Cómo optimizar el uso de agentes químicos espumantes (CFA)

Los Agentes Químicos Espumantes (CFA por sus siglas en inglés) vienen en diferentes tipos. Algunos producen reacciones exotérmicas, otros producen reacciones endotérmicas, algunos tienen un solo componente, mientras que otros son mezclas de muchos y las temperaturas a las que se activan puedeN variar.

A pesar de estas variables, todos los CFA tienen algo en común: La molécula está diseñada para descomponerse a una temperatura específica y para producir un gas como parte de esa descomposición. Este proceso convierte eficazmente su máquina de procesamiento en un "reactor químico" donde el tiempo y la temperatura pueden influir en la activación del CFA.

Este artículo le mostrará cómo se pueden utilizar diferentes pruebas técnicas para caracterizar el rendimiento de un CFA y determinar si hay algún CFA residual sin reaccionar está presente en los productos terminados. También vamos a explicar una técnica de modelo de reacción que proporciona información que puede ser aplicada al diseño de un proceso. 

Caracterización y medición del CFA en procesos de producción

Saber cuánto CFA está reaccionando en su proceso puede ser importante por una serie de razones, dependiendo de las circunstancias individuales:

• El CFA puede ser costoso y usted querrá asegurarse de que usted no está perdiendo el aditivo innecesariamente.
• Tal vez el cliente final no quiere tener lixiviados de CFA sin reaccionar en el producto por razones regulatorias.

Con el fin de determinar cuánto CFA permanece sin reaccionar en el producto, se utiliza un analizador termogravimétrico (TGA). El primer paso es tomar el CFA por sí mismo y analizarlo en el TGA. Esto se hace generalmente por calentamiento de aproximadamente 10 mg del material desde alrededor de 50°C (120°F) hasta bien pasada la temperatura de procesamiento de la resina de plástico a una velocidad de 10 ° C (18 ° F)/min. Dependiendo del CFA, es posible que tenga un evento de generación de gas en una o múltiples ocasiones. Para efecto de este ejemplo, nos ocuparemos de los CFA que tienen un solo evento de degradación.

Un ejemplo típico de un termograma TGA de esta prueba se muestra en la Fig. 1. El propósito de esta prueba es determinar la temperatura a la que el CFA se activa, de manera que las transiciones en otras pruebas pueden ser identificadas positivamente como provenientes del CFA.

El siguiente paso es probar la formulación de materia prima completa para medir la cantidad de gas que libera el CFA. Es importante probar el CFA en presencia de los otros materiales porque los componentes de la formulación pueden cambiar la cantidad de gas liberado por algunos CFA.

Idealmente, los componentes individuales deben ser medidos directamente en la prueba del crisol y no mezclarlos previamente y  transferirlos, de manera que se conoce la masa exacta del CFA.

Sin embargo, en algunos casos, esto puede no ser posible y usted tendrá que suponer que su material premezclado/compuesto, es homogéneo. Se lleva a cabo la misma prueba TGA y la muestra se calienta desde alrededor de 50°C hasta más allá de su temperatura de procesamiento de material a una velocidad de calentamiento de 10°C/min.

El porcentaje de CFA que se convierte en gas cuando se combina con los componentes de la formulación, puede determinarse usando los cálculos mostrados en la Fig. 3. En este ejemplo, la muestra contenía 0,625 mg de CFA y medimos una pérdida de peso de 0,2563 mg. El cálculo resultante es que el CFA perdió 41% de su masa como gas. La medición se muestra en la Fig. 2.

El paso final es medir un producto terminado para determinar la cantidad de CFA sin reaccionar (ver Fig. 3). Para este paso es importante tomar una muestra representativa de cada parte porque la cantidad de CFA sin reaccionar puede variar de un lugar a otro, en una parte más grande o en una parte que tiene una geometría compleja. Es posible que desee probar varias ubicaciones en la pieza y obtener resultados de las diferentes áreas.

