en el diseño de las piezas rotomoldeadas. Otra ventaja que presentan las piezas y los moldes en rotomoldeo es que el espesor de la pared se puede modificar simplemente variando la cantidad de material que se introduce en el molde, a diferencia de lo que ocurre en otros procesos de transformación donde sería necesario rectificar el molde.

3. ETAPAS Si se determina la temperatura en varios puntos del molde durante un ciclo de rotomoldeo se obtienen curvas como las que se muestran en la figura 7.9.

263


Figura 7.9. Evolución de la temperatura del aire que rodea al molde (curva H), del molde (curva X) y del aire del interior del molde (curva Y) durante el proceso de moldeo rotacional y etapas que se observan durante el ciclo. La curva H muestra la temperatura del ambiente que rodea al molde, que como se puede observar tiende a alcanzar la temperatura nominal del horno tan pronto como el molde se introduce en su interior. La temperatura del molde y del aire del interior del mismo vienen representadas por las curvas X e Y. La temperatura del aire del interior del molde (curva Y) da información muy valiosa sobre los procesos que tienen lugar mientras el plástico se encuentra en el molde. Se puede observar 6 etapas claramente diferenciadas en la curva Y. Durante la primera etapa, el material en polvo se encuentra tambaleándose en la base del molde mientras éste gira. Esta etapa se conoce con el nombre de inducción. Cuando el molde alcanza una cierta temperatura a la que el polvo comienza a fundir, el polvo comienza a adherirse a la superficie del interior del molde. En esta etapa diferentes capas de polvo quedan adheridas en la superficie interior del molde y van absorbiendo calor para fundir, por lo que la temperatura del material aumenta lentamente, lo que se conoce como etapa de sinterización. Una vez que todo el material se ha adherido al molde, la 264

Tema 7. Moldeo Rotacional temperatura aumentará a mayor velocidad, dependiendo de la capacidad calorífica del fundido. Esta es la etapa de densificación durante la que se consolida el fundido. A continuación tiene lugar la etapa de enfriamiento inicial a una velocidad que lógicamente estará determinada por el sistema de enfriamiento empleado. Cuando el material fundido comienza a cristalizar se observa una nueva meseta, que en este caso es debida al desprendimiento de calor durante la cristalización del material (etapa de cristalización). Por último se observa la etapa de enfriamiento final que se mantendrá hasta que la pieza tenga suficiente consistencia para poder ser extraída del molde sin deformarse. A continuación se describe con mayor detalle todo lo acaecido en cada una de las etapas. 3.1. ETAPA DE INDUCCIÓN En la primera etapa el molde con el material en su interior se introduce en un horno de aire forzado que calienta su superficie. En principio el molde y el material están fríos, y el polvo se encuentra sobre la base del molde, de modo que conforme se produce la rotación del molde el polvo sufre un movimiento característico, debido a la rotación del molde y a la acción de la gravedad, como se puede observar en la figura 7.10 donde se representa lo que ocurriría en un molde oval que gira en torno a dos ejes.

265


Figura 7.10. Movimiento del polvo en el interior del molde durante la etapa de sinterización. Cuando comienza el movimiento del molde, el polvo que se encuentra cerca de las paredes del molde gira con éste a su misma velocidad. La capa de polvo en contacto con el molde irá ascendiendo arrastrado por la pared y caerá a la zona central cuando la fuerza de gravedad supere el rozamiento con la pared y entre las partículas. Durante la caída, las partículas de polvo que se encontraban cerca de la pared del molde (más caliente) se mezclan con las demás, que forman lo que llamaremos la balsa de polvo, de modo que la temperatura de las mismas se homogeneiza, y una capa renovada de polvo quedará en contacto con el molde. Mientras tanto el aire del interior del molde estará en contacto directo con la parte del molde que queda al descubierto y con la balsa de polvo. 3.2. ETAPA DE SINTERIZACIÓN Llegado al punto A de la figura 7.9 algunas de las partículas más pequeñas inician la fusión, su superficie externa se hace pegajosa y se adhieren a la superficie del molde. Este punto marca el final de la etapa de inducción y el comienzo de la etapa de sinterización. Conforme el molde gira 266

Tema 7. Moldeo Rotacional diferentes capas de material se van adhiriendo unas sobre otras y de esta forma es como se produce el reparto del material sobre el molde. Cuando todo el polvo ha desaparecido finaliza esta etapa, en el punto B de la curva correspondiente a la temperatura del aire del interior del molde (figura 7.9). Por tanto, durante el periodo comprendido entre A y B coexisten polímero en polvo y fundido. Cuando las partículas de un polímero, y en general de cualquier material sólido se ponen en contacto a elevadas temperaturas tienden a disminuir su superficie total por coalescencia. Este proceso es conocido como sinterización. Durante la sinterización se desarrollan, en primer lugar interfases entre partículas adyacentes, que van creciendo para formar puentes entre partículas. La disminución en el área superficial de las partículas implica la disminución de la energía superficial, por tanto, la tensión superficial es la fuerza impulsora en este proceso. En la figura 7.11 se muestra la evolución de la interfase de partículas adyacentes durante esta etapa.

Figura 7.11. Evolución de la interfase entre partículas adyacentes durante la etapa de sinterización. De este modo durante el proceso de sinterización se produce un aumento de la densidad aparente del material, que pasa de la densidad aparente del polvo con valores próximos a 0.4 g/cm3, a un valor de la densidad cercano a la densidad del fundido (algo menor que la densidad del 267


material sólido). Este hecho se debe tener en cuenta desde el punto de vista de la simulación, como se comentará mas adelante. Los mecanismos que controlan el proceso de sinterización son básicamente la difusión y el flujo viscoso. En el caso de las moléculas de polímero la energía de activación para la difusión es muy alta, por lo que el proceso estará controlado principalmente por el flujo viscoso y, por tanto, por la temperatura. Frenkel obtuvo la siguiente expresión para la velocidad de coalescencia debida al flujo viscoso:

(1)

donde y y a son el radio del cuello y de las partículas, como se muestra en la figura 7.12, y son la tensión superficial y la viscosidad del polímero y t el tiempo.

Figura 7.12. Evolución del radio del cuello entre partículas durante el proceso de sinterización. El modelo de Frenkel es sólo aplicable a partículas redondas del mismo tamaño, además está limitado a materiales newtonianos, si bien es útil como primera aproximación. La mayoría de los polímeros en moldeo rotacional se comportan como Newtonianos, puesto que las velocidades de cizalla implicadas son extremadamente bajas (del orden de 10-4 s-1). Este modelo ha sido extendido por algunos autores para considerar la respuesta viscoelástica de algunos materiales. Sin embargo, dado que la velocidad a la que transcurre el proceso es relativamente lenta y que el tiempo de relajación de los polímeros empleados habitualmente en moldeo rotacional es relativamente alto, se pueden despreciar, en una primera aproximación, efectos viscoelásticos. 268


