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LECCION 12.- PLÁSTICOS / OTRAS TECNICAS DE CONFORMADO. 1.- Técnicas basadas en la extrusión. 1.1.- Introducción. La extrusión es un proceso sumamente versátil, ya que puede ser adaptado, mediante el empleo de los dados apropiados, para producir una amplia gama de productos. 1.2.- Soplado de película. 1.2.1.- Introducción. Procedimiento de obtención. Aunque las láminas y películas de plástico pueden producirse usando un dado con una abertura rectangular estrecha, el método más común, hoy en día, de obtención de dichos artículos es el proceso de soplado de película, que se muestra en la figura 1.2.1.1. Los filmes de PEBD de espesores entre 30 y 200 µm y anchos de 400 a 1200 mm (modernamente hasta 3000 mm para 200 µm) se fabrican generalmente por extrusión y soplado. El plástico fundido, proveniente de la máquina de extrusión, pasa a través de un dado anular que apunta, generalmente, hacia arriba y sale como un tubo delgado y de gran diámetro. Un suministro de aire al interior del tubo le impide derrumbarse y sirve para inflarlo y formar una larga burbuja cilíndrica de varias veces el diámetro del tubo que sale de la máquina de extrusión. El aire del interior está contenido como en una gran burbuja mediante un par de rodillos colapsantes que están en la parte alta. Al principio la burbuja consiste en plástico fundido, pero un flujo de aire alrededor del exterior de la burbuja promueve su enfriamiento y, a una cierta distancia del dado, se puede identificar una línea de solidificación. La película enfriada pasa a través de las placas guías y se aplasta entre dos rodillos de arrastre (calandra de tiraje), antes de pasar a los tambores de almacenamiento (calandra de enrollado), donde se recoge la bobina. Entre los rodillos de arrastre y la calandra de enrollado se disponen generalmente los sistemas de tratamiento y eliminación de cargas estáticas. La mayoría de los sistemas comerciales están provistos de instalaciones de almacenamiento gemelo, de modo que un tambor lleno pueda ser eliminado sin parar el proceso productivo. La calandra de tiraje está compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que deben producir una presión de cierre uniforme, tirando del film con una velocidad de arrastre que, en definitiva, va a determinar el espesor del film. El cabezal de la extrusora debe estar adecuadamente calentado. El «paso» o espesor de la hilera debe ser de 0.5 a 1.4 mm, con un tramo recto de 20 mm de longitud como mínimo, para poder obtener un film de espesor regular. Por el centro del núcleo o torpedo se inyecta el aire que debe formar la burbuja, hasta que ésta tenga las dimensiones deseadas (en diámetro y espesor). A la salida del cabezal el material se enfría bruscamente mediante una corriente forzada de aire que pasa a través de una cámara anular y se dirige concéntrica y uniformemente sobre la burbuja. Si el flujo del aire no está bien regulado o no es concéntrico con la burbuja, se produce una diversidad de espesores que dan lugar a la formación de ondulaciones en la bobina, lo que supone un grave inconveniente en el momento en que se va a imprimir el film. Para evitar estos defectos se suelen usar anillos distribuidores de aire rotatorios, que reparten la posible diferencia de espesores helicoidalmente en torno a la bobina.

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La ventaja principal del soplado de película es la facilidad con la cual puede introducirse en la película una orientación biaxial. Se expande radialmente casi tres veces su diámetro original y, al mismo tiempo, se estira en la dirección axial. El resultado es que la película queda orientada biaxialmente y esta orientación se hace permanente al cristalizar, ya que se congela la orientación en su lugar original.

Dado con spiders

Dado sin spiders

Figura 1.2.1.1.- Proceso de soplado de película.

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Figura 1.2.1.1.- Proceso de soplado de pelĂ­cula. 3


1.2.2.- Análisis del soplado de película. Se denomina relación de soplado la relación entre el diámetro de la burbuja y el de la hilera, es decir: Rs =

Db Dh

=

2L π Dh

(1.2.2.1)

siendo: L = Ancho de la película En general se trabaja con relaciones de soplado, R S, entre 1.8 y 2.5 Si la relación de soplado es pequeña, la resistencia a la rotura en el sentido de la extrusión se reduce notablemente. La presión del aire en la burbuja determina el hinchamiento de la burbuja y esto controla la orientación circunferencial, se produce un estirado transversal que reduce la orientación de las macromoléculas en la dirección de la extrusión, mejorando considerablemente las propiedades mecánicas Además, la orientación axial puede controlarse variando la velocidad del rodillo de arrastre superior, en relación con la velocidad lineal de la burbuja. Esto se denomina como estirado hacia abajo. El polímero sale del dado a una velocidad, V1 . Esta velocidad puede determinarse conociendo el caudal volumétrico de salida, Q, y el área, A, del orificio por el cual sale. El área del orificio de salida es:

(

A = π R22 − R12

)

(1.2.2.2)

donde: R 1 = Radio interior del anillo de salida. R 2 = Radio exterior del anillo de salida. La velocidad de salida será: V1 =

Q A

(1.2.2.3)

Ajustando la velocidad de los rodillos de arrastre, V2 , que aprietan el polímero formando la película, a una velocidad V2 > V1 , la aceleración en la dirección ascendente viene dada por:

a=

dV V2 − V1 = dt t2 − t1

(1.2.2.4)

Donde t 2 -t 1 es el tiempo que permanece el material entre el dado y los rodillos de arrastre (Calandra de tiraje). La fuerza debida a la aceleración será: F = ma = m

V2 − V1 t 2 − t1

(1.2.2.5)

donde m es la masa de polímero y a es la aceleración, la cual puede ajustarse. La calandra de tiraje esta compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que deben producir una presión de cierre uniforme, y que tiran de la película con una velocidad de arrastre que va a determinar su espesor. 4


Las fuerzas en las direcciones horizontal y vertical son las causantes del estiramiento del biaxial de la película. La velocidad de los rodillos de arrastre y así, el grado de estiramiento biaxial, puede ajustarse según las necesidades. Si la película de polímero se va a usar para fabricar una bolsa de basura, sería de desear una resistencia elevada y una permeabilidad baja. Se denomina relación de tiraje la existente entre las velocidades de tiraje y de extrusión del material. T=

V2 V1

=

Dd h ρ1 Db e ρ2

=

h ρ1

(1.2.2.6)

Rs e ρ2

siendo: Dd = Diámetro del dado Db = Diámetro de la burbuja e = Espesor de la película h = Espesor de la hilera ρ 1 y ρ 2 = Densidades del polímero fundido y sólido (0.82 para el PEBD), respectivamente. R S = (Db /Dh ) = Relación de soplado Para obtener una buena calidad del film, T debe estar comprendido entre 3 y 6. En la calandra de bobinado se disponen una serie de rodillos que evitan la formación de pliegues. Es posible hacer una estimación de la orientación de la película soplada , considerando solamente el efecto debido al inflado de la burbuja. Como la velocidad de flujo en volumen es el mismo para el plástico en el dado y en la burbuja, luego en la unidad de tiempo se tiene:

π Dd hd Ld = π Db hb Lb

(1.2.2.7)

donde D, h y L se refieren al diámetro, el espesor y la longitud respectivamente y el subíndice d es para el dado y la b para la burbuja. Entonces la orientación en la dirección de la máquina, OMD, viene dada por:

OMD =

Lb Dd hd h = = d Ld Db hb hb BR

D donde BR es la relación de hinchamianto radial  b  Dd

(1.2.2.8)

 . 

La orientación en la dirección transversal, O TD ,viene dada por:

OTD =

Db = BR Dd

(1.2.2.9)

Por tanto, la relación de orientación puede expresarse como:

hd OMD = OTD hb ( BR )2

(1.2.2.10)

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Los filmes también se pueden fabricar por extrusión a través de boquillas con dado delgado y largo, de la que salen verticalmente, enfriándose seguidamente entre cilindros refrigerados o en un baño de agua. Los filmes de termoplásticos cristalinos obtenidos por extrusión plana son más transparentes que los filmes tubulares, debido a la mayor velocidad de enfriamiento que limita el desarrollo de la cristalinidad. Sin embargo, al no producirse el estirado biaxial característico de la extrusión tubular, su tenacidad resulta inferior. Vale la pena observar esta técnica con mayor detalle. En primera instancia, ¿Por qué no revienta la burbuja? Debe haber un mecanismo de estabilización. Para encontrarlo, hay que analizar nuevamente el comportamiento general del material y reflexionar acerca de la naturaleza del procedimiento. El soplado de la burbuja es principalmente un proceso de tracción, más que de corte. 1.2.3.- Comportamiento ante los esfuerzos de tracción. Hay cuatro componentes de la deformación: los comportamientos elástico y viscoso ante los esfuerzos de corte y de tracción. El interés principal se relaciona con la viscosidad de corte, aunque también existe la viscosidad de tracción. El soplado de la burbuja es, principalmente, un proceso de tracción, más que de corte, y cabe preguntarse como reaccionan los polímeros cuando la mayor parte de los esfuerzos son de tracción. Al igual que cuando se somete a esfuerzos de corte, hay un comportamiento viscoelástico. La viscosidad en tracción λ tiende a ser alta, aproximadamente tres veces la de corte (λ ~ 3η). También hay un paralelismo con el comportamiento newtoniano y no newtoniano, así si la viscosidad a la tracción es independiente de la velocidad de deformación, se dice que el fluido es troutoniano (que equivale al comportamiento newtoniano en el corte). Hay dos tipos de comportamiento no troutoniano, el cual sí depende de la velocidad deformación: la rigidización por tracción y el debilitamiento por tracción. Estos se muestran en la figura 1.2.3.1. La mayoría de los polímeros fundidos son troutonianos, por ejemplo, el polimetilmetacrilato, el poliestireno, el policarbonato, el nylon, el polietilentereftalato. El polietileno de baja densidad ramificado sufre rigidización por tracción. Las poliolefinas lineales, por ejemplo, el polietileno de alta densidad y el polipropileno, se debilitan por tracción. El comportamiento elástico siempre es el de rigidización por tracción.

Figura 1.2.3.1.- Viscosidad en tracción.

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1.2.4.- Estabilización de la burbuja. Ahora se puede ver de qué manera el comportamiento ante la tracción estabiliza la burbuja pelicular. Un sistema como éste siempre tiene irregularidades accidentales. Cuando el producto extruido es ligeramente más delgado, el esfuerzo es mayor. Un material no rigidizable se deformará más, posiblemente hasta que se rompa. La rigidización por tracción, sin embargo, genera una mayor reacción viscosa o elástica, la cual contrarresta más de lo necesario el incremento del esfuerzo y se estabiliza el sistema. El otro factor importante de estabilización es la rapidez de cristalización. Cuando se fabrica una película de esta manera, se forma una línea de congelación un poco hacia arriba de la burbuja. Aquí es donde cristaliza el polímero y se hace menos transparente. En un polímero que se transforma bien con este procedimiento, la cristalización se provoca con tensiones y, en consecuencia, se rigidiza por tracción, la rapidez de cristalización no deberá ser tan alta que impida obtener primero la orientación necesaria. Por lo común, los polímeros en los cuales sucede esto, por ejemplo, el acetal y el nylon, no pueden tratarse de manera satisfactoria con esta ruta. Los efectos principales son el comportamiento elástico en el producto obtenido por extrusión, refrigerante y gomoso, y la rapidez de cristalización, ambos rigidizantes por tracción, de modo que incluso el polietileno de alta densidad, cuya fusión es adelgazante por tracción, es netamente rigidizante por tracción. El polietileno de baja densidad fue uno de los primeros polímeros que se sometió al tratamiento. Su viscosidad rigidizante por tracción fue importante en las primeras experiencias. Hay un contraste interesante en la producción de la película de polipropileno. El polipropileno adelgaza por tracción cuando está fundido y además su rapidez de cristalización durante el enfriamiento es muy lenta; esto le impide intervenir en el proceso de soplado de película común que se explicó anteriormente. Se adopta, por tanto, una técnica diferente en la cual el material obtenido por extrusión se enfría bruscamente mientras está en el estado fundido con agua muy fría para obtener un tubo amorfo gomoso. Luego se recalienta hasta la temperatura a la cual se obtiene una máxima cristalización y. luego, se sopla (Figura 1.2.4.1). Hay que señalar, que el procedimiento del polipropileno funciona verticalmente hacia abajo. Al soplar dentro del tubo recalentado se evitan los problemas que acompañan a una fusión adelgazante por tracción y una cristalización lenta que daría lugar a una burbuja inestable. Este procedimiento del polipropileno es especialmente interesante porque simboliza el fundamento de estirar y soplar botellas, el cual adquirió importancia en años recientes para envasar bebidas carbonatadas. La película soplada de polipropileno tiene un uso importante para empaquetar. Es la película "crujiente" que no se deja torcer cuando se desea desechar, se utiliza mucho en paquetes de papas fritas y en el exterior de paquetes de té y tabaco. La película para tabaco tiene que ser especialmente impermeable a los gases con el fin de retener niveles de humedad y aroma en el contenido. Para mejorar sus propiedades en este aspecto, se reviste con cloruro de polivinilideno a partir de una dispersión acuosa y se seca luego.

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Figura 1.2.4.1.- Soplado de la película de polipropileno. 1.3.- Procesos de recubrimiento. 1.3.1.- Introducción. Hay muchas aplicaciones en las cuales es necesario poner un recubrimiento de plástico sobre láminas de diversos materiales y la extrusión proporciona un modo ideal de hacer esto. Así, en la actualidad se recubren gran número de materiales (papel, cartón, tejido de yute, hoja de aluminio, etc.) con filmes de plástico, especialmente PEBD, mediante extrusión directa. Normalmente, una película delgada de plástico fundido es extruida mediante un dado con una estrecha abertura rectangular e inmediatamente se pone en contacto con el producto que se quiere recubrir. El material compuesto formado se pasa entre unos rodillos para asegurar la adherencia apropiada en la intercara entre los dos materiales y también para controlar el espesor de la capa de recubrimiento (Figura 1.3.1.1).

