Características y parámetros del rotomoldeo: el material

Continuando con la temática de los recientes artículos que hemos compartido en nuestra columna sobre piezas huecas moldeadas por el proceso de rotomoldeo, en esta ocasión nos detendremos a comentar sobre los factores de operación que interactúan durante dicho proceso.

Partimos de que, a diferencia de la gran mayoría de los procesos convencionales de transformación de plásticos, se considera la alimentación de pellet u hojuela (en el caso de plásticos recuperados). Sin embargo, en el moldeo rotacional se emplea material en forma de polvo, con lo que el comportamiento del flujo, al igual que los mecanismos de calentamiento, serán distintos.

Características del tipo de material

Iniciamos por comentar que se cuenta con diversos tipos de resinas plásticas para su aplicación en rotomoldeo, como el nailon (todos los tipos), el policarbonato y el PVC (rígido o plastisol), entre los cuales la familia de las poliolefinas (LDPE, LLDPE, HDPE, polipropileno) destaca considerablemente en diversas aplicaciones y por su mayor consumo.

Para tratar de explicar las interacciones de las características del material y las condiciones del proceso, nos centraremos en partículas de las poliolefinas. Asimismo, para la elaboración de un producto rotomoldeado, a partir de cualquier grado de polietileno, sus propiedades finales dependerán significativamente de la densidad y del índice de fluidez (MFI).

Así, frente al incremento o disminución, tanto en la densidad como en el MFI, observamos los siguientes comportamientos en diversas propiedades del material:

Al incrementar la densidad       

Recordando que la densidad está directamente relacionada con la cristalinidad, se tiene una dependencia de la estructura química. Así, aumenta la rigidez y la temperatura de reblandecimiento, resulta mayor la dureza superficial y la impermeabilidad a líquidos, además de la resistencia a la abrasión; por último, mejora la resistencia química.

Al disminuir la densidad

Caso contrario se puede manejar en valores bajos de la densidad, una mejora tanto en la resistencia al impacto a baja temperatura, como en la resistencia al agrietamiento por tensión ambiental, así como una reducción favorable del alabeo y la deformación.

Beneficios del alto índice de fluidez en la complejidad de las piezas moldeadas

Al reducirse la viscosidad se incrementa la fluidez, lo que facilita un mejor flujo, tiempos de ciclo más rápidos y mayor brillo. Resinas con alto MFI se seleccionan cuando la pieza es muy compleja y se requiere un buen flujo en áreas complicadas.

Al disminuir el índice de fluidez (MFI)      

Mejor resistencia al agrietamiento por tensión ambiental, así como mayor resistencia tensil y elongación al rompimiento. Podemos decir que los valores normales de MFI para polietileno grado rotomoldeo son de aproximadamente 3 a 5 g/10 min, ya que valores altos, por encima 10, indican un polietileno con deficiente resistencia al impacto a bajas temperaturas y menor resistencia al agrietamiento por tensión ambiental (ESCR).

En cambio, valores inferiores a 2 señalan que la viscosidad es demasiado alta, por lo que se dificulta la elaboración de piezas con detalles en sus superficies.

A la par de la importancia que representa la selección adecuada de la resina, tendríamos que mencionar que la elección correcta de los aditivos empleados como pigmentos, estabilizadores térmicos y UV, etc., es relevante, por lo que se debe asegurar que el aditivo utilizado sea estable térmicamente bajo las condiciones de temperatura en el moldeo rotacional, que no promueva ni acelere la degradación del polietileno o resina empleada, y que sea adecuado para su aplicación final, así como aprobado para el contacto con alimentos.  

Características del polvo

Hemos mencionado que una variable clave en el moldeo rotacional es el empleo de plástico en forma de polvo, por lo que resulta importante comprender tres propiedades clave de un material fino:

Distribución de tamaño partícula [Dtp]

En el sector del moldeo rotacional, el tamaño de partícula de polvo es generalmente cuantificado en términos del tamaño de malla, relacionando el número de aberturas de malla por pulgada en el tamiz utilizado para clasificar el polvo.

