Fundamentos del polietileno: densidad y peso molecular en PEAD

Antes de dejar el tema de la selección de grado de polietileno, puede ser productivo mirar un ejemplo más práctico de cómo el rendimiento del PE está influenciado por las consideraciones duales de peso molecular y densidad.

Este caso práctico consiste en una pieza moldeada relativamente grande que se estaba produciendo en una variedad de colores en un polietileno de alta densidad (PEAD o HDPE), con un índice de fluidez de 7.0 g/10 min y una densidad de 0.952 g/cm³. Periódicamente, el proveedor de estas piezas recibía quejas sobre el agrietamiento. Se suponía que estas grietas se producían debido a tensiones mecánicas relativamente altas que formaban parte de la aplicación.

Sin embargo, cuando este problema se volvió lo suficientemente significativo como para comenzar a rastrearlo desde su aplicación a través del proceso de fabricación, una revisión de las piezas en el inventario mostró que el agrietamiento se producía espontáneamente en piezas que nunca habían estado en uso.

Se determinó, además, que las piezas que habían sido moldeadas recientemente no presentaban defectos, pero que las más antiguas mostraban evidencia de agrietamiento, y cuanto más antiguas eran las piezas, más extensas parecían ser las grietas.

Este no es un problema poco común en el polietileno. La combinación de esfuerzos desde elementos de diseño deficientes, como esquinas afiladas y cambios rápidos en el espesor de la pared, junto con la capacidad del material para aumentar en cristalinidad, con el tiempo produce una condición en la que se excede la fuerza inherente del material y comienzan a formarse grietas. Con el tiempo, estas grietas pueden llegar a ser significativas. El problema casi siempre está relacionado con la densidad demasiado alta del material.

Cuando se examinaron los distintos colores se encontró que todos eran susceptibles a este modo de falla, con la excepción del negro. Entonces, ¿qué tenía de diferente el material negro? Resulta que las partes negras fueron moldeadas a partir de una mezcla de colores retriturados, que luego se hicieron negros por la adición de un concentrado de color. Este concentrado estaba basado en polietileno lineal de baja densidad (PELBD o LLDPE).

En realidad, todos los colores se produjeron a partir de concentrados basados en PELBD. Pero colorear material natural solo requería una relación de acabado de 2 lb de concentrado por 100 lb de natural. Obtener un buen color negro cuando se utiliza una mezcla de colores requiere una carga de concentrado mucho mayor.

Añadir este concentrado al nivel necesario para lograr un color satisfactorio redujo efectivamente la densidad y, por lo tanto, la cristalinidad del material, haciéndolo menos susceptible a una fractura. Aunque a menudo sucede que una reducción en la densidad resulta en menor resistencia y rigidez, en este caso una densidad más baja no comprometió el rendimiento de las piezas porque la pared nominal de la pieza era relativamente gruesa. No hubo ninguna diferencia notable en el rendimiento del rodamiento de carga de las partes negras en comparación con cualquier otro color.

Esto apuntaba a una solución para los otros colores. Se hizo una recomendación para reducir la densidad y, si era posible, aumentar el peso molecular promedio del material utilizado para producir las piezas.

A menudo, para el procesador es importante permanecer con un determinado proveedor de materiales, por lo que hay que revisar la línea de productos de ese proveedor en busca de opciones viables. Para esta línea de productos en particular, el siguiente paso hacia abajo en densidad fue a 0.946 g/cm³ y un grado con esta densidad estaba disponible con un índice de fluidez (MFR) de 5.0 g/10 min.

Esto ofrece la oportunidad de hacer dos cambios que mejoran la dureza del material. El MFR inferior se asocia con un aumento en el peso molecular promedio del polímero y la menor densidad proporciona una reducción en la cristalinidad de la pieza.

Dado el cambio relativamente pequeño en MFR, se prevé que una mejora en el rendimiento será atribuible principalmente a la reducción de la densidad. Como era de esperar, las propiedades mecánicas a corto plazo de la pieza no fueron alteradas de ninguna manera notable.

El problema ahora se centra en verificar que el cambio que se hizo sea suficiente para resolver el problema de campo. Se determinó que, a temperatura ambiente, el agrietamiento espontáneo de las piezas moldeadas en el material de mayor densidad ocurrió en unos 12 meses. La exposición a temperaturas elevadas se utiliza a menudo para acelerar un fallo y permitir una rápida determinación de la aptitud para su uso.

En este caso, las piezas moldeadas en el material de mayor densidad se colocaron en un horno a 93 ⁰C (200 ⁰F). Las grietas comenzaron a aparecer en estas partes en poco menos de 8 horas. Es tentador, en situaciones como esta, establecer una equivalencia entre la temperatura elevada y la temperatura ambiente, sin establecer el mecanismo para la aceleración.

En el polietileno, la exposición a temperaturas más altas puede promover múltiples procesos que pueden conducir al agrietamiento. Uno de ellos, y el que aquí nos interesa, es una aceleración en la tasa a la que se produce la cristalización adicional. Sin embargo, otros procesos, como la oxidación, también pueden contribuir a una pérdida de dureza.

Por lo tanto, es importante establecer que el material antiguo y el nuevo material contienen suficiente estabilización para que no se produzca la oxidación.

Suponiendo que esto se haga, las pruebas en el nuevo material con la menor densidad y el mayor peso molecular se pueden realizar como una comparación. En este caso, el nuevo material no mostró grietas hasta que el tiempo de envejecimiento alcanzó las 130 horas, unas 16 veces más que en el material original de mayor densidad.

Esto representa un único punto de datos generado a una temperatura relativamente alta. Con el fin de establecer un cálculo razonable para una vida útil anticipada del nuevo material, es aconsejable realizar esta comparación a una o dos temperaturas adicionales con el propósito de determinar si se puede confiar en esta mejora de 16 veces.

Pero incluso si el grado de mejora es algo más modesto, los resultados de estas pruebas indican que reducir la densidad del material en una cantidad relativamente pequeña es probable que extienda la vida útil del producto a un grado muy significativo. Además, la menor densidad y el mayor peso molecular promedio del nuevo material proporcionarán un mejor rendimiento bajo la influencia de las tensiones asociadas con el uso.

Este es un ejemplo más de la importancia de entender el papel del peso molecular y la densidad en la selección de un polietileno. Con demasiada frecuencia nos referimos a los materiales como materias primas debido a su costo relativamente bajo.

Esto da la impresión de que no necesitamos pensar mucho en el proceso de selección. Y después de ochenta años de usar polietileno, tal vez asumimos que sabemos todo lo que hay que saber. Pero la experiencia de lidiar con fracasos de campo sugiere que tenemos mucho que aprender.