Leccion12.OtrosMetodosConformado

8/8/2019 Leccion12.OtrosMetodosConformado

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LECCION 12.- PLSTICOS / OTRAS TECNICAS DE CONFORMADO.

1.- Tcnicas basadas en la extrusin.

1.1.- Introduccin.

La extrusin es un proceso sumamente verstil, ya que puede ser adaptado, mediante el empleo delos dados apropiados, para producir una amplia gama de productos.

1.2.- Soplado de pelcula.

1.2.1.- Introduccin. Procedimiento de obtencin.

Aunque las lminas y pelculas de plstico pueden producirse usando un dado con una aberturarectangular estrecha, el mtodo ms comn, hoy en da, de obtencin de dichos artculos es el

proceso de soplado de pelcula, que se muestra en la figura 1.2.1.1. Los filmes de PEBD de

espesores entre 30 y 200 my anchos de 400 a 1200 mm (modernamente hasta 3000 mm para 200m) se fabrican generalmente por extrusin y soplado.

El plstico fundido, proveniente de la mquina de extrusin, pasa a travs de un dado anular queapunta, generalmente, hacia arriba y sale como un tubo delgado y de gran dimetro. Un suministrode aire al interior del tubo le impide derrumbarse y sirve para inflarlo y formar una larga burbujacilndrica de varias veces el dimetro del tubo que sale de la mquina de extrusin. El aire delinterior est contenido como en una gran burbuja mediante un par de rodillos colapsantes que estnen la parte alta.

Al principio la burbuja consiste en plstico fundido, pero un flujo de aire alrededor del exterior dela burbuja promueve su enfriamiento y, a una cierta distancia del dado, se puede identificar unalnea de solidificacin. La pelcula enfriada pasa a travs de las placas guas y se aplasta entre dosrodillos de arrastre (calandra de tiraje), antes de pasar a los tambores de almacenamiento (calandrade enrollado), donde se recoge la bobina. Entre los rodillos de arrastre y la calandra de enrollado sedisponen generalmente los sistemas de tratamiento y eliminacin de cargas estticas. La mayora delos sistemas comerciales estn provistos de instalaciones de almacenamiento gemelo, de modo queun tambor lleno pueda ser eliminado sin parar el proceso productivo.

La calandra de tiraje est compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que deben producir una presin de cierre uniforme, tirando del film con una velocidad de arrastre que, endefinitiva, va a determinar el espesor del film.

El cabezal de la extrusora debe estar adecuadamente calentado. El paso o espesor de la hileradebe ser de 0.5 a 1.4 mm, con un tramo recto de 20 mm de longitud como mnimo, para poderobtener un film de espesor regular. Por el centro del ncleo o torpedo se inyecta el aire que debeformar la burbuja, hasta que sta tenga las dimensiones deseadas (en dimetro y espesor).

A la salida del cabezal el material se enfra bruscamente mediante una corriente forzada de aire quepasa a travs de una cmara anular y se dirige concntrica y uniformemente sobre la burbuja. Si elflujo del aire no est bien regulado o no es concntrico con la burbuja, se produce una diversidad deespesores que dan lugar a la formacin de ondulaciones en la bobina, lo que supone un graveinconveniente en el momento en que se va a imprimir el film. Para evitar estos defectos se suelenusar anillos distribuidores de aire rotatorios, que reparten la posible diferencia de espesores

helicoidalmente en torno a la bobina.


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La ventaja principal del soplado de pelcula es la facilidad con la cual puede introducirse en lapelcula una orientacin biaxial. Se expande radialmente casi tres veces su dimetro original y, almismo tiempo, se estira en la direccin axial. El resultado es que la pelcula queda orientada

biaxialmente y esta orientacin se hace permanente al cristalizar, ya que se congela la orientacinen su lugar original.

Dado con spiders Dado sin spiders

Figura 1.2.1.1.- Proceso de soplado de pelcula.


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Figura 1.2.1.1.- Proceso de soplado de pelcula.


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1.2.2.- Anlisis del soplado de pelcula.

Se denomina relacin de soplado la relacin entre el dimetro de la burbuja y el de la hilera, esdecir:

2bs

h h

D LR

D D

= = (1.2.2.1)

siendo: L = Ancho de la pelcula

En general se trabaja con relaciones de soplado, RS, entre 1.8 y 2.5 Si la relacin de soplado espequea, la resistencia a la rotura en el sentido de la extrusin se reduce notablemente.

La presin del aire en la burbuja determina el hinchamiento de la burbuja y esto controla laorientacin circunferencial, se produce un estirado transversal que reduce la orientacin de lasmacromolculas en la direccin de la extrusin, mejorando considerablemente las propiedadesmecnicas Adems, la orientacin axial puede controlarse variando la velocidad del rodillo dearrastre superior, en relacin con la velocidad lineal de la burbuja. Esto se denomina como estirado

hacia abajo.

El polmero sale del dado a una velocidad, V1. Esta velocidad puede determinarse conociendo elcaudal volumtrico de salida, Q, y el rea, A, del orificio por el cual sale. El rea del orificio desalida es:

( )2 22 1 A R R = (1.2.2.2)donde:

R1 = Radio interior del anillo de salida.R2 = Radio exterior del anillo de salida.

La velocidad de salida ser:

1

QV

A= (1.2.2.3)

Ajustando la velocidad de los rodillos de arrastre, V2, que aprietan el polmero formando lapelcula, a una velocidad V2> V1, la aceleracin en la direccin ascendente viene dada por:

2 1

2 1

V VdVa

dt t t

= =

(1.2.2.4)

Donde t2-t1 es el tiempo que permanece el material entre el dado y los rodillos de arrastre(Calandra de tiraje). La fuerza debida a la aceleracin ser:

2 1

2 1

V VF ma m

t t

= =

(1.2.2.5)

donde m es la masa de polmero y a es la aceleracin, la cual puede ajustarse.

La calandra de tiraje esta compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que debenproducir una presin de cierre uniforme, y que tiran de la pelcula con una velocidad de arrastre queva a determinar su espesor.


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Las fuerzas en las direcciones horizontal y vertical son las causantes del estiramiento del biaxial dela pelcula. La velocidad de los rodillos de arrastre y as, el grado de estiramiento biaxial, puedeajustarse segn las necesidades. Si la pelcula de polmero se va a usar para fabricar una bolsa de

basura, sera de desear una resistencia elevada y una permeabilidad baja.

Se denomina relacin de tiraje la existente entre las velocidades de tiraje y de extrusin delmaterial.

2 1 1

1 2 2

d

sb

V D h hT

V D e R e

= = = (1.2.2.6)

siendo:Dd = Dimetro del dado

Db = Dimetro de la burbujae = Espesor de la pelcula

h = Espesor de la hilera1 y 2 = Densidades del polmero fundido y slido (0.82 para el PEBD), respectivamente.RS = (Db/Dh) = Relacin de soplado

Para obtener una buena calidad del film, T debe estar comprendido entre 3 y 6. En la calandra debobinado se disponen una serie de rodillos que evitan la formacin de pliegues.

Es posible hacer una estimacin de la orientacin de la pelcula soplada , considerando solamente elefecto debido al inflado de la burbuja. Como la velocidad de flujo en volumen es el mismo para el

plstico en el dado y en la burbuja, luego en la unidad de tiempo se tiene:

d d d b b bD h L D h L = (1.2.2.7)

donde D, h y L se refieren al dimetro, el espesor y la longitud respectivamente y el subndice d espara el dado y la b para la burbuja.

Entonces la orientacin en la direccin de la mquina, OMD, viene dada por:

b d d d MD

d b b b R

L D h hO

L D h h B= = = (1.2.2.8)

dondeRB es la relacin de hinchamianto radial

b

d

D

D

.

La orientacin en la direccin transversal, OTD,viene dada por:

bTD R

d

DO B

D= = (1.2.2.9)

Por tanto, la relacin de orientacin puede expresarse como:

( )2

dMD

TD b R

hO

O h B= (1.2.2.10)


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Los filmes tambin se pueden fabricar por extrusin a travs de boquillas con dado delgado y largo,de la que salen verticalmente, enfrindose seguidamente entre cilindros refrigerados o en un bao deagua. Los filmes de termoplsticos cristalinos obtenidos por extrusin plana son ms transparentesque los filmes tubulares, debido a la mayor velocidad de enfriamiento que limita el desarrollo de lacristalinidad. Sin embargo, al no producirse el estirado biaxial caracterstico de la extrusin tubular,su tenacidad resulta inferior.

Vale la pena observar esta tcnica con mayor detalle. En primera instancia, Por qu no revienta la burbuja? Debe haber un mecanismo de estabilizacin. Para encontrarlo, hay que analizarnuevamente el comportamiento general del material y reflexionar acerca de la naturaleza del

procedimiento. El soplado de la burbuja es principalmente un proceso de traccin, ms que de corte.

1.2.3.- Comportamiento ante los esfuerzos de traccin.

Hay cuatro componentes de la deformacin: los comportamientos elstico y viscoso ante losesfuerzos de corte y de traccin. El inters principal se relaciona con la viscosidad de corte, aunquetambin existe la viscosidad de traccin. El soplado de la burbuja es, principalmente, un proceso detraccin, ms que de corte, y cabe preguntarse como reaccionan los polmeros cuando la mayor

parte de los esfuerzos son de traccin.

Al igual que cuando se somete a esfuerzos de corte, hay un comportamiento viscoelstico. Laviscosidad en traccin tiende a ser alta, aproximadamente tres veces la de corte ( ~ 3). Tambinhay un paralelismo con el comportamiento newtoniano y no newtoniano, as si la viscosidad a latraccin es independiente de la velocidad de deformacin, se dice que el fluido es troutoniano (queequivale al comportamiento newtoniano en el corte). Hay dos tipos de comportamiento notroutoniano, el cual s depende de la velocidad deformacin: la rigidizacin por traccin y eldebilitamiento por traccin. Estos se muestran en la figura 1.2.3.1.

La mayora de los polmeros fundidos son troutonianos, por ejemplo, el polimetilmetacrilato, el poliestireno, el policarbonato, el nylon, el polietilentereftalato. El polietileno de baja densidadramificado sufre rigidizacin por traccin. Las poliolefinas lineales, por ejemplo, el polietileno dealta densidad y el polipropileno, se debilitan por traccin. El comportamiento elstico siempre es elde rigidizacin por traccin.

Figura 1.2.3.1.- Viscosidad en traccin.


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1.2.4.- Estabilizacin de la burbuja.

