Tecnología de polímeros

Cerrado del molde


Apretado del molde


Aplicación de la presión de inyección


Aplicación de la presión de mantenimiento






María Gabriela Ruiz Hinojosa
Ingeniería Química




Cerrado del molde
Apretado del molde
Aplicación de la presión de inyección
Aplicación de la presión de mantenimiento

Estructura y Propiedades
Homopolímeros y Copolímeros
Tamaño Molecular y Polidispersidad
Arquitectura
Materiales
Procesos de Transformación
Efecto de la velocidad de deformación/temperatura en el ensayo tracción – deformación
Efecto de la longitud de la boquilla en el hinchamiento post extrusión
Fluidos: Dependencia de la η con γ

Ciencia de los Polímeros
Explique, ¿qué factores determinarían que un polímero sea transparente, translúcido un opaco?
Cristalinidad y su influencia en las propiedades ópticas
Desde el punto de vista del paso de la luz, no importa si el polímero tiene dobles enlaces, átomos de halógenos, grupos grandes e incluso no importa si tiene zonas desordenadas. Se podría decir que a la luz, ópticamente hablando, lo único que le interesa es que el medio sea homogéneo, ya que en ese caso se presenta un solo índice de refracción, mientras que si el medio no es homogéneo, éste tendrá más de un índice de refracción. Lo que sucede es que cada vez que la luz atraviesa un medio distinto, cambia de dirección. Así, el grado de cristalinidad determina la mayor parte de las características ópticas de un medio, sobre todo en el caso de un polímero, considerando que existen polímeros amorfos y polímeros semicristalinos.
Los polímeros están formados por largas cadenas que tienen tendencia al desorden, es decir, a la formación de ovillos estadísticos. La mayor parte de polímeros presenta un estado amorfo, aunque también existen polímeros semicristalinos, constituidos por partes amorfas y, parcialmente, partes cristalinas. Las partes cristalinas de un polímero se denominan esferulitas, estructuras esferulíticas en tres dimensiones (esferas), independientes, que pueden llegar a colindar en los extremos, y que son equivalentes a los cristales que conforman la estructura de otros materiales. Adicionalmente, la misma estructura cristalina de los polímeros (esferulita) tiene una parte amorfa, y es por eso que se forma la cruz de malta: cristales embebidos en una matriz amorfa.
Cuando la luz incide contra un material amorfo, se encuentra con un medio desordenado pero homogéneo, de modo que cruza sin desviarse. Es así que un polímero completamente uno amorfo constituye un medio que dejar pasar la luz, y por eso es transparente. En cambio, en un polímero semicristalino, la luz incide contra zonas ordenadas y zonas desordenadas, de modo que constantemente el haz se desvía, siendo muy poco probable que atraviese el medio.

Por lo tanto, un criterio general para distinguir polímeros amorfos de semicristalinos es su grado de transparencia, siendo amorfos los materiales poliméricos transparentes (PVC, poliestireno, PET, PMMA) y semicristalinos los opacos (PE, PP, PET, PA).
Todo lo explicado hasta el momento tiene una componente termodinámica, pues así como existen estados de ordenados, existen estados desordenados. En esta última porción se forma una estructura planar cristalina, denominada lamela, que se va desarrollando en una dirección favorable y se pliega a medida que va crecimiento.
Para que se forme un cristal se requiere un apoyo: un núcleo de cristalización en este caso, ya sea homogéneo o heterogéneo. El plegamiento de las cadenas es característico de cada material, y para los polímeros éste se desarrolla formando una cruz de malta. Por lo tanto, se advertirá que la unión de lamelas constituye a las esferulitas.
Cuando a un polímero amorfo se le añade una carga o una sustancia que interfiera con la homogeneidad del medio, éste deja de ser transparente sin que deje de ser amorfo.
Pese a que es un material cristalino, si al PET se le enfría rápido, éste queda transparente.Pese a que es un material cristalino, si al PET se le enfría rápido, éste queda transparente.Por otro lado, el PET puede ser amorfo o semicristalino, debido a su velocidad de cristalización. Gran parte de los materiales poliméricos tienen una rápida velocidad de cristalización, y por lo tanto su comportamiento dependerá del historia térmica del material. El PET es uno de los polímeros que tienen una alta velocidad de cristalización, de modo que si no se le da suficiente tiempo para que cristalice, éste quedará amorfo y, en consecuencia, transparente. Sin embargo, según su definición que es un material cristalino.
Pese a que es un material cristalino, si al PET se le enfría rápido, éste queda transparente.
Pese a que es un material cristalino, si al PET se le enfría rápido, éste queda transparente.
Lo anterior explica por qué en las botellas de PET se identifican algunos puntos con coloración más blanquecina, sobre todo en la base. Lo que sucede es que al ser ésta última una sección más gruesa, le tomó más tiempo enfriarse y, por consiguiente, tuvo más tiempo de ordenarse, teniéndose una región no transparente. Por lo mismo, si se calentara a la botella de PET sin quemarla, aparecerían fases cristalinas de distinto color.
El hecho de que un producto plástico tenga secciones amorfas y secciones cristalinas es un problema, ya que se tendrían dos materiales en una misma estructura, lo cual normalmente no es previsto, de modo que se crean tensiones que constituyen una contrariedad.
Explique, ¿qué factores determinarían las propiedades mecánicas de un polímero?
Desde el punto de vista de ingeniería para el diseño de un material, son importantes los esfuerzos mecánicos de compresión, tracción o tensión (que se presentan cuando se estira al material, y se expresan en unidades de fuerza sobre área), torsión (que se presentan cuando tangencialmente se va aplicando una fuerza sobre el material), entre otros.
El comportamiento mecánico de un material depende de:
Condiciones ambientales: Temperatura, humedad, presión, entre otros.
Características del material.
Constitución
Tipo de átomos de los que está formado, y por consiguiente, tipo de interacciones que estos átomos pueden formar.
Las interacciones de segundo orden (fuerzas de Van der Waals y, entre otros, puentes de hidrógeno) son mucho menos intensas que los enlaces primarios. Sin embargo, se pueden repetir tantas veces que en su conjunto son grandes y, por tanto, resultan importantes.
Tipo de unidad de repetición (UCR) de la que está constituida la cadena polimérica.
Un solo tipo Homopolímeros
Más de un tipo Copolímeros
Copolímeros alternantes.
Copolímeros aleatorios, random o estadísticos.
Copolímeros de bloque, formados por bloques de una unidad de repetición y bloques de otra, siendo una más predominante que la otra.
Copolímeros de injerto, formados por una cadena principal, que se compone de un sólo tipo de unidad de repetición, e injertos o eslabones colgando de la cadena principal, y que se integran de otro tipo de unidad.
Número de unidades, o tamaño molecular del polímero, y distribución de tamaños moleculares.
Dependiendo del tamaño molecular promedio del polímero, y de su distribución, se fijan casi todas las propiedades del material. De ahí que la curva de distribución de tamaños moleculares es una característica importante que determina las propiedades mecánicas.
Número de moléculasTamañoNúmero de moléculasTamaño
Número de moléculas
Tamaño
Número de moléculas
Tamaño
Configuración: Disposición relativa en el espacio de un conjunto de átomos o de un átomo particular respecto a un punto o nivel de referencia. El ejemplo más representativo de la influencia de la configuración en las propiedades del material es la variedad cis y trans del poli isopreno.


