Control de procesos: la contracción en los polímeros

Hace unos años recibí una llamada de uno de mis clientes, un procesador con un buen conocimiento de la forma en que se comportan los materiales plásticos. Tenían un cliente que estaba molesto con ellos por la manera en que le “solucionaron” un problema de deformación con una pieza moldeada en un poliéster PBT reforzado con fibra de vidrio. Habían comenzado con una alta temperatura de molde de 200 F (93 C).

Ajuste de temperatura de molde: solucionando problemas de deformación en poliéster PBT

Las piezas salieron del herramental y se deformaron rápidamente a medida que se iban enfriando. Trataron este problema como lo hacen muchos moldeadores: bajaron la temperatura del molde. Cuando la temperatura de molde alcanzó unos 95 F (35 C) las piezas salieron correctas. Problema solucionado.  

Infortunadamente, las piezas tenían que funcionar en la aplicación de su cliente a 180 F (82 C). Por lo tanto, el cliente probó las piezas poniéndolas en un horno durante dos horas a 200 F (93 C). Cuando realizó esta prueba en estas piezas, se observó que las piezas se deformaban casi en el mismo grado que lo hacían al salir del molde caliente. Las piezas fueron rechazadas, algo que mi cliente consideró injusto.

Le dije que tenían que corregir el problema de deformación mediante la supresión de la capacidad de cristalizar del PBT. La cristalización va acompañada de contracción. Los cristales son dominios bien ordenados dentro de la estructura del polímero y ocupan menos espacio que las regiones amorfas.

Influencia de la cristalización en la contracción de materiales

Cuanto más se cristaliza un material, más se contrae. La temperatura inicial del molde estaba por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg) del polímero y la resina tuvo la oportunidad de cristalizar en un grado que estaba razonablemente cercano al máximo que se podía lograr. La temperatura del molde reducida estaba por debajo de la Tg y el grado de cristalinidad fue proporcionalmente menor. Esto reduce la contracción del material.

La deformación es un síntoma de la contracción que se produce a diferentes ritmos en diferentes áreas de la pieza. Puede tener distintas causas concretas, como la variación del espesor de pared, diferentes tasas de enfriamiento, debido a la desigual eliminación de calor de la pieza y a diferentes grados de contracción, causada por la orientación de la fibra de vidrio. Se trata de diseño de la pieza, diseño del molde o cuestiones de selección de material, que no son problemas de procesamiento.

Pero con demasiada frecuencia se espera que el procesador compense las decisiones desacertadas que se toman antes de comenzar el proceso de desarrollo del producto. Y una de las "correcciones" más comunes de la contracción excesiva es simplemente reducir la temperatura del molde. Esto es también una estrategia común para reducir la contracción general cuando la contracción real resulta ser mayor que el valor que se utilizó para cortar la herramienta.

Si un diámetro exterior o una longitud total es muy pequeña, solo hay que bajar la temperatura del molde y las piezas se harán más grandes. Parece simple e inofensivo porque la falta de cristalización no es un defecto que puede ser visto por los que inspeccionan las piezas.

Pruebas de estabilidad dimensional para validar procesos de moldeo

La única manera de detectar el problema es haciendo lo que el cliente de mi cliente hizo, calentar las partes a las condiciones de procesamiento y comprobar la estabilidad dimensional. Si las piezas hubieran cristalizado a un nivel adecuado, la exposición del horno no hubiera creado ninguna nueva estructura cristalina y el tamaño y forma de la pieza hubiera seguido siendo esencialmente la misma.

Pero en este caso, la estructura moldeada y la estructura prevista eran bastante diferentes, y cuando el polímero fue expuesto a una temperatura que restableció la movilidad necesaria para formar nuevos cristales, hizo lo que se pretendía que hiciera.

Si los cambios dimensionales asociados a esta cristalización adicional ocurren una vez que la pieza está en uso, los resultados pueden ser desagradables, por decir lo menos. Pueden aparecer grietas en puntos de fijación; las piezas que están diseñadas para moverse con respecto a otra pueden quedarse pegadas; los componentes diseñados para funcionar como superficies de sellado pueden permitir que se escapen los fluidos de una válvula o una carcasa. En este caso, la deformación era un indicador de que había un problema que necesitaba abordarse, y no encubrirlo al hacer un ajuste deficiente del proceso.

