1 la inyección de plásticos
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1 la inyección de plásticos 1 la inyección de plásticos Document Transcript

  • LA INYECCIÓN DE PLÁSTICOS Objetivos Los plásticos son materiales sintéticos que presentan unas ventajas muy competitivas respecto a otros materiales. Por esta razón su consumo se ha disparado en las últimas décadas. Para una correcta y buena transformación conviene conocer bien el material a utilizar. Estamos habituados a trabajar con metales y aleaciones metálicas pero, en cambio, de los plásticos solo conocemos ciertos detalles que pueden ser insuficientes para corregir o mejorar ciertos problemas. En esta introducción se muestra las principales definiciones, propiedades y demás conceptos relacionados con un tipo concreto de plástico: los termoplásticos (que son los más usualmente utilizados en inyección) Introducción Este tema muestra nociones básicas sobre el origen del plástico - tanto históricamente como químicamente - , su uso y su sector industrial asociado. El tema está desarrollado en los siguientes cuatro puntos:  Historia  Obtención  Justificaciones de uso.  Mercados. Historia La historia de los plásticos se inició hace muchos años, pero el desarrollo industrial y el aprovechamiento técnico de sus características empezaron a mediados del siglo pasado. A continuación haremos un recorrido a lo largo de su historia para descubrir los avances que han tenido lugar.
  • De la antigüedad hasta el siglo XIX. La primera materia plástica usada por el hombre fue el caucho natural que se obtenía de los árboles de las selvas ecuatoriales. Mucho más tarde, en 1842, Th. Hancock consigue la obtención de los primeros cauchos sintéticos mediante el proceso que bautizó como vulcanización. Charles N. Goodyear se aprovechó de este descubrimiento para iniciar la producción de caucho industrial. La anécdota más conocida de esta época tuvo lugar en 1859, cuando J.W. Hyatt descubre, mientras estaba ensayando materiales para fabricar bolas de billar, un nuevo material al que llamó celuloide. Del 1900 al 1930. Durante este periodo los esfuerzos en descubrir nuevos materiales se centraron en la obtención sintética. Esto es, de forma artificial, provocando las condiciones que en la naturaleza no se presentan. Aparecieron, entre otros, la Bakelita, el Celofán y el policloruro de vinilo. Del 1930 al 1940. Esta fue la década del gran auge de los materiales plásticos. Durante este periodo se llevaron a la práctica las producciones industriales de poliestireno, polimetilmetacrilato, policloruro de vinilo, polietileno, poliamidas (Nylon), y los poliuretanos. En esta época empiezan también los estudios científicos para conocer más y mejor el nuevo material sintético conocido como plástico.
  • Del 1940 al 1950. En esta etapa aparecieron los plásticos más técnicos, mejorando los conocimientos sobre copolímeros, "blends" y aditivos. Los esfuerzos se centraban en la mejora productiva de los materiales, para conseguir así una mayor competitividad respecto a los materiales clásicos. Entre otros, nacieron en este periodo los politetrafluoretilenos (Teflón) y los copolímeros. Del 1950 al 1990. Una vez los plásticos ya fueron introducidos en el mercado y se usaban con regularidad, los principales productores pasaron a la mejora de sus procesos. Y gracias a ello parecieron nuevos
  • materiales como el polietileno de alta densidad o el poliestireno de alto impacto. Al aumentar su uso, las exigencias fueron aumentando y por tal motivo empezaron a aparecer los plásticos de propiedades muy elevadas. Algunas son el policarbonato (que gracias a su transparencia es ampliamente usado junto con el polimetacrilato y el poliestireno, para piezas con requisitos ópticos), el polipropileno, los poliformaldehidos, las polisulfonas o el polietilentereftalato . Del 1990 al futuro. La mala fama del plástico viene como consecuencia de sus condiciones antibiológicas. Esto hace que los esfuerzos vayan encaminados hacia la reducción de contaminación medioambiental, tanto en su producción como en su transformación y su reciclado. También se están avanzando las investigaciones de nuevos materiales y nuevos procesos de obtención. El futuro está mas claro que exigirá a los materiales plásticos mucho más de lo que hoy pueden ofrecer. Las materias primas para la obtención del plástico derivan del petróleo, gas natural, madera y carbón. Todos ellos son portadores de carbono, hidrógeno y oxígeno, además de otros compuestos que contienen nitrógeno, azufre y flúor. Así se obtienen las materias primeras de la industria del plástico. El más importante de ellos, en volumen, es sin duda el petróleo, aunque conviene señalar que solo un porcentaje muy bajo del petróleo extraído actualmente se destina a la elaboración de plásticos.
