Temperatura del molde al procesar policarbonato: velocidad de enfriamiento

El policarbonato ha sido un material comercial durante más de 60 años. En el momento de su desarrollo representaba una extensión significativa de las propiedades que estaban disponibles en un material transparente.

Los materiales claros de productos básicos como el poliestireno de uso general y el acrílico que habían estado disponibles durante décadas antes de la invención de PC tienden a ser frágiles a menos que se modifiquen al impacto, y carecen de la resistencia al calor que ofrece el PC.

Los polímeros transparentes de mayor rendimiento, como la familia de materiales a base de sulfona, que se desarrollaron después de la introducción del policarbonato, normalmente no son cristalinos y también presentan una mayor sensibilidad a la entalla a pesar de que muestran una buena ductilidad inherente.

El PC, por lo tanto, ocupa un nicho que le ha permitido crecer a un nivel de consumo global que se acerca a los 10 mil millones de libras.

Como tal, representa un poco más del 1% del plástico que se consume en todo el mundo en un año determinado. Sin embargo, los encargados en el análisis de fallas le dirán, al menos anecdóticamente, que aproximadamente el 15% de las piezas fallidas que evalúan están hechas de PC. Y a pesar de su reputación como un material "a prueba de balas", muchas de las características de fractura que observamos bajo el microscopio son frágiles.

Esto no es una crítica al polímero. Es, sin embargo, una ilustración de cómo funcionan las cosas cuando el mundo real choca con las expectativas de los diseñadores e ingenieros que se basan en las propiedades publicadas.

Una de las características de rendimiento más conocidas de PC es una propiedad que siempre se incluye en la hoja de datos: la resistencia al impacto Izod con muesca. El PC registra rutinariamente los valores de 12-18 ft-lb/in. (640-960 J/m). La mayoría de los polímeros están muy por debajo de estos números. Si se acercan a ellos, por lo general, lo hacen porque se basan en modificadores de impacto y, en consecuencia, sacrifican la resistencia y la rigidez. Pero hay muchas influencias que pueden erosionar los impresionantes números que contribuyen a la reputación del policarbonato como uno de los polímeros más duros del mercado.

Probablemente el más conocido de estos es la sensibilidad a una amplia gama de productos químicos. Estos promueven ataques químicos o agrietamiento por estrés ambiental (ESC). En NPE 1979 uno de los principales fabricantes de PC en ese momento dedicó una cantidad significativa de espacio en la exposición para demostrar la resistencia al impacto de un parachoques delantero de PC para automóviles.

El parachoques fue sometido a una demostración muy impresionante de su dureza varias veces al día. La aplicación nunca se llevó al mundo real, en gran parte debido al número de fluidos que forman parte del entorno de uso final automotriz. El material final de elección, en ese momento, fue una aleación de PC y poliéster, donde el poliéster semicristalino proporcionaba la resistencia química necesaria.

La adición de color puede tener un efecto sustancial en la dureza de la resina base. El grado de cambio en la resistencia al impacto dependerá del color, la química elegida para crearlo y la cantidad de colorante añadido. Los efectos sobre la ductilidad son más notables en los especímenes que tienen entalla que en aquellos donde no hay concentración de esfuerzo.

El peso molecular del PC que se está coloreando también influirá en cómo el rendimiento de impacto del material se ve afectado por el color. Los grados de peso molecular altos preservan sus propiedades de impacto mejor que los grados de peso molecular bajo, especialmente en el caso de colorantes opacos.

Muchos profesionales de la industria también son conscientes del hecho de que el PC es sensible a los efectos de la humedad a temperaturas elevadas. Esto puede causar problemas en las piezas moldeadas que están expuestas a alta temperatura y alta humedad al mismo tiempo, como en la llamada prueba 85/85 para recintos electrónicos que implica 1000 horas de exposición a 185 F (85 C) y 85% de humedad relativa.

Si bien ni esta temperatura ni este nivel de humedad por sí solos presentan ningún desafío para el rendimiento del policarbonato, la combinación producirá una reducción sustancial en el peso molecular del polímero.