A partir del modelo de Frenkel se puede establecer qué características del polímero influyen sobre el proceso de sinterización, y por tanto qué polímeros pueden ser aptos para moldeo rotacional. Según este modelo: • La velocidad de sinterización está favorecida cuanto menor sea la viscosidad del polímero; por tanto el peso molecular de los polímeros no debe ser muy elevado (aunque tampoco demasiado bajo porque esto irá en detrimento de las propiedades mecánicas del material) • Por otra parte, cuanto menor sea la curvatura de las partículas (mayor radio) se favorece el proceso. Lógicamente también hay un límite para las partículas demasiado grandes que tardan más en fundir y se moverán peor por el molde • Cuanto mayor sea la tensión superficial más favorecido se verá el proceso, por lo que la presencia de ciertos aditivos y de agentes desmoldeantes no es conveniente 3.3. ETAPA DE DENSIFICACIÓN En el punto B de la figura 7.9 todo el material recién sinterizado se encuentra formando una especie de película fundida que recubre el molde. En el interior del material quedan atrapadas burbujas de aire, consecuencia natural del proceso de sinterización. Durante la etapa de densificación la pieza se mantiene en el horno mientras las burbujas son eliminadas del fundido, hasta obtener un fundido homogéneo. Durante mucho tiempo se ha pensado que las burbujas desparecían por migración hacia la superficie del plástico en contacto con el aire del interior del molde. Sin embargo, esta teoría puede ser fácilmente descartada si se realiza un balance de fuerzas sobre una burbuja inmersa en un plástico fundido, como la que se muestra en la figura 7.13:

269


Figura 7.13. Balance de fuerzas sobre una burbuja de aire inmersa en plástico fundido. se obtiene empuje = peso de la burbuja + resistencia del fundido

(2)

donde r es el radio de la burbuja, ρp y ρb son la densidad del polímero y de la burbuja, η ο es la viscosidad del polímero a cizalla cero, u la velocidad a la que se mueve la burbuja y g la gravedad. Para un diámetro de burbuja de 2,5.10-4 m, tomando como densidad del aire y del polímeros fundido 1 y 950 kg/m3, respectivamente, y la viscosidad del polímero fundido de 1.104 Pa.s, se puede comprobar que el empuje es despreciable dada la alta viscosidad de los polímeros fundidos (se obtiene que la velocidad a la que se mueve la burbuja es de 0.05 mm/h). Actualmente se acepta que las burbujas desaparecen debido a la disolución de las mismas en el fundido. Cuando la temperatura aumenta el oxígeno comienza a disolverse en el polímero (el oxígeno tiene una solubilidad, por ejemplo, en el polietileno de dos veces la del nitrógeno). A temperaturas más altas, además, el oxígeno es reducido por las reacciones de oxidación que tendrán lugar con el polímero. Conforme desaparece el oxígeno la presión parcial del nitrógeno en la burbuja aumenta, con lo que se facilita el proceso de disolución de éste, lo que a su vez provocará un aumento de la 270

Tema 7. Moldeo Rotacional presión parcial del oxígeno. Esta cadena de situaciones se repite hasta que la burbuja desaparece. Cuánto más alta sea la temperatura máxima alcanzada por el fundido, menor será el contenido en burbujas y poros, y por tanto mejorarán las propiedades mecánicas de la pieza, como se puede observar en la figura 7.14, donde se pueden ver los resultados de la energía de impacto para piezas de polietileno rotomoldeadas hasta diferentes temperaturas. La energía de impacto aumenta hasta que la temperatura alcanzada por la pieza es demasiado elevada y en consecuencia se ha iniciado la descomposición del material. La descomposición de material, en contra de lo que se podría pensar, se inicia en la cara interior de las piezas donde, aunque la temperatura máxima alcanzada no será tan elevada como en la cara en contacto con el molde, existe aire en contacto con la pieza, produciéndose reacciones de oxidación.

Figura 7.14. Evolución de la energía de impacto con la temperatura alcanzada por el aire del interior del molde de una pieza de polietileno rotomoldeada. 3.4.

ETAPAS

DE

ENFRIAMIENTO

INICIAL,

CRISTALIZACIÓN

Y

ENFRIAMIENTO FINAL

Cuando el molde se mueve hacia el área de enfriamiento (justo antes del punto C de la figura 7.8), la temperatura sigue aumentando un poco debido al calor residual que queda en el molde y en el polímero fundido. A partir del punto C la temperatura disminuye a una velocidad que depende del 271


sistema de enfriamiento seleccionado, por lo general aire forzado, agua pulverizada o combinaciones de ambos. Durante esta primera etapa de enfriamiento el material se encuentra todavía en estado fundido. La etapa de enfriamiento inicial se prolonga hasta la meseta observada a partir del punto D de la figura 7.8. Para materiales cristalinos se puede apreciar una meseta entre los puntos D y E de la figura 7.8, debido a que el calor latente absorbido durante la fusión es desprendido durante la cristalización, de modo que el aire del interior del molde se mantiene a temperatura prácticamente constante. La extensión de la meseta está directamente relacionada con la cantidad de material que hay en el interior del molde y con la cristalinidad desarrollada por el mismo, de modo que para materiales amorfos no es posible observar esta etapa. Después del proceso de cristalización o solidificación (a partir del punto E de la figura 7.8) el proceso de enfriamiento continúa hasta que el material adquiere suficiente consistencia para poder ser extraído del molde. El material continúa enfriándose y una nueva revisión de la curva muestra un suave cambio de pendiente en el punto F. Esta inflexión tiene lugar cuando la pieza se separa de la pared del molde como consecuencia de la contracción. A partir de ahí el enfriamiento es más lento puesto que hay una capa de aire entre la pared del molde frío y el plástico. Si cuando esto ocurre la pieza tiene una temperatura a la que ya puede ser manipulada se escoge este punto para el desmoldeo. En este caso la separación de la pieza del molde facilita la etapa de desmoldeo. La morfología del material (porcentaje de cristalinidad, tipo y tamaño de microcristales) determina en gran medida las propiedades de las piezas obtenidas (propiedades mecánicas, barrera, ópticas,...) y depende fundamentalmente de la velocidad a la que se realizan las tres etapas de enfriamiento comentadas. Durante el enfriamiento el flujo de calor se invierte respecto de lo que ocurre durante el calentamiento, de forma que la superficie más caliente es la 272

Tema 7. Moldeo Rotacional del interior del plástico. Si las condiciones de enfriamiento son lentas, la pieza se enfría a velocidades homogéneas y no aparecen gradientes de temperatura elevados entre el exterior y el interior. En condiciones de enfriamiento lentas los materiales con capacidad de cristalizar desarrollan contenidos cristalinos altos. En la figura 7.15 se representa como varía el volumen específico de un polímero amorfo y uno cristalino al disminuir su temperatura a altas y bajas velocidades de enfriamiento. Para polímeros cristalinos si se emplean velocidades de enfriamiento bajas se produce una gran reducción del volumen específico, por lo que la densidad del material aumenta mucho al pasar del estado fundido al sólido, de modo que la pieza se encoge. Si por el contrario el enfriamiento es muy drástico, el contenido en cristalinidad medio de la pieza es menor (y también el encogimiento), pero la velocidad a la que se enfrían las capas de material en contacto con el molde es mayor que la velocidad a la que se enfrían las capas del interior, de modo que el material del interior de la pieza tendrá un volumen específico menor que el del exterior. Es, por tanto, más denso el interior que el exterior, de modo que aparecerán tensiones que podrían provocar el alabeo de la pieza.

Figura 7.15. Evolución del volumen específico durante el enfriamiento para un polímero cristalino y otro amorfo a dos velocidades de enfriamiento. En el caso de materiales amorfos, las condiciones de enfriamiento no afectan tanto a las propiedades del material, puesto que la variación de la densidad con la temperatura es pequeña y prácticamente independiente de la 273


velocidad de enfriamiento, hasta el punto de que cuando se emplean estos materiales los moldes se suelen se sumergir en cubas de agua, durando el enfriamiento unos pocos segundos. La figura 7.16 muestra la variación de la cristalinidad, resistencia al impacto y resistencia a la tracción de piezas de PE rotomoldeadas sometidas a diferentes ciclos de enfriamiento. Al aumentar la velocidad de enfriamiento el calor de fusión que presenta el material disminuye, lo que indica un menor contenido cristalino. En consecuencia, en estas condiciones el material es más blando con lo que la resistencia a la tracción disminuye, mientras que la resistencia al impacto aumenta.

