Efectos de la humedad y el proceso de secado en moldeo por inyección

Tal vez esté cansado de leer acerca del secado de materiales. Después de todo, es un tema recurrente de reportajes, columnas y pláticas. Sin embargo por alguna razón, el mensaje aún no está del todo comprendido.

Supongo que nadie disfruta los detalles del secado. Sin embargo, estos son críticos para “tres elementos” del moldeo por inyección: el proceso, el desempeño de la pieza, y los beneficios económicos. Déjenme contarles una pequeña historia.

En los meses recientes, me he encontrado dos casos en los cuales se han condensado gotas de agua en la garganta de la máquina y nadie sabía de dónde venía el agua. En ambos casos, la producción llamó a mantenimiento para buscar una fisura en la garganta, pero no había ninguna fisura o daño qué encontrar. Entonces, ¿de dónde venían las gotas de agua?

Efectos de la humedad en materiales termoplásticos

En ambos ejemplos, el moldeador estaba utilizando materiales higroscópicos, materiales que atraen y absorben humedad del medio ambiente. Si no se han secado adecuadamente, estas resinas liberan un poco de agua mientras son compactadas y calentadas en la zona de alimentación del husillo (aproximadamente el 50% del husillo).

Una porción del agua dentro de los pellets se volatiza y después se condensa en la garganta de alimentación, especialmente si se están utilizando temperaturas en la garganta por debajo de los 55°C (130°F). Para prevenir dicha condensación, la garganta de alimentación debe mantenerse a una temperatura que permita al agua y otros elementos volátiles escapar o salir.

La mayoria de los moldeadores mantiene la garganta demasiado fría. De hecho yo prefiero utilizar 65°C (150°F), inclusive con el polipropileno. Debe existir una resina que deba correr por debajo de los 54°C (130°F) pero no conozco un material termoplástico que requiera esto. (Las resinas termofijas son una historia diferente. Hay algunas, pero no muchas, que pueden correr a temperaturas por debajo de los 54°C (130°F).   

En resumen: NO conozco una buena razón para trabajar por debajo de los 54°C (130°F) en la mayoría de los materiales termoplásticos. La próxima vez que tenga una oportunidad, revise la temperatura de la garganta de la máquina (utilice lentes de seguridad o un espejo) y dígame si ve algo de oxidación. Envíeme una foto.

Importancia de la temperatura en el moldeo por inyección

Ya que este puede ser un caso extremo, si está procesando materiales higroscópicos y no los está secando adecuadamente, no solamente puede tener agua en la garganta de la máquina, también tendrá piezas que fallen cuando sean usadas. ¿Qué sucede el día en que reciba la llamada de un cliente que se queja por fallas en las piezas?

Los siguientes días serán caóticos, ¿verdad? El tiempo extra y el esfuerzo para encontrar la causa - y una inspección del 100% de las partes –costará dinero. Por cierto, puede que el problema no sea evidente a través de manchas en las piezas, por lo cual una inspección visual no identificará las piezas malas.

Proceso de secado en moldeo por inyección

Si aún hay alguna duda de los efectos de no poner la atención adecuada a los detalles del secado, consideremos una pregunta más elemental: ¿Por qué es necesario secar los materiales sensibles a la humedad tales como PC, PET, nylon, PBT, y ciertos elastómeros? La respuesta común es, “Seco estos materiales para eliminar la humedad”. Si bien es cierto, esta no es una respuesta aceptable cuando se practica el Moldeo Científico. Es necesario definir por qué estos materiales necesitan secarse.

Secar materiales sensibles a la humedad es importante para mantener sus propiedades físicas. Procesar estas resinas con pequeñas cantidades de agua provoca que las cadenas poliméricas experimenten una reacción química conocida como hidrólisis.

Pequeñas cantidades de agua reaccionan con las cadenas poliméricas en el cañón a la temperatura de fundición y literalmente cortan las cadenas largas en cadenas más cortas. De hecho el agua es consumida por la reacción  de hidrólisis y por lo tanto no encontrará manchas en la pieza moldeada.