Uno de los primeros fracasos más notables del PC se dio en la industria de pequeñas aplicaciones cuando el material fue moldeado en partes que manejaban rutinariamente agua caliente. Los efectos a corto plazo de este entorno de aplicación fueron insignificantes. Pero con el tiempo con la exposición repetida el material comenzó a ser frágil y se agrietó.

El mismo mecanismo, conocido como hidrólisis, se sucederá muy rápidamente si el polímero se procesa sin secar adecuadamente la resina. Lo que ocurre después de más de cien horas en estado sólido ocurre mucho más rápidamente cuando el exceso de humedad en los pellets se expone a temperaturas de procesamiento de 536-608 F (280-320 C) durante varios minutos. La degradación del polímero resultante reduce la ductilidad del polímero.

Pero un factor que se pasa a menudo por alto en la optimización de la ductilidad del PC es la velocidad a la que el polímero se enfría en el molde. Hace muchos años, tenía un cliente que permanentemente se quejaba de sus piezas de PC frágiles.

El cliente culpaba de esto al fabricante de resina inicialmente, y cuando el cliente finalmente revisó el procesamiento en su planta, se centró en el secado como la clave para mejorar el rendimiento. Si bien esto era bueno, no resolvió el problema. El elemento que faltaba era la temperatura del molde. Este procesador que moldeaba piezas para su propia línea de productos, ejecutaba rutinariamente sus moldes a 110-120 F (43-49 C) con el fin de minimizar los tiempos de ciclo.

Varias veces, se demostró que cuando las piezas se producían en moldes que procesaban a 180-190 F (82-88 C) las piezas mostraban una excelente resistencia. Esto se hizo sin penalización en el tiempo de ciclo. Pero los viejos hábitos pueden ser difíciles de romper, y poco después de que se hicieron los cambios, los técnicos de la planta intervinieron, volviendo a bajar las temperaturas del molde y reintroduciendo la condición frágil.

Las temperaturas bajas del molde y las tasas de enfriamiento rápidas asociadas producen mayores niveles de esfuerzo interno en la pieza moldeada. Esto surge en parte debido al desarrollo más rápido de la capa congelada a medida que el material fluye hacia el molde.

Esto puede dar lugar a líneas de flujo que son evidencia visual de flujo retenido También produce un mayor grado de orientación retenida en las capas más rápidamente enfriadas en la superficie exterior. La orientación es útil para promover el adelgazamiento del cizallamiento y reducir la viscosidad del material a medida que fluye hacia la cavidad. Pero si se conserva demasiada orientación en la parte final, las propiedades se vuelven anisotrópicas, maximizando la resistencia y la rigidez en una dirección preferida, pero creando una condición más débil en otras direcciones.

Un contribuyente aún mayor al esfuerzo interno es la diferencia en la velocidad de enfriamiento entre la capa de material que está en contacto directo con la superficie del molde y el material interior.

Los plásticos son malos conductores de calor. Por lo tanto, las capas interiores de una pieza se enfrían más lentamente que las capas de superficie. Procesar a una baja temperatura del molde exagera esta diferencia en la velocidad de enfriamiento. Las variaciones en la velocidad de enfriamiento en las diferentes capas de material que componen una pieza producen diferencias en la contracción.

Este problema se magnifica a medida que las paredes se vuelven más gruesas. Esto se muestra con un fenómeno conocido como espesor crítico, una propiedad particularmente bien documentada en el policarbonato. Este comportamiento se observa como una reducción muy grande en la resistencia al impacto Izod con muesca a medida que aumenta el espesor de la pared de las muestras de prueba.

Todo esto apoya el argumento de que los moldes más calientes producen piezas con mejores propiedades, incluso en un polímero amorfo como el PC donde no hay expectativa de que tenga tiempo para formarse una estructura cristalina. Pero, ¿cuál es la temperatura óptima del molde? Como una forma de responder a esa pregunta, en nuestro siguiente segmento citaremos estudios de caso en los que se utilizó la temperatura del molde para mejorar el rendimiento​​​​​.​

Lea a continuación: Parte 2: temperatura óptima del molde.