  • Justificación del uso Ya se ha citado anteriormente que los plásticos se han vuelto muy competitivos respecto al resto de materiales. Esto se debe a la suma de propiedades, más que por una en concreto. Las propiedades que hacen más interesantes los plásticos son: Ligereza Su densidad varía entre 0,8 gr/cm3 y 2,2 gr/cm3. Por lo tanto se trata de materiales considerablemente más ligeros que los metales, el vidrio y la cerámica. Gracias a ello son posibles construcciones muy ligeras en sectores como la automoción y la aeronáutica, donde su uso ha ido incrementándose cada vez más. Flexibilidad Los módulos de elasticidad de los plásticos (indicadores de la rigidez), son del orden de 10 a 15 veces inferiores que los metales, aunque con un buen diseño, pueden obtenerse resistencias mecánicas que nada tienen que envidiar a los aceros más rígidos. Gracias a su flexibilidad pueden fabricarse piezas con bisagras o films para envases de gran resistencia. Transformación rápida y económica Las temperaturas de transformación se encuentran en el intervalo comprendido entre 150 y 300 ºC, aunque en algún caso especial puede necesitarse llegar hasta 400 ºC. Así es fácil entender que la energía necesaria para la fusión del plástico es mucho menor que para el caso de los metales, cosa que implica un menor coste de fabricación en este aspecto. Los procesos de transformación de plásticos son sumamente rápidos y permiten grandes producciones en poco tiempo. Transparencia
  • Algunos plásticos son transparentes, en virtud de lo cual compiten con éxito con los cristales minerales, a los que pueden superar en transmisión de luz, como es el caso del metacrilato. Estabilidad química Comparados con los metales, los plásticos tienden en mucha menor medida a la corrosión, y son habitualmente resistentes a los ácidos y las bases minerales, así como a disoluciones salinas, que sí atacan a los metales. Capacidad aislante La conductividad calorífica de los plásticos es del orden de 1.000 veces menor que la de los metales corrientes. La conductividad eléctrica es aún más distinta que la de los metales, pudiendo llegar a ser 1.000 trillones de veces inferior a la del metal menos conductor. Por este motivo los plásticos son materiales irrenunciables en la técnica de instalaciones eléctricas, como aislantes perfectos. Permeabilidad selectiva Aunque casi todos los plásticos actúan de barrera para los líquidos, muchos dejan pasar a través suyo algún gas. Las aplicaciones típicas que aprovechan esta característica son los films de envase, o las membranas selectivas de gases. Reciclabilidad y baja contaminación Una vez ha terminado su vida útil, los plásticos pueden reciclarse de distintas maneras. En la fabricación de los plásticos intervienen cantidades de energía y de agua mucho menores que en cualquier otro proceso de fabricación de papel, cristal o metal. Las fábricas de materia prima plástica se encuentran entre las menos contaminantes que existen. Mercados La industria del plástico puede representarse según el siguiente organigrama: La industria básica se dedica a la obtención de la materia prima que la industria transformadora usará para fabricar los componentes necesarios. Asociada a esta industria transformadora está