Poli (cis isopreno)
Caucho natural
Poli (trans isopreno)
Respecto a la quilaridad de los átomos de carbono presentes en la cadena, el polímero puede ser:
Isotáctico Radicales al mismo lado
Sindiotáctico Radicales ubicados alternadamente
Atáctico Radicales indistintamente ubicados
Conformación: Disposiciones espaciales que puede adoptar una molécula. Hay un sinnúmero de posibilidades respecto a las distintas conformaciones que pueden adquirir los átomos en el espacio y el tiempo. Cada una de éstas puede llevar a las moléculas a distintos niveles de orden.
Si en la estructura de un polímero que se estira se tienen ovillos estadísticos, éstos tenderán a desenredarse en el sentido de la tensión, aunque no se desarrollarán completamente.
Cuando se efectúa una flexión sobre las moléculas, cambia su orientación, y la orientación hace que el material presente distintas características en el sentido de la tensión y en el sentido transversal a la tensión. Por lo tanto, un material tendrá diferentes propiedades que dependen de la dirección en la que se realiza el ensayo.
Lo anterior implica que los polímeros son materiales anisotrópicos, pues presentan distintas propiedades en un sentido y en otro. Los materiales son ortotrópicos cuando la variación de sus propiedades se manifiesta a 90°, e isotrópicos cuando sus propiedades son iguales en un sentido y en otro, es decir, no se identifican orientaciones preferentes.
Consiguientemente, la conformación depende tanto del grado de orientación de las cadenas como del orden o desorden que éstas pueden llegar a desarrollar.
Procesamiento y transformación de los materiales, la velocidad de enfriamiento por ejemplo.
¿Qué efectos considera que podría tener la incorporación de una carga mineral (por ejemplo carbonato de calcio o talco) en las propiedades de un producto hecho con un polímero?
Todo depende de si la carga y el polímero son compatibles o no. Si son compatibles, se va a desarrollar una gran afinidad entre éstos, teniéndose posiblemente interacciones de tipo químico o físico y, por ende, un aumento en las propiedades mecánicas de la matriz. La mayor parte de cargas son incompatibles con la mayor parte de polímeros, de modo que más bien normalmente se va a tener una caída de las propiedades mecánicas del polímero.
Cuando se incorpora un material extraño a una matriz polimérica, se lo puede denominar de dos maneras: carga, cuando no hay interacciones y, por lo tanto, no hay enlaces químicos o físicos con la matriz; o refuerzo, cuando sí hay interacciones. En este caso la carga se convierte en un relleno de huecos presentes en el polímero que le está circundando, teniéndose menos material efectivo para cumplir con su objetivo.
Las cargas influyen en las propiedades mecánicas, propiedades eléctricas, entre otras, de la matriz. De ahí lo importante que es que haya un tipo de interacción entre las cargas y los materiales a los cuales se las incorpora.
Con pocas cargas se alcanza a establecer una interacción de tipo físico, aunque sí es posible. Por ejemplo, al lijar una superficie que se va a pintar, se están preparando surcos en los que se fijará la pintura, la cual normalmente no es compatible con el cemento, la madera o el metal de la pared.
¿Qué ventajas o desventajas tiene que una cadena de polímero posea dobles enlaces?
Realmente muy pocas cadenas tienen dobles enlaces. Los dobles enlaces son puntos sensibles, a través de los cuales se puede hacer que la cadena se convierta en tridimensional, y de hecho este es el principio de reticulación de los elastómeros. Los dobles enlaces también son grupos lábiles, de modo que la luz ultravioleta puede destruir el doble enlace y fracturar al polímero en esos puntos. Esa es la causa por la cual los cauchos presentan este problema. Es decir, que una cadena polimérica posea dobles enlaces implica que el material será rígido, insoluble e intratable.
Explique ¿por qué algunos polímeros al someterlos al calor se reblandecen y luego fluyen y otros no fluyen si no se descomponen?
Porque los polímeros pueden ser termoplásticos o termoestables.
Los polímeros termoplásticos, al someterlos al calor, reblandecen y luego fluyen, de modo que cuando el material se enfría, éste solidifica manteniendo la forma. A este tipo de comportamiento responden las estructuras cuyas cadenas son independientes respecto a enlaces covalentes (aunque sí pueden tener enlaces secundarios), sin importar su morfología.
Los polímeros termoestables son aquellos que, al someterlos al calor, no reblandecen ni fluyen, y de manera general tienen una mayor resistencia a la temperatura que los polímeros termoplásticos. Finalmente, si se sigue aportando calor, estos materiales llegarán a descomponerse, pero de ninguna manera reblandecerán debido a su estructura reticulada.
Polímeros Termoplásticos
El uso de la mayor parte de los polímeros está dirigido este tipo de material. Los polímeros termoplásticos, por su volumen de producción, se clasifican en:
Los comodities son plásticos que balancean bien sus propiedades, mientras que en los plásticos técnicos se destaca una propiedad.Los comodities son plásticos que balancean bien sus propiedades, mientras que en los plásticos técnicos se destaca una propiedad.Comodities o Plásticos de gran consumo: Son el polietileno, el polipropileno, el policloruro de vinilo y el poliestireno convencionales. Estos polímeros se caracterizan porque se balancean bien sus propiedades, de modo que tienen propiedades interesantes que los hacen aptos para aplicaciones de gran consumo. Su costo actual está entre $1,5 y $2,5 por kilogramo.
Los comodities son plásticos que balancean bien sus propiedades, mientras que en los plásticos técnicos se destaca una propiedad.
Los comodities son plásticos que balancean bien sus propiedades, mientras que en los plásticos técnicos se destaca una propiedad.
Plásticos técnicos: Su volumen de producción es menor al de los plásticos de gran consumo, y normalmente exhiben una o dos propiedades muy destacables respecto a las de los demás. Son:
Poliéster saturados (PET, PBT)
Poliamidas ("nylons")
Resinas acetálicas (POM)
Acrílicos (PMMA)
Polímeros fluorados (PTFE o teflón)
Estas propiedades interesantes normalmente son fruto de que los plásticos técnicos llegan a desarrollar un nivel de cristalinidad importante. Son más caros que los plásticos de gran consumo, aunque sus precios no son fijos, pues dependen de las fluctuaciones del precio del petróleo.
En algunos casos hay detalles especiales de un polímero que lo hacen más interesante, y por tanto, más caro. Esto sucede con el polietileno, por ejemplo.
Desde la década de los 80's el PET ha sido ampliamente utilizado por su aplicación en botellas, y por lo tanto se lo clasifica dentro de los plásticos de gran consumo. Pero esto no implica que deje de ser un plástico técnico, ya que efectivamente posee propiedades especiales.
Plásticos de altas prestaciones
Poliolefinas
Dentro de los plásticos de gran consumo, los que se llevan la mayor producción son las poliolefinas, las cuales abarcan más del 50% del mercado. De éstas, el polietileno y el polipropileno, que se emplean para fines específicos, son los polímeros más destacados.
Como característica general, los poliolefinas son polímeros termoplásticos y semicristalinos. Por lo tanto, presentan opacidad, y de hecho será difícil encontrar poliolefinas transparentes. Sin embargo, su buena cristalinidad les provee de una excelente resistencia química, de modo que es muy difícil disolverlos. Adicionalmente, presentan las siguientes características:
Al estar compuestas únicamente por carbono e hidrógeno, cuya diferencia de electronegatividad es bastante pequeña, se crean dipolos pequeños, por lo cual las poliolefinas son materiales dieléctricos.
En cuanto a los ensayos de reconocimiento, las poliolefinas no se pueden distinguir una de otra por solubilidad.
Se pueden transformar con facilidad por casi todos los procedimientos convencionales, y su precio es razonable, convirtiéndolas en materiales económicos.
Por todo lo descrito hasta el momento, las poliolefinas son ampliamente aceptadas.
Polietileno
Procede del monómero etileno, un gas obtenido del petróleo. Cuando la molécula de etileno se abre, espontáneamente se forma polietileno. Para esto, al gas etileno se lo dirige a un reactor, donde se desarrolla la polimerización, obteniéndose un sólido, específicamente un polvo blanco, que posteriormente pasa a un extrusor, donde además se incorporan aditivos básicos que convierten al polietileno en su forma primaria: granza o pellet.
El proceso de polimerización del polietileno tiene su historia. El primer procedimiento detención de polietileno fue desarrollado por Imperial Chemical Industry (ICI), y consistió en una polimerización en base gaseosa, a presiones entre 1000 y 3000 kg/cm2, presiones muy altas como se podrá advertir. Sin embargo, el inconveniente con este proceso no es únicamente el alto nivel de presiones que requiere, sino también la temperatura, ya que esta debía ser de 200 . Adicionalmente, las operaciones desarrolladas a alta presión y temperatura implicaban otros problemas, ya que las reacciones de polimerización normalmente son exotérmicas, y el calor de polimerización del polietileno es sumamente alto: 25,4 kcal/mol a 25 , de modo que la temperatura se elevaba aún más.
La polimerización en base gaseosa presenta un mecanismo de elección de radicales libres. El iniciador es oxígeno, en una proporción de 0,02%, y la conversión que se alcanza en la reacción es apenas 20%, pese a las condiciones de presión y temperatura que se manejan.
Las condiciones de reacción de la polimerización en base gaseosa no permiten que sólo se tengan cadenas lineales, sino también surgen ramificaciones o cadenas laterales, que en el caso del polietileno constituyen defectos, y que son consecuencia del desarrollo paralelo de reacciones de transferencia intramoleculares, que dan lugar a cadenas cortas, y reacciones de transferencia intermoleculares, que dan lugar a cadenas largas. De este modo, se comprueba que el proceso de polimerización determina las características del producto (polietileno) que se va a obtener.
Más tarde, la casa Phillips desarrolla un proceso de polimerización con condiciones más llevaderas: una presión entre 28 y 35 kg/cm2 y una temperatura entre 120 y 160 , mediante la polimerización en solución, utilizando ciclohexano o isoctano como solvente. La reacción requería en este caso un catalizador y peróxidos orgánicos como iniciadores.
Asimismo, la Standard Oil desarrolló una polimerización en solución, usando xileno como solvente, y con condiciones de presión y temperatura menos razonables: entre 35 y 100 kg/cm2 de presión y entre 200 y 300 de temperatura. Este procedimiento también requería la catalizadores, formados por óxido de molibdeno (MoO3) y óxido de aluminio (AlO3), y de peróxidos orgánicos para que actúen como iniciadores.
Siembra que se utiliza catalizadores de Ziegler y Nafta, se trabaja a bajas presiones para la polimerizaciónSiembra que se utiliza catalizadores de Ziegler y Nafta, se trabaja a bajas presiones para la polimerizaciónPosteriormente Ziegler desarrolló un proceso de polimerización por precipitación, a presiones entre 1,5 y 2 kg/cm2 y temperaturas entre 50 y 75 . Estas condiciones de presión y temperatura razonables son consecuencia del empleo de catalizadores de coordinación (como el tetracloruro de titanio y el trietil aluminio), nuevamente usando peróxidos orgánicos como iniciadores.
Siembra que se utiliza catalizadores de Ziegler y Nafta, se trabaja a bajas presiones para la polimerización
Siembra que se utiliza catalizadores de Ziegler y Nafta, se trabaja a bajas presiones para la polimerización
Dependiendo del proceso que se aplique para la obtención de polietileno, se tendrán distintas características en el material. Los procesos desarrollados a alta presión generan estructuras ramificadas, mientras que los procesos que se efectúan a presiones bajas o medias, produce estructuras lineales. De ahí que para el desarrollo de polietileno lineal de baja densidad normalmente se acude a una polimerización por precipitación, utilizando catalizadores Ziegler – Nafta de tercera generación.
La diferencia que hay entre los distintos tipos de polietileno es la densidad, una propiedad que está relacionada con la capacidad empaquetamiento de las cadenas. Procesos desarrollados a alta presión entregan polietilenos de baja densidad (ramificados), mientras que procesos desarrollados a baja presión producen polietilenos de alta densidad (lineales).
Los procesos que se efectúan a presiones moderadas permiten un mayor control de la reacción química. Una media de los defectos de la cadena consiste en cuantificar el número de grupos metilo del polímero por cada mil átomos de carbono. Así, si el número de grupos metilo por cada mil átomos de carbono está entre 20 y 30, el material es polietileno de baja densidad (LDPE); mientras que si el número de grupos metilo por cada mil átomos de carbono es menor a cinco, el polímero es polietileno de alta densidad (HDPE).
La diferencia en las propiedades de los diversos tipos de polietileno depende del grado de ramificación de cada uno, del tamaño de las cadenas laterales y del grado de cristalización.
El polietileno lineal de baja densidad se produce mediante la copolimerización de etileno con α – olefinasEl polietileno lineal de baja densidad se produce mediante la copolimerización de etileno con α – olefinasDesde el punto de vista de la densidad, los tipos de polietileno que se identifican son:
El polietileno lineal de baja densidad se produce mediante la copolimerización de etileno con α – olefinas
El polietileno lineal de baja densidad se produce mediante la copolimerización de etileno con α – olefinas
Polietileno de baja densidad (LDPE)
Polietileno de alta densidad (HDPE)
Polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), polímero en el cual las ramificaciones son mucho más controladas (mediante el uso de catalizadores de Ziegler y Nafta de tercera generación). Para producirlo, al polietileno se lo copolimeriza con alfa – olefinas como: 1 – buteno, 1 – hexeno y 1 – octeno. De ahí que a este polímero se lo denomine polietileno lineal de baja densidad, pues posee ramificaciones lineales que proceden de una α – olefina.
Polietileno de muy baja densidad (VLPDE)
Desde el punto de vista molecular, se van a tener los siguientes polietilenos:
Polietileno de alta densidad de alto peso molecular (HMWHDPE, High Molecular Weight High Density Polietilen). El polietileno de alto peso molecular tiene un peso molecular entre 1 y 5 millones, es totalmente lineal y su densidad presenta un valor aproximado de 0,94 g/mL, como consecuencia de las dificultades de cristalización de las cadenas que lo conforman. Tiene una alta resistencia al impacto, lo que lo convierte en un material excelente para la fabricación de tuberías. Adicionalmente, el polietileno de alto peso molecular tiene muy buena resistencia a la abrasión, y por eso se lo utiliza bastante en pistas de patinaje y en chalecos antibalas.
Polietileno de ultra alto peso molecular (UHWPE, Ultra High Molecular Weight PE). Los polietilenos de alto peso molecular no son comodities, sino materiales técnicos, pues tiene al menos una propiedad destacable. Este tipo de polímeros se diferencian de los polietilenos normales debido a su mayor resistencia al impacto.
En términos generales, el polietileno de baja densidad (LDPE) tiene un peso molecular entre 10.000 y 40.000, mientras que el polietileno de alta densidad (HDPE) tiene pesos moleculares entre 5.000 y 15.000. Es decir, para el polietileno normalmente se esperan pesos moleculares entre 5.000 y 50.000.
Existe una diferencia entre el peso molecular del polietileno de alta densidad y el peso molecular del polietileno de baja densidad. Lo que sucede es que los polietilenos de alta densidad tienen una mayor capacidad de empaquetamiento, de modo que tendrán mejores propiedades que los polietilenos de baja densidad de igual peso molecular, de modo que los últimos deberán tener un peso molecular mayor para cumplir con los requerimientos.
El grado de cristalinidad de un polímero es mayor a medida que disminuye su grado de ramificación (número de ramificaciones en la estructura del material). Lo mismo sucede con la temperatura de fusión y la densidad.
Cuando no se conoce la naturaleza de un polietileno, no es conveniente evaluar su densidad para identificarlo, ya que los rangos de variación entre las diversas clases de polietileno son muy estrechos, además de que normalmente en los plásticos vienen incorporados pigmentos que, aunque están en poca cantidad, afectan la densidad del material.
Analizar la temperatura de fusión para identificar a un material es una opción viable, y se la puede evaluar mediante la técnica del DSC, en la cual además no es importante la interferencia de la carga (pues la temperatura de fusión de una sustancia inorgánica es mucho mayor que la temperatura de fusión de un polímero). Cabe indicar que si bien la incorporación de cualquier sustancia ajena al material polimérico afecta su grado de cristalinidad, y por lo tanto la temperatura de fusión, esta variación no es tan grande, de modo que se la puede considerar insignificante. De ahí que la técnica del DSC es aceptable y bastante útil para diferenciar a los distintos tipos de polietileno por su densidad.
Si se tuviera una mezcla de polietilenos conformando un mismo material sería muy complicado identificarlos, ya que los picos del termograma obtenido en el DSC tenderán a solaparse, impidiendo que se aprecie claramente cuáles son las temperaturas de fusión.
Otra forma de discriminar a un polietileno por su densidad es midiendo el grado de ramificación del material, para lo cual simplemente se determina el número de grupos metilo.
Procesos de polimerización de Polietileno
Como se ha visto hasta el momento, existen tres tipos de procesos de polimerización:
Polimerización a alta presión, a partir de la cual se producen polietilenos de baja densidad.
Polimerización a presiones moderadas, a partir de la cual se obtienen propiedades intermedias para el polietileno.
Polimerización a bajas presiones, el cual se efectúa a través de catalizadores de coordinación, y con el que se consiguen polietilenos de alta densidad (ramificaciones muy escasas).
Todas las variedades de polietileno presentan un balance de propiedades interesantes, lo que implica que se los puede utilizar en diversas aplicaciones y a una velocidad de producción alta. Sin embargo, el momento de seleccionar a uno se deben considerar todos los aspectos, incluyendo el precio. De hecho, normalmente por el precio no se incorpora polietileno de alto peso molecular como material principal de un producto, y más bien se lo utiliza como mezcla, en la proporción mínima posible, con polietileno de alta densidad.
n=0,5 in1,5 mm n=0,5 in1,5 mmSi una extrusora pequeña procesa alrededor de 300 kg/h de material, ¿cuántos tubos de polietileno de alta densidad produce la máquina al día, día de 24 h? y ¿cuál es el costo de la materia prima, si el kg de polietileno de alta densidad tiene un precio de $1,50? La densidad del polietileno de alta densidad es en promedio 0,96 g/cm3, y los tubos se construyen con una longitud de 2 m, 0,5 in de diámetro nominal y 1,5 mm de espesor.
n=0,5 in
1,5 mm
n=0,5 in
1,5 mm
V=A LTubo #Tubos #Tubos=VA LTubo
V=mδ=300 kgh0,96 gcm3×1 kg1000 g×100 cm31 m3
V=0,3that125 m3h×24 h1 día V=7,5 m3día
A=π Ext2-π Int2=π Ext2- Int2=π n2- n-2 e
A=π 0,5 in×2,54 cm1 in×1 m100 cm2-0,5 in×2,54 cm1 in×1 m100 cm-2 1,5 mm×1 m1000 mm2
A=6,72×10-5 m2
#Tubos=7,5 m3día6,72×10-5 m2 2 mtubo #Tubos=55803,57 tubosdía
Costo=mPE×Precio=300 kg PEh×$1,501 kg PE×24 h1 día
Costo=$10.800día
Con este ejercicio se comprueba que la industria del polietileno es una industria de volumen (debido al alto volumen de producción). Se comprueba también porque no se incorpora polietileno de alto peso molecular a la formulación del polímero, ya que sólo con utilizar polietileno convencional el costo asciende a $10.800,00 por día.
Propiedades del Polietileno
Todos los polietilenos presentan las siguientes propiedades:
Baja densidad, generalmente menor a 1, y por lo tanto flotan en el agua. Esto implica que no van a sumergirse cuando se los lance al agua, facilitando su reciclaje, pues se los puede recolectar en el caso de que contaminen una superficie acuosa.
Alta tenacidad y deformación. Tenacidad es la cantidad energía que es capaz de soportar el material antes de romperse, y se la cuantifica estimando el área bajo la curva esfuerzo – deformación.
σεTenacidadσεTenacidad
σ
ε
Tenacidad
σ
ε
Tenacidad
Buen aislante eléctrico, pues el etileno es una molécula no polar, de modo que no forma dipolos y no conduce la electricidad.
No polar
Que el polietileno sea buen aislante y que presente una alta deformación lo convierte en el material idóneo para cables eléctricos. Asimismo, su alta deformación lo limita en el caso de que se lo quiera utilizar para una carcasa de teléfono.
Poca absorción de agua, pues no es polar, y por eso los procesos de secado de polietileno no son tan drásticos.
Baja permeabilidad al agua, nuevamente porque es no polar. Por tanto, el polietileno es adecuado cuando se busca que haya un buen efecto barrera al agua, es decir, una baja capacidad de permeación del agua por parte de un material.
Alta permeabilidad a gases, o pésimo efecto barrera ante los gases.
Alta resistencia a químicos. Esto se debe a que es un material semicristalino, lo cual por cierto es consecuencia de su alta velocidad de cristalización, y de hecho el polietileno es uno de los materiales que tienden a cristalizar muy rápido.
El polietileno de alta densidad es más opaco porque cristaliza másEl polietileno de alta densidad es más opaco porque cristaliza másEl polietileno cristaliza tan rápido, que aunque se lo enfríe velozmente, tendrá un alto grado de cristalización; y si se lo enfría lentamente, presentará un grado de cristalización aún mayor. Se podría decir que el grado de cristalización del polietileno es razonablemente independiente de la velocidad de enfriamiento del material (rápida o lenta), mientras se lo procesa.
El polietileno de alta densidad es más opaco porque cristaliza más
El polietileno de alta densidad es más opaco porque cristaliza más
El grado de cristalización afecta, entre otras cosas, a las propiedades ópticas de un polímero. Mientras mayor es del grado de cristalinidad, el material es más opaco; mientras que menor es el grado de cristalinidad, el material es más translúcido. El polietileno más opaco es de alta densidad, es decir el más lineal, pues con éste se desarrollan más zonas cristalinas.
Otra propiedad en la que influye el grado de cristalinidad es la resistencia química. Mientras más cristalinidad tiene un material, mayor resistencia química posee, ya que hay menos espacio para que el solvente penetre. Es decir, la presencia de esferulitas impide la introducción de sustancias extrañas. En términos generales, los polietileno son muy resistentes, y por eso usualmente disolver polietileno es difícil.
Por otro lado, lo semejante disuelve lo semejante, de modo que no sería conveniente almacenar gasolina en frascos de polietileno. De cualquier forma, cuando se va almacenar un líquido en un recipiente de plástico, se debe conocer cuáles son los componentes del líquido que se va guardar; y si el material debe resistir bastante debido a la naturaleza de los químicos, el material de recipiente debería tener un alto grado de cristalinidad. Actualmente se almacena gasolina en frascos de polietileno de alto grado de cristalinidad, el cual es muy difícil disolver debido a su muy buena resistencia a químicos. Por tanto, los requerimientos químicos son críticos.
El polietileno no soporta todoEl polietileno no soporta todoResistencia al agrietamiento, aunque esta propiedad depende del tipo de polietileno. Generalmente, a los plásticos se los evalúa por su resistencia al agrietamiento por tensiones (ESCR, Environmental Stress Cracking Rate), y a partir de la aplicación de esta prueba sobre el polietileno se ha encontrado que este material no siempre resiste una tensión, y que en ciertos ambientes la aplicación de una fuerza puede tener una incidencia importante sobre el material.
El polietileno no soporta todo
El polietileno no soporta todo
Ejemplos de materiales de polietileno sometidos a stress cracking son los tubos, aunque la incidencia sobre éstos depende de lo que conduzca el tubo. Por ejemplo, si el tubo conduce detergente, y está presencia de un ambiente caliente, un polietileno convencional se romperá. Asimismo, cuando se almacenan por mucho tiempo las botellitas de cloro, éstas se rompen con la aplicación de una tensión minúscula.
El polietileno tiene cierta debilidad ante determinados componentes, los cuales se establecerán mediante la aplicación de normas.
Fácil procesamiento, es decir, las condiciones de procesamiento de polietileno caen dentro de rangos de razonables; y cuando algo en el proceso sale mal, se lo puede reciclar mediante operaciones térmicas. El polietileno soporta altas temperaturas, siempre y cuando no superen los 200 .
La facilidad de procesamiento del polietileno, junto a su bajo precio y su conjunto de propiedades interesantes, lo han convertido en material más utilizado dentro de la industria de los polímeros.
Aceptables propiedad de tribológicas, las cuales tienen que ver con los grados de desgaste de los materiales. Este es el motivo por el cual las suelas de un calzado no se pueden hacer de polietileno.
Buena resistencia a la intemperie, de modo que el polietileno presenta una buena resistencia la luz ultravioleta. Por eso los invernaderos se hacen de polietileno.
El polietileno, sin ningún tipo de aditivo, puede soportar hasta seis meses expuesto a la intemperie, al cabo de los cuales el polímero se degrada, es decir, se romper los enlaces covalentes y se pierden propiedades importantes. Sin embargo, para emplearlo en invernaderos, se acostumbra extender la vida útil del material.
Comparación de propiedades
Un polietileno obtenido con catalizadores de coordinación metalocénicos tiene una densidad entre 0,800 y 0,935 g/mL; mientras que el polietileno de muy baja densidad (VLDPE) presenta una densidad entre 0,880 y 0,910 g/mL. La densidad del polietileno de baja densidad oscila en un rango de 0,910 y 0,925 g/mL.
Los plásticos, dependiendo del proceso con el que se van a transformar, deben presentar determinado índice de fluidez. Lo que sucede es que el índice de fluidez, relacionado con la viscosidad, indica si el material va a fluir (correr) o no durante el proceso. El proceso depende del tipo de material que se va a tratar y de la fluidez final que se requiere para éste.
Transparencia
En función de la transparencia, los diversos tipos de polietileno, iniciando desde el más transparente (menos opaco) hasta el menos transparente (más opaco), se ordenan así:
mPE (Polietileno metalocénico)
OpacidadOpacidadTransparenciaTransparenciaVLDPE
Opacidad
Opacidad
Transparencia
Transparencia
LDPE
LLDPE
HDPE
UHMWPE
Realmente, en el caso del polietileno, la transparencia se presenta en films muy delgados, y de hecho esta es una posibilidad del mPE únicamente. Por eso, cuando se quiere exponer el producto, es mejor no usar polietileno; y si necesariamente se debe emplearlo, la única opción es usar láminas de mPE muy delgadas.
La prueba de Hazo permite determinar la opacidad de un polímero. Para desarrollarla, se hace pasar un haz de luz a través del material polimérico, se observa cuál es su desviación y se la cuantifica.
Propiedades térmicas
Como se mencionó antes, los polietilenos son materiales dieléctricos, aislantes del calor y de la electricidad. Propiedades térmicas importantes son: la temperatura de transición vítrea, la temperatura de fusión, la temperatura de reblandecimiento y la temperatura de uso continuo.
La temperatura de uso continuo de un polietileno normalmente oscila entre 60 y 100 , y en función de esta propiedad los diversos tipos de polietileno se ordenan así:
mPE
Temperatura de uso continuo
(60 – 100 )Temperatura de uso continuo
(60 – 100 )VLDPE
Temperatura de uso continuo
(60 – 100 )
Temperatura de uso continuo
(60 – 100 )
LDPE
LLDPE
MDPE
HDPE
UHMWPE (Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular), soporta más temperatura
Mientras que en función de la temperatura de deflexión bajo carga, cuyo valor normalmente está entre 40 y 80 , los polietilenos se ordenan, de mayor a menor, de esta manera:
mPE
Temperatura de deflexión bajo carga
(40 – 80 )Temperatura de deflexión bajo carga
(40 – 80 )VLDPE
Temperatura de deflexión bajo carga
(40 – 80 )
Temperatura de deflexión bajo carga
(40 – 80 )
LDPE
LLDPE
MDPE
HDPE
PlacaUHMWPE
Placa
La temperatura de deflexión bajo carga (HDT) se determina con un ensayo a tres puntos, uno de los cuales del punto de carga. Para esto, en un ambiente isotérmico termostatizado, se introduce una placa de la muestra polimérica y se la calienta a 50 /min. Conforme se va calentando el medio, se desarrolla un registro de la temperatura, de modo que el momento que la placa flecta determinada cantidad, se anota cuál es la temperatura a la que se dio este cambio y se la reporta como temperatura de deflexión bajo carga (HDT). Así, la temperatura de deflexión bajo carga proporciona una idea de hasta cuándo un material posee su rigidez. Todo este procedimiento se desarrolla bajo las especificaciones de la norma ASTM.
La temperatura de uso continuo igualmente se determina con la aplicación de normas ASTM. El ensayo básicamente consiste en evaluar las propiedades mecánicas, térmicas y químicas del material, a determinada temperatura, antes de proceder con su aumento. Entonces se desarrolla un calentamiento sobre el material, y cuando las propiedades caen determinado porcentaje, se registra el valor de la temperatura a la cual se presentó dicha caída.
La temperatura de uso continuo y la temperatura de deflexión bajo carga son valores a los que no se debe llegar. Normalmente se diseña un material para soportar una temperatura máxima equivalente al 85% de estas temperaturas.
La temperatura de transición vítrea del polietileno (temperatura a la cual el material pasa del estado vítreo al estado rígido) es más o menos –80 , una temperatura mucho menor a la ambiental y a las que por lo general se expondría durante su empleo, de modo que este material normalmente es flexible. El espesor puede dar una buena rigidez.
Finalmente, se debe indicar que el plástico es mal conductor de calor, y por eso su temperatura aumenta constantemente en un día soleado.
Sellabilidad
Para los films, esta característica es muy importante, para lo cual se evalúan la Temperatura de iniciación de sellado y la Resistencia del selle. Los diferentes tipos de polietileno, en función de su temperatura de iniciación de sellado, se ordenan de la siguiente forma:
AumentaAumentaTemperatura de iniciación de selladoTemperatura de iniciación de selladomPE
Aumenta
Aumenta
Temperatura de iniciación de sellado
Temperatura de iniciación de sellado
VLDPE
LDPE
LLDPE
HDPE
Respecto a la resistencia del selle, los distintos tipos de polietileno se ordenan así:
AumentaAumentaVLDPE
Aumenta
Aumenta
Resistencia del selleResistencia del selleLDPE
Resistencia del selle
Resistencia del selle
mPE
LLDPE
HDPE
Los procesos de empaque se desarrollan rápidamente, y por eso la temperatura de iniciación de sellado debe ser lo más baja posible.Los procesos de empaque se desarrollan rápidamente, y por eso la temperatura de iniciación de sellado debe ser lo más baja posible.Una propiedad valiosa del polietileno es su capacidad de sellar el caliente. Dentro de este concepto, la temperatura de iniciación de sellado es importante, ya que corresponde a la temperatura a la cual el material empieza a reblandecer y a demostrar cierta "rugosidad". Por eso la temperatura de iniciación de sellado debe ser lo más baja posible, a fin de que el proceso de empaque se desarrolle rápidamente. Una vez que el producto está rodeado del material polimérico, éste último pegajoso, se da presión y en el film se empiezan a pegar una capa con otra. Recordar que los procesos de empaque normalmente son continuos, y se efectúan a velocidades muy altas. Respecto a esto, Sólo basta con pensar en el caso del empaque de leche, en el que el líquido debe envasarse apenas llega a la fábrica, es decir, prácticamente después de que la vaquita entrega la leche.
Los procesos de empaque se desarrollan rápidamente, y por eso la temperatura de iniciación de sellado debe ser lo más baja posible.
Los procesos de empaque se desarrollan rápidamente, y por eso la temperatura de iniciación de sellado debe ser lo más baja posible.
Por otro lado, también es importante que un film a utilizarse en empaques tenga una buena resistencia del sellado, o resistencia en el selle. Lamentablemente, la tendencia de los materiales poliméricos de polietileno es contrapuesta, de modo que el que presenta la mejor temperatura de iniciación de sellado (la más baja) tiene menor resistencia del selle respecto a otros. Por eso, el momento de seleccionar un material de empaque se debe llegar a un compromiso. Normalmente se utiliza polietileno metalocénico (mPE), el cual presenta una resistencia al selle aceptable y la temperatura de iniciación de sellado más baja, respecto a los otros tipos de polietileno. Otra opción viable es el empleo de un plástico con multicapas, incorporando un material adhesivo entre películas de pl stico distintas, que es lo que se utiliza para las fundas de leche.
Permeabilidad
Otro aspecto importante de los empaques es la capacidad de permeabilidad del material frente al vapor de agua y a otros gases como el oxígeno y los olores. Esta propiedad es función del grado de cristalinidad, de modo que mientras más cristalino es el polímero, más compactas están las cadenas y es más difícil que un gas pase.
Si es importante crear un efecto barrera contra el oxígeno y los olores, mejor no utilizar polietileno, ya que su permeabilidad respecto a estos gases no es buena. En cuanto al vapor de agua, en cambio, la permeabilidad del polietileno tiene una magnitud bastante interesante, creándose un efecto barrera razonablemente bueno. A continuación se presenta el orden descendente de los distintos tipos de polietileno respecto a la permeabilidad al vapor de agua.
mPE
Permeabilidad al vapor de aguaPermeabilidad al vapor de aguaVLDPE
Permeabilidad al vapor de agua
Permeabilidad al vapor de agua
LDPE
LLDPE
MLDE
HDPE
Asimismo, continuación se muestra el orden descendente de los distintos tipos de polietileno respecto a la permeabilidad a gases y aromas.
mPE
Permeabilidad a gases y aromasPermeabilidad a gases y aromasVLDPE
Permeabilidad a gases y aromas
Permeabilidad a gases y aromas
LDPE
LLDPE
MLDE
HDPE
Aplicaciones del Polietileno
Polietileno de Baja Densidad (LDPE): Se lo utiliza fundamentalmente para la producción de películas de empaques y bolsas, abarcando el 70% del consumo mundial de plásticos. Asimismo, se lo emplea bastante en el campo de agricultura, sobre todo en la construcción de invernaderos. También se lo usa en muchas aplicaciones mezclado con polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), el cual mejora las propiedades mecánicas del polietileno de baja densidad, especialmente la resistencia al impacto y la rigidez. Sin embargo, a nivel de película lo que se usa más es polietileno de baja densidad, cuyo precio es semejante al del polietileno lineal de baja densidad.
Otras aplicaciones comunes del polietileno de baja densidad se encuentran en la inyección de determinados componentes. El soplado de recipientes flexibles (bidones), por ejemplo, se desarrolla con polietileno de baja densidad.
Asimismo, el polietileno de baja densidad es uno de los materiales preferidos para la elaboración de aislantes de cables de telecomunicaciones, así como para recubrimientos de tuberías metálicas.
Polietileno Lineal de Baja Densidad (LLDPE): El procesamiento de este tipo de material es complicado, debido a su polidispersidad. Lo que sucede es que la polidispersidad de la muestra polimérica es bastante estrecha, es decir, la dispersión de tamaños es minúscula.
Las moléculas pequeñas funden más rápido que las grandes, aportando con convección inmediatamente.Las moléculas pequeñas funden más rápido que las grandes, aportando con convección inmediatamente.Desde el punto de vista del procesamiento, no es conveniente tener cadenas con tamaños muy parecidos en el material, debido a la transferencia de calor. Lo que sucede es que el plástico es muy mal conductor de energía, y por requerimientos del proceso se debe entregar calor a una zona, pero éste no necesariamente llegará a zonas adyacentes, de modo que el calentamiento no se podrá desarrollar uniformemente. Adicionalmente, las moléculas que funden más rápido, y que pasan al estado fundido mucho más rápido aportando con transferencia de calor por convección, son las más pequeñas, pero su proporción es mínima en un polímero con baja polidispersidad, por lo menos mucho menor al caso de un polímero con alta polidispersidad. En cambio, en una distracción homogénea de cadenas grandes, se tiene que esperar mucho tiempo antes de que las cadenas grandes se fundan.
Las moléculas pequeñas funden más rápido que las grandes, aportando con convección inmediatamente.
Las moléculas pequeñas funden más rápido que las grandes, aportando con convección inmediatamente.
Lo anterior permite comprobar que no es fácil procesar polietileno lineal de baja densidad (LLDPE). Por eso, normalmente se lo procesa en un equipo convencional mezclado con polietileno de alta densidad (HDPE) o con polietileno de baja densidad (LDPE).
El polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) se usa mucho como película para empaque de alimentos, aunque para esto se le debe adicionar un componente extra que le proporcione la característica de retráctil. En pañales desechables también se utilizan películas de polietileno lineal de baja densidad, aunque su mayor aplicación está en las agrícolas y en el empaque de alimentos.
Las películas de acolchados en los recipientes para pintura son normalmente de polietileno lineal de baja densidad, en ocasiones mezclado con polietileno de alta densidad o con polietileno de baja densidad. Los acolchados también se utilizan en la tierra, para lo cual se ubican semillas bajo los mismos y se los estira bastante.
Asimismo, el polietileno lineal de baja densidad es la materia prima usual del rotomoldeo, lo cual es importante ya que grandes tanques se fabrica por rotomoldeo.
Polietileno de Alta Densidad (HDPE): El polietileno de baja densidad básicamente se procesa mediante inyección, para la obtención de artículos de consumo, de recipientes de todo tipo, de cajas de transporte para botellas, y otros. Cuando se lo procesa por soplado, se elaboran recipientes y tanques de gasolina, y se fabrican filamentos y bandas para tejidos. Asimismo, el polietileno de alta densidad se usa para la producción de películas de alta resistencia (grosores entre 7 y 120 μm), tuberías para agua potable y gas (diámetros de hasta 1,6 m), y tuberías para conducción de fibra óptica. Adicionalmente, el polietileno de alta densidad se utiliza mucho en la fabricación de objetos industriales por soldadura (específicamente para termosoldado o soldado por ultrasonido).
Aplicaciones de los plásticos en la agricultura
Un ámbito muy importante de los plásticos, sobre todo para las poliolefinas, es la agricultura. Y dentro de esta amplia gama de aplicaciones en la agricultura, las poliolefinas se destacan en lo siguiente:
Acolchados De hecho, las poliolefinas son los polímeros más utilizados para acolchados.
Mantas de sombrero.
Invernaderos Las poliolefinas se pueden utilizar, en forma de película, para cubiertas de invernadero. Invernaderos no muy grandes emplean películas poliméricas para cubiertas de túneles y mini túneles.
Membranas.
Películas para desinfección de suelos, lo que a su vez permite evitar el uso de bromuro de metilo.
Películas para solarización En este caso se cubre el suelo con una manta plástica, de modo que el suelo se calienta un poco con energía solar, alcanzando una temperatura que es suficiente para matar a determinados microorganismos.
Películas para desinfección de suelos.
Películas para protección de cosechas Útiles para países de cuatro estaciones, de modo que los predios vegetales se ensilan en atmósfera determinadas, y en consecuencia el producto agrícola se conserva por más tiempo, independientemente de las condiciones ambientales.
Películas para protección de taludes.
Geotextiles.
Películas para empaque de productos hortofrutícolas.
Películas para embalaje de flores.
Tuberías rígidas y flexibles para riego, especialmente para riego por goteo.
Fundas protectoras para frutas.
Geomembranas (láminas de plástico de aproximadamente 1 mm de espesor) para recubrimiento de lagunas y canales.
Películas permeables para conservación de pastos y forrajes (Ensilado)
Mallas para diversas aplicaciones
Tutorado Consiste en enderezar las plantas con palitos. La mayor parte de florícolas utilizan pambil para el tutorado, pero ésta es una especie endémica en peligro de extinción, de modo que es preferible emplear en su lugar palos de polímero reciclados. El plástico también se puede utilizar para reemplazar a las piolas.
Además, los plásticos son materiales livianos, económicos, duraderos (lo cual puede considerarse negativo debido al tiempo necesario para su degradación) y factibles de reciclar.
Una de las funciones más importantes que cumplen los polímeros en la agricultura es la cobertura de los cultivos. Sin embargo, esta función de protección se ha ampliado para convertir al polímero en un medio de promoción de un cultivo efectivo. Respecto a lo último, el material debe cumplir los siguientes requisitos:
Luz: Los plásticos son una barrera a la fotosíntesis, ya que la intensidad de la luz del sol es menor al traspasarlos. El polímero debe presentan estas características:
Bloqueo de radiación ultravioleta: 280 a 340 nm. Si bien las plantas no se benefician de la luz ultravioleta, ésta así permite controlar determinadas características del cultivo, y por eso es muy importante.
Transmisión de luz: 340 a 3000 nm
Difusión adecuada de la luz: La luz directa llega a determinadas partes de la planta, específicamente a aquellas que se exponen a la radiación, propiciando un desarrollo inadecuado de la planta. Si se trabaja con luz difusa, lo cual se logra con una película plástica, el crecimiento es mejor.
Humedad: En este caso se busca una mínima condensación de agua. Como se indicó anteriormente, existen películas de polietileno con alta impermeabilidad a los gases, o antigases. De este modo, cuando se desarrolla la condensación de agua en el invernadero, se modifica la tensión superficial de la película plástica, a fin de que la gota forme un film delgado sobre el plástico y no caiga por el peso. Con una inclinación adecuada en la estructura del invernadero, se logra que la gota se deslice por el polímero en lugar de caer directamente sobre el cultivo.
Temperatura: En este caso se busca propiciar un real efecto térmico.
Protección física: El objetivo de un invernadero es proteger al cultivo de los vientos, la lluvia, el granizo, la erosión, e incluso de la ceniza de los volcanes.
Radiación solar
La radiación solar que llega a las capas externas de la tierra va de 0,7 a 300 nm. Las radiaciones cuya longitud de onda está por debajo de los 175 nm son absorbidas por el oxígeno ubicado a 100 km sobre el nivel del mar. La longitud de onda de las radiaciones que degrada a los polímeros está entre 290 y 400 nm.
Las nubes actúan como filtros de la luz ultravioleta, mas no de la luz visible, que es precisamente la que interesa en cuanto a invernaderos. Gracias a la capa de ozono, a la superficie terrestre sólo llega el 5% de la luz ultravioleta que emite el sol. Asimismo, una buena cantidad de la luz visible pasa la capa de ozono (aproximadamente el 52%), y gracias a ello podemos ver.
Dentro del porcentaje de luz ultravioleta que pasa la capa de ozono no se encuentran radiación de una longitud de onda menor a 280 nm. Tampoco logran atravesar rayos X, lo cual es bueno, ya que estas regiones del espectro nos matan.
El polímero del invernadero debería permitir el paso máximo de radiación PAR (radiación fotosintética)El polímero del invernadero debería permitir el paso máximo de radiación PAR (radiación fotosintética)Una pequeña fracción de toda la energía luminosa que llega al planeta está absorbida por los elementos de la biosfera. La radiación PAR (0,4 – 0,7 μm), o radiación fotosintética, es la que más le conviene a las plantas, de modo que es ésta la energía que deberían dejar pasar las películas plásticas de un invernadero.
El polímero del invernadero debería permitir el paso máximo de radiación PAR (radiación fotosintética)
El polímero del invernadero debería permitir el paso máximo de radiación PAR (radiación fotosintética)
La pérdida de transmisividad debida al material plástico está entre 10 y 30% normalmente, dependiendo de la calidad del polímero. La transmisividad registrada en distintos puntos del invernadero está en función de la forma de la cubierta, de su orientación y de la época del año. En lugares donde la luz es escasa, se debe cuidar mucho que la intensidad luminosa disponible no se pierda, para lo cual se procede con una selección adecuada de la orientación y del tipo de polímero a utilizarse en el invernadero.
Los suelos absorben luz UV y VIS en el día, y devuelven energía degradada en la noche.Los suelos absorben luz UV y VIS en el día, y devuelven energía degradada en la noche.Las plantas y los suelos emiten por la noche parte de la luz que absorben en el día. Esta emisión se registra en la zona del infrarrojo medio, de 2.500 a 25.000 nm. Así, en el día el suelo absorbe luz ultravioleta y visible, y en la noche devuelve energía degradada.
Los suelos absorben luz UV y VIS en el día, y devuelven energía degradada en la noche.
Los suelos absorben luz UV y VIS en el día, y devuelven energía degradada en la noche.
Se debe hacer que la mayor parte de la energía degradada se quede en el invernaderoSe debe hacer que la mayor parte de la energía degradada se quede en el invernaderoLa película plástica va a retener algo de luz infrarroja, pero si se desea desarrollar un buen efecto invernadero dentro del polímero, hay que lograr que la mayor parte de la energía degradada se quede (hay que contener la radiación en la mayor proporción posible). Lo mismo sucede con el planeta, sólo que en lugar de una película plástica se tiene en una capa de gas.
Se debe hacer que la mayor parte de la energía degradada se quede en el invernadero
Se debe hacer que la mayor parte de la energía degradada se quede en el invernadero
Como películas de invernadero se usan comúnmente:
Polímeros ramificadosPolímeros ramificadosPolietileno de baja densidad (LDPE)
Polímeros ramificados
Polímeros ramificados
Polietileno lineal de baja densidad (LLDPE)
Etilen vinil acetato (EVA)
Los dos primeros, así tal cuales, no crean un efecto invernadero muy bueno. El polietileno de baja densidad normal absorbe de 5 a 30% de la luz que pasa, propicia una reflexión de 10 y 14%, y la difusión de la luz con este polímero es baja. Este material tiene una transparencia entre 70 y 85%, y es permeable en un 70% a las radiaciones de onda larga (de modo que sólo queda el 30%). Resiste la luz ultravioleta, pero no tanto, de modo que se degrada por diversos mecanismos ante la acción de este tipo de radiación.
Sin embargo, al polietileno de baja densidad se lo puede modificar para que sea de larga duración, añadiéndole aditivos en función de lo que se desea. Cabe indicar que un polímero en su proceso de degradación genera iones peróxido e hidroperóxido, de modo que ayudarle a que no se degrade implica evitar la formación de dichas especies. La estabilización a la luz se logra con procesos químicos o con procesos físicos.
Procesos físicos: absorción o reflexión.
Procesos químicos: consiste en la inhibición de la oxidación de los radicales libres, a fin de que si se forman peróxidos, hidroperóxido u otros radicales libres, la sustancia adicionada estabilice a los iones y los obligue a regresar a su estado anterior. Con el proceso químico también se puede hacer que la degradación del material plástico se desarrolle más rápidamente o que ésta se inhibe.
Una película estabilizada dura más tiempo, y por eso se debe utilizar una serie de estabilizadores que capten los radicales que se van formando en los procesos de degradación. Las sustancias que se pueden adicionar para que el polímero no se degrade son:
Absorbedores UV: El mecanismo de protección de los absorbedores UV consiste en absorber las radiaciones UV, disipando su energía en forma de calor. Los diversos absorbedores UV protegen o bloquean la radiación en distintos rangos del espectro, siendo muy importante la cantidad de estabilizador incorporado al polímero, además del espesor de éste último.
Generalmente las películas de invernadero tienen espesores entre 150 y 200 μm (6 y 8 milésimas de pulgada respectivamente). Películas más gruesas tendrán un mejor comportamiento ante lo que se desea.
150 μm×1 m106 μm×100 cm1 m×1 in2,54 cm×1000 min1 in=5,9 min 6 min
200 μm×1 m106 μm×100 cm1 m×1 in2,54 cm×1000 min1 in=7,9 min 8 min
Halls: Aminas esteáricamente impedidas, que captan radicales alquilos formados en la degradación del polímero. Estas sustancias impiden que se formen radicales hidroperóxido, pues se comportan como catalizadores negativos de la reacción a partir de la cual se forman.
Las especies del polímero son susceptibles de convertirse en radicales peróxido o hidroperóxido. Es en éste punto cuando actúan los halls. Caso contrario, cuando ya se forman este tipo de radicales, los plásticos deben tener antioxidantes incorporados en su estructura.
Cabe indicar que, en cualquier caso, el estabilizado debe permitir que pase la cantidad de luz que requieren los insectos que participan en la polinización.
Películas térmicas de Polietileno de Baja Densidad
Para la retención de las radiaciones en el infrarrojo medio se utilizan cargas minerales con base en sílice y otros minerales. Pero la incorporación de éstas tiene efectos secundarios, pues la luz se desvía. Así, las películas térmicas de polietileno de baja densidad, con grosores de 200 nm, tienen una permeabilidad del 18% a las radiaciones de longitud de onda larga (a diferencia de polietileno de baja densidad normal, que dejar pasar el 30% de la radiación). Zonas cercanas al trópico de cáncer y al trópico de capricornio tienen menor luz porque el sol ilumina con menos intensidad. En ese caso, las películas deberán tener mayor transparencia.
Con una película normal se va a tener problemas de inversión térmicaCon una película normal se va a tener problemas de inversión térmicaMientras mayor es la proporción de carga adicionada, menor es la cantidad de luz ultravioleta que el polímero deja pasar y mayor la energía degradada que el invernadero retiene (recordar que la energía infrarroja provoca un efecto invernadero). Asimismo, a medida que aumenta el contenido de cargas en la película térmica, la luz difusa aumenta. Esto se percibe como una ventaja generalmente, pues una mayor superficie de la planta recibe luz, y por lo tanto se desarrolla una mejor actividad fotosintética. No obstante, lo que se gana en luz difusa se pierde en luz directa.
Con una película normal se va a tener problemas de inversión térmica
Con una película normal se va a tener problemas de inversión térmica
El objetivo de las películas de polietileno de baja densidad modificadas es evitar la inversión térmica. Mientras mayores sean los gradientes de temperatura, la tasa de transmisión de calor es más alta. Por tanto, mientras más caliente esté el interior del invernadero, más rápido se enfría si la película es de polietileno. Con una película térmica el invernadero no deja salir la luz infrarroja, y así se mantiene la temperatura. En cambio, con una película normal, el calor saldrá tan rápidamente en la noche, que el interior del invernadero puede alcanzar una temperatura menor que la del exterior (efecto de inversión térmica).
Cuando una película no propicia un efecto invernadero, no sólo la atmósfera del interior no se calienta, sino además la temperatura del interior disminuye drásticamente, lo cual puede ser letal para las plantas.
En la actualidad se incorpora una cierta cantidad de polietileno lineal de baja densidad al polietileno de baja densidad. Como se indicó antes, esto permite obtener mejores propiedades mecánicas en el polímero, pero dificulta el procesamiento; y a medida que la proporción de polietileno lineal de baja densidad que se mezcla aumenta, más problemas se tendrán en el procesamiento. Asimismo, la incorporación de polietileno lineal de baja densidad permite reducir espesores y, por lo tanto, cambiar el porcentaje de luz en el invernadero. Entonces este tipo de materiales son aptos para acolchados, de modo que mientras mayor es la cantidad de polietileno lineal de baja densidad en el material, mejor es la calidad el acolchado.
También se suele incorporar una cierta cantidad de copolímeros vinil acetato (VA, EVA normalmente). Contenidos de vinil acetato entre 4 y 18% le confieren a la película, respecto a los invernaderos:
Transparencia, útil para lugares nublados.
Permeabilidad, útil en ambientes demasiado saturados de humedad. Esto se debe a que el vinil acetato es polar, al igual que el vapor de agua, mientras que el polietileno es no polar.
La alta flexibilidad del plástico con VA disminuye la vida útil de la película de invernaderoLa alta flexibilidad del plástico con VA disminuye la vida útil de la película de invernaderoAlta flexibilidad. Esta característica no necesariamente se percibe como buena, ya que disminuye la vida útil de la película de invernadero. Lo que sucede es que, como el plástico en general presenta un comportamiento viscoelástico, el polímero con vinil acetato se va a deformar con el tiempo mucho más fácilmente que si se tuviera polietileno solo, debido a esta característica.
La alta flexibilidad del plástico con VA disminuye la vida útil de la película de invernadero
La alta flexibilidad del plástico con VA disminuye la vida útil de la película de invernadero
Las películas de invernadero normalmente se tiemplan entre 5 y 10%. Por eso en Ecuador no se recomienda el uso de películas de invernadero con EVA. De ahí lo importante que es analizar antes de comprar. En nuestro país hay vientos, ceniza volcánica, y alta radiación ultravioleta y visible, aspectos que se deben tomar en cuenta el momento de seleccionar un material, además de la posición geográfica.
Aislamiento térmico. La incorporación de vinil acetato, además de las cargas minerales, mejora la retención de luz infrarroja, pues detiene la radiación.
La opacidad a las radiaciones térmicas depende del contenido de vinil acetato, mejorando el nivel térmico (retención de calor) a medida que aumenta dicho contenido.
Resistencia al rasgado inferior. Otro problema que presenta la incorporación de vinil acetato es que reduce la resistencia al rasgado del polietileno. Debido a esto, no hay razón para usar películas de invernadero con vinil acetato en Ecuador, salvo por el mejoramiento en el efecto térmico.
Otras desventajas de la incorporación de vinil acetato a la película son:
Excesiva plasticidad, lo que implica que se tendrá una baja recuperación luego de que el material sufre una elongación.
Alta adherencia de polvo debido a interacciones electrostáticas, lo que dificulta la transmisión de luz.
Alta carga electrostática, lo cual lo convierte un material difícil de lavar.
Películas Anti goteo
Los aditivos manejan la tensión superficial para que se forme un film de agua sobre la película. Para que el film se deslice, se debe manejar inclinación del plástico.Los aditivos manejan la tensión superficial para que se forme un film de agua sobre la película. Para que el film se deslice, se debe manejar inclinación del plástico.Aditivos especiales hacen que las gotas de agua no se queden en el material, sino que formen sobre la superficie del plástico una película que se desliza (manejando las inclinaciones del plástico se logra que el film caiga tangencialmente). Para esto, la función de los aditivos es mejorar (igualar) la tensión superficial, y con ello cambiar el ángulo de contacto.
Los aditivos manejan la tensión superficial para que se forme un film de agua sobre la película. Para que el film se deslice, se debe manejar inclinación del plástico.
Los aditivos manejan la tensión superficial para que se forme un film de agua sobre la película. Para que el film se deslice, se debe manejar inclinación del plástico.
Luminiscencia
Algunos aditivos blanqueadores ópticos (smart light) transforman luz ultravioleta en azul y, con el uso de algunas tierras raras en el aditivo, se logra está misma transformación hacia el rojo. Asimismo, el empleo de moléculas orgánicas permite la transformación del color verde hacia el rojo. Por lo tanto, se puede modificar una película de invernadero para mejorar la difusión de luz en el rango PAR, el cual presenta máximos en los colores rojo y azul, optimizando de este modo la fotosíntesis en la planta.
La luminiscencia también ayuda e influye en la morfología de la planta, respecto a la longitud del tallo y al color de los pétalos. Adicionalmente, esta modificación permite la obtención de un producto de mejor calidad y en ciclos más cortos, lo cual puede justificar el uso de este tipo de películas frente a su costo más alto.
Técnicas de Agroplasticultura
Para llevar a cabo agroplasticultura se pueden utilizar distintos tipos de invernaderos respecto al material y a la forma de la película plástica. Ambos son factores que influyen en el crecimiento de la planta, de modo que otra forma de manejar la obtención de determinado producto cuando no es su temporada (una fruta, por ejemplo) es la selección adecuada del polímero y su disposición en el invernadero.
Además de la luz, para la fotosíntesis la planta requiere de agua, nutrientes y dióxido de carbono. Respecto al último, con la selección adecuada de la película plástica se puede optimizar el manejo de dióxido de carbono para mejorar la productividad del cultivo. De hecho, este es el objetivo de los invernaderos inteligentes, en los cuales sensores detectan la concentración de dióxido de carbono, luz y humedad, a fin de que compuertas se abran o se cierren para inyectar más oxígeno, dióxido de carbono o agua, dependiendo del valor de estas propiedades.
Así, se advertirá que la función de la película plástica no es únicamente la protección.
Microtúneles
Protegen a los cultivos contra condiciones climáticas adversas en las primeras fases desarrollo. Por lo tanto, tienen como objetivo favorecer la precalidad de la cosecha. Además, los microtúneles proporcionan:
Protección contra temperaturas bajas, en función del tamaño de los productos y del polímero seleccionado.
Protección contra otros factores del clima.
Los microtúneles son germinadores en los que se colocan las semillas para que las plantas crezcan y, cuando éstas tienen el tamaño adecuado, se las trasplanta al aire libre a fin de que el cultivo se desarrolle adecuadamente. Este tipo de películas tienen una parte hueca y una parte continua, ya que se requiere una renovación de las tasas de agua y de aire.
Acolchados
El empleo de acolchados consiste en colocar una película plástica sobre el suelo en forma total o parcial. Las películas plásticas son plateadas cuando se requiere reflexión de la luz, para que ésta llegue la parte trasera (zona que se opone a la radiación del sol) de las hojas.
Se suele combinar técnicas, por ejemplo el desarrollo de suelos acolchados con microtúneles. Sin embargo, esto implica una inversión adicional importante, de modo que si la rentabilidad de la combinación no es buena, se procede únicamente con el acolchado.
Cubiertas flotantes o Mantas térmicas
Películas plásticas que se colocan sobre un suelo como protección y para el control de la humedad. No requieren estructura, pues simplemente se ubican en la superficie terrestre.
Polipropileno
Poliolefina constituida por la apertura del enlace vinílico del propileno, y su única diferencia con el polietileno es la presencia de un grupo metilo en lugar de un hidrógeno, una simple variación por la que cambian tremendamente las propiedades. Lo que sucede es que el grupo metilo hace que haya un carbono terciario, teniéndose desde un inicio una menor estabilidad, pues el carbono terciario es más susceptible de degradarse.
Los factores que se analizan para el polipropileno son los mismos que para el polietileno, en cuanto a la configuración. Sin embargo, la presencia de grupos metilo hace que haya un carbono quiral, de modo que para el polipropileno es muy importante además el tipo y grado de tacticidad. En cuanto a esto, puede haber polipropileno isotáctico, sindiotáctico y atáctico, éste último no trascendental ya que como plástico no sirve para nada.




