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09 ene 2020

Fundamentos de extrusión por soplado - Parte 4

 

 

Aditivos

Prácticamente todos los polímeros extruidos hoy en día se combinan con al menos un tipo de aditivo. Esta importante clase de materiales representa el método principal por el cual las propiedades del plástico, como la resistencia, la claridad y el costo, se ajustan para aplicaciones específicas. Además, los aditivos pueden desempeñar un papel importante en la mejora de la procesabilidad de los polímeros.

Los aditivos se incorporan a los polímeros de varias maneras: el proveedor de resina puede incluirlos en la materia prima, un mezclador intermedio puede producir materia prima mejorada con aditivos, o el procesador de extrusión final puede agregarlos directamente. Cuando se incorporan en el procesamiento final, los aditivos pueden introducirse individualmente o como parte de un masterbatch, un compuesto mezclado que contiene uno o más aditivos en el polímero como portador.

Un material masterbatch se incorpora de la manera más eficiente cuando su portador es compatible tanto químicamente (mismo polímero) como reológicamente (mismas características de flujo) con la resina primaria. Este aspecto es muy importante para mantener el proceso en control ya que puede existir deterioro de la apariencia de la película como material “no fundido” y presencia de geles, temas que veremos más adelante.

Los procesadores de película soplada deben estar bien informados sobre las formas en que los aditivos pueden afectar el procesamiento de plásticos. Por ejemplo, algunos aditivos están diseñados para ayudar al procesamiento reduciendo la viscosidad, mientras que otros pueden tener un efecto perjudicial en la maquinaria de extrusión al causar un desgaste considerable. En las secciones siguientes se describen varios aditivos utilizados con polímeros de extrusión de película soplada.

1. Agentes antibloqueo (antiblock)

Los agentes antibloqueo son aditivos que inhiben la adherencia (bloqueo) de las superficies de polímero. El bloqueo es más evidente en las películas, particularmente en las películas sopladas. Después de que una burbuja de película soplada ha pasado a través del rodillo de nip y las dos mitades se han presionado juntas, pueden tender a bloquearse. Los antibloqueo ayudan a que la película se separe fácilmente. La sílica es un aditivo antibloqueo de uso común.

Antiblock

2. Antioxidantes

Los antioxidantes inhiben la oxidación de polímeros que conduce a la degradación molecular. Las cadenas de polímeros pueden descomponerse en segmentos más pequeños. Este proceso, conocido como escisión de cadena, sucede en presencia de oxígenop a temperaturas elevadas encontradas durante la extrusión. El polímero degradado puede ser decolorado y generalmente tiene propiedades mecánicas reducidas. En algunos casos, la reticulación (o formación de gel) puede ocurrir durante la oxidación.

Incluso cuando no hay otros aditivos presentes, muchos polímeros se suministran con antioxidantes. Esto garantiza la estabilidad del polímero durante el procesamiento. El mecanismo principal que estos aditivos emplean para combatir la degradación oxidativa es capturar los radicales libres (electrones), generados por la oxidación, antes de que puedan atacar la cadena de polímeros. Los fenólicos y las aminas son dos de las categorías más comunes de antioxidantes.

3. Agentes antiestáticos

Los agentes antiestáticos (antistatos) están diseñados para minimizar la acumulación de cargas estáticas en las superficies del polímero. Muchos polímeros son susceptibles a la electricidad estática durante el procesamiento, similar a cuando la película pasa a través de una serie de rodillos al ser embobinado. Esto puede ser particularmente problemático en los días en que la humedad es muy baja. Los antistatos ayudan a disipar las cargas estáticas haciendo que la superficie del polímero sea más conductiva. Por ejemplo, un método es atraer la humedad a la superficie. Los antistatos externos se aplican directamente a la superficie del polímero; y los antistatos internos más comunes, como las aminas, se mezclan en el sistema.

4. Lubricantes

Los lubricantes se utilizan en polímeros para dos necesidades principales: lubricación externa y lubricación interna. La lubricación externa reduce la fricción entre el polímero y las partes de la máquina de extrusión, como son las superficies de flujo internas del dado. Por ejemplo, los lubricantes pueden ayudar a eliminar la fractura de fusión de la película soplada al reducir la tensión en el polímero a medida que pasa a través del dado.

Además, (ayuda a que la acumulación de resinaen el“labio” del dado, se reduzca. La lubricación interna reduce la fricción entre las moléculas de polímero que fluyen, disminuyendo eficazmente la viscosidad de fusión. El uso de lubricantes internos puede reducir el consumo de energía necesario para  polímeros que sean difíciles de procesar. Algunos lubricantes comunes son estearatos metálicos y ceras de parafina.

5. Estabilizadores

Los dos tipos principales de estabilizadores son estabilizadores de calor, para proteger los polímeros durante el procesamiento, y estabilizadores ultravioletas (UV), para proteger los polímeros expuestos a la radiación solar excesiva. Los estabilizadores térmicos encuentran una aplicación predominante con cloruro de polivinilo (PVC).