Figura 7.16. Evolución de la cristalinidad, resistencia al impacto y resistencia a la tracción para piezas de polietileno en función de la velocidad de enfriamiento en moldeo rotacional. Por tanto habrá que llegar a un compromiso entre velocidad de enfriamiento lenta y rápida. Una velocidad de enfriamiento rápida supone: • ciclos más cortos 274

Tema 7. Moldeo Rotacional • mayor alabeo si se emplea un material cristalino debido a la diferencia de densidad entre el interior y el exterior de la pieza • menor contenido cristalino, por tanto mejores propiedades de impacto pero peor resistencia a la tracción • bajo encogimiento debido a la menor cristalinidad del material Evidentemente una velocidad de enfriamiento lenta supone todo lo contrario, por lo que, teniendo en cuenta qué es lo más importante para el producto que se desea moldear y las características del material, se escogen las condiciones de enfriamiento más adecuadas.

4. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES PARA MOLDEO ROTACIONAL Las características de la resina empleada, junto con las condiciones de procesado, van a determinar la calidad del producto acabado. Las propiedades de las resinas que mayor influencia tienen sobre el producto transformado y sobre el proceso se exponen a continuación. 4.1. FORMA, TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULA DE LA RESINA

El tamaño de la partícula de los polímeros que se emplean en rotomoldeo varía entre 150 y 500 µm. En la figura 7.17 se muestra una distribución de tamaños típica.

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Figura 7.17. Distribución de tamaño de partícula típica para una resina de moldeo rotacional. El tamaño (TP) y la distribución de tamaños de partícula (DTP) juegan un papel fundamental sobre el flujo del polvo en el molde durante las etapas de inducción y sinterización. Las partículas más finas se moverán con facilidad entre las gruesas y serán las primeras en fundir en contacto con el molde caliente. Estas partículas producen varios efectos deseables como son producir texturas finas con un mínimo de porosidad (mejor acabado superficial) y reducir los tiempos de ciclo. Sin embargo, hay al menos dos limitaciones prácticas por las que el tamaño de partícula no debe ser excesivamente fino. Por una parte, para conseguir partículas muy finas la excesiva cizalla y temperatura desarrollada por los equipos de molienda puede conducir a una pérdida de la resistencia de las partículas y a la degradación parcial de las mismas. Por otra parte, mover partículas muy finas por el interior del molde puede conducir a la aparición de altas cargas estáticas y a la aglomeración de las partículas. Esto provocaría una fusión y un espesor de pared poco uniformes. En contraste, si la proporción de partículas gruesas es demasiado grande el proceso de fusión será más lento y el contenido en burbujas y la porosidad superficial mayor.

276

Tema 7. Moldeo Rotacional La forma de las partículas juega un papel muy importante tanto en la transmisión de calor, como en el flujo del polvo durante el rotomoldeo. Las partículas cilíndricas con relación L/D grande presentan diversos tipos de problemas durante el moldeo. Si la etapa de molienda ha sido deficiente pueden obtenerse polvos con una especie de colas o tallos alargados. Polvos de este tipo son difíciles de moldear y presentan propiedades mecánicas pobres. Esto se atribuye al enrollamiento de estas colas, entre las que puede quedar aire atrapado. Por otra parte, cuanto mayor sea la relación entre la superficie de las partículas en contacto con el molde o con otras partículas y su volumen, tanto mejor será la transmisión de calor por conducción hacia la partícula, por lo que desde el punto de vista de la transmisión de calor interesan partículas cúbicas. Por tanto, se puede decir que desde el punto de vista de la transmisión de calor y del flujo del polvo, lo ideal serían polvos de entre 150 y 400 µm, con formas cúbicas y con ángulos muy amplios. Es importante que haya presente una porción de finos tanto para mejorar el flujo del polvo y el acabado superficial como la transmisión de calor. Las partículas alargadas con colas no son deseables. 4.2. PESO MOLECULAR Y DISTRIBUCIÓN DE PESOS MOLECULARES Como medida del peso molecular de las resinas se emplea generalmente el índice de fluidez (MFI). El MFI de las resinas empleadas en rotomoldeo oscila por lo general entre 2 y 10 (g/10 min, 2.16 kg y 190ºC). Un resina con un MFI alto tendrá peso molecular bajo, y por tanto las propiedades mecánicas del producto obtenido serán pobres (impacto y tracción). Sin embargo, los materiales con un MFI excesivamente bajo no son adecuados para rotomoldeo, pues presentan viscosidades altas, lo que dificulta los procesos de sinterización y densificación, y además (o en consecuencia) requieren tiempos de ciclo muy largos.

277


4.3. CRISTALINIDAD La cristalinidad que el material sea capaz de desarrollar depende de su estructura. Los polímeros lineales (no ramificados), de pesos moleculares bajos y, en general, que presenten una estructura más regular (menos imperfecciones e impedimentos estéricos) serán capaces de desarrollar una mayor cristalinidad si el enfriamiento se produce en las condiciones adecuadas. Los polímeros cristalinos presentan mayor densidad, mayor resistencia a la tracción y rigidez, sin embargo son menos tenaces y se encogen y alabean más que los polímeros no cristalinos, como consecuencia de las tensiones que pueden aparecen durante la cristalización, que a su vez son consecuencia de las diferentes velocidades a las que se enfriará el material a lo largo de su espesor.

5. MOLDEO ROTACIONAL DE MATERIALES LÍQUIDOS El rotomoldeo de materiales en forma de polvo presenta ciertas diferencias con el de materiales líquidos. Como se ha descrito previamente los procesos de sinterización y densificación afectan en gran medida al acabado de las piezas y a sus propiedades mecánicas, y por ello se ha descrito el efecto de las características de los polvos de moldeo en estas etapas del proceso. Sin embargo estos procesos no tienen lugar en el caso de emplear materiales líquidos. En este caso la viscosidad mínima alcanzada por los sistemas líquidos dentro del molde, así como la evolución de la viscosidad con la temperatura juegan un papel fundamental. El efecto de la temperatura del horno y de la velocidad de rotación también es diferente en comparación con los sistemas sólidos. Los sistemas líquidos empleados en moldeo rotacional son fundamentalmente plastisoles de PVC y en ocasiones resinas reactivas como poliuretanos, poliamidas, poliesteres, epoxis, siliconas y sistemas de ureaformaldehído. En el caso del empleo de sistemas líquidos la reproducción de detalles y el acabado superficial suele ser mucho mejor que en el caso del rotomoldeo de polvos, si bien existe una serie de problemas asociados al 278