Polipropileno Isotáctico
Polipropileno Sindiotáctico
En el caso del polipropileno, el grupo radical R es bastante grande (CH3), de modo que para la conformación isotáctica la cadena no se podría desarrollar linealmente (en forma de diente de sierra), sino más bien como una hélice. En este caso, la cadena se dobla como una hélice 3:1, es decir tres unidades de polipropileno por cada vuelta de la hélice. En cambio, en cuanto a la conformación sindiotáctica, ésta sí se puede desarrollar en forma de diente de sierra, completamente extendida, ya que no existen impedimentos esteáricos.
El índice de fluidez se determina bajo normas, igual que en el caso del polietileno. Para los polipropilenos el índice de fluidez normalmente varía entre 0,2 y 20.
El polipropileno es bastante similar al (HDPE), pero presenta algunas diferencias, por ejemplo:
El polipropileno es la poliolefina con la menor densidad (0,9 g/mL).
En general presenta mayores transiciones térmicas, comparativamente con el polietileno de alta densidad. Asimismo, presenta una temperatura más alta de utilización (incluso 135 , temperatura a la cual el polietileno de alta densidad funde, bajo condiciones controladas de laboratorio).
Parece estar libre de problemas de agrietamiento.
Al igual que el polietileno de alta densidad, el polipropileno presenta una altísima resistencia química.
La presencia de grupos metilo determina que la movilidad de la cadena sea menor, lo que le resta flexibilidad. Por lo tanto, la temperatura de transición vítrea del polipropileno es mucho mayor que la del polietileno de alta densidad (–4 a 0 para el polipropileno y –80 para el polietileno de alta densidad). Si se usa un artículo hecho de este polímero en las cercanías de su temperatura de transición vítrea, se va a tener un material muy frágil que no va a soportar esfuerzos de impacto.
No es transparente.
La presencia del grupo metilo hace que existan carbonos terciarios, que convierten al polipropileno en un material mucho más susceptible que polietileno de alta densidad. Por lo tanto, en presencia de oxígeno, de otros gases y de luz ultravioleta, el polipropileno se degradará más fácilmente.
Cuando se sintetiza polipropileno es muy importante el grado de cristalinidad, lo que aumenta la rigidez y la tenacidad del material. Aumentar la cristalinidad es mejorar las propiedades mecánicas, e implica incrementar la proporción de polipropileno isotáctico en el material. Cabe indicar que el polipropileno no está conformado por un solo tipo de cadena, sino más bien contiene distintas concentraciones de polipropileno isotáctico, de polipropileno sindiotáctico, e incluso polipropilenos atáctico.
Incrementar el índice isotáctico de 80% a 95% provoca un aumento en la resistencia a la tensión, un aumento en la rigidez, un aumento en el porcentaje de alargamiento, un aumento en la dureza, y un aumento en la temperatura de reblandecimiento del polímero. Es decir, mientras mayor es la proporción de polipropileno isotáctico, el material es más duro, más rígido y más deformable, además de que incrementar su rigidez y su temperatura de reblandecimiento. Por lo tanto, se van a preferir índices isotácticos altos. Normalmente el índice isotáctico no suele ser menor a 95%, aunque un material con un índice mayor a 85% es duro y rígido (menos de 85% es un tanto flexible). Cabe indicar que la cantidad de material atáctico también influye, aumentando el porcentaje de elongación por ejemplo.
El grado de orientación mejora con la temperatura y la aplicación de tensiónEl grado de orientación mejora con la temperatura y la aplicación de tensiónCon el incremento del índice de fluidez incrementa el grado de cristalinidad, lo cual no es muy usual, ya que mientras mayor es el índice de fluidez, menor es el peso molecular del polímero, y por lo tanto menor es su cristalinidad.
El grado de orientación mejora con la temperatura y la aplicación de tensión
El grado de orientación mejora con la temperatura y la aplicación de tensión
Cuando se aplica tensión sobre un material cristalino, se le atribuye una cierta orientación, que mejora con la temperatura. En el caso de los films de polipropileno, siempre se busca que las cadenas estén altamente orientadas, modificando sus estructuras esferulíticas con los niveles de tensión adecuados hasta convertirlas en estructuras microfibrilares cristalinas.
Un alto grado de orientación es consecuencia de un alto grado (o relación) de estirado, es decir, de cuánto se estira el material respecto a su longitud original, en función de la temperatura. Una alta orientación en el polipropileno mejora notablemente sus propiedades, por ejemplo aumenta su permeabilidad.
En general, la dureza del polipropileno es mayor a la dureza del polietileno de alta densidad, y no depende del índice de fluidez. Entonces el polipropileno, como todo material duro, tiene una aceptable resistencia a la abrasión (menor a la de las poliamidas, por supuesto) y se lo puede usar como fibra. Sin embargo, si se requiere fabricar una fibra que constantemente se someterá a abrasión, sería mejor pensar en nylon antes que polipropileno.
Mientras más cristalino es el polipropileno, menor es su resistencia al impactoMientras más cristalino es el polipropileno, menor es su resistencia al impactoLa resistencia al impacto del polipropileno disminuye a medida que incrementa su índice de fluidez y aumenta su isotacticidad, es decir, a medida que crece el grado de cristalinidad del polímero.
Mientras más cristalino es el polipropileno, menor es su resistencia al impacto
Mientras más cristalino es el polipropileno, menor es su resistencia al impacto
Si bien el polipropileno es un material con alta velocidad de cristalización, si se lo enfría rápidamente se propicia un menor grado de cristalinidad. Por lo tanto, la resistencia al impacto se ve igualmente afectada por la velocidad de enfriamiento, de modo que ésta crece a medida que la velocidad de enfriamiento disminuye.
La resistencia al impacto está ligada a la zona amorfa, y la transmisión de fuerzas de la zona amorfa a la zona cristalina es lenta, de modo que mientras más zonas cristalinas tiene el polímero, menor es su resistencia al impacto.
La permeabilidad de polipropileno está entre la del polietileno de alta densidad y la del polietileno de baja densidad. Por eso, si se requiere una alta permeabilidad a gases y vapores, mejor sería no utilizarlo en esa aplicación.
En cuanto a la estabilidad química, en la estructura afecta el carbono terciario, de modo que el polipropileno es muy sensible a la oxidación a altas temperaturas. El mecanismo de degradación del polipropileno consiste en un rompimiento de la cadena, de modo que en este caso se tiene un modo de evaluación de la degradación: valoración de si aumenta o no el índice de fluidez del polímero, pues ello implica que disminuye o no su peso molecular. Para el polietileno, en cambio, la degradación consiste en la reticulación o rompimiento de las cadenas, indistintamente, aunque el grado de estiramiento siempre es menor.
Lo anterior implica que van a tenerse problemas para el procesamiento de polipropileno. De ahí la necesidad de que el polímero, desde que viene de la industria petroquímica, tenga aditivos antioxidantes (en el orden de 0,5%), aun cuando el material sea muy estable.
Por otro lado, la susceptibilidad que tiene el polipropileno a oxidarse hace que éste no sólo se cuide en el procesamiento, sino también en el uso. El síntoma más obvio de la degradación de polipropileno es la decoloración, sobre todo cuando está crudo, blanco o en colores claros. Además, el material degradado pierde su brillo y transparencia, se generan pequeñas fisuras en la superficie, y pierde propiedades mecánicas. Así, si el material está muy degradado, se rompe fácilmente.
La degradación del polipropileno se puede mitigar mediante el uso y la adición de antioxidantes, además de los que vienen con material desde la petroquímica. Un remedio paliativo es la estabilización física, a través de la orientación axial o biaxial de las cadenas, de modo que los espacios entre las moléculas se van estrechando con la modificación estructural del polímero, lo que implica comprar otro material: un copolímero que no tenga tantos carbonos terciarios.
Copolímeros
En general, los polipropilenos se obtienen a partir de catalizadores metalocénicos, los cuales permiten controlar algunas características de las cadenas y de las propiedades de las cadenas. Por ejemplo, los tipos de distribución estrecha se contraen menos y más uniformemente. Las propiedades ópticas están influenciadas por el grado de cristalinidad.
El polipropileno es un material muy bueno, pero tiene puntos débiles: su rigidez en frío y su tendencia a la oxidación, consecuencia de la presencia de carbonos terciarios. Los copolímeros de polipropileno mejoran estas propiedades, y son: etileno, 1 – buteno y otras α – olefinas. En general, un copolímero tiene mejor resistencia a la radiación ultravioleta que un homopolímero.
La mayor parte de copolímeros resulta de la incorporación de unidades de etileno al polipropileno, obteniéndose copolímeros al azar o random; mientras que si lo que se incorpora son α – olefinas, lo que se obtiene son copolímeros en bloque o copolímeros de impacto.
La presencia de cualquier tipo de material extraño determina que la fracción del polímero en la matriz sea menor. Por lo tanto, los copolímeros tienen propiedades distintas a las del polipropileno. Por ejemplo, los copolímeros en bloque tienen:
Muy alta resistencia al impacto.
Menores propiedades de flujo respecto a las del polipropileno homopolímero.
Menores problemas de hinchamiento, una vez que el copolímero sale de la extrusora, de modo que las tolerancias dimensionales serán mucho más fácilmente controlables.
Menores tiempos de ciclo en inyección y, por lo tanto, tiempos más eficientes de producción.
Mientras menor es el grado de cristalinidad del polímero, mayor es la transparencia, mayor es la tenacidad y menor es el punto de fusión del material.
Los copolímeros en bloque presentan un grado de transparencia importante, y mejora en contacto con los líquidos, pues se actúa sobre la superficie de contacto. Generalmente los copolímeros en bloque están orientados a procesos de inyección.
Los copolímero aleatorios están orientados hacia la producción de películas y de sacos de empaque. Por otro lado, si las transiciones térmicas de polipropileno son más altas a las transiciones térmicas del polietileno, entonces se tendrá para el primero una temperatura de iniciación de sellado mayor, y por eso se suele incorporar polietileno al polipropileno para facilitar el sellado. Adicionalmente, como el copolímero aleatorio de polipropileno tiene una serie de etilenos ubicados al azar, va a presentar un cierto grado de flexibilidad.
A los copolímeros de polipropileno aleatorios también se los trata por soplado de cuerpos huecos transparentes y en la inyección de artículos para aplicaciones médicas.
De los polipropilenos, el copolímero aleatorio es el que menos transiciones térmicas tiene, y el que más se aproxima al polietileno. La incorporación de polietileno disminuye la temperatura de transición vítrea. Así, si un polipropileno se debe usar en frío, se lo debería aplicar como copolímero de polietileno, y mientras mayor porcentaje de etilenos tiene el copolímero, la temperatura de transición vítrea disminuye y el material es más flexible a la temperatura de uso.
El polietileno de baja densidad funde a 100 , el polietileno lineal de baja densidad y el polietileno de densidad media funden a una temperatura de aproximadamente 120 – 130 , y el polietileno de alta densidad funde a una temperatura de alrededor de 133 . El polipropileno homopolímero es el que mayores transiciones térmicas presenta, de ahí que su punto de fusión es igual a 165 ; mientras que el polipropileno en bloque tiene una temperatura de fusión de 160 , y el polipropileno random tiene una temperatura de fusión de 145 .
En general, la temperatura de uso continuo de un polipropileno está entre 90 y 100 , para el homopolímero. Conforme se va añadiendo polietileno, las transiciones térmicas van disminuyendo, y con ellas la temperatura de uso continuo. Asimismo, el material con el mejor módulo (el más rígido) es el homopolímero, a diferencia de la resistencia al impacto, que presenta un mejor comportamiento para el copolímero en bloque. Por eso, una carcasa barata debería ser fabricada con copolímeros de polipropileno en bloque.
Polipropilenos especiales
Además de los copolímeros, hay polipropilenos especiales, por ejemplo los polipropilenos de reología controlada o visbreaking. Éstos se obtienen a partir de la reacción del polímero con peróxidos orgánicos, lo que permite una distribución de pesos moleculares más estrecha y, por lo tanto, una baja viscosidad (los índices de fluidez de estos materiales son mayores a 20). Con esto se logra que el material fluya más rápido y que llene una cavidad instantáneamente. Por eso, a este tipo de materiales se los usa como fibras (no textiles).
El polipropilenos se utiliza en las siguientes aplicaciones:
Componentes electrodomésticos
Cajas de aparatos
Bombas de agua caliente
Tuberías de agua caliente
Con los artículos de polipropileno se evitar el uso de accesorios, sobre todo en el caso de tuberías, pues este polímero es termoformable y termosoldable, ambas características de las poliolefinas en general.
Recipientes para agua caliente y para microondas
Empaques y recipientes con bisagras integrales (pues soporta flexiones sucesivas)
Ventiladores
Tableros de instrumentos en vehículos
Muebles
Asientos de estadios
Jeringas descartables
Maletas portaequipajes
Juguetes baratos
Botellas para cosméticos y medicinas
Perfiles
Geomembranas
Geotextiles
Inyección
Soplado de envases
Láminas para termoformado
Obtención de películas biorientadas por extrusión, de altísima resistencia y transparencia, a pesar de ser un material cristalino.
Material de aislamiento con espumas
Sacos de empaque, de papas por ejemplo
Rafias, cuerdas y filamentos baratos, que no se deberían utilizar para aplicaciones de mucha abrasión
No tejidos, que son fibras de polipropileno compactadas en forma de lana
Policloruro de vinilo
Material de gran consumo que se obtiene a partir de cloruro de vinilo (CH2CHCl), el cual a su vez que se origina de la cloración del etileno. El PVC se puede producir con tres distintos métodos: polimerización en emulsión, polimerización en suspensión y polimerización en masa. En cualquier caso se llega a un producto no estereoregular, con una estructura en la que no se identifican grandes secuencias sindiotácticas, sino más bien pequeñas secuencias sindiotácticas que se manifiestan a lo largo de la cadena.
El PVC en emulsión es un producto con una granulometría de 0,1 a 0,2 μm. Como la purificación no es tan buena, tiene un alto contenido en cenizas. Es altamente plastificable (es decir, muy receptivo en cuanto a plastificantes) y presenta una buena absorción de humedad, por lo cual no es muy idóneo para la elaboración de mezcla secas y sólo sirve para la producción de pastas de PVC.
El PVC en suspensión es más grueso que el PVC en emulsión, con una granulometría de 0,1 a 2 mm. Su contenido de impurezas es medio, menor a 0,1%. Asimismo, su capacidad de absorción de humedad es media, y de hecho es el más idóneo para la obtención de PVC rígido y plastificado.
El PVC obtenido a partir de la polimerización en masa presenta una granulometría de 0,06 a 0,75 mm, es decir, es más grueso que los anteriores. La polimerización en masa hace que el contenido de impurezas del producto sea súper bajo, de modo el PVC en masa es el más puro y, por tanto, el más caro y con las mejores propiedades mecánicas, visuales y ópticas.
Algo muy importante de los PVC's es que proceden del cloruro de vinilo, un gas altamente tóxico. En el polímero PVC, por otro lado, es un material muy estable pese a que su monómero es una sustancia muy peligrosa. De ahí lo importante que es controlar el contenido de monómero residual en el producto.
Hace algún tiempo, los polímeros de PVC tenían un contenido de monómero residual importante, y esto contribuyó a la mala fama de la que goza el PVC. Hoy, sin embargo, las petroquímicas cuidan muchísimo la concentración de monómero residual, y por lo general es menor a 2 ppm (2 mg/kg), lo que posibilita que actualmente el PVC sea un material adecuadas para utilizarse en medicina.
El PVC comercial es esencialmente amorfo, pero no en un 100%, ya que contiene una fracción cristalina (menor a 5%) constituida por las secuencias sindiotácticas en la estructura.
El peso molecular del PVC suele variar entre 100.000 y 200.000. Asimismo, este polímero normalmente es un material con poca polidispersidad. Por otro lado, su átomo de cloro dota a las cadenas de interacciones polares de tipo secundario, que hacen que exista atracción entre las cadenas y que le proporcionan rigidez al material. Consecuentemente, el PVC es dirigido y duro.
Por otro lado, el cloro es un átomo voluminoso, E impide la movilidad de las cadenas. Por lo tanto, la temperatura de transición vítrea del PVC es alta (Tg=80-90 ). Por eso, normalmente es un material muy rígido a la temperatura de uso.
Los polímeros de PVC tienen una constante dieléctrica relativamente elevada, de modo que se los puede utilizar en algunas aplicaciones como aislante dieléctrico, pero de baja frecuencia, ya que con una alta frecuencia hay riesgos de calentamiento.
Los polímeros de PVC son excelentes para recubrir metales, ya que se adhieren a las superficies metálicas con facilidad. Sin embargo, la mayoría de los plásticos se procesan en equipos metálicos, de modo que esta característica le proporciona una dificultad adicional al procesamiento del material, ya que más bien se prefiere que el monómero fluya antes de que se adhiera. Por lo tanto, es necesario incluir un sinnúmero de aditivos a la formulación, constituyendo un cóctel, para el procesamiento de los monómeros de PVC.
Las propiedades del PVC se pueden modificar mediante copolimerización (copolimerización de injerto generalmente) o formando mezclas.
Comercialmente, hay dos tipos de PVC:
PVC convencional o PVC rígido: Tiene una muy alta resistencia mecánica, es bastante rígido y presenta una dureza alta. Sin embargo, es quebradizo a bajas temperaturas. Además, como es un material amorfo, con pigmentos y cargas es un polímero transparente. Normalmente tiene buena resistencia a agentes químicos no polares y, a diferencia del polietileno y del polipropileno, es autoextinguible cuando se lo retira de la llama (aunque en presencia de llama continua combustionándose). El polietileno y el polipropileno, en cambio, requieren de aditivos para convertirse en autoextinguibles.
PVC flexible o PVC plastificado: Se puede pasar de un material súper rígido a uno muy flexible y suave añadiendo plastificantes. Dependiendo del contenido de plastificantes, es posible producir PVC transparente, pero modificando igualmente las propiedades mecánicas. Uno de los plastificantes más usados es el diodil heftalato o heftalato de 2 – etil hexilo (DOP); por eso, normalmente se habla de PVC DOP.
La curva esfuerzo – deformación de un polímero depende de la temperatura y de la velocidad de solicitación. Sin embargo, la tenacidad que exhibe el PVC flexible es bastante independiente de la temperatura. De hecho, El PVC flexible es uno de los materiales que siguen siendo tenaces aunque aumenta la temperatura (hasta ciertos valores).
Para modificar las propiedades del PVC se utilizan plastificantes, heftalatos por lo general, aunque también son usuales los plastificantes barotos y los basados en fosfatos. Los plastificantes pueden transformar al polímero directamente o mediante una acción indirecta. A veces se requiere adicionar una segunda sustancia a la formulación para que mejore la compatibilidad entre el PVC y el primer plastificante (plastificante primario), conocida como plastificante secundario. El plastificante secundario también mejora la flexibilidad del polímero. Adicionalmente, en ocasiones, se añaden cargas para abaratar los costos.
La presencia de plastificantes es desfavorable respecto a la resistencia a la llama. Además, si se baja la temperatura del material, éste sigue siendo flexible debido los plastificantes.
Un problema del PVC es su incompatibilidad con la mayoría de plastificantes. De hecho, normalmente el PVC es incompatible con los plastificantes alifáticos (plastificante secundarios), plastificantes epóxidos (generalmente son aceites que retardan el paso del plastificante a la superficie), alquil aril sulfonatos, parafinas coloradas (que funcionan como plastificantes primarios, plastificantes secundarios o como cargas), poliéster y plastificantes poliméricos, siendo los últimos sustancias que mejoran la compatibilidad del material con los plastificantes primarios.
El tamaño molecular del PVC se mide con el valor k, según la norma DIN 53726. "k" es una medida del tamaño molecular en función del grado de polimerización del material. Así, se dispone de una correlación entre tamaño molecular y el grado de polimerización del PVC. A medida que aumenta k, aumentan las propiedades mecánicas del polímero, pero asimismo se incrementan las dificultades en los procesos de transformación.
Uno de los grandes problemas del PVC es su estabilidad térmica, pues sobre los 100 se degrada formando estructuras allyl o uniones cabeza – cabeza y cola – cola (defectos). Lo que sucede es que durante la reacción los átomos de cloro terciario pueden unirse a dos carbonos consecutivos. Entonces, como normalmente la temperatura de procesamiento de materiales amorfos es 100 sobre su temperatura de transición vítrea (80 a 90 en el caso del PVC), se va a tener problemas en la transformación de los polímeros de PVC.
CH2CH2CH2CH2CH2CH2ClClClClCH2Cabeza – CabezaCola – ColaCH2CH2CH2CH2CH2CH2ClClClClCH2Cabeza – CabezaCola – Cola
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
Cl
Cl
Cl
Cl
CH2
Cabeza – Cabeza
Cola – Cola
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
Cl
Cl
Cl
Cl
CH2
Cabeza – Cabeza
Cola – Cola
Además de las estructuras representadas, también puede formarse una estructura allyl. La presencia de esta serie de defectos se manifiesta en la formación de una molécula de cloruro de hidrógeno (HCl), quedando instauraciones que facilitan la salida de otras moléculas de cloruro de hidrógeno. Se estima que por cada molécula de cloruro de hidrógeno que sale, se desprenden seis moléculas más (y por cada una de esas seis moléculas de cloruro de hidrógeno que emergen, resultan otras seis). Así, el proceso de degradación del PVC es autocatalítico. De hecho, se estima que a 90 se libera la máxima cantidad de cloruro de hidrógeno del polímero de PVC sin estabilización.
Para mejorar las propiedades del PVC y para facilitar el procesamiento de PVC se deben adicionar estabilizantes a la formulación.Para mejorar las propiedades del PVC y para facilitar el procesamiento de PVC se deben adicionar estabilizantes a la formulación.Lo anterior indica que para procesar PVC es necesario utilizar estabilizadores térmicos, que generalmente están basados en un metal y en una parte orgánica. Estabilizadores térmicos del PVC son, por ejemplo, el Ca/Zn (el más utilizado actualmente), Ba/Cd, Sn y Pb. Un estabilizador de estaño permite una liberación muy moderada de cloruro de hidrógeno durante 40 minutos a 190 . Los estabilizantes de plomo posibilitan una liberación mayor, pero aun así moderada. El estabilizante de Ca/Zn es el más usado, pese a ser menos efectivo que los anteriores. Cabe indicar que siempre va a haber desprendimiento de cloruro de hidrógeno, ya que no hay estabilizante perfecto.
Para mejorar las propiedades del PVC y para facilitar el procesamiento de PVC se deben adicionar estabilizantes a la formulación.
Para mejorar las propiedades del PVC y para facilitar el procesamiento de PVC se deben adicionar estabilizantes a la formulación.
Los estabilizantes de plomo captan los átomos de cloruro de hidrógeno y desactivan los átomos de cloro inestables, evitando que se formen estructurar allyl en la cadena. Para esto, se incorporan en la cadena o atrapan al cloro que se forma, en caso de que se formara. Los estabilizantes de estaño tienen características semejantes a los estabilizantes de plomo, pero presentan un olor feo. Los estabilizantes Ba/Ca le dan una coloración desagradable al polímero, además de que son tóxicos.
Como se indicó antes, el PVC se adhiere a las superficies metálicas, por lo cual resulta difícil evacuarlo. Además, su temperatura de degradación es muy baja, de modo que es necesario modificarlo a fin de que su temperatura de degradación ascienda hasta 180 a 185 . De cualquier modo, se debe procurar trabajar con la temperatura más baja posible, lo cual implica problemas de viscosidad. En el caso del polietileno, por ejemplo, si se tienen problemas de viscosidad sólo se calienta a la mezcla, lo cual no es una opción para el PVC.
La adición de estabilizantes cambia la coloración del material polimérico, de modo que se tiene una imposibilidad para obtener productos transparentes. Además, generalmente los estabilizantes son incompatibles con las resinas, sobre todo por la incompatibilidad entre los estabilizantes y de los estabilizantes con el polímero, de modo que otro problema con éstos es la dificultad que le confieren al reciclado.
Los estabilizantes Ca/Zn son compatibles con casi todos los sistemas estabilizadores. Tienen buena resistencia a la intemperie (la mejor entre todos los estabilizantes mencionados), y no son tóxicos.
Otras sustancias que se incluyen en la formulación de un polímero son los lubricantes internos y externos. Los lubricantes internos, o coayudantes de proceso, son moléculas de alto peso molecular que crean una fricción interna entre las moléculas de polímero, permitiendo un efecto de solubilidad en las partículas. Por lo tanto, con la adición de este tipo de sustancias, las moléculas se lubrican. Así, en el material se logra una baja viscosidad, incluso sin la necesidad de calentarlo. El ácido esteárico es uno de los mejores lubricantes internos para polímeros.
Entonces, los lubricantes internos disminuyen la viscosidad del material y, por tanto, mejoran el flujo de éste dentro del equipo. Sin embargo, el polímero continuará pegándose a las paredes metálicas del equipo, de modo que se deben añadir además lubricantes externos con lo que se logre una muy baja compatibilidad entre las moléculas de polímero y la superficie metálica. En este caso, el polímero se traslada a la superficie para formar una fina película entre el polímero y el metal. Ejemplos de lubricantes externos son las ceras de polietileno de bajo peso molecular (muy incompatibles con el polietileno), el ácido hidroxiesteárico, el montanato de calcio y el estearato de plomo.
Aplicaciones
En su forma rígida, el PVC se utilizaba para envases (para envases de aceites comestibles, por ejemplo). Actualmente, estas aplicaciones las ha acaparado el PET mientras que el PVC rígido se emplea más bien para tubos. Sin embargo, algunos envases de yogurt son aún de PVC.
Las botas de caucho son botas de PVC, y por eso tienen una permeabilidad bastante alta, que si bien no deja entrar el agua, tampoco deja salir la transpiración. Las plantas del calzado militar también son de PVC. Asimismo, todo lo que es perfiles y perfilería de ventanas se hace de PVC.
De PVC rígido se hacen muchas láminas para termoformado, y se produce una gran cantidad de films también con PVC. Igualmente, las tarjetas de crédito, las cajas de chocolate Noggi y los espirales para anillados son de PVC.
El PVC plasticado también encuentra muchas aplicaciones. Por ejemplo, el cordón de PVC, las pelotas Play – ball de olores para niños, y las pelotas de playa. De hecho, el olor de las pelotas nuevas (y de los autos nuevos también) es resultado de los componentes del PVC, específicamente de los plastificantes, siendo el DOP el plastificante que más huele. Asimismo, los juguetes baratos están hechos de PVC plastificado con DOP, lo cual implica un problema, ya que el DOP aparentemente tiene carácter cancerígeno.
Los magnetos son piezas de PVC cubiertas de ferritas; y la cuerina es una capa de PVC en emulsión depositada en un tejido o en un no tejido (puede tener una base textil). Asimismo, con PVC también se pueden desarrollar los siguientes productos:
Plastisoles, que son compuestos de PVC en plastificante, es decir, PVC con bastante plastificante. De este modo, el PVC se convierte en una pasta que no se moldea por calor ni por otros métodos convencionales. Con este tipo de material se puede hacer empaques permanentes.
Organosoles, que corresponden a PVC disuelto en algún solvente. El solvente por excelencia del PVC es el tetrahidrofurano. La pega de PVC utilizada para adherir los tubos de PVC es un organosol basado en un solvente en el que se ha disuelto PVC.
En el mundo de la medicina, el PVC plastificado (pero no con DOP, obviamente) se utiliza para la producción de mangueras y catéteres, y de hecho es difícil pensar en otro material para estos artículos.
Igualmente, el PVC plastificado es un material barato que provee de buenas propiedades de barrera. Por eso, se lo utiliza como lámina de empaque de alimentos. Asimismo, los liners de las botellas (lámina polimérica entre la tapa y la botella) generalmente son de PVC, al igual que la mayoría de etiquetas, lo cual es un problema, ya que si una de las etiquetas pasa conjuntamente con la botella durante la clasificación para el reciclado, se tendrá problemas en el procesamiento, el cual usualmente se desarrolla a temperaturas superiores a 150 (recordar que a 150 el PVC se degrada).
Perfiplast es la empresa ecuatoriana que se encarga de elaborar perfiles de PVC. La empresa Plasticaucho Industrial (la segunda más grande del país, luego de Plastigama) produce botas de caucho para exportar. De hecho, todo lo que se fabrica en Plasticaucho Industrial es de PVC. Por lo tanto, el PVC es un plástico muy importante en el medio ecuatoriano.
Normalmente se asocia al PVC muchos problemas ambientales, sobre todo respecto a su reciclaje, a la generación de dioxinas y furanos y al uso de metales pesados.
Poliestireno y sus copolímeros
La mayoría de termoplásticos se obtienen por polimerización vía radicalLa mayoría de termoplásticos se obtienen por polimerización vía radicalEl poliestireno es un termoplástico que se obtiene por polimerización vía radical, al igual que la mayoría de materiales termoplásticos. La polimerización en emulsión se utiliza exclusivamente para látex. En todos los casos, se consigue un poliestireno de características atácticas, pues se dificulta un orden y un desorden total.
La mayoría de termoplásticos se obtienen por polimerización vía radical
La mayoría de termoplásticos se obtienen por polimerización vía radical
La polimerización industrial del estireno se lleva a cabo vía radical con ayuda de peróxidos, ya sea en masa, suspensión y disolución. La polimerización en emulsión se emplea exclusivamente para la preparación de látex. En todos los casos, se obtiene poliestireno atáctico con estructura preferentemente sindiotáctica. El peso molecular oscila entre 50 mil y 100 mil.
La presencia de un anillo aromático como grupo lateral de la cadena implica impedimentos esteáricos, lo que compromete al movilidad de las estructuras y que se refleja en una temperatura de transición vítrea bastante alta, mayor a 100 , por lo que el poliestireno siempre se lo va a utilizar en condiciones vítreas. Debido al carácter sindiotáctico de la cadena, se va a tener siempre un polímero amorfo y transparente, brillante y fácilmente coloreable, pero frágil. Esto es importante, ya que la mayoría de poliolefinas, a excepción del PVC, no ofrecen características estéticamente adecuadas. Sin embargo, en el caso del poliestireno, cuando al material se lo utilice bajo la temperatura de transición vítrea, se romperá de forma frágil, quedando aristas vivas.
Las propiedades más relevantes del poliestireno son:
Baja constante dieléctrica, como todos los plásticos
Baja absorción de agua, pues no tiene carácter polar
Aceptable resistencia química
Los distintos tipos de poliestirenos se diferencian por su índice de fluidez, que influye en el peso molecular. Para el poliestireno la densidad, que es la capacidad empaquetamiento de las moléculas, es independiente del tamaño molecular. Un comportamiento parecido (independencia del tamaño molecular) presenta el poliestireno para la temperatura de deflexión y la elongación a la rotura. Al contrario, mientras mayor es su peso molecular, mayor es la temperatura de ablandamiento Vicat. La resistencia al impacto es igual de mala para todos los tamaños moleculares, de modo que el polímero sigue siendo frágil, sin importar el tamaño de las cadenas.
El poliestireno no se deforma igual que el polietileno, que es muy flexible (hasta 600% de elongación a la rotura). La elongación a la rotura del poliestireno es de apenas 2%.
El carácter frágil del poliestireno dio lugar a la preparación de formulaciones para mejorar su resistencia al impacto, su tenacidad, y a la vez su rigidez. Además, sobre los 90 el poliestireno presenta inestabilidad térmica.
Al igual que el poliestireno común y corriente, el poliestireno espumado es solamente poliestirenoAl igual que el poliestireno común y corriente, el poliestireno espumado es solamente poliestirenoEl plástico de poliestireno común y corriente se denomina poliestireno cristal (no por ser cristalino, pues es amorfo, sino más bien por sus similitudes con el vidrio). Existe otra variedad de poliestireno, pero no copolímero, que se conoce como poliestireno espumado (EPS) y que está constituida sólo de poliestireno.
Al igual que el poliestireno común y corriente, el poliestireno espumado es solamente poliestireno
Al igual que el poliestireno común y corriente, el poliestireno espumado es solamente poliestireno
Para mejorar las propiedades del poliestireno se han desarrollado copolímeros. Por ejemplo poliestirenos resistentes al impacto, dentro de los cuales están el estireno polibutadieno (SB), el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y el acrilonitrilo caucho acrílico (ASA). En este punto cabe indicar que en función de la proporción de estireno y de polibutadieno se puede hablar de plásticos o de cauchos, pero esto se define desde el procesamiento, de modo que al acrilonitrilo caucho acrílico (ASA) no se lo puede clasificar como un caucho. Otro tipo de copolímeros de poliestireno son el estireno α – metil estireno (S/MS) y el estireno acrilonitrilo (SAN).
El poliestireno resistente al impacto (HIPS, High Impact PS) es un material heterofásico, es decir, está conformado de al menos dos fases: una mayoritaria, que hace de matriz, y una fase dispersa de partículas. En este caso, la mezcla está constituida de una matriz dura de poliestireno y una fase dispersa de partículas de caucho estireno butadieno (S/B) en forma de copolímero de bloque o de injerto. La matriz no puede ser de caucho, pues no habría afinidad entre las fases, y por eso hay que hacer que la proporción de poliestireno en la formulación sea mayor. Se debe alcanzar una buena interacción entre las bases para tener un material reforzante.
El porcentaje de poliestireno en la fracción estireno butadieno típicamente está entre 25 y 30%, teniéndose un caucho de estireno que será incorporado a la matriz de butadieno. Si se incorpora 3% del caucho estireno butadieno, el material tiene impacto medio; si se incorpora de 3 a 10% del caucho estireno butadieno, se tiene con material de impacto alto; y sin se incorpora una mayor cantidad de caucho estireno butadieno, de 10 a 15%, se obtiene un material muy bueno frente al impacto, el impacto súper alto.
Pero para mejorar la resistencia al impacto se sacrifica la transparencia. Mientras mayor es la proporción de caucho estireno butadieno en el copolímero, menor es la transparencia que se logra. Sin embargo, utilizando cauchos con índices de refracción similares a los del poliestireno, se obtienen poliestirenos de alto impacto transparentes. Un ejemplo es la resina K, de la casa Phillips.
La fase de caucho en la matriz polimérica tiene una naturaleza de copolímero de injerto. Entonces el butadieno sigue presentando dobles enlaces, de modo que su resistencia a la intemperie aún es limitada, y por lo tanto no se puede exponer un poliestireno copolímero con caucho estireno butadieno al sol.
Es muy importante el efecto del tamaño de las partículas que se obtienen en la polimerización. Así, partículas de entre 1 y 10 μm proporciona mayor tenacidad; partículas entre 0,1 y 0,3 μm proveen al material de una alta rigidez y brillo; y partículas mayores a 3 μm le dan al material resistencia al agrietamiento por tensiones (ESCR, Environmental Stress Cracking Rate).
Los poliestirenos resistentes al impacto se utilizan para:
Envases desechables para alimentos y drogas
Implementos de oficina
Envases para cosméticos
Cajas de máquinas y aparatos electrodomésticos
Conos para hilo (algunos son de polietileno, otros de poliestireno)
Canales de ventilación, muy utilizado en automóviles porque se deja termoformar
Muebles pequeños
Juguetes (los legos son de poliestireno)
Películas similares al papel (sin embargo, cabe indicar que las toallitas de cocina que se parece al papel son no tejidos de polietileno o de polipropileno)
El SAN es un copolímero de estireno acrilonitrilo. Más específicamente, es un copolímero de estireno en bloques con acrilonitrilo. Típicamente se relaciona en una proporción de 76% de estireno con 4% de acrilonitrilo. Se lo obtiene por polimerización en emulsión, suspensión o precipitación, utilizando metanol, solvente.
Respecto al poliestireno, el copolímero de estireno acrilonitrilo presenta:
Mayor rigidez y dureza
Mayor estabilidad a cambios de temperatura, es decir, a cambios químicos producidos por un aumento de la temperatura
Mayor tenacidad
Mayor resistencia química contra aceites, grasas y compuestos aromáticos
Mayor resistencia al stress cracking (agrietamiento por tensiones)
Mayor absorción de agua, pues el acrilonitrilo le incorpora polaridad al material
Aunque es translúcido, el acrilonitrilo crudo tiene cierto color amarillento, de modo que estéticamente el copolímero de estireno acrilonitrilo (SAN) es desagradable. Por eso, a la formulación se suministran pigmentos para disimular ese amarillamiento. Sin embargo, se debe tener en claro que la tonalidad amarilla de este copolímero no se debe a la degradación, sino es propia de material.
Al copolímero estireno acrilonitrilo (SAN) se lo puede utilizar en equipos en contacto con aceites por su resistencia a grasas. Como tiene buena estabilidad de las dimensiones frente a cambios de temperatura, se lo usa en reglas e implementos de dibujos. Otras aplicaciones importantes del copolímero estireno acrilonitrilo (SAN) son:
Electrodomésticos
Cuerpos o carcasas de aparatos
Ruedas de contadores y mirillas
Aparatos telefónicos
Luces traseras de los automóviles
Vajillas
Bolígrafos
Soporte de filtro para cafeteras
El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) es otro copolímero del poliestireno. Para formarlo, se puede polimerizar el injerto del estireno con acrilonitrilo en látex de PB o se lo puede obtener a partir de mezclas del copolímero de injerto y de estireno acrilonitrilo (SAN). En cualquier caso, este copolímero se diferencia del copolímero estireno polibutadieno (SB) cuando el contenido de acrilonitrilo es mayor a 15%, y aún más para contenidos entre 20 y 30%. No todos los copolímeros ABS son iguales, siendo importante la proporción de acrilonitrilo, y sólo interesan cuando la concentración de acrilonitrilo es mayor a 15%.
El copolímero ABS se distingue por su alta resistencia y rigidez mecánica. Es opaco siempre, y presenta una alta dureza y resistencia al rayado. Además, el ABS presenta las siguientes características:
Alta resistencia al impacto, pues tiene una cantidad de acrilonitrilo mayor a 15%
Alta estabilidad de forma al calor
Alta resistencia cambios de temperatura
Poca absorción de agua, porque tiene butadieno
Alta estabilidad dimensional
Alta resistencia química
Buena resistencia al agrietamiento por tensiones
Sin embargo tiene peros, y esos son su baja resistencia a la intemperie además de su costo. Por lo tanto, el copolímero acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) cumple con todo, excepto con que no se lo puede exponer a la intemperie. Así, algunas de sus aplicaciones son:
Maletas y recipientes de transporte
Bobinas para hilos
Artículos de oficina y para el hogar
Cascos de seguridad
Piezas de vehículos
Juguetes
Otro copolímero importante de poliestireno es el acrilonitrilo estireno acrilato (ASA), el cual ya no presenta los dobles enlaces del butadieno, de modo que tendrá una mejor resistencia a la intemperie. De hecho, para el ASA se cuantifica una resistencia a la intemperie 10 veces mayor a la resistencia a la intemperie del ABS. Asimismo, comparando las propiedades de los distintos copolímeros de poliestireno, se observa que la resistencia al impacto del ABS es mayor a la del ASA. De cualquier modo, el copolímero ASA tiene buenas propiedades, y son las siguientes:
Alta rigidez y magnífica resistencia al impacto
Alta estabilidad térmica
Alto brillo
Buen comportamiento antiestático
Buena resistencia a la intemperie, al envejecimiento y al amarillamiento
Alta resistencia química
Poca absorción de humedad, debido a su carácter polar
Sin embargo, este copolímero tiene un alto costo, por lo cual se lo emplea en aplicaciones específicas como las siguientes: artículos eléctricos, teléfonos portátiles, carcasas de cortacéspedes y motores a gasolina pequeños. Asimismo, se lo utiliza en lámparas para iluminación pública y, en la industria del automóvil, para la fabricación de espejos exteriores, rejillas frontales, y luces traseras. También se lo usa para la fabricación de los vidrios laterales de las casas de remolque. Adicionalmente, el copolímero acrilonitrilo estireno acrilato (ASA) se emplean artículos para el hogar y la oficina, como sillas, juguetes, acoples para mangueras de jardín, y más, y para avisos públicos, buzones, entre otros.
Elastómeros
Los polímeros se clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros. Los últimos se caracterizan por su elasticidad (de hasta 700%), de modo que una de las propiedades más importantes de los elastómeros es su capacidad experimentar deformaciones con bajos esfuerzos (relativamente débiles) y de recuperar su forma cuando cesa la fuerza deformante. De hecho, con una pequeña fuerza se logran grandes deformaciones.
Caucho
El caucho fue descubierto y dado a conocer por los conquistadores españoles. Sin embargo, los indígenas ya lo utilizaban en diversas aplicaciones, por ejemplo en una clase de pelota que podía reportar y para impermeabilizar el calzado. El material, por sus características especiales, fue llevado por los españoles a Europa, donde se lo utilizó únicamente para impermeabilizar las telas, ya que por entonces el caucho se reblandecía con el calor, presentando un comportamiento termoplástico. Posteriormente se descubre el proceso de vulcanización, a partir del cual se crea un caucho apto para emplearse en llantas, y grandes plantaciones empiezan a dedicarse al cultivo de plantas de caucho.
Hay una gama muy amplia de cauchos, de los cuales el caucho natural es el que tiene las mejores propiedades mecánicas, pero una baja resistencia los hidrocarburos, a diferencia del caucho nitrilo, por lo cual no es muy utilizado. Asimismo, el caucho butílico no es permeable al paso de los gases, y por eso se lo emplea las cámaras de las llantas, a fin de que no se escape el aire de las llantas.
La nomenclatura de algunos cauchos importantes es la siguiente:
Caucho natural NR
Caucho estireno butadieno SBR
Caucho butadieno BR
Caucho neopreno butadieno NBR
Caucho polietileno cloro sulfonado CSM
Caucho etileno propileno EPDM
Caucho butílico IIR, impermeable al paso de los gases
Químicamente, el caucho natural (NR) corresponde a un cis 1 – 4 poli isopreno, de modo que los dobles enlaces se desarrollan sobre las reticulaciones.

