Los fundamentos del polietileno: papel de la densidad

La importancia de la densidad de los materiales de polietileno se puede entender al revisar las aplicaciones en las que fallan las piezas cuando se selecciona una densidad inadecuada. En esta entrega comenzaremos a ver algunas de ellas. Curiosamente, todas estas fallas de campo se relacionan con la selección de grados de polietileno de una densidad superior a la apropiada.

La primera de ellas es una aplicación relativamente corriente, un cepillo moldeado que funciona como un componente en un dispensador de vasos. Aunque puede parecer pintoresco ahora, en la década de 1970 esto fue un gran problema, en especial para la empresa que diseñó y patentó la pieza, ya que fue diseñada por el fundador y presidente de la compañía.

La pieza, moldeada en un molde de ocho cavidades, salía como una tira plana con cerdas de cepillo que sobresalían de la base a intervalos regulares. Durante el montaje, la pieza simplemente se doblaba en una forma circular que encajaba en la parte inferior del dispensador de vasos. Lo particular era que las cerdas del cepillo garantizaban que solo una taza sería dispensada a la vez. Los consumidores quedaron fácilmente impresionados en los años setenta.

El molde se llevó a un proveedor diferente, y el dibujo de la pieza simplemente decía “polietileno”. Cuando el moldeador preguntó sobre la densidad deseada, el comprador en la compañía de vasos no tenía idea y no parecía importarle mucho más que el precio del artículo. En ese momento, este proveedor en particular moldeaba una gran cantidad de baldes de 5 y 2 galones, con un precio muy favorable por el material. Por lo tanto, las muestras fueron moldeadas en este material, que era un PEAD con un índice de fluidez de 7 g/10 min y una densidad de 0.952 g/cm³. Las piezas se moldeaban bien y se ajustaban adecuadamente al montaje; el comprador y el personal de calidad en la planta a la que se enviaban las piezas las aprobaron, y comenzó la producción.

Varios meses después, uno de los montajes llegó a la sede central, donde el fundador de la empresa tuvo la oportunidad de probarlo. No estaba contento. Las cerdas del cepillo eran demasiado rígidas, lo que dificultaba sacar la taza del dispensador. Peor aun, al tirar de la pila de tazas, de alguna manera podían salir dos tazas al mismo tiempo y no una, como era deseable. La onda expansiva retumbó a través de la organización y finalmente llegaron a la instalación de moldeo.

Hecha la retroalimentación, fue bastante simple corregir el problema. Se compró un PEBD y la paz regresó al reino, aunque no sin una discusión enérgica sobre qué hacer con respecto a los cientos de miles de dispensadores de tazas que se habían enviado con los cepillos de PEAD. Posteriormente se descubrió que los cepillos de PEAD mostraban con el tiempo un comportamiento más preocupante.

Con el uso repetido, las cerdas comenzaban a romperse de la base. Esto afectaba la funcionalidad de la pieza y creaba la posibilidad de que las piezas de PE cayeran en la taza dispensada. Nunca he oído hablar de informes de consumidores que ingirieran piezas de PE, pero es posible imaginar lo que habría ocurrido en el mundo actual de opiniones en línea y comentarios instantáneos de los clientes.

El cambio en el comportamiento de la pieza moldeada a medida que se modifica la densidad del material proporciona una ilustración instructiva sobre el efecto de la densidad en el rendimiento mecánico.

El PEAD tiene un mayor grado de cristalinidad que el PEBD. Esto se traduce en propiedades mejoradas de soporte de carga, como resistencia y rigidez, pero reduce la ductilidad.

Además, el PEAD proporciona una superficie más dura y tiene una opacidad más alta que el PEBD para cualquier espesor de pared dado. Y aunque esta parte en particular siempre se utilizó en condiciones ambientales, el comportamiento dependiente de la temperatura de PEAD y PEBD también refleja las diferencias en la estructura molecular. El PEAD mantiene un mayor porcentaje de su rendimiento a temperatura ambiente a temperaturas elevadas, y el punto de fusión del PEAD es aproximadamente 30 ^oC (54 ^oF) más alto que el del PEBD. Sin embargo, el PEBD se puede utilizar a temperaturas más bajas sin volverse frágil.

Las diferencias en el rendimiento se pueden observar, incluso, cuando se efectúan cambios relativamente pequeños en la densidad. A menudo, estos cambios se realizan involuntariamente. Hace varios años trabajamos con un cliente en una pieza de un grado PE con una densidad de 0.962 g/cm³. Esto está en el extremo superior del espectro de densidad para el polietileno.

En este caso, la pieza estaba bajo esfuerzo constante en un montaje, y un pequeño porcentaje de las piezas desarrollaron grietas con el tiempo, que causaron una fuga de la válvula. El examen de fracturas mostró que el mecanismo era el agrietamiento por estrés ambiental (ESC). Se descubrió que el proceso de agrietamiento podría acelerarse al exponer el montaje a ciertos tipos de soluciones jabonosas, que actúan como agentes de agrietamiento por esfuerzo para el polietileno.

Cuando esto se hizo a las piezas no ensambladas, el nivel de falla fue inferior al 1 %. Pero una vez en el montaje y bajo la influencia de las tensiones asociadas, la tasa de fallas aumentó a más del 25 %.

ESC es un mecanismo que se observa típicamente en polímeros amorfos, y aprendemos de la observación que los polímeros amorfos son mucho más susceptibles a este mecanismo de falla que los polímeros semicristalinos.

Conociendo esto, es contradictorio que los PE de mayor densidad, que son de mayor cristalinidad, sean más susceptibles a la falla ESC que los grados de menor densidad. Pero eso es, de hecho, lo que observamos. En este caso, la petición de un cliente condujo indirectamente a una solución. Las piezas siempre habían sido moldeadas a partir del material natural, sin pigmentar. Un cliente de mi cliente solicitó que se coloreara un número determinado de las piezas de polietileno.

A menudo se considera que el color moldeado no requiere ningún proceso de pensamiento real más allá de la coincidencia del color. Una vez acordado el color, se fabrica y se añade un concentrado en una dosificación particular. Pero la resina portadora utilizada para hacer el concentrado puede alterar las propiedades de la resina base... para bien o para mal.

En este caso resultó ser para bien. Se observó que las piezas de color nunca regresaron del campo con grietas, y cuando se realizó la prueba de solución jabonosa en estas piezas, no se observó agrietamiento. Cuando se midió la densidad de las piezas de color, el resultado fue 0.953 g/cm³.

Al principio se pensó que la resina base proporcionada no estaba dentro de las especificaciones. Por lo general, los proveedores de polietileno pueden mantener la densidad de cualquier grado dado a +-0.002 g/cm³ de la especificación nominal. En este caso, el culpable fue el concentrado.

La resina portadora del concentrado era un PELBD con una densidad de 0.920 g/cm³. Cuando se añadió a la ratio de dosificación prescrita, se redujo la densidad de la resina base y resolvió casualmente el problema ESC. Al darse cuenta de que la pieza todavía funcionaba mecánicamente, incluso con la reducción asociada en resistencia y rigidez, la solución al problema de agrietamiento era obvia.

En nuestra próxima columna veremos un caso de estudio de hace casi veinte años en el que un grado de polietileno históricamente exitoso fue eliminado gradualmente y reemplazado por un grado de mayor densidad, que ocasionó un problema de campo significativo.