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Soplado de película...

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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes IMEC 2411-02 Ingeniería de Materiales 14/11/2018

Propuesta Proyecto en Polímeros Alan Archbold - 201717547 Juan Sebastian Ayala - 201712049 Roberto Elías Cure - 201712775 Juanita Osorio Tovar – 201730078

I.

INTRODUCCIÓN:

Los polímeros son un nuevo grupo de materiales sobre los cuales se utilizan distintos métodos de procesamiento, tales como: Extrusión soplado, inyección, soplado de película, entre otros. En los métodos de conformado de polímeros antes mencionados, se tienen distintos rangos de parámetros, como: temperaturas de fundición, temperaturas de transición vítrea, presiones, velocidades, etc. Junto con esto, los rangos apropiados se conocen como ventana de operación. En este proyecto, se busca trabajar con el método de conformado de polímeros llamado, soplado de película, para polietileno de baja densidad con el propósito de poner a prueba las diferentes ventanas de operación en uno o varios parámetros, para así mejorar o probar las diferentes propiedades, alternando los parámetros y sus respectivas ventanas de operación.

II.

MARCO TEÓRICO:

El proceso de soplado es un proceso de fabricación continuo o discontinuo de producción de una pieza hueca con paredes delgadas a partir de materiales termoplásticos. Hay dos principales métodos de soplado, por inyección o por extrusión, en cualquiera de los dos casos la materia prima se funde para ser mezclada, se extrusiona o se inyecta en un molde para formar una pieza de plástico tubular, y se le introduce aire soplando el plástico hasta que se empareje con el molde. En el molde, se permite que el plástico se enfríe y endurezca y luego el molde se abre y se expulsa la pieza. [1] El equipo de extrusión-soplado consiste en una extrusora con un sistema de tornillo que permite tener una fundición uniforme a velocidad adecuada, un cabezal que permita que el material salga en forma tubular con la sección transversal deseada y una unidad de soplado, incluyendo el molde. Por otro lado, para el método de inyección generalmente se utiliza el método Gussoni el cual utiliza una mesa rotatorio horizontal alrededor de la cual se monta la parte positiva del molde y consta de un sistema de estaciones. [2] Los termoplásticos son una clase de materiales los cuales están compuestos de cadenas poliméricas que forman una estructura tridimensional con cruces entre las cadenas. Dependiendo de la cantidad de interacciones, el polímero puede resultar con una estructura

amorfa o semi cristalina, las cuales se encargan del comportamiento elástico, de la tenacidad y la resistencia, respectivamente. Los termoplásticos se caracterizan por su capacidad de ablandar frente al calor, llegando a un estado viscoelástico, el cual permite que el material sea moldeado a la forma deseada y luego al enfriarse endurecer nuevamente mantendrá sus propiedades y características. Algunos termoplásticos con sus respectivas propiedades se pueden ver en la tabla 1. Tabla 1. Comparativa de los polímeros que pueden ser aplicados en el proceso de soplado de película. [3][9] Polímero

Abreviatura

Polietileno Polietileno de baja densidad Polietileno de alta densidad

PE

Temperatura de fundición °C 105 - 135

LDPE

Calor especifico kJ/kg K

Propiedades

Densidad g/cm^3

2

Bajo costo

0.91-09.6

105 - 115

1.9 - 2.3

Flexible y duro

0.91-0.93

HDPE

130 - 135

1.90 - 1.91

Polietileno lineal de baja densidad

LLDPE

115 - 125

2

Polipropileno

PP

165

Poliestireno

PS

240

Etileno y acetato de vinilo

EVA*

71

Etileno alcohol de vinilo

EVOH

176

2.4

Cloruro de polivinilo

PVC

212

1.17

Cloruro de polivinilideno

PVDC

190

Poliamida

PA

228 - 265

Poliuretano

PU

-

1.25

1.67 - 2.09

Altos esfuerzos y rigidez Esfuerzo > LDPE Rigidez < HDPE Esfuerzo > PE Rigidez < PE Bajo costo y altos esfuerzos VA añade propiedades adhesivas con respecto a PE Resistente a la permeabilidad del oxígeno y soluble en agua Propiedades de barrera y termo retractiles Resistente a la permeabilidad del oxígeno y humedad Absorbente de humedad, usado como primera capa de barrera Alta elasticidad y toughness