Ahora se puede ver de qu manera el comportamiento ante la traccin estabiliza la burbuja pelicular. Un sistema como ste siempre tiene irregularidades accidentales. Cuando el productoextruido es ligeramente ms delgado, el esfuerzo es mayor. Un material no rigidizable se deformarms, posiblemente hasta que se rompa. La rigidizacin por traccin, sin embargo, genera una mayorreaccin viscosa o elstica, la cual contrarresta ms de lo necesario el incremento del esfuerzo y seestabiliza el sistema.

El otro factor importante de estabilizacin es la rapidez de cristalizacin. Cuando se fabrica unapelcula de esta manera, se forma una lnea de congelacin un poco hacia arriba de la burbuja. Aques donde cristaliza el polmero y se hace menos transparente. En un polmero que se transforma biencon este procedimiento, la cristalizacin se provoca con tensiones y, en consecuencia, se rigidiza

por traccin, la rapidez de cristalizacin no deber ser tan alta que impida obtener primero laorientacin necesaria. Por lo comn, los polmeros en los cuales sucede esto, por ejemplo, el acetaly el nylon, no pueden tratarse de manera satisfactoria con esta ruta.

Los efectos principales son el comportamiento elstico en el producto obtenido por extrusin,

refrigerante y gomoso, y la rapidez de cristalizacin, ambos rigidizantes por traccin, de modo queincluso el polietileno de alta densidad, cuya fusin es adelgazante por traccin, es netamenterigidizante por traccin. El polietileno de baja densidad fue uno de los primeros polmeros que sesometi al tratamiento. Su viscosidad rigidizante por traccin fue importante en las primerasexperiencias.

Hay un contraste interesante en la produccin de la pelcula de polipropileno. El polipropilenoadelgaza por traccin cuando est fundido y adems su rapidez de cristalizacin durante elenfriamiento es muy lenta; esto le impide intervenir en el proceso de soplado de pelcula comn quese explic anteriormente. Se adopta, por tanto, una tcnica diferente en la cual el material obtenido

por extrusin se enfra bruscamente mientras est en el estado fundido con agua muy fra para

obtener un tubo amorfo gomoso. Luego se recalienta hasta la temperatura a la cual se obtiene unamxima cristalizacin y. luego, se sopla (Figura 1.2.4.1).

Hay que sealar, que el procedimiento del polipropileno funciona verticalmente hacia abajo. Alsoplar dentro del tubo recalentado se evitan los problemas que acompaan a una fusin adelgazante

por traccin y una cristalizacin lenta que dara lugar a una burbuja inestable. Este procedimientodel polipropileno es especialmente interesante porque simboliza el fundamento de estirar y soplar

botellas, el cual adquiri importancia en aos recientes para envasar bebidas carbonatadas.

La pelcula soplada de polipropileno tiene un uso importante para empaquetar. Es la pelcula"crujiente" que no se deja torcer cuando se desea desechar, se utiliza mucho en paquetes de papas

fritas y en el exterior de paquetes de t y tabaco. La pelcula para tabaco tiene que ser especialmenteimpermeable a los gases con el fin de retener niveles de humedad y aroma en el contenido. Paramejorar sus propiedades en este aspecto, se reviste con cloruro de polivinilideno a partir de unadispersin acuosa y se seca luego.


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Figura 1.2.4.1.- Soplado de la pelcula de polipropileno.

1.3.- Procesos de recubrimiento.

1.3.1.- Introduccin.

Hay muchas aplicaciones en las cuales es necesario poner un recubrimiento de plstico sobrelminas de diversos materiales y la extrusin proporciona un modo ideal de hacer esto. As, en laactualidad se recubren gran nmero de materiales (papel, cartn, tejido de yute, hoja de aluminio,

etc.) con filmes de plstico, especialmente PEBD, mediante extrusin directa. Normalmente, una pelcula delgada de plstico fundido es extruida mediante un dado con unaestrecha abertura rectangular e inmediatamente se pone en contacto con el producto que se quiererecubrir. El material compuesto formado se pasa entre unos rodillos para asegurar la adherenciaapropiada en la intercara entre los dos materiales y tambin para controlar el espesor de la capa derecubrimiento (Figura 1.3.1.1).


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Figura 1.3.1.1.- Proceso de recubrimiento de lminas.

El fundido que sale de la cabeza de la extrusora es estirado por dos rodillos cilndricos directamente

situados debajo de la hilera y entre los cuales pasa el sustrato con una velocidad mayor que la desalida del polmero de la extrusora, con lo que se produce un estirado del film de forma que seconsigue el espesor deseado, mientras que la presin entre los rodillos lo suelda al sustrato.Seguidamente se refrigera en otro rodillo, se cortan los bordes laterales, en los que es imposibleconseguir un buen acabado, y se bobina.

Para conseguir una buena adherencia del recubrimiento es preciso disponer de una alta temperaturaen la extrusora. Esto supone un serio inconveniente para materiales como el PVC, cuyo punto dedegradacin trmica est muy prximo a la temperatura necesaria para alcanzar la fluidez adecuada.En tales casos resulta preferible realizar el recubrimiento mediante calandrado.

Cuando el material a recubrir es poroso (papeles y tejidos, por ejemplo) el recubrimiento fundidopenetra en los poros producindose un anclaje o adhesin fsica. Sin embargo, cuando el sustrato presenta una superficie lisa y continua, la adhesin depende fundamentalmente de la atraccinqumica que, en materiales poco adherentes, como el PE, se favorece por la oxidacin producidacuando se trabaja a alta temperatura. El inconveniente de esta oxidacin es que disminuye lasoldabilidad posterior del recubrimiento. Puede mejorarse la adhesin precalentando el sustrato arecubrir.

Otro tipo de proceso es el recubrimiento de cables elctricos, en donde se usan aislamientos deplstico, que con frecuencia son de polietileno, sobre conductores elctricos. La gran demanda de

cables con aislamiento en la industria elctrica significa que grandes tonelajes de plstico sonusados en esta tcnica de recubrimiento.

En la figura 1.3.1.2 se muestra el procedimiento de manera esquemtica. El cable elctrico pelado,que puede ser calentado o tener su superficie imprimada, se pasa a travs del cabezal derecubrimiento desde un carrete situado en la entrada del extrusor. Entra con un ajuste deinterferencia que evita cualquier tendencia del polmero a fluir en sentido inverso. El polmerofundido entra en ngulo recto y rodea el cable.

La velocidad de paso puede estar comprendida entre 1 m/min y 1000 m/min dependiendo deldimetro del cable. Cuando el cable sale del dado tiene una capa de plstico, cuyo espesor depende

de la velocidad del cable y de las condiciones de extrusin. A continuacin, el cable recubierto de plstico, pasa por una lnea de enfriamiento, que puede extenderse una distancia lineal de varioscientos de metros. Finalmente, el cable es enrollado sobre tambores de almacenamiento.


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Figura 1.3.1.2.- Recubrimiento de cables por medio de extrusin con cabeza transversal.

1.3.2.- Anlisis del recubrimiento de cables.

El recubrimiento de cables puede analizarse de manera muy similar a lo que se describi para elcaso de la extrusin. El recubrimiento sobre el cable proviene de dos efectos:

(a).- Flujo de arrastre debido al movimiento del cable(b).- Flujo de presin debido a la diferencia de presin entre la salida del extrusor y la del dado.

El flujo de arrastre, Qd, viene dado por:

1

2d dQ THV =

donde:

22

hT R

= +

El flujo de presin, Qp, viene dado por:31

12p

dPQ TH

dz=


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Combinando las dos expresiones anteriores, el caudal total de salida, Q, es:

1

2dQ THV = +

31

12

dPTH

dz=

1

2dTHV +

3

12

TH P

L(1.3.2.1)

Por su parte, el volumen del plstico de revestimiento del conductor elctrico es:

( )2 2

dQ V R h R = +

o bien:

[ ]2dQ V h R h= + (1.3.2.2)

Igualando las expesiones (1.3.2.1) y (1.3.2.2), se obtiene:

[ ]2dV h R h + =1

2

dTHV +

3

12

TH P

L

de la cual:

( )36

2dL V

P h HH

= (1.3.2.3)

La frmula anterior nos da la presin necesaria a la salida del extrusor y, por lo tanto, permiteseleccionar las condiciones apropiadas de extrusin.

1.4.- Coextrusin.

1.4.1.- Introduccin. Descripcin del procedimiento.

Como consecuencia de la amplia gama de exigencias que se requieren a los materiales plsticos enla prctica, no es inusual que en muchos casos no exista un plstico individual, que posea lacombinacin correcta de propiedades para satisfacer una necesidad particular. Por lo tanto, es muycomn en la fabricacin de artculos como: pelcula para empaquetar, recipientes para yogures,revestimientos de refrigeradores , juntas y marcos de ventana, que se tenga que ir a un plsticocompuesto de mltiples capas. Esto es, particularmente cierto para la pelcula extruida y laslminas para termoformado.

El proceso de coextrusin ha llegado a ser bastante atractivo para producir, entre otros, lminas y

pelculas plsticas compuestas de dos o ms capas. En este proceso, dos o ms corrientes de plsticofundido convergen y se unen a la entrada del dado, se desplazan luego como flujos adyacentes porel interior del dado emergiendo finalmente para enfriarse y solidificar, conformando as el productocoextruido de dos o ms capas. La figura 1.4.1.1 muestra cuatro diferentes perfiles de productoscoextruidos, donde A y B representan dos diferentes tipos de plstico.

El xito del proceso de coextrusin depende en gran medida del diseo del dado, el cual debe teneruna forma adecuada para reunir diferentes corrientes de plstico fundido y controlar, por ejemplo, elespesor de las diferentes capas del producto coextruido.

Sin embargo, las propiedades de flujo de cada uno de los plsticos utilizados, as como las

caractersticas reolgicas de los dos o ms flujos adyacentes, tambin influyen grandemente en elxito del proceso de coextrusin.


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Figura 1.4.1.1.- Diferentes perfiles de productos coextruidos

Las pelculas coextruidas pueden obtenerse por el mtodo de soplado de pelcula o por un procesode colado de pelcula como se muestra en la figura 1.4.1.2.a y b, respectivamente. El proceso decolado, que usa un dado con una ranura rectangular estrecha y un rodillo de enfriamiento, produceuna pelcula con una buena claridad y lustre. Sin embargo, el proceso de soplado produce una

pelcula ms fuerte debido a la orientacin transversal que se origina y ofrece una mayorflexibilidad en trminos de espesores de pelcula.

En la mayor parte de los casos hay una adherencia insuficiente entre los polmeros base y entonceses necesario tener una pelcula adhesiva entre cada una de las capas base. Las investigacionesrecientes en la coextrusin se centran en desarrollar tcnicas que eviten la necesidad de la capaadhesiva. Entre ellos esta el desarrollo de procesos de unin reactiva, en los cuales las capas co-extruidas se unen qumicamente por medio de enlaces entrecruzados.

