Control de procesos: retención de la longitud de fibra

En los artículos anteriores de esta serie, hemos analizado tres aspectos de la composición del material en los que el procesador tiene un papel en su preservación u optimización: el peso molecular, la estructura cristalina (si está prevista) y los esfuerzos en el molde.

Optimización de la longitud de fibra en materiales compuestos

El cuarto aspecto del proceso que está diseñado para asegurar la buena retención de las propiedades mecánicas es la retención de la longitud de fibra. El vidrio y las fibras de carbono están incorporadas en muchos polímeros para aumentar la resistencia y el módulo del material base. Otras ventajas de esta modificación son una mejora del nivel de resistencia a la fluencia y la resistencia a la fatiga.

La capacidad de refuerzo de las fibras se relaciona en gran parte con una característica conocida como la relación de aspecto, que es esencialmente la relación entre la longitud de la fibra con el diámetro de la fibra.

Aunque la relación de aspecto crítica depende de varios factores, se sabe que, con el aumento de la relación de aspecto se mejoran propiedades como la resistencia y el módulo. Este es el fundamento para el desarrollo de compuestos de fibra larga, cuando la longitud inicial de las fibras es 11-12 mm en lugar de las longitudes de 1-2-mm, típicas de las fibras cortas.

Mientras que éstas pueden ser las longitudes de fibra incorporadas en el compuesto cuando se granula y empaca, las propiedades finales de las piezas moldeadas producidas del material dependen de la longitud de las fibras en esas piezas.

El proceso del fundido que emplea un tornillo generará una importante cantidad de trabajo mecánico y esto tiene el potencial de romper las fibras de vidrio. Por esta razón, los materiales de fibra larga no se preparan para compuestos mediante extrusión.

En cambio, las fibras se pasan por un baño de resina fundida y luego se cortan a la longitud deseada. Pero las condiciones de proceso que estas materias primas experimentan durante el moldeo tendrán una influencia significativa en la longitud de las fibras en el producto final. Y esto se aplica para los compuestos de fibra de vidrio cortas y largas.

Resultados de las pruebas de ceniza

El trabajo mecánico implica un esfuerzo de cizalla que se genera por el flujo del material durante el proceso de llenado del molde y por la plastificación del material durante la rotación del tornillo. Estos son aspectos necesarios del proceso, pero cuando se trata de materiales reforzados con fibra, las condiciones de proceso asociadas con estos factores se deben seleccionar sabiendo cómo afectan la longitud de la fibra.

Las fotos que ilustran el artículo muestran el resultado de la prueba de ceniza realizada en dos piezas moldeadas en nylon reforzado con fibra de vidrio. Las piezas de un lote, según los informes, eran más fuertes y más rígidas que las del segundo, y la conclusión natural era que los dos lotes se habían hecho con materiales con diferentes niveles de refuerzo. Sin embargo, las pruebas de ceniza demostraron que el contenido de fibra de vidrio no había cambiado entre los dos lotes de piezas. Pero la prueba de ceniza reveló una diferencia importante que explicaba la variación reportada en el rendimiento.

En el tazón de la izquierda vemos una pieza tal y como fue recibida y el residuo resultante de la prueba de ceniza para el lote bueno. El tazón de la derecha contiene las piezas análogas y los residuos del lote defectuoso. Hay que tener en cuenta que la ceniza de la pieza buena aún tiene una forma que es parecida a la pieza moldeada, mientras que la prueba de ceniza de la pieza defectuosa es un montón de fibras desconectadas.

La razón de la diferencia en apariencia es la longitud de la fibra en las dos piezas. Las fibras más largas permanecen más enredadas y mantendrán las características generales que definen la forma de la pieza; las fibras más cortas no lo harán.

La retención de la longitud de fibra realmente comienza con las consideraciones del diseño del molde. Las trayectorias de flujo que son demasiado restrictivas producen mayores velocidades de cizalla y esfuerzo de cizalla. Esto es cierto para todo el sistema de fundido y se extiende hasta la propia cavidad. La composición del material también debe ser considerado, especialmente cualquier colorante que se agregue al material.

