Control de proceso: el peso molecular en polímeros

Cuando pregunto a los procesadores sobre cuál es su responsabilidad más importante, las respuestas generalmente se centran en factores relativos a la productividad.

Normalmente se trata de conversaciones sobre el ciclo de tiempo, utilización de la máquina, fabricación de piezas para imprimir, manteniendo los índices de capacidad de proceso (Cpk) en 1.33 o mayor, etcétera.

Es raro oír cualquier mención a la cristalinidad, peso molecular, conservación de aditivos, o reducir al mínimo esfuerzo en el molde. Aunque estos factores son la base para el éxito o fracaso de un producto, los procesadores a menudo no valoran su propio papel en el control sobre los mismos.

Pero si no se les da la atención adecuada a estas características, entonces todos los aspectos relacionados con la productividad importan muy poco. La primera característica del material que abordaremos aquí es el peso molecular. Durante casi 100 años se ha reconocido que las características únicas de los polímeros se deben al gran tamaño de las moléculas y a su configuración de cadena extendida.

Optimización del peso molecular en procesos de polimerización

Esta combinación de características da lugar a algo que se llama enredos de cadena. Es la base del funcionamiento mecánico. Las propiedades a corto plazo, tales como la resistencia al impacto son particularmente sensibles a los cambios en el peso molecular. Pero propiedades a largo plazo, como la resistencia a la fatiga y la resistencia al agrietamiento por esfuerzo ambiental se correlacionan estrechamente con la longitud de las cadenas que componen el material.

Los fabricantes de materias primas plásticas prestan mucha atención al peso molecular de los productos que producen, y lo capturan con una medida de propiedades, como el índice de fluidez y la viscosidad intrínseca. Luego es decisión del procesador la conversión de la materia prima en un artículo moldeado que mantenga dicho peso molecular. Esto no sucede automáticamente.

Las temperaturas elevadas asociadas con proceso del fundido, combinado con el tiempo que pasa el material en el cilindro, pueden tener un efecto significativo en el peso molecular del compuesto. A mayor temperatura de fusión y cuanto más largo sea el tiempo de residencia en el cilindro, mayores son las probabilidades de que el peso molecular del polímero se vea afectado negativamente. La respuesta en la mayoría de los materiales es un proceso llamado escisión de cadena, donde la longitud de la cadena se acorta por el esfuerzo térmico del proceso.

Técnicas de secado y su impacto en la hidrólisis de polímeros

Además de las dos influencias de tiempo y temperatura, el procesamiento de algunos materiales implica el peligro potencial de degradación, debido a la presencia de exceso de humedad en el material en el momento del procesamiento, un proceso conocido como hidrólisis. Los polímeros de condensación, como poliésteres, policarbonato, nylon y poliuretano son particularmente susceptibles a este problema. Es esencial el secado de estos materiales hasta un contenido de humedad que impida la hidrólisis.

Un control adecuado de la temperatura de fusión, el tiempo de residencia, y, cuando sea necesario— el contenido de humedad asegura que el peso molecular del polímero se mantendrá correctamente cuando el material se convierte de pellets a las piezas.

Aunque esto suene simple, no pasa una semana en que no trabaje en un producto fallido donde la degradación del polímero es al menos un factor. Parte del problema es que muchas veces el producto hecho con material degradado puede tener un buen aspecto, se puede hacer en el mismo tiempo de ciclo, y, cuando se miden dimensiones críticas, las piezas se pueden imprimir.

A menos que el procesador realice algún tipo de prueba de funcionamiento mecánico, los cambios en el peso molecular pasan desapercibidos hasta que algo falla después de que el producto ya ha avanzado en la cadena de suministro. En el peor de los casos, la pieza ya está siendo utilizada por el cliente final cuando falla. Por lo general, lo que se observa es una fractura frágil bajo esfuerzos que son consistentes con el uso normal.

Evaluación de fallas: importancia de las pruebas mecánicas

En un análisis de fallas adecuado sobre cualquier producto hecho de un polímero, debe realizarse una determinación del peso molecular, e idealmente este resultado debe ser comparado con el de la materia prima utilizada para hacer la pieza. Si esta prueba revela que el peso molecular se ha reducido a un grado excesivo, los parámetros de proceso deben ser el foco de la investigación.

En algunos casos, es necesario demostrar al procesador que los cambios dispuestos en las variables de proceso mencionadas anteriormente pueden hacer aparecer o desaparecer el problema del peso molecular. Cuando se realizan estos experimentos, los resultados suelen ser sorprendentes porque revelan una interacción entre estas condiciones de proceso.

Recientemente, realizamos este ejercicio en un nylon 66 con un alto refuerzo de fibra de vidrio. Una pieza fallida devuelta exhibía una excesiva reducción en el peso molecular. La revisión de una pieza que todavía no había sido ensamblada demostró que el problema era más que sólo una pieza descarriada en la puesta en marcha; el peso molecular del producto variaba ampliamente de marginal a considerablemente peor del que había sido devuelto.

Como respuesta, llevamos a cabo un experimento relativamente sencillo: moldeamos piezas a dos temperaturas de fusión diferentes, 525 F (274 C) y 575 F (302 C); ambas están dentro de los límites de las condiciones de proceso propuestas. En cada una de estas temperaturas produjimos piezas con material que estaba por encima del máximo de humedad recomendado, con material que fue secado justo por debajo de ese límite y con material que fue secado a un nivel considerablemente por debajo del límite superior, lo que algunos en la industria pueden referirse como "sobre secado".

A una temperatura de fusión más baja, se produjeron piezas con una buena retención del peso molecular promedio de los tres niveles de humedad. Incluso el material húmedo produjo piezas sin excesiva reducción en el peso molecular y no había evidencia de los defectos cosméticos que a menudo están asociados con el material que no está secado por completo. Sin embargo, a una temperatura de fusión más alta, solamente el material muy seco dio resultados aceptables.

El material secado a un nivel marginalmente "seguro" produjo piezas que exhibían un cambio ligeramente más alto que el recomendado en el peso molecular, mientras que el material húmedo produjo el tipo de cambio que se había observado en la falla de campo.

Una vez más, todas las piezas tenían un aspecto aceptable. Los controles dimensionales a través de todos los grupos experimentales no mostraron variaciones estadísticamente significativas. Incluso algunas de las pruebas mecánicas mostraron un cambio insignificante en el rendimiento. Sin embargo, cuando se realizaron pruebas que involucraban un impacto de carga, los problemas con las piezas moldeadas del material degradado se hicieron más evidentes.

Después de experimentar cambios como estos, el enfoque de un procesado cambia, o al menos debería cambiar. Se presta más atención a las condiciones de proceso y hay una mayor conciencia de que las buenas piezas no pueden ser definidas simplemente por su apariencia y cumplimiento dimensional. La condición del material del que están hechas las piezas es importante, aunque no siempre se puede verificar con las técnicas que se emplean normalmente en una instalación de moldeo.

Para los procesadores que nunca han hecho la conexión entre las condiciones de proceso y la salud del polímero en la pieza moldeada, su papel en ese resultado sigue siendo un misterio. En muchos casos, se da una negación absoluta de que las decisiones tomadas en la planta de moldeo pueden influir en la integridad del polímero en un nivel molecular. Esto es así, a pesar de que hemos visto la relación entre el peso molecular y el rendimiento de los plásticos durante casi 100 años.

El peso molecular es solo una de las características del material influenciadas por las condiciones de proceso. La próxima vez, consideraremos otra: la cristalinidad.

Lea a continuación: Parte 2: cristalinidad del polímero.