Como la coextrusin es la extrusin simultnea de ms de un tipo de polmero para obtener un producto laminado. Esto requiere un extrusor separado para cada polmero (Figura 1.4.1.2). Elproducto se forma a partir de capas mltiples en el dado.

La tcnica permite obtener productos con propiedades diferentes en cada lado o, por lo comn, en elinterior y en el exterior. As, una capa interna puede dar impermeabilidad, en tanto que las capasexternas, entre las cuales se halla, proporcionaran una resistencia mayor a la abrasin. Por locomn, es necesario usar capas ligantes que mantengan juntas las capas funcionales. As, el

producto laminado tendra realmente cinco capas: externa-ligante-central-ligante-externa.

En el ejemplo comn ms simple se usan dos capas. Los contenedores internos de muchas marcas decereales se elaboran con pelcula soplada de polietileno de alta densidad (PEAD) con una capainterna de menor temperatura de reblandecimiento. Esto permite sellar el paquete en una prensa detenazas calientes, donde la capa interna se reblandece y sella sin que se dae la capa externa.

Inicialmente haba dificultad en este sistema de empaquetamiento para determinar las condicionescorrectas de proceso y los paquetes no sellaban adecuadamente o sellaban tan hermticamente queno podan abrirse con facilidad. Ahora, la tcnica est bien controlada, se tiene una mejor seleccinde las clases del polmero que se usa para las dos capas, de modo que en la actualidad los problemasde sellado han sido superados.


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Figura 1.4.1.2.- Coxtrusin de pelculas plsticas.

La principal razn de producir pelculas coextruidas de mltiples capas, es conseguir materialescon mejores propiedades de barrera, en particular con respecto a la infiltracin de gas. La tabla

1.4.1.1 muestra los efectos que se pueden alcanzar.


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Tabla 1.4.1.1.- Efectos que se pueden lograr con la coextrusin.

Las tcnicas de coextrusin se emplean no slo para perfiles, sino tambin en pelculas sopladas,como se puede observar, en algunos ejemplos de botellas sopladas. Por qu no se mezclan lascorrientes de polmero cuando se juntan en el dado? La razn es que las condiciones de flujolaminar prevalecen sobre las de turbulencia que conduciran a su mezcla. La alta viscosidad es elfactor principal y produce un valor bajo del nmero de Reynolds, Re:

e. .

Rcos

DensidadVelocidad Dimensiones del canal vd

Vis idad

= = (1.4.1.1)

Bajo estas condiciones, el nmero de Reynolds es muy bajo (< 10) debido al alto valor de laviscosidad. Se considera que un valor mayor de 2000 ser el lmite para la formacin deturbulencia.

1.4.2.- Inestabilidades de flujo en coextrusin de multicapas.

Existen diversos tipos de inestabilidades de flujo en la coextrusin de lmina o pelcula plstica demulticapas. Por ejemplo, pulsaciones (surging) en el flujo del extrusor o falta de uniformidad en latemperatura de cada una de las diferentes capas de plstico, que pueden dar lugar a variaciones en elespesor de las diferentes capas. Una diferencia grande entre las viscosidades de las diferentes capasde plstico har que la resina de menor viscosidad emigre hacia la regin de mayor esfuerzo de

corte, con tendencia a encapsular o envolver a la resina de mayor viscosidad.

Otro tipo de inestabilidades puede ocurrir en las interfases de la corriente de multicapas, lo cual encaso extremo puede causar intermezclado de las diferentes capas. Por ejemplo, bajo condiciones deflujo estable las interfases del fluido dentro del dado son suaves, planas y paralelas (o concntricas,en caso de perfiles circulares). Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de flujo, se alcanzaun punto en el cual la capa de plstico en contacto con el dado empieza a exhibir ondulaciones. Encaso de ondulaciones de baja amplitud, stas pueden pasar inadvertidas y no interferir con lafuncionalidad de la pelcula, pero a velocidades de flujo mayores esta distorsin llega a ser mssevera.


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La figura 1.4.2.1.a ilustra una pelcula o lmina de dos capas con diferentes grados de inestabilidadde flujo interfacial y la figura 1.4.2.1.b muestra dos vistas de una seccin transversal de una lminacoextruida de tres capas (ABS-HIPS-ABS). El cambio de flujo estable a flujo inestable se produjo al

bajar la temperatura del dado y del extrusor, es decir, al alimentar la viscosidad de las corrientes deplstico fundido y, en consecuencia, incrementarse los esfuerzos de corte involucrados.

(a) (b)

Figura 1.4.2.1.- (i).- Pelcula o lmina de dos capas con diferentes grados de inestabilidad de flujointerfacial. (ii).- Dos vistas de una seccin transversal de una lmina coextruida detres capas (ABS-IIIPS-ABS)

1.4.3.- Localizacin de las inestabilidades de flujo interfacial.

Para determinar las fuentes de inestabilidad se procedi a coextruir una lmina de tres capas (ABS-PS-ABS) a travs de un dado de rendija con un solo maniful y un bloque de alimentacin. Seanalizaron diferentes condiciones de operacin y en el momento en que se observ una incipienteinestabilidad de flujo interfacial se detuvieron los extrusores y se tap el orificio del dado. Se dejenfriar el dado y se desarm y el plstico solidificado se seccion para estudiar las interfases y sus

patrones de flujo.

Se encontr que las interfases permanecan uniformes y claramente definidas ala salida del bloquede alimentacin, y se conservaban as hasta llegar justo antes de la entrada del dado. Sin embargo,

dentro de la parte plana del dado empezaba a desarrollarse una distorsin en las interfases en formade ondulaciones. Se supuso entonces la existencia de un esfuerzo de corte interfacial crtico por en-cima del cual aparecen las inestabilidades de flujo interfacial en un determinado par de polmeros.

Se diseo un experimento para testificar la validez de la suposicin anterior, y para ello seseleccion la coextrusin de una lmina de tres capas (ABS-PS-ABS). El primer experimento fue

para seleccionar las variables ms importantes. Las variables consideradas en el primer experimentofueron:

1.- Temperatura de la capa externa.2.- Temperatura de la capa externa.3.- Temperatura del dado.

4.- Relacin de espesores (capa externa/capa interna)5.- Velocidad de extrusin total6.- Apertura del dado (h).


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Se encontr que las variables ms importantes son:

1.- Temperatura (y viscosidad) de la capa externa2.- Relacin de espesores (capa externa/capa interna)3.- Velocidad de extrusin total4.- Apertura del dado (h)

Las cuatro variables seleccionadas como importantes se modificaron independientemente para producir desde flujo estable hasta flujo inestable en la lmina de ABS-PS-ABS. En cada caso secambiaba una sola variable, manteniendo las dems constantes. El punto de inestabilidad interfacialincipiente se determin visualmente, de manera relativamente subjetiva.

El esfuerzo de corte interfacial se calcul a partir de las condiciones de coextrusin (conocidas) enel punto de inestabilidad incipiente y de las constantes del material plstico K y n. Estas constantesse determinaron previamente utilizando un remetro capilar.

Se encontr que la inestabilidad de flujo interfacial apareca cuando el esfuerzo de corte interfacialera aproximadamente igual a 500000 dinas/cm2, sin importar cul de las cuatro variables analizadas

permaneca constante o era modificada. Este valor de 500000 dinas/cm

2

se refiere exclusivamente alsistema ABS-PS-ABS estudiado y podr ser diferente para diversos sistemas.

En consecuencia, la inestabilidad de flujo interfacial puede ser reducida o eliminada al disminuir elesfuerzo de corte interfacial, y esto se logra de la siguiente manera, considerando que:

26 Q

=wH

(1.4.3.1)

(a).- Aumentando el espesor de la capa externa(b).- Aumentando la apertura del dado

(c).- Disminuyendo la velocidad de extrusin total(d).- Disminuyendo la viscosidad de la capa externa

1.4.4.- Inestabilidades originadas por diferencias en viscosidad.

Cuando dos fluidos no-newtonianos con diferente viscosidad se hacen fluir a travs de un canal [porejemplo, LDPE (menor viscosidad) y PS (mayor viscosidad), a travs de un canal rectangular o deun canal circular] sucede lo siguiente: a medida que el flujo avanza, el fluido de menor viscosidadtiende a envolver al fluido de mayor viscosidad, y adems este envolvimiento ser mayor entremayor sea la diferencia de viscosidades y la longitud del canal.

Por ejemplo, la figura 1.4.4.1 muestra el flujo laminar de dos corrientes adyacentes de plsticofundido a travs de un dado rectangular. Se observa que el fluido A (menor viscosidad) tiende aenvolver al fluido B (mayor viscosidad), y adems este envolvimiento se hace ms notorio alaumentar la longitud del canal.


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Figura 1.4.4.1.- Flujo laminar de dos corrientes adyacentes de plstico fundido a travs de un dadorectangular

Igualmente, la figura 1.4.4.2 ilustra una seccin transversal de dos corrientes adyacentes deplstico fundido a travs de un dado circular. El plstico A (menor viscosidad) tiende a envolver al plstico B (mayor viscosidad), y este envolvimiento se hace tambin ms notorio al aumentar lalongitud del canal.

Figura 1.4.4.2.- Seccin transversal de dos corrientes adyacentes de plstico fundido a travs de undado circular

Tratar de igualar las viscosidades de dos fluidos no-newtonianos no es cosa simple. Esto se debe aque la viscosidad de dichos materiales depende de la temperatura y de la velocidad de corte. Porejemplo, bajo unas condiciones de operacin se pueden tener viscosidades similares, pero alcambiar alguna de estas condiciones (temperatura o velocidad de corte) las viscosidades tendern aser diferentes. Esto se observa en las dos siguientes figuras.

En la figura 1.4.4.3 se observa que la relacin entre las viscosidades del HPDE y del PS es diferentea dos temperaturas diferentes (200 y 240C). As, los perfiles de las interfases que se pudieranobtener sern diferentes cuando se tenga flujo adyacente de estas dos corrientes a las dostemperaturas citadas.


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Figura 1.4.4.3- Relacin entre las viscosidades del HPDE y del PS.

En la figura 1.4.4.4 los polmeros A y B fluyen a travs de un dado como dos corrientesadyacentes, a una determinada velocidad de corte, mostrando una seccin transversal que semejados semicrculos. Sin embargo, a velocidades de corte menores A es menos viscoso y tiende aenvolver a B, y a velocidades de corte mayores B es menos viscoso y tiende a envolver a A.