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Figura 1.3.1.1.- Proceso de recubrimiento de láminas. El fundido que sale de la cabeza de la extrusora es estirado por dos rodillos cilíndricos directamente situados debajo de la hilera y entre los cuales pasa el sustrato con una velocidad mayor que la de salida del polímero de la extrusora, con lo que se produce un estirado del film de forma que se consigue el espesor deseado, mientras que la presión entre los rodillos lo suelda al sustrato. Seguidamente se refrigera en otro rodillo, se cortan los bordes laterales, en los que es imposible conseguir un buen acabado, y se bobina. Para conseguir una buena adherencia del recubrimiento es preciso disponer de una alta temperatura en la extrusora. Esto supone un serio inconveniente para materiales como el PVC, cuyo punto de degradación térmica está muy próximo a la temperatura necesaria para alcanzar la fluidez adecuada. En tales casos resulta preferible realizar el recubrimiento mediante calandrado. Cuando el material a recubrir es poroso (papeles y tejidos, por ejemplo) el recubrimiento fundido penetra en los poros produciéndose un anclaje o adhesión física. Sin embargo, cuando el sustrato presenta una superficie lisa y continua, la adhesión depende fundamentalmente de la atracción química que, en materiales poco adherentes, como el PE, se favorece por la oxidación producida cuando se trabaja a alta temperatura. El inconveniente de esta oxidación es que disminuye la soldabilidad posterior del recubrimiento. Puede mejorarse la adhesión precalentando el sustrato a recubrir. Otro tipo de proceso es el recubrimiento de cables eléctricos, en donde se usan aislamientos de plástico, que con frecuencia son de polietileno, sobre conductores eléctricos. La gran demanda de cables con aislamiento en la industria eléctrica significa que grandes tonelajes de plástico son usados en esta técnica de recubrimiento. En la figura 1.3.1.2 se muestra el procedimiento de manera esquemática. El cable eléctrico pelado, que puede ser calentado o tener su superficie imprimada, se pasa a través del cabezal de recubrimiento desde un carrete situado en la entrada del extrusor. Entra con un ajuste de interferencia que evita cualquier tendencia del polímero a fluir en sentido inverso. El polímero fundido entra en ángulo recto y rodea el cable. La velocidad de paso puede estar comprendida entre 1 m/min y 1000 m/min dependiendo del diámetro del cable. Cuando el cable sale del dado tiene una capa de plástico, cuyo espesor depende de la velocidad del cable y de las condiciones de extrusión. A continuación, el cable recubierto de plástico, pasa por una línea de enfriamiento, que puede extenderse una distancia lineal de varios cientos de metros. Finalmente, el cable es enrollado sobre tambores de almacenamiento. 9


Figura 1.3.1.2.- Recubrimiento de cables por medio de extrusión con cabeza transversal. 1.3.2.- Análisis del recubrimiento de cables. El recubrimiento de cables puede analizarse de manera muy similar a lo que se describió para el caso de la extrusión. El recubrimiento sobre el cable proviene de dos efectos: (a).- Flujo de arrastre debido al movimiento del cable (b).- Flujo de presión debido a la diferencia de presión entre la salida del extrusor y la del dado. El flujo de arrastre, Qd , viene dado por:

1 Qd = THVd 2 donde: h  T = 2π  R +  2  El flujo de presión, Qp , viene dado por:

Qp =

1 dP 3 TH 12η dz 10


Combinando las dos expresiones anteriores, el caudal total de salida, Q, es:

1 dP 3 1 TH 3 P 1 TH = THVd + Q = THVd + 12η dz 12η L 2 2

(1.3.2.1)

Por su parte, el volumen del plástico de revestimiento del conductor eléctrico es:

Q = π Vd ( R + h ) − R 2    2

o bien:

Q = π Vd h [ 2R + h ]

(1.3.2.2)

Igualando las expesiones (1.3.2.1) y (1.3.2.2), se obtiene:

TH 3 P 1 π Vd h [ 2R + h ] = THVd + 12η L 2 de la cual:

P=

6LηVd ( 2h − H ) H3

(1.3.2.3)

La fórmula anterior nos da la presión necesaria a la salida del extrusor y, por lo tanto, permite seleccionar las condiciones apropiadas de extrusión. 1.4.- Coextrusión. 1.4.1.- Introducción. Descripción del procedimiento. Como consecuencia de la amplia gama de exigencias que se requieren a los materiales plásticos en la práctica, no es inusual que en muchos casos no exista un plástico individual, que posea la combinación correcta de propiedades para satisfacer una necesidad particular. Por lo tanto, es muy común en la fabricación de artículos como: película para empaquetar, recipientes para yogures, revestimientos de refrigeradores , juntas y marcos de ventana, que se tenga que ir a un plástico compuesto de múltiples capas. Esto es, particularmente cierto para la película extruida y las láminas para termoformado. El proceso de coextrusión ha llegado a ser bastante atractivo para producir, entre otros, láminas y películas plásticas compuestas de dos o más capas. En este proceso, dos o más corrientes de plástico fundido convergen y se unen a la entrada del dado, se desplazan luego como flujos adyacentes por el interior del dado emergiendo finalmente para enfriarse y solidificar, conformando así el producto coextruido de dos o más capas. La figura 1.4.1.1 muestra cuatro diferentes perfiles de productos coextruidos, donde A y B representan dos diferentes tipos de plástico. El éxito del proceso de coextrusión depende en gran medida del diseño del dado, el cual debe tener una forma adecuada para reunir diferentes corrientes de plástico fundido y controlar, por ejemplo, el espesor de las diferentes capas del producto coextruido. Sin embargo, las propiedades de flujo de cada uno de los plásticos utilizados, así como las características reológicas de los dos o más flujos adyacentes, también influyen grandemente en el éxito del proceso de coextrusión.

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Figura 1.4.1.1.- Diferentes perfiles de productos coextruidos Las películas coextruidas pueden obtenerse por el método de soplado de película o por un proceso de colado de película como se muestra en la figura 1.4.1.2.a y b, respectivamente. El proceso de colado, que usa un dado con una ranura rectangular estrecha y un rodillo de enfriamiento, produce una película con una buena claridad y lustre. Sin embargo, el proceso de soplado produce una película más fuerte debido a la orientación transversal que se origina y ofrece una mayor flexibilidad en términos de espesores de película. En la mayor parte de los casos hay una adherencia insuficiente entre los polímeros base y entonces es necesario tener una película adhesiva entre cada una de las capas base. Las investigaciones recientes en la coextrusión se centran en desarrollar técnicas que eviten la necesidad de la capa adhesiva. Entre ellos esta el desarrollo de procesos de unión reactiva, en los cuales las capas coextruidas se unen químicamente por medio de enlaces entrecruzados. Como la coextrusión es la extrusión simultánea de más de un tipo de polímero para obtener un producto laminado. Esto requiere un extrusor separado para cada polímero (Figura 1.4.1.2). El producto se forma a partir de capas múltiples en el dado. La técnica permite obtener productos con propiedades diferentes en cada lado o, por lo común, en el interior y en el exterior. Así, una capa interna puede dar impermeabilidad, en tanto que las capas externas, entre las cuales se halla, proporcionarían una resistencia mayor a la abrasión. Por lo común, es necesario usar capas ligantes que mantengan juntas las capas funcionales. Así, el producto laminado tendría realmente cinco capas: externa-ligante-central-ligante-externa. En el ejemplo común más simple se usan dos capas. Los contenedores internos de muchas marcas de cereales se elaboran con película soplada de polietileno de alta densidad (PEAD) con una capa interna de menor temperatura de reblandecimiento. Esto permite sellar el paquete en una prensa de tenazas calientes, donde la capa interna se reblandece y sella sin que se dañe la capa externa. Inicialmente había dificultad en este sistema de empaquetamiento para determinar las condiciones correctas de proceso y los paquetes no sellaban adecuadamente o sellaban tan herméticamente que no podían abrirse con facilidad. Ahora, la técnica está bien controlada, se tiene una mejor selección de las clases del polímero que se usa para las dos capas, de modo que en la actualidad los problemas de sellado han sido superados.

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Figura 1.4.1.2.- Coxtrusión de películas plásticas. La principal razón de producir películas co- extruidas de múltiples capas, es conseguir materiales con mejores propiedades de barrera, en particular con respecto a la infiltración de gas. La tabla 1.4.1.1 muestra los efectos que se pueden alcanzar.

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Tabla 1.4.1.1.- Efectos que se pueden lograr con la coextrusión.

Las técnicas de coextrusión se emplean no sólo para perfiles, sino también en películas sopladas, como se puede observar, en algunos ejemplos de botellas sopladas. ¿Por qué no se mezclan las corrientes de polímero cuando se juntan en el dado? La razón es que las condiciones de flujo laminar prevalecen sobre las de turbulencia que conducirían a su mezcla. La alta viscosidad es el factor principal y produce un valor bajo del número de Reynolds, Re: Re =

Densidad .Velocidad .Dimensiones del canal ρ vd = Vis cos idad µ

(1.4.1.1)

Bajo estas condiciones, el número de Reynolds es muy bajo (< 10) debido al alto valor de la viscosidad. Se considera que un valor mayor de 2000 será el límite para la formación de turbulencia. 1.4.2.- Inestabilidades de flujo en coextrusión de multicapas. Existen diversos tipos de inestabilidades de flujo en la coextrusión de lámina o película plástica de multicapas. Por ejemplo, pulsaciones (surging) en el flujo del extrusor o falta de uniformidad en la temperatura de cada una de las diferentes capas de plástico, que pueden dar lugar a variaciones en el espesor de las diferentes capas. Una diferencia grande entre las viscosidades de las diferentes capas de plástico hará que la resina de menor viscosidad emigre hacia la región de mayor esfuerzo de corte, con tendencia a encapsular o envolver a la resina de mayor viscosidad. Otro tipo de inestabilidades puede ocurrir en las interfases de la corriente de multicapas, lo cual en caso extremo puede causar intermezclado de las diferentes capas. Por ejemplo, bajo condiciones de flujo estable las interfases del fluido dentro del dado son suaves, planas y paralelas (o concéntricas, en caso de perfiles circulares). Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de flujo, se alcanza un punto en el cual la capa de plástico en contacto con el dado empieza a exhibir ondulaciones. En caso de ondulaciones de baja amplitud, éstas pueden pasar inadvertidas y no interferir con la funcionalidad de la película, pero a velocidades de flujo mayores esta distorsión llega a ser más severa.

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La figura 1.4.2.1.a ilustra una película o lámina de dos capas con diferentes grados de inestabilidad de flujo interfacial y la figura 1.4.2.1.b muestra dos vistas de una sección transversal de una lámina coextruida de tres capas (ABS-HIPS-ABS). El cambio de flujo estable a flujo inestable se produjo al bajar la temperatura del dado y del extrusor, es decir, al alimentar la viscosidad de las corrientes de plástico fundido y, en c onsecuencia, incrementarse los esfuerzos de corte involucrados.

(a)

(b)

Figura 1.4.2.1.- (i).- Película o lámina de dos capas con diferentes grados de inestabilidad de flujo interfacial. (ii).- Dos vistas de una sección transversal de una lámina coextruida de tres capas (ABS-IIIPS-ABS)

1.4.3.- Localización de las inestabilidades de flujo interfacial. Para determinar las fuentes de inestabilidad se procedió a coextruir una lámina de tres capas (ABSPS-ABS) a través de un dado de rendija con un solo maniful y un bloque de alimentación. Se analizaron diferentes condiciones de operación y en el momento en que se observó una incipiente inestabilidad de flujo interfacial se detuvieron los extrusores y se tapó el orificio del dado. Se dejó enfriar el dado y se desarmó y el plástico solidificado se seccionó para estudiar las interfases y sus patrones de flujo. Se encontró que las interfases permanecían uniformes y claramente definidas ala salida del bloque de alimentación, y se conservaban así hasta llegar justo antes de la entrada del dado. Sin embargo, dentro de la parte plana del dado empezaba a desarrollarse una distorsión en las interfases en forma de ondulaciones. Se supuso entonces la existencia de un esfuerzo de corte interfacial crítico por encima del cual aparecen las inestabilidades de flujo interfacial en un determinado par de polímeros. Se diseño un experimento para testificar la validez de la suposición anterior, y para ello se seleccionó la coextrusión de una lámina de tres capas (ABS-PS-ABS). El primer experimento fue para seleccionar las variables más importantes. Las variables consideradas en el primer experimento fueron: 1.- Temperatura de la capa externa. 2.- Temperatura de la capa externa. 3.- Temperatura del dado. 4.- Relación de espesores (capa externa/capa interna) 5.- Velocidad de extrusión total 6.- Apertura del dado (h). 15


Se encontró que las variables más importantes son: 1.2.3.4.-

Temperatura (y viscosidad) de la capa externa Relación de espesores (capa externa/capa interna) Velocidad de extrusión total Apertura del dado (h)

Las cuatro variables seleccionadas como importantes se modificaron independientemente para producir desde flujo estable hasta flujo inestable en la lámina de ABS-PS-ABS. En cada caso se cambiaba una sola variable, manteniendo las demás constantes. El punto de inestabilidad interfacial incipiente se determinó visualmente, de manera relativamente subjetiva. El esfuerzo de corte interfacial se calculó a partir de las condiciones de coextrusión (conocidas) en el punto de inestabilidad incipiente y de las constantes del material plástico K y n. Estas constantes se determinaron previamente utilizando un reómetro capilar. Se encontró que la inestabilidad de flujo interfacial aparecía cuando el esfuerzo de corte interfacial era aproximadamente igual a 500000 dinas/cm2 , sin importar cuál de las cuatro variables analizadas permanecía constante o era modificada. Este valor de 500000 dinas/cm 2 se refiere exclusivamente al sistema ABS-PS-ABS estudiado y podrá ser diferente para diversos sistemas. En consecuencia, la inestabilidad de flujo interfacial puede ser reducida o eliminada al disminuir el esfuerzo de corte interfacial, y esto se logra de la siguiente manera, considerando que:

σ =

6η Q wH 2

(1.4.3.1)

(a).- Aumentando el espesor de la capa externa (b).- Aumentando la apertura del dado (c).- Disminuyendo la velocidad de extrusión total (d).- Disminuyendo la viscosidad de la capa externa 1.4.4.- Inestabilidades originadas por diferencias en viscosidad. Cuando dos fluidos no-newtonianos con diferente viscosidad se hacen fluir a través de un canal [por ejemplo, LDPE (menor viscosidad) y PS (mayor viscosidad), a través de un canal rectangular o de un canal circular] sucede lo siguiente: a medida que el flujo avanza, el fluido de menor viscosidad tiende a envolver al fluido de mayor viscosidad, y además este envolvimiento será mayor entre mayor sea la diferencia de viscosidades y la longitud del canal. Por ejemplo, la figura 1.4.4.1 muestra el flujo laminar de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado rectangular. Se observa que el fluido A (menor viscosidad) tiende a envolver al fluido B (mayor viscosidad), y además este envolvimiento se hace más notorio al aumentar la longitud del canal.

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Figura 1.4.4.1.- Flujo laminar de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado rectangular Igualmente, la figura 1.4.4.2 ilustra una sección transversal de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado circular. El plástico A (menor viscosidad) tiende a envolver al plástico B (mayor viscosidad), y este envolvimiento se hace también más notorio al aumentar la longitud del canal.

Figura 1.4.4.2.- Sección transversal de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado circular Tratar de igualar las viscosidades de dos fluidos no-newtonianos no es cosa simple. Esto se debe a que la viscosidad de dichos materiales depende de la temperatura y de la velocidad de corte. Por ejemplo, bajo unas condiciones de operación se pueden tener viscosidades similares, pero al cambiar alguna de estas condiciones (temperatura o velocidad de corte) las viscosidades tenderán a ser diferentes. Esto se observa en las dos siguientes figuras. En la figura 1.4.4.3 se observa que la relación entre las viscosidades del HPDE y del PS es diferente a dos temperaturas diferentes (200 y 240°C). Así, los perfiles de las interfases que se pudieran obtener serán diferentes cuando se tenga flujo adyacente de estas dos corrientes a las dos temperaturas citadas.

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Figura 1.4.4.3- Relación entre las viscosidades del HPDE y del PS. En la figura 1.4.4.4 los polímeros A y B fluyen a través de un dado como dos corrientes adyacentes, a una determinada velocidad de corte, mostrando una sección transversal que semeja dos semicírculos. Sin embargo, a velocidades de corte menores A es menos viscoso y tiende a envolver a B, y a velocidades de corte mayores B es menos viscoso y tiende a envolver a A.