0.93-0.96 0.88-0.93 0.90 1,05 0.949 - 0.95

1.17 - 1.19

1.15 - 1.40

1,63

1,13 1.03

El polietileno (PE) es un termoplástico frecuentemente utilizado en finas laminas, entre transparentes y translucidas, es un polímero compuesto de largas cadenas de CH2, derivado del petróleo, con buena tenacidad, ductilidad, baja permeabilidad al vapor de agua y buena resistencia química. Este es uno de los polímeros más comunes gracias a su bajo costo y su facilidad de fabricación, dependiendo de la reacción de polimerización exacta que se utilice para formarlo, pueden darse diferentes tipos de PE, entre estas diferenciaciones una de las más realizadas es por unidad de masa por unidad de volumen o densidad, entre estas se encuentran el PE de alta y baja densidad. El polietileno de baja densidad (LDPE por su nombre en inglés) tiene una estructura con cadenas altamente ramificadas lo cual lleva a su

característica de baja densidad. El LDPE tiene muy buena resistencia térmica y química, con la habilidad de soportar temperaturas continuas de 80-90ºC durante cortos periodos de tiempo; tiene alta resistencia al impacto, puede llegar a ser transparente, tiene buena procesabilidad, es flexible y puede ser procesado por métodos de conformado utilizados generalmente en termoplásticos, como los mencionados anteriormente de inyección y extrusión. Al momento de enfriarse después de estar fundido, algunas de sus cadenas se organizan formando zonas más cristalinas, conectadas por secciones amorfas, en el caso del LDPE hay menos zonas cristalinas, generando la baja densidad. Algunas de las aplicaciones más comunes para este material son:     

Empaques. Botellas o bolsas. Películas para invernaderos. Elementos de menaje. Tubos. Stretch film.

En el método de procesamiento seleccionado para este proyecto existen diferentes parámetros, con sus respectivas ventanas de operación, y las propiedades que variando los parámetros se van a mejorar o empeorar. Para nuestro caso en específico, existen los siguientes parámetros: Velocidad de extrusión, temperatura de fundido, relación de soplado (BUR), relación de estiramiento (TUR) y altura de la línea de enfriamiento (ALE). Con todos estos parámetros podemos estimar los cambios de las propiedades de nuestro producto final, tales como: resistencia a la tensión, al impacto, al desgarro, a la penetración y propiedades ópticas. [9] Primero que todo, para entender el cambio en las propiedades del producto, se debe saber que en este proceso tan importante en la industria de los polímeros se producen 2 tipos de orientaciones: una orientación axial debido al estirado de la película y una dirección transversal debido al soplado de la película. La variación de estas orientaciones resulta en cambios en las propiedades de los productos. Los parámetros más importantes se explicarán a continuación: Relación de soplado (BUR): Nos proporciona una idea del frado de orientación transversal de la película. Por lo que un aumento en esta relación significara una mayor orientación transversal (TD), y está dada por la siguiente ecuación: BUR=

D D0

Donde D es el diámetro de la burbuja y

D0

es el diámetro del cabezal.

Al igual D se puede calcular de la siguiente manera: D=

2 LF π

Donde LF es el ancho del plano (Layflat width) [9] Relación de estiramiento (TUR):

Este parámetro nos indica el estirado que ha sufrido el material en la dirección de extrusión (MD) y está dada por la siguiente ecuación: TUR=

V V0

Donde V es la velocidad de estirado de los rodillos de colapsamiento y del extrudado en la salida de la boquilla. [9]

V 0 es la velocidad

Relación de Adelgazamiento: Este parámetro nos brinda la información de la reducción del espesor en la resina fundida después de ser soplada. Ra =

E0 =BUR ∙ TUR E

Donde E0 es la abertura de los labios de la boquilla y E es el espesor de la película. [9] Altura de la línea de enfriamiento: Se define como la distancia medida desde la salida del cabezal hasta que el material está solidificado. Una mayor altura de línea de enfriamiento supone un mayor tiempo de relajación del material antes de la solidificación, por lo que se podría perder parte de la orientación dada por el estirado, aunque, esto también puede promover la formación de más o mayores estructuras cristalinas. [9] Temperatura de extrusión: La principal razón del cambio de la temperatura de la extrusión es el ajuste de la viscosidad, a mayor temperatura mayor dificultad en la estabilidad dimensional de la burbuja y libertad de defectos superficiales como rayas y fractura en fundido. Por otro lado, a menor temperatura, mayor viscosidad y mayor es la potencia necesaria para lograr el avance en la extrusora. [9] Velocidad del tornillo: Este parámetro está directamente ligado a la producción de mayor o menor espesor en el caudal, al igual que la cantidad de material obtenido en cierto tiempo. El incremento del caudal trae efectos como el aumento de la orientación molecular a la salida de la boquilla, lo cual ya se ha mencionado y de sus consecuencias, aumento del consumo de potencia y presión, aumento del calentamiento por disipación viscosa y reducción de la estabilidad de la burbuja. [9] Relación entre las distintas variables de procesamiento: Con el fin de encontrar productos finales con buenas propiedades ópticas y mecánicas a bajo costo, traduce en aplicar elevados valores de TUR, para reducir el espesor de las películas. Aunque también se puede conseguir con altos valores de BUR, a esto toca tener en cuenta que una orientación desbalanceada en la película final puede resultar en la disminución de distintas propiedades mecánicas, tales como: Resistencia al impacto, al igual que tendencias a fácil desgarrado en la dirección de la extrusión. Algunas orientaciones con su respectivo parámetro característico se pueden ver en la figura 1.