Las piezas pueden verse bien e inclusive pasar pruebas a temperatura ambiente, pero las piezas fallan durante su uso. Las cadenas cortas no proporcionan las propiedades de esfuerzo, resistencia química, etc. para aplicaciones de tiempo prolongado o para condiciones a altas o bajas temperaturas.

Causas de fallas en piezas moldeadas y cómo mitigarlas

A menudo, la falla en una pieza viene acompañada de detalles inconvenientes que pueden prácticamente elevar los costos. Importante, la mejor respuesta a la pregunta de “por qué secar” es, “para mantener el desempeño de la pieza.” El material debe secarse, comúnmente por debajo de las 200 partes por millón (ppm) antes de procesarse.

Es crítico saber si la resina está suficientemente seca antes de procesarla. ¿Cómo saberlo? Me imagino que 99 de 100 moldeadores dirán que ellos pueden decir si el material tiene mucha humedad. ¿Cómo? Insistirán que verán manchas de humedad en las piezas o pequeñas burbujas en el material fundido durante la purga. Es muy claro, si existen cantidades importantes de agua presentes, los indicadores mencionados serán evidentes.

Pero el nivel de humedad requerido para piezas buenas es muy bajo, regularmente en el rango de 0.02% o 200 ppm. En un nivel ligeramente superior a este rango no se presentarán manchas en la superficie o burbujas en el material fundido – dicho una vez más, porque el agua se consume en la reacción de hidrólisis del rompimiento de las cadenas. Tendrá piezas malas sin muestras de que exista un problema.

La única forma de saber si el material está suficientemente seco para procesarlo es realizando un análisis específico de humedad  (no la pérdida de peso total) antes de procesarla. Desafortunadamente, la mayoría de las plantas utiliza métodos de pérdida de peso, que usualmente ofrecen datos incorrectos. Dichos métodos no son aceptables. No querrá usted procesar un material que tiene inclusive un muy bajo contenido de humedad por encima del nivel recomendado.

Si procesa un material inapropiadamente seco, no solamente obtendrá piezas con un desempeño pobre, sino que tampoco podrá utilizarlas para molerlas. Una vez que las cadenas se han roto, volver a secar el material no pegará las cadenas. Tendrá que considerar las piezas como rechazo y utilizar material virgen para remplazarlas. Ahora estará pagando el doble por el material, lo cual reducirá su margen de ganancia sin posibilidad de recuperarlo.

Reacción de hidrólisis en cadenas poliméricas

Tenga en cuenta que no todos los materiales necesitan secado porque experimenten hidrólisis durante el proceso. Por ejemplo, el ABS y el acrílico absorben humedad tal como el PC o el nylon, pero no experimentan hidrólisis debido a su química particular. Sin embargo, son susceptibles de manchas en la superficie o de burbujas si se secan inadecuadamente.

De la misma forma, algunos polímeros no higroscópicos (poliolefinas por ejemplo) no son susceptibles de hidrólisis, pero pueden requerir secado debido a que la humedad adherida a la superficie de los pellets causará manchas visibles en la superficie, pero no degradación de sus propiedades. Tales resinas no siempre deben secarse – comúnmente la humedad superficial solo es condensación debido a que los pellets fríos se ingresan a lugares mas cálidos y húmedos dentro de la planta.

Si el aire de la planta tiene control de humedad, o si los pellets tienen tiempo suficiente para ganar calor antes de procesarlos, los materiales que no son higroscópicos típicamente no requieren secado para nada.

Importante: Debe entender por qué esta secando un material y secarlo bien desde la primera vez. Vale la pena el esfuerzo y el costo del secado. Buscar tiempo para secarlo nuevamente duele mucho, pero si tiene que comprar nuevo material virgen, sus utilidades se ahogarán bajo el agua.