Figura 1.4.4.4.- Polmeros A y B fluyendo a travs de un dado como dos corrientes adyacentes, auna determinada velocidad de corte.

1.4.5.- Adhesin interfacial en coextrusin.

Cuando una lmina o pelcula coextruida es enfriada y las diferentes capas se solidifican, stas

pueden permanecer unidas fuertemente, o bien pueden separarse (pelarse) fcilmente una de otra.Algunos pares de polmeros exhiben una fuerte adhesin interfacial, mientras que otros slomuestran una dbil adhesin interfacial.


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Cuando dos corrientes de plstico fundido se unen, se forma una interfase entre los dos fluidos, lacual es transportada bajo presinhasta la salida del dado. Estas condiciones favorecen un ntimo ycompleto contacto interfacial entre los dos fluidos. Esto va acompaado por una ciertainterpenetracin molecular, ya que segmentos de plstico de una fase se difunden a travs de lainterfase hacia la otra fase plstica. Sin embargo, esta interpenetracin est limitadatermodinmicamente y depende de la miscibilidad o inmiscibilidad entre las dosfases.

El alcance de la interpenetracin molecular es uno de los factores que determinan la adhesininterfacial, pero los procesos de solidificacin tambin estn involucrados. Dos capas adyacentes

pueden solidificar a diferentes temperaturas, a diferentes velocidades y por mecanismos diferentes,afectando as la estructura y las propiedades de la interfase. Por ejemplo, si la capa A cristalizcuando la capa B es todava un fluido, segmentos de A que haban penetrado hacia B puedenretraerse de nuevo hacia la capa A y disminuir esa adhesin interfacial.

En el caso general de coextrusin de multicapas, utilizando dos polmeros escogidos al azar, no seconoce una teora cuantitativa que pueda predecir el grado de adhesin interfacial en la pelculasolidificada.

En ocasiones sucede que un arreglo deseado de multicapas muestra una adhesin pobre entre doscapas adyacentes, con la consecuente separacin de dichas capas. Esta debilidad puede remediarsesi se introduce una capa delgada de un tercer polmero que muestre una buena adhesin hacia losdos materiales anteriores [capa adhesiva polimrica].

El mejor candidato para formar una capa adhesiva entre los dos polmeros A y B siempre ser uncopolmero en bloque del tipo AB que pudiera mostrar compatibilidad con ambas fases y asfuncionar como un fuerte adhesivo entre las fases A y B. Sin embargo, en la mayora de los casossta slo es una solucin hipottica, ya que el copolmero indicado puede comnmente no estardisponible en el mercado. En la prctica, la seleccin del polmero para formar la capa adhesivadepende de la experiencia. La tabla 1.4.5.1 muestra una gua cualitativa del grado de adhesin que

se puede lograr durante la coextrusin de diversos polmeros.Ocasionalmente se utilizan las mezclas de polimeros para formar una capa adhesiva entre dos capasdiferentes que muestran pobre adhesin entre s. Con frecuencia la adhesin entre dos capas puedeoptimizarse al utilizar como capa adhesiva una mezcla de polmeros compatibles. Por ejemplo, uncopolmero en bloque de estirenobutadieno se adhiere muy bien al poliestireno y a sus copolmeros,

pero no muestra adherencia al polietileno. Sin embargo, una mezcla del copolmero de estireno-butadieno con un copolmero de etileno-(vinil acetato) puede ser muy efectiva como capa adhesivaentre una capa de poliestireno y otra de polietileno. Una mezcla del copolmero etileno(cidoacrlico) con un copolmero de etileno-(viril acetato) puede funcionar muy bien como capa adhesivaentre un capa de nylon y otra de policloruro de vinilo.

Por otro lado, se han utilizado mezclas de dos polmeros incompatibles C y D como una capaadhesiva entre capas de los mismos polmeros incompatibles C y D. Sin embargo, la adhesin quese obtiene es relativamente pobre.


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Tabla 1.4.5.1.- Gua cualitativa del grado de adhesin que se puede lograr durante la coextrusin dediversos polmeros.

PP, polipropilenoPS, poliestireno cristalHIPS, poliestireno de alto impactoABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno (terpolimero)uPVC, policloruro de vinilopPVC, policloruro de viniloVC-VdC, (cloruro de vinilo)-(cloruro de vinilideno) (copolimero)PC, policarbonatoPU, poliuretanoPA-6, poliamida,6 (nylon,6)EAA, ettileno-(cido acrlico) (copolimero)

EVA, etileno-(vinil acetato) (copolimero)SBS, estireno-butadieno-estireno (copolimero de bloque)CPE, polietileno dorado


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1.4.6.- Propiedades de lminas y pelculas de multicapas.

1.4.6.1.- Permeabilidad de lminas y pelculas de multicapas.

La permeacin (o flujo) (le gases y vapor de agua a travs de una pelcula de plstico depende de lapermeabilidad P del plstico y del espesor e de la pelcula, as como de la diferencia de presionesparciales del gas en cuestin en ambos lados de la pelcula P1 y P2, es decir:

1 2P P Flujo Pe

= (1.4.6.1.1)

PPermeabilidad de la pelcula

e= (1.4.6.1.2)

La permeacin a travs de una pelcula compuesta por varias capas se calcula tratndola como unpaquete de resistencias en serie, de modo que la permeabilidad de la pelcula compuesta es igual a:

1 2 n

n1 2

e e e1

= ............Permeabilidad P P P+ + + (1.4.6.1.3)

En estado estable, la permeacin es uniforme a travs de la pelcula, pero la concentracin de gasexhibe una discontinuidad en cada interfase.

La permeabilidad de un dado polmero depende tambin del grado de cristalizacin y, adems, de lamorfologa cristalina.

Se ha encontrado tambin que pelculas con mltiples capas "barrera" (impermeables) puedenretener sus propiedades barrera incluso despus de maltrato severo. Por ejemplo, una pelcula con

varias capas de SARAN (tipo especial de policloruro de vinilideno) puede retener sus propiedades barrera aun despus de severo maltrato a bajas temperaturas; sin embargo, una pelcula de igualespesor, pero de una sola capa de SARAN, s muestra una catastrfica prdida de sus propiedades

barrera despus de dicho maltrato.

La tabla 1.4.6.1.1 muestra la permeabilidad de diferentes plsticos para la transmisin de oxgeno.Se observa que 0.025 mm de SARAN proveen una barrera equivalente a 0.100 mm de resina denitrilo, a 0.250 mm de nylon, a 1.0 mm de PVC rgido y a cerca de 25.0 mm de poliestireno, po-lietileno o polipropileno. Con frecuencia, capas delgadas de resinas con buenas propiedades barrerason coextruidas con gruesas capas de polietileno, poliestireno o polipropileno para producir

pelculas con buenas propiedades barrera, y adems con algunas otras propiedades especficas.

La tabla 1.4.6.1.2 reporta la permeabilidad de estos mismos plsticos para la transmisin de vaporde agua; con excepcin del SARAN, el orden cambia significativamente. Los materialeshigroscpicos, como el nitrilo, el etileno-(vinil acetato) y el polister, son barreras pobres para elvapor de agua. Sin embargo el polietileno y el polipropileno son excelentes barreras contra el vaporde agua.


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Tabla 1.4.6.1.1.- Permeabilidad de diferentes plsticos para la transmisin de oxgeno.

Tabla 1.4.6.1.2.- Permeabilidad de diferentes plsticos para la transmisin de vapor de agua

1.4.6.2.- Propiedades mecnicas de lminas y pelculas de multicapas.

Consideremos una lmina coextruida, compuesta por una capa intermedia de un plstico de altomdulo y baja elongacin, emparedada (con buena adhesin) entre dos capas de un plstico de bajo

mdulo y alta elongacin. Cuando esta lmina se somete a una prueba de tensin-elongacin, lascapas de plstico de alta elongacin pueden actuar previniendo la propagacin de fracturastransversales en la capa de plstico de baja elongacin. Con esto, la capa de baja elongacin puedealcanzar el punto de cedencia dctil, y as la lmina coextruida podr ser estirada hasta una altaelongacin. Este efecto se llama "reforzamiento mutuo de intercapas" (Figura 1.4.6.2.1).


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Figura 1.4.6.2.1.- Efecto del "reforzamiento mutuo de intercapas".

En otras ocasiones esta interaccin puede ser contraria. Un plstico de alta elongacin puedecomportarse como un plstico quebradizo en una lmina coextruida de multicapas. En este caso, elmaterial de alta elongacin no es capaz de bloquear la propagacin de las fracturas en el materialce baja elongacin. Por ejemplo, dos capas externas de poliestireno cristal sobre una capa internade poliestireno de alto impacto pueden formar una lmina coextruida que muestre un compor-tamiento quebradizo. Este comportamiento se llama "destruccin mutua de intercapas".

Para que estas interacciones (de reforzamiento o destruccin) se lleven a cabo se requiere de ciertaadhesin en las interfaces de la pelcula o lmina de multicapas. Sin embargo, entre ms delgadassean las capas mayor ser la influencia de una capa sobre la otra. Adems, entre ms delgadas seanlas capas menor ser el grado de adhesin requerido para que una capa tenga influencia sobre laotra.

Al igual que en las pelculas de una sola capa, las propiedades mecnicas de una pelcula coextruidade multicapas dependen del grado de orientacin molecular. Un cierto grado de orientacin puedeincrementar las propiedades mecnicas de las capas individuales y, por tanto, incrementar las

propiedades de la pelcula de multicapas.

1.4.7.- Coextrusin de lminas y pelculas plsticas de multicapas.

1.4.7.1.- Mtodos de coextrusin.

Existen dos procesos para la produccin de lminas y pelculas plsticas de multicapas:

(a).- Extrusin de pelcula tubular utilizando un dado anular(b).- Extrusin de lmina y pelcula plana utilizando un dado rectangular (de rendija).


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1.4.7.2.- Dados anulares para la coextrusin de pelcula plstica de multicapas.

El proceso de coextrusin de pelcula tubular (por soplado) es ampliamente utilizado y muchas delas coextrusiones de dos y tres capas fueron producidas primeramente por este proceso.

El diseo de dados tubulares para coextrusin requiere de la formacin de capas concntricasuniformes en el anillo del dado. Algunos diseos de dados para coextrusin de pelcula tubular seilustran en las figuras 1.4.7.2.1, 1.4.7.2.2 y 1.4.7.2.3.

En la figura 1.4.7.2.1 los polmeros A y B se unen en un adaptador (adelante de un maniful) y lacorriente de capas concntricas del plstico fundido es distribuida por el mandril del dado para

producir dos capas anulares de extruido. El espesor de cada capa es determinado por el flujovolumtrico de cada polmero, proveniente de cada extrusor.