Figura 1.4.4.4.- Polímeros A y B fluyendo a través de un dado como dos corrientes adyacentes, a una determinada velocidad de corte. 1.4.5.- Adhesión interfacial en coextrusión. Cuando una lámina o película coextruida es enfriada y las diferentes capas se solidifican, éstas pueden permanecer unidas fuertemente, o bien pueden separarse (pelarse) fácilmente una de otra. Algunos pares de polímeros exhiben una fuerte adhesión interfacial, mientras que otros sólo muestran una débil adhesión interfacial. 18


Cuando dos corrientes de plástico fundido se unen, se forma una interfase entre los dos fluidos, la cual es transportada bajo presión hasta la salida del dado. Estas condiciones favorecen un íntimo y completo contacto interfacial entre los dos fluidos. Esto va acompañado por una cierta interpenetración molecular, ya que segmentos de plástico de una fase se difunden a través de la interfase hacia la otra fase plástica. Sin embargo, esta interpenetración está limitada termodinámicamente y depende de la miscibilidad o inmiscibilidad entre las dos fases. El alcance de la interpenetración molecular es uno de los factores que determinan la adhesión interfacial, pero los procesos de solidificación también están involucrados. Dos capas adyacentes pueden solidificar a diferentes temperaturas, a diferentes velocidades y por mecanismos diferentes, afectando así la estructura y las propiedades de la interfase. Por ejemplo, si la capa A cristalizó cuando la capa B es todavía un fluido, segmentos de A que habían penetrado hacia B pueden retraerse de nuevo hacia la capa A y disminuir esa adhesión interfacial. En el caso general de coextrusión de multicapas, utilizando dos polímeros escogidos al azar, no se conoce una teoría cuantitativa que pueda predec ir el grado de adhesión interfacial en la película solidificada. En ocasiones sucede que un arreglo deseado de multicapas muestra una adhesión pobre entre dos capas adyacentes, con la consecuente separación de dichas capas. Esta debilidad puede remediarse si se introduce una capa delgada de un tercer polímero que muestre una buena adhesión hacia los dos materiales anteriores [capa adhesiva polimérica]. El mejor candidato para formar una capa adhesiva entre los dos polímeros A y B siempre será un copolímero en bloque del tipo AB que pudiera mostrar compatibilidad con ambas fases y así funcionar como un fuerte adhesivo entre las fases A y B. Sin embargo, en la mayoría de los casos ésta sólo es una solución hipotética, ya que el copolímero indicado puede comúnmente no estar disponible en el mercado. En la práctica, la selección del polímero para formar la capa adhesiva depende de la experiencia. La tabla 1.4.5.1 muestra una guía cualitativa del grado de adhesión que se puede lograr durante la coextrusión de diversos polímeros. Ocasionalmente se utilizan las mezclas de polimeros para formar una capa adhesiva entre dos capas diferentes que muestran pobre adhesión entre sí. Con frecuencia la adhesión entre dos capas puede optimizarse al utilizar como capa adhesiva una mezcla de polímeros compatibles. Por ejemplo, un copolímero en bloque de estirenobutadieno se adhiere muy bien al poliestireno y a sus copolímeros, pero no muestra adherencia al polietileno. Sin embargo, una mezcla del copolímero de estirenobutadieno con un copolímero de etileno-(vinil acetato) puede ser muy efectiva como capa adhesiva entre una capa de poliestireno y otra de polietileno. Una mezcla del copolímero etileno(ácido acrílico) con un copolímero de etileno-(viril acetato) puede funcionar muy bien como capa adhesiva entre un capa de nylon y otra de policloruro de vinilo. Por otro lado, se han utilizado mezclas de dos polímeros incompatibles C y D como una capa adhesiva entre capas de los mismos polímeros incompatibles C y D. Sin embargo, la adhesión que se obtiene es relativamente pobre.

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Tabla 1.4.5.1.- Guía cualitativa del grado de adhesión que se puede lograr durante la coextrusión de diversos polímeros.

PP, polipropileno PS, poliestireno cristal HIPS, poliestireno de alto impacto ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno (terpolimero) uPVC, policloruro de vinilo pPVC, policloruro de vinilo VC-VdC, (cloruro de vinilo)-(cloruro de vinilideno) (copolimero) PC, policarbonato PU, poliuretano PA-6, poliamida,6 (nylon,6) EAA, ettileno-(ácido acrílico) (copolimero) EVA, etileno-(vinil acetato) (copolimero) SBS, estireno-butadieno-estireno (copolimero de bloque) CPE, polietileno dorado

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1.4.6.- Propiedades de láminas y películas de multicapas. 1.4.6.1.- Permeabilidad de láminas y películas de multicapas. La permeación (o flujo) (le gases y vapor de agua a través de una película de plástico depende de la permeabilidad P del plástico y del espesor e de la película, así como de la diferencia de presiones parciales del gas en cuestión en ambos lados de la película P 1 y P 2 , es decir: Flujo = P

P1 − P2 e

Permeabilidad de la película =

(1.4.6.1.1)

P e

(1.4.6.1.2)

La permeación a través de una película compuesta por varias capas se calcula tratándola como un paquete de resistencias en serie, de modo que la permeabilidad de la película compuesta es igual a: e e e 1 = 1 + 2 + ............ + n Permeabilidad P1 P2 Pn

(1.4.6.1.3)

En estado estable, la permeación es uniforme a través de la película, pero la concentración de gas exhibe una discontinuidad en cada interfase. La permeabilidad de un dado polímero depende también del grado de cristalización y, además, de la morfología cristalina. Se ha encontrado también que películas con múltiples capas "barrera" (impermeables) pueden retener sus propiedades barrera incluso después de maltrato severo. Por ejemplo, una película con varias capas de SARAN (tipo especial de policloruro de vinilideno) puede retener sus propiedades barrera aun después de severo maltrato a bajas temperaturas; sin embargo, una película de igual espesor, pero de una sola capa de SARAN, sí muestra una catastrófica pérdida de sus propiedades barrera después de dicho maltrato. La tabla 1.4.6.1.1 muestra la permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de oxígeno. Se observa que 0.025 mm de SARAN proveen una barrera equivalente a 0.100 mm de resina de nitrilo, a 0.250 mm de nylon, a 1.0 mm de PVC rígido y a cerca de 25.0 mm de poliestireno, polietileno o polipropileno. Con frecuencia, capas delgadas de resinas con buenas propiedades barrera son coextruidas con gruesas capas de polietileno, poliestireno o polipropileno para producir películas con buenas propiedades barrera, y además con algunas otras propiedades específicas. La tabla 1.4.6.1.2 reporta la permeabilidad de estos mismos plásticos para la transmisión de vapor de agua; con excepción del SARAN, el orden cambia significativamente. Los materiales higroscópicos, como el nitrilo, el etileno-(vinil acetato) y el poliéster, son barreras pobres para el vapor de agua. Sin embargo el polietileno y el polipropileno son excelentes barreras contra el vapor de agua.

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Tabla 1.4.6.1.1.- Permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de oxígeno.

Tabla 1.4.6.1.2.- Permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de vapor de agua

1.4.6.2.- Propiedades mecánicas de láminas y películas de multicapas. Consideremos una lámina coextruida, compuesta por una capa intermedia de un plástico de alto módulo y baja elongación, emparedada (con buena adhesión) entre dos capas de un plástico de bajo módulo y alta elongación. Cuando esta lámina se somete a una prueba de tensión-elongación, las capas de plástico de alta elongación pueden actuar previniendo la propagación de fracturas transversales en la capa de plástico de baja elongación. Con esto, la capa de baja elongación puede alcanzar el punto de cedencia dúctil, y así la lámina coextruida podrá ser estirada hasta una alta elongación. Este efecto se llama "reforzamiento mutuo de intercapas" (Figura 1.4.6.2.1).

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Figura 1.4.6.2.1.- Efecto del "reforzamiento mutuo de intercapas". En otras ocasiones esta interacción puede ser contraria. Un plástico de alta elongación puede comportarse como un plástico quebradizo en una lámina coextruida de multicapas. En este caso, el material de alta elongación no es capaz de bloquear la propagación de las fracturas en el material cíe baja elongación. Por ejemplo, dos capas externas de poliestireno cristal sobre una capa interna de poliestireno de alto impacto pueden formar una lámina coextruida que muestre un comportamiento quebradizo. Este comportamiento se llama "destrucción mutua de intercapas". Para que estas interacciones (de reforzamiento o destrucción) se lleven a cabo se requiere de cierta adhesión en las interfaces de la película o lámina de multicapas. Sin embargo, entre más delgadas sean las capas mayor será la influencia de una capa sobre la otra. Además, entre más delgadas sean las capas menor será el grado de adhesión requerido para que una capa tenga influencia sobre la otra. Al igual que en las películas de una sola capa, las propiedades mecánicas de una película coextruida de multicapas dependen del grado de orientación molecular. Un cierto grado de orientación puede incrementar las propiedades mecánicas de las capas individuales y, por tanto, incrementar las propiedades de la película de multicapas. 1.4.7.- Coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas . 1.4.7.1.- Métodos de coextrusión . Existen dos procesos para la producción de láminas y películas plásticas de multicapas: (a).- Extrusión de película tubular utilizando un dado anular (b).- Extrusión de lámina y película plana utilizando un dado rectangular (de rendija).

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1.4.7.2.- Dados anulares para la coextrusión de película plástica de multicapas. El proceso de coextrusión de película tubular (por soplado) es ampliamente utilizado y muchas de las coextrusiones de dos y tres capas fueron producidas primeramente por este proceso. El diseño de dados tubulares para coextrusión requiere de la formación de capas concéntricas uniformes en el anillo del dado. Algunos diseños de dados para coextrusión de película tubular se ilustran en las figuras 1.4.7.2.1, 1.4.7.2.2 y 1.4.7.2.3. En la figura 1.4.7.2.1 los polímeros A y B se unen en un adaptador (adelante de un maniful) y la corriente de capas concéntricas del plástico fundido es distribuida por el mandril del dado para producir dos capas anulares de extruido. El espesor de cada capa es determinado por el flujo volumétrico de cada polímero, proveniente de cada extrusor.

Figura 1.4.7.2.1.- Dado para coextrusión de película tubular con un solo maniful. En la figura 1.4.7.2.2 se muestra un diseño de un dado anular con manifules individuales para cada polímero. Estos distribuyen concéntricamente las capas de los polímeros A y B antes de que se unan más adelante en la parte plana del dado. Cada maniful debe estar bien diseñado para obtener uniformidad en las capas.

Figura 1.4.7.2.2.- Dado anular con manifules individuales para cada polímero.

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En la figura 1.4.7.2.3 se muestra un tercer diseño, que incluye un número de manifules de distribución toroidal para el número requerido de capas. A medida que la corriente de plástico fundido fluye hacia la salida del dado, las capas se van extruyendo una sobre otra en forma secuencial.

Figura 1.4.7.2.3.- Diseño de dado que incluye un número de manifules de distribución toroidal para el número requerido de capas Estos diseños de dados tubulares llegan a ser bastante complicados para coextrusiones de más de tres capas. Sin embargo, mucha de la película para empaque con dos o tres capas se produce utilizando cualquiera de estos tipos de dados anulares. 1.4.7.3.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas. Láminas y películas coextruidas pueden también ser producidas utilizando un dado de rendija. La lámina producida en este proceso puede ser estirada (mientras el plástico permanece caliente) hasta obtener el espesor requerido, para obtener finalmente una lámina o película. Existen dos métodos para la coextrusión de lámina o película, con un dado de rendija: (a).- En el primer caso se utiliza un dado con tantos manifules como capas tenga la película. Cada maniful se extiende a todo lo ancho del dado. Además, estos manifules combinan las corrientes de plástico fundido justo antes de los labios del dado. La figura 1.4.7.3.1 muestra un diseño de un (lado de este tipo.

Figura 1.4.7.3.1.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas o con tantos manifules como capas tenga la película. 25


(b).- En el segundo caso, más nuevo y ampliamente utilizado, se utiliza un dado convencional con un solo maniful, en combinación con un bloque de alimentación que introduce una corriente de plástico fundido en capas prearregladas, como se muestra en la figura 1.4.7.3.2. En este método se lleva a cabo una deformación de la corriente de plástico fundido dentro del dado (comprimiendo y desparramando), manteniendo la integridad de cada capa.

Figura 1.4.7.3.2.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas con un solo maniful, en combinación con un bloque de alimentación que introduce una corriente de plástico fundido en capas prearregladas. Cada uno de estos dos sistemas tiene sus ventajas y desventajas. La mayor ventaja del dado multimaniful es su capacidad para extruir polímeros con propiedades reológicas muy diferentes entre sí. La principal desventaja es su complejidad, su costo y las dificultades de operación cuando se utiliza para coextrusión de más de tres capas. Por otro lado, la mayor ventaja del dado con bloque de alimentación es su facilidad para eximir' una gran variedad de productos que tengan desde dos hasta varios cientos de capas; la desventaja es que requiere de polímeros con viscosidades similares entre sí para obtener capas uniformes. La figura 1.4.7.3.3 ilustra un bloque de alimentación. Un puerto de alimentación dosifica las capas de dos o más polímeros hacia el canal del dado. El puerto de alimentación además puede subdividir y arreglar las corrientes de plástico fundido provenientes de cada extrusor en casi cualquier patrón de distribución de capas. (Con frecuencia es posible cambiar el patrón de distribución de capas sustituyendo simplemente el puerto de alimentación). Las corrientes de plástico fundido se combinan a la salida del puerto de alimentación para formar la corriente de multicapas que fluye en forma laminar hacia la salida del dado. Además, al suceder este flujo se disminuye el espesor de cada capa, al tiempo que cada una de ellas se desparrama para cubrir el dado a todo lo ancho. Este método ha sido utilizado comercialmente para fabricar película de hasta cinco y seis capas diferentes, utilizando hasta cinco y seis extrusores conectados al bloque de alimentación. 26


Figura 1.4.7.3.3.- Bloque de alimentación. 1.4.7.4.- Selección de polímeros para coextrusión. Como el proceso de coextrusión se basa en la ocurrencia de un flujo laminar de una corriente de varias capas de plástico fundido, la adecuada selección de los diferentes plásticos es muy importante. Para dicha selección se deben considerar los siguientes factores: (a).- Obviamente, los polímeros deben ser seleccionados con el objetivo de obtener las propiedades finales deseadas, por ejemplo: propiedades mecánicas, permeabilidad, habilidad para sellar con calor y resistencia química y resistencia a factores de intemperie. También se deben considerar operaciones posteriores a la coextrusión: por ejemplo, si la lámina de multicapas va a ser termoformada, ésta debe tener cierta resistencia cuando esté reblandecida para poder ser termoformada. (b).- Casi siempre se requiere de una adhesión perfecta entre las diferentes capas de polímero. Con frecuencia se utiliza una capa de un polímero adhesivo que se adhiere a las otras dos capas de polímero, y se coextruye como una capa intermedia. (c).- Relacionada con la adhesión está la habilidad para reciclar plásticos recuperados de desperdicio industrial procedentes principalmente de los mismos procesos de coextrusión). Esta es una consideración económica muy importante. (d).-Por último, se deben considerar las propiedades de flujo (reológicas) de los diferentes plásticos que se usarán en un proceso de coextrusión. Esto es particularmente importante cuando se utiliza un bloque de alimentación, ya que las capas deben fluir y desparramarse uniformemente, siguiendo un patrón de flujo laminar. Lo primordial en este caso es que las viscosidades de los diferentes plásticos deben ser relativamente similares entre sí. 1.4.7.5.- Reciclado del desperdicio. La reutilización de los desperdicios de la coextrusión es de una importante consideración (económica). El reciclado de desperdicios de combinaciones de polímeros compatibles es casi directo, siempre y cuando la cantidad del reciclado sea controlada y se mantenga en un nivel consistente con las propiedades físicas y mecánicas. Por ejemplo, cuando se tiene una lámina coextruida de poliestireno (PS) y poliestireno de alto impacto (HIPS) o una lámina coextruida de estireno-acrilónitrilo (SAN) y acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), el desperdicio de cualquiera de estas dos láminas puede ser mezclado con material virgen (con HIPS o con ABS, según corresponda) y extruido de nuevo en la capa modificada con hule (HIPS o ABS). La dilución de esta capa puede causar disminución en la resistencia al impacto, pero esto pudiera ser aceptable si aun así se cumple con los requerimientos del producto final. 27


El reciclado de desperdicios de combinaciones de polímeros incompatibles es un problema más difícil, ya que esto puede causar severas pérdidas de las propiedades mecánicas. En algunas ocasiones las capas que actúan como capas adhesivas pueden actuar como agentes compatibilizantes en la mezcla del reciclado y el polímero original. El reciclado de combinaciones de polímeros incompatibles, usualmente en la capa elastomérica, ha sido demostrado para ciertas combinaciones de polímeros, tales como ABS-PS, PS-EVA-PE, PS-SBS-SARAN y PEEVA-SARAN. Sin embargo, esto es difícil y debe manejarse con cuidado. La compatibilidad de desperdicios de combinaciones de polímeros incompatibles puede incrementarse de la siguiente forma: (1).- Modificación química de los polímeros o copolímeros para lograr mayor compatibilidad, es decir, mayor adhesión. (2).- Uso de compatibilizantes, tales como el polietileno dorado, para promover la adhesión. (3).- Mezclado intenso (existe evidencia de que la pérdida en propiedades es menor cuando el desperdicio y la resina virgen son sometidos a un mezclado intenso). 1.4.7.6- . Algunas aplicaciones. Una de las primeras coextrusiones realizadas tuvo la finalidad de obtener una película de tres capas (LDPE-PP-LDPE) para envolver pan. El LDPE tenía la característica de sellar con calor en las líneas de empaque de alta velocidad, mientras el PP proporcionaba la resistencia y la rigidez necesarias. Además, debido a su mayor temperatura de fusión evitaba que se rompiera la película durante el sellado térmico. La adhesión entre LDPE y PP es generalmente pobre. Sin embargo, en películas delgadas para empacar productos de baja densidad (como el pan) ésta era aceptable. Otras aplicaciones para películas coextruidas de LDPE-EVA, CPE-LDPE y LDPE-HDPE fueron bolsas de trabajo pesado, fertilizantes y diversos productos químicos. Estas combinaciones estaban diseñadas para sellar con calor y para cierta resistencia mecánica y resistencia química. Cuando se requería una capa externa con un alto coeficiente de fricción se utilizaba CPE. También se han encontrado aplicaciones para películas de EVA-HDPE y EVA-PP para empaque de botanas, comida y cereales. La figura 1.4.7.6.1 muestra algunas combinaciones de multicapas y algunas de las propiedades funcionales de cada una de estas estructuras.