Tema 7. Moldeo Rotacional empleo de sistemas líquidos, sobre todo en lo que se refiere a la distribución de espesores del material en el molde. Como se ha comentado, los plastisoles de PVC son suspensiones de PVC de emulsión en un plastificante. Las formulaciones contienen además otros aditivos como pigmentos o estabilizantes térmicos y se emplean para la producción de muñecas, balones de playa y otros productos blandos. En principio se podría pensar que los requerimientos mecánicos de estas piezas no son excesivamente elevados, sin embargo la inserción de los ojos o el pelo en las cabezas de muñecas, o de mecanismos en piernas y brazos y el montaje final de estas piezas suponen grandes niveles de carga aplicados sobre las mismas. Además por lo general se trata de piezas de forma compleja y que requieren una reproducción de detalles muy precisa. En la figura 7.18 se muestra la evolución de la viscosidad de una serie de plastisoles formulados con plastificantes de diferentes familias hasta que la viscosidad alcanza el valor de 10 Pa.s. A partir de este valor de viscosidad se estima que los plastisoles ya no serán capaces de fluir y por tanto el reparto del material en el molde debería haberse producido satisfactoriamente una vez alcanzado este punto, o en caso contrario se obtendría una pieza defectuosa. La forma de estas curvas es muy similar para todos los sistemas líquidos que se utilizan en moldeo rotacional, incluidas las resinas reactivas, aunque los mecanismos por los que se produce el aumento de viscosidad son realmente muy diferentes. En el caso de los plastisoles, cuando comienza a calentarse el material dentro del molde, inicialmente se produce una reducción de la viscosidad como consecuencia del calentamiento del sistema. A continuación las partículas de PVC comienzan a hincharse y a adsorber plastificante con lo que se produce un marcado aumento de la viscosidad. Este proceso es conocido como gelificación. La viscosidad mínima alcanzada por el plastisol, la temperatura a la que se alcanza esta viscosidad, y la velocidad de aumento de la viscosidad con la temperatura condicionan el reparto del material en el interior del molde, y variables como la temperatura del horno o la velocidad de rotación del molde en torno a los dos ejes son fundamentales para obtener 279


una pieza con un reparto adecuado. Como se puede apreciar en la figura 7.18, dependiendo del tipo de plastificante se obtiene un comportamiento diferente, y lo mismo ocurre con el tipo de resina y con la proporción relativa entre ambos.

Figura 7.18. Evolución de la viscosidad de los plastisoles de PVC con la temperatura (DBP disobutil ftalato; DHA diheptil adipato; DOP diisooctil ftalato; ATBC tributil citrato; DNA diisononil ftalato). Por otra parte, para obtener una pieza de la consistencia adecuada a partir de un plastisol no basta con que el reparto sea el adecuado, si no que además las propiedades mecánicas deben haberse desarrollado completamente. La figura 7.19 muestra el comportamiento reológico de un plastisol de PVC que contiene 65 phr de plastificante. En este caso se muestra la curva completa. Como se ha comentado, durante el proceso de gelificación el plastificante (fase continua) es adsorbido por la resina (fase discontinua), de modo que las partículas de PVC se hinchan y cada vez habrá menos plastificante libre en el medio, y como consecuencia se produce un marcado aumento de la viscosidad. Si la temperatura sigue aumentando además se producirá la fusión de los microcristales de PVC, y la mezcla formada por las partículas de PVC hinchadas con el plastificante, los microcristales de PVC y el resto de plastificante libre, acabará formando una masa homogénea. Este 280

Tema 7. Moldeo Rotacional proceso se conoce como fusión del plastisol (aunque no es una fusión en el sentido estricto). Es importante que estas etapas se hayan completado adecuadamente con objeto de que el material sea capaz de desarrollar por completo sus propiedades mecánicas. El valor de la viscosidad máxima alcanzada por el plastisol se relaciona con las propiedades mecánicas que desarrollará el material.

Figura 7.19. Curva viscosidad-temperatura para un plastisol de PVC.

6. INNOVACIONES EN MOLDEO ROTACIONAL Existen tres claros inconvenientes del moldeo rotacional frente a otras técnicas de transformación, que se han ido comentando a lo largo del tema y que son: • Ciclos relativamente largos, pues en cada etapa el molde debe calentarse desde temperatura ambiente hasta altas temperaturas y luego enfriarse otra vez • La superficie de los productos rotomoldeados resulta relativamente pobre debido a la alta porosidad, y esto no es sólo un problema estético, sino a veces también higiénico. Además el alto contenido en burbujas 281


resulta en pobres propiedades mecánicas. La eliminación completa de las burbujas implica altos tiempos de horno, y en ocasiones esto puede suponer la degradación parcial del material • El alabeo es un problema frecuente en piezas rotomoldeadas, situación que se agrava en piezas grandes con superficies planas, tan frecuentes en moldeo rotacional Hay muchas estrategias que los rotomoldeadores adoptan para evitar estos problemas, como la introducción de aire frío-caliente en el interior del molde para reducir tiempos de ciclo, flameado de piezas porosas, diseño especial o acabados especiales en piezas grandes que evitan o disimulan el alabeo. Las investigaciones en moldeo rotacional suelen centrarse en mejorar cualquiera de los tres aspectos mencionados. Entre los desarrollos más importantes que se están realizando para mejorar el proceso se encuentra la calefacción por infrarrojos, la calefacción por microondas y la presurización de moldes. 6.1. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE CALEFACCIÓN Existen máquinas de rotomoldeo comerciales que emplean calefacción mediante infrarrojos, que resultan más eficientes que las máquinas convencionales aunque de momento no se están empleando demasiado en la industria. Por otra parte, la calefacción mediante microondas parece muy prometedora, pero todavía se encuentra en fase de desarrollo: los ciclos pueden reducirse hasta en un 70%, si bien presenta el inconveniente de que, en principio, sólo se puede emplear con materiales polares y que los moldes deben estar fabricados con materiales transparentes a los microondas (apolares), como el teflón o el vidrio, que son materiales de baja resistencia. Las investigaciones que se están realizando van encaminadas hacia estudios en el tipo de materiales para moldes. 282

Tema 7. Moldeo Rotacional 6.2. PRESURIZACIÓN DE MOLDES La presurización de moldes todavía no ha sido implantada en la industria de forma generalizada, pero es la innovación que por el momento parece más prometedora. Se trata de introducir una ligera presión por el conducto de venteo del molde. La presión debe introducirse una vez que el polímero se encuentra completamente fundido y mantenerse tan sólo en el intervalo de temperaturas en que se mantiene fundido. Una vez que las burbujas se han producido en el fundido la presión actúa como una fuerza impulsora que provoca que las burbujas de gas se difundan a través del polímero hacia el exterior, como se muestra en la figura 7.20.

Figura 7.20. Efecto de la introducción de sobrepresión en el interior del molde durante las etapas de densificación y enfriamiento inicial. Dependiendo de la presión aplicada, el proceso de eliminación de burbujas puede requerir tan sólo unos segundos. En general, las presiones necesarias dependen de la viscosidad del polímero al comienzo de la presurización. Para la mayoría de los materiales una sobrepresión de 0.5 bares es suficiente para eliminar completamente las burbujas, y en muchos casos es suficiente con sólo 0.2 ó 0.3 bares. La principal ventaja de presurizar los moldes es la mejora en la calidad de los productos debido a la eliminación de las burbujas y los poros, lo que a su vez implica la mejora de propiedades mecánicas. La presurización proporciona además otras mejoras, como son una reducción de ciclos de horno (figura 7.21) puesto que las burbujas se eliminan rápidamente, y una mejora en las deformaciones y alabeos al obtenerse velocidades de enfriamiento más uniformes durante la primera etapa de enfriamiento. 283


Figura 7.21. Evolución del a temperatura del aire del interior del molde para un ciclo convencional y un ciclo con presurización. El empleo de presión, sin embargo, tiene ciertas limitaciones y puede resultar extremadamente peligroso si no se toman las precauciones oportunas. Para soportar las importantes fuerzas implicadas en el proceso de presurización se deben emplear moldes suficientemente resistentes (se debe tener en cuenta que aunque las sobrepresiones empleadas son relativamente pequeñas la superficie de los moldes típicos es muy grande, con lo que las fuerzas de apertura desarrolladas también lo serán). No es recomendable emplear presión en moldes no preparados para ello, pues incluso el empleo de presión una moderada puede causar la distorsión y hasta la rotura de los moldes. Los moldes deben estar especialmente fabricados para el empleo de presión, no deben tener superficies planas muy grandes o estas superficies deben tener estructuras de refuerzo, deben tener acabados superficiales muy buenos y líneas de partición muy bien definidas y por último deben incorporar una válvula de seguridad.