Los termoplásticos presentan su comportamiento característico porque las cadenas pueden fluir unas sobre otras, a diferencia de los termoestables, que tienen reticulaciones que impiden un desplazamiento.
Propiedades del caucho
Dureza: La dureza es posiblemente el parámetro más importante de los cauchos.
Se la determina con un durómetro, mediante procedimientos especificados en las normas. Por ejemplo, para la aplicación de la prueba de dureza Shore A, normada por la ASTM D2240, se debe utilizar un durómetro de punta tronco – cónica. Cuando la dureza es mayor a 90, se debe emplear un durómetro Shore D, cuya punta es distinta (piramidal antes que tronco – cónica).
Resistencia a la tracción
Porcentaje de elongación o elongación a la rotura
Grafico tensión – deformación: Los cauchos no siguen la ley de Hooke, pues en la zona elástica no se genera una recta, además de que no se identifica un límite elástico. Asimismo, el módulo no es igual a la pendiente de la curva en la zona elástica, sino equivale a la tensión necesaria para que el elastómero sufra una deformación de 100% y 300%.
EsfuerzoDeformación100%300%Módulo a 100%Módulo a 300%EsfuerzoDeformación100%300%Módulo a 100%Módulo a 300%
Esfuerzo
Deformación
100%
300%
Módulo a 100%
Módulo a 300%
Esfuerzo
Deformación
100%
300%
Módulo a 100%
Módulo a 300%
Todas las pruebas de tracción – deformación se desarrollan siguiendo una norma, en la que se especifica las dimensiones (generalmente unidades de mm) y la forma de la probeta.
Histéresis: Representa la diferencia entre la energía que se entrega al material con el fin de deformarlo (1 y 2) y la energía que verdaderamente se utiliza para deformarlo elásticamente (1 y 3).
EsfuerzoDeformaciónCaucho sin vulcanizarCaucho
vulcanizado1342EsfuerzoDeformaciónCaucho sin vulcanizarCaucho
vulcanizado1342
Esfuerzo
Deformación
Caucho sin vulcanizar
Caucho
vulcanizado
1
3
4
2
Esfuerzo
Deformación
Caucho sin vulcanizar
Caucho
vulcanizado
1
3
4
2
Efecto creep: Si se somete una probeta de caucho a una deformación bajo una carga constante, la longitud inicial de la probeta aumenta por el flujo viscoso de las moléculas no vulcanizadas.
Porcentaje de hinchamiento: Una limitación frecuente de los elastómeros es la variación de las dimensiones y propiedades mecánicas que experimenta después del contacto prolongado con diversos líquidos. Por eso es muy importante evaluar el porcentaje de hinchamiento de un caucho, en base al procedimiento especificado en normas, para determinar el cambio de volumen, el cambio de masa o cambios en las dimensiones de la muestra tras la inmersión. Los líquidos combustibles que se utilizan para esta prueba, de acuerdo a la norma, son:
Combustible A Isoctano
Combustible B Mezcla isoctano – tolueno 70/30
Combustible C Mezcla isoctano – tolueno 50/50
Combustible D Mezcla isoctano – tolueno 30/70
En cuanto al cambio de masa, también se puede determinar la cantidad de materia soluble retirada del material. Lo que sucede es que el líquido extrae los plastificantes del polímero, que son sustancias no volátiles, de modo que este líquido luego se somete a una destilación, obteniéndose la cantidad de materia soluble extraída.
Resiliencia: Propiedad que se determina con el compresor SET.
Abrasión: Para valorar esta propiedad, a una probeta cilíndrica se la introduce entre un par de rodillos con lijas, y se hace que éstos recorran determinada distancia. Las probetas se pesan antes y después de la prueba, evaluándose de este modo el desgaste del material.
Grado de reforzado: El negro de humo o negro de carbón es la carga reforzante más utilizada en la industria del caucho, y se obtiene por la combustión incompleta de fracciones de petróleo. Siempre se encuentra en forma de agregados, siendo importante su tamaño y su estructura (especialmente en cuanto al número de ramificaciones, de modo que es mejor el grado de reforzado a medida que la estructura es más ramificada). Mientras mayor es el número de ramificaciones, se habla de una alta estructura para la carga reforzante, y mientras menor es el número de ramificaciones, se hace referencia una baja estructura.
Mientras más pequeñas son las partículas, mejores son las propiedades de refuerzo. Sin embargo, cuanto menor sea el tamaño de las partículas más dificultoso es el procesamiento, pero mayor es el grado de refuerzo y mejores son las propiedades de tracción y dureza.
Mientras mayor es la proporción, el tamaño de partícula y las ramificaciones del negro de humo, más complicado es el procesamiento y mayor es la fragilidad y dureza del cauchoMientras mayor es la proporción, el tamaño de partícula y las ramificaciones del negro de humo, más complicado es el procesamiento y mayor es la fragilidad y dureza del cauchoPor otro lado, a medida que aumenta la proporción de negro de humo en la formulación, mayor es la viscosidad del polímero, de modo que también es mayor el tiempo de incorporación y menor es la facilidad de dispersión. Así, mayor es la fragilidad y la dureza del caucho obtenido. Igualmente, mientras más alta es la estructura (en función de las ramificaciones, cuanto más ramificada es) y mientras mayor es el tamaño de partícula de la carga reforzante, sucede lo mismo.
Mientras mayor es la proporción, el tamaño de partícula y las ramificaciones del negro de humo, más complicado es el procesamiento y mayor es la fragilidad y dureza del caucho