Figura 1.4.7.6.1.- Algunas combinaciones de multicapas y algunas de las propiedades funcionales de cada una de estas estructuras. 28


1.5.- Rejillas altamente orientadas. Las rejillas de plástico han experimentado un desarrollo sumamente importante - en particular en la ingeniería civil. Su atractivo consiste en que la estructura abierta de la rejilla permite que las partículas del suelo se entrelacen por las aberturas, proporcionando un refuerzo sumamente resistente al suelo. Estas geo-rejillas bajo el nombre comercial "Tensar", se usan en la actualidad para la construcción de pistas de aterrizaje y despegue, apoyos de terraplén, reparaciones de derrumbamiento, etc. Las rejillas de plástico alcanzan su alta resistencia gracias a la orientación de las moléculas del polímero durante el proceso de fabricación, el cual se muestra en la figura 1.5.1. Una placa obtenida por extrusión, con una tolerancia muy fina y una estructura controlada, tiene un modelo de agujeros estampado en ella. La forma del agujero y el modelo puede cambiarse dependiendo de los requisitos que se exijan al producto final. La hoja perforada se puede estirar en una sola dirección para dar secciones delgadas de polímero altamente orientado, con una resistencia a la tracción similar a la del acero maleable. Este tipo de rejilla puede usarse en usos donde se requiera una elevada resistencia uniaxial. En otros casos, donde se requiera una elevada resistencia biaxial, la lámina se somete a un segunda operación de estirado en la dirección transversal. Las ventajas de las rejillas sumamente orientadas consisten en que son ligeras y muy fáciles de manejar. La ventaja de obtener una estructura molecular altamente orientada es evidente cuando se compara la rigidez de una rejilla de polietileno 2 2 de alta densidad, PEAD (~10 GN/m ) con la rigidez de un polietileno no orientado (~1 GN/m ), es decir 10 veces menos.

Figura 1.5.1.- Proceso de fabricación de rejillas de plástico. 2.- Moldeo por soplado. 2.1.- Fundamentos. El moldeo por soplado es la técnica que se usa para producir botellas y otros recipientes, que son fundamentalmente formas huecas simples. Hay dos subdivisiones principales, el moldeo por extrusión-soplado y el moldeo por inyección-soplado. El moldeo por extrusión-soplado fue inicialmente la técnica más importante, pero en la actualidad el moldeo por inyección-soplado ha adquirido gran importancia para la producción de botellas de bebidas carbonatadas, especialmente, utilizando polietilentereftalato (PET). 29


Los sopladores de vidrio usaron durante siglos el fundamento del moldeo por soplado. Se forma un tubo semihundido, éste se atenaza entre las dos mitades de un molde y se inyecta aire para llenar el molde. Se enfrían las superficies del molde de modo que el producto solidifique rápidamente, mientras está aún bajo la presión del aire y se obtenga la forma del molde. Luego se recupera el producto abriendo el molde. 2.2.-Moldeo por extrusión-soplado. En el moldeo por extrusión-soplado, inicialmente un tubo semifundido de plástico, denominado parison, se produce directamente a partir del extrusor por medio de un dado anular, del cual sale caliente y blando. A continuación, un molde se cierra alrededor del parison y se procede a su inflado, mediante la boquilla de soplado, para que tome la forma del molde. Esto se muestra en la figura 2.2.1.

Figura 2.2.1.- Moldeo por soplado. Etapas 30


Aunque este proceso se usa, principalmente, para la producción de objetos huecos tales como botellas y frascos (Figura 2.2.2), no esta restringido a pequeños artículos huecos. Tanques de almacenaje domésticos de agua fría, bidones, contenedores, etc, se fabrican por moldeo por soplado. Los principales materiales usados son el cloruro de polivinilo, el polietileno, el polipropileno y el PET.

Figura 2.2.2.- Artículos fabricados por moldeo por soplado. La extrusión-soplado puede ser continua, en cuyo caso la máquina de extrusión suministra continuamente el polímero fundido a través del dado anular y la forma intermedia (Macarrón o Parison) que se obtiene se corta, con una longitud determinada, y se mueve hacia el molde o el molde se mueve llevando la forma intermedia. En la mayoría de los casos el conjunto del molde se mueve con relación al dado. El parison se aprisiona por medio de las dos partes del molde (semimoldes), cuya superficie interior corresponde a la superficie exterior del objeto deseado. Cuando el molde se ha cerrado alrededor del parison, un cuchillo caliente lo corta y lo separa de la máquina extrusora y el molde se aleja para su inflado mediante la inyección de aire comprimido, y enfriándose seguidamente. El molde se abre, se expulsa el objeto y empieza un nuevo ciclo. En términos generales, los 2/3 del tiempo que dura el ciclo se emplea en el enfriamiento de la pieza conformada contra las paredes del molde. Mientras tanto, el siguiente parison habrá sido producido y el mismo molde puede moverse hacia atrás para recogerlo o, en sistemas multimolde, habría sido recogido por otro molde. En algunas máquinas el molde es fijo y se corta la longitud requerida de parison, la cual se transporta al molde mediante el brazo de un robot. Pero, la extrusión también puede ser intermitente, cuando el molde se queda bajo el punto de extrusión. La primera disposición es la más común ya que permite mayor producción. Los elementos que constituyen un equipo de moldeo por soplado son: la extrusora, el cabezal y el molde. La extrusora es diferente de las utilizadas para la extrusión en continuo. El husillo o tornillo debe tener una capacidad de plastificación grande y relaciones de compresión entre 2.5 y 4, disponiendo de las típicas zonas de: alimentación, compresión y dosificación. (Esta última alcanza la mitad de la longitud total, con el fin de asegurar una buena regularidad del caudal del extruido). 31


El cabezal, unido a la extrusora mediante el plato rompedor y un paquete de filtros, soporta el núcleo o torpedo que está perforado para posibilitar el paso del aire de soplado. La hilera suele ser cónica abierta hacia el exterior, en vez de cilíndrica, como en las extrusoras de tubos. Mediante un mecanismo de desplazamiento axial del núcleo en el curso del proceso de extrusión, se puede obtener un macarrón extruido con espesor variable en función de la altura, de forma que, al expandirse, el espesor del objeto final resulte uniforme. El molde, en dos mitades, debe aprisionar el macarrón por su extremo inferior al cerrar, de forma que no pueda escapar el aire de soplado, soldando la parte del macarrón aprisionado sin que se formen rebabas. Para ello las paredes del fondo tienen forma de cuchillas con la inclinación adecuada, efectuando primero una soldadura correcta y, después, el corte del material sobrante. En general la forma de los objetos debe carecer de aristas vivas para que no se desgarre el material. Para facilitar el enfriamiento y solidificación del material ya conformado, los moldes suelen ir provistos de canales de refrigeración, repartidos de forma que el enfriamiento sea lo más uniforme posible en toda la masa. Cuando se pretende obtener grandes series de piezas de pequeñas dimensiones, suelen utilizarse máquinas de inyección y soplado, que precisan de dos moldes consecutivos: uno de preforma, llenado por inyección, y otro final de soplado y enfriamiento. Para piezas grandes, las máquinas suelen disponer de un acumulador en el que se prepara el tubo extruido y, cuando el molde está listo, se introduce rápidamente, sin necesidad de interrumpir la extrusión. De esta forma se evita un escurrido (fluencia viscosa) del material por su propio peso, que daría lugar a variaciones de espesor. En la figura 2.2.3 se muestra la disposición más común, con una extrusión hacia abajo. Esto hace que la geometría del parison sea compleja. En primer lugar sus dimensiones serán mayores que las del anillo, debido al fenómeno de hinchamiento en el dado. En segundo lugar pueden haber deformidades (por ejemplo, tipo cortina) debido a defectos de flujo. En tercer lugar, y dado que la mayor parte de máquinas expulsan el parison verticalmente hacia abajo, durante el retardo entre la extrusión y el inflado, el peso del parison causa su estirado, lo que limita la longitud de los artículos que pueden ser producidos por moldeo por soplado si se cuelga libremente el parison.

Figura 2.2.3.- Forma común de moldeo por extrusión soplado. Dichos efectos se oponen hasta cierto grado, pero actúan en conjunto para dar formas intermedias con pared gruesa en su parte inferior y delgada en su parte superior. Al comenzar la extrusión de la forma intermedia, el hinchamiento en el dado aumenta el espesor de las paredes. Posteriormente el peso creciente estira la forma intermedia y la adelgaza. En la figura 2.2.4 se muestra el dispositivo que se usa para contrarrestar estos efectos, que consiste en un mandril variable que se llama variador de la forma intermedia y varía el espesor de pared durante la extrusión. 32


Figura 2.2.4.- Variador de la forma. La compleja combinación de hinchamiento y adelgazamiento hace difícil producir artículos con un espesor uniforme de la pared. Esto es, en particular, verdadero cuando el parison cilíndrico es inflado en un molde irregular, ya que el estirado desigual causa un adelgazamiento adicional. En la mayor parte de casos, por lo tanto, para obtener artículos por moldeo por soplado de forma satisfactoria es necesario producir una distribución controlada y no uniforme del espesor en el parison, lo que nos dará, posteriormente, un espesor uniforme en el artículo inflado. Durante el proceso de moldeo, la velocidad de inflado y la presión deben ser seleccionadas con cuidado, de modo que el parison no se rompa. El inflado del parison es, generalmente, rápido pero el tiempo de ciclo total es dictado por el enfriamiento del fundido, cuando este se pone en contacto con el molde. Han sido utilizados varios métodos con el fin de mejorar la velocidad de enfriamiento, por ejemplo la inyección de dióxido de carbono líquido, de aire frío o de aire húmedo a alta presión. Estos métodos, por lo general, proporcionan una reducción significativa del tiempo de ciclo, pero como la velocidad de enfriamiento afecta a las propiedades mecánicas y a la estabilidad dimensional del producto moldeado, es necesario tratar de optimizar el enfriamiento en términos de velocidad de producción y calidad. 2.3.- Análisis de moldeo por soplado. El producto hueco se elabora a partir de la forma intermedia, expandiéndola con aire. Es clara la similitud con el soplado de película. La uniformidad del espesor de la pared del producto soplado depende de los mismos aspectos estabilizantes. Una vez más, el comportamiento elástico es importante. Al ver el número de Débora:

N deb =

Tiempo de relajación del material a las condiciones dominantes Escala de tiempo del proceso

(2.3.1)

33


Si el procedimiento es fundamentalmente elástico y, por tanto, se estabiliza por rigidización por tracción, Ndeb > 1. Esto se puede lograr al usar: 1.- Una temperatura inferior, la cual aumentaría el tiempo de relajación. 2.- Al reducir la duración del proceso, es decir, soplando rápidamente. Por lo común, la primera opción no es factible y por ello se sopla rápidamente. Sin embargo, un soplado muy rápido puede romper el material, si se excede la resistencia que tiene a la tracción el polímero blando de la forma intermedia o puede atrapar burbujas de aire entre la superficie del molde y la pieza moldeada, lo cual provocaría daños en el producto. Como se acostumbra en los procesos de manufactura, es necesario alguna condición favorable para optimizar los resultados, dicha condición por lo común, es la experiencia que se tenga en la planta. Es sencillo calcular el espesor de la pared de una botella soplada si se conocen las dimensiones del dado y la magnitud del hinchamiento que hay en él. En la figura 2.3.1 se muestra una sección transversal de una forma intermedia que emerge de un dado tubular: después se sopla para formar una botella y se debe determinar una expresión para calcular el espesor de pared de la botella. También se puede determinar cuál es la presión máxima con la que se puede soplar sin romper la forma intermedia. En la figura 2.3.1 se tiene: D d = Diámetro del dado (medio) D i = Diámetro de la forma intermedia D m = Diámetro del molde h d = Ancho del anillo del dado h i = Espesor de la forma intermedia h = Espesor de la pared de la pieza moldeada

Figura 2.3.1.- Análisis de moldeo por soplado. Cuando el plástico fundido sale del dado se produce un hinchamiento debido a la recuperación de las deformaciones elásticas del fundido. Se utiliza la relación siguiente: 2 BSH = BST

(2.3.2)

donde: BSH = Hinchamiento del espesor (= h 1 /h d ) BST = Hinchamiento del diámetro (= D1 /D d ) 34


Por tanto: 2

2 h1  D1  = o bien : h1 = hd BST (2.3.3)   hd  Dd  Ahora consideremos la situación donde el parison es inflado y alcanza las dimensiones del molde cilíndrico de diámetro, Dm . Teniendo en cuenta la figura 2.3.1 y asumiendo que el volumen permanece constante y despreciando los efectos de estirado, se tiene:

(

)

π D1h1 = π Dm h

(2.3.4)

Despejando h de la expresión (2.3.4) y teniendo en cuenta (2.3.3) y la definición de BST:

h=

(

)

(

B D D1 D 2 2 h1 = 1 hd BST = ST d hd BST Dm Dm Dm

)

(2.3.5)

luego: 3 h = hd BST

Dd Dm

(2.3.6)

Esta expresión permite calcular el espesor de las piezas moldeadas por soplado conociendo las dimensiones del dado, la relación de hinchamiento y el diámetro de molde. También se puede determinar cuál es la presión máxima con la que se puede soplar sin romper la forma intermedia. Para ello se puede utilizar la fórmula de Barlow, La fórmula de Barlow que relaciona la tensión tangencial, las dimensiones y la presión interna:

σt =

PDm 2h

(2.3.7)

donde:

σt = Tensión tangencial, P = Presión interna, D m = Diámetro de la pieza h = espesor de la pared. 2.4.- Moldeo por soplado con estirado por extrusión. La orientación molecular tiene un efecto muy grande sobre las propiedades de un artículo de moldeado. Durante el moldeo por soplado convencional, el inflado del parison causa la orientación molecular en la dirección radial. Sin embargo, un estirado biaxial del plástico antes de que comience a enfriarse en el molde, proporciona mejoras aún más significativas en la calidad de las botellas obtenidas mediante moldeo por soplado.. Las ventajas incluyen: mejora de las propiedades mecánicas, mayor claridad y características ante la infiltración superiores (Menos permeables). También se pueden disminuir los costes mediante el empleo plásticos de grados inferiores o espesores más delgados de la pared. En el moldeo por soplado la orientación biaxial puede lograrse mediante: (a).- Estirado longitudinal del parison antes de que sea aprisonado por el molde e inflado (b).- Obteniendo una preforma de la botella en un molde y que luego se estira longitudinalmente antes de su inflado en un segundo molde. (Figura 2.4.1).