Optimización del enfriamiento en procesos de inyección

Es importante entender que las tasas de enfriamiento asociadas con el moldeo por inyección nunca permitirán alcanzar el máximo nivel posible de cristalinidad. Consideremos un nylon 66 calentado a una temperatura de fusión de 550 F (288 C) entrando en una cavidad de molde a 210 F (99 C), una temperatura por encima de la Tg del nylon que va a producir un grado de cristalinidad relativamente alto.

Si la pieza se enfría a una temperatura extraíble en 30 segundos, entonces la velocidad de enfriamiento del material es 680° F (378 C) / min. Cuando ponemos a prueba los materiales bajo condiciones de laboratorio, tradicionalmente usamos tasas de calentamiento de 10° o 20° C/minuto. Por lo tanto, podemos alcanzar un nivel de perfección en el laboratorio que no se puede lograr en la prensa, incluso cuando hacemos las cosas lo mejor posible.

También sabemos que la tasa de enfriamiento en la superficie de la pieza es más rápida que en el centro de la pared, a menos que la pared nominal sea muy delgada. Pero para los procesadores, el objetivo es equilibrar la eficiencia de la producción con el logro de una condición en el polímero que garantice una estabilidad buena, pero no perfecta.

Análisis DSC: evaluación de la cristalinidad en piezas de polipropileno

Podemos realizar un examen llamado calorimetría de barrido diferencial (DSC) para comprobar nuestro trabajo. Esto implica preparar una muestra de la pieza moldeada y calentarla bajo condiciones controladas en el DSC hasta que se funda. La fusión será observable como un pico que se asocia a una característica conocida como el calor latente de fusión. Esta es una medida del grado de cristalinidad. Cuanto mayor sea el calor de fusión, mayor estructura cristalina está presente en la pieza moldeada.

La muestra fundida luego es enfriada al estado sólido, produciendo un pico que es una imagen espejo del evento de fusión. Este es el calor liberado por el proceso de cristalización. Este proceso de calentamiento y enfriamiento borra la huella térmica del proceso de moldeo. Cuando calentamos la muestra una segunda vez, deberíamos ver un nuevo calor de fusión que será superior al que vimos en el primer calentamiento.

Esto es porque la tasa de enfriamiento en el DSC es mucho más lenta que la que experimenta el material durante el proceso de moldeo. La figura muestra los resultados para este tipo de análisis DSC en una pieza de PP.

El calor de fusión en el primer calentamiento es 89.72 J/g, mientras que el segundo calor de fusión es 99.43 J/g. Cuando dividimos el valor del primer calor por el valor del segundo obtenemos 90.2%. Se considera el grado de cristalinidad que logramos en relación a lo que era teóricamente posible, si de alguna manera pudiéramos enfriar el polímero muy lentamente en el molde y convencer a nuestro cliente que es aceptable producir 15 piezas/h.

Este es el punto. En el mundo real de la fabricación hay un compromiso entre alcanzar la perfecta estructura en un material y hacer una pieza a un precio competitivo. Un valor de 90% se considera un buen resultado en la mayoría de los casos. Es importante entender que este resultado no significa que el polipropileno en la pieza moldeada sea cristal en un 90% .

El valor es un porcentaje de lo que era alcanzable. El grado absoluto de cristalinidad en esta pieza es realmente un poco menos del 50%, que es bastante normal en el polipropileno. Ya que el PP es uno de los materiales que no se cristaliza en un grado significativamente mayor cuando se aumenta la temperatura del molde, hay poco peligro en procesar a una temperatura de molde que es relativamente baja.

En este caso la temperatura del molde era 100 F (38 C). Pero como veremos en posteriores artículos, algunas veces enfriar el molde nos hace perder el objetivo en una cantidad mucho mayor. Esto ocurre generalmente en los materiales de alto rendimiento.