Mientras mayor es la proporción, el tamaño de partícula y las ramificaciones del negro de humo, más complicado es el procesamiento y mayor es la fragilidad y dureza del caucho

Clasificación del negro de humo
La clasificación del negro de humo se desarrolla de la siguiente manera, según las normas ASTM:
N-347
De modo que si el segundo número (4) es mayor que el primero (3), se trata de un negro de humo de alta estructura; mientras que si el segundo es menor al primero, se trata de un negro de humo de baja estructura.
El significado de cada carácter en la nomenclatura de un negro de humo, carga reforzante, es la siguiente:

Indica la estructuraIndica la estructuraVelocidad de vulcanizaciónVelocidad de vulcanizaciónTamaño de la partícula dentro del agregadoTamaño de la partícula dentro del agregadoN-550
Indica la estructura
Indica la estructura
Velocidad de vulcanización
Velocidad de vulcanización
Tamaño de la partícula dentro del agregado
Tamaño de la partícula dentro del agregado

A medida que incrementa el primer número en la notación de un negro de humo, aumenta el tamaño de la partícula individual dentro de la estructura. Esta cifra es importante, porque mientras más pequeña es la partícula del negro de humo dentro del agregado, el grado de reforzado es mayor, así como mayor es la dificultad de incorporación de la carga.
Métodos de identificación
Espectroscopía FT – IR: Como se indicó antes, existe muchos tipos de elastómeros, evidenciándose la importancia de esta técnica. Cabe indicar que en el caso de los cauchos, al plástico prensado se lo debe colocar en un ATR, para proceder con la técnica de Reflectancia Atenuada Infrarroja. También se puede pirolizar a la muestra, para recoger al líquido que resulta de la pirólisis y correr el espectro sobre éste.
Cenizas: En ningún polímero se presenta como tal, pues éstos tienen cargas y aditivos. Para determinar cenizas se coloca la muestra en un crisol, se la pesa, se la calienta en un mechero Bunsen hasta que todo el hidrocarburo se combustione, y se ingresan los residuos a la mufla a 600 , de modo que al final lo único que queda son las cenizas. Sin embargo, se debe considerar la combustión de las cargas inorgánicas, de modo que este método no es exacto.
Análisis Termogravimétrico: En éste, a medida que se calienta la muestra, se genera una gráfica Temperatura versus Masa. En el caso de los cauchos, se ha observado que partir de determinada temperatura la curva cae, debido a la descomposición paulatina de la resina, hasta llegar a un valle donde la única carrera del polímero es negro de humo y carga inorgánica. Entonces la curva vuelve a caer, pero a causa de que el negro de humo se sigue combustionando, hasta que se llega a un segundo valle donde sólo queda carga inorgánica.
Etapas de formulación de cauchos
En una formulación de cauchos se tendrán los siguientes componentes: caucho (natural o sintético), cargas, auxiliares de proceso, antidegradantes y sistemas de vulcanización. De ahí que para diseñar la formulación hay que tener en cuenta la aplicación del caucho.
Diseño de la formulación, teniendo en cuenta las condiciones que deberá enfrentar el material. Todas las formulaciones están dadas en función de partes por cien de azufre (PHR), de modo que al caucho le corresponde un valor de 100 PHR. Con el total de PHR de la formulación (igual a la suma de los PHR de cada componente), se calcula el porcentaje de PHR de cada elemento.
Las cargas se incluyen en la formulación para abaratar los costos y lograr propiedades y cualidades determinadas en el producto final. Por ejemplo, el negro de humo es una carga reforzante que le proporciona al polímero resistencia.
Cargas claras: Pueden ser el semireforzantes o inertes.
Peptizantes: Evitan que las moléculas de caucho se recombinan después de la masticación. Lo que sucede es que al caucho natural, inmediatamente después de que se lo saca de un árbol, se lo coagula, obteniéndose masas de muy alto peso molecular, lo cual dificulta su procesamiento. Por tanto, hay que masticarlo a fin de disminuir su peso molecular mediante la ruptura de enlaces y la formación de radicales libres.
Acelerantes
Mezclado de los componentes en un molino de rodillos.
Procesado de las mezclas. Esto es, darle forma a las mezclas por medio de extrusión, calandrado o inyección. Posteriormente, y una vez que se le ha dado forma al artículo de caucho, se lo vulcaniza elevando la temperatura, con el objetivo de que el material tenga propiedades elásticas.
El proceso de vulcanización se desarrolla en una prensa a 150 (dependiendo del iniciador) en un tiempo óptimo, que no debe ser muy pequeño porque se forma una cantidad mínima de enlaces con azufre ni tampoco muy grande porque los enlaces con azufre se rompen. Cuando el procesado inicia con un calandrado, se obtienen láminas que poco a poco van entrando en un horno, o en un baño térmico de aceite a 150 , donde éstas se vulcanizan.
Por lo tanto, hasta el momento se ha visto que los cauchos pueden ser naturales o sintéticos. Para éstos se utilizan carga reforzantes (negro de humo, especialmente), semireforzantes e inertes, las últimas con el objetivo de abaratar costos. También se utilizan auxiliares de proceso, como es el caso de los fáctices, los plastificantes y los peptizantes (que evitan que los radicales libres se recombinen luego de la masticación), entre otros. Las formulaciones se expresan en función de PHR, que son partes por millón de caucho.
Mientras mayor es la estructura (en función del número de ramificaciones), más alto es el índice de DBP (cm3 DBP/g), el cual viene dado básicamente por el área de superficie, lo cual es lógico ya que mientras mayor es la cantidad de ramificaciones, mayor es el área de superficie y mayor es la estructura.
Los plastificantes físicos son aceites que actúan por acción física. Son auxiliares de proceso que le proporcionan determinadas características a la formulación, ya que debido a la presencia del plastificante se facilita la inserción de todos los agregados y partículas. Los plastificantes ignífugos no se combustionan; y si lo hacen, se apagan inmediatamente. Se clasifican en:
Plastificantes Nafténicos
Plastificantes Parafínicos No manchantes
Plastificantes Aromáticos Manchantes, utilizados en artículos de color negro
Mientras mayor es la cantidad de plastificante, menor es la dureza del cauchoMientras mayor es la cantidad de plastificante, menor es la dureza del cauchoA medida que aumenta la proporción de plastificante en el caucho, va disminuyendo la resistencia a la tracción, aumentan las pérdidas por abrasión, disminuye la dureza, yo me da la resistencia al desgarre (hasta determinado punto, a partir del cual vuelve a disminuir).
Mientras mayor es la cantidad de plastificante, menor es la dureza del caucho
Mientras mayor es la cantidad de plastificante, menor es la dureza del caucho
Los requisitos generales de un plastificante son:
Buena compatibilidad con el polímero
Baja volatilidad en el proceso y en el uso
No debe tener influencia en el envejecimiento
Resistencia la luz
No promover agrietamiento
No ser tóxico
Para caracterizar a un plastificante se utilizan las constantes de viscosidad – densidad (VGC), según la cual se los clasifica en nafténico, parafínicos o aromático. Cabe indicar que no existe un aceite completamente parafínico, nafténico o aromático, aunque a los plastificante se los caracterice de ese modo. De ahí que también un plastificante puede ser ligeramente o extremadamente parafínico, nafténico o aromático.
El aceite parafínico es compatible con el caucho natural, con el caucho estireno butadieno, con el caucho butadieno y con el caucho butílico. En cambio, todo compuesto aromático es afín con el caucho natural y el caucho neopreno butadieno, además de otras clases de cauchos (BR, NBR, CR, CSM).
Los fáctices son aceites vegetales que reaccionan químicamente con el azufre a altas temperaturas.Los fáctices son aceites vegetales que reaccionan químicamente con el azufre a altas temperaturas.Los fáctices son aceites de origen vegetal que reacciona con los dos átomos de azufre de la formulación a altas temperaturas. Son aditivos que permiten obtener durezas muy bajas en los procesos de vulcanización, sin presentar los problemas de procesado que se manifestarían con el mismo polímero sin cantidades excesivas de plastificantes. De ahí que si no se quiere utilizar mucho plastificante en la formulación de un caucho, se puede bajar la dureza del producto. Los fáctices además:
Los fáctices son aceites vegetales que reaccionan químicamente con el azufre a altas temperaturas.
Los fáctices son aceites vegetales que reaccionan químicamente con el azufre a altas temperaturas.
Acortan los tiempos y reducen la energía necesaria en el mezclado
Permiten aumentar la velocidad de calandrado y extrusionado
Mejoran la estabilidad dimensional en los procesos
Mejoran la textura de la superficie
Reducen el costo en volumen al reducir la densidad
Aumentan la resistencia a la fatiga y al agrietamiento
Permiten un mejor pulido
En una superficie rugosa, cuanto menor sea la dureza, menor es el desgaste. En cambio, en una superficie lisa, mientras menor es la dureza, mayor es el desgaste. Por eso, cuando llueve en las competencias de automóviles, se cambia la llanta.
Superficie rugosaSuperficie lisaIntensidad de desgasteDurezaSuperficie rugosaSuperficie lisaIntensidad de desgasteDureza
Superficie rugosa
Superficie lisa
Intensidad de desgaste
Dureza
Superficie rugosa
Superficie lisa
Intensidad de desgaste
Dureza
Las resinas termoreticulares permitan subir la dureza de un caucho. Se las utiliza cuando se desea desarrollar altas durezas durante el vulcanizado.
Los antidegradantes evitan que el caucho se desgaste por la acción del oxígeno, del ozono, de algunos químicos y de la luz. La degradación se produce mediante una reacción química entre el caucho y el oxígeno o el ozono, favorecida por la temperatura y que se propaga auto catalíticamente. Los mecanismos de degradación son:
Iniciación
RH+EnergíaLuz oRuptura mecánica R +H
Propagación
R +O2 ROO ROO +RH ROOH+R ROOH RO , ROO
Terminación
Se desarrolla una reticulación, por la cual el caucho se vuelve duro y quebradizo.
2R R-RR +ROO ROOR2ROO Productos estables
El afecto antioxidante se debe a la presencia de átomos de hidrógeno activos, los cuales interrumpen la etapa de propagación de los radicales que transfieren oxígeno a la cadena del polímero. Los productos de la reacción son inertes, y se corta el ciclo de propagación de la degradación del caucho.
ROO +AH ROOH+A ROOH+A ROOA+H R +H RH
Los agentes antidegradantes pueden ser antioxidantes, antiozonantes e incluso ceras. Hay dos tipos de antioxidantes:
Aminas, que son antioxidantes manchantes, y por eso su uso es restringido a formulaciones de color negro. Por lo general, como antioxidante se utilizan ceras parafínicas, que evitan el contacto entre el plástico y el ambiente.
Fenoles, que son antioxidantes no manchantes.
En cuanto a los mecanismos de ataque por ozono, el ozono se introduce en el doble enlace del caucho, formando una estructura que se va desarrollando hasta llegar a un peróxido. En los capuchos de las bujías hay una mayor concentración de ozono, ya que en éstos se generan chispas. Por eso, los caucho de las bujías son cauchos etileno propileno (EPDM), bastante resistentes al ozono debido a los agentes antidegradantes que los componen.
Proceso de vulcanización
La vulcanización consiste en la formación de entrecruzamientos en puntos activos (dobles enlaces), utilizando azufre como elemento vulcanizante. El caucho en estado crudo tiene una zona plástica grande y una zona elástica pequeña, y por eso, si se lo estira, gran parte del material vuelve a su estado natural. A medida que se va vulcanizando el caucho, se va disminuyendo la fase plástica y aumentando la fase elástica.
La primera vulcanización que se dio se desarrolló a temperaturas muy altas. Luego se descubrió el primer acelerante, el cual redujo el tiempo y la temperatura de vulcanización. A medida que se avanzaba en el estudio de los cauchos, se descubrieron nuevas sustancias que redujeron los tiempos y las temperaturas de vulcanización, entre las que constan los ácidos grasos, el mercaptano benzotiazol (MBT) por ejemplo.
Un instrumento que permite determinar el punto en el que se ha vulcanizado adecuadamente al caucho es el reómetro. El tiempo de vulcanización es crucial, y de ahí la importancia de este equipo. Un reómetro de cauchos consiste en una copa con un rotor que da movimientos oscilatorios, entonces se mide el torque, es decir, la resistencia que opone material al oscilamiento. Todo esto se desarrolla a una temperatura fija de 150 .
El tiempo de vulcanización se describe con una curva reométrica, que consiste en la representación gráfica del torque en función del tiempo de vulcanización. Esta curva se construye con el reómetro, para lo cual se hace un seguimiento de la vulcanización en el tiempo, y eso es lo que lo diferencia del viscosímetro, con el que más bien se obtiene una lectura puntual. En el período de inducción (scorch), se le dará formar al artículo.
A partir del tiempo de inducción se continúa en la curva hasta llegar al punto burbuja, o punto medio entre los torques mínimo y máximo, que corresponde al tiempo en el que se asegura que no van a presentarse deformaciones plásticas y que los compuestos volátiles no van a salir a la superficie del artículo. En algunos casos, luego del punto de burbuja viene una zona de inversión, la cual se presenta debido a la ruptura de los enlaces. De ahí la importancia del reómetro de cauchos, el cual permite conocer el tiempo de vulcanización o tiempo de cura óptimo.
En la curva reométrica también se identifica al tiempo de cura óptima, que corresponde al 90% del tiempo entre el torque mínimo y el torque máximo. Éste es el punto en el que alcanzan las mejores propiedades para el material y el tiempo de torque máximo en el que se obtienen las mejores propiedades de estirado.
Un reómetro también sirve para la investigación y desarrollo de compuestos. En una empresa, por ejemplo, las distintas curvas obtenidas de acuerdo baches de producción (correspondientes a formulaciones diferentes) tendrán el mismo torque mínimo, pero los puntos máximos serán distintos. Torques máximos que se desvían del máximo promedio están fuera de especificación, y por lo tanto se deberá reformular el caucho analizado para el que se presentan estos máximos.
Las acelerantes incrementan la velocidad de cura del compuesto. Los primeros tipos de acelerantes que se descubrieron no contemplaban un tiempo de inducción, de modo que el artículo se vulcanizaba inmediatamente después del contacto entre los componentes de la formulación. Así, los esfuerzos de los investigadores se orientaron al diseño de acelerantes que retardaran la vulcanización, para tener tiempo de darle forma al artículo. Actualmente, los acelerantes incrementan la velocidad de cura del compuesto y retardan el comienzo de la vulcanización.
Algunos acelerantes importantes son la anilina y el mercaptano benzotiazol, el último requiere un promotor de zinc. Con éstos primero se forma un dipolo, y rápidamente se desarrolla una reacción con un anillo de ocho átomos de azufre. Entonces se da una ruptura heterolítica y el anillo se abre.
Los tiurams, como el tetra metil tiuram disulfuro (TMTD), son acelerantes secundarios. Se pueden tener efectos sinérgicos de la mezcla de un acelerante primario con uno secundarios. Dentro de estos efectos está una disminución en el punto de burbuja y del tiempo de cura óptima, y un aumento de la velocidad de vulcanización.
Los criterios para seleccionar un acelerantes son:
Velocidad de vulcanización, que es la pendiente de la curva reométrica después de la zona de scorch.
Período de inducción o tiempo de scorch, que representa la tendencia de las muestras a vulcanizar prematuramente.
Plateau o meseta, que responde a la extensión del tramo horizontal. Si el plateau es totalmente horizontal y no baja, está bien, pero sí comienza a descender, habrá problemas.
Por ejemplo, a continuación se presentan los reogramas obtenidas para tres formulaciones de caucho natural que difieren únicamente en el acelerante (A: difenilguanidina; B: dietilditiocarbamato de zinc; y C: ciclohexilbenzotiacil silfenamida).

Figura 1. Reogramas obtenidos a 150 . Mezcla base: caucho natural, 100; óxido de zinc, 5;
ácido esteárico, 2; acelerante, 1; azufre, 2,5
Fuente: (Chango Iván, 2012)
En este caso, la mejor opción es la correspondiente a la curva C, ya que tiene una buena velocidad de vulcanización, un plateau horizontal y un aceptable tiempo de scorch. En la curva B no se visualiza un tiempo de scorch, es decir, con el acelerante dietilditiocarbamato de zinc no se tendría tiempo de darle forma al artículo. Finalmente, en cuanto a la curva A, el tiempo de scorch es bastante pequeño, y la velocidad de reacción es lentísima.
Los activantes más comunes son el óxido de zinc y el ácido esteárico, aunque cabe indicar que para la mezcla de ambos el verdadero activante es el óxido de zinc, pues éste es el que forma dipolos. Sin embargo, al reaccionar con óxido de zinc, el ácido esteárico forma estearato de zinc, una sal que se disocia en ión estearato y en zinc, que es el que en definitiva activa el sistema de cura.
A continuación se presentan los reogramas obtenidos para distintos activantes, en distintas proporciones (B: ningún otro aditivo; C: óxido de zinc, 5; ácido esteárico, 2; óxido de zinc, 5, y ácido esteárico, 2).