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Figura 2.4.1.- Moldeo por soplado con estirado. 2.5.- Moldeo por soplado con estirado por inyección. En los últimos tiempos se ha desarrollado el proceso de moldeo por soplado con estirado, utilizando el moldeo por inyección, para alcanzar los mismos objetivos que en el apartado anterior. Hoy en día es usa extensamente para la fabricación de botellas de refrescos. Las etapas del proceso se muestran en la figura 2.5.1. Primeramente, se obtiene una preforma por moldeo por inyección, que posteriormente se infla para producir la forma de botella. En la mayor parte de casos, la segunda etapa de inflado tiene lugar inmediatamente después del moldeo por inyección, pero en otros las preformas se retiran de la máquina de moldeo por inyección y posteriormente se calientan de nuevo para su inflado. Las ventajas del moldeo de soplado por inyección son: (i).- El parison obtenido puede tener un espesor de la pared cuidadosamente controlado, puede asegurar un espesor uniforme de la pared en la botella inflada.

lo que

(ii).- Es posible tener el detalle intrincado en el cuello de botella. (iii).- No hay ningún adorno o destello (comparar con el moldeo por soplado en extrusión).

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Figura 2.5.1.- Secuencia de las etapas en soplado por moldeo por inyección. 2.6.- Características del producto. Uno de los efectos que tienen los grandes coeficientes de expansión térmica en los polímeros es una gran contracción cuando se enfría la pieza moldeada. Dicha contracción se incrementa por los cambios de densidad que se generan cuando cristalizan los polímeros semicristalinos. Las consideraciones económicas del procedimiento demandan ciclos de producción rápidos, la pieza tiene que salir del molde en el menor tiempo posible y a la mayor temperatura, pero todo esto tiende 37


a producir contracciones en el producto. Inversamente, un tiempo muy largo de retención dentro del molde, que permite un enfriamiento más completo y crea mejor superficie y dimensiones del producto, incrementa los costos de producción. No pueden definirse reglas rígidas y seguras con respecto al equilibrio que pueda haber entre estos factores conflictivos. La mejor apariencia de la superficie, por lo común un acabado lustroso, se obtiene a partir de una superficie del molde ligeramente rugosa. Al interior del molde se le da un tratamiento con chorro de arena. Una característica importante de una botella soplada es su rigidez, la cual depende de la rigidez de las paredes, y ésta a su vez, es función del espesor de las paredes. La rigidez de cualquier parte se relaciona con su espesor elevado al cubo. También depende del módulo de flexión del material, el cual, para los polímeros, se relaciona con el grado de cristalinidad. La rigidez y la densidad de las botellas de polietileno no sólo varían entre los diversos grados de polietileno, sino también dentro de un mismo lote, si varían las condiciones de procedimiento. Las botellas que se empaquetan ligeramente calientes en cajas serán más rígidas que las que se desmoldearon calientes y se dejaron enfriar al aire antes de empacarse. Estas a su vez son más rígidas que las que se enfriaron totalmente en el molde, especialmente si se usó agua de enfriamiento refrigerada. La razón, desde luego, es que el enfriamiento más lento permite que se formen más y mayores cristales. Entonces, sacar del molde y empacar el material ligeramente caliente podría ser el método más económico no sólo porque acorta el tiempo del ciclo, sino también porque puede elaborarse una botella ligeramente más delgada para lograr una rigidez determinada. De la misma forma, algunas veces es más económico moldear botellas a partir del polietíleno de alta densidad, aun cuando es un polímero más caro que el polietileno de baja densidad, ya que su mayor cristalinidad permite obtener botellas más delgadas y rígidas; este ahorro contrarresta la desventaja del alto costo por kilogramo. Aunque esto depende de los costos relativos actualizados de los dos polímeros. Estos efectos se ilustran en la figura 2.6.1.

Figura 2.6.1.- Relaciones entre la densidad, el espesor y la rigidez del polietileno. Las botellas forman el mayor grupo de productos elaborados mediante moldeo por soplado, pero también hay otros productos. Estos incluyen grandes piezas moldeadas por soplado, como tambores para productos químicos, incluso productos especiales para ácidos, tanques de expansión de refrigerantes, protectores de luces de semáforos, tanques de gasolina.

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El moldeo por soplado es un método general para producir artículos huecos sin costura. Estos artículos no pueden elaborarse mediante moldeo por inyección, ya que no pueden sacarse del molde a menos que sean de forma cilíndrica, o sea, sin cuellos estrechos. En la figura 2.6.2 se muestran algunas maneras de aumentar la producción.

Figura 2.6.2.- Acomodo de alta producción para el moldeo por soplado: (a) carrusel de moldes (b) estación del moldeo múltiple. (c) equipos que se alternan para ensamblar moldes. 2.7.- ¿Por qué polietilentereftalato (PET) y por qué soplado-estirado?. El problema con los polímeros que se usan para contener bebidas carbonatadas es el de soportar la presión del dióxido de carbono. La Coca Cola, que es una bebida muy carbonatada, contiene cuatro volúmenes de dióxido de carbono por cada volumen de líquido. La presión en el espacio frontal por encima del líquido puede exceder 5 atmósferas a altas temperaturas, por ejemplo, en el interior de un automóvil que esté a pleno sol. El requisito principal es, entonces, el de soportar esta presión sin: 1.- Pérdida de gas (depende de la permeabilidad del polímero al gas.) 2.- Que se rompa o estrelle el envase 3.- Que se deforme. Entre los polímeros que se usan comúnmente para la elaboración de botellas, el polietilentereftalato es impermeable (Tabla 2.7.1). Para elaborar un artículo satisfactorio a partir del polietilentereftalato o de cualquier polímero cristalizable, se debe lograr la estructura cristalina. Esta es la función del método de soplado/estirado para fabricar botellas de polietilentereftalato. Este polímero es un ejemplo de polímero cuya cristalinidad puede controlarse por el método de obtención: algunos otros polímeros cristalinos, por ejemplo, el acetal, el nylon, cristalizan espontáneamente y por eso no pueden manufacturarse de esta manera.

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Tabla 2.7.1.- Permeabilidad relativa de varios polímeros a los gases. Polímero Permeabilidad relativa Polietilentereftalato 1 Cloruro de polivinilo 2 Polietileno de alta densidad (PEAD)(HDPE) 52 Polipropileno (Orientado) 57 Polietileno de alta densidad (PEBD)(LDPE) 114 Si se funde el polietilentereftalato entre 250 y 280 °C y se enfría rápidamente, se obtiene un sólido amorfo, que tiene una temperatura de transición vítrea T g = 80 °C y que empieza a reblandecer por encima de dicha temperatura. Si se enfría lentamente el material fundido, se forman grandes cristales esferulíticos que generan una sustancia dura y opaca con un punto de fusión cristalino, T fc , de 265 °C. Si se recalienta el sólido amorfo por encima de su temperatura de transición vítrea T g (95 - 100 °C) y luego se estira, se forman cristales laminares pequeños que se generan por esfuerzos y se obtiene una sustancia transparente. El material es ahora mucho más tenaz y más fuerte que las formas amorfas o la cristalina esferulítica. Si ahora se calienta el producto cristalino orientado, hasta alrededor de 150 °C, se intensifica el grado de cristalinidad, mejoran las propiedades físicas y se tolera mejor la temperatura. Esta es la etapa de estabilización térmica del proceso, que se utiliza para las fibras y películas. En la tabla 2.7.2, se resumen estas etapas de tratamiento para el polietilentereftalato. Las botellas que no se estabilizan térmicamente, sólo son estables hasta unos 60 °C. Tabla 2.7.2.- Efectos de variar la cristalinidad en el polietilentereftalato.

La película estabilizada térmicamente se usa para alimentos de "cuézase en la bolsa" y es estable hasta 100 °C. Es importante resaltar que los polímeros cristalizables, como el polietilentereftalato y el polipropileno, cuando se usan en el proceso de soplado-estirado, deben enfriarse rápidamente hasta el estado sólido amorfo y, luego, recalentarse, por encima de su temperatura de transición vítrea T g para que los esfuerzos provoquen la cristalización. Los polímeros que no cristalizan se pueden moldear por soplado-estirado. La orientación de las cadenas del polímero mejora algunas de sus propiedades, pero puede tratarse a partir del enfriamiento del material fundido. Si se intenta hacer esto con el polietilentereftalato como por simple enfriamiento a 100 °C, se forman núcleos esferulíticos durante el enfriamiento y en el soplado-estirado no se generarán bien las propiedades de la cristalinidad inducida por esfuerzo. Además, los cristales esferulíticos son grandes, lo que hace que el producto sea menos transparente, indeseable en botellas y películas.

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3.- Termoformado. 3.1.-Introducción. En esta técnica de conformado de los materiales termoplásticos se parte de materiales semielaborados (preforma) en forma de filmes o láminas que se reblandecen por efecto del calor y se adaptan contra un molde mediante presión de aire, vacío o mediante un contramolde. Es el procedimiento más generalmente adoptado para la fabricación de piezas moldeadas de gran superficie, de paredes delgadas y en series que no necesariamente deben ser muy grandes.

En el termoformado, se calienta una preforma que, por lo común, es una lámina de polímero obtenida por extrusión o por calandrado (Figura 3.1.1), hasta que se reblandece y, luego, se deforma mediante una fuerza que se aplica al molde, donde se enfría. Esta es otra técnica de conformado donde el comportamiento que predomina es de tracción o de alargamiento.

Figura 3.1.1.- Obtención de láminas por extrusión o calandrado. El estirado que experimenta el material durante su deformación va a conducir a una disminución y a una heterogeneidad del espesor del producto acabado. La búsqueda de una repartición ideal de los espesores es el origen de las diferentes variantes del ciclo de termoformado. No todos los materiales son aptos para el termoformado. En general se requieren ciertas características térmicas que favorezcan el calentamiento-enfriamiento rápido (bajo calor específico) y buena transmisión del calor (alta conductividad térmica). Así, por ejemplo, el PEAD y BD no se utilizan habitualmente, sí, en cambio, el PS, PVC, ABS y PMMA. 41


Un factor importante en el conformado con vacio es, que el polímero caliente no pase demasiado pronto al estado fluido, ya que entonces la lámina, durante el transporte al molde, puede deformarse demasiado por estiramiento. De ahí, que el polímero debe mostrar un amplio intervalo de temperatura en que su comportamiento sea de tipo gomoso (Módulo prácticamente constante), como se muestra en la figura 3.1.2. Por esta razón, polímeros amorfos como el cloruro de polivinilo, PS, PMMA, PC, ABS, etc. son adecuados para conformación por termoformado, ya que presentan una amplia zona de comportamiento gomoso. En los polímeros semicristalinos la región con comportamiento similar a la goma, en gran parte esta enmascarada por la cristalinidad por encima de la temperatura de transición vítrea-gomosa (Figura 3.1.2). Los polímeros semicritalinos presentan una gran variación de las propiedades mecánicas alrededor de la temperatura de fusión y poseen, por tanto, una zona de conformado mucho más reducida, ello exige un mayor control, asi como una gran homogeneidad de la temperatura de la lamina. Con el PE y el PP, la conformación con vacío es, por lo tanto, una operación crítica, en la cual las condiciones del proceso deben ser controladas con sumo cuidado. Grados sólo altos moleculares muestran el comportamiento suficiente parecido a la goma encima de su punto de fusión para permitir un proceso que forma hoja. El PA, PETP y PBTP no puede ser conformados mediante esta técnica.

Figura 3.1.2.- Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las técnicas de procesado.

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Figura 3.1.2.- Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las técnicas de procesado. 3.2.-Conformado al vacío. La geometría de la pieza a fabricar va a imponer el tipo de molde y, por tanto, el tipo de termoformado. Se distingue el conformado positivo y negativo. En algunos casos, un mismo molde puede presentar una parte positiva y otra negativa. El negativo es más corriente para la fabricación de vasos, etc. Para aplicaciones que necesitan grandes espesores de lámina es más normal el conformado positivo, es el caso de bañeras, cubas y puertas de refrigerador, etc. En este técnica de procesado una lamina de material termoplástico, cuyo espesor esta comprendido entre 0.025 mm y 6.5 mm, se sujeta mediante una brida a la caja del molde. A continuación, un panel calentador se coloca encima de la lámina para precalentarla hasta alcanzar la plasticidad necesaria. Para láminas de mayor espesor es esencial tener calefacción por ambos lados de la lámina.

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Después de que alcanza el ablandamiento suficiente se hace el vacío, reduciendo la presión de aire en el espacio existente entre ella y un molde, con lo que la presión atmosférica adapta la hoja contra las paredes del molde (Se crea una diferencia de presión entre las dos caras de la lámina o de la placa). Allí se enfría lo suficiente para conservar su forma y seguidamente se extrae. La técnica más simple de conformado en vacío se muestra en la figura 3.2.1 en la cual se denomina como conformado negativo y es capaz de trabajar con una profundidad que es (1/3-1/2) de la anchura máxima.

Figura 3.2.1.- Termoformado. Conformación al vacío y calentamiento. En algunos casos el conformado negativo puede no ser el adecuado debido, por ejemplo, a que en la forma de la figura 3.2.1, se podría tener un espesor de la pared en las esquinas bastante menor que cerca de la brida de sujección. Si esto no fuera aceptable entonces la misma forma básica podría ser producida por conformado positivo. En este caso un molde positivo es empujado hacia la lámina precalentada, antes de que el vacío sea aplicado. Esto da una mejor distribución de material y pueden ser conformadas formas más profundas, siendo posibles relaciones (Profundidad/Anchura)=1. Este método de termoformado también se denomina como conformado en caída (Drape forming) (Figura 3.2.2).

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(a)

(b)

Figura 3.2.2.- (a).- Esquema de una máquina de termoformado con molde positivo. (b).- Conformado sobre un molde positivo. Otro método alternativo es tener un molde negativo, como se muestra en la figura 3.2.3, pero después de la etapa de calentamiento y antes de la aplicación del vacío, un punzón baja y dirige la lámina hacia la cavidad. A continuación es cuando se aplica el vacío y el resultado es una distribución de espesores más uniforme de la pared. Esta técnica se denomina conformado asistido mediante punzón. Hay que señalar, que tanto en el conformado positivo como en el asistido mediante punzón, se realiza un pre-estirado de la lámina que mejora las características del material, aparte de una mejor distribución de los espesores de la pared.

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Figura 3.2.3.- Conformado asistido mediante punzón Los calentadores usados en el termoformado son, por lo general, del tipo infrarrojo con potencias 2 específicas entre 10 y 30 kW/m . En los bordes de la lámina, donde se sujeta con la brida, es necesario un aporte de calor suplementario con el fin de compensar las pérdidas de calor adicionales en dicha región. La clave en el conformado a vacío es lograr un calentamiento tal que la temperatura de la lámina sea uniforme. Uno de la atractivos principales del conformado a vacío es, que como se trabaja a la presión atmosférica, los moldes no tienen porque ser muy resistentes. Materiales como el yeso, la madera y resinas termoestables han sido usados satisfactoriamente. Sin embargo, para capacidades de producción elevadas en las que un enfriamiento rápido se hace esencial, es necesario la utilización de moldes metálicos. La experiencia ha mostrado que el metal más satisfactorio es el aluminio, ya que se conforma con facilidad, tiene una conductividad elevada, puede ser pulido y tiene una vida casi ilimitada. Los materiales que pueden ser conformados a vacío satisfactoriamente son: el poliestireno, el ABS, el cloruro de polivinilo, el acrílico, el policarbonato, el polipropileno y el polietileno de baja y alta densidad. Las láminas coextruidas de plásticos diferentes y laminados multicolores también se usan extensamente hoy en día. Uno de los desarrollos más recientes es el termoformado del PET cristalizable, para usos a altas temperaturas como son las bandejas para hornos. La lámina de PET se fabrica en forma amorfa y luego durante el termoformado cristaliza. El prodcuto así obtenido es capaz de permanecer rígido a temperaturas elevadas.