Para este paso será importante saber el límite del instrumento de detección. El instrumento utilizado para las mediciones ejemplo tiene un límite de detección de 38 µg. Los cálculos para este ejemplo se muestran adyacentes a la Fig. 3. Las mediciones muestran que el 37% del CFA se mantuvo inactivo en el producto terminado.

Modelar la reacción del CFA

La activación de los CFAs es una descomposición química que produce gases como producto de la reacción. El CFA necesario para espumar requiere una combinación de tiempo y temperatura para reaccionar por completo antes de la despresurización y la formación de espuma.

La cinética es el término usado para describir las velocidades de reacción. Mediante la creación de los modelos cinéticos de la reacción CFA, pueden ser calculados los límites en el proceso de producción. Es importante entender cómo las opciones de CFA pueden afectar los límites de las temperaturas de procesamiento, las velocidades de línea, o los tiempos del ciclo. 

Para crear el modelo cinético, se realizan una serie de mediciones utilizando un calorímetro de barrido diferencial (DSC) o un TGA. Para este ejemplo vamos a mostrar los datos creados a partir de un DSC. Cinco pruebas separadas se realizaron con el CFA, calentándolo bien desde la temperatura ambiente hasta su punto de degradación. Algunos CFA tienen más de un evento de degradación; si este es el caso, cada caso debe ser modelado por separado.

Para este artículo, usaremos azodicarbonamida (azo), que sólo tiene una única etapa de descomposición. Las cinco pruebas muestran en la Fig. 4 que son idénticas excepto por la velocidad a la que aumenta la temperatura. Las cinco pruebas se recortan para excluir cualquier dato que no esté asociado a la degradación.

En este punto, el software se utiliza para realizar una serie de cálculos muy complicados, utilizando algoritmos que están protegidos por patentes para determinar la energía de activación de la reacción desde que empieza hasta su finalización.

Estos artículos se muestran en la Fig. 4. La salida de este proceso es un modelo cinético que a continuación se puede utilizar para hacer predicciones de la velocidad de la reacción. Las tablas, que pueden ser personalizadas, se muestran en la Fig. 5.

Ahora que tenemos el modelo cinético de la reacción del CFA, podemos aplicar la información a los procesos del mundo real. El modelo asume que la temperatura es constante, y sabemos que no es cierto en situaciones reales, pero podemos utilizar una estimación de una temperatura razonable lo cual aún nos da información valiosa.

Casos prácticos: Implicaciones y optimización del uso del CFA

Situación 1: reacción a partir de cizalla

Tomemos un ejemplo hipotético y supongamos que un procesador está extruyendo polietileno. El procesador mide la temperatura de fundido a través de todas las zonas, y mientras que en general varían ligeramente, la temperatura promedio es de aproximadamente 180°C (355°F) y el tiempo de residencia del material en el barril es de aproximadamente 4 min. Al analizar el modelo cinético podemos encontrar la columna para 180°C y bajar hasta que llegamos a un valor de 4 min.

En el ejemplo de la Fig. 5, el valor está entre 2% y 5%. Esto significa que el procesador puede esperar activar 2-5% del azo a partir de la temperatura del polímero fundido. 

Ahora el procesador se daría cuenta de inmediato de que se está activando mucho más que el 5% y que estas cifras no tienen sentido. Lo que estos números quieren decir es que la temperatura de fundido no está activando el CFA, y por lo tanto hay una buena probabilidad de que no se está activando todo. Una serie de importantes conclusiones se pueden sacar de esta información: 

1. El CFA está reaccionando principalmente a través de la cizalla
2. Es posible que tenga algún CFA sobrante que no está siendo activado.
3. Cualquier cosa que impacte la cizalla, puede afectar la cantidad de CFA activado, tales como:

    • Cambios en el paquete lubricante en la resina,
    • Variación de lote a lote en lubricantes o colorantes,
    • Desgaste del tornillo con el tiempo.
    • Diferentes tornillos.