Figura 1. Reogramas obtenidos a 150 . Mezcla base: caucho natural, 100; azufre, 3; mercaptobenzotiazol, 0,8
Fuente: (Chango Iván, 2012)
En la Figura 1 se observa que únicamente para la curva E se desarrolla una vulcanización completa.
El azufre es el más importante vulcanizante para el caucho, y es esencial dispersarlo adecuadamente durante el mezclado, ya que influye en la uniformidad de las propiedades de la mezcla. De ahí que se agrega casi al inicio del proceso de mezcla, para que la dispersión sea buena. Actualmente hay productores comerciales que venden al azufre con dispersantes incluidos.
Hay dos maneras de hacer la mezcla: en un molino de rodillos o en un bamburil, que es un equipo que tiene rotores y una cámara de mezclado. Asimismo, se tiene básicamente tres tipos de sistemas de vulcanización:
Sistemas Convencionales, que presentan una alta proporción de enlaces polisulfídicos, hasta ocho (porque el azufre tiene ocho anillos), como eslabón entre dos cadenas. Se caracteriza por su baja relación acelerante – azufre.
Sistemas EV, para los cuales la concentración del acelerante sobre la concentración de azufre es alta, de modo que se forman puentes monosulfídicos.
Sistemas con Peróxidos, para éstos no se utiliza azufre para la vulcanización, sino más bien se desarrolla un entrecruzamiento entre los carbonos de cada cadena. Sin embargo, sólo se los puede aplicar en polímeros que no tienen dobles enlaces.
El producto de las concentraciones de acelerante y de azufre (A × S) da una idea de la reticulación de un polímero, la cual está relacionada con el módulo; mientras que la razón entre las concentraciones de acelerante y de azufre (A/S) da una idea del porcentaje de enlaces monosulfídicos. A medida que incrementa la relación concentración de acelerante sobre la concentración de azufre (A/S), incrementa la proporción de enlaces monosulfídicos en el caucho, ya que se debe tener en claro que también se formarán enlaces polisulfídicos en toda vulcanización.
Por lo general, las mejores propiedades se obtienen con un sistema de vulcanización convencional. El producto presentará una conveniente adhesión goma – metal, y en general tendrá propiedades mecánicas apropiadas. Sin embargo, con el sistema convencional de vulcanización la resistencia a la reversión es baja, y por lo tanto el caucho no puede emplearse para artículos que serán sometidos a calentamiento. Por eso, no es conveniente para los soportes de un motor, pues en esta aplicación el caucho se va a someter a altas temperaturas. Además, puede presentar afloramiento, pues cuando se adiciona mucho azufre, se forma una capa amarillenta en la superficie del polímero. El enlace polisulfídico proporciona una mejor elongación a la rotura.
SSSSSSSSSSistema EVSistema
ConvencionalPolisulfídicoSSSSSSSSSSistema EVSistema
ConvencionalPolisulfídico
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Sistema EV
Sistema
Convencional
Polisulfídico
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Sistema EV
Sistema
Convencional
Polisulfídico
Los productos de sistemas de vulcanización eficiente EV tienen una alta resistencia a la reversión y no presentan afloramientos; aunque en general las propiedades son más bajas que las del sistema convencional.
Para la vulcanización con peróxidos se utiliza peróxido de benzoilo o peróxido de dicumilo. Un caucho se puede vulcanizar con estos peróxidos, teniéndose un mayor control de la vulcanización, la posibilidad emplear altas temperaturas, y una formulación más simple.
La dureza varía con el tipo de polímero y con el tipo de cargas. Para la estimación de la dureza se utilizan tablas en función del elastómero, a partir del cual se define la dureza base; y del negro de humo. El plastificante disminuye la dureza en una proporción de dos a uno (por cada dos unidades de aceite la dureza disminuye en una unidad).
Aditivos
Antioxidantes
Como se sabe, los polímeros se pueden usar desde el procesamiento. Generalmente los polímeros comerciales vienen de reacciones de poliadición vía radical libre, de modo que los radicales, al propagarse, pueden dañar lo que se encuentra en sus aproximaciones. Esto es lo primero que se debe controlar.
Debido a sus diferentes tamaños, puede haber una serie de incompatibilidades entre el polímero y el aditivo, de modo que el aditivo va a tender a migrar. Normalmente, lo que se busca es que el aditivo no migre por ningún motivo, por lo cual se desarrolla una serie de pruebas de extracción, que determinan cuánto se puede extraer, para evaluar la capacidad del polímero para migrar.
Generalmente no hay una estabilidad grande con respecto al polímero, por lo cual se buscan y adicionan moléculas de gran tamaño que, si bien no son compatibles con el polímero (y de hecho eso es lo que se busca), por lo menos hacen que a las cadenas del polímero les cueste moverse, es decir migrar.
Los efectos de la oxidación generalmente se ven reflejados en un rompimiento de las cadenas, y con ello una disminución del peso molecular del polímero, lo cual se determina evaluando su índice de fluidez; esta prueba se desarrolla con los distintos tipos de extrusiones. Si el índice de fluidez crece (lo que implica un rompimiento de las cadenas), se rechaza el polímero antioxidante. Un poco de antioxidante primario más una cantidad considerable de antioxidante secundario debe hacer que el índice de fluidez del polímero cambie en un rango muy pequeño, lo cual significa que el antioxidante está cumpliendo su función de evitar que el polímero se degrade.
Los antioxidantes pueden producir un efecto sinérgico, es decir que la suma de los elementos A y B tiene un efecto mayor que si se suman los efectos de A y de B utilizados individualmente. Éstos pueden ser primarios o secundarios, y deben tener iones metálicos y no metálicos a fin de evitar la degradación, de modo que las limallas del equipo no afectarán el proceso. Los antioxidantes primarios normalmente son fenoles, aunque depende del polímero; mientras que los secundarios son derivados del fósforo y el azufre, y normalmente están basados en fósforo. Los mecanismos de los dos tipos de antioxidantes secundarios (de fósforo y de azufre) es el mismo, es decir hace lo mismo, siendo sus cinéticas las distintas, pues uno es más rápido y otro más lento.
Absorbedores ultravioleta
Son mecanismos de protección físico y no químico, aunque el proceso que se desarrolla dentro del absorbedor para tal fin es químico.
En el caso de los absorbedores UV, son importantes los gráficos Porcentaje de Transmitancia versus Longitud de onda (nm), pues muestran la región en la que el aditivo está protegiendo al polímero frente a la radiación ultravioleta. Normalmente, el rango en el que se degradan los polímeros bordea los 360 nm, aunque dependiendo del tipo de polímero, la transición estará antes o después, de modo que el absorbedor que se utilice también depende del tipo de polímero que se va a tratar. Respecto a la luz visible, ésta no tiene importancia en el proceso de degradación de un plástico.
Vale la pena indicar que, a la larga, todos los aditivos se van, porque son volátiles, son incompatibles o porque serán extraídos, con la lluvia por ejemplo. Por tal motivo, los fabricantes de algunos polímeros no garantizan la vida útil del material más allá de un tiempo determinado, independientemente de qué tan pesado sea el polímero, debido básicamente a que los aditivos se desplazarán.
Retardantes a la llama
Como su nombre lo indica, los retardantes a la llama retienen la llama, y no resuelven un incendio o lo mitigan. En este caso no interesa salvar el material sino la vida humana, aunque a veces la gente no muere por quemaduras sino porque se asfixia, en cuyo caso se emplean más bien inhibidores de humo (el humo puede ser tóxico), cuya función es hacer que el residuo de la combustión sea sólido y no gaseoso.
Los cables necesariamente deben estar cubiertos por polímeros con retardantes a la llama.
Algunas especies son muy sensibles a pequeñas cantidades de sustancias clorados o bromadosAlgunas especies son muy sensibles a pequeñas cantidades de sustancias clorados o bromadosLos copolímeros de cloro tienen un carácter autoextinguible, mientras que los polímeros clorados tienen un carácter de autoextinción del fuego cuando se retira de la fuente; por lo tanto, no son retardantes a la llama, sino polímeros autoextinguibles. Cabe indicar que en la actualidad ya no se usan polímeros clorados o bromados porque muchas especies animales han desaparecido por pequeñas concentraciones de estas sustancias en sus hábitats.
Algunas especies son muy sensibles a pequeñas cantidades de sustancias clorados o bromados
Algunas especies son muy sensibles a pequeñas cantidades de sustancias clorados o bromados
Antiestáticos
La carga estática hace que capas de polímeros se junten, o que se acumule estática durante el procesamiento del polímero. Los aditivos antiestáticos facilitan el deslizamiento superficial de las cargas; por eso son muy importantes en la manufacturación de fibras, ya que si la fibra está demasiado cargada estéticamente mientras se extruye, existe la posibilidad de que ésta explota y en consecuencia salgan un conjunto de microfibras, y de hecho todo el proceso de hilaturas genera estática.
Asimismo, cuando una película plástica entra en contacto con otra, existen dos alternativas de eliminación de la estática. Una de éstas son los slips o ceras no compatibles con el polímero, que funcionan como aditivos internos y forman una película lubricante (gracias a una cabeza que sale y una cola afín al polímero); el problema con estos aditivos es que se agotan, por lo cual los proveedores tienen la obligación de indicar que el efecto antibloqueo se pierde con el tiempo.
Un aditivo antibloqueo tiene una naturaleza inorgánica, pues básicamente son cargas (como carbonato de calcio), de modo que la partícula sale y se queda en la superficie, evitando así que se forme la carga estática. También pueden ser internos, ubicándose la largo del seno del material, dado que no tienen la capacidad de migrar; por lo tanto no se agotan. Problemas con los aditivos antibloqueo es que complicaría una impresión posterior en el film, además de que pueden tener consecuencias en las propiedades ópticas del polímero.
Plastificantes
El policloruro de vinilo (PVC) tiene una cierta afinidad por los plastificantes, lo cual permiten ampliar en gran medida las aplicaciones de este polímero. Por tal motivo, el desarrollo de plastificantes se enfoca y se dirige al PVC. Un termoestable no va a poder plastificarse hasta volverse flexible, aunque sí se lo puede plastificar un poco. Los polímeros que tienen un alto nivel de concentración de plastificantes se denominan plastisoles.
Los recubrimientos también tienen plastificantes, los cuales les proporcionan un cierto nivel de deformación debido a ciclos térmicos. En este caso, los plastificantes son películas de polímeros rígidos que necesitan igualmente presentar un cierto nivel de deformación, asimismo por causa de los ciclos térmicos.
Todos los plastificantes tienen un efecto de lubricación interna y viceversa, y todo lubricante interno tiene un efecto plastificante. El plastificante se adiciona desde la producción del PVC, mas no en la transformación de los pellets en un extrusor, por ejemplo.
Para aplicaciones de producción mediana se usan PVC's plastificados por copolimerización a fin de evitar que los plastificantes que no son compatibles con el polímero migren.
Extrusión de termoplásticos
Generalidades
Los materiales se procesan aprovechando sus características termoplásticas por medio de los siguientes procesos:
Extrusión, que es el proceso más importante para la producción en volumen (36%)
Moldeo por inyección, que es el segundo proceso más importante (32%)
Soplado (10%)
Termoformado y termoconformado
Calandrado
Moldeo rotacional o rotomoldeo, muy utilizado para reemplazar al moldeo por inyección en piezas grandes
Moldea por compresión o transferencia
La extrusión no es un proceso exclusivo de los termoplásticos, pero en el caso de los polímeros termoplásticos, la extrusión es un proceso continuo mediante el cual se transforma a estos materiales hasta semielaborados en forma de perfiles. Consiste en hacer pasar a un material por una boquilla mientras se encuentra en estado fluido o "fundido". Es así que la forma del perfil depende del molde con el que se está trabajando.
Dado que la industria de los polímeros es una industria de volumen, el proceso de extrusión debe desarrollarse todos los días del año, siendo más rentable mientras menor sea el número de paradas que se tenga. La energía es un costo importante.
La extrusión se utiliza para la obtención de una gran variedad de productos poliméricos, entre los cuales están: canaletas, recubrimientos de cables, tubos (tubos de agua potable), cables de fibra óptica, films y planchas. Asimismo, por medio de este método se consigue poliestireno en forma continua (con una sección transversal que no va a ser constante) y tanques que en primera instancia fueron tubos.
A los productos semielaborados de polímero se los puede transformar mediante procesos posteriores de acabado. Asimismo, aprovechando que el material sale caliente de la extrusora, se modifica su estructura mediante procesos como el calandrado, que emplea rodillos con los que se puede obtener un espesor constante o trasformar a las cadenas, dependiendo de la temperatura a la que se encuentran dos rodillos (mientras más calientes proporcionan mayor orientación).
Las fibras son materiales altamente anisotrópicos (diferente comportamiento en cada dirección). Ese alto nivel de orientación se consigue en extrusoras con boquillas que se asemejan a una ducha, debido a sus pequeños orificios. Entonces el polímero es tensado y enfriado, dependiendo del nivel en el que se empiece y del punto en el que se encuentran los rodillos.
Extrusora
El corazón de la extrusión es la extrusora, que normalmente recibe al material en forma de granza o de polvo. Este material se convierte en una masa fundida y homogénea, y en este estado se lo obliga a pasar por una boquilla u orificio. Las partes principales de una extrusora, desde el punto de vista del proceso, son:
Tolva de alimentación, que transporta al material por un cuello hasta una apertura.
Tornillo sin fin o Husillo, que recibe al material y lo transporta. Para esto, presenta un movimiento de rotación que propicia que el material vaya avanzando, al mismo tiempo que el material sufre una ficción grande.
Cilindro, camisa, tubo o cañón en el que está alojado el husillo.
Sistemas de calentamiento o enfriamiento (bandas calefactoras). Generalmente, en la zona en la que empieza la ficción se instalan en sistemas de enfriamiento.
Placa perforada o plato rompedor, que sirve para retener infundidos a través de los filtros que posee.
Boquilla, sección donde el material adquiere la forma deseada.
Mientras más versátil es una extrusora, más costosa resulta. Sin embargo, está no es la característica primordial de este equipo, y más bien se necesita una máquina productiva.
Tolva de alimentación o embudo
Es la encargada de alimentar al material plástico. En esta sección se debe mantener un nivel de alimentación adecuado y una presión constante. El nivel de carga determina qué es lo que pasará adelante, pues una presión alta puede resultar en un material bien compactado, pero si no tiene presión se corre el riesgo de no producir un material compacto. Asimismo, se debe trabajar en un rango de flujo que evite fluctuaciones excesivas, ya que fluctuaciones de flujo se traducen en fluctuaciones de presión.
Una tolva debe diseñarse para favorecer el flujo. Existen dos tipos de diseño: trompo cónico y diseño cuadrado. El PET necesita de un diseño especial para que fluya.
En el diseño de una tolva se debe considerar un ángulo adecuado, debido básicamente al transporte de sólidos. Materiales con formas y tamaños similares fluyen bien, pero materiales que tienen formas y tamaños distintos se quedan acumulados y constituyen aglomerados. Asimismo, dependiendo del tamaño y forma de las partículas, se corre el riesgo de la formación de puentes. En este caso, se va a tener un ángulo específico de puenteo cada cierta longitud, de modo que la tolva debe facilitar el transporte del material plástico para evitar el puenteo del material. Normalmente la tolva viene con una tapa o compuerta, que se ubica en la garganta de la tolva.
Las tolvas más comunes son las gravimétricas (el ángulo de la tolva es mayor al ángulo de reposo de las partículas), con una conicidad entre 20° y 45°. La tolva no debe permitir la aglomeración de las partículas, el puenteo del material o el desbordamiento del mismo, lo cual se controla con el ángulo.
Un calentamiento brusco forma aglomerados. Para entenderlo de mejor forma, hay que pensar en una plancha metálica: el punto en contacto con la plancha caliente se funde y, al girar, la zona fundida se pega con otras partículas hasta formar aglomerados. Por lo tanto, mientras avanzan los materiales, éstos deben sufrir un calentamiento progresivo para evitar estos efectos.
Plancha metálicaPlancha metálica
Plancha metálica
Plancha metálica
El material se aglutina debido al perfil de temperaturas que se presenta en la tolva. Lo que sucede es que en ésta hay puntos muy calientes, en los cuales el material se halla en estado fluido, para luego encontrarse con puntos un poco más fríos en los cuales puede solidificarse con otro. Entonces es más difícil el transporte de calor, ya que se forman aglomerados difíciles de fundir. Por tanto, en una tolva no se puede tener calentamientos bruscos o excesivos, sino más bien un calentamiento paulatino y progresivo. De ahí la importancia del control de la temperatura en las tolvas, por lo cual esta zona es refrigerada.
Existen materiales que son poco dóciles, por lo que es necesario dotar a la tolva de un sistema de vibración para polvos y materiales escamosos. Generalmente el sistema de vibración viene anexado a la tolva, pudiéndose también golpearla con martillos de goma.
Según el tipo de grano, se puede tener una variación de la densidad aparente. Escamas con densidad aparente muy baja fluirán más o menos en función de su densidad, mientras que los polvos no fluyen constantemente, a pesar de tener una densidad aparente buena desde el punto de vista de la extrusión. En ese caso, se incorpora a la tolva un sistema de alimentación forzada vertical (la más recomendada) u horizontal. El tornillo sin fin fuerza al material a ir hasta el husillo. En la tolva también se anexa un separador de metales, para evitar la alimentación de metales al proceso.
Se recomienda que los plásticos se sequen antes de ser alimentados a la extrusora, por lo cual se coloca un sistema neumático de deshumidificación previo a la tolva. Asimismo, si se desea procesar una mezcla de dos plásticos, es necesario el uso de aditivos, por lo cual se debe incorporar un sistema de dosificación automático antes de la tolva de alimentación.
Camisa o cilindro
Cilindro metálico que rodea al husillo. Al rodear al tornillo sin fin, se tiene la presencia de un elemento metálico que envuelve al orificio y ranuras que no llegan a traspasar la pared de la camisa. En el cilindro metálico también hay oficios por los cuales se expelen los gases que se van formando en los procesos de extrusión.
El material del que está hecha la camisa debe permitir un buen maquinado y tolerancias muy estrechas. Debe resistir presiones internas altísimas, aproximadamente entre 10.000 y 20.000 psi. Además, el paso continuo del plástico va a ejercer una acción de desgaste, de modo que el material de la camisa debe ser resistente a la abrasión y, en el caso del procesamiento de PVC, a la corrosión. Por eso, para la camisa normalmente se usan elementos metálicos de acero o metales con tratamiento superficiales que mejoran la resistencia a la abrasión y a la corrosión, como nitrados, cromados y niquelados, los dos últimos correspondientes a aceros inoxidables. Para las camisas también se pueden utilizar revestimientos cerámicos, que son muy resistentes a la abrasión, pero en la práctica no son muy usados debido a su costo. Siempre el acero al cromo es el más barato.
En este punto cabe indicar que si algo se debe dañar entre la camisa y el husillo, es preferible que se dañe el husillo, ya que es más fácil remplazarlo. Por eso, el material de la camisa puede ser muy superior al material del husillo. De cualquier modo, los dos son gastos importantes, de modo que se debe cuidarlos.
Como el pellet o granza entra en estado sólido, el material va a generar, en la garganta de alimentación, una ficción alta y, por lo tanto, un calentamiento brusco, lo que da como resultado la producción de aglomerados. La fricción se desarrolla entre los mismos pellets del material, entre los pellets y la camisa, y entre los pellets y el husillo, de modo que en realidad el calentamiento es importante. Por eso, lo que se debe hacer es poner un sistema de enfriamiento en la zona de alimentación. Ahora, en procesos donde se mecaniza directamente sobre la camisa, hay dificultades para una buena refrigeración de la garganta de alimentación. Cabe indicar que el material no debe entrar centrado en el husillo, sino de forma tangencial, pues lo primero implica que el flujo no va ser adecuado.
Normalmente se piensa que las camisas van a ser cilindros lisos; pero para materiales que soportan rozamiento, se pueden utilizar camisas con ranuras, exclusivamente en la zona de alimentación de la extrusora, teniéndose una extrusora de alto rendimiento. En este caso, necesariamente debe haber un sistema de refrigeración en la zona que tiene ranuras, pues en ésta aumenta la fricción. Si el material se puede degradar por fricción o friccionar fácilmente, es mejor no usar ranuras.
A lo largo del cilindro se van a disponer camisas de calentamiento para calentar eléctricamente al sistema. Es decir, van a haber distintas chaquetas sobre la camisa para generar calor. Por eso, se va a requerir una longitud muy grande para el calentamiento del equipo, aunque esto puede implicar la degradación del material.
Para que una extrusora funcione bien debe haber una adecuada fricción, pues el calor que se entrega al sistema se va a generar básicamente por la fricción, y más bien las chaquetas tienen como objetivo homogeneizar la temperatura y la transferencia de calor. Así, si en las camisas se genera más calor que el obtenido por ficción, se estará perdiendo energía y con ello dinero.
Husillo o Tornillo sin fin
Es el elemento más importante de la extrusora, pues propicia el avance del material y una fricción sobre el mismo. El tornillo sin fin está constituido por un núcleo metálico, generalmente macizo, que tiene dispuesto un filete de manera helicoidal alrededor del núcleo. El núcleo no tiene una forma constante en cuanto a la sección transversal.
El husillo desempeña varias funciones:
Cargar el material, etapa en la que hay que evitar que se formen aglomerados.
Transportar el material a largo de todo el husillo (a diferencia de la carga, ya que ésta se da sólo al inicio). Esto debe desarrollarse con mucho cuidado dado que, al final del tornillo, el material debe ser homogéneo, es decir presentar iguales características en todos los puntos.
Fundir o plastificar, pues la fricción va a hacer que el polímero fluya, es decir que se funda en el caso de polímeros semicristalinos.
Homogenizar a mezclar. De hecho, se está cumpliendo la función del husillo cuando se tiene homogeneidad en distintos puntos.
El husillo crea la presión necesaria para que el material supere la fricción y pase la boquillaEl husillo crea la presión necesaria para que el material supere la fricción y pase la boquillaProducir la presión suficiente para que el material puede vencer la fricción de la boquilla por rotación (de forma análoga a cómo se hace que la pasta dental salga del tubo). De hecho, esta es la función más importante del husillo, pues a la entrada de la boquilla el material tiene una restricción muy grande a su flujo, de modo que si la presión no es suficiente el fluido va a regresar.
El husillo crea la presión necesaria para que el material supere la fricción y pase la boquilla
El husillo crea la presión necesaria para que el material supere la fricción y pase la boquilla
Aquí el material tiene una restricción muy grande a su flujoAquí el material tiene una restricción muy grande a su flujo
Aquí el material tiene una restricción muy grande a su flujo
Aquí el material tiene una restricción muy grande a su flujo
El husillo debe presentar cierta tolerancia entre la camisa y los filetes o, dicho de otra forma, debe haber un espacio vacío entre el husillo y la camisa, por el cual va a pasar el material fundido o fluido, ya que nunca debe rozar un filete del husillo con la camisa. Mientras más largo es el husillo, mayor es el riesgo de que esto suceda.
La distancia entre el punto medio de uno y otro filete del husillo se conoce como paso. El filete tiene un ángulo de inclinación y una altura, la última se mide desde el filo del núcleo hasta el borde inferior de cada filete, y de ésta depende cuánto material se admite en la región entre el filete del husillo y la camisa.
El diámetro nominal del husillo no cambia, a diferencia del diámetro de la camisa menos la tolerancia (ya que el diámetro real del husillo sí varía). Redondeando, el diámetro del husillo va a ser parecido al diámetro de la camisa.
Un husillo presenta o debería presentar versatilidad antes que productividad, es decir, es sumamente importante que un husillo permita cambiar el material que se extruye.
Los parámetros para definir y diseñar el husillo de una extrusora son los siguientes:
Relación L/D (longitud del husillo/diámetro nominal del husillo), la cual determina la capacidad de plastificación del husillo. Una relación L/D pequeña admite poco material. Por otro lado, mientras mayor es la relación L/D, más largo es el camino que el material debe recorrer y, por lo tanto, aumenta el tiempo del material en la cámara de plastificación. Lo último implica que se puede efectuar un calentamiento más lento del material y, con ello, menor es la proporción (o al menos el riesgo) de infundido al final del husillo. Pero para materiales dedicados, mientras mayor es la relación L/D, mayor es el riesgo de degradación del material.
Extrusión, las relaciones L/D típicas suelen variar entre 15 y 35. Materiales como el PVC, el POM, y otros polímeros de ingeniería, requieran relaciones L/D bajas, que tienden a valores entre 15 y 20.
Relación de compresión (CR), que es la relación entre el volumen en la zona de alimentación respecto al volumen en la zona de dosificación. Como el área es la misma, se puede expresar como una relación de alturas: altura del filete en la zona de alimentación respecto a la altura del filete en la zona de dosificación. Sin embargo, no en todos los husillos se puede definir la relación de compresión.
Zona de
dosificaciónZona de
alimentaciónZona de
dosificaciónZona de
alimentación
Zona de
dosificación
Zona de
alimentación
Zona de
dosificación
Zona de
alimentación
Cuando más alta es la relación de compresión CR, mayor es el maltrato al material, así como también mayor es la compresión y, por lo tanto, mayor es la productividad de la máquina (pues el material saldrá rápido ya que, respetando del principio termodinámico del mínimo estado energético, el polímero preferirá salir antes que comprimirse).
Materiales delicados deben tratarse con bajas relaciones de compresión. Las relaciones de compresión típicas suelen oscilar entre 1:1 (cuando no se está comprimiendo nada) y 4:1 (relación de compresión muy alta), la última empleada para sólidos y fluidos viscosos.
Por otro lado, si un material es sensible y se lo somete a temperaturas y presiones muy altas, se lo está maltratando tremendamente. Por eso, la relación de compresión debe ser lo suficientemente baja como para que el material no se degrade, pero lo suficientemente alta como para que el material no se queda mucho tiempo en el husillo. Las poliolefinas son materiales que soportan bastante presión.
Los tipos husillos que se identifican son:
Husillos convencionales, de tres zonas o universales
Husillo de paso cuadrado
Husillos convencionales, de tres zonas o universales
En extrusión, un husillo suele tener tres zonas: zona de alimentación, zona de compresión (zona de transición o zona de plastificación/fusión) y zona de dosificación (zona de homogeneización). Generalmente, la cuarta parte del husillo se destina a la alimentación, del 50 al 60% corresponde a la zona de dosificación y homogenización del material, y el resto para la zona de compresión.
En la zona de alimentación se carga al material, y ahí empieza el transporte. Si el material tiene agua (humedad), ésta se libera igual que los compuestos volátiles debido al calentamiento. En esta zona se tiene la mayor profundidad, de modo que la altura del filete es la mayor al largo de todo el husillo. Lo último implica que en esta zona se presenta el mayor diámetro del husillo, y por lo tanto el volumen que se admite de material es el máximo.
Al inicio se produce un calentamiento paulatino del material, y durante éste se liberan los compuestos volátiles. El diámetro del husillo empieza a aumentar, de modo que en el fluido se va a desarrollar una compresión, lo que hará que los gases regresen para salir por la tolva de alimentación. Por lo tanto, la tolva también permite la salida de todos los gases y compuestos volátiles que eventualmente se pueden formar.
En la zona de alimentación es muy importante el control de la temperatura, y por eso hay chaquetas de calentamiento.
En la zona de compresión el diámetro del núcleo deja de ser el mínimo y constante, y más bien hay una transición paulatina en la que aumenta el diámetro del núcleo del husillo, de modo que el material se va comprimiendo. Así, se le está proporcionando mucha fricción al polímero, el cual en teoría se plastifica y se funde.
En la zona de dosificación se alcanza la presión necesaria para entrar a la boquillaEn la zona de dosificación se alcanza la presión necesaria para entrar a la boquillaEn esta zona se ayuda al equipo a que el calentamiento que se produce por fricción sea uniforme, complementándolo con energía generada por chaquetas de calentamiento que se instalan alrededor del husillo.
En la zona de dosificación se alcanza la presión necesaria para entrar a la boquilla