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R. J. Crawford, “Rotational Moulding of Plastics”. John Wiley & Sons Inc. New York, 1996. Glenn L. Bell, “Rotational Molding. Design, Materials, Tooling and Processing” Hanser, Munich, 1998. D.H. Morton-Jones, Douglas M. Bryce, “Polymer Processing”, Chapman & Hall, Londres, 1991. R. J. Crawford and J. A. Scott, “A Fresh Look at the Manufacturing of Plastic articles by Rotational Moulding”. Proc. 2nd IMC Conference Jordanstown, 1985, p. 495-513. J. L. Throne, “Principles of Rotational Molding”, Polym. Eng. Sci., 1972, Vol 12, No. 4, 237-264. W.V. Titow, “PVC Plastics”, Elsevier Sci. Ltd., 1990. M. Kontopoulou and J. Vlachopoulos, “Melting and Densification of Thermoplastic Powders”, Polym. Eng. Sci., Vol. 41, (2), 2001. R.J. Crawford and P. Nugent, “Computer Simulation of the Rotational Moulding Process for Plastics”, Plast. Rubb., Process. Appl., Vol. 11(2), 1989. A Marcilla, J.C. García, R. Ruiz, S.Sanchez, C. Vargas and M.I. Beltrán, “Rotational Moulding of PVC Plastisols”, Intern. Polym. Process., Vol. XX(1), 2005.

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TEMA 8. SOPLADO DE TERMOPLÁSTICOS 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................. 287 1.1. Técnicas de soplado ..................................................................... 288 2. PROCESO DE EXTRUSIÓN-SOPLADO............................................. 289 2.1. Obtención del precursor ............................................................... 289 2.2. El perno de soplado...................................................................... 292 2.3. Molde de soplado ......................................................................... 294 2.4. Tipos de extrusión-soplado .......................................................... 295 2.4.1. Extrusión-soplado continua ............................................... 295 2.4.2. Extrusión intermitente ....................................................... 299 3. PROCESO DE INYECCIÓN-SOPLADO ............................................. 301 4. MOLDEO POR TENSIONADO-SOPLADO (STRETCH BLOW MOLDING)............................................................................................ 304 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA ..................................................... 309 Resumen En este tema se estudian los principios básicos del proceso de soplado, la obtención del precursor, las principales características del perno y del aire de soplado, así como del molde de soplado. A continuación se abordan las principales técnicas de soplado; extrusión-soplado, inyección-soplado, y tensionado-soplado, las principales ventajas y desventajas de cada técnica respecto a las otras, así como las características de las piezas obtenidas.

Tema 8. Soplado de Termoplásticos 1. INTRODUCCIÓN El soplado de materiales termoplásticos comenzó durante la Segunda Guerra Mundial. El PS fue el primer material que se usó en el desarrollo de las primeras máquinas de soplado, y el LDPE el que se empleó en la primera aplicación comercial de gran volumen (un bote de desodorante). La introducción del HDPE y la disponibilidad comercial de las máquinas de soplado, condujo en los años 60 a un gran crecimiento industrial. Hoy en día es el tercer método más empleado en el procesado de plásticos. Durante muchos años se empleó casi exclusivamente para la producción de botellas y botes, sin embargo los últimos desarrollos en el proceso permiten la producción de piezas de geometría relativamente compleja e irregular, espesor de pared variable, dobles capas, materiales con alta resistencia química, etc., y todo ello a un coste razonable. Básicamente el soplado está pensado para su uso en la fabricación de productos de plástico huecos; una de sus ventajas principales es su capacidad para producir formas huecas sin la necesidad de tener que unir dos o más partes moldeadas separadamente. Aunque hay diferencias considerables en los diferentes procesos de soplado, como se verá a continuación, todos tienen en común la producción de un precursor o preforma, su colocación en un molde hembra cerrado, y la acción de soplarlo con aire para expandir el plástico fundido contra la superficie del molde, creando así el producto final. Además es posible mejorar la eficiencia del proceso de enfriamiento y el tiempo de ciclo con el empleo de gases. También es frecuente la inserción de láminas impresas en el molde para obtener un producto totalmente terminado sin la necesidad de una etapa posterior de decorado o acabado. Las diferencias entre las técnicas de soplado se encuentran en la forma de obtener el precursor (por extrusión o por inyección). Además en el soplado convencional el precursor se usa caliente, tal y conforme sale del extrusor o de la máquina de inyección, aunque también puede almacenarse frío, especialmente en el caso de inyección-soplado y recalentarse posteriormente. La manera en la que se traslada el precursor al molde de soplado también

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puede ser diferente en los distintos procesos. A pesar de todo lo anterior, los pasos básicos del proceso son iguales: 1. Fundir el material 2. Obtener el precursor 3. Introducir el precursor hueco en el molde de soplado 4. Insuflar aire dentro del precursor que se encuentra en el molde 5. Enfriar la pieza moldeada 6. Retirar la pieza del molde El proceso de soplado compite con el de moldeo rotacional pues las dos técnicas se emplean para fabricar piezas huecas. En principio mediante inyección y termoconformado podría obtenerse piezas de este tipo pero sería necesario unir o ensamblar diferentes partes de la pieza en una etapa posterior. Mediante moldeo rotacional se pueden obtener piezas más grande y de forma más compleja que mediante soplado. Sin embargo, el acabado superficial es más adecuado en soplado, y a pesar de que el proceso de soplado requiere la fabricación de la preforma, resulta más interesante que el moldeo rotacional en producciones grandes. Mediante soplado es posible producir piezas de espesor muy fino, que no podrían obtenerse mediante moldeo rotacional ni mediante inyección, aunque sí mediante termoconformado. Tanto en moldeo rotacional como en soplado convencional sólo se emplean dos mitades de un molde hembra, por lo que es posible variar con mucha facilidad el espesor de pared de las piezas, si bien en general es posible un mejor control de la distribución de espesores en soplado. En cualquier caso con estas técnicas no es posible alcanzar las tolerancias obtenidas mediante inyección. Por otra parte en soplado es posible emplear materiales con pesos moleculares muy elevados, lo que implica alta permeabilidad, resistencia UV y resistencia a la oxidación. 1.1. TÉCNICAS DE SOPLADO Como se ha comentado, básicamente los precursores se pueden obtener mediante inyección y extrusión, y las técnicas de soplado se pueden agrupar en extrusión-soplado, inyección-soplado y tensionado-soplado. En ésta última 288

Tema 8. Soplado de Termoplásticos se obtienen piezas biorientadas y el precursor se fabrica por medio de alguna de las técnicas anteriores (extrusión-soplado o inyección-soplado). Aproximadamente el 75% de las piezas sopladas se fabrican mediante extrusión-soplado y el 25% mediante inyección-soplado. Dentro de estas últimas el 75% son biorientadas (tensión-soplado). Mediante extrusiónsoplado se pueden obtener velocidades de producción muy elevadas y los costes de producción son bajos, sin embargo se producen muchos recortes y el control del espesor de pared y de la distribución de espesores es muy limitado. Mediante inyección-soplado el control de espesor de las piezas es muy bueno y no se producen recortes, sin embargo sólo se puede emplear para piezas relativamente pequeñas y el coste de producción es mucho mayor. Mediante tensión-soplado se obtienen piezas de muy buena transparencia, buenas propiedades mecánicas y de barrera (impermeables a gases), si bien el proceso es más caro que los anteriores.