El PVC es muy sensible al calor y al cizallamiento, liberando cloruro de hidrógeno (HCl) cuando se degrada. Debido a los efectos corrosivos de HCl y la tendencia del polímero a degradarse rápidamente, el PVC debe estabilizarse durante la extrusión. Esto es aún más crítico con PVC rígido porque se procesa a emperaturas más altas que el PVC flexible. C

uando una molécula de HCl se libera del PVC durante la descomposición, hace que sea más fácil para que una molécula HCl cercana sea liberada, lo que conduce a una degradación rápida del polímero. Los estabilizadores tienden a reaccionar con la primera molécula de HCl, evitando que ayude a la liberación de cualquier otra molécula. Históricamente, muchos estabilizadores de PVC se han basado en plomo y cadmio. Las preocupaciones medioambientales motivaron el desarrollo de estabilizadores como por ejemplo, los basados en el bario-zinc y el calcio-zinc.

Los estabilizadores UV se utilizan con polímeros susceptibles a la degradación de la energía ultravioleta. La energía UV puede causar escisión o separaciónde cadena en polímeros  desprotegidos. Los resultados de esta degradación incluyen la pérdida de propiedades mecánicas, cambios de color y agrietamiento. Los estabilizadores son generalmente absorbentes muy altos de radiación UV, evitando que la energía dañe el polímero. También pueden actuar para atrapar los radicales libres formados durante los procesos de degradación. El negro de carbono absorbe popular, pero está limitado a una opción de color. Las aminas obstaculizadas son moléculas de captura de radicales libres eficientes.

6. Tactificantes

Los tactificantes se utilizan para promover la adherencia en superficies de la película. Por lo general, se añaden a los productos que se utilizarán en aplicaciones de estiramiento/cierre, como envolturas de palets y películas para almacenamiento. Uno de los tactificantes más comunes es el poliisobutileno (PIB).

PIB es un polímero de caucho generalmente añadido a la resina base en cantidades inferiores al 10%. Una de sus características más populares con los procesadores de películas es su tendencia a migrar ("bloom") a la superficie de la película al pasar un largo período de tiempo. Por lo tanto, la película tiende a ser menos pegajosa durante las etapas de bobinado y manipulación de la película en la planta de fabricación, donde la pegajosidad es indeseable. Sin embargo, después del almacenamiento y el envío, la película exhibe el grado previsto  aferrarse y cumplir su objetivo.

7. Colorantes

Los colorantes son quizás los aditivos más populares utilizados en la industria del plástico. De hecho, es la elección de los colores disponibles lo que da a muchos productos su atractivo para el consumidor. Aunque los colorantes se utilizan principalmente por su valor estético, se pueden lograr beneficios secundarios, como la calidad de absorción ultravioleta del negro de carbono.

Los colorantes se introducen en los polímeros de diversas maneras. Las cuatro formas más populares son compuestos precoloreados, concentrados de color, color seco y color líquido.

Los compuestos precoloreados se entregan listos para el procesamiento final. Antes de la entrega al extrusor, se han mezclado con la proporción final de polímero a colorante. Esta es la forma más fácil para colorear el polímero, porque no requiere materiales o elementos adicionales que no sea lo típico para la extrusión de un solo material.

Los concentrados de color suelen ser pellets que contienen un alto porcentaje de colorante en un portador de polímero compatible. Estos pellets son entonces mezclados en el polímero base en una proporción para dar la concentración final correcta de colorante al sistema. Pellets de concentrado de color a menudo se mezclan en aproximadamente 4% del sistema final. Si la principal preocupación es la mezcla adecuada en el extrusor, esta es una de las formas más populares para colorear plásticos.

El color seco es concentrado de color en polvo entregado sin un portador de polímero. Aunque se puede utilizar en más de un tipo de polímero, es algo difícil de manejar. El tamaño de partícula muy fino puede llegar a estar en el aire, como el polvo, y crear un problema. Además, la baja densidad a granel del material puede hacer que se agrupe en la garganta de alimentación y no entre en el extrusor uniformemente.

El color líquido contiene colorante en una base líquida. Elimina algunos de los problemas de manipulación asociados con el color seco, pero requiere una bomba para una entrega precisa. El porcentaje de colorante en el portador de líquido puede ser bastante alto para que sólo una proporción mínima de mezcla (alrededor del 1%) sea necesario.

Si bien estas cuatro formas representan los métodos de entrega de colorantes, hay dos tipos básicos de colorantes incorporados en estas formas: colorantes y pigmentos.

Los colorantes son compuestos orgánicos que proporcionan los colores más brillantes en los polímeros. Tienden a disolverse en el polímero y por lo tanto se distribuyen más fácilmente por todo el sistema. Los colorantes tienden a tener una estabilidad térmica limitada y deben coincidir con la temperatura de procesamiento del polímero. Tienen su aplicación principal en la coloración de productos transparentes.