Figura 1.4.7.2.1.- Dado para coextrusin de pelcula tubular con un solo maniful.

En la figura 1.4.7.2.2 se muestra un diseo de un dado anular con manifules individuales para cadapolmero. Estos distribuyen concntricamente las capas de los polmeros A y B antes de que se unanms adelante en la parte plana del dado. Cada maniful debe estar bien diseado para obteneruniformidad en las capas.

Figura 1.4.7.2.2.- Dado anular con manifules individuales para cada polmero.


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En la figura 1.4.7.2.3 se muestra un tercer diseo, que incluye un nmero de manifules dedistribucin toroidal para el nmero requerido de capas. A medida que la corriente de plsticofundido fluye hacia la salida del dado, las capas se van extruyendo una sobre otra en formasecuencial.

Figura 1.4.7.2.3.- Diseo de dado que incluye un nmero de manifules de distribucin toroidal parael nmero requerido de capas

Estos diseos de dados tubulares llegan a ser bastante complicados para coextrusiones de ms detres capas. Sin embargo, mucha de la pelcula para empaque con dos o tres capas se produceutilizando cualquiera de estos tipos de dados anulares.

1.4.7.3.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusin de lminas y pelculas plsticas demulticapas.

Lminas y pelculas coextruidas pueden tambin ser producidas utilizando un dado de rendija. La

lmina producida en este proceso puede ser estirada (mientras el plstico permanece caliente) hastaobtener el espesor requerido, para obtener finalmente una lmina o pelcula. Existen dos mtodos

para la coextrusin de lmina o pelcula, con un dado de rendija:

(a).- En el primer caso se utiliza un dado con tantos manifules como capas tenga la pelcula. Cadamaniful se extiende a todo lo ancho del dado. Adems, estos manifules combinan las corrientes de

plstico fundido justo antes de los labios del dado. La figura 1.4.7.3.1 muestra un diseo de un (ladode este tipo.

Figura 1.4.7.3.1.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusin de lminas y pelculasplsticas de multicapas o con tantos manifules como capas tenga la pelcula.


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(b).- En el segundo caso, ms nuevo y ampliamente utilizado, se utiliza un dado convencional conun solo maniful, en combinacin con un bloque de alimentacin que introduce una corriente de

plstico fundido en capas prearregladas, como se muestra en la figura 1.4.7.3.2. En este mtodo selleva a cabo una deformacin de la corriente de plstico fundido dentro del dado (comprimiendo ydesparramando), manteniendo la integridad de cada capa.

Figura 1.4.7.3.2.- Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusin de lminas y pelculas plsticas de multicapas con un solo maniful, en combinacin con un bloque dealimentacin que introduce una corriente de plstico fundido en capas

prearregladas.

Cada uno de estos dos sistemas tiene sus ventajas y desventajas. La mayor ventaja del dadomultimaniful es su capacidad para extruir polmeros con propiedades reolgicas muy diferentesentre s. La principal desventaja es su complejidad, su costo y las dificultades de operacin cuandose utiliza para coextrusin de ms de tres capas. Por otro lado, la mayor ventaja del dado con bloquede alimentacin es su facilidad para eximir' una gran variedad de productos que tengan desde doshasta varios cientos de capas; la desventaja es que requiere de polmeros con viscosidades similaresentre s para obtener capas uniformes.

La figura 1.4.7.3.3 ilustra un bloque de alimentacin. Un puerto de alimentacin dosifica las capasde dos o ms polmeros hacia el canal del dado. El puerto de alimentacin adems puede subdividiry arreglar las corrientes de plstico fundido provenientes de cada extrusor en casi cualquier patrnde distribucin de capas. (Con frecuencia es posible cambiar el patrn de distribucin de capassustituyendo simplemente el puerto de alimentacin).

Las corrientes de plstico fundido se combinan a la salida del puerto de alimentacin para formar lacorriente de multicapas que fluye en forma laminar hacia la salida del dado. Adems, al suceder esteflujo se disminuye el espesor de cada capa, al tiempo que cada una de ellas se desparrama paracubrir el dado a todo lo ancho.

Este mtodo ha sido utilizado comercialmente para fabricar pelcula de hasta cinco y seis capasdiferentes, utilizando hasta cinco y seis extrusores conectados al bloque de alimentacin.


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Figura 1.4.7.3.3.- Bloque de alimentacin.

1.4.7.4.- Seleccin de polmeros para coextrusin.

Como el proceso de coextrusin se basa en la ocurrencia de un flujo laminar de una corriente devarias capas de plstico fundido, la adecuada seleccin de los diferentes plsticos es muyimportante. Para dicha seleccin se deben considerar los siguientes factores:

(a).- Obviamente, los polmeros deben ser seleccionados con el objetivo de obtener las propiedadesfinales deseadas, por ejemplo: propiedades mecnicas, permeabilidad, habilidad para sellar concalor y resistencia qumica y resistencia a factores de intemperie. Tambin se deben consideraroperaciones posteriores a la coextrusin: por ejemplo, si la lmina de multicapas va a sertermoformada, sta debe tener cierta resistencia cuando est reblandecida para poder sertermoformada.

(b).- Casi siempre se requiere de una adhesin perfecta entre las diferentes capas de polmero. Confrecuencia se utiliza una capa de un polmero adhesivo que se adhiere a las otras dos capas de

polmero, y se coextruye como una capa intermedia.(c).- Relacionada con la adhesin est la habilidad para reciclar plsticos recuperados de

desperdicio industrial procedentes principalmente de los mismos procesos de coextrusin).Esta es una consideracin econmica muy importante.

(d).-Por ltimo, se deben considerar las propiedades de flujo (reolgicas) de los diferentes plsticosque se usarn en un proceso de coextrusin. Esto es particularmente importante cuando seutiliza un bloque de alimentacin, ya que las capas deben fluir y desparramarseuniformemente, siguiendo un patrn de flujo laminar. Lo primordial en este caso es que lasviscosidades de los diferentes plsticos deben ser relativamente similares entre s.

1.4.7.5.- Reciclado del desperdicio.

La reutilizacin de los desperdicios de la coextrusin es de una importante consideracin(econmica). El reciclado de desperdicios de combinaciones de polmeros compatibles es casidirecto, siempre y cuando la cantidad del reciclado sea controlada y se mantenga en un nivelconsistente con las propiedades fsicas y mecnicas. Por ejemplo, cuando se tiene una lminacoextruida de poliestireno (PS) y poliestireno de alto impacto (HIPS) o una lmina coextruida deestireno-acrilnitrilo (SAN) y acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), el desperdicio de cualquierade estas dos lminas puede ser mezclado con material virgen (con HIPS o con ABS, segncorresponda) y extruido de nuevo en la capa modificada con hule (HIPS o ABS). La dilucin de estacapa puede causar disminucin en la resistencia al impacto, pero esto pudiera ser aceptable si aunas se cumple con los requerimientos del producto final.


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El reciclado de desperdicios de combinaciones de polmeros incompatibles es un problema msdifcil, ya que esto puede causar severas prdidas de las propiedades mecnicas. En algunasocasiones las capas que actan como capas adhesivas pueden actuar como agentes compatibilizantesen la mezcla del reciclado y el polmero original. El reciclado de combinaciones de polmerosincompatibles, usualmente en la capa elastomrica, ha sido demostrado para ciertas combinacionesde polmeros, tales como ABS-PS, PS-EVA-PE, PS-SBS-SARAN y PEEVA-SARAN. Sin embargo,esto es difcil y debe manejarse con cuidado.

La compatibilidad de desperdicios de combinaciones de polmeros incompatibles puedeincrementarse de la siguiente forma:

(1).- Modificacin qumica de los polmeros o copolmeros para lograr mayor compatibilidad, esdecir, mayor adhesin.

(2).- Uso de compatibilizantes, tales como el polietileno dorado, para promover la adhesin.(3).- Mezclado intenso (existe evidencia de que la prdida en propiedades es menor cuando el

desperdicio y la resina virgen son sometidos a un mezclado intenso).

1.4.7.6- . Algunas aplicaciones.

Una de las primeras coextrusiones realizadas tuvo la finalidad de obtener una pelcula de tres capas(LDPE-PP-LDPE) para envolver pan. El LDPE tena la caracterstica de sellar con calor en laslneas de empaque de alta velocidad, mientras el PP proporcionaba la resistencia y la rigideznecesarias. Adems, debido a su mayor temperatura de fusin evitaba que se rompiera la pelculadurante el sellado trmico. La adhesin entre LDPE y PP es generalmente pobre. Sin embargo, en

pelculas delgadas para empacar productos de baja densidad (como el pan) sta era aceptable.

Otras aplicaciones para pelculas coextruidas de LDPE-EVA, CPE-LDPE y LDPE-HDPE fueronbolsas de trabajo pesado, fertilizantes y diversos productos qumicos. Estas combinaciones estabandiseadas para sellar con calor y para cierta resistencia mecnica y resistencia qumica. Cuando se

requera una capa externa con un alto coeficiente de friccin se utilizaba CPE. Tambin se hanencontrado aplicaciones para pelculas de EVA-HDPE y EVA-PP para empaque de botanas, comiday cereales. La figura 1.4.7.6.1 muestra algunas combinaciones de multicapas y algunas de las

propiedades funcionales de cada una de estas estructuras.

Figura 1.4.7.6.1.- Algunas combinaciones de multicapas y algunas de las propiedades funcionalesde cada una de estas estructuras.


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1.5.- Rejillas altamente orientadas.

Las rejillas de plstico han experimentado un desarrollo sumamente importante - en particular en laingeniera civil. Su atractivo consiste en que la estructura abierta de la rejilla permite que las

partculas del suelo se entrelacen por las aberturas, proporcionando un refuerzo sumamenteresistente al suelo. Estas geo-rejillas bajo el nombre comercial "Tensar", se usan en la actualidad

para la construccin de pistas de aterrizaje y despegue, apoyos de terrapln, reparaciones dederrumbamiento, etc.

Las rejillas de plstico alcanzan su alta resistencia gracias a la orientacin de las molculas delpolmero durante el proceso de fabricacin, el cual se muestra en la figura 1.5.1. Una placa obtenidapor extrusin, con una tolerancia muy fina y una estructura controlada, tiene un modelo de agujerosestampado en ella. La forma del agujero y el modelo puede cambiarse dependiendo de los requisitosque se exijan al producto final.

La hoja perforada se puede estirar en una sola direccin para dar secciones delgadas de polmeroaltamente orientado, con una resistencia a la traccin similar a la del acero maleable. Este tipo derejilla puede usarse en usos donde se requiera una elevada resistencia uniaxial.