Esta situación no es ideal porque controlar la cantidad de generación de gas es más difícil de lo usual. Idealmente el 100% del CFA puede activarse a la temperatura de procesamiento por sí solo, asegurando una producción consistente de gas dentro del proceso. Cuando el cizallamiento es el principal impulsor de la activación del CFA, se introducen variables adicionales que necesitan ser controladas para producir una calidad constante del producto.

Situación 2: límites en la velocidad de la línea

Tomemos un segundo ejemplo hipotético y asumamos que un procesador de extrusión está corriendo polipropileno a una temperatura media de fusión de 210°C (392°F), tiene un tiempo de permanencia del material en el barril de aproximadamente 4 min, y opera a una tasa de 100 libras/h. Este ingeniero quiere activar el 100% del CFA únicamente con la temperatura, y no quiere depender de los efectos de cizalla para activarlo. Con base en la información del modelo cinético, este ingeniero está en buena forma. Se prevé que el 99% del CFA se activará a esas temperaturas en sólo un poco más de 3 minutos.

Pero entonces el gerente de producción llega al ingeniero y quiere duplicar la velocidad de la línea a 200 libras/h, lo que reduciría el tiempo de residencia total del material en el barril a 1,5 min. Usando la Fig. 5, seríamos capaces de predecir que la activación de CFA bajaría.

Se logrará la activación de un poco menos del 20% por sí solo con la temperatura, y entonces usted estará en la misma situación que se discutió en el primer ejemplo, luchar contra los efectos de la cizalla. La alternativa es usar el modelo para dirigir los cambios en el proceso y así mantener el 100% de activación a las temperaturas de fusión. En este ejemplo, el ingeniero querrá aumentar las temperaturas a un promedio de alrededor de 230°C (446°F).

El modelo permite al ingeniero visualizar y estimar los límites en el proceso. Hay un límite superior e inferior del CFA a  la velocidad de la línea, a una temperatura de procesamiento particular, porque se necesita activar el CFA dentro de una zona en particular para ser eficaz.

Si se activa demasiado pronto y la masa fundida no se somete a suficiente presión, el gas se escapa; y si no se le da suficiente tiempo, no se activará por completo y se perderá CFA.

Situación 3: límites de temperaturas de procesamiento

El modelo cinético también permite la identificación de los límites de temperatura. Dada una velocidad de línea y un tiempo particular de residencia del material, un ingeniero tendrá que asegurarse de que el CFA sea activado correctamente en la zona de tornillo/barril donde hay presión suficiente para mantener los gases producidos por escape.

Digamos que un proceso ha sido diseñado de modo que el material se transporta y se funde en un promedio de 220°C (428°F) en el transcurso de 1,5 min.

Entonces, después de esta zona el material se somete a presión para que el CFA pueda reaccionar y producir el gas. El modelo cinético producido diría que probablemente se está perdiendo el 50% del gas que se genera porque se le está activando demasiado pronto, antes de que sea sometido a presión.

Esto es dinero que está siendo desperdiciado debido a que no se ha entendido la cinética de reacción.

En este ejemplo, el modelo nos diría que debemos bajar la temperatura por debajo de 190°C (374°F) con el fin de evitar que más de 1% del CFA se active demasiado pronto. 

La aplicación de estos procesos y técnicas de ensayo permite la caracterización de los CFAs y la estimación de límites de procesamiento que se aplicarán a un diseño de proceso particular. Saber cómo progresa la reacción antes de tiempo permitirá el diseño inteligente de un proceso de producción para evitar el derroche innecesario del CFA, al tiempo que se garantiza una activación consistente, lo que ayuda a mejorar la calidad del proceso. 

Las técnicas también pueden ahorrar tiempo y dinero en el trabajo de desarrollo de ensayo y error, proporcionando información a los ingenieros por adelantado antes de elegir los equipos y procesos.