En la zona de dosificación se alcanza la presión necesaria para entrar a la boquilla

La zona de dosificación es la zona en la que el núcleo del husillo vuelve a tener un diámetro constante, que es el máximo. La presión del fundido generalmente se incrementa en esta zona, lo que completa su homogeneización. Adicionalmente, aquí se alcanza la presión suficiente para que el fluido venza la fricción de la boquilla.
Sin embargo, cabe resaltar que comercialmente no existe solamente el husillo convencional, y más bien se dispone de una serie de diseños de husillos en el mercado. De entre éstos, se selecciona uno en función de las características del material que se desea tratar y que satisfaga las necesidades del productor.
Recordar que con el husillo no sólo se buscan la fusión o el transporte, sino también la homogenización del material; además, no sólo se debe desarrollar un mezclado dispersivo, sino también uno distributivo, el cual tiene que ver con la homogeneidad que se alcanza en el material (es decir, que en todas las porciones del material hayan iguales características). En el campo del procesamiento de plásticos, el husillo debe garantizar que, en efecto, el material tenga un buen mezclado distributivo y dispersivo.
Husillo de paso cuadrado
En un husillo de paso cuadrado, el paso es igual al diámetro nominal del núcleo, siendo paso la distancia entre los filetes. El diámetro nominal (D) es el que corresponde a la relación L/D, mientras que el diámetro del husillo es igual al diámetro nominal menos la tolerancia.
El espesor del filete en la zona de dosificación es 0,1% para el husillo de paso cuadrado.
Dependiendo de la inclinación del filete se desarrolla un maltrato de material, lo que indica si éste va a avanzar o a fundirse. Se ha determinado que el ángulo en la zona de dosificación debe ser de 17°, para materiales plásticos y no para cauchos ni alimentos.
Hay problemas genéricos con el mezclado de plásticos. Si el material es muy viscoso, y se quiere poner un aditivo, es complicado que se desarrolle un buen mezclado dispersivo y/o distributivo. Por eso, para materiales muy viscosos se buscan extrusoras con una relación L/D muy grande, mejorando de esta forma el mezclado. Pero el problema es que no todos los materiales soportan una relación L/D grande, debido a la degradación. Por eso, generalmente se busca que las dos primeras partes el polímero se llegue a fundir, sin que haya una buena mezcla necesariamente.
Lo anterior explica porque al husillo usualmente se le suele proveer de zonas de mezcla de diferentes diseños, dotándolo de puntas con una altura menor a la del filete, por ejemplo, o de filetes con secciones segmentadas. También se puede controlar el espesor del filete. En otros casos se suelen incorporar placas perforadas que cambian la mezcla del material. Generalmente este tipo de efectos mejoran el mezclado distributivo. Normalmente las zonas de mezcla se ubican al final del husillo, para completar la mezcla que no se desarrolló anteriormente.
Las mezclas también se pueden desarrollar en un bamburil o mezclador interno, en el que normalmente se tratan cauchos. Lo que sucede es que los plásticos, al calentarlos, se funden y fluyen, pero los cauchos muestran un comportamiento especial. Para los cauchos más bien se utilizan molinos abiertos con dos cilindros, que equivalentemente generan esfuerzos al rotar, generando fricción, calentamiento y mezcla. El bamburil consiste en una cámara cerrada, la cual se llena del material, con rotores bamburil que, al girar, van masticando al elastómero. De este modo el caucho va pasando un estado más flexible mientras se está masticando.
Dependiendo del material, hay zonas de calentamiento o zonas de enfriamiento a lo largo del husillo, las primeras para materiales difíciles de fundir y las segundas para materiales sensibles.
Otro problema que se suele presentar con la extrusión de polímeros es la generación de volátiles. Dentro de la cámara de extrusión se desarrollan altas temperaturas, mayores a 200 , y se generan presiones bastante altas. Por lo tanto, si queda aire, un gas o un vapor (volátiles) atrapado en dicha cámara, estas temperaturas y presiones altas provocarán que el gas sufra una autoignición, y el polímero se va a quemar o por lo menos degradar. Por eso es importantísimo disponer de zonas de desgasificación o venteo, que se ubiquen luego de la zona de dosificación y cuyo diseño consista en la reducción del diámetro del husillo, por ejemplo, aliviando la presión. Entonces el material puede pasar a una zona de transición o descanso, en la que aumenta la presión, y finalmente a la dosificación al husillo.
El ventero equivale a la alimentación, de modo que es como si se desarrollaran dos etapas. Es así que husillos con dos puertos de venteo se conocen como husillos de tres etapas. También se puede trabajar con una modalidad de extrusión en dos etapas que no se efectúen el mismo husillo, sino con dos extrusoras distintas, de modo que la segunda extrusora encarga de compactar y darle forma al material. De hecho, esta es una opción viable para la eliminación de gases, pues cuando el material fundido cae a la segunda extrusora, salen los gases. Ahora, esto sólo se puede hacer con materiales que no tengan problemas con humedad del ambiente.
Cabe indicar que un puerto de venteo no es simplemente un hueco, éste debe coincidir con el tornillo y debe haber una válvula de alivio. Cuando se diseñan los puertos de venteo, hay que tener especial precaución a fin de evitar que en la apertura de la camisa quede acumulado material; por eso, la camisa debe tener un desfase mayor, para que el polímero fundido se vaya con el tornillo sin fin.
Existen husillos con tornillos de barrera o tornillos de doble filete, que le dan al material la opción de tomar dos caminos. El polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) no se puede procesar con facilidad, y para éste se utiliza este tipo de tornillos. Lo que sucede es que, como el polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) se funde fácilmente y el polietileno de baja densidad (LDPE) no se funde fácilmente, los dos toman distintos caminos, y al final se vuelven unir para pasar a una zona de homogenización. Igualmente, mezclas de polietileno de alta densidad (HDPE) y polietileno de ultra alto peso molecular (UHWMPE) se procesan con este tipo de tornillo. Sin embargo, el problema con esta tecnología es la homogeneidad que se obtiene, ya que la zona de dosificación actuaría también como zona de mezclado, de modo que se debe dotarle a la extrusora de zonas de mezcla.
Algunos criterios para el diseño husillos son los siguientes:
Para un husillo convencional, en la zona de alimentación lo único se quiere es que el husillo transporte material, para lo cual se usa un ángulo óptimo entre 15° y 25°.
En la zona de compresión, donde el plástico se funde (haciendo referencia a polímeros semicristalinos y amorfos), la longitud debe estar cerca a 10 veces el diámetro del husillo para que se facilite la fusión. Asimismo, el ángulo óptimo debe estar entre 20° y 30° para asegurar la fusión.
La tolerancia entre el filete y la camisa debe equivaler a 0,1% del diámetro, ya que por esta región se va a escapar el material, lo que va a mejorar su homogeneidad.
En la zona de dosificación, el ángulo debe estar entre 20° y 30°, ya que se requiere fusión y transporte.
En la página web de Chris Ranendadl y Pavison Training se encuentran criterios de diseño de distintos husillos. Otras fuentes importantes para el diseño de este tipo de equipos son la SPE (Society Plastic Engineering) y asociaciones afines.
Como se puede advertir hasta el momento, hay distintas alternativas de configuración de los husillos, los cuales se seleccionan en función de lo que se va o desea hacer. De hecho, pueden haber extrusoras de 20 o más tornillos.
De acuerdo al tipo de cilindro y el número de husillos, las extrusoras se dividen en:
Extrusora de un solo husillo o convencional
Extrusora de dos husillos o tornillos (tornillos que giran en direcciones contrarias o en el mismo sentido, engranados o no engranados)
Extrusora de un solo husillo o convencional
En la extrusora convencional, la fuerza impulsora que hace que el material avance es la fricción entre la camisa y el material, de modo que el proceso es fuertemente dependiente de los distintos componentes de la extrusora y del material.
El polímero fundamentalmente tiene contacto con la camisa y con el núcleo del husillo. Si la fricción entre el material y la camisa es nula, el material no avanza, pues se traslada con mayor rapidez mientras mayor es la fricción; mientras que si la fricción entre el material y el husillo es nula, el material avanza más rápidamente. Por lo tanto, entre el material y la camisa debe haber mucha fricción y entre el material y el husillo debe haber la menor fricción posible, lo cual se logra bajando la temperatura, por ejemplo, aunque realmente en la extrusión la fricción entre el material y el husillo no se puede controlar.
Extrusora de alto rendimiento
Incrementa la fricción entre la camisa y el material, de modo que al sentir la fricción el material sale rápidamente. Para esto, el diseño consiste de una camisa ranurada en la zona de alimentación. Sin embargo, se genera mucho calor, de modo que en la zona de alimentación indispensablemente deben existir zonas de refrigeración. Cabe indicar que hay ranuras sólo en la zona de alimentación porque ahí el material aún está sólido, mientras que en las otras zonas está en estado fundido.
En la extrusora de alto rendimiento desde el inicio se genera la presión necesaria para superar la fricción de la boquilla, de modo que el material sale con mayor rapidez, y consecuentemente el tiempo de residencia es pequeño; por lo tanto, la homogenización en este tipo de tecnologías no es buena. Este del motivo por el cual en este tipo de extrusoras siempre se van a tener zonas de mezclado al final.
Extrusora de doble husillo
En este tipo de extrusora, la camisa tiene forma de ocho. Se clasifica en dos, en función si los husillos giran en el mismo sentido (corrotantes) o en sentidos contrarios (contrarrotantes). En algunos diseños, los husillos se encuentran engranados, mientras que en otros no; de modo que en las primeras la luz que tiene el material para pasar es muy pequeña, mientras que las segundas hay un mayor espacio. Por lo tanto, si existe la posibilidad de cizallamiento del material, es preferible el empleo de las primeras extrusoras. Asimismo, respecto al engranamiento, los husillos pueden estar muy interpenetrados o medianamente interpenetrados. Las extrusoras con husillos interpenetrados se seleccionan cuando se necesita un buen mezclado, y si los husillos están muy interpenetrados mejor aún, ya que la fricción que se crea es altísima, de modo que se dispersa muy bien al material. Ahora, se debe considerar que mientras mayor sea interpenetración, se requerirán relaciones L/D más grandes para la obtención de un mismo resultado, de modo que se debe decidir entre poco tiempo con mucha interpenetración o mucho tiempo con poca interpenetración.
Se recordará que la fuerza impulsora en las extrusoras monohusillo es la fricción entre la camisa y el material. En las extrusoras de doble husillo, en cambio, la fuerza impulsora es la fricción de los husillos, de modo que son básicamente bombas de desplazamiento positivo. Si los husillos no están engranados, hay menos fricción, y por lo tanto se puede necesitar relaciones L/D mayores a 100 sin presentar los problemas de contacto entre el metal de los husillos; si existe interpenetración de los husillos, en cambio, las relaciones L/D son como máximo 50. Esto implica además que los esfuerzos son compartidos.
Extrusoras de doble husillo corrotantes se recomiendan para el desarrollo de la extrusión reactiva, y por eso se los emplea usualmente para la transformación de poliolefinas. El transporte del polímero se induce por la fricción entre los husillos (recordar que en las extrusoras corrotantes el material avanza por el movimiento de los dos husillos).
En las extrusoras de doble husillo giro contrarrotatorio, cada uno de los husillos forma una cámara en forma de "C", creándose gran fricción, de modo que este tipo de tecnología sólo se puede utilizar para materiales que lo soporten. Adicionalmente, estas extrusoras pueden girar a velocidades altísimas, generándose aún más calor, por lo que realmente existen muy pocos materiales que soportan este proceso de extrusión contrarrotatoria.








Las extrusoras de doble husillo contrarrotantes tienen mejores características de transporte que las corrotantes, con sus consecuentes ventajas: relaciones L/D bajas y la posibilidad de que el material se disperse en un material madre para salir sin mayor daño, con problemas en la homogeneidad probablemente. Así, en las extrusoras corrotantes se genera menos esfuerzos térmicos; de ahí que las extrusoras de doble husillo corrotantes se usen para procesar materiales que requieran relaciones L/D bajas, y de hecho son más adecuadas para procesar PVC.
En las extrusoras de doble tornillo el flujo es mucho más uniforme, ya que el transporte no depende de la fricción entre la camisa y el material ni de la carga en la tolva, sino de la rotación de los rodillos. Adicionalmente, se tiene un mejor control del flujo del material de salida, dado que la extrusora está calentada fundamentalmente por chaquetas.
Las extrusoras de doble husillo se autolimpian pues, dado que utilizan una bomba de desplazamiento positivo, el material siempre avanza hacia delante. Además, para mejorar la extrusión, las extrusoras de doble husillo tienen elementos de mezcla que van girando para facilitar la mezcla de los ingredientes y que encarecen a la extrusora.
Las extrusoras de doble husillo se usan cuando se busca productividad y volumenLas extrusoras de doble husillo se usan cuando se busca productividad y volumenPor lo tanto, las extrusoras de doble husillo se limpian solas y su productividad es mucho más alta, siendo su única desventaja el costo. Ahora, si bien es más cara, son preferibles cuando se busca productividad y volumen.
Las extrusoras de doble husillo se usan cuando se busca productividad y volumen

Las extrusoras de doble husillo se usan cuando se busca productividad y volumen

Extrusora planetaria
Con la extrusora planetaria no incrementa mucho el tiempo de residenciaCon la extrusora planetaria no incrementa mucho el tiempo de residenciaAl final de una extrusora monohusillo se suele colocar una extrusora planetaria (siendo mejor que la extrusora monohusillo tenga mayor capacidad que la planetaria), la cual permite alcanzar una gran plastificación; es decir, lo que se obtenía con la extrusora de doble husillo se puede lograr con una extrusora monohusillo mediante un sistema planetario. Además, el producto que se obtiene presenta una buena homogeneidad, similar a la de los productos de la extrusora de doble tornillo, además de que le proporciona al mismo un efecto dispersivo. Adicionalmente, todo esto se desarrollaría rápido, pues este acoplamiento no implica un incremento considerable del tiempo de residencia.
Con la extrusora planetaria no incrementa mucho el tiempo de residencia

Con la extrusora planetaria no incrementa mucho el tiempo de residencia

En una extrusora planetaria, tanto la camisa como el sistema central tienen un sistema de atemperación. Ahora, como el material entra y sale rápido, éste no tiene tiempo de degradarse, algo muy importante en el caso del tratamiento de PVC.
Extrusora de cinta
En ésta se producen cintas. Lo interesante es que la cinta que sale se va adhiriendo a un tubo que gira continuamente, haciendo avanzar la cinta, y así se forma una cinta corrugada. La cinta sale fundida, para que se termosuelde posteriormente.
Cabezal o dado
El cabezal tiene como función primera permitir una transición de forma al materialEl cabezal tiene como función primera permitir una transición de forma al materialEn éste se da la transición de forma del material hasta la morfología final del producto, distinta al perfil con el que el polímero sale del husillo. Su diseño es importante porque al plástico no se lo puede cambiar bruscamente de forma, ya que caso contrario se degrada, de modo que el cabezal tiene elementos que propician este cambio paulatinamente.
El cabezal tiene como función primera permitir una transición de forma al material

El cabezal tiene como función primera permitir una transición de forma al material

Parte del cabezal o dado, incorporada entre el husillo y el mismo cabezal, consiste en una brida con un plato rompedor; el plato rompedor es una placa con agujeros que alojan una malla o un filtro. El diseño de la brida depende de las características del material y de las presiones a las que éste se halle sometido. La malla retiene infundidos, impurezas y compuestos inorgánicos, y la función principal del cabezal o dado es soportar estas mallas donde se retienen los fundidos, lo cual es sumamente importante en la extrusión de fibras y films, porque impurezas pueden afectar importantemente a estos polímeros.
El problema con el cabezal es que éste le provee una caída de presión al material, aunque mejora la homogeneidad del mismo. La inercia del material al salir del husillo es helicoidal, y al pasar por los agujeros del filtro esta inercia cambia a lineal, lo que mejora la homogeneidad térmica del producto. Algunos materiales requieren la inclusión de adaptadores (ubicados a la entrada de la boquilla) que colaboren en la transición de forma.
Algunos diseños disponen de cambiadores de filtros, que permiten reemplazar los filtros que se obturan. Un pistón conectado al sistema de control permite posicionar un filtro saturado para sustituirlo por uno limpio, mientras que el filtro saturado se limpia. En sistemas continuos, una malla se mueve continuamente mientras va filtrando.
Mientras mayor es la caída de presión, más taponado está el filtroMientras mayor es la caída de presión, más taponado está el filtroPara el control automático del cambio del filtro, antes y después del plato rompedor se colocan transductores de presión, que calculan la caída de presión. Una caída de presión mayor implica que los filtros se han taponado, de modo que cuando se llega un valor set el controlador PID envía una señal al pistón para que cambie el plato rompedor; esto también se puede hacer manualmente, como un botón on – off o con una alarma.
Mientras mayor es la caída de presión, más taponado está el filtro

Mientras mayor es la caída de presión, más taponado está el filtro

Un torpedo en el cabezal hace que un tubo se vaya abriendo para que pase el material. El torpedo se sostiene con patas de arena. En función de la calibración, se puede tener un espesor uniforme o zonas con mayor espesor y/o menor espesor en el tubo.
Algunos diseños permiten el procesamiento de varios materiales, con una extrusora independiente para cada polímero, de modo que salir se juntan las varias capas formadas para constituir un mismo film coextruido.
Boquilla o hilera
Los plásticos tienen una memoria elástica, además de que presentan un comportamiento viscoelástico; por lo tanto, el momento en el que salen de la boquilla, los componentes elásticos del material hacen que éste se hinche. Mientras más fricción exista entre la boquilla y el material, más hinchamiento post extrusión se obtiene en el producto. De ahí la importancia del diseño de la forma del hueco de la boquilla.






























































Otro efecto, producto de la fricción entre el material y la boquilla, es la degradación. De hecho, el material puede llegar a degradarse y no salir de forma continua, de modo que la presión crece y el material se degrada, produciéndose un ciclo hasta que la presión se alivia, lo que causa una ruptura del fundido (es decir, el polímero no sale como un tallarín continuo, sino se rompe). De ahí que para el diseño de la boquilla es importante considerar la reología del polímero, la presión, el hinchamiento, entre otras. Asimismo, la forma de la boquilla depende de la forma del producto.
Hay una transición paulatina de lo que sale de la extrusora hasta llegar a la boquilla. El material se abre cuando se encuentra con las "patas de araña" (en la sección transversal), y nada garantiza que luego de la línea de soldadura el polímero se vuelva a mezclar o unir completamente. Si no se llega a una mezcla adecuada, en el producto se obtendrá una línea propia de la línea de soldadura, que corresponde a una zona débil y por lo tanto una zona de peligro.
Mientras menor es la trayectoria de la partícula, más cristalizada es la sección que le corresponde. Macroscópicamente el material se va a combar, de modo que se debe procurar que la trayectoria de las partículas sea lo más parecida posible.
21Mientras más caliente, más cristalino, porque el material tuvo un mayor tiempo la temperatura de cristalizaciónMás frío,
menos cristalino21Mientras más caliente, más cristalino, porque el material tuvo un mayor tiempo la temperatura de cristalizaciónMás frío,
menos cristalino

2
1
Mientras más caliente, más cristalino, porque el material tuvo un mayor tiempo la temperatura de cristalización

Más frío,
menos cristalino



2
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Mientras más caliente, más cristalino, porque el material tuvo un mayor tiempo la temperatura de cristalización

Más frío,
menos cristalino


Las boquillas planas tratan de mantener un flujo y perfiles de temperatura uniformes, lo cual no es sencillo. Asimismo, el cabezal cola de pez permite una transición uniforme.
Bomba de engranajes
La bomba de engranajes es un elemento mecánico que permite que el polímero fluya de manera constante, forzando al material a entrar entre las ruedas y salir. Se ubica entre el tornillo y la boquilla, para que el flujo de salida del material presente un caudal constante. La carga de la tolva o los distintos esfuerzos de cizallamiento pueden provocar fluctuaciones en el caudal. Constantemente se debe medir la fluidez del material en línea y según esto cambiar las variables del proceso.
En la bomba de engranajes también se produce una caída de presión. Así, si bien tiene un efecto benéfico respecto al flujo, también produce un efecto de cizallamiento sobre el material, básicamente porque maltrata el material. Por eso, no es adecuado para materiales cargados o materiales susceptibles de degradación; de ahí que en el procesamiento de PVC el empleo de una bomba de engranajes es poco probable. Además, las bombas de engranajes mejoran la homogeneidad térmica (misma temperatura en todos los puntos) y física (igual composición en todas las partes del material) del material.
Adicionalmente, entre el husillo y la boquilla pueden disponerse mezcladores estáticos que, como su nombre lo indica, son mezcladores que están estáticos y, debido a su geometría, separan la corriente y mejoran la homogeneidad del polímero. Sin embargo, dependiendo por dónde esté la corriente, ésta sufre distintas las alteraciones de su aireación; además se generan flujos tipo vórtex en los filos del mezclador. Asimismo, cuando se dispone una entrada adicional de material, el flujo se vuelve caótico. La ventaja del mezclador estático es que no consume energía.
Líneas de producción basados en extrusión
Rafia (Polipropileno)
El cabezal extruye un film plano, y lo hace caer directamente en un baño en el cual la película se enfría. Cuando el enfriamiento se completa, el film pasa por rodillos y por cuchillas que lo cortan en filamentos. Posteriormente, en un túnel de calentamiento, se orienta a los filamentos planos en sentido longitudinal, teniéndose nuevamente un material altamente orientado en un sentido.
A la salida del túnel se forman los conos de rafia, los cuales pueden ser usados para lonas por ejemplo. En ocasiones el tejido se adhiere a un fin de polietileno de alta densidad y luego se lo enrolla. El film de polietileno mejorar la resistencia mecánica de la rafia y permite obviar la operación manual de cocido, pues simplemente se funde el polietileno y entonces se sella; así, el saco no se deshilará.
En algunas máquinas se modifica la tensión superficial del polímero para hacerlo más afín a la tinta, mediante la aplicación de un potencial eléctrico que activa los grupos terminales de la superficie.
Inyección (moldeo por inyección)
Consiste en introducir bajo presión, en un molde cerrado, un material plástico fundido. En este caso el material en la cámara de inyección pasa a un molde cerrado, generalmente de espesores muy delgados, lo que hace el proceso bastante complicado. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con el diseño de los elementos que conforman el sistema de inyección, sobre todo porque el material a alta temperatura se contrae, de modo que mientras está caliente todavía hay que compensar la contracción que se desarrollará en el polímero cuando se enfríe hasta una temperatura adecuada.
La inyección puede cubrir desde piezas muy grandes hasta piezas pequeñitas, denominándose en el último caso microinyección, la cual requiere especial atención pues es necesario llenar con mucha precisión cavidades minúsculas.
De manera general, la inyección es más complicada que la extrusión, y se debe conocer todo sobre los siguientes factores:
Herramientas: molde y máquina de inyección (a veces del molde es más caro que la máquina de inyección).
Geometría de la pieza, la cual es muy importante dado que el material, conforme va avanzando en el molde, se va enfriando, de modo que se lo debe inyectar muy rápido y a alta presión. Implica las distintas características espesores de pared delgada (menor a 0,75 mm) y otras de pared gruesa (mayor a 3 mm), para lo cual se debe aplicar criterios de diseños de pieza y diseños de molde.
Parámetros del proceso de inyección, como temperatura, velocidades y presiones.
Material, es decir todo sobre las características del material.
La definición estos parámetros es función del mercado hacia el que se oriente el producto. Mientras menor sea la ganancia, más deficiente debe ser el equipo de inyección. Asimismo, la cantidad y posición de los puntos de inyección dependen de si se va a alcanzar a llenar el molde lo suficientemente rápido como para que el material no se degrade por la presión y la temperatura, siempre teniendo en cuenta el triángulo amoroso de propiedades, microestructura y aplicación.
Un molde contiene el negativo de la pieza que se desea producir, que consiste en la cavidad. Está cavidad se llenará de material plástico, y por lo tanto se necesita de una corriente que llene la calidad. Hay un estrechamiento por el que se alimenta el material a la pieza, el cual es muy delicado y debe estar muy bien disimulado.
En un equipo de inyección siempre se va a tener un sistema de atemperación; lo que se pretende con éste es que la pieza se enfríe. Asimismo, en todo molde siempre va a haber un plano de partición, por el que se abre el molde y que puede estar en la mitad.
Para evitar el efecto diésel, a veces en el molde se disimulan canales donde el aire quedará atrapadoPara evitar el efecto diésel, a veces en el molde se disimulan canales donde el aire quedará atrapadoEn el molde, antes de que haya material adentro, existe aire. El molde normalmente está cerrado, de modo que es muy difícil que el aire pueda escaparse a través del plano de partición, de modo que va a quedar atrapado; y aire confinado alta presión y temperatura expande y explota, quemando el material de acuerdo al efecto diésel. Por eso, durante el diseño se van a considerar finos canales dónde quede perentoriamente atrapado el aire.
Para evitar el efecto diésel, a veces en el molde se disimulan canales donde el aire quedará atrapado

Para evitar el efecto diésel, a veces en el molde se disimulan canales donde el aire quedará atrapado