2. PROCESO DE EXTRUSIÓN-SOPLADO Los equipos de extrusión-soplado constan de una extrusora con un sistema plastificador (cilindro-tornillo) de las mismas características que se estudiaron en temas previos, que deben permitir obtener un fundido uniforme a la velocidad adecuada. Se requiere además de un cabezal que proporcione un precursor (o parison) de forma tubular, con la sección transversal deseada. El equipo además consta de una unidad de soplado y un molde de soplado. A continuación se explican todas aquellas partes del equipo diferentes de las estudiadas en temas previos como son el cabezal de extrusión para la obtención del precursor, el perno de soplado y el molde de soplado. 2.1. OBTENCIÓN DEL PRECURSOR La primera etapa para conseguir una pieza de las características finales adecuadas es la obtención del precursor. En la figura 8.1 se puede observar la vista frontal de una boquilla de una máquina de extrusión empleada en este tipo de procesos. 289


Figura 8.1. Vista frontal de un cabezal típico de extrusión empleado para la fabricación de preformas. El espesor de pared del precursor dependerá del tamaño de la boquilla y del mandril de la máquina de extrusión, por lo que el diseño de estas partes de la máquina de extrusión debe ser muy preciso. En la mayoría de las extrusoras empleadas para la obtención de preformas para soplado, los extremos de la boquilla y del mandril central son regulables, de modo que se puede modificar el diámetro interno del precursor, y por tanto su espesor, lo que se conoce como programación del precursor (figuras 8.2 y 8.3). En este sistema el mandril se mueve con respecto a la boquilla, que permanece fija, de forma que se varía el espesor de pared del precursor durante cada ciclo, de este modo se puede obtener una distribución de espesor constante en la pared de los productos una vez moldeados al contener más material las partes de la pieza que se estirarán más durante el soplado (figura 8.3). En la actualidad las máquinas modernas de extrusión están preparadas para modificar el espesor de pared más de 100 veces en un mismo precursor.

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Tema 8. Soplado de Termoplásticos

Figura 8.2. Programación del precursor.

Figura 8.3. Distribución de espesores conseguida en una botella normal y una con precursor programado. Existen otras posibilidades para modificar el espesor del precursor, y, por tanto de conseguir una distribución de espesores más uniforme de la pieza moldeada, como por ejemplo: • variar la velocidad de extrusión • variar la presión en la extrusora 291


• modificar el tamaño de la boquilla manteniendo constante el tamaño del mandril El tipo de material es un factor que condicionará mucho la calidad del producto obtenido. Las resinas empleadas en extrusión-soplado deben tener una viscosidad alta en estado fundido y además el fundido debe desarrollar una resistencia elevada, de modo que la deformación que sufra el material cuando sale de la máquina de extrusión hasta que es soplado sea mínima. En caso contrario el hinchamiento que sufre el material cuando sale de la boquilla de extrusión, junto con la deformación causada por el efecto de la gravedad cuando el precursor queda colgando hacia abajo, provocarían un espesor muy grande en la parte inferior del precursor y deficiente en la parte superior, que en algunos casos podría ser compensada con una programación del precursor adecuada, pero que en la mayoría provocaría piezas de calidad deficiente. En general las resinas empleadas en extrusión-soplado deben tener un elevado peso molecular, lo que proporciona alta viscosidad y alta resistencia del fundido, así como alta resistencia al impacto. Otra característica importante de la resina es su extensibilidad que delimita la máxima relación de soplado que puede alcanzarse y si las esquinas y ángulos podrán moldearse de manera adecuada. 2.2. EL PERNO DE SOPLADO En el moldeo por soplado, el aire se introduce a presión dentro del precursor, de modo que éste se expande contra las paredes del molde con tal presión que capta los pormenores de la superficie del molde. Por este motivo es muy importante controlar la entrada del aire, lo que se hace mediante un tamaño adecuado del orificio de entrada del aire ya que si el canal de entrada es demasiado pequeño, el tiempo de soplado requerido será excesivamente largo, o la presión ejercida sobre el precursor no será adecuada para reproducir los detalles de la superficie del molde. Para evitar esto, se han establecido unas reglas generales en la determinación del tamaño óptimo del orificio de entrada de aire, en función del tamaño de la pieza, como se muestra en la tabla 8.1:

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Tema 8. Soplado de Termoplásticos Tabla 8.1. Dimensiones del perno de soplado en función del tamaño de la pieza Diámetro del orificio Capacidad de la pieza (mm) (L) 1.6 1 4 1-4 13 4-200 Normalmente, la presión del aire que se emplea para soplar los precursores está comprendida entre 250 y 1000 kg/cm2. En ocasiones si se utiliza una presión de aire demasiado grande puede ocurrir que el precursor se agujeree, mientras que si la presión es demasiado baja el precursor no reproduce con exactitud la forma del molde. En general se puede decir que interesa una presión de aire de soplado elevada para que se pueda conseguir un tiempo de soplado mínimo (resultando velocidades de producción más elevadas) y piezas terminadas que reproduzcan fielmente la superficie del molde. Ahora bien, este aire de soplado puede provocar tensiones y enfriamiento en la zona del plástico sobre la que actúa. Otro factor a tener en cuenta es la humedad del aire de soplado ya que ésta puede provocar marcas sobre la superficie interior del producto. Esta apariencia defectuosa es particularmente desagradable en artículos de paredes delgadas como los botes de leche. Para prevenir este problema se suele emplear aire seco. Por último el perno de soplado debe tener la longitud adecuada. Si es demasiado largo puede ocurrir que el aire se “enfoque” contra una zona caliente del plástico determinada, provocando defectos en ésta zona. Para producir cuellos de botella moldeadas por soplado de elevada calidad, se han desarrollado pernos que comprimen el material en esta zona del molde. En estos procesos, el perno de soplado se introduce dentro del precursor caliente, comprimiendo en exceso el plástico dentro del cuello, llenando el interior de los canales del molde, y formando una superficie lisa en su interior, tal como se muestra en la figura 8.4. 293


Figura 8.4. Molde de soplado y producción del cuello de las botellas mediante compresión del material por el perno de soplado. 2.3. MOLDE DE SOPLADO Puesto que los moldes en soplado no tienen que soportar elevadas presiones la cantidad de materiales disponibles para su construcción es grande. Para piezas pequeñas se emplean moldes de aluminio, acero, aleaciones de cobre-berilio. Los moldes de aluminio presentan muy buena conductividad térmica, son fáciles de fabricar y pero su durabilidad no es muy elevada. En comparación los moldes de acero son más duraderos y rígidos, y los de Cu/Be son los que presentan mejor conductividad térmica. Los moldes de aluminio son los más empleados pues son los que presenten el mejor equilibrio entre conductividad térmica, duración y coste: La mayoría de los moldes empleados en soplado no son capaces de proporcionar capacidad tan elevada de enfriamiento como los moldes empleados en inyección, lo que pasa por un diseño adecuado de los canales de refrigeración del molde. En soplado, al igual que ocurría en moldeo rotacional, la pieza se enfría solo por la superficie externa, aparte de la pequeña contribución al enfriamiento que realiza el aire de soplado, de modo 294

Tema 8. Soplado de Termoplásticos que el enfriamiento es bastante deficiente si se compara con el proceso de inyección. 2.4. TIPOS DE EXTRUSIÓN-SOPLADO 2.4.1. Extrusión-soplado continua En las máquinas de extrusión continua para soplado el precursor tubular fundido se produce sin interrupción. La secuencia de operaciones más habitual se muestra en la figura 8.5. Una vez que el precursor ha alcanzado la longitud necesaria el molde de soplado se sitúa alrededor del precursor, cerrándose en torno a él. Cuando esto ocurre el precursor se corta con una cuchilla o un alambre caliente. A continuación el molde portando el precursor se desplaza hacia la siguiente estación, dejando paso al siguiente precursor. El siguiente paso es la entrada del perno de soplado en el molde, la introducción del aire, generalmente frío en el interior de la pieza y el enfriamiento de la misma dentro del molde.