El dióxido de titanio, el pigmento más común utilizado para producir blancos y otros colores claros, es muy abrasivo y puede provocar un nivel mucho mayor de desgaste de la fibra. Pero en este caso, el molde no había cambiado entre los dos procesos de producción y ningún color se había añadido a la materia prima. (El leve color amarillo de la pieza buena se produjo por un tiempo un poco más largo en la secadora). Esto nos lleva al proceso.

¿Qué disminuye la longitud de la fibra?

El mayor culpable de la disminución de longitud de fibra son las condiciones asociadas con la rotación del tornillo; una combinación de las revoluciones por minuto, el tiempo de recuperación y la contrapresión. Es necesaria alguna contrapresión para proporcionar un volumen estable de material delante del tornillo al comienzo de la inyección. Pero si es excesiva incrementará el trabajo mecánico sobre el material hasta el punto que hace más daño que bien.

Además, procesar con una temperatura demasiado baja en la zona posterior del tornillo va a crear un trabajo mecánico adicional que causará más rotura de la fibra y también hará que el tornillo y el cilindro se desgasten mucho más rápido. Una vez vi cómo un procesador que procesaba un PPS con de 65 por ciento de relleno desgastaba tres tornillos en dos meses porque insistía en procesar la zona posterior a una temperatura más baja que el punto de fusión del polímero.

Los cilindros y tornillos desgastados también provocan un rompimiento excesivo de la fibra. Y si el tornillo emplea un elemento de mezcla que es de una variedad de alta intensidad, esto asegurará un alto grado de reducción de la longitud de la fibra. Un ejemplo de esto son los cilindros ventilados, pero la mezcla de elementos que producen altos niveles de cizalla para conseguir un fundido homogéneo afectará también negativamente la integridad de los materiales reforzados con fibra.

Finalmente, si se usa triturado, las fibras en el material remolido son más cortas que las del material virgen, incluso si las condiciones de proceso son óptimas. La cantidad de remolido debe controlarse cuidadosamente para evitar que las propiedades disminuyan progresivamente ya que el material es reciclado continuamente. Cuanto mayor sea el porcentaje de reciclado, una mayor parte del recuperado de segunda, tercera y cuarta generación se convierte en parte del artículo moldeado.

Una vez visité un procesador que producía piezas en un poliéster PBT reforzado con 30% de fibra de vidrio que resultaban constantemente frágiles. Descubrimos que el 85 por ciento de la inyección estaba en el canal de alimentación y el canal se remolía y se ponía otra vez inmediatamente en la tolva de secado. Se agregaba muy poco material virgen a la mezcla. No pasó mucho tiempo antes de que al menos la mitad del material en la tolva estuviera compuesto por triturado de por lo menos cuarta generación y las fibras de vidrio fueran poco más que polvo.

Vale la pena incluir un último ejemplo. Hay un aumento en la necesidad de polímeros que puedan blindar interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia (EMI/RFI). Esto se logra mediante el uso de rellenos conductores y entre las opciones están las fibras largas de acero inoxidable. Los niveles bajos de esta fibra de 6% a 10% pueden producir los resultados deseados. Pero un blindaje eficaz se basa en una red superpuesta de fibras a través de la pared de la pieza moldeada. Esto, a su vez, se asegura manteniendo las fibras largas. Se ha demostrado que la reducción excesiva longitud de las fibras de acero inoxidable degrada las propiedades de blindaje.

Hasta ahora en esta serie, hemos revisado cuatro aspectos de la composición del material en los que el procesador tiene un papel en su preservación u optimización: el peso molecular, la estructura cristalina (si está prevista), los esfuerzos en el molde y la longitud de la fibra en los materiales donde se utilizan fibras. Tenemos que hacer una revisión más, el paquete de aditivos.