  • la industria productora de molde, maquinaria de inyección, equipos auxiliares, componentes normalizados, etcétera. Con las diferentes posibilidades del plástico podemos confeccionar una lista por sectores, en función del volumen de plástico usado (no de piezas vendidas). Por ejemplo, durante el año 1.997 los usos por el sector del plástico fueron: Objetivos Dentro de la química del plástico, y en su industria correspondiente, se suele usar una terminología que a priori nos es desconocida. En este tema se pretende clarificar los conceptos fundamentales del material plástico. Así, serán introducidos conceptos referidos a la obtención, constitución y transformación del material. Definiciones básicas La industria química, que produce la materia prima para los transformadores de plástico, usa habitualmente una terminología que puede parecer complicada para aquellos que son ajenos al sector. Aunque para el transformador y el moldista les basta conocer el tipo de plástico y sus propiedades básicas, es interesante comprender y conocer el significado de los siguientes términos: Monómero La primera entidad química que dará lugar a la formación del polímero, y que configurará todas las propiedades del plástico, es el monómero. El monómero (por ejemplo, el etileno) es una unidad química tal que puede reaccionar con otros monómeros para formar una larga cadena de unidades repetidas (en el ejemplo del etileno el polímero obtenido sería el polietileno). Polímero Los polímeros son las cadenas que se forman por unión consecutiva de monómeros, dando lugar a una macromolécula, que por ser constituida fundamentalmente por átomos de carbono es considerada orgánica. Estas cadenas se forman por unión de muchos elementos idénticos o similares, engarzados, uno a uno, por enlaces químicos. Tienden distribuirse formando ovillos y, en general, se disponen en forma totalmente desordenada.
  • La disposición regular de los segmentos de las macromoléculas formadas por los elementos constitutivos caracteriza la estructura de los plásticos. A pesar de su diversidad, todos los plásticos tienen la misma estructura: están constituidos por macromoléculas. Polimerización No es más que la reacción que da lugar al polímero partiendo del monómero. La polimerización tiene lugar en un recipiente llamado reactor. En este reactor se introducen el monómero o monómeros base, y otros aditivos que pueden ser requeridos para la reacción. Es habitual encontrarse con iniciadores, catalizadores, terminadores y agentes de estructura. Existen diferentes tipos de polimerización atendiendo al inicio, concatenación, regulación y terminación de la misma. Homopolímero Un homopolímero es un polímero formado a partir de un único monómero. Esto hace que su obtención sea extremadamente sencilla gracias a la homogeneidad química existente. Y cómo no, su coste se ve favorecido por este aspecto. La desventaja que presenta es que las propiedades pueden ser algo bajas según que casos. Ejemplos de homopolímeros son el polietileno, el polipropileno, el policloruro de vinilo, el poliestireno, la poliamida, etc. En estos casos es fácil identificar el monómero original. Copolímero Cuando los requerimientos finales exigen unos determinados niveles de prestación al plástico, es usual no poder formular con un único monómero el compuesto. Entonces se realiza una mezcla de monómeros que da lugar a un tipo de plásticos que se conoce como copolímero. En ellos, al existir una mezcla de monómeros, el coste de obtención se encarece ligeramente. Pero las propiedades finales del material suelen ser globalmente mejores que las de los distintos homopolímeros. Este es el caso del acrilobutiloestireno, del etileno vinilacetato, del acrilonitriloestireno, etc.
