Moldeo por inyección de biocompuestos y biopolímeros

Los plásticos, polímeros con una gran diversidad de propiedades, son fáciles de moldear y podemos modificar su forma por efectos de temperatura y presión. Estas propiedades han permitido su ingreso en los mercados automotrices, electrónicos, de empaques, envases, construcción, aeronáutica y agricultura, entre otros. Y actualmente han sustituido en muchas aplicaciones a la madera, los metales y el vidrio.

En la actualidad, el interés por el cuidado del medioambiente ha propiciado la búsqueda de materiales y procesos más sustentables para la fabricación de productos plásticos. Sobre todo, los que se conocen como “plásticos de un solo uso”, que han sido objeto de políticas de restricción para su fabricación y uso.

Estas circunstancias dieron origen al desarrollo de materiales plásticos que presenten un menor impacto ambiental y que puedan sustituir las resinas que actualmente se usan para la fabricación de productos plásticos.

De estos desarrollos surgieron como alternativas los biocompuestos (materiales parcialmente biodegradables) y los biopolímeros (materiales 100 % biodegradables). Su característica principal es su biodegradación, propiedad que tiene un efecto en otras propiedades y su procesabilidad. Por ello, debemos ser capaces de identificar y adecuar los parámetros de moldeo para este tipo de materiales.

Las resinas de grado de moldeo por inyección, conocidas como biocompuestos, se pueden fabricar a partir de un plástico sintético como el termoplástico (polietilenos [PE]), el poliestireno (PS), las poliamidas (PA), los polipropilenos (PP), etc., vírgenes o reciclados, termofijos (melamina, resinas epóxicas, etc.) o incluso pueden utilizarse resinas naturales (hule natural, guayule, etc.).

La otra parte del biocompuesto será a base de residuos orgánicos como los de aguacate, agave, cebada, madera y café, entre otros.

Las resinas de grado de moldeo por inyección conocidas como biopolímeros biodegradables son plásticos que se obtienen de fuentes biológicas renovables y se pueden elaborar a partir de residuos agrícolas, celulosa o almidón de patata o maíz. Son 100 % biodegradables compostables, con una gran diversidad de propiedades, y se pueden reciclar.

A este tipo de resinas también se pueden adicionar residuos orgánicos como el aguacate, agave, cebada, café, etc. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el ácido poliláctico (PLA), los polihidroxialcanoatos (PHA), el poli(Butilén Adipato-co-Tereftalato) (PBAT), el succinato de polibutileno (PBS) y el almidón termoplástico (ATP).

Los plásticos biodegradables son resinas que se descomponen en moléculas de agua y dióxido de carbono en un periodo definido. Este tiempo es mucho más pequeño que en los plásticos sintéticos, pero también existen variables como la geometría y el espesor del producto que afectan el tiempo de degradación. Para determinar esta propiedad podemos usar normativas internacionales como ISO 16929 (Plastics—Determination of the Degree of Disintegration of Plastic Materials under Defined Composting Conditions in a Pilot-Scale Test) y ASTM D5338 (Test Method for Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials Under Controlled Composting Conditions), entre otras.

En moldeo por inyección se presentan algunas dificultades con este tipo de materiales, ocasionadas principalmente por el desconocimiento de sus propiedades críticas, en especial por las térmicas y su efecto en las propiedades de flujo.

En algunas industrias de moldeo por inyección de plásticos es común encontrar una idea errónea al tratar de compararlas con resinas como el polietileno o el polipropileno, lo cual no es posible debido a que los biocompuestos y biopolímeros fueron diseñados para cumplir con una propiedad de biodegradación que no fue considerada para los materiales sintéticos.

Para poder sustituir los materiales convencionales por biocompuestos o biopolímeros, primero debemos analizar sus propiedades de biodegradabilidad, físicas, térmicas, mecánicas y de flujo.

Es de suma importancia conocer las propiedades que debe de cumplir el producto, realizar el diseño del molde adecuado a estas resinas y establecer apropiadamente los parámetros de moldeo por inyección. Para lograr esto es necesario contar con el recurso humano capacitado en estos temas, con el fin de que pueda realizar los ajustes necesarios para obtener un producto que cumpla con las características de calidad requeridas.

Por otra parte, si se va a adicionar algún residuo orgánico hay que considerar aspectos como su tipo y morfología (geometría, tamaño de partícula), contenido de humedad y compatibilidad con la resina, entre otros.

El moldeo por inyección es uno de los procesos más importantes para la manufactura de productos plásticos, en donde un tema relevante es el diseño de la pieza y el molde. Hay que considerar las propiedades de la resina y otras características de funcionalidad dentro del molde como la contracción, deformación de la pieza, velocidades y esfuerzo de corte.

Existen herramientas de simulación que sirven de apoyo en el desarrollo de piezas plásticas de biocompuestos y biopolímeros para conocer las propiedades mecánicas y de flujo. Esto permitirá reducir los tiempos en el desarrollo del producto, así como también optimizar el proceso de moldeo por inyección.

En la figura 1 se muestra el diseño de un producto plástico y una pieza real de biocompuesto con residuos de agave.

La figura 2 presenta una secuencia de simulación del producto plástico realizada en Solidworks Plastics, donde podemos obtener información como las velocidades y esfuerzos de corte, presiones, temperaturas de llenado, tiempo de llenado y sostenimiento, entre otras. Estos elementos permitirán la optimización de nuestro proceso de moldeo por inyección.

En el Centro de Investigación en Química Aplicada se ha trabajado en el desarrollo de biocompuestos y biopolímeros para moldeo por inyección como alternativas sustentables para la producción de productos plásticos más amigables con el medioambiente. Algunos ejemplos de estos se pueden ver en las figuras 4 y 5.

Para moldear productos de biocompuestos y biopolímeros en moldeo por inyección podemos aplicar las siguientes recomendaciones:

• Caracterizar sus propiedades (biodegradación, física, mecánica, térmica, etc.).
• Caracterizar sus propiedades de flujo.
• Seleccionar adecuadamente la máquina de inyección.
• Contar con el personal capacitado en el procesamiento de bioplásticos y biocompuestos.
• Seguir indicaciones de los proveedores en el manejo de los materiales.
• Realizar un correcto secado de la resina.
• Establecer el proceso de moldeo por inyección adecuado a estos materiales.

Agradezco a Riva Plastic Machinery, S.A. de C.V. por proporcionar el molde de minimacetero para la inyección de los prototipos, así como al personal de Planta Piloto de Procesos de Transformación de Plásticos de CIQA por sus orientaciones en la formulación de compuestos.

Bibliografía

1. Enciclopedia del Plástico Siglo XXI. Centro Empresarial del Plástico 2017. Registro de título ante el IMPI n.° 1701188.
2. Moldeo por inyección de termoplásticos. Sánchez Valdés, Yáñez Flores, Rodríguez Fernández. Editorial Limusa, ISBN 968-18-5581-X.

I.Q. Adán Herrera Guerrero

Procesos de Transformación de Plásticos

01(844) 438-9830 Extensión 1357

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