Los pigmentos son partículas pequeñas de color que normalmente deben descomponerse (dispersarse) y distribuirse para una buena uniformidad de color. Pueden basarse en compuestos orgánicos o inorgánicos, pero generalmente son más estables térmicamente que los colorantes. Tienden a tener mejor opacidad (poder de ocultación) que los colorantes, pero no tan buen brillo. Históricamente, muchos pigmentos se basaban en metales pesados como el plomo y el cadmio, pero las preocupaciones ambientales han provocado un cambio de este tipo de colorantes a ser libres de metales pesados.

Colorantes

Refuerzos y rellenos

Hay una superposición considerable dentro de esta categoría de aditivos. Un material en particular, como el vidrio, puede emplearse en una aplicación y considerarse un refuerzo, pero en otra aplicación se llama relleno. Sin embargo, más comúnmente, un refuerzo se define como un aditivo que mejora las propiedades mecánicas (por ejemplo, la resistencia) del sistema del polímero. Un relleno se define como un aditivo que ocupa espacio en el sistema, generalmente para reducir los costos. Algunos de los aditivos más importantes dentro de esta categoría se describen aquí:

El carbonato de calcio es un mineral natural obtenido principalmente de piedra caliza. Está disponible en una amplia gama de tamaños de partículas. Este material es ampliamente utilizado como relleno, pero también sirve para aumentar la resistencia al impacto en muchos polímeros y para mejorar la apariencia de la superficie.

Un beneficio del uso de carbonato de calcio que se está explotando con más frecuencia hoy en día con la extrusión de película soplada es su baja capacidad de calor en comparación con el polietileno. Esto conduce a mejores tasas de enfriamiento, por lo tanto, mayores rendimientos, para películas que contienen carbonato de calcio. Sin embargo, las altas cargas de carbonato de calcio pueden conducir a un mayor desgaste de tornillos, barriles y sistemas de manipulación de materiales.

El carbono se utiliza de dos maneras primarias como aditivo: el negro de carbono y la fibra de carbono. Ambas formas absorben la humedad y generalmente se secan antes de la extrusión o se utilizan con un extrusor ventilado. El negro de carbono es una sustancia en polvo y se utiliza en muchas aplicaciones al aire libre debido a su capacidad para absorber la radiación ultravioleta. Esto prolonga la vida útil del polímero. Además, es un colorante potente, es relativamente barato, y puede aumentar la conductividad eléctrica. Uno de los principales inconvenientes del uso del negro de carbono es que es difícil de manejar, por esta razón, a menudo se utiliza en  forma de pellet  (masterbatch).

La arcilla se está convirtiendo en un aditivo cada vez más popular hoy en día. Se entrega al extrusor como un material polvoriento, pero a nivel microscópico (nanómetro) se compone de plaquetas apiladas. La arcilla se emplea en los llamados nanocompuestos, cuyo nombre se deriva del hecho de que el polímero de matriz penetra entre las plaquetas (intercalados).

En condiciones de procesamiento adecuadas, las plaquetas pueden separarse unas de otras (exfoliadas) para una mayor mejora de la propiedad. Las propiedades mecánicas y de barrera (resistencia a la permeabilidad de los gases) pueden mejorarse en gran medida mediante el uso de arcilla.

En el próximo blog hablaremos de las que componen una coextrusora para película por soplado y sus funciones, procesamiento, para luego terminar en los análisis de falla.


Palabras relacionadas:
Aditivos para polímeros extruidos, Agentes antibloqueo (antiblock), Antioxidantes, Agentes antiestáticos, Lubricantes, Estabilizadores, Tactificantes, Colorantes, Refuerzos y Rellenos, Aditivos, nanocompuestos.
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andres
09 de mayo de 2020 a las 13:50

cordial saludo, con respecto a la aditivacion de materiales he tenido inconvenientes laminando películas de pebd con base solvente, ya que presenta bajas fuerzas de laminación, solo en los pebd, he intentado utilizar aditivos antislip, antiblock y materiales sin aditivos en las capas externas donde se trata y lamina, sin dar con una solución, el cof externo nos da alrededor de 0.25, y no se si entre un cof mas alto mejor va a dar la laminación, gracias y disculpe las molestias.

WILMER SAAVEDRA CHACIN
11 de mayo de 2020 a las 15:28

Hola Andrés, Por lo que está sucediendo, debes revisar la formulación de la película coextruida que estas elaborando es muy probable que le estes colocando muchas partes por millón (ppm); por ejemplo una película de PE de 30 micrones debe tener mas o menos 500 ppm y una de 40 micrones 400 ppm. Revisa esto ya que parece que el exceso de deslizantes están yendo a la interfase donde esta el adhesivo, debilitando su adhesión. Un saludo Wilmer