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3.3.-Conformado a presión. El conformado a presión es, generalmente, similar al conformado en vacío pero la presión es aplicada encima de la lámina, en vez de realizar el vacío debajo de ello. La ventaja es que se pueden usar presiones más altas en el conformado de la lámina y que permite controlar mejor la variación de presión con el tiempo. Un sistema típico se muestra en la figura 3.3.1 y en la actualidad esta técnica es una alternativa atractiva al moldeo por inyección para la fabricación de artículos de gran área.

Figura 3.3.1.- Termoformado. Conformación a presión. Molde negativo. 3.4.- Analisis del termoformado. Si una lámina de un material termoplástico es ablandada mediante la aplicación de calor y luego se le aplica una presion por una de sus caras para generar una superficie libre, se encuentra que la pieza formada tiene un espesor uniforme. Por lo tanto, un simple balance de volumen nos proporcionará el espesor de la pieza producida en este proceso de conformado. Sin embargo, en la mayoría de los procesos de termoformado la situación es más compleja, debido a que emplean un molde relativamente frío para producir la forma deseada. El efecto de esto es una pieza que tiene una gran variación de espesor, ya que la lámina se congela en cualquier grosor ha sido estirado a cuando esto toca el molde.

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Consideremos el termoformado de una lámina plástica de espesor, h 0 , en un molde cónico como el mostrado en la figura 3.4.1.(a). En un instante, t, el plástico está en contacto con el molde una distancia, S, y el resto de la lámina forma un casquete esférico de radio, R , y espesor, h. De la geometría del molde se deduce que el radio, R, viene dado por:

R= Por su parte, el área del casquete esférico, A, es:

H − Ssen(α ) sen(α )tag (α )

A = 2π R 2 (1 − cosα )

(3.4.1)

(3.4.2)

En un instante posterior, ( t + dt), la lámina tomará la forma mostrada en la figura 3.4.1.b. El cambio del espesor de la lamina durante ese período de tiempo infinitesimal puede estimarse asumiendo que el volumen permanece constante.

2π R 2 (1 − cosα ) h = 2π (R + dR )2 (1 − cosα )( h + dh ) + 2π rhdSsenα

(3.4.3)

Sustituyendo r = Rsenα y R por el valor dado en (3.4.1), la expresión (3.4.3) se transforma en: dh  senα .tagα  senα .dS = 2− 1 − cos α  ( H − S.senα ) h 

(3.4.4)

Esta ecuación puede ser integrada con la condición límite, h = h1 cuando S = 0, obteniéndose el espesor, h, a una distancia, S, a lo largo de la generatriz del molde cónico:

 H − S.senα  h = h1   H  

sec α −1

(3.4.5)

Figura 3.4.1.- Análisis del termoformado.

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Ahora consideremos otra vez la condición límite anterior, que es cuando la lámina ablandada entra en contacto con el molde y forma un casquete esférico que no toca los lados del cono. El balance de volumen nos da: 2 D 2   (1 − cos α ) h1  D2  2 (3.4.6)   h0 = sen 2α  4  por tanto,

sen 2α h1 = h0 2 (1 − cos α )

(3.4.7)

Sustituyendo este valor de h1 en la ecuación (4.4.5) se obtiene:

sen 2α  H − S.senα  h=  2 (1 − cos α )  H

sec α −1

h0

(3.4.8)

o bien:

h 1 + cosα  H − L  =  H  h0 2

sec α −1

(3.4.9)

Esta ecuación puede ser usada para calcular la distribución del espesor de la pared de piezas en formas de cono truncadas profundas, pero hay que señalar que su derivación sólo es válida hasta el punto en que el casquete esférico toca el centro de la base. A partir de entonces el análisis implica un balance de volumen con enfriamiento (congelación) sobre la base y los lados del cono. 3.5.- Esfuerzos y orientación en el material. La deformación de la lámina se debe hacer cuando esté blanda, pero no fundida. En este aspecto, el procedimiento se asemeja a la extrusión-soplado. Se debe tener la resistencia mecánica suficiente con el fin de mantener la coherencia de la lámina. Si se sobrepasa el esfuerzo de rotura, se forma un hoyo y se detiene el procedimiento. Se produce una orientación biaxial considerable lo que confiere buenas propiedades al producto. También es una fuente de inestabilidad inherente, en el sentido de que las formas que se hacen al vacío son "irreversibles". El patrón ideal de deformación sería como el que se indica en la figura 3.5.1. En ésta se muestra una pieza moldeada de espesor uniforme. Para conseguirlo se requeriría un material que se extendiera fácilmente hasta alcanzar la deformación que se necesitara y seguir con una rigidización rápida para estabilizar el flujo. Sin embargo, los materiales poliméricos en realidad no se comportan de esa manera. El procedimiento es un flujo de superficie libre por alargamiento, similar al moldeo por soplado y al soplado de películas. El espesor se controla mejor cuando se tiene control sobre las condiciones de rigidización por tracción. Estas se generan cuando hay comportamiento elástico que se presenta si el material se deforma rápidamente y entonces se logran los mejores resultados, al igual que con el moldeo por soplado, al aplicar rápidamente la fuerza de deformación. En la conformación al vacío, esto significa aplicar rápidamente el vacío. Por eso, una planta de conformación al vacío está equipada con un gran depósito de vacío que tiene una capacidad de por lo menos cuatro veces el volumen de aire que se elimina de la cavidad del molde.

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Figura 3.5.1.-Patrón ideal de deformación. La importancia de la rigidización por tracción radica en que conforme disminuye el espesor en cualquier punto, se incremente el esfuerzo en esa región; esto provoca rigidización, que a su vez disminuye el flujo, de modo que el flujo principal se mueve hacia una zona de menor esfuerzo. Esto genera un espesor más uniforme. El material tiende a alimentarse desde los lados, en donde la expansión, y en consecuencia la tracción, es menor (un estiramiento de aproximadamente 2:1), hacia las esquinas, en donde son mayores la expansión y la tracción (un estiramiento de aproximadamente 5:1). La inestabilidad que se crea en este momento se debe a la formación elástica rápida. Si se piensa de nuevo en el concepto del número de Débora, el tiempo de duración del proceso es mucho menor que el de relajación. El esfuerzo elástico queda entonces "congelado" y puede liberarse bajo las condiciones apropiadas. Estas condiciones pueden encontrarse cuando la pieza moldeada se calienta por encima de su temperatura d e transición vítrea, T g, lo cual permite el suficiente movimiento molecular para liberar el esfuerzo congelado, o quizá cuando se somete al ataque de disolventes. Entonces intenta recuperar su forma original. La forma más estable es por lo común, la que se produce a la temperatura más alta de extrusión y la de la lámina. Un ejemplo de esta clase de comportamiento está en los vasos de poliestireno que se forman al vacío y se usan en las máquinas despachadoras de bebidas calientes. Estos vasos son muy buenos cuando se usan para ese fin; sin embargo, si se usa uno de ellos para tomar una bebida (fuera de la máquina) cuando se usa agua hirviente de una jarra, se llega muy rápidamente a la temperatura de transición vítrea, Tg , del poliestireno y se deforma el vaso. La mayor deformación se hace en los bordes, en donde es mínima la orientación estabilizante. 3.6.- Usos. El moldeo por vacío es en la actualidad una técnica bien determinada y pueden identificarse tres clases principales de producto. Contenedores de pared delgada (Figura 3.6.1). Son artículos como vasos, envases, etc. La línea de conformado se halla en la línea con el extrusor de laminación. Se controla exactamente el espesor de la lámina y las condiciones de extrusión generalmente para reducir el desperdicio.

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Figura 3.6.1.- Contenedores de pared delgada Moldeados técnicos de gran tamaño. En este caso, el uso de los productos es más especializado y además la escala del conformado es mucho mayor. Los materiales son, con frecuencia, más complejos. Estos incluyen, además de termoplásticos simples, materiales compuestos, láminas obtenidas por coextrusión y materiales laminados. Desde luego, todos deben ser termoplásticos para que funcione el procedimiento. Entre los productos se incluyen: lanchas, revestimientos de congelador, puertas de cocheras y tinas de baño domésticas. Estos productos son ejemplos de piezas moldeadas de estampado profundo de gran área. Las hojas que se requieren son por lo común, de hasta 3 m de ancho y el diseño y control del dado del extrusor es un factor clave para controlar la calidad.

Figura 3.6.2.- Moldeados técnicos de gran tamaño Empaques con película y tipo burbuja. El envase de este tipo se usa en modernas presentaciones para ventas de una gran variedad de artículos domésticos, que van desde los de ferretería como clavos, tornillos y herramientas hasta artículos de tocador como rasuradoras desechables. Los empaques con película son aquéllos donde una capa fina de material flexible se estira apretadamente sobre los artículos colocados en una base rígida. Los empaques tipo burbuja son hojas preformadas que siguen la forma del artículo que se ha de empacar; se sellan en la base después de introducir el artículo. Una modificación de la burbuja es el empaque "global" en el cual se usa una ampolla bastante rígida y de forma regular, con frecuencia, hemisférica.

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En la figura 3.6.3 pueden verse diferentes productos fabricados mediante la técnica de termoformado.

Figura 3.6.3.- Diferentes productos fabricados mediante la técnica de termoformado. 3.7.- Materiales. Los termoplásticos que se usan ampliamente en la termoformación son el acrilonitrilo - butadieno estireno, el acrílico (polimetilmetacrilato), las poliolefinas, el poliestireno de alto impacto y el cloruro de polivinilo. 52


Aquí se encuentran los polímeros amorfos en un terreno propicio. El acrilonittilo - butadieno estireno y el polimetilmetacrilato se comportan bien. Los avances en años recientes incluyen la utilización de láminas obtenidas por coextrusión o laminación para usos especiales. Un ejemplo es el material que se usa para los refrigeradores. Originalmente, en los cuerpos de refrigerador formados al vacío se uso el poliestireno de superalto impacto. Hubo problemas con este material debido al agrietamiento por esfuerzos y condiciones ambientales adversas en presencia de leche, grasas y aceites. También hubo algo de ataque sobre el poliestireno de alto impacto por el aislante de espuma de poliuretano. El acrilonitrilo - butadieno - estireno es mejor en estos aspectos, pero mucho más caro. La solución fue usar acrilonitrilo - butadieno - estireno lustroso, resistente a los aceites, de alto contenido de acrilonitrilo, pero caro, para la superficie sometida a coextrusión con acrilonitrilo butadieno estireno, o bien, poliestireno de alto impacto más barato y de bajo contenido de acrilonitrilo, que también se conforma más fácilmente al vacío. En la tabla 3.7.1 se muestran algunos ejemplos. Tabla 3.7.1 Algunos ejemplos de materiales en el conformado al vacío.

En la tabla 3.7.2 se dan las características de termoformabilidad de algunos polímeros corrientes. Tabla 3.7.2.- Características de termoformabilidad de algunos polímeros corrientes.

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4.- Calandrado. 4.1.-Introducción. El estado gomoso se localiza entre los estados vítreo y fundido. Todos los polímeros amorfos lo presentan en algún grado. Como se observa en la figura 4.1.1, lo anterior se traduce por la presencia de una meseta de la curva del módulo de elasticidad en función de la temperatura.

Figura 4.1.1.-Estados vítreo, gomoso y fundido de un polímero amorfo y uno cristalino. 54


Cuando se habla del estado gomoso, es decir, similar al caucho, en el tratamiento, es importante darse cuenta que sea un material "elástico". Este material sería, desde luego, imposible de transformar, ya que se recuperaría elásticamente de cualquier procedimiento que lo deformara. Este comportamiento "elástico" se debe a la reticulación de las cadenas de los polímeros. En el caucho vulcanizado los enlaces de reticulación o transversales son uniones químicas, las cuales, se consideran permanentes para propósitos prácticos. En los cauchos termoplásticos, los enlaces transversales son físicos y débiles. La mayoría de los cauchos comunes (es decir, los que no se clasifican como termoplásticos) tienen también este comportamiento aún antes de vulcanizarse y antes de que se inicie su tratamiento, pero es transitorio y lábil. Los enlaces transversales débiles pueden listarse como sigue: 1.- Estructuras gelificadas del caucho natural, antes del tratamiento. Estas se deben a los muy altos pesosmoleculares (1000000) que generan un alto grado de enmarañamiento; 2.- Estructuras cristalinas del policloropreno (Neopreno) 3.- Enlaces de hidrógeno en los elastómeros del poliuretano 4.- Regiones microcristalinas del cloruro de polivinilo plastificado 5.- Segmentos separados de fase rígida de los cauchos termoplásticos, por ejemplo, el estireno en los copolímeros estireno-butadieno-estireno. En las primeras etapas del tratamiento de un caucho tienen que romperse estos enlaces cruzados temporales mediante la acción mecánica y con calor, esta etapa del tratamiento se conoce como "calentamiento" o "rompimiento". El resultado es un material de módulo muy parecido al del material original, pero con una recuperación elástica mínima, o sea, como una pasta. Los polímeros que poseen una larga meseta en esta región gomosa se usan para los procesos característicos del caucho. Entre ellos se incluyen el cloruro de polivinilo plastificado así como el caucho natural y los elastómeros que se diseñan a la medida y que se producen sintéticamente. 4.2.-Procedimiento de calandrado. El procedimiento de calandrado se basa en el flujo de un material termoplástico con con comportamiento viscoelástico, a temperatura elevada, entre al menos dos cilindros. La experiencia muestra que solamente el calandrado con 4 cilindros permite controlar correctamente la calidad de las películas o láminas. En un calandra de 4 cilindros (Figura 4.2.1), la masa plástica fundida, proveniente del mezclador-gelificador, pasa de un cilindroa otro por tres entrehierros que son cada vez más estrechos, lo que entraña un reflujo antes de cada entrehierro y al mismo tiempo un alargamiento de la lámina. El calandrado es un procedimiento que se aplica únicamente a los polímeros gomosos, incluyendo al cloruro de polivinilo plastificado, así como a los cauchos sintéticos y naturales. En el calandrado se requiere fundamentalmente que el polímero esté en el estado gomoso y mediante este procedimiento se obtiene una película o una lámina de plásticos, del calibre preciso, por la compresión que se le somete cuando se hace le pasar a través de la abertura de rodillos rotatorios que giran en sentido contrario y cuya velocidad de giro se puede ajustar de forma independiente. Por lo común, se requiere más de una pasada para darle a la lámina la precisión que se necesita. Entonces, se usan máquinas de rodillos múltiples. En la figura 4.2.1 se muestran algunas disposiciones en que se colocan estos rodillos. En la figura 4.2.1 se muestra la trayectoria que sigue el polímero gomoso dentro de la máquina. La primera lámina se forma cuando el material pasa por la primera línea de contacto entre los rodillos, directamente desde la alimentación, la cual puede hacerse con un molino de dos rodillos o un extrusor. 55


En la segunda línea de contacto entre rodillos se hace pasar, a menudo, la lámina sin comprimirla. En el tercer contacto se vuelve a hacer la lámina, donde gira un banco "lápiz". En buenas condiciones, el grosor de esta lámina se controla dentro de ± 0 .02 mm. Se prefiere el diseño en L invertida para láminas gruesas porque están más tiempo en la máquina, lo que permite calentarla completamente. Por otro lado, el diseño de Z inclinada ofrece un corto recorrido térmico para láminas delgadas o sensibles al calor.

