Tiempo de ciclo, parte 3: aumento del módulo en un polímero

Para calcular correctamente el tiempo de ciclo, es necesario comprender cómo aumenta el módulo de un polímero a medida que se enfría en el molde. En las dos últimas columnas, hemos estado discutiendo las reglas generales para calcular tiempos de ciclo para las piezas moldeadas por inyección, con particular énfasis en cómo determinamos la temperatura del polímero que permita la eyección de la pieza sin deformación durante el desmoldeo o la posterior deformación de la pieza cuando se enfría a temperatura ambiente. Muchas herramientas hacen referencia a la temperatura de deflexión bajo carga (DTUL) o a un porcentaje de ese valor. Un estudio más amplio de la literatura sobre el tema descubrió incluso una referencia a la temperatura de reblandecimiento Vicat cuando se moldean polímeros amorfos, un valor que es algo más alto que el DTUL.

Para proporcionar un tratamiento útil de este tema, se debe considerar el espesor de la pieza, ya que esto influirá en factores como la tasa de transferencia de calor a través de la pieza del centro a la superficie exterior y desde la superficie exterior a la pared del molde. Esto, a su vez, influirá en la temperatura real del polímero que se supone se puede capturar en el término de la temperatura de eyección (TE). El objetivo de este artículo es llegar a comprender cómo el módulo de un polímero aumenta a medida que se enfría en el molde.

Como lo dijimos en la columna del mes pasado, los polímeros amorfos y los polímeros semicristalinos muestran diferencias en el comportamiento dependiente de la temperatura. El gran evento en la historia térmica de un polímero amorfo es la transición vítrea. Si la temperatura de un polímero amorfo se aumenta desde la temperatura ambiente, finalmente se imparte suficiente energía al material para crear un movimiento independiente a lo largo de importantes tramos de las cadenas de polímero individuales que componen el material. Cuando esto ocurre, el módulo de elasticidad del polímero disminuye rápidamente. La gráfica para el PC que se muestra en la figura 1 ilustra cuando se produce este evento entre aproximadamente 140 y 160 C (284 y 320 F). En este rango de temperatura relativamente reducido, el módulo del material disminuye en aproximadamente un 99%.

A medida que el polímero se enfría en el molde, tiene lugar el proceso inverso. El material fundido que entra en el molde empieza a construir módulo rápidamente mientras que se enfría durante este intervalo de temperatura. Las capas del material que están en contacto directo con el molde sufrirán este cambio a una mayor velocidad. Las capas interiores se enfriarán más lentamente, debido a su distancia de las superficies de la cavidad y el núcleo, y al hecho de que los polímeros son relativamente malos conductores del calor. La temperatura de la superficie del molde influirá en la tasa de transferencia de calor, y esto será más notorio en la superficie de la pieza. Pero se da por hecho que la temperatura del molde debe establecerse por debajo de la temperatura de transición vítrea de un polímero amorfo para asegurar que el material "funcione".

Las temperaturas de referencia sobre las que hemos estado hablando —temperatura de reblandecimiento Vicat y HDT (o DTUL) — en los dos esfuerzos más utilizados de 66 y 264 psi se muestran en la curva del módulo para el PC. Debería ser obvio que hay pocas posibilidades de que el material alcance un módulo eyectable en la temperatura de reblandecimiento Vicat. Pero cuando llegamos a los valores HDT, el módulo del material es aproximadamente 75-80% de lo que será cuando el material se enfríe a temperatura ambiente. Suponiendo que las capas más internas de la pieza hayan alcanzado esta temperatura, la pieza tiene casi todas las propiedades que tendrá cuando se haya enfriado completamente. Nos tenemos que preguntar entonces por la "regla", anteriormente citada, que dice que el material debe estar a una temperatura que sea el 80% de su HDT. Si usamos 135 C (275 F) como nuestro HDT, que es el punto medio entre los dos valores que aparecen en el gráfico, y luego calculamos este valor de 80% (ignorando por un momento el protocolo apropiado de hacerlo en la escala absoluta o escala Kelvin, sobre la que hablamos en la edición pasada), obtenemos un valor de 108 C (226 F). En el intervalo entre 135 C y 108 C, el módulo apenas ha cambiado. Entonces, ¿qué es lo que estamos esperando?