  • Blend Cuando se unen dos o más polímeros para dar lugar a un nuevo material se habla de la formación de un 'blend' o 'composite'. En este caso lo que se hace es mezclar físicamente los polímeros base. Será importante para las propiedades finales del material, analizar cómo se realiza la mezcla. Aditivos Los aditivos son compuestos que se añaden al polímero para que éste modifique o mejore las propiedades que tiene. Industrialmente, el polímero tiene un tipo de interés muy bajo, pero con ciertas modificaciones introducidas por los aditivos se convierte en más interesante. De esta forma, sí al producto final ya se le puede llamar plástico. Tipos de estructura Como se ha descrito en las definiciones básicas, el plástico es un material que se forma a partir de largas cadenas moleculares. Estas cadenas pueden: - Presentar ramas en su linealidad. - Entrecruzarse. - Ordenarse. Debido a este distinto comportamiento se puede establecer una clasificación de los materiales plásticos según su linealidad y ramificación. Se distinguen cuatro grandes grupo. Termoplásticos Son aquellos que tienen un buen nivel de linealidad y presentan algún tipo de entrecruzamiento de cadenas. Para su transformación basta con aportarles el calor necesario para que se funda el material y pueda ser moldeado. Después de ser enfriado, el material adquiere la consistencia necesaria para poder utilizarlo. Si por cualquier circunstancia el material vuelve a ser calentado, no experimentará cambio alguno, excepto que fundirá de nuevo. Por esta razón, los termoplásticos son ampliamente reprocesables. Termoplásticos de alta linealidad Son cadenas de plástico que prácticamente no presentan ninguna ramificación. Esto hace que su comportamiento mecánico sea muy bueno en situaciones de orientación de la pieza. Su comportamiento de transformación es el mismo que el de los termoplásticos.
  • Termoestables (o termoenduribles) Son aquellos que presentan un elevado nivel de entrecruzamiento, también llamado nivel de reticulación. Esta unión entre cadenas provoca que las propiedades del material sean superiores a las de los termoplásticos. El inconveniente es que el proceso es irreversible y, por tanto, la reticulación del material debe tener lugar dentro del molde. La tecnología de transformación difiere de los termoplásticos. La materia prima de la que se parte es el termoplástico sin reticular. Este material se introduce en un molde caliente, donde se da lugar la reacción química que genera los enlaces entre las moléculas. La pieza que sacamos del molde tiene unas características muy diferentes al material que habíamos introducido en él. La reticulación se realiza mediante transferencia de calor. Si durante su vida útil el material vuelve a recibir calor, estos cruces de cadenas se romperán y por lo tanto el material será degradado. Esto hace que los termoestables no puedan volver a ser procesados. Elastómeros Son los comúnmente llamados cauchos. Se trata del caso extremo de reticulación. Las cadenas están extremadamente entrecruzadas y no son excesivamente largas, motivo por el cual el material gana en propiedades elásticas. En el caso de los elastómeros el proceso de reticulación, que también debe desarrollarse en el molde, se llama vulcanizado. Cristalinidad Como ya se ha citado, la ordenación de las cadenas da lugar a dos tipos claramente diferenciados de material plástico. Cuando las cadenas de termoplástico crecen sin orden ni dirección, se dice que el plástico es amorfo. En cambio hay cierto tipo de plásticos que pueden llegar a presentar un crecimiento ordenado. Este es el caso de los termoplásticos cristalinos.
  • De todas ellas, para el moldista es importantísimo conocer la contracción del material, ya que influirá en el diseño de la cavidad. Las propiedades térmicas del material son vitales para una correcta manipulación del plástico. Para el moldista es importante conocerlas ya que permitirán calcular la refrigeración del molde. Para el transformador es importante para saber los intervalos con los que deberá programar la máquina de inyección. Nótese que para los plásticos amorfos existe una única temperatura característica del material, que es la temperatura de transición vitrea. Esta temperatura supone la frontera entre el comportamiento de sólido rígido y el de fluido altamente viscoso. Como es de suponer, para poder transformar el material es imprescindible hallarse por encima de este valor. Los plásticos cristalinos tienen, además de esta temperatura de transición vítrea, una temperatura de fusión, que corresponde al cambio de estado físico. Para una correcta transformación siempre deberá transformarse por encima de esta temperatura. Conviene aclarar que estos valores no son exactos sino que se trata de intervalos de valores. Clasificación según prestaciones Esta clasificación hace referencia al uso de mercado de los plásticos y suele estar sujeta a variaciones continuadas. Pero de forma genérica se viene aceptando que existen tres grandes grupos de plásticos.