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Figura 8.5. Proceso de extrusión continua. Las diferencias entre los distintos tipos de máquinas se basan en la forma como los moldes de soplado o los precursores son transportados a las diferentes zonas del proceso. Otra diferencia es la forma como se insufla el aire dentro del molde. En las máquinas de tipo lanzadera, como la que se muestra en la figura 8.6 hay dos moldes que se desplazan alternativamente a derecha y a izquierda, de modo que mientras que en uno se introduce la preforma, el otro se encuentra en la etapa de soplado y enfriamiento.

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Figura 8.6. Máquina de extrusión-soplado continua de tipo lanzadera. Puesto que los moldes de soplado son muy pesados, en muchas ocasiones la velocidad de producción o el tamaño de los objetos a moldear viene limitado por el hecho de que los moldes deben trasladarse a las diferentes unidades del proceso. Por ejemplo, en las máquinas de tipo rotatorio (figura 8.7), los moldes van montados sobre una rueda que gira. Los moldes se cierran alrededor del precursor, que se extruye de forma continua, y conforme la rueda gira desplaza a los moldes hacia las zonas de soplado y enfriamiento. El aire de soplado penetra a través del perno que se introduce lateralmente. Este equipo rotatorio puede constar de hasta 20 moldes proporcionando un elevado rendimiento; los altos costes del material y la complejidad del sistema limitan este tipo de máquina y se emplean generalmente para el moldeo de envases para productos como lejías, detergentes, aceites de motor y alimentos. En este tipo de máquinas a veces se moldean dos piezas a la vez a partir de un único precursor, como se muestra en la figura 8.8. En este caso la aguja entra en la mitad del precursor para soplar las dos piezas simultáneamente.

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Figura 8.7. Máquina de extrusión-soplado continua tipo rotatorio.

Figura 8.8. Soplado de dos piezas simultáneamente. Otro método de extrusión continua emplea un mecanismo de transferencia para separar el precursor de la boquilla y colocarlo entre las mitades del molde de soplado. De esta forma los moldes no se desplazan, sino que es el precursor el que lo hace. En muchas máquinas de esta clase, el precursor se sitúa sobre el perno de soplado y los modes se soplan desde abajo (figura 8.9).

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Figura 8.9. Método de transferencia del precursor. 2.4.2. Extrusión intermitente Esta clase de equipo almacena el material fundido generado por la extrusora mientras la pieza moldeada está siendo soplada y enfriada. Cuando el molde está abierto, el fundido acumulado es forzado a través de la boquilla para fabricar el precursor (o precursores). La ventaja de la extrusión intermitente es que el fundido almacenado puede usarse para producir grandes precursores rápidamente. Esto es importante al emplear materiales en los que el fundido carece de resistencia y para fabricar artículos muy grandes tales como bidones de más de 200 litros de capacidad, tanques de combustible o envases industriales. La extrusión intermitente puede realizarse con el uso de un tornillo extrusor con retroceso, un pistón-acumulador o una boquilla acumuladora. En la figura 8.10 se muestra una máquina de tornillo con retroceso. Al rotar el tornillo el plástico fundido pasa hacia la parte anterior del mismo, y la presión que genera el plástico empuja al tornillo en la 299


dirección opuesta, de forma similar a como ocurre en las máquinas de inyección convencionales. Cuando se ha producido la cantidad necesaria de fundido, un cilindro hidráulico mueve el tornillo hacia adelante, forzando al plástico a salir fuera de la boquilla para formar el precursor.

Figura 8.10. Máquina con tornillo con retroceso para soplado. Cuando las piezas tienen un peso superior a 20 kg, se trabaja con máquinas de pistón acumulador (figura 8.11). Las aplicaciones típicas incluyen piezas industriales, envases para navegación y juguetes. El tamaño del extrusor es independiente del tamaño del acumulador, y en algunos casos se utiliza más de un extrusor para alimentar a un único acumulador. El diseño del acumulador debe ser tal que permita que el primer material que entra sea el primero en abandonar la cámara, en caso contrario el proceso no se puede aplicar para materiales muy sensibles a la temperatura.

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Figura 8.11. Máquina con sistema acumulador.

3. PROCESO DE INYECCIÓN-SOPLADO En el proceso de moldeo por inyección-soplado, el precursor es inyectado en lugar de extruído. La cantidad exacta de precursor se inyecta sobre una barra central y todavía fundido se transfiere a la estación de soplado, donde se expande hasta su forma final y se enfría en el molde de soplado. El método Gussoni es muy empleado por la industria y utiliza una mesa rotatoria horizontal (figura 8.12) alrededor de la cual se monta la parte positiva del molde del precursor (barra central). En la primera estación, la parte negativa del molde del precursor se cierra sobre la positiva, y los precursores son inyectados por una máquina de inyección convencional. El molde de inyección se abre y el precursor se traslada sobre la barra central 301


hasta la siguiente estación, donde el molde de soplado se cierra alrededor del precursor caliente, y se sopla a través de la abertura que hay en la barra central. Después del enfriamiento, los artículos soplados se retiran del molde. La figura 8.12 representa el proceso global para una máquina de 3 estaciones. Algunas máquinas de moldeo por inyección tienen una cuarta estación que puede usarse para diferentes propósitos, como el tratamiento superficial del material o etiquetado de botellas después del soplado, el presoplado el precursor antes de la estación de soplado, proporcionar tiempo extra de enfriamiento, inserción de piezas metálicas en la barra central, etc.

Figura 8.12. Proceso de inyección-soplado. Las diferencias entre las máquinas comerciales de inyección-soplado residen básicamente en la disposición de las diferentes estaciones y en la forma en que la barra central es transferida de una estación a otra. Las ventajas del moldeo por inyección-soplado respecto al proceso de extrusión-soplado son las siguientes: • El proceso produce artículos totalmente terminados y no se producen recortes • La alta calidad del moldeo del cuello proporciona una precisión dimensional importante y acabados “aptos para niños”

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Tema 8. Soplado de Termoplásticos • Los precursores moldeados por inyección permiten un control preciso del peso y del espesor de la pared • No hay señal del punto por donde se introduce el perno de soplado en la botella • Alta productividad Entre los inconvenientes del moldeo por inyección se encuentra que no puede usarse para producir botellas con asas, y el coste de la maquinaria es mucho más elevado que el del moldeo por extrusión-soplado, ya que la producción de un envase individual requiere un molde de inyección una barra central, y un molde de soplado. Este elevado coste puede compensarse por la alta productividad para envases pequeños, donde el número de cavidades es elevado. Los procesos de inyección no se suelen emplear para producciones cortas o para botellas de un tamaño superior a ½ litro. Por otra parte la cantidad de materiales que se pueden emplear en inyección-soplado es muy superior a la de los que se emplean en extrusiónsoplado, pues no este proceso no se requiere una resistencia del fundido elevada. El PET, por ejemplo, que se emplea en botellas de bebidas carbonatadas no tiene un buen comportamiento en extrusión-soplado pero sí resulta adecuado para inyección-soplado. En la actualidad, las botellas de vidrio para medicamentos están siendo sustituidas por botellas de PP obtenidas mediante este proceso. Hay tres factores importantes implicados en la evaluación de una máquina de moldeo por inyección. El primero es la capacidad de plastificación de la máquina de inyección, además el sistema de cierre de la máquina debe ser suficiente para resistir la presión de llenado y el tercer factor es el tiempo mínimo requerido para realizar los movimientos de los moldes. Esto puede hacerse en un intervalo que va de 1½ a casi 3 segundos. Todos estos factores deben tenerse en cuenta antes de seleccionar el tipo de máquina adecuado para obtener un producto determinado. El diseño del precursor en los procesos de inyección es crítico. Puede diseñarse para tener un espesor de pared en el cuerpo del precursor de 303


aproximadamente 1 a 5 mm. La longitud del precursor se diseña de forma que quede un espacio hasta el extremo del molde de soplado de 1 mm, de modo que la tensión que sufra el material en esa dirección al ser soplado sea mínima. El diámetro de la barra central está prácticamente determinado por la dimensión máxima interna final del envase deseado. Para determinar el espesor de la pared del precursor, es necesario saber qué espesor de pared se desea en el artículo final así como el diámetro máximo interior del artículo moldeado.