Para volver un momento al punto en que todas las ciencias tratan la temperatura con una escala absoluta, si este valor del 80% se calculara correctamente, el valor de 135 C primero se convertiría a 408 K. Tomando el 80% de este valor nos daría 326,4 K o un poco más de 53 C (127 F). Esto nos pone en un punto algo diferente en la escala. Sin embargo, para el PC la diferencia es poca en el módulo del polímero. Esto es parte del problema que tenemos como industria cuando unimos estas reglas imprecisas. Buscamos en el eje equivocado. El eje vertical que traza el módulo es al que debemos prestar atención, no a la escala de temperatura. El efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas no es lineal.

Esta falla general al entender la relación entre módulo y temperatura conduce a algunas malas prácticas cuando se establecen las condiciones de proceso. El rango recomendado de temperatura de molde para el policarbonato es 70-95 C. Pero es evidente, al analizar la curva, que temperaturas de molde más altas son posibles y pueden utilizarse sin afectar significativamente el tiempo de ciclo, siempre y cuando se considere el espesor de la pieza. He procesado piezas de PC con paredes nominales de 0.5 pulgadas de espesor a temperaturas de molde de 105 C (221 F) y he procesado piezas en el mismo tiempo de ciclo que cuando las piezas se procesaban en un molde de 15 C (59 F). Las piezas moldeadas a una temperatura del molde más alta tenían mejor aspecto, eran dimensionalmente más estables y tenían un menor nivel de esfuerzo interno. Este último factor hace que las piezas sean más resistentes al impacto y sean menos sensibles a uno de los más grandes enemigos de las piezas de PC, el agrietamiento por esfuerzo ambiental. Cuando llevé la temperatura del molde hasta 105 C, me dijeron que el material "nunca funcionaría." Sin embargo, un vistazo rápido a la gráfica de módulo en la figura 1 muestra que no puede ayudar, pero lo hace.

Otro aspecto de la ecuación de eliminación de calor que a menudo se pasa por alto es la cantidad de energía que impartimos al material en el cilindro. La persona que maneja el molde frío estaba procesando a una temperatura de fusión de 321 C (610 F). Opté por una temperatura de fusión mucho más baja de 260 C (500 F) y aproveché una capa congelada que se transformaba mucho más lentamente a una más alta temperatura de molde, permitiendo que el molde se llenara con la masa fundida más fría. Dos años después de la fecha de moldeo, las piezas producidas en el molde frío con el fundido caliente comenzaron a desarrollar espontáneamente grietas de esfuerzo, que seguían haciéndose más grandes y más numerosas, mientras que las piezas producidas con el conjunto de condiciones opuestas continuaba funcionando bien.

El otro factor que no se considera en la discusión sobre el tiempo de ciclo es el efecto de la presión sobre la relación entre volumen y temperatura. La figura 2 muestra un diagrama PVT para un polímero amorfo. Esto demuestra la relación entre presión, temperatura y el cambio volumétrico en el polímero. El cambio brusco en la pendiente de las gráficas de volumen específico representa la transición vítrea. Observe que a medida que aumenta la presión sobre el polímero, la temperatura de transición vítrea aumenta también. Por lo tanto, las presiones utilizadas durante la fase de empaque y mantenimiento del proceso de inyección pueden en realidad influir en la temperatura en la que se produce esta transición tan importante. Las presiones más altas deben resultar en una mayor temperatura de transición vítrea y, por lo tanto, un primer logro de un módulo extraíble.

Un análisis de la Fig. 1 debe hacer evidente que las reglas para polímeros semicristalinos son diferentes. En nuestra próxima entrega, examinaremos estos materiales.

Lea a continuación Parte 4: materiales semicristalinos.