La distribución de tamaños de partícula del polvo debe ser estrecha. Una mezcla de partículas muy pequeñas con partículas relativamente grandes conduce a una absorción de calor de las partículas poco homogénea, y llevar con ello a un recubrimiento no uniforme de las paredes del molde.

De forma genérica, se puede considerar que un polvo de malla 35 (500 µm) tiene la distribución de tamaño de partícula típica utilizada en el moldeo rotacional, y que ofrece el mejor compromiso entre los costos de molienda y las características de fusión del plástico.

Con esto se busca proporcionar un empaquetamiento adecuado entre los diferentes tamaños de partícula y reducir los huecos entre las partículas para minimizar la porosidad de la superficie y la tendencia de atrapar burbujas de aire en la masa fundida.

La importancia de la fluidización en el rotomoldeo

Un punto importante para el buen desarrollo durante el procesamiento de moldeo rotacional es el comportamiento al flujo seco del polvo que define la distribución del plástico dentro del molde y su interacción con el material fundido.

Para que el material se adhiera apropiadamente al molde, el polvo debe fluir fácilmente, sin ninguna presión externa diferente a la gravedad. Esta propiedad es llamada fluidización, y se mide contabilizando el tiempo requerido para que un peso dado del polvo del material fluya a través de un embudo estándar.   

Así, en un análisis cuidadoso de su comportamiento se observa que el flujo seco del polvo depende principalmente del tamaño y forma de las partículas, de tal manera que la aparición de aglomeraciones entre las partículas de polvo tiene un efecto negativo en el flujo y puede generar una cantidad considerable de huecos en la pared de la pieza.

De acuerdo con el procedimiento de prueba de la Norma ASTM 1895, una velocidad de flujo mínima de 185 gramos/minuto caracteriza polvos apropiados para el moldeo rotacional.

Densidad a granel (bulk density)

Es una medida de la densidad del polvo antes de ser calentado o compactado, es decir, representa la densidad del polvo justo después de ser molido. Entre mayor sea la densidad a granel del material mejor es su procesabilidad para el rotomoldeo, porque se favorece la compactación en estrechos paquetes, que ayuda a la fusión de la resina.

La literatura reporta entre 34 y 36 g/100 cm³ como valores aceptables para ser empleados en moldeo rotacional, ya que valores bajos de este parámetro indican la presencia de una cantidad alta de partículas de polvo con formas irregulares, que afectan el flujo y la distribución de tamaño, mientras que valores altos de densidad aparente señalan que hay muchas partículas finas.

Características de procesabilidad

Aunque hemos hecho énfasis en el manejo esencial de polvos durante el procesamiento, no podemos perder de vista la importancia del rol que tienen los parámetros de proceso como las etapas de calentamiento y enfriamiento sobre la calidad del producto terminado (medible en propiedades de apariencia, resistencia al impacto, etc.). En esta columna cubriremos brevemente la etapa de calentamiento.

Análisis de las etapas de calentamiento en el moldeo rotacional

Sin duda, al igual que en los procesos convencionales de extrusión y moldeo por inyección, el calentamiento resulta clave en el moldeo rotacional, con el requerimiento adecuado de trasferencia de calor para lograr la fusión del polvo mediante la coalescencia de las partículas; es una etapa controlada principalmente por la temperatura del horno, así como por el de residencia del horno.

Podríamos decir que el calor requerido estará en función del espesor de pared, la complejidad de la forma del molde y las características del polvo y del polímero fundido. Una fusión insuficiente dará como resultado un acabado poroso de baja resistencia, mientras que un calentamiento elevado llevará a una sobrefusión, provocará la degradación del polímero y una caída drástica de las propiedades físico-mecánicas.

Así, con el apoyo de una evaluación visual del interior de la pieza moldeada, una buena fusión se puede considerar en función de la ausencia de polvo residual, una superficie lisa, la inexistencia de porosidad, etc. De esta forma, durante el calentamiento se pueden observar cuatro etapas principales, como se muestra en el esquema de la figura 2.

Veamos cómo son los diversos factores o características propias del material o del proceso que intervienen significativamente en la calidad del producto terminado.