Por otro lado, se debe tener en cuenta que altos caudales de refrigeración pueden volver inestable el proceso, incluso rompiendo la burbuja a cauda de vibraciones por el alto volumen de aire en el proceso. Hay distintos estudios sobre la relación de los parámetros y de las propiedades finales de la película, en donde se encontró que el impacto “Dart” mejorara significativamente con el BUR incremento de la relación , al igual que en propiedades tensiles, encontraron fuertes TUR interacciones entre las orientaciones en MD y TD. [9] Figura 1. Orientaciones moleculares con diferentes parámetros. [9]

Efecto del TUR sobre propiedades finales de la película: Como hemos mencionado anteriormente, los cambios del TUR y el BUR se ven en la orientación y en su dirección, en el caso del TUR las cadenas poliméricas tienen una mayor orientación en MD, en consecuencia, de esto a mayores valores de TUR se refleja una disminución de la fuerza de desgarro en MD y TD, ya que hay puntos en TD donde las cadenas también se cristalizan, lo cual tiene como consecuencia menor dominio amorfo y menor fuerza de desgarro. [4][9]

Efecto de la temperatura de fundido en las propiedades finales de la película. El principal efecto de la temperatura es el cambio de la viscosidad, y a su vez hace que las modificaciones anteriores con respecto a la orientación de las cadenas poliméricas sean más notorias, por este motivo al variar el TUR, que hace un efecto en la orientación MD se va a ver mejorado por el cambio de la temperatura, además, puede cristalizar las cadenas. Los datos de referencia para múltiples parámetros con referencia a la temperatura de fundido del LDPE se pueden ver en la tabla 2.

Tabla 2. Valores de propiedades para tres temperaturas de fundido de referencia. [9]

Relación estructura-propiedades-proceso La estructura molecular del polímero tiene una influencia significativa en las propiedades físicas del producto final. En este caso, las condiciones de extrusión y la geometría de la burbuja varían la estructura molecular. La estructura está completamente relacionada con la orientación molecular. Cuando la orientación es modificada, las cadenas poliméricas cambian su configuración natural, pasando de una cadena con forma aleatoria a una aplanada y orientada, como se ve en la figura 2. La orientación molecular tiene distintas técnicas para su medición, entre las cuales esta difracción de rayos X. Figura 2. Moléculas en forma aleatoria y orientada. [4]

Problemas de la extrusión Fractura de Fusión: Es un defecto estético que parece como rugosidad en la película como se ve en la figura 3. La principal razón es un esfuerzo excesivo de cizallamiento en la masa fundida a medida que pasa a través de la matriz. En otras palabras, una alta velocidad del tornillo y baja temperatura de fundición.

Figura 3. Fractura de fusión en una película. [13]

Inestabilidad de la burbuja: La principal causa de la inestabilidad de la burbuja son las altas temperaturas de fundición, los efectos de esta inestabilidad se pueden ver en la figura 4. Figura 4. Fallas por inestabilidad de la burbuja. [4]

Fisheyes: Son partículas duras en la superficie de la película, creadas por material completamente fundido, se puede ver un ejemplo de estas en la figura 5. La razón de esto es la degradación del material por las altas temperaturas de la extrusión. Figura 5. Falla tipo fisheye. [4]

Arrugas: Las principales razones son: alta velocidad de jalado, alta presión del aire, alta velocidad de extrusión. Al igual que la fractura de fusión, se ve como rugosidades en la película como se ve en la figura 6. Figura 6. Defecto de arrugas en la pelicula. [12]

III.

OBJETIVOS:

El objetivo general de esta práctica es analizar y caracterizar algunas de las propiedades del producto final del proceso de soplado de película, que en este caso será una película polimérica constituida del material escogido: (Polietileno de baja densidad LDPE) luego de haber variado algunos parámetros de este proceso. En otras palabras, se realizará el proceso mencionado anteriormente, variando algunos parámetros, para luego observar cómo estas variaciones afectan algunas de las propiedades del producto final. Como objetivos específicos para el proyecto se establecen los siguientes: 

  

Modificar el TUR por medio de cambios en la velocidad del tornillo y la velocidad de jalado, y la temperatura de extrusión durante cuatro diferentes procesos de extrusión y analizar los efectos en la resistencia al impacto del material. Caracterizar el material obtenido para determinar la orientación de este. Encontrar una ventana de trabajo para las propiedades mencionadas anteriormente, teniendo en cuenta los cambios realizados en el TUR y la temperatura. Caracterizar el efecto que tiene sobre las propiedades del material, la escogencia de un rango más amplio en la ventana de operación para los parámetros escogidos.