En otros casos, donde se requiera una elevada resistencia biaxial, la lmina se somete a un segundaoperacin de estirado en la direccin transversal. Las ventajas de las rejillas sumamente orientadasconsisten en que son ligeras y muy fciles de manejar. La ventaja de obtener una estructuramolecular altamente orientada es evidente cuando se compara la rigidez de una rejilla de polietilenode alta densidad, PEAD (~10 GN/m2) con la rigidez de un polietileno no orientado (~1 GN/m2), esdecir 10 veces menos.

Figura 1.5.1.- Proceso de fabricacin de rejillas de plstico.

2.- Moldeo por soplado.

2.1.- Fundamentos.

El moldeo por soplado es la tcnica que se usa para producir botellas y otros recipientes, que sonfundamentalmente formas huecas simples. Hay dos subdivisiones principales, el moldeo por

extrusin-soplado y el moldeo por inyeccin-soplado. El moldeo por extrusin-soplado fueinicialmente la tcnica ms importante, pero en la actualidad el moldeo por inyeccin-soplado haadquirido gran importancia para la produccin de botellas de bebidas carbonatadas, especialmente,utilizando polietilentereftalato (PET).


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Los sopladores de vidrio usaron durante siglos el fundamento del moldeo por soplado. Se forma untubo semihundido, ste se atenaza entre las dos mitades de un molde y se inyecta aire para llenar elmolde. Se enfran las superficies del molde de modo que el producto solidifique rpidamente,mientras est an bajo la presin del aire y se obtenga la forma del molde. Luego se recupera el

producto abriendo el molde.

2.2.-Moldeo por extrusin-soplado.

En el moldeo por extrusin-soplado, inicialmente un tubo semifundido de plstico, denominadoparison, se produce directamente a partir del extrusor por medio de un dado anular, del cual salecaliente y blando. A continuacin, un molde se cierra alrededor del parison y se procede a suinflado, mediante la boquilla de soplado, para que tome la forma del molde. Esto se muestra en lafigura 2.2.1.

Figura 2.2.1.- Moldeo por soplado. Etapas


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Aunque este proceso se usa, principalmente, para la produccin de objetos huecos tales como botellas y frascos (Figura 2.2.2), no esta restringido a pequeos artculos huecos. Tanques dealmacenaje domsticos de agua fra, bidones, contenedores, etc, se fabrican por moldeo por soplado.Los principales materiales usados son el cloruro de polivinilo, el polietileno, el polipropileno y elPET.

Figura 2.2.2.- Artculos fabricados por moldeo por soplado.

La extrusin-soplado puede ser continua, en cuyo caso la mquina de extrusin suministracontinuamente el polmero fundido a travs del dado anular y la forma intermedia (Macarrn oParison) que se obtiene se corta, con una longitud determinada, y se mueve hacia el molde o el

molde se mueve llevando la forma intermedia. En la mayora de los casos el conjunto del molde semueve con relacin al dado. El parison se aprisiona por medio de las dos partes del molde(semimoldes), cuya superficie interior corresponde a la superficie exterior del objeto deseado.

Cuando el molde se ha cerrado alrededor del parison, un cuchillo caliente lo corta y lo separa de lamquina extrusora y el molde se aleja para su inflado mediante la inyeccin de aire comprimido, yenfrindose seguidamente. El molde se abre, se expulsa el objeto y empieza un nuevo ciclo. Entrminos generales, los 2/3 del tiempo que dura el ciclo se emplea en el enfriamiento de la piezaconformada contra las paredes del molde. Mientras tanto, el siguiente parison habr sido producidoy el mismo molde puede moverse hacia atrs para recogerlo o, en sistemas multimolde, habra sidorecogido por otro molde.

En algunas mquinas el molde es fijo y se corta la longitud requerida de parison, la cual setransporta al molde mediante el brazo de un robot.

Pero, la extrusin tambin puede ser intermitente, cuando el molde se queda bajo el punto deextrusin. La primera disposicin es la ms comn ya que permite mayor produccin.

Los elementos que constituyen un equipo de moldeo por soplado son: la extrusora, el cabezal y elmolde.

La extrusora es diferente de las utilizadas para la extrusin en continuo. El husillo o tornillo debetener una capacidad de plastificacin grande y relaciones de compresin entre 2.5 y 4, disponiendode las tpicas zonas de: alimentacin, compresin y dosificacin. (Esta ltima alcanza la mitad de lalongitud total, con el fin de asegurar una buena regularidad del caudal del extruido).


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El cabezal, unido a la extrusora mediante el plato rompedor y un paquete de filtros, soporta elncleo o torpedo que est perforado para posibilitar el paso del aire de soplado. La hilera suele sercnica abierta hacia el exterior, en vez de cilndrica, como en las extrusoras de tubos. Mediante unmecanismo de desplazamiento axial del ncleo en el curso del proceso de extrusin, se puedeobtener un macarrn extruido con espesor variable en funcin de la altura, de forma que, alexpandirse, el espesor del objeto final resulte uniforme.

El molde, en dos mitades, debe aprisionar el macarrn por su extremo inferior al cerrar, de formaque no pueda escapar el aire de soplado, soldando la parte del macarrn aprisionado sin que seformen rebabas. Para ello las paredes del fondo tienen forma de cuchillas con la inclinacinadecuada, efectuando primero una soldadura correcta y, despus, el corte del material sobrante. Engeneral la forma de los objetos debe carecer de aristas vivas para que no se desgarre el material.

Para facilitar el enfriamiento y solidificacin del material ya conformado, los moldes suelen irprovistos de canales de refrigeracin, repartidos de forma que el enfriamiento sea lo ms uniformeposible en toda la masa.

Cuando se pretende obtener grandes series de piezas de pequeas dimensiones, suelen utilizarsemquinas de inyeccin y soplado, que precisan de dos moldes consecutivos: uno de preforma,llenado por inyeccin, y otro final de soplado y enfriamiento.

Para piezas grandes, las mquinas suelen disponer de un acumulador en el que se prepara el tuboextruido y, cuando el molde est listo, se introduce rpidamente, sin necesidad de interrumpir laextrusin. De esta forma se evita un escurrido (fluencia viscosa) del material por su propio peso,que dara lugar a variaciones de espesor.

En la figura 2.2.3 se muestra la disposicin ms comn, con una extrusin hacia abajo. Esto haceque la geometra del parison sea compleja. En primer lugar sus dimensiones sern mayores que las

del anillo, debido al fenmeno de hinchamiento en el dado. En segundo lugar pueden haberdeformidades (por ejemplo, tipo cortina) debido a defectos de flujo. En tercer lugar, y dado que lamayor parte de mquinas expulsan el parison verticalmente hacia abajo, durante el retardo entre laextrusin y el inflado, el peso del parison causa su estirado, lo que limita la longitud de los artculosque pueden ser producidos por moldeo por soplado si se cuelga libremente el parison.

Figura 2.2.3.- Forma comn de moldeo por extrusin soplado.

Dichos efectos se oponen hasta cierto grado, pero actan en conjunto para dar formas intermediascon pared gruesa en su parte inferior y delgada en su parte superior. Al comenzar la extrusin de laforma intermedia, el hinchamiento en el dado aumenta el espesor de las paredes. Posteriormente el

peso creciente estira la forma intermedia y la adelgaza. En la figura 2.2.4 se muestra el dispositivoque se usa para contrarrestar estos efectos, que consiste en un mandril variable que se llamavariador de la forma intermedia y vara el espesor de pared durante la extrusin.


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Figura 2.2.4.- Variador de la forma.

La compleja combinacin de hinchamiento y adelgazamiento hace difcil producir artculos con unespesor uniforme de la pared. Esto es, en particular, verdadero cuando el parison cilndrico esinflado en un molde irregular, ya que el estirado desigual causa un adelgazamiento adicional. En lamayor parte de casos, por lo tanto, para obtener artculos por moldeo por soplado de formasatisfactoria es necesario producir una distribucin controlada y no uniforme del espesor en el

parison, lo que nos dar, posteriormente, un espesor uniforme en el artculo inflado.

Durante el proceso de moldeo, la velocidad de inflado y la presin deben ser seleccionadas concuidado, de modo que el parison no se rompa. El inflado del parison es, generalmente, rpido peroel tiempo de ciclo total es dictado por el enfriamiento del fundido, cuando este se pone en contactocon el molde.

Han sido utilizados varios mtodos con el fin de mejorar la velocidad de enfriamiento, por ejemplola inyeccin de dixido de carbono lquido, de aire fro o de aire hmedo a alta presin. Estosmtodos, por lo general, proporcionan una reduccin significativa del tiempo de ciclo, pero como lavelocidad de enfriamiento afecta a las propiedades mecnicas y a la estabilidad dimensional del

producto moldeado, es necesario tratar de optimizar el enfriamiento en trminos de velocidad deproduccin y calidad.

2.3.- Anlisis de moldeo por soplado.

El producto hueco se elabora a partir de la forma intermedia, expandindola con aire. Es clara lasimilitud con el soplado de pelcula. La uniformidad del espesor de la pared del producto sopladodepende de los mismos aspectos estabilizantes. Una vez ms, el comportamiento elstico esimportante.

Al ver el nmero de Dbora:

Tiempo de relajacin del material a las condiciones dominantes

Escala de tiempo del procesodebN = (2.3.1)


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Si el procedimiento es fundamentalmente elstico y, por tanto, se estabiliza por rigidizacin portraccin, Ndeb > 1. Esto se puede lograr al usar:

1.- Una temperatura inferior, la cual aumentara el tiempo de relajacin.2.- Al reducir la duracin del proceso, es decir, soplando rpidamente.

Por lo comn, la primera opcin no es factible y por ello se sopla rpidamente. Sin embargo, unsoplado muy rpido puede romper el material, si se excede la resistencia que tiene a la traccin el

polmero blando de la forma intermedia o puede atrapar burbujas de aire entre la superficie delmolde y la pieza moldeada, lo cual provocara daos en el producto. Como se acostumbra en los

procesos de manufactura, es necesario alguna condicin favorable para optimizar los resultados,dicha condicin por lo comn, es la experiencia que se tenga en la planta.

Es sencillo calcular el espesor de la pared de una botella soplada si se conocen las dimensiones deldado y la magnitud del hinchamiento que hay en l. En la figura 2.3.1 se muestra una seccintransversal de una forma intermedia que emerge de un dado tubular: despus se sopla para formaruna botella y se debe determinar una expresin para calcular el espesor de pared de la botella.Tambin se puede determinar cul es la presin mxima con la que se puede soplar sin romper la

forma intermedia. En la figura 2.3.1 se tiene:

Dd = Dimetro del dado (medio)Di = Dimetro de la forma intermediaDm = Dimetro del moldehd = Ancho del anillo del dadohi = Espesor de la forma intermediah = Espesor de la pared de la pieza moldeada

Figura 2.3.1.- Anlisis de moldeo por soplado.

