Que sabemos sobre la resistencia del fundido?

Hay un dato importante para los polímeros grado extrusión que casi nunca se encuentra en las hojas de datos. Las hojas de especificaciones suelen mostrar la densidad del sólido, flujo de fundido, y una variedad de propiedades físicas del polímero sólido. Muchos incluso tienen algunas propiedades térmicas que son necesarios para cálculos del diseño de tornillo y enfriamiento. Sin embargo, todos los procesos de extrusión dependen en cierta medida de la resistencia del fundido del polímero, y esta propiedad generalmente no aparece en las hojas de datos.

Eso es lamentable, porque este dato es vital. En el caso de una lamina, es importante saber la resistencia del fundido porque influye en el estiramiento y pandeo desde el cabezal a los rodillos. Con una película, la resistencia del fundido impacta la estabilidad de la burbuja y la capacidad de estirar la película en la dirección de la máquina y transversal (DM, DT) para obtener propiedades equilibradas. Para el moldeo por soplado, la resistencia del fundido influencia el descolgamiento del 'churro' para controlar el espesor de la pared. Para tubos y perfiles, esta afecta el estiramiento y pandeo para la orientación y concentricidad. La resistencia del fundido también afecta el estiramiento en el recubrimiento por extrusión. Incluso en las aplicaciones de coextrusión, un relativo equilibrio de la resistencia dl fundido puede ayudar a lograr la estabilidad interfacial.

El problema es que los procesadores generalmente tienen que determinar la resistencia del fundido por su cuenta y tratar de compensarlo mediante el ajuste de temperaturas de fusión, las tasas de producción, diseño de equipos, y el intervalo de tiempo entre cuando el polímero está en tensión o en un estado sin soporte. Esto puede ser un proceso caro y largo de ensayo y error que a menudo requiere cambios significativos en el equipo .

La resistencia del fundido se puede describir como la resistencia de la masa fundida de polímero al estiramiento. La resistencia del fundido de un material está relacionada con la ramificación de la cadena molecular del polímero y su resistencia a desenredarse bajo esfuerzo. Las propiedades del polímero que afectan a la resistencia a desenredar son, el peso molecular, distribución de peso molecular (DPM) y la ramificación molecular. A medida que cada propiedad aumenta, la resistencia del fundido mejora a bajas velocidades de cizallamiento.

La ramificación y la DPM tienen el efecto más significativo sobre la resistencia del fundido, mientras se mantiene la procesabilidad. Los polímeros ramificados (o aquellos con una mayor proporción de cadenas moleculares muy largas) requieren un mayor esfuerzo para desenredar las moléculas y permitirles fluir. Los polímeros lineales son simplemente cadenas largas de polímeros con poca o ninguna ramificación, y son más fáciles de desenredar cuando se aplica un esfuerzo.

Los polímeros ramificados requieren un mayor esfuerzo para desenredar las moléculas para permitirles fluir. Los polímeros reticulados actúan de forma similar a los polímeros ramificados. Esta ilustración indica por qué estas estructuras moleculares requieren más esfuerzo para reformarlos, dándoles una mayor resistencia de fundido.

Los polímeros reticulados actúan de forma similar a los polímeros ramificados, y hay muchos aditivos disponibles comercialmente para los polímeros lineales que reticulan las cadenas lineales para mejorar la resistencia del fundido. Mas aun, la técnica de polimerización moderna ha permitido la ramificación de algunos polímeros que normalmente no serian ramificados.

La resistencia del fundido también esta relacionada con la viscosidad extensional del polímero, lo cual puede determinarse por reometría de flujo convergente. Pero las dos no siempre son proporcionales, por tanto la viscosidad extensional sola no describe la resistencia del fundido. La resistencia del fundido esta aún menos estrechamente relacionada con las medidas tradicionales de viscosidad al corte, por lo que las mediciones del índice de fusión / flujo de fundido no son un indicador significativo de la resistencia del fundido.

Una variedad de métodos se han desarrollado para medir la resistencia del fundido ya que se aplica a la extrusión práctica. El principal ha sido el dispositivo Goettfert Rheotens donde un extruído fundido o hebra de fibra se jala entre dos rodillos motorizados, conforme sale de un orificio de extrusión hacia abajo. A medida que aumenta la velocidad de los rodillos, se crea tensión en la trenza, la que se mide con el dispositivo Rheotens. El cruce entre el módulo de pérdida (G") y el módulo de almacenamiento (G') conforme se mide en un reómetro oscilatorio ha sido útil para estimar la resistencia del fundido.

Los reómetros oscilatorios son ampliamente utilizados en la actualidad para la caracterización de polímeros. A menudo los datos se pueden obtener directamente de los proveedores, sin pruebas adicionales necesarias, ya que las empresas de materiales suelen utilizar estos reómetros para el control de calidad interno. La información se visualiza en un gráfico; cuanto menor sea el punto de cruce de las líneas G' y G" tanto en el eje horizontal como en el vertical, mayor es la resistencia del fundido.

Para los procesadores de extrusión que cambian de polímeros con frecuencia, puede ser muy útil tener una idea de la resistencia del fundido del material de antemano para anticipar las condiciones de operación y hacer los cambios necesarios en el equipo . Diferentes resistencias del fundido casi siempre requieren cambios en el cabezal para compensar las diferencias de estiramiento, pero también pueden requerir cambios más elaborados en el equipo para otros efectos de la resistencia del fundido.

Acerca del autor,
Jim Frankland es un ingeniero mecanico que ha estado involucrado en todos los tipos de procesamiento por extrusion por mas de 40 años. El ahora es presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Contactarlo jim.frankland@comcast.net o al tel (724) 651-9196.

Plastics Technology
Junio 2013