  • Plásticos estándar Son aquellos que se usan desde ya hace algunos años y no presentan excesivos problemas de transformación. Sus propiedades son sencillas y su coste es relativamente bajo. También son llamados comodities. Son los más consumidos. Algunos de ellos son: LDPE, HDPE, PP, PS, PVC. Plásticos técnicos Se trata de plásticos de uso también mayoritario pero con mejores propiedades y coste algo superior. Algunos de ellos aparecieron al exigir determinados valores de resistencia a los comodities, y se formularon a partir de mezclas poliméricas. Entre ellos están: PA, POM, PC, SAN, ABS, ASA, PMMA, PBT, PET. Plásticos de altas prestaciones Son de reciente aparición. Sus propiedades son muy superiores a las de los anteriores tipos, pero su precio también es superior. Su transformación suele ser algo más problemática que la de los comodities. Su consumo no es mayoritario, si bien los fabricantes de materia prima insisten en que en un futuro no lejano serán los de mayor consumo. Algunos de ellos son: LCP, PPS, PSU, PEK, PES, PTFE. Aditivos Los polímeros que se obtienen en el reactor de polimerización son sustancias más o menos puras, cuyas propiedades distan mucho de ser idóneas para gran número de aplicaciones útiles. Es por ello que, después de la polimerización, se hace necesaria una etapa complementaria de confección. Los aditivos son sustancias que se incorporan al polímero para:  Ayudar en el proceso.  Mejorar propiedades del polímero.  Modificar propiedades del polímero. Durante la confección se dosifican al polímero cuantos aditivos sean necesarios para obtener las propiedades finales que se pretendan. Esta mezcla de polímero y aditivos se funde para conseguir una total y uniforme incorporación de los aditivos, y se convierte mediante extrusión en granza, dispuesta para ser procesada por cualquiera de los métodos de transformación de plásticos. Los aditivos, como responsables de la gran versatilidad de los plásticos, son a su vez muy numerosos, clasificados en categorías atendiendo a la finalidad que se persigue con su empleo. En todo caso puede hablarse de dos grandes clases de aditivos:  Aquellos que son imprescindibles, sin los cuales el polímero no podría ser transformado de una manera técnicamente viable  Los opcionales, que se emplean simplemente para mejorar/modificar alguna propiedad concreta, con el objetivo de ser utilizados en una aplicación muy determinada.
  • Tipos de aditivos Atendiendo al tipo de actuación, los aditivos se clasifican como: Reactivos Son sustancias necesarias para llevar a término la polimerización, y que no se incorporan al polímero; catalizadores, acelerantes, inhibidores, retardantes. Sólo se utilizan en el proceso de polimerización. Auxiliares de proceso Se utilizan para facilitar el granceado (obtención de la granza), y el proceso de transformación: estabilizantes térmicos, lubricantes y desmoldeantes. Mejorantes Para potenciar algunos aspectos del polímero que no están por debajo de los valores requeridos: estabilizantes UV, colorantes, antioxidantes, inifugantes, antiestáticos. Lubricantes Ciertos plásticos presentan un mal comportamiento en estado fundido. La fricción que se produce en el interior de la masa fundida llega a ser tan grande, cuando se la manipula en el interior de una máquina, que puede producir la degradación del polímero. Otros plásticos no tienen este problema, pero en cambio fluyen con dificultad sobre las partes metálicas de la instalación. Para ambos casos se prevé el empleo de lubricantes (también llamados lubrificantes). En el primer caso se usan lubricantes internos, mientras que en el segundo la aplicación consiste en lubricantes externos. Los lubricantes externos pueden entorpecer operaciones posteriores como el pintado, la impresión o la soldadura de la pieza confeccionada. Desmoldeantes No deben confundirse los desmoldeantes con los lubricantes. Los desmoldeantes son productos con propiedades antiadherentes que se aplican directamente sobre los moldes para facilitar la extracción de la pieza moldeada. Comparten ciertamente con los lubricantes externos la tendencia a dificultar operaciones como el pintado, ya que con frecuencia son arrastrados fuera del molde con la pieza. Colorantes El color natural de los polímeros varía entre un tono transparente más o menos amarillento o azulado, hasta los tonos pardos o verdosos, pasando por una gran gama de blancos lechosos o marfiles. Los colores naturales no suelen ser los más convenientes para un gran número de aplicaciones, por lo que en muchos casos se procede a colorear los plásticos. Esto, de hecho, constituye una gran ventaja, puesto que permite a los productos fabricados en plástico de un aspecto atractivo. El dióxido de titanio (TiO2), también empleado en la industria de pinturas, es el aditivo preferido para los tonos blancos, mientras que el negro de humo, por su efecto adicional de protección frente a los rayos UV, es el más utilizado para los tonos negros. Para tonos intermedios existen colorantes de base muy variada. El coloreado puede realizarse en la misma planta de fabricación de la materia prima, o bien, en el centro de transformación. El procedimiento más común empleado por los transformadores que desean dar color a las granzas naturales es la adicción de "granzas de concentrado de color"; los denominados masterbach. Se trata de concentrados de color con base polimérica que se añaden en un pequeño porcentaje a la granza natural.