Cuando el plstico fundido sale del dado se produce un hinchamiento debido a la recuperacin delas deformaciones elsticas del fundido. Se utiliza la relacin siguiente:

2STSH

B B= (2.3.2)

donde:BSH = Hinchamiento del espesor (= h1/hd)BST = Hinchamiento del dimetro (= D1/Dd)


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Por tanto:

( )2

21 11: d ST

d d

h Do bien h h B

h D

= =

(2.3.3)

Ahora consideremos la situacin donde el parison es inflado y alcanza las dimensiones del moldecilndrico de dimetro, Dm. Teniendo en cuenta la figura 2.3.1 y asumiendo que el volumen

permanece constante y despreciando los efectos de estirado, se tiene:

1 1 mD h D h = (2.3.4)Despejando h de la expresin (2.3.4) y teniendo en cuenta (2.3.3) y la definicin de BST:

( ) ( )2 21 11 ST dST ST d dm m m

B DD Dh h h B h B

D D D= = = (2.3.5)

luego:

3 dSTdm

Dh h B D= (2.3.6)

Esta expresin permite calcular el espesor de las piezas moldeadas por soplado conociendo lasdimensiones del dado, la relacin de hinchamiento y el dimetro de molde.

Tambin se puede determinar cul es la presin mxima con la que se puede soplar sin romper laforma intermedia. Para ello se puede utilizar la frmula de Barlow, La frmula de Barlow querelaciona la tensin tangencial, las dimensiones y la presin interna:

2m

t

PD

h = (2.3.7)donde:

t= Tensin tangencial,P = Presin interna,Dm = Dimetro de la piezah = espesor de la pared.

2.4.- Moldeo por soplado con estirado por extrusin.

La orientacin molecular tiene un efecto muy grande sobre las propiedades de un artculo de

moldeado. Durante el moldeo por soplado convencional, el inflado del parison causa la orientacinmolecular en la direccin radial. Sin embargo, un estirado biaxial del plstico antes de quecomience a enfriarse en el molde, proporciona mejoras an ms significativas en la calidad de las

botellas obtenidas mediante moldeo por soplado.. Las ventajas incluyen: mejora de las propiedadesmecnicas, mayor claridad y caractersticas ante la infiltracin superiores (Menos permeables).Tambin se pueden disminuir los costes mediante el empleo plsticos de grados inferiores oespesores ms delgados de la pared.

En el moldeo por soplado la orientacin biaxial puede lograrse mediante:

(a).- Estirado longitudinal del parison antes de que sea aprisonado por el molde e inflado

(b).- Obteniendo una preforma de la botella en un molde y que luego se estira longitudinalmenteantes de su inflado en un segundo molde. (Figura 2.4.1).


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Figura 2.4.1.- Moldeo por soplado con estirado.

2.5.- Moldeo por soplado con estirado por inyeccin.

En los ltimos tiempos se ha desarrollado el proceso de moldeo por soplado con estirado, utilizandoel moldeo por inyeccin, para alcanzar los mismos objetivos que en el apartado anterior. Hoy en daes usa extensamente para la fabricacin de botellas de refrescos.

Las etapas del proceso se muestran en la figura 2.5.1. Primeramente, se obtiene una preforma pormoldeo por inyeccin, que posteriormente se infla para producir la forma de botella. En la mayor

parte de casos, la segunda etapa de inflado tiene lugar inmediatamente despus del moldeo porinyeccin, pero en otros las preformas se retiran de la mquina de moldeo por inyeccin y

posteriormente se calientan de nuevo para su inflado.

Las ventajas del moldeo de soplado por inyeccin son:

(i).- El parison obtenido puede tener un espesor de la pared cuidadosamente controlado, lo quepuede asegurar un espesor uniforme de la pared en la botella inflada.

(ii).- Es posible tener el detalle intrincado en el cuello de botella.

(iii).- No hay ningn adorno o destello (comparar con el moldeo por soplado en extrusin).


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Figura 2.5.1.- Secuencia de las etapas en soplado por moldeo por inyeccin.

2.6.- Caractersticas del producto.

Uno de los efectos que tienen los grandes coeficientes de expansin trmica en los polmeros es una

gran contraccin cuando se enfra la pieza moldeada. Dicha contraccin se incrementa por loscambios de densidad que se generan cuando cristalizan los polmeros semicristalinos. Lasconsideraciones econmicas del procedimiento demandan ciclos de produccin rpidos, la piezatiene que salir del molde en el menor tiempo posible y a la mayor temperatura, pero todo esto tiende


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a producir contracciones en el producto. Inversamente, un tiempo muy largo de retencin dentro delmolde, que permite un enfriamiento ms completo y crea mejor superficie y dimensiones del

producto, incrementa los costos de produccin. No pueden definirse reglas rgidas y seguras conrespecto al equilibrio que pueda haber entre estos factores conflictivos.

La mejor apariencia de la superficie, por lo comn un acabado lustroso, se obtiene a partir de unasuperficie del molde ligeramente rugosa. Al interior del molde se le da un tratamiento con chorro dearena.

Una caracterstica importante de una botella soplada es su rigidez, la cual depende de la rigidez delas paredes, y sta a su vez, es funcin del espesor de las paredes. La rigidez de cualquier parte serelaciona con su espesor elevado al cubo. Tambin depende del mdulo de flexin del material, elcual, para los polmeros, se relaciona con el grado de cristalinidad.

La rigidez y la densidad de las botellas de polietileno no slo varan entre los diversos grados depolietileno, sino tambin dentro de un mismo lote, si varan las condiciones de procedimiento. Las botellas que se empaquetan ligeramente calientes en cajas sern ms rgidas que las que sedesmoldearon calientes y se dejaron enfriar al aire antes de empacarse. Estas a su vez son ms

rgidas que las que se enfriaron totalmente en el molde, especialmente si se us agua deenfriamiento refrigerada.

La razn, desde luego, es que el enfriamiento ms lento permite que se formen ms y mayorescristales. Entonces, sacar del molde y empacar el material ligeramente caliente podra ser el mtodoms econmico no slo porque acorta el tiempo del ciclo, sino tambin porque puede elaborarse una

botella ligeramente ms delgada para lograr una rigidez determinada.

De la misma forma, algunas veces es ms econmico moldear botellas a partir del polietleno de altadensidad, aun cuando es un polmero ms caro que el polietileno de baja densidad, ya que su mayorcristalinidad permite obtener botellas ms delgadas y rgidas; este ahorro contrarresta la desventaja

del alto costo por kilogramo. Aunque esto depende de los costos relativos actualizados de los dospolmeros. Estos efectos se ilustran en la figura 2.6.1.

Figura 2.6.1.- Relaciones entre la densidad, el espesor y la rigidez del polietileno.

Las botellas forman el mayor grupo de productos elaborados mediante moldeo por soplado, perotambin hay otros productos. Estos incluyen grandes piezas moldeadas por soplado, como tambores

para productos qumicos, incluso productos especiales para cidos, tanques de expansin de

refrigerantes, protectores de luces de semforos, tanques de gasolina.


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El moldeo por soplado es un mtodo general para producir artculos huecos sin costura. Estosartculos no pueden elaborarse mediante moldeo por inyeccin, ya que no pueden sacarse del moldea menos que sean de forma cilndrica, o sea, sin cuellos estrechos. En la figura 2.6.2 se muestranalgunas maneras de aumentar la produccin.

Figura 2.6.2.- Acomodo de alta produccin para el moldeo por soplado: (a) carrusel de moldes

(b) estacin del moldeo mltiple. (c) equipos que se alternan para ensamblar moldes.

2.7.- Por qu polietilentereftalato (PET) y por qu soplado-estirado?.

El problema con los polmeros que se usan para contener bebidas carbonatadas es el de soportar lapresin del dixido de carbono. La Coca Cola, que es una bebida muy carbonatada, contiene cuatrovolmenes de dixido de carbono por cada volumen de lquido. La presin en el espacio frontal porencima del lquido puede exceder 5 atmsferas a altas temperaturas, por ejemplo, en el interior deun automvil que est a pleno sol. El requisito principal es, entonces, el de soportar esta presin sin:

1.- Prdida de gas (depende de la permeabilidad del polmero al gas.)2.- Que se rompa o estrelle el envase3.- Que se deforme.

Entre los polmeros que se usan comnmente para la elaboracin de botellas, el polietilentereftalatoes impermeable (Tabla 2.7.1). Para elaborar un artculo satisfactorio a partir del polietilentereftalatoo de cualquier polmero cristalizable, se debe lograr la estructura cristalina. Esta es la funcin delmtodo de soplado/estirado para fabricar botellas de polietilentereftalato. Este polmero es unejemplo de polmero cuya cristalinidad puede controlarse por el mtodo de obtencin: algunos otros

polmeros cristalinos, por ejemplo, el acetal, el nylon, cristalizan espontneamente y por eso nopueden manufacturarse de esta manera.


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Tabla 2.7.1.- Permeabilidad relativa de varios polmeros a los gases.

Polmero Permeabilidad relativaPolietilentereftalato 1Cloruro de polivinilo 2Polietileno de alta densidad (PEAD)(HDPE) 52Polipropileno (Orientado) 57Polietileno de alta densidad (PEBD)(LDPE) 114

Si se funde el polietilentereftalato entre 250 y 280 C y se enfra rpidamente, se obtiene un slidoamorfo, que tiene una temperatura de transicin vtrea Tg = 80 C y que empieza a reblandecer porencima de dicha temperatura. Si se enfra lentamente el material fundido, se forman grandescristales esferulticos que generan una sustancia dura y opaca con un punto de fusin cristalino, Tfc,de 265 C.

Si se recalienta el slido amorfo por encima de su temperatura de transicin vtrea Tg (95 - 100 C)

y luego se estira, se forman cristales laminares pequeos que se generan por esfuerzos y se obtieneuna sustancia transparente. El material es ahora mucho ms tenaz y ms fuerte que las formasamorfas o la cristalina esferultica. Si ahora se calienta el producto cristalino orientado, hastaalrededor de 150 C, se intensifica el grado de cristalinidad, mejoran las propiedades fsicas y setolera mejor la temperatura. Esta es la etapa de estabilizacin trmica del proceso, que se utiliza

para las fibras y pelculas. En la tabla 2.7.2, se resumen estas etapas de tratamiento para elpolietilentereftalato. Las botellas que no se estabilizan trmicamente, slo son estables hasta unos60 C.