Figura 4.2.1.- Disposiciones comunes de rodillos para calandras de cuatro rodillos. Es evidente que las calandras para plásticos y cauchos, en cuanto a sus principios, son similares a los molinos de dos rodillos. Sus rodillos están separados una distancia fija (aunque se puede ajustar), o sea, no "flotan". Contrariamente a la creencia general, estas máquinas no son una modificación de las máquinas llamadas "calandras" de la industria textil. El nombre correcto de las máquinas textiles es "prensas rotatorias": son máquinas de presión constante cuyos rodillos flotan. Las calandrias para plásticos y cauchos son máquinas de calibración constante en las cuales se modifica la fuerza que mantiene la calibración según el material que se manufactura. Las fuerzas que se generan de esta manera entre los rodillos pueden ser considerables. El valor de las fuerzas de separación que se generan en una lámina de 100 µm de calibre, es de 30 a 40 toneladas, y para una de 50 µm, es de 70 toneladas. Esto es suficiente para doblar los rodillos y causar que el espacio entre ellos se curve en forma convexa, lo cual da una lámina de calibre no uniforme, de borde a borde. Esa lámina no sirve para cumplir la mayoría de los objetivos, debido a que se distorsiona cuando se enrolla. Cuando se desenrolla de nuevo, tiene el centro abolsado. Para mantener un espacio de separación paralelo en el procedimiento se compensa la flexión de los rodillos (Figura 4.2.2) de varias maneras: 56


(a).- Al conformar en el rodillo una curva opuesta para compensar (b).- Cargar antes los extremos de los rodillos para obtener una flexión compensatoria (c).- Cruzar ligeramente los ejes de los rodillos para obtener orillas más gruesas.

Figura 4.2.2.- Métodos para contrarrestar el doblez de rodillos: (a) conformar el rodillo (b) precarga; (c) ejes cruzados. De estos métodos, conformar de alguna manera el contorno es el más simple y el único método si la máquina no tiene las condiciones necesarias para doblar los rodillos o cruzar los ejes, pero es el menos versátil. Un contorno o forma determinada sólo será útil para pocos materiales y espesores. Además, volver a esmerilar es un procedimiento laborioso y, a menudo, caro. Es importante no compensar de más la deformación porque se obtendrá una lámina cóncava. Esto también causará distorsión al enrollar y la lámina tendrá orillas onduladas al desenrollar. Los dispositivos que permiten doblar rodillos o cruzar ejes incrementan el costo del capital de una máquina ya de por sí costosa: sin embargo, la mayoría de las máquinas modernas tienen ya sea uno o dos de estos aditamentos. Las calandras se usan para producir láminas. Para artículos de caucho, éstas se ensamblan de diversas maneras para muchos productos, por ejemplo, neumáticos, bandas. Las láminas de cloruro de polivinilo encuentran más a menudo usos directos, por ejemplo, en cortinas de baño, impermeables y otras vestimentas y lienzos; en calibres más gruesos, como cubiertas de pisos. Las calandras para caucho funcionan a una temperatura de rodillos de alrededor de 110 °C, la cual mantiene un buen estado gomoso durante el tratamiento sin riesgo de vulcanización prematura. Las calandras para cloruro de polivinilo funcionan a temperaturas que se aproximan a los 200 °C, que es cuando el cloruro de polivinilo plastificado se comporta como un caucho: es realmente el primer caucho termoplástico. En la figura 4.2.3 se muestra una distribución común de una planta de calandrado de cloruro de polivinilo. Existen líneas de calandrado para el PVC plastificado y para el PVC rígido (no plastificado) (Figura 4.2.4.a y b)La materia prima entra en el punto de arranque y unos pocos minutos después, la lámina terminada se enrolla en el extremo de la línea. La lámina calandrada tiene, por lo común, alta orientación y comportamiento anisotrópico en sus propiedades físicas. Desde luego, el proceso es altamente lineal. El polímero se alinea a lo largo de la lámina, en la dirección de la máquina. Hay componentes de tracción importantes conforme la lámina deja la zona de compresión y también hay fuerzas predominantemente cortantes dentro de la misma zona. La superficie de lámina mejor calandrada tiene un acabado mate, aun con rodillos pulidos. Se considera que este acabado mate, es similar al efecto de "piel de tiburón" en la extrusión y se debe a roturas por tracción a muy pequeña escala que se producen cuando la lámina sale de entre los rodillos. 57


Puesto que el calandrado es un método para producir láminas y película debe considerarse como competencia directa de los métodos basados en la extrusión. En general, el soplado de película y la extrusión son métodos preferidos para materiales tales como el polietileno, polipropileno y poliestireno. Sin embargo, el calandrado tiene la ventaja principal de causar muy poca degradación termica y entonces se usa extensamente para materiales sensibles el calor, como es el caso del cloruro de polivinilo.

Figura 4.2.3.- Planta de calandrado del cloruro de polivinilo.

58


Figura 4.2.4.- (a).- Línea de calandrado para el PVC plastificado. (b).- Línea de calandrado para el PVC rígido (no plastificado). Los procedimientos existentes son discontinuos, de ahí la presencia de dos mezcladores en paralelo en una instalación de calandrado. Los intentos de utilización de mezcladores continuos no han sido satisfactorios debido a que los reglajes son delicados y los caudales débiles. Los mezcladores discontinuos son de dos tipos: velocidad lenta (300-800 rpm) y de velocidad elevada (1500-3000 rpm). En la figura 4.2.5 puede verse el esquema de un mezclador de velocidad rápida. La gelificación del PVC es la acción que consiste en llevar al polímero a una homogeneidad a escala de algunas micras y a disminuir la viscosidad a un valor lo suficientemente bajo como para permitir su puesta en obra. En la figura 4.2.6 se muestran dos tipos de gelificadores en continuo: el mezclador continuo de Farrel y el extrusor planetario de Berstorff.

59


Figura 4.2.5.- Esquema de un mezclador de velocidad rรกpida.

Figura 4.2.6.- Gelificadores continuos: (a).- Mezclador continuo de Farrel (b).- Extrusor planetario de Berstorff. 60


Existen diferentes geometrías de la calandra en función de los productos con los que se va a trabajar. En la tabla 4.2.1 se resumen las configuraciones más utilizadas. Tabla 4.2.1.- Diferentes configuraciones de las calandras en función del producto a trabajar.

4.3.- Análisis del calandrado. Un análisis detallado del calandrado, que incluye el estudio del flujo del polimero fundido entre los dos cilindros rotatorios es muy complejo, sin embargo para la mayoría de los casos prácticos se puede lograr una exactitud suficiente usando un modelo newtoniano simple. Las suposiciones que se realizan son: (i).- El flujo es estacionario y laminar. (ii).- El flujo es isotérmico. (iii).- El fluido es incompresible. (iv).- No hay deslizamiento entre el polimero fundido y los rodillos. Si la separación entre los rodillos es pequeña en comparación con su radio, entonces en cualquier sección definida por la distancia x el problema puede analizarse como el flujo entre dos planos paralelos separados una distancia h. El perfil de velocidades en cualquier sección es la suma de dos componentes: la componente del flujo de arrastre y la del flujo de presión.

61


Figura 4.3.1.- Flujo de fundido entre los rodillos del calandrado. Perfil de presión. Para un fluido entre dos planos paralelos, cada uno de los cuales se mueve a una velocidad Vd , la componente de velocidad del flujo de arrastre es igual a Vd . En el caso del calandrado con rodillos de radio R y girando a una velocidad de rotación N (rps), la velocidad de arrastre vendrá dada por:

Vd = 2π RN

(4.3.1.1)

Por su parte, la componente de la velocidad debida al flujo de presión entre los dos planos paralelos es: 2 1 dP  2  h   VP = y −   2η dx   2  

(4.3.1.2)

Por tanto la velocidad total será: V T = Vd +

2 1 dP  2  h   y −     2η dx   2  

(4.3.1.3)

62


Considerando una unidad de anchura de los cilindros el caudal de salida, viene dado por: 2 h h   h 2 dP  1 dP  2  h    Q = 2 ∫ 2 VT dy = 2 ∫ 2 Vd + y − dx = h V −   d     0 0 2η dx  12η dx   2     

(4.3.1.4)

Y puesto que, por otra parte, la salida es: Vd H, resulta:

 h 2 dP  Vd H = h  Vd −  12η dx   de donde:

(4.3.1.5)

dP 12η (h − H )Vd = dx h3

(4.3.1.6)

Si h = H de la expresión anterior se deduce que:

dP =0 dx

Para determinar el modo en que varia la presión en función de la variable x, es necesario expresar h como función de x: (4.3.1.7) h(x) = H0 + 2  R − R 2 − x 2    Desarrollando en serie la función f(x) = ( R 2 − x 2 )

(R

2

−x

2

)

1

2

= (R

2

)

1

2

( 1 ) −1 1 - ( R2 ) 2 x2 + 2

1

2

1

2

usando la serie binomial se tiene:

( 12 − 1) ( R )

1 2 ( 2 ) −2

2!

(x )

2 2

-

(4.3.1.8)

y quedándonos solamente con los dos primeros términos del desarrollo:

(R

2

− x2 )

1

2

= R -

1 1 2 x 2 R

(4.3.1.9)

que sustituida en (4.3.1.7) nos da:

 x2  1 2  h(x) = H0 + 2  R − R + x = H0 1 +  2 R    H0R 

(4.3.1.10)

Sustituyendo este valor de h(x) en la expresión (4.3.1.6 ):

 x2  12ηVd  H 0 − H +  R 12ηVd R 3 ( H 0 − H ) + 12ηVd R 2 x 2 dP  = = 3 dx ( RH 0 + x 2 )3  x2   H0 +  R  Integrando se obtiene: dx x 2 dx 2 + 12 η R Vd ∫ 2 siendo: a = P(x) = 12 η R Vd (H0 – H) ∫ 2 ( a + x 2 )3 ( a + x 2 )3 3

RH 0

(4.3.1.11)

(4.3.1.12) 63


y como:

∫ (a

2

dx x 2n − 3 = + 2 n 2 2 2 n −1 +x ) 2(n − 1)a (a + x ) (2n − 2)a 2

∫ (a

2

dx + x 2 )n −1

y

x m dx ∫ (a 2 + x 2 )n =

x m − 2 dx x m − 2 dx 2 a ∫ (a 2 + x 2 )n−1 ∫ (a 2 + x 2 )n

resulta:

∫ (a

2

dx x 3x 3 x = + + arctg   2 3 2 2 2 2 4 2 2 5 +x ) 4a ( a + x ) 8a ( a + x ) 8a a

x 2 dx x x 3x 1 3 x x ∫ (a 2 + x 2 )3 = 2a 2 (a 2 + x 2 ) + 2a3 arctg  a  - 4(a 2 + x 2 )2 - 8a 2 (a 2 + x 2 ) - 8a3 arctg  a  P(x)= −

 x  3ηVd HR 2 3ηVd R (4 H 0 − 3H ) 3η RVd (4 H 0 − 3H ) x x + + arctg   +C  RH  H0 ( RH 0 + x 2 ) 2 2 H 02 RH 0 + x 2 2 H 02 RH 0 0  

Y como la presión es nula para x =

C=

3ηVd H0

( H − H 0 ) R queda:

( H − H 0 ) R 3ηVd (4 H 0 − 3H ) H 2 H 02

 H − H0  ( H − H 0 ) R 3η RVd (4 H 0 − 3H ) arctg   2 H H 0  2 H 0 RH 0  (4.3.1.13)

El perfil de presión tiene la forma que se muestra en la figura 4.3.1. El valor máximo de la presión se obtiene igualando a cero la derivada de la presión, que nos da: H0 − H +

x2 =0 R

,

 x2  H = H 0 1 +   H0R 

Y sustituyendo el valor de x = − ( H − H 0 ) R

P max =

3ηVd H0

 4 H 0 − 3H  2ω − H0 

de donde:

x = ± (H − H0 )R

en la expresión que nos da la presión, nos queda:

 H − H0 R arctg  ω + H0 H0 

    

(4.3.1.14)

siendo:

ω=

(H − H0 )R H

(4.3.1.15)

64


5.- Moldeo rotacional. 5.1.- Introducción. Principios del moldeo rotacional. El moldeado rotacional, como el moldeo por soplado, se usa para producir artículos huecos. Sin embargo, los principios en cada técnica son bastante diferentes (Figura 5.1.1).

Figura 5.1.1.- Etapas del moldeo rotacional. En el moldeo rotacional una carga de polvo plástico, pesada cuidadosamente, se coloca en la mitad de un molde metálico.

La cantidad de polvo, M, puede determinarse con la ayuda de la fórmula siguiente: M = ρ Se

(5.1.1)

donde: S = Superficie de la pared interna del molde. e = Espesor de la pieza a fabricar ρ = Densidad del polímero A continuación, las dos mitades del molde se sujetan con abrazaderas y se calientan en un horno. Durante la etapa de calentamiento el molde se gira alrededor de dos ejes, aproximadamente, perpendiculares entre si y a una velocidad de 2-40 rpm. El molde en rotación y de tamaño, forma, espesor y material variables, esta situado en el interior de un horno cuya temperatura esta programada. El calor se transfiere por conducción desde la pared del molde hacia la mezcla (polvo de plástico/material fundido/aire) que esta en contacto con la superficie de la pared.

65


Durante la rotación del molde el material se desplaza y cae debido a la gravedad y su movimiento esta influenciado por diversos factores entre los cuales se pueden citar: el rozamiento del material con la pared del molde y las dimensiones de las partículas de polvo. Después de un tiempo el material plástico estará suficientemente ablandado y las partículas de polvo son lo suficientemente viscosas y se adhieren sobre la superficie del molde formando una capa homogénea sobre su superficie. Cuando el polvo esta completamente fundido y el material repartido de forma homogénea el molde se enfría mientras todavía sigue girando. El enfriamiento puede realizarse con aire forzado, chorro de agua o una combinación de los dos. La pieza sufre una retracción y se forma una capa de aire aislante entre la superficie del molde y la pieza. Esta capa de aire no favorece el enfriamiento pero si la posterior extracción de la pieza del molde. El enfriamiento se lleva hasta que el polímero solidifica y ya puede mantener su forma La etapa final es extraer el artículo del molde. La figura 5.1.2 muestra el mecanismo de fusión de una partícula y su adhesión sobre la superficie interna del molde.

Figura 5.1.2.- Mecanismo de formación de la primera capa de polímero sobre la superficie interna del molde El proceso fue desarrollado en los años 1940 para su empleo con los plastisoles de vinilo en forma líquida. Pero no fue hasta principios de los años 1960 que este proceso se uso satisfactoriamente con los polvos de polietileno. Hoy día una gama de materiales como el nilón, el policarbonato, el ABS, el poliestireno de alto impacto y el polipropileno puede ser procesados mediante esta técnica, pero el material más común es el polietileno. El proceso es atractivo por ciertas razones. En primer lugar, como se trabaja a una presión baja los moldes son, generalmente, simples y relativamente baratos. También los artículos tienen un espesor muy uniforme, pueden contener refuerzos, están prácticamente libres de tensión y su superficie puede tener textura si se desea. El empleo de este método de conformado crece regularmente, porque aunque el ciclo del proceso es más lento comparado con el del moldeo por inyección o el del moldeo por soplado golpe, puede producir artículos muy grandes, de gran espesor, que no podían ser producidos económicamente por ninguna otra técnica. Espesores de pared de 10 mm no son un problema para el moldeo rotacional.

66


Existe una gran variedad de modos por los cuales las etapas descritas pueden realizarse. Por ejemplo, en algunos casos (en particular para artículos muy grandes) el proceso entero ocurre en un horno. Sin embargo, el modo más común es el que se muestra en la figura 5.1.3.a. El molde se encuentra en el extremo de un brazo que primero lleva el molde frío, que contiene el polvo del plástico, al interior de un horno donde se calienta. Durante el calentamiento del molde se hace girar alrededor del eje del brazo y también sobre su propio eje (Figura 5.1.3.b). Después de un tiempo predeterminado en el horno, el brazo traslada el molde hacia la cámara de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento es muy importante. Un enfriamiento rápido es deseable para motivos económicos. Pero esto puede causar problemas de alabeo. Normalmente, por lo tanto, el molde al principio se enfría soplando aire y después rociando agua. La velocidad de enfriamiento tiene un efecto tan importante sobre la calidad del producto, que hasta la dirección de los chorros de aire sobre el molde, durante la etapa de enfriamiento gradual inicial, puede decidir el éxito o no del proceso. Como muestra la figura 5.1.1.a, normalmente, existen tres brazos de modo que cuando uno esté en la etapa de calentamiento, el otro está en la de enfriamiento. Es importante señalar que el moldeo rotacional no es una técnica de colado centrífugo. Las velocidades de rotación, generalmente, estan por debajo de 20 rpm, con una relación aproximada de 4 a 1, entre velocidad de rotación alrededor del brazo y alrededor del eje del molde. También, como todas las superficies del molde no estan equidistantes del centro de rotación, cualquier fuerza centrífuga generada tendería a causar variaciones grandes en el espesor de la pared. De hecho, para asegurar la uniformidad del espesor, la práctica de diseño normal es que el punto de intersección del eje principal (brazo) y del secundario (eje del molde) no coincida con el centroide del molde.