  • Modificantes En cuanto modifican de manera muy considerable las propiedades del plástico: plastificantes. Reforzantes Para aumentar de manera significativa propiedades mecánicas y térmicas: cargas y refuerzos, modificadores de impacto. Ignifugantes Los plásticos son materia orgánica, y como tal, arden fácilmente si se les pone en contacto con una llama. No son inflamables, es decir, no arden violentamente ni pueden provocar explosiones. Tampoco se incendian espontáneamente con una chispa. Simplemente se queman, al igual que un trozo de madera puesto al fuego. Los aditivos ignifugantes tienen como misión dificultar la combustión. Algunos actúan eliminando el oxígeno del entorno de la llama, por lo que ésta acaba apagándose. Según el grado de efectividad del agente ignifugante y de la cantidad dosificada, los plásticos pueden ser incombustibles (plásticos fluorados, Teflón), autoextinguibles aditivados (PS, ABS, PA, etc.), autoextinguibles intrínsecos (PES o PPS), combustibles (PE, ABS, POM), o fácilmente combustibles (PS, PMMA). Plastificantes Son normalmente productos de consistencia pastosa que se añaden al polímero para que se interpongan entre sus macromoléculas con el objetivo de que la estructura final sea menos rígida y por tanto más resistente al impacto. Su proporción en el plástico puede variar desde porcentajes pequeños (<5%), hasta valores superiores (de hasta el 10%), como en el caso del PVC-P, EVA o TPE. Este material posee, en virtud de la presencia de plastificante, un comportamiento mucho más flexible y tenaz que el PVC-U. Un caso especial lo constituyen las PA. Estos materiales muestran una cierta fragilidad cuando acaban de ser transformados. Este estado es pasajero ya que, con el paso del tiempo, todas las PA, en mayor o menor medida, absorben humedad del ambiente. El agua absorbida es incorporada a la estructura interna y fijada químicamente. Su efecto es el de un plastificante, y de hecho, se trata del mejor plastificante. Cargas y Refuerzos El concepto de carga tiene, industrialmente, un matiz peyorativo. Se trata de sustancias de bajo precio empleadas para abaratar el producto final. Sin embargo, en el caso de los plásticos, su significado es claramente positivo. La mayoría de los plásticos no cargados tiene una consistencia insuficiente para aplicaciones donde la resistencia mecánica es la propiedad más deseada. Mediante la incorporación de cargas y/o refuerzos, pueden conseguirse materiales que nada tienen que envidiar a los aceros más resistentes. Los refuerzos más habituales son: fibras de vidrio (largas o cortas), esferas de vidrio, fibras de carbono, cargas minerales (talco, carbonato cálcico, silicatos, grafito). Es frecuente también mezclar dos cargas en un mismo plástico, por ejemplo: fibra de vidrio y talco.