4. MOLDEO POR TENSIONADO-SOPLADO (STRETCH BLOW MOLDING) El proceso de tensión-soplado se emplea básicamente para producir botellas para bebidas carbonatadas que deben ser impermeables al CO2, y que deben por tanto soportar las presiones que pudieran desarrollarse en su interior (hasta 5 atm) y además poseer muy buena transparencia. La idea de fabricar este tipo de botellas surgió de Coca-Cola, quien había observado que el consumo del producto aumentaba si se vendía en botellas grandes, y en principio comenzó a envasarse en botellas de vidrio de 2L. Estas botellas resultaban demasiado pesadas, y por otra parte la crisis del petróleo de los años 70 llevó al desarrollo del proceso de tensión-soplado. Es curioso resaltar que aunque los plásticos se obtienen directamente del petróleo, otros materiales como el aluminio o el vidrio consumen cantidades mucho mayores de petróleo, debido a que son necesarias grandes cantidades de energía durante su procesado. El envase que se pretendía fabricar para Coca Cola (bebida altamente carbonatada que contiene 4 volúmenes de CO2 por volumen de líquido) debía tener una serie de requerimientos importantes. Por una parte debía soportar las elevadas presiones que pueden llegar a desarrollarse en una botella de este tipo sin romperse, ni deformarse, ni sufrir pérdidas de presión. Un bote de este tipo es realmente una vasija de presión, para la que el mejor diseño sería una esfera, lo que no resultaría práctico. La siguiente mejor forma es un cilindro con los cantos semiesféricos. Además, este envase no debía dilatarse en largos 304

Tema 8. Soplado de Termoplásticos periodos de almacenamiento, ni perder la forma, ni el sabor del líquido que contiene, ni el contenido en CO2. Además debía ser altamente transparente. El proceso para fabricar estos envases fue finalmente desarrollado y patentado por DuPont en los años 70, y hasta hace relativamente pocos años sólo se fabricaban botellas mediante este proceso para Coca-Cola. En el proceso de tensión-soplado se obtiene la preforma mediante inyección, aunque ocasionalmente se puede obtener mediante extrusión. La preforma se templa en un molde muy frío, de modo que se evita que cristalice el polímero. A continuación el polímero debe recalentarse a una temperatura superior a su Tg. Una vez que se alcanza esta temperatura se produce el tensionado de la pieza en las direcciones axial y radial. Para ello, por una parte la barra central de la máquina sobre la que se obtiene la preforma se alarga y simultáneamente se introduce el aire de soplado en la pieza, como se muestra en la figura 8.13. Tras la obtención de la preforma se debe impedir la cristalización del material para evitar que pudieran aparecer zonas opacas, por ello el enfriamiento al que se somete la preforma debe ser muy rápido. Una vez que se obtiene la preforma totalmente amorfa, se calienta a una temperatura ligeramente superior a la Tg (95-100ºC para el caso del PET) y se le somete a tensión, lo que induce a la formación de pequeñas lamelas de cristales, suficientemente pequeñas para mantener la transparencia. Un material procesado de esta forma es mucho más tenaz y resistente que él mismo amorfo o cristalino. El PET es el que presenta una mayor mejora de propiedades debido al tipo y tamaño de los cristales obtenidos al tensionarlo. Las propiedades barrera y la transparencia de los plásticos también pueden mejorarse mediante la orientación de las moléculas del polímero. El moldeo por tensión-soplado permite normalmente un ahorro mínimo del 10% del peso por envase y superior al 30% en tamaños por encima de un litro para unas mismas propiedades mecánicas.

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Figura 8.13. Proceso de tensión-soplado.

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Tema 8. Soplado de Termoplásticos El polímero que más se emplea en este proceso es el PET. Otros polímeros como el PVC, el SAN, PAN, nylon o el PP también presentan un buen comportamiento en este proceso, sin embargo el PET se emplea con diferencia en los millones de botellas de bebidas carbonatadas que se fabrican diariamente. Hay básicamente dos métodos para obtener piezas mediante tensiónsoplado. En el método en dos etapas las preformas se obtienen mediante inyección y se almacenan, y más tarde se recalientan a la temperatura de orientación para tensionarlas y soplarlas, como se mostró en la figura 8.13. Este sistema en dos etapas es conocido como proceso de recalentado-tensiónsoplado. El segundo método es un proceso continuo en el cual los precursores moldeados son inmediatamente acondicionados a la temperatura de orientación y entonces se tensionan y se soplan (proceso en 1 etapa). En el caso de las máquinas de tensión-soplado en una etapa el equipo necesario consta de: • una máquina de inyección, generalmente con husillo plastificador. • un molde de inyección para obtener la preforma.  una estación de acondicionamiento. • una estación de tensión-soplado. • una estación de desmoldeo. Estas máquinas ofrecen la ventaja de que son la vía menos costosa de introducirse en el mercado, y que someten al material al menor calentamiento posible. En cuanto a desventajas, es un sistema relativamente lento ya que es el ciclo de inyección quien controla el rendimiento de la máquina y la pieza no puede alcanzar los niveles más elevados de orientación ya que el soplado tiene lugar a una temperatura relativamente elevada. En el sistema de moldeo por tensión-soplado de dos etapas los precursores se introducen en un horno, sobre un plato que gira a una velocidad de aproximada de 60 rpm a temperatura constante, de modo que la distribución de temperaturas es adecuada. Los precursores a continuación se 307


transportan a la zona de tensión-soplado, donde se soplan en dos etapas (el aire soplado se introduce primero a aproximadamente 200 psi, seguido por 450 psi o más). Por último se llevan a la estación de desmoldeo, se envían a otra zona donde se les ahueca la base y se etiquetan. Las máquinas utilizadas para el sistema tensión-soplado en dos etapas constan de una máquina de inyección convencional, con la que se obtienen las preformas y de una unidad de recalentamiento donde se acondiciona la preforma, se tensiona y se sopla. Las ventajas del proceso en dos etapas son: • Ofrece el coste total más bajo • Produce las botellas de menor peso • Los precursores pueden diseñarse para optimizar las propiedades de la botella • Los precursores pueden producirse en una etapa independiente y almacenarse, según las necesidades de la producción y la demanda • Permite la eficacia más elevada de producción tanto de precursores como de botellas La principal desventaja del proceso de dos estados es el coste de inversión.

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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Michel L. Berins, “Plastics Enineering Handbook”, Van Nostran Reinhold, New York, 1991. Dominick Rosato, “Plastics Processing Data Handbook”, 2nd ed. Chapman & Hall, London, 1997. D.H., Morton-Jones, Douglas M. Bryce, “Polymer Processing”, Chapman & Hall, Londres, 1991. Jack Avery, “Injection Molding Alternatives”, Hanser Publishers, Cincinnati, 1998.

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86149756 Tecnologia de Polimeros M Beltran y a Marcilla[1]

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