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Figura 5.1.3.- (a).- Técnica de moldeo rotacional, (b).- Rotación típica de los moldes

El calentamiento de los moldes se puede realizar usando infrarrojos, liquidos calientes, la llama de combustión de gas o la convección de aire caliente. Este último método es el más común. La temperatura del horno esta, por lo general, en el intervalo de 250 - 450°C y como el molde esta frío cuando entra en el horno, se necesita un cierto tiempo para alcanzar la temperatura que fundira al plástico. Este tiempo puede ser estimado así.

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Cuando el molde se coloca en el horno, la entrada de calor (o la pérdida) por unidad de tiempo debe ser igual al cambio de la energía interna del material (en este caso el molde), es decir hA (T0 − T ) = ρ ceV

dT dt

(5.1.2)

donde: h = Coeficiente de transferencia de calor convectivo A = Area de la superficie de molde T0 = Temperatura del horno T = Temperatura del molde ρ = Densidad del material del molde ce = Calor específico del material de molde V Volumen de las paredes del molde t = Tiempo Reordenando la ecuación (6.1) e integrando se obtiene: t

dT Ti T − T 0

hA ∫ dt = ρ ceV ∫ 0

T

 T −T  hAt = − ρ ceVLn  0   T0 − Ti 

 T0 − T   T0 − Ti

− t  ρ ce =e 

(5.1.3)

donde Ti es la temperatura inicial del molde y β es la relación entre el área de la superficie y el volumen (A/V). Esta ecuación sugiere que haya un aumento exponencial de la temperatura del molde cuando entra en el horno, y , a menudo, en la práctica esto eslo que ocurre. 5.2.-Ventajas e inconvenientes del moldeo rotacional. Comparación con otros métodos de fabricación Entre las ventajas del moldeo rotacional se pueden citar las siguientes: 1.- Los moldes son de concepción relativamente simple y poco costosos con relación a los moldes de los procedimientos clásicos. Esto se debe a que en el moldeo rotacional no se trabaja con altas presiones, con lo que no es necesaria una elevada resistencia del molde. 2.- En ausencia de presión no existen tensiones residuales de origen mecánico en la pieza. 3.- No hay pérdida de material.

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4.- La máquina del moldeo rotacional es simple y económica. Por ejemplo, su coste es tres veces más pequeño que el coste de una máquina de inyección equivalente. 5.- Pueden obtenerse piezas relativamente complicadas. Esta técnica esta particularmente adaptada para piezas de gran tamaño y de elevado espesor. Se pueden fabricar piezas de 0.2 a 50000 litros Recientemente también se pueden obtener piezas multicapas, recargadas y espumosas (Con aire atrapado). 6.- El tiempo ciclo es bastante elevado, por lo que este procedimiento puede adaptarse muy bien para efectuar la puesta en obra de piezas en paralelo con ciertas modificaciones químicas. Se habla entonces de moldeo rotacional reactivo y dicha posibilidad es una de las particularidades de ese procedimiento. 7.- Inserciones en plástico (o metálicas) pueden fijarse con facilidad sobre el molde y moldeadas rotacionalmente. 8.- Es posible el moldeo rotacional de materiales compuestos. 9.- Las líneas de soldadura, debidas a los planos de unión, pueden evitarse fácilmente. 10.- Pueden conseguirse finos detalles superficiales. Por otra partes, la técnica de moldeo rotacional tiene ciertos límites de utilización, que conviene tener en cuenta: 1.- El tiempo de ciclo (15 – 40 minutos) es elevado en comparación con otras técnicas de conformado, de ahi la baja cadencia de producción. 2.- El número de materiales que es adecuado para esta técnica es limitado. Actualmente, el 90 % de los productos obtenidos por moldeo rotacional son de polietileno. Sin embargo, la gama de materiales utilizables va en constante aumento. 3.- El precio de los materiales de partida es relativamente elevado pues se precisa una operación de molienda con el fin de obtener un polvo. 4.- Es dificil de obtener variaciones bruscas de espesor 5.- Para materiales con temperatura de fusión (o temperatura de transición del estado gomoso-estado liquido) muy elevada, el riesgo de degradación no es despreciable. En la tabla 5.2.1 se da una comparación entre el moldeo rotacional, el termoformado y la extrusión (Inyección)-soplado.

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Tabla 5.2.1.- Comparaci贸n entre el moldeo rotacional, el termoformado y la extrusi贸n (Inyecci贸n)soplado.

5.3.- Aplicaciones. En la figura 5.3.1 se muestran algunos objetos que se obtienen por moldeo rotacional.

Figura 5.3.1.- Ejemplos de piezas obtenidas por moldeo rotacional.

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6.- Moldeo por compresión. 6.1.- Introducción. El moldeo por compresión es la técnica más antigua para producir en masa materiales plásticos. El método por compresión se usa casi exclusivamente para moldear los termoestables, aunque éstos se transforman también por el método de moldeo por inyección. El proceso también puede usarse con los termoplásticos, pero es menos común. El único termoplástico importante que se moldea por compresión es el disco fonográfico de larga duración (LP) que se hace con el copolímero cloruro de polivinilo negro. La razón principal de que se use este proceso con este producto se encuentra en el bajo nivel de orientación que tienen las piezas que se moldean con este método. Es difícil producir discos planos y delgados como los fonográficos sin que se tuerzan al usar el moldeo por inyección. la orientación produce distorsiones en forma de plato o de silla de montar que son indeseables en el producto. Con el moldeo por compresión se obtienen los discos planos que tuvieron mucho éxito durante 40 años, aunque en la actualidad, los discos compactos que se hacen con moldeo por inyección los están desplazando del mercado. El disco compacto se elabora a partir de una clase especial de policarbonato de bajo peso molecular para asegurar buenas propiedades de flujo. En este aspecto, se repite la historia de su predecesor, el disco negro, para el cual se creó el copolímero especial cloruro de polivinilo/acetato de polivinilo en la compañía British Geon, para obtener buenas propiedades de moldeo. Los materiales que se usan en la técnica de moldeo por compresión son las resinas termoestables y el caucho vulcanizable. Las primeras caen dentro de las siguientes categorías principales: 1.2.3.4.5.6.7.-

Resinas de fenol-formaldehído (las "fenólicas") Resinas de urea-formaldehído Resinas de melamina-formaldehído Resinas epóxicas Siliconas Dialilftalato y otros compuestos alquidálicos Poliésteres insaturados.

6.2.- Moldeo por compresión. Los fundamentos del moldeo por compresión pueden describirse de la siguiente forma (Figura 6.2.1): 1.- El molde se sujeta entre las platinas calientes de una prensa hidráulica. 2.- Se coloca una cantidad prepesada de termoestable, parcialmente polimerizado, en la mitad inferior del molde. La carga puede ser como polvo o como una torta preformada. 3.- La prensa se cierra con presión suficiente para evitar o minimizar la fuga de material en la división del molde. 4.- El compuesto se reblandece y fluye para amoldarse al recipiente. Entonces se produce el curado químico conforme la temperatura interna del molde se vuelve bastante alta. El uso de calor y presión acelera la polimerización del termoestable y una vez que se ha completado el entrecruzado (Curado) el artículo es sólido y puede ser extraido del molde mientras todavía esta caliente. 5.- Si es necesario, se enfría, aunque para la gran mayoría de los termoestables, no es necesario. 6.- La prensa se abre y se saca la pieza moldeada. Por lo común, se quita el molde de la prensa y se abre en el banco para extraer la pieza moldeada. Se carga con un lote nuevo antes de volver a colocarlo en la prensa para comenzar el siguiente ciclo. 72


En la práctica, a menudo, se calienta antes el compuesto para disminuir el tiempo que dura el ciclo de moldeo y facilitar el flujo en el molde. Puede llevarse a cabo entre 60 y 100 °C Se usan: 1.2.3.4.-

Calentadores de infrarrojo Hornos de calentamiento dieléctrico HF (o sea, hornos de microondas) Un tornillo caliente, que también compacta Calentamiento por convección en un horno de aire caliente.

Figura 6.2.1.- Principio del moldeo por compresión. El ciclo de moldeo incluye, a menudo, una etapa "de respiro" o descompresión. La presión se alivia momentáneamente para liberar las sustancias volátiles (aire y productos gaseosos atrapados) y, luego, se incrementa de nuevo para "expulsar" los gases. Los tiempos de ciclo pueden ser largos (hasta varios minutos), entonces es deseable tener moldes multicavidad para aumentar la capacidad de producción. Por consiguiente, los moldes tienen un área proyectada grande, con lo que fuerza de cierre necesaria podría estar en el rango de 100 - 500 toneladas, con el fin de dar los 7 – 25 2 MN/m de presión necesaria en la cavidad. Las temperaturas son del orden de 130 a 200 ºC para la mayoría de las resinas termoestables y también para los cauchos. Los termoplásticos, que rara vez se moldean por compresión, generalmente requieren temperaturas más altas, por ejemplo, 230 °C para el polipropileno. La presión de moldeo varía según el material. Igual que con el moldeo por inyección, se requiere mantener la prensa cerrada lo cual depende de las propiedades del material que se moldea, en especial, de sus propiedades de flujo. En la tabla 6.2.1 se muestran algunos ejemplos. Tabla 6.2.1.- Presiones para moldear termoestables. MATERIAL

PRESION MPa Lb/pulg Compuesto de moldeo en pasta 6-10 900-1500 Poliesteres insaturados granulares y fenólicos de flujo suave 14-18 2000-4000 Urea - formaldehído, melamina-formaldehido, fenolicos 20-40 3000-6000 Materiales más rígidos 40-55 6000-8000 73


Las presiones que se indican en la tabla 6.2.1 son las que se aplican a la pieza moldeada. Se calculan a partir de la fuerza de carga y el área de la pieza. Éstas no deben confundirse con las presiones de línea hidráulicas, que hay en algunas prensas como lecturas de manómetro. Las últimas pueden convertirse sise observa el tamaño del empujador mecánico, la presión hidráulica, se calcula la fuerza y se aplica ésta al área del molde. Las dos características del moldeo por compresión que lo distinguen del moldeo por inyección son: 1.- Genera pocos desperdicios (2 a 5 %, aunque es irrecuperable). 2.- La baja orientación en las piezas moldeadas; las ventajas del producto que se tienen con esto son: (a).- Los rellenos fibrosos se distribuyen bien y no se alteran u orientan durante el tratamiento. (b).- El producto tiene bajos esfuerzos residuales; de ahí que se fabriquen discos de fonógrafo por moldeo de compresión, como se mencionó antes (c).- Se mantienen las propiedades mecánicas y eléctricas debido a que hay poco flujo de corte que provoque que se formen pistas conductoras (d).- El costo de mantenimiento del molde es bajo; se desgasta poco debido a las bajas fuerzas de corte, en comparación con el moldeo por inyección donde el desgaste del molde puede resultar caro (e).- Los costos de capital y herramental son más bajos; la planta y las herramientas son simples. 6.3.- Análisis del moldeo por compresión. Si el material está a una temperatura uniforme en el molde, entonces el proceso puede ser analizado del modo siguiente. Consideremos una "torta" de resina entre las placas de compresión de la prensa, como se muestra en la figura 6.3.1. Cuando una fuerza constante, F, se aplica a la placa superior la resina fluye como consecuencia del gradiente de presión. Si se asume comportamiento newtoniano, entonces la ecuación que nos da el flujo de presión es: 1  dP  3 (6.3.1) QP =   TH 12η  dz 

Figura 6.3.1.- Análisis del moldeo por compresión.

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Para el elemento anular de radio, r, de la figura 6.3.1 es más conveniente usar coordenadas cilíndricas, con lo que la ecuación (6.3.1) se puede escribir como: QP =

1  dP  3   (2π r ) H 12η  dr 

(6.3.2) 2

Si la placa superior de la prensa baja una distancia, dH, el volumen desplazado es πr dH y el flujo 2 de volumen es πr (dH/dt) Por tanto:

π r2

1  dP  dH 3 =   (2π r ) H dt 12η  dr 

(6.3.3)

12η dH 2 dP = r dr H 3 dt

(6.3.4)

y reordenando esta ecuación:

Esta ecuación diferencial se puede resolver del modo siguiente: 2 dP =A r dr

donde : A = f ( H )

(6.3.5)

y separando variables: dP =

A rdr 2

e integrando: r

∫0

dP =

A r rdr 2 ∫R

o bien: P =

(

A 2 r − R2 4

)

(6.3.6)

La fuerza sobre el elemento es 2πrdr(P), con lo que la fuerza total, F, se obtiene integrando: R

R

0

0

F = ∫ PdA = ∫

(

)

A 2 π AR 4 r − R 2 2π rdr = − 4 8

Reordenando:

A=−

8F 8π FH 2 = − V2 π R4

donde : V = π R 2 H

Sustituyendo el valor de A en la ecuación (6.3.5) y teniendo en cuenta (6.3.4):

12η dH 8π FH 2 = − H 3 dt V2

(6.3.7)

Separando variables e integrando: H dH 2π F dt = ∫ 0 3ηV 2 H H5 0

−∫

t

o bien: 2π F t= 3ηV 2

1 1 1   4 − 4  4 H H0 

(6.3.8) 75


Puesto que H0 >>H, en la ecuación (6.3.8) se puede despreciar el término 1/H0 4 frente a 1/H4 , con lo que la fuerza de compactación puede aproximarse por:

F=

3ηV 2 8π tH 4

(6.3.9)

donde H es la separación de las placas de la prensa en el instante t. 7.- Moldeo por transferencia. El moldeo por transferencia es similar al moldeado por compresión, excepto que en vez de presionar el material en la cavidad, es presurizado en una cámara separada y luego forzado a pasar, a través de una abertura, en un molde cerrado. Los moldes de transferencia, por lo general, tienen multicavidades como se muestra en la figura 7.1. Las ventajas de moldeo por transferencia consisten en que el precalentamiento del material y la inyección por un orificio estrecho mejora la distribución de temperaturas en el material y acelera el curado (reacciones de entrecruzamiento). Por consiguiente, reduce el tiempo de ciclo y hay menos distorsión de los productos moldeados. La mejora de las características de flujo del material trae consigo que se pueden obtener, mediante esta técnica, formas más pequeñas y complejas.

Figura 7.1.- Moldeo por transferencia de materiales termoestables.

En la figura 7.2 puede verse la secuencia de operaciones del moldeo por transferencia de plásticos termoestables.

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Figura 7.2.- Secuencia de operaciones del moldeo por transferencia de plásticos termoestables. El moldeo por transferencia se usa: 1.- Para producir más fácilmente muchas partes pequeñas 2.- Para reducir el daño o movimiento de las partes delicadas o delgadas del molde o de los insertos 3.- Porque se considera más rápido debido a que transfiere mejor el calor a través de los bebederos. Esta técnica es particularmente adecuada para la fabricación de piezas de geometría compleja con espesores variables. En casos apropiados, el moldeo por transferencia ofrece estas ventajas; como se vio antes, ningún proceso simple es el mejor para todos los productos, y la labor del ingeniero de procesos y del diseñador es encontrar el procedimiento más conveniente para cada caso particular. Para tomar una decisión, deben considerarse las desventajas del moldeo por transferencia en comparación con el moldeo por compresión común: 1.- El flujo da lugar por lo común a una orientación indeseada del producto; también se incrementan los costos por desgaste y mantenimiento; 2.- El equipamiento es bastante más complejo y, en consecuencia, más caro. Las espigas se desechan y hay poca probabilidad de tener un sistema de bebederos caliente.

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estructura_polimeros