Material: El polímero propuesto para ser utilizado en el proyecto es el polietileno de baja densidad (LDPE) debido a que este al ser considerado como un polímero commodity, su precio es bajo.

Además, es el polímero más utilizado en este tipo de procesos, debido a que al tener un valor especifico alto en comparación con los demás polímeros observados en la tabla 3, su ventana de operación es más grande. La cantidad que se utilizará de este polímero va a ser de 5 kg adquiridos en Quimicoplásticos. Así mismo, durante el proceso no es requerido un valor nominal de torque ni potencia altos por parte de la máquina extrusora [4] La temperatura de extrusión del polímero LDPE no puede ser superior a unos 315ºC debido a que por encima de esta temperatura el material se degrada haciendo que deje de ser apto para el proceso de soplado de película (Typical Purge Procedure with DuPontTM LDPE-6611). La amplia gama de ramificaciones dentro del LDPE hacen que este parámetro tenga un rango más amplio con respecto a otros polímeros [4]

Rangos de parámetros a evaluar: Parámetro Rango Velocidad de extrusión (TUR) 0-110 rpm Velocidad de jalado (TUR) 0-100 rpm Temperatura de extrusión 160-230ºC Es existente una relación entre las velocidades de extrusión y jalado, debido a que si la velocidad del tornillo aumenta más material va a requerir se jalado y por ende la velocidad de jalado debe aumentar para hacer efectivo el proceso de conformado. Propiedad a medir cuantitativamente: 

Resistencia al desgarro en dirección TD y MD Tabla 3. Efecto de la modificación del TUR sobre las resistencias al desgarro de la película. [9]

Propiedad Desgarro [g/μm] MD TD

5

6

7,5

1,75 ± 0,14 2,80 ± 0,23

1,77 ± 0,14 3,30 ± 0,08

1,37 ± 0,12 2,55 ± 0,13

Teniendo en cuenta los rangos de los parámetros a evaluar definidos anteriormente, y la relación que hay entre estos rangos y sus efectos en términos de las propiedades con las que contara el producto final luego de haber sido realizado el proceso de soplado de película. Se espera que al moverse dentro de los rangos especificados para las velocidades de extrusión y g jalado (TUR), la resistencia al desgarro varié dentro del siguiente rango: 3.00 y 3.85 . μm Respecto a los posibles efectos que podría tener sobre las propiedades de la película de polímero, una utilización de parámetros por fuera de los rangos establecidos, podría esperarse que, a mayores valores del TUR, se presente una disminución en la fuerza de desgarro en MD y TD. Una explicación que podría dársele al anterior fenómeno es la existencia de puntos donde las cadenas poliméricas se cristalizan, disminuyendo el dominio amorfo y con ello la fuerza de desgarro, lo cual se ve favorecido debido a que en el desgarro en MD se combina la velocidad de extensión y la cristalinidad inherente del material. 

Impacto al dardo con respecto a valores de TUR

Propiedad Impacto [kJ/m]

IV.

5 31,9 ± 0,7

6 32,4 ± 0,9

7,5 34,9 ± 1,7

METODOLOGÍA:

Material: Obtención y Caracterización: Para el proyecto se comprarán 5kg de LDPE. El proceso de caracterización del material no se llevará a cabo dado que los datos requeridos se obtendrán de la ficha técnica del material, generada por el proveedor. Extrusión-Soplado: Para este procedimiento se utilizará una maquina extrusora para soplado C.W. Brabender 2503, las características de esta máquina se pueden ver en la tabla 3. Tabla 4. Características de la extrusora de soplado. [6]

Superficie Interna

Zonas de calentamiento

44,3 in2

3

Watts por zona de calentamiento 1000W

Voltaje

Diámetro boquilla

230V

1 in

Durante este procedimiento se modificarán la velocidad de extrusión y de jalado para poder obtener dos valores diferentes de TUR y luego en procesos diferentes se modificará la temperatura de extrusión. Aparte de los parámetros que se variaran, la extrusora requiere introducir un valor de presión; los valores que tomara cada parámetro en cada extrusión se pueden ver en la tabla 4.

Tabla 5. Parámetros establecidos para cada proceso de extrusión.
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