Tabla 2.7.2.- Efectos de variar la cristalinidad en el polietilentereftalato.

La pelcula estabilizada trmicamente se usa para alimentos de "cuzase en la bolsa" y es estable

hasta 100 C. Es importante resaltar que los polmeros cristalizables, como el polietilentereftalato yel polipropileno, cuando se usan en el proceso de soplado-estirado, deben enfriarse rpidamentehasta el estado slido amorfo y, luego, recalentarse, por encima de su temperatura de transicinvtrea Tgpara que los esfuerzos provoquen la cristalizacin.

Los polmeros que no cristalizan se pueden moldear por soplado-estirado. La orientacin de lascadenas del polmero mejora algunas de sus propiedades, pero puede tratarse a partir delenfriamiento del material fundido. Si se intenta hacer esto con el polietilentereftalato como porsimple enfriamiento a 100 C, se forman ncleos esferulticos durante el enfriamiento y en elsoplado-estirado no se generarn bien las propiedades de la cristalinidad inducida por esfuerzo.

Adems, los cristales esferulticos son grandes, lo que hace que el producto sea menos transparente,indeseable en botellas y pelculas.


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3.- Termoformado.

3.1.-Introduccin.

En esta tcnica de conformado de los materiales termoplsticos se parte de materialessemielaborados (preforma) en forma de filmes o lminas que se reblandecen por efecto del calor yse adaptan contra un molde mediante presin de aire, vaco o mediante un contramolde. Es el

procedimiento ms generalmente adoptado para la fabricacin de piezas moldeadas de gransuperficie, de paredes delgadas y en series que no necesariamente deben ser muy grandes.

En el termoformado, se calienta una preforma que, por lo comn, es una lmina de polmeroobtenida por extrusin o por calandrado (Figura 3.1.1), hasta que se reblandece y, luego, se deformamediante una fuerza que se aplica al molde, donde se enfra. Esta es otra tcnica de conformadodonde el comportamiento que predomina es de traccin o de alargamiento.

Figura 3.1.1.- Obtencin de lminas por extrusin o calandrado.

El estirado que experimenta el material durante su deformacin va a conducir a una disminucin y auna heterogeneidad del espesor del producto acabado. La bsqueda de una reparticin ideal de losespesores es el origen de las diferentes variantes del ciclo de termoformado.

No todos los materiales son aptos para el termoformado. En general se requieren ciertascaractersticas trmicas que favorezcan el calentamiento-enfriamiento rpido (bajo calor especfico)y buena transmisin del calor (alta conductividad trmica). As, por ejemplo, el PEAD y BD no seutilizan habitualmente, s, en cambio, el PS, PVC, ABS y PMMA.


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Un factor importante en el conformado con vacio es, que el polmero caliente no pase demasiadopronto al estado fluido, ya que entonces la lmina, durante el transporte al molde, puede deformarsedemasiado por estiramiento. De ah, que el polmero debe mostrar un amplio intervalo detemperatura en que su comportamiento sea de tipo gomoso (Mdulo prcticamente constante), comose muestra en la figura 3.1.2. Por esta razn, polmeros amorfos como el cloruro de polivinilo, PS,PMMA, PC, ABS, etc. son adecuados para conformacin por termoformado, ya que presentan unaamplia zona de comportamiento gomoso.

En los polmeros semicristalinos la regin con comportamiento similar a la goma, en gran parte estaenmascarada por la cristalinidad por encima de la temperatura de transicin vtrea-gomosa (Figura3.1.2).

Los polmeros semicritalinos presentan una gran variacin de las propiedades mecnicas alrededorde la temperatura de fusin y poseen, por tanto, una zona de conformado mucho ms reducida, elloexige un mayor control, asi como una gran homogeneidad de la temperatura de la lamina. Con el PEy el PP, la conformacin con vaco es, por lo tanto, una operacin crtica, en la cual las condiciones

del proceso deben ser controladas con sumo cuidado. Grados slo altos moleculares muestran elcomportamiento suficiente parecido a la goma encima de su punto de fusin para permitir unproceso que forma hoja. El PA, PETP y PBTP no puede ser conformados mediante esta tcnica.

Figura 3.1.2.- Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las tcnicas deprocesado.


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Figura 3.1.2.- Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las tcnicas de

procesado.

3.2.-Conformado al vaco.

La geometra de la pieza a fabricar va a imponer el tipo de molde y, por tanto, el tipo determoformado. Se distingue el conformado positivo y negativo. En algunos casos, un mismo molde

puede presentar una parte positiva y otra negativa. El negativo es ms corriente para la fabricacinde vasos, etc. Para aplicaciones que necesitan grandes espesores de lmina es ms normal elconformado positivo, es el caso de baeras, cubas y puertas de refrigerador, etc.

En este tcnica de procesado una lamina de material termoplstico, cuyo espesor esta comprendidoentre 0.025 mm y 6.5 mm, se sujeta mediante una brida a la caja del molde. A continuacin, un

panel calentador se coloca encima de la lmina para precalentarla hasta alcanzar la plasticidad

necesaria. Para lminas de mayor espesor es esencial tener calefaccin por ambos lados de lalmina.


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Despus de que alcanza el ablandamiento suficiente se hace el vaco, reduciendo la presin de aireen el espacio existente entre ella y un molde, con lo que la presin atmosfrica adapta la hoja contralas paredes del molde (Se crea una diferencia de presin entre las dos caras de la lmina o de la

placa). All se enfra lo suficiente para conservar su forma y seguidamente se extrae.

La tcnica ms simple de conformado en vaco se muestra en la figura 3.2.1 en la cual se denominacomo conformado negativo y es capaz de trabajar con una profundidad que es (1/3-1/2) de laanchura mxima.

Figura 3.2.1.- Termoformado. Conformacin al vaco y calentamiento.

En algunos casos el conformado negativo puede no ser el adecuado debido, por ejemplo, a que en laforma de la figura 3.2.1, se podra tener un espesor de la pared en las esquinas bastante menor quecerca de la brida de sujeccin. Si esto no fuera aceptable entonces la misma forma bsica podra ser

producida por conformado positivo. En este caso un molde positivo es empujado hacia la lmina precalentada, antes de que el vaco sea aplicado. Esto da una mejor distribucin de material y pueden ser conformadas formas ms profundas, siendo posibles relaciones(Profundidad/Anchura)=1. Este mtodo de termoformado tambin se denomina como conformadoen cada (Drape forming) (Figura 3.2.2).


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(a) (b)

Figura 3.2.2.- (a).- Esquema de una mquina de termoformado con molde positivo.(b).- Conformado sobre un molde positivo.

Otro mtodo alternativo es tener un molde negativo, como se muestra en la figura 3.2.3, perodespus de la etapa de calentamiento y antes de la aplicacin del vaco, un punzn baja y dirige la

lmina hacia la cavidad. A continuacin es cuando se aplica el vaco y el resultado es unadistribucin de espesores ms uniforme de la pared. Esta tcnica se denomina conformado asistidomediante punzn. Hay que sealar, que tanto en el conformado positivo como en el asistidomediante punzn, se realiza un pre-estirado de la lmina que mejora las caractersticas del material,aparte de una mejor distribucin de los espesores de la pared.


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Figura 3.2.3.- Conformado asistido mediante punzn

Los calentadores usados en el termoformado son, por lo general, del tipo infrarrojo con potenciasespecficas entre 10 y 30 kW/m2. En los bordes de la lmina, donde se sujeta con la brida, esnecesario un aporte de calor suplementario con el fin de compensar las prdidas de caloradicionales en dicha regin. La clave en el conformado a vaco es lograr un calentamiento tal que latemperatura de la lmina sea uniforme.

Uno de la atractivos principales del conformado a vaco es, que como se trabaja a la presinatmosfrica, los moldes no tienen porque ser muy resistentes. Materiales como el yeso, la madera yresinas termoestables han sido usados satisfactoriamente. Sin embargo, para capacidades de

produccin elevadas en las que un enfriamiento rpido se hace esencial, es necesario la utilizacinde moldes metlicos. La experiencia ha mostrado que el metal ms satisfactorio es el aluminio, yaque se conforma con facilidad, tiene una conductividad elevada, puede ser pulido y tiene una vidacasi ilimitada.

Los materiales que pueden ser conformados a vaco satisfactoriamente son: el poliestireno, el ABS,el cloruro de polivinilo, el acrlico, el policarbonato, el polipropileno y el polietileno de baja y altadensidad. Las lminas coextruidas de plsticos diferentes y laminados multicolores tambin se usanextensamente hoy en da. Uno de los desarrollos ms recientes es el termoformado del PETcristalizable, para usos a altas temperaturas como son las bandejas para hornos. La lmina de PETse fabrica en forma amorfa y luego durante el termoformado cristaliza. El prodcuto as obtenido escapaz de permanecer rgido a temperaturas elevadas.


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3.3.-Conformado a presin.

El conformado a presin es, generalmente, similar al conformado en vaco pero la presin esaplicada encima de la lmina, en vez de realizar el vaco debajo de ello. La ventaja es que se puedenusar presiones ms altas en el conformado de la lmina y que permite controlar mejor la variacinde presin con el tiempo. Un sistema tpico se muestra en la figura 3.3.1 y en la actualidad estatcnica es una alternativa atractiva al moldeo por inyeccin para la fabricacin de artculos de granrea.

Figura 3.3.1.- Termoformado. Conformacin a presin. Molde negativo.

3.4.- Analisis del termoformado.

Si una lmina de un material termoplstico es ablandada mediante la aplicacin de calor y luego sele aplica una presion por una de sus caras para generar una superficie libre, se encuentra que la

pieza formada tiene un espesor uniforme. Por lo tanto, un simple balance de volumen nosproporcionar el espesor de la pieza producida en este proceso de conformado. Sin embargo, en lamayora de los procesos de termoformado la situacin es ms compleja, debido a que emplean unmolde relativamente fro para producir la forma deseada. El efecto de esto es una pieza que tieneuna gran variacin de espesor, ya que la lmina se congela en cualquier grosor ha sido estirado acuando esto toca el molde.


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Consideremos el termoformado de una lmina plstica de espesor, h0, en un molde cnico como elmostrado en la figura 3.4.1.(a). En un instante, t, el plstico est en contacto con el molde unadistancia, S, y el resto de la lmina forma un casquete esfrico de radio, R, y espesor, h. De lageometra del molde se deduce que el radio, R, viene dado por:

( )

( ) ( )

H SsenR

sen tag

= (3.4.1)

Por su parte, el rea del casquete esfrico, A, es:

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