Alcanzada la temperatura de desmolde, cuando se va a desmoldar el producto, un lado del molde se abre, de modo que la pieza debe estar diseñada para quedar sostenida en la parte que no se mueve y posteriormente, una vez frío, caer por medio de resortes.
A breves rasgos, los sistemas de inyección están conformados por:
Grupo, unidad o sistema de plastificación
Grupo, unidad o sistema de cierre
Grupo, unidad o sistema hidráulico o bancada (genera los movimientos y presiones que se requieren en la máquina)
Grupo de control
En la unidad de plastificación en principio se va inyectar, calentar y empujar. Luego viene la unidad de inyección, que es más versátil porque simplemente se cambia el molde.
El sistema de plastificación básicamente está conformado de un tornillo sin fin alojado en una camisa (generalmente se emplean husillos convencionales), con chaquetas de enfriamiento, tolvas y todos los elementos que se escribieron anteriormente para las extrusoras, excepto que no se dispone de un plato rompedor. A veces, la relación L/D es baja, de modo que es necesario el empleo de elementos de mezcla. El husillo, a diferencia de la extrusión, no sólo rota, sino que a la vez se desplaza hacia delante y hacia atrás. En algunos momentos, el husillo únicamente rota para plastificar el material requerido para llenar el molde; entonces, sin rotación, el husillo, a modo de émbolo, fuerza al material a llenar la cavidad vacía del molde (reciprocating scrube). Adicionalmente, toda lo unidad de plastificación tiene la capacidad de desplazarse hacia delante y hacia atrás, lo cual se denomina carro.
El grupo de cierre aloja el molde, para lo cual se diseña un plato, placa o lado fijo robusto y uno móvil. En función del tamaño de los platos, del recorrido y de las dimensiones del unidad de cierre, se ubica uno u otro molde. Generalmente el movimiento se desarrolla debido a la acción de un pistón móvil pegado al plato o mediante el empleo de bielas que mueven el molde.
A diferencia de la extrusión, que es normalmente continua (excepto en la extrusión de soplado de cuerpos huecos), el hecho de llenar la cavidad, esperar que el material se enfríe y expulsar la pieza hace que el proceso de inyección se desarrolle por etapas, y por lo tanto se va produciendo en ciclos que están compuestos por siete fases:
Primera etapa: cierre del molde. El molde está vacío y hay material plastificado; entonces se cierra el molde, mientras que el material está afuera a altísima presión.
Normalmente, uno de los parámetros de selección de los equipos de inyección es su capacidad de cierre del molde, que suele estar entre 50 y 100 toneladas fuerza (mínimo entre 10 y 15 toneladas fuerza). Esto explica por qué no se escape el aire, ya que dos capas metálicas se cierran, y se presionan una capacidad que depende de la máquina.
Se presiona con una fuerza altísima para balancear la presión con la que el material se inyecta, asegurando de este modo que no se abrirá el molde. Esta presión requiere la participación de sistemas de seguridad óptimos.
¿Cuántos metros de agua corresponden a 2000 bares?
P=2000 bar 2000 atm
P=γ h 2000 atm×1,013×105 Pa1 atm=1000 kg*m3×98 N1 kg* h
h=20673,47 m
En la primera etapa el molde debe cerrarse y la presión del cierre es uno de los parámetros de selección del molde y del equipo. Pero la primera etapa también se caracteriza por el apriete del monte; si no hay apriete, no existe el poder de la máquina para evitar que se escape el material posteriormente.
Segunda etapa: inyección. Cerrado y apretado el molde, viene la inyección. El tornillo se mueve, pero no rotacionalmente, sino se desplaza como un émbolo. A través de los canales del molde se transfiere el polímero plastificado y se llena el molde con el material.
En la segunda etapa existen dos fases: primero se transfiere el material y se llena volumétricamente el molde, y posteriormente, dado que el polímero plastificado se está enfriando, se aprovecha que aún está caliente y se inyecta un volumen adicional al necesario a esa temperatura. Esto se hace con los siguientes objetivos:
Compensar la contracción garantizando el volumen final. Así, cuando el material se contraiga, se tendrá el volumen adecuado.
Conservar el material en el monte. La presión es muy alta, de modo que si el material queda estático, se regresa. Así, con el llenado volumétrico, se mantiene al material en el molde.
Compactar el material.
Se advertirá que con un solo movimiento se hacen varias cosas. Cabe indicar que si no se compacta, en el material se desarrollará un rechupe, una vacuola (vacío interno que se genera, distinto al rechupe porque no es superficial y por tanto no se ve, de modo que puede parecer que la pieza está bien cuando no es así) o posiblemente una pieza incompleta.
Antes de llegar al punto en el que la pieza se solidificó, la presión de inyección es efectivaAntes de llegar al punto en el que la pieza se solidificó, la presión de inyección es efectivaLas presiones que se aplican en cada una de las etapas de la fase de inyección son distintas. En la primera etapa, cuando se llena volumétricamente el espacio interior del molde, se aplica la presión de inyección; en la segunda etapa, cuando se procede con inyección de un volumen adicional, se aplica una presión de compactación o presión de mantenimiento.
Antes de llegar al punto en el que la pieza se solidificó, la presión de inyección es efectiva
Antes de llegar al punto en el que la pieza se solidificó, la presión de inyección es efectiva
Concomitantemente, durante la inyección se está enfriando la pieza. Las presiones de inyección son efectivas hasta que se llegue a la temperatura de deflexión bajo carga o hasta que algún punto del material se solidifique.
El material siempre irá por donde menos de resistencia se presente, y de este modo se va llenando hasta que se completa la etapa de inyección. Lo ideal es que el material se alimente continuamente hasta que se solidifique la entrada; y una vez que se solidifique la entrada, se proceda a aplicar la presión de mantenimiento.
A la entrada del molde el polímero plastificado llega por la colada, y de hecho los puntos que se ven en un plástico inyectado son los de la entrada del material. La entrada al molde va a ser la parte más delgada de la pieza, y de este modo se tiene la posibilidad de que el material se solidifique en la entrada del molde cuando esté lo suficientemente compactado. Hasta este punto se aprovecha la presión de inyección, para empezar a aplicar la presión de mantenimiento.
Ciclo de inyecciónCiclo de inyección
Ciclo de inyección
Ciclo de inyección
El polímero plastificado se alimenta por el punto de inyección o de entrada y el material se va enfriando a medida que avanza en el molde, de modo que es importante trabajar en el diseño de un adecuado punto de inyección, e incluso la selección del punto de entrada debe ser adecuada. Éste no puede ser muy grande, porque le tomará mucho tiempo al material solidificarse, o muy pequeño, porque la entrada se solidificará antes de que se llene el molde. De hecho, el punto de entrada es el punto más crítico en el diseño de varias piezas.
Cada vez que se diseñe un molde para el equipo, se debe poner en marcha el proceso. Así, se debe proceder con un sondeo que permitirá determinar hasta qué punto se debe aplicar la presión de inyección (teniendo en cuenta que el material en el punto de inyección no puede solidificar antes de que el molde se llene). Recalcando lo anterior: son importantes los procesos de puesta en marcha de las máquinas de inyección para comprobar hasta dónde se aplica la presión de inyección y se inicia con la presión de mantenimiento.
En las primeras pruebas la posición de la colada no va a ser exacta, y se debe intentar hasta que se llene por lo menos de 90 a 95% del molde. La colada es la línea que conecta a los distintas partes del molde para que el material fluya y llegue a todas.
ColadaColada








Colada








Colada
Normalmente la colada se reprocesa, pero en ocasiones se degrada quedando inutilizable. Existen sistemas de colada caliente en los que, finalizado el proceso, el molde se abre y la pieza cae mientras que la colada se queda en el molde, aún caliente mediante campos eléctricos, de modo que se la puede volver a utilizar.
Mientras el material se va acumulando, el husillo avanza continuamente. Cuando el polímero plastificado se termina de depositar en el molde, el husillo se detiene y retrocede, inicia la plastificación para el ciclo siguiente y se dispone de polímero caliente para llenar nuevamente el molde.
Para que el material no gotee se debe colocar una boquilla, especialmente cuando el material a tratarse es poco viscoso. En algunos procesos todo el carro se desplaza hacia atrás con el objetivo de que la boquilla no esté pegada al molde, ya que interesa que éste esté frío el momento en el que se llene nuevamente. Asimismo, a fin de que no chorree, el husillo debe regresar un poco y de este modo el polímero se chupa.
Luego de la plastificación y refrigeración (pues se debe esperar a que el material en el molde se enfríe), se abre el molde y la pieza se expulsa; entonces nuevamente inicia el ciclo. Por lo tanto, se advertirá que el cuello de botella está en la refrigeración. A veces, lleva más tiempo plastificar el material que enfriar el polímero plastificado en el molde, de modo que si se diseña o dimensiona inadecuadamente el equipo, el cuello de botella será más bien la plastificación.
El rango de ganancia en industria de los polímeros suele estar en función del volumen de producción, de modo que interesa vender mucho y minimizar los costos, para lo cual es necesario llegar al tiempo más corto por ciclo. Esto implica que los procesos de refrigeración, plastificación, inyección, etc., deben ser eficientes. También se deben evitar defectos, por ejemplo la presencia de zonas más cristalizadas y zonas menos cristalizadas, lo cual también depende del tiempo del que disponga cada zona para enfriarse.
El tiempo que dura el ciclo depende de la pieza (tamaño y naturaleza) y del equipo de inyección. El tiempo necesario para llenar volumétricamente el molde es menor al período durante el que se aplica la presión de mantenimiento, es decir la compensación requiere más tiempo que la inyección propiamente dicha, debido a que es más fácil y rápido llenar una cavidad vacía. El comportamiento de la presión en la cavidad (dado que el material está inicialmente en el husillo y entonces se lo desplaza) es la siguiente:
RefrigeraciónMantenimiento
de la presiónLlenadoPtExpulsiónCierre del molde y
llenado de la coladaTiempo de cicloTiempo de refrigeraciónTiempo de molde cerradoSolidificación
de la entradaRefrigeraciónMantenimiento
de la presiónLlenadoPtExpulsiónCierre del molde y
llenado de la coladaTiempo de cicloTiempo de refrigeraciónTiempo de molde cerradoSolidificación
de la entrada










Refrigeración

Mantenimiento
de la presión
Llenado



P
t
Expulsión
Cierre del molde y
llenado de la colada



Tiempo de ciclo

Tiempo de refrigeración

Tiempo de molde cerrado







Solidificación
de la entrada










Refrigeración

Mantenimiento
de la presión
Llenado



P
t
Expulsión
Cierre del molde y
llenado de la colada



Tiempo de ciclo

Tiempo de refrigeración

Tiempo de molde cerrado







Solidificación
de la entrada
Como se observa, mientras el material llega a la cavidad, la presión en la misma es cero, y no es hasta que inicia el llenado cuando comienza a manifestarse un valor de presión en la cavidad. A medida que la cavidad se va llenando, la presión empieza a sentirse con mayor intensidad, hasta que se llega a la etapa de mantenimiento, cuando se registra una caída de la presión, pero no muy grande. La presión de mantenimiento debe ser al menos el 60% de la presión de inyección, aunque en la mayoría de casos es mayor a la presión de inyección.
Entonces la presión de mantenimiento se aplica hasta que se solidifique el punto de entrada. Una vez que la colada ha solidificado, la presión de mantenimiento ya no se transmite, aun cuando se siga aplicando dicha presión (únicamente se estarán desperdiciando recursos). Posteriormente viene la refrigeración y entonces la expulsión. El tiempo de refrigeración es sumamente importante en la determinación de las propiedades del producto final.
La temperatura es distinta en el interior de la cavidad y en la entrada, debido a que la entrada es un poco más delgada. Durante el llenado, la temperatura en el interior de la cavidad mantiene su valor constante en el frente de avance respecto a la posición y, dado que está actuando el sistema de refrigeración, la pieza se enfría más lento de lo que se enfría la entrada, por lo cual primero se solidificará la entrada.
Cuando se está llenando un molde con determinado material, éste se va enfriando, y por eso esta etapa no es isotérmica. Además, la temperatura del material es distinta en las paredes del molde y en el fluido (frente de avance). Por este motivo, se puede ir formando una capa sólida del material, un sólido que por cierto es un mal conductor de calor. Con el tiempo esta capa irá creciendo, de modo que el sistema de enfriamiento no resultará eficiente, lo cual contribuirá a la formación de dicha capa.
Pared del moldeFrente de avance del fluidoPared del moldeFrente de avance del fluido

Pared del molde

Frente de avance del fluido


Pared del molde

Frente de avance del fluido

Un factor importante que afecta la presión de llenado es la viscosidad del material, la cual depende de la naturaleza del polímero y de las cargas que lo acompañan (las cargas alteran la reología de un polímero). Así, la primera medida para controlar el tiempo de ciclo consiste en el control de la viscosidad. La viscosidad es función de la temperatura (a mayor temperatura, menor viscosidad), pero si ésta última se modifica demasiado, el material puede degradarse, de modo que habrán límites; además, el producto debe enfriarse, y si al polímero plastificado se lo calienta demasiado, el tiempo de enfriamiento será relativamente alto (a mayor temperatura, mayor tiempo de enfriamiento). Por lo tanto, se debe procurar trabajar con la temperatura más baja posible.
Si a la pieza se la recibe con el molde caliente, sufre un estrés térmico menor (pues se enfría más lentamente), tiene más brillo y requiere un tonelaje menor. Sin embargo, como se enfría más lentamente, mayor es el tiempo del ciclo. Entonces, como lo que interesa es la productividad, se prefiere alimentar el polímero a un molde frío.
Otro factor que afecta la presión de llenado es la geometría:
Geometría del molde, de la pieza y del producto (espesor, longitud y complejidad)
Geometría del punto de inyección
Geometría de la colada (la colada es caliente o fría)
Una cuestión muy importante al inyectar piezas es el balance reológico del flujo de material. Todas las piezas deben llenarse al mismo tiempo, ya que si esto no sucede se puede sobrecompactar al material a la vez que se presentarán zonas sin compactación. Las cargas cambian la reología de un material, y de hecho una carga hace que se requiera una altísima presión y una altísima temperatura para inyectar un polímero.
Probablemente esta zona estará sin compactaciónProbablemente esta zona estará sobrecompactadaProbablemente esta zona estará sin compactaciónProbablemente esta zona estará sobrecompactada

Probablemente esta zona estará sin compactación

Probablemente esta zona estará sobrecompactada

Probablemente esta zona estará sin compactación

Probablemente esta zona estará sobrecompactada
Un tercer factor que afecta a la presión de llenado es la velocidad de inyección. Todas las partes de la pieza deben llenarse a la misma velocidad; por eso, normalmente se trabaja con un perfil de velocidades para el husillo. Si la pieza no tiene una sección uniforme, el frente de flujo no se desplazará a una velocidad constante, y por eso la velocidad debe ser controlada con especial atención en este tipo de geometrías, de modo que sea menor en las partes delgadas y mayor en las partes gruesas, procurando promover un frente de flujo lo más uniforme posible. La velocidad de inyección se puede regular con una bomba con control variable.
Durante el proceso, el material se estirará y orientará. Así, habrá en el polímero zonas más cristalinas que otras, y la primera porción que entra será la más cristalina. Además, en el espesor se tendrá material con distinta orientación, pues la porción que esté en contacto con la pared tendrá más orientación, mientras que el centro estará más cristalizado pues permanecerá caliente un mayor tiempo, lo que se traduce en una velocidad de enfriamiento menor.


Lo anterior implica que cuando se alimente el material se formará una piel fría (capa cercana a la pared del molde) y un molde caliente; esto tiene una incidencia importante en la orientación de las fibras que se hallan junto a la pared. Además, dependiendo si el flujo es convergente o divergente se tendrá un material anisotrópico. Un flujo convergente es más general, porque la pared normalmente se va ensanchando debido a la formación de la piel. Es importante además la forma como se carga al material.
La contrapresión aumenta la relación L/D del tornillo y mejora la homogeneidad del material, pero las fibras no se pueden someter a contrapresiónLa contrapresión aumenta la relación L/D del tornillo y mejora la homogeneidad del material, pero las fibras no se pueden someter a contrapresiónLas máquinas son capaces de ajustar la resistencia del husillo mediante una contrapresión que produce un efecto que da la impresión de que el husillo está patinando. Con la resistencia del husillo el material se demora más tiempo en llenar el espacio entre el tornillo y el molde; esto hace que la plastificación sea mayor, equivalente a aumentar la relación L/D, y mientras más aumenta la contrapresión mayor es la plastificación. Adicionalmente la contrapresión mejora la homogeneidad del material, pues éste va a pasar a la zona entre el husillo y el molde en más tiempo, y ayuda a la dispersión o mezclado dispersivo. Sin embargo la contrapresión también produce un cizallamiento en el polímero, por lo que no es conveniente para materiales cargados como fibras.
La contrapresión aumenta la relación L/D del tornillo y mejora la homogeneidad del material, pero las fibras no se pueden someter a contrapresión
La contrapresión aumenta la relación L/D del tornillo y mejora la homogeneidad del material, pero las fibras no se pueden someter a contrapresión
Respecto al molde, es necesario tener presente lo siguiente:
Siempre que se concluye con el diseño de un molde, se debe proceder con una puesta en marcha con dicho molde. Por eso se debe llevar un registro de todo lo que concierne al proceso: las condiciones y la puesta en marcha, a fin de facilitar esta última cuando se cambie de molde.
El molde es un elemento metálico, por lo cual se lo debe lubricar luego de cada ciclo y sin ninguna presión. De hecho, hay que cuidarlo, ya que es caro.
El molde se debe llenar con un frente de flujo de velocidad uniforme.
Todo molde está diseñado con varias partes: sistemas de expulsión, sistemas de refrigeración, piezas, entre otros. Es muy importante que un molde tenga un circuito de refrigeración; luego el agua caliente debe pasar por una torre de enfriamiento y/o un chiller que la enfría.
Existen moldes de más de dos partes (tres por ejemplo), de modo que en una está la pieza pegada al plato móvil y en otra está la colada pegada al plato fijo, además de una tercera parte que las junta.
El molde más simple es el de dos partes: una fija (unida al plato fijo) y una móvil (unida al plato móvil).
El plato fijo se apoya en cuatro barras y, en algunos casos, en un plato de apoyo. Lo que siempre se va a tener es un plato fijo y un plato móvil.
En el molde de dos partes una placa fija el molde en el plato fijo, mientras que el separador aloja el sistema de expulsión, de modo que los soportes deben entrar justamente en las entradas del plato móvil.
Existen distintos sistemas de expulsión: empleo de expulsores, de placas expulsoras, robots, moldes de tres partes, entre otrosExisten distintos sistemas de expulsión: empleo de expulsores, de placas expulsoras, robots, moldes de tres partes, entre otrosEl plato fijo tiene un orificio en el que hay un aro centrador, acorde a las dimensiones del molde. Éste es intercambiable.
Existen distintos sistemas de expulsión: empleo de expulsores, de placas expulsoras, robots, moldes de tres partes, entre otros
Existen distintos sistemas de expulsión: empleo de expulsores, de placas expulsoras, robots, moldes de tres partes, entre otros
Existen sistemas de extracción de la pieza finalizada que emplean robots en lugar del mecanismo expulsión. En modo manual, simplemente se saca la pieza y se la examina.
Cuando es necesario acoplar injertos de otro material (plástico inyectado sobre metal, por ejemplo), el equipo se dispone en modo semiautomático.
El material de un ciclo anterior debe purgarse, para lo cual se opera al equipo sin molde normalmente, como cuando se está inyectando material.
Dependiendo de la calidad que la pieza de quieren, se aplican distintos procesos de acabado.
Los puntos de enfriamiento, cuya construcción implica el paso de un taladro por el molde, son importantes y normalmente se establecen al final.
Finalmente, problemas o defectos que se pueden presentar en el proceso de inyección son:
Rebabas, producidas por fuerzas de cierre insuficientes, defectos en el molde (mal paralelaje, por ejemplo), presión de mantenimiento muy alta o aplicada por mucho tiempo, presión de inyección aplicada por un tiempo mayor al de la presión de mantenimiento, viscosidad muy baja o, lo que es lo mismo, temperatura de inyección baja.
Piezas incompletas, cuando no se produce suficiente material en la plastificación, cuando el punto de solidificación se forma antes de tiempo, cuando el material es muy viscoso o cuando la presión de inyección o la presión de mantenimiento se aplican durante poco tiempo.
Piezas con rechupe, cuando la entrada es muy pequeña y la pieza es muy grande, pues la entrada se enfriará y no se alcanzará a compensar la contracción.
Piezas pegadas al molde en el plato fijo o en el plato móvil, debido a la corrosión del material metálico o a temperaturas muy altas que harán que la pieza cristalice mucho. Por eso el molde siempre debe tener un ángulo, a fin de que la pieza se quede en el plato fijo y entonces los expulsadores, que son unos pistones, la empujen y expulsen.
Piezas con puntos negros que indican que el material se degradó.
Cosas adicionales que debo saber…
El material se alimenta por la tolva de alimentación, que puede estar conectada directamente a un deshumidificador. En la tolva de alimentación hay un sistema de enfriamiento, pues en esta sección es donde más fricción se produce.
Polietileno, polipropileno, ABS, estireno, policarbonato, nylon, PBT, PET y acetal pueden ser tratados mediante inyección (en un rango estrecho de fundición para los cuatro finales). Los últimos obligatoriamente van previamente a un proceso de secado o deshumidificación, el cual no es necesario para el polietileno y el polipropileno, aunque su aplicación se prefiere. Para secar, se emplea aire con un punto de rocío muy bajo (casi -30 para el PET).
El PET, para poder procesarse, debe tener 0,005% de agua como máximo. Por eso, el sistema de alimentación o tolva de un equipo de inyección de PET debe estar cerrado y acoplado a un deshumidificador.
Hay que tener mucho cuidado en el tratamiento de resinas de ingeniería y de comodities. Por ejemplo, a las resinas de ingeniería hay que enfriarlas más despacio.
Siempre el contenido de humedad es un problema en el procesamiento de plásticos, ya que generalmente dar lugar a una hidrólisis que provoca cambios superficiales del material o cambios en las propiedades mecánicas salvo en el caso del polietileno y el polipropileno, como se indicó antes.
Antes de operar el equipo, durante la puesta en marcha, se comprueba el apriete y se ajusta el tonelaje (fuerza de cierre) de la máquina hasta que no salgan rebajas.
Es muy importante controlar el tonelaje o fuerza de cierre, la velocidad de inyección (ligada con la presión de inyección, es mayor para una pieza delgada), la plastificación, la presión de inyección (que sirve para llenar volumétricamente el molde), la presión de mantenimiento (evita la contracción y compacta el material), la contrapresión, el tiempo y la temperatura del proceso.
Los tonelajes o fuerzas que se ejercen en un equipo de inyección son muy altos, y por lo tanto debe haber un buen paralelaje, a fin de que las fuerzas no afecten las barras (ya que cuando éstas se curvan un poco, es necesario cambiarlas).
Cada vez que se comienza con las acciones para la puesta en marcha, se trabaja con la temperatura más baja posible, aunque esto implique emplear una presión mayor. Esto a fin de que el sistema se pueda enfriar más rápido, lo que se traduce en un tiempo de ciclo menor.
Las chaquetas que actúan durante la puesta en marcha no ayudan mucho, pues en esta etapa no se genera fricción.
El husillo rota sólo cuando se está plastificando, mientras que cuando se necesita transferir el fundido al molde, éste sólo actúa como pistón, es decir no rota. Así, el husillo también ejerce la función de un pistón.
El husillo rota hacia atrás, y lo hace durante la plastificación. Mientras esto sucede, el material pasa por las zonas libres y se acumula entre el husillo y el molde. El husillo rota hasta que la presión frente al mismo (presión del fluido) es igual a su peso (peso del tornillo). La presión es creada por la resistencia al flujo.
La velocidad de rotación del husillo es muy importante, ya que determina qué tan rápido se funde el plástico y cuánto se degrada.
Como normalmente la plastificación está incluida dentro del tiempo de refrigeración, se la puede hacer lo más lenta posible.
En la mayor parte de materiales se necesita que el calentamiento sea paulatino, mientras que en otros se puede desarrollar una temperatura uniforme a lo largo de todo el husillo. Existen casos en los que se desarrolla un perfil reverso, para un polímero termoestable por ejemplo.
Cuando el polímero plastificado se inyecta, necesariamente se debe tener un excedente del material, es decir más de lo necesario para llenar la cavidad del molde, a fin de transmitir las presiones adecuadas.
Un cilindro hidráulico le provee movimiento al husillo, tanto de rotación como de traslación.
Las primeras máquinas, hacia los años 70 aproximadamente, fueron hidráulicas, y consecuentemente sus movimientos se realizaban con fluidos hidráulicos. Luego surgen las máquinas eléctricas, en las que los movimientos se deben a servomotores. Una máquina eléctrica implica ahorros energéticos mayores, pues mientras más eficiente es un equipo, se ahora más. Sin embargo los equipos eléctricos eran más caros, y cubrían hasta toneladas fuerza de cierre, de modo que para la aplicación de fuerzas mayores se debían usar máquinas hidráulicas necesariamente. Actualmente, las máquinas eléctricas cubren tonelajes mayores.
Hoy en día existen máquinas híbridas, donde los movimientos precisos se realizan con servomotores, lo que obligó a los fabricantes de máquinas hidráulicas a optimizarlas. Como se observa hasta el momento, todo implica un balance, elegir el sacrificio de algo para mejorar otra característica.
Todas las máquinas tienen una escala que indica cuánto se desplazó el husillo.
En todo proceso debe haber un colchón de material; si no hay colchón no hay control sobre el proceso En todo proceso debe haber un colchón de material; si no hay colchón no hay control sobre el proceso En la práctica, se debe desarrollar un muy buen mantenimiento al equipo y siempre se debe tener un colchón de material, ya que sin colchón no hay control sobre el proceso. Dicho colchón debe estar en alrededor de 5 mm.
En todo proceso debe haber un colchón de material; si no hay colchón no hay control sobre el proceso
En todo proceso debe haber un colchón de material; si no hay colchón no hay control sobre el proceso
Normalmente el husillo tiene una válvula check o válvula antirretorno. La válvula antirretorno se ubica en las zonas por donde pueda pasar el material mientras el husillo rota. El material, al tratar de pasar por el espacio que le deja la válvula check cuando el husillo rota, produce mucho calentamiento, y eso maltrata bastante al polímero.
Igual que en la extrusión, uno de los parámetros más importantes es la relación L/D, la cual determina el tiempo de residencia. De hecho, se controlan exactamente los mismos parámetros que para el proceso de extrusión.
En la unidad de inyección hay un apoyo que evita que el material escape a la salida de la boquilla, la cual está calefactada dado que a veces se necesita retroceder el carro.