Extrusion de Laminas y Bloques Espumados de Poliolefinas

Las espumas de poliolefinas son espumas de celda cerrada que son tenaces, flexibles y resilientes y se usan en aplicaciones tales como amortiguación, flotación, envoltura de muebles, deportes acuáticos, protección de superficies y muchos otros usos. Las características de absorción de energía de las espumas de poliolefina las convierten en espumas excelentes para su uso en aplicaciones de amortiguación. Las espumas de polietileno y polipropileno son productos de baja densidad, generalmente menores que 160 kg/m3, que se fabrican mediante el proceso de extrusión. Estas espumas se hacen de muchas formas: bloques, láminas, barras y trenzas múltiples, y pueden hacerse con una formulación reticulada o no reticulada.

Las espumas de polietileno y polipropileno se producen usualmente a partir de una combinación de resinas vírgenes y recicladas, agentes de soplado, agentes nucleantes y otros aditivos tales como colorantes, aditivos antiestáticos y retardantes de llama.

Tanto el polietileno como el polipropileno se pueden fabricar en laminas, típicamente de 2-15 mm de espesor hasta 1800 mm de ancho. Debido a las bajas propiedades de fundido típicas del polipropileno, sólo se utiliza polietileno en la fabricación de grandes secciones transversales de espuma de 50-100 mm de espesor y 600-1200 mm de ancho. Los bloques de espuma se fabrican a menudo en formas específicas para satisfacer los requerimientos de embalaje de componentes electrónicos tales como ordenadores y sus monitores, los requisitos de manipulación para usos de deportes acuáticos como tablas de surfear o los requisitos de separación de partes de aplicaciones industriales de uso múltiple.

Las espumas de láminas de poliolefina no reticuladas se pueden fabricar en líneas de extrusión de mono y doble tornillo que están diseñadas para mezclarse en grandes cantidades de agentes soplantes y luego extruir el gel sobresaturado a través de un cabezal anular a la temperatura apropiada, usualmente muy cerca del punto de fusión cristalino.

Figura 1. Efecto de la concentración de agente espumante de densidad teórica de la espuma

La Figura 1 muestra la relación teórica entre el contenido de agente de soplado y la densidad esperada de espuma. Para producir una espuma con una densidad de 32 kg/m3, el sistema de extrusión debe ser capaz de mezclar en 2.7 -7.5 kgs de agente soplante por 45.4 kgs de resina, dependiendo del agente soplante seleccionado.

La presión del gel en el cabezal es también muy importante. Si la presión es demasiado baja, entonces el agente soplante empezará a salir de la solución y permitirá que el gel fundido comience a espumar antes de salir de los labios del cabezal. Si esto ocurre, se producirá una alteración severa de la superficie de la piel y resultará una espuma de mala calidad. Los agentes soplantes se inyectan en el gel de resina fundida aguas abajo después de la tolva.

La ubicación exacta dependerá del tipo de equipo que se utilice. Para extruir laminas que son muy anchas y muy delgadas, se utiliza un cabezal anular y un mandril de conformación. El mandril de conformación de tamaño adecuado permite que el tubo extruido sea estirado radialmente y aguas abajo al mismo tiempo, y el mandril proporciona un medio para enfriar la superficie interna del tubo de espuma. El tubo enfriado es luego cortado en uno o dos lugares y posteriormente rebobinado en rollos.

La extrusión de bloques se realiza normalmente a través de un cabezal de forma más rectangular sobre una cinta transportadora o algún otro medio para mover la espuma fuera del cabezal. La extrusión de bloques por lo general requiere mayores velocidades que la lamina debido a la mayor apertura del cabezal y la necesidad de mantener una presión suficiente para prevenir el espumado previo.

La fabricación de espumas de poliolefina generalmente usa agentes físicos, que son materiales que son un gas a la temperatura de espumado (usualmente en el punto de fusión de la resina). Raramente se usan agentes soplantes químicos en aplicaciones no reticuladas. Los agentes soplantes para la extrusión de espuma de poliolefina son ahora típicamente hidrocarburos (14) o una mezcla de hidrocarburo y dióxido de carbono. Antes de los acuerdos del Protocolo de Montreal, el CFC-114 era el principal agente espumante utilizado en las espumas de poliolefina. El CFC-114 era un excelente agente espumante debido a sus características de solubilidad y permeabilidad. Otro atributo fuerte era su característica no inflamable.

Con el Acuerdo de Montreal, el uso de CFCs fue prohibido después de 1991 en aplicaciones no aislantes. La lista de reemplazo de CFC-114 para agentes espumantes no era larga. Se consideraron hidrocarburos (propano, butano e isobutano), HCFCs (22,142b), HFCs (152a, 134a) y dióxido de carbono. La mayoría de las opciones de reemplazo incluyeron un aumento en la inflamabilidad y un aumento en el costo de las operaciones de fabricación. El uso de dióxido de carbono es atractivo en términos de costo, inflamabilidad y seguridad ambiental, pero el aspecto de procesamiento hace difícil la sustitución total. Debido a la alta presión de vapor de este gas físico, es muy difícil mantener las características adecuadas de la solución de agente soplante-resina en el cabezal. La Clean Air Act de 1990 (CAA) ha reducido aún más las alternativas de agentes soplante. La CAA ha prohibido el uso de HCFCs, dejando sólo hidrocarburos y sus mezclas, HFCs (15) y dióxido de carbono, o mezclas de los mismos.

Las espumas reticuladas ofrecen una mayor estabilidad a la temperatura, más flexibilidad, un tamaño de celda más fino y mejores propiedades de termoformado que las espumas no reticuladas. La reticulación de la resina olefínica se consigue mediante reticulación química (tal como peróxido de dicumilo o silanos) o reticulación por radiación mediante exposición a rayos X o haz de electrones (7). Tıpicamente, la resina de polietileno, aditivos, agentes reticulantes y agentes soplantes quımicos (tales como azodicarbonamida) se mezclan entre sı a temperaturas por debajo de la temperatura de activación de los agentes soplantes, y luego se extruyen en una lamina plana que puede enrollarse o en algunos otros perfiles, antes de la expansión en un producto espumado.

La reticulación se produce antes de la etapa de expansión de la espuma. La expansión se realiza mediante la exposición de la lámina reticulada al aire caliente (200ºC). Generalmente, la reticulación química se utiliza en la producción de productos gruesos, mientras que la reticulación por radiación se usa para espumas más delgadas.

Referencias
K. W. Suh, M. H. Tusim
The Dow Chemical Company,
Midland, Michigan
The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology - Third Edition - 2009, p. 525