Tema 2 - Muy buenos apuntes, los recomiendo para aprobar. Si no usas estos apuntes será PDF

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Tema 2. Procesos de fabricación empleados en polímeros- Monómero: unidad básica de construcción de un polímero. (Etileno)- Polímero: Unión de cientos o miles de monómeros. (Polietileno)- Plástico: Polímero + Aditivos (plastificantes, refuerzos, colorantes, retardadores dellama...)PolimerizaciónLa po...

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Tema 2. Procesos de fabricación empleados en polímeros -

Monómero: unidad básica de construcción de un polímero. (Etileno) Polímero: Unión de cientos o miles de monómeros. (Polietileno) Plástico: Polímero + Aditivos (plastificantes, refuerzos, colorantes, retardadores de llama…)

Polimerización La polimerización se puede realizar:

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Por condensación o por etapas Por adición o en cadena: Iniciación, propagación y terminación.

Termoplásticos Al aumentar la temperatura por encima de Tg o Tm los enlaces secundarios se debilitan y las cadenas adyacentes pueden desplazarse. Es un proceso reversible al disminuir la temperatura. Se unen mediante enlaces covalentes (cadena fuerte en la dirección de la cadena). Tienen fuerzas intermoleculares de van der Waals (son los más débiles). Sus cadenas tienen bastante movilidad al ser calentadas, no están entrecruzadas y funden.

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Tg muy baja

Tienen cierta cristalinidad. Cuanta más cristalinidad más rígidos y menos humedad. La cristalinidad disminuye cuando aumenta la velocidad de enfriamiento. Ejemplos: nylon, polietileno, poliestireno, polipropileno…

Termoestables La red polimérica está constituida por enlaces covalentes. El entrecruzamiento es irreversible. Una vez polimerizado no puedo fundirlos. Tienen enlaces a parte de en la cadena, y unión covalente en la cadena.

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T no debe pasar de la Tg

Siempre amorfos. Ejemplos: fenol-formaldehído, urea-formaldehído, epoxi…

Elastómeros -

Tanto los TP como los TS tienen temperatura de transición vítrea Tg (pasan de vitreo a gomoso). Este proceso es reversible.

Comportamiento térmico de polímeros Temperatura de transición vítrea: temperatura que marca el paso de sólido rígido a solido deformable o gomoso.

Concepto de viscosidad La viscosidad es la resistencia a fluir. Influye la temperatura, a mayor temperatura menor viscosidad.

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Comportamiento dilatante: Al aumentar la velocidad de cizalla aumenta la viscosidad. Ejemplo: suspensiones de almidón y ciertas suspensiones de PVC. Comportamiento plástico: Se comportan como sólidos elásticos por debajo de un esfuerzo umbral mientras que con la aplicación de un esfuerzo superior se deforma de forma continua como un fluido. Comportamiento pseudoplástico: Al aumentar la velocidad de cizalla disminuye la viscosidad. La pseudoplasticidad es más o menos marcada dependiendo de la distribución de pesos moleculares y de la estructura del polímero. Los polímeros suelen ser pseudoplásticos.

Curvas de flujo:

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Temperatura de servicio: Temperatura hasta la cual, las características o propiedades del material se mantienen. En polímeros a veces, la Tg marca la temperatura de servicio. Si la temperatura de servicio se encuentra entre Tg y T se produce degradación.

Curado El curado es una reacción de polimerización y entrecruzamiento de un TS. A medida que voy realizando el curado la viscosidad aumenta. Se producen reacciones exotérmicas e irreversibles.

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Gelificación: Proceso por el cual se produce un brusco y rápido cambio en la viscosidad, pasando de un estado de fluido viscoso a un gel sólido. Creación de puntos de entrecruzamiento entre las cadenas. Proceso Irreversible. Tiempo de Gelificación: Tiempo para alcanzar la gelificación desde la adición de todos los componentes del sistema (resina, endurecedores, acelerados, inhibidores. Vitrificación: Tg de la resina alcanza la temperatura del sistema. A partir de este instante, la reacción tiene lugar por debajo de la Tg del sistema. La reacción de curado es más lenta en este momento y la difusión de las especies está más dificultada. Las propiedades mecánicas y térmicas finales no se han alcanzado aún en este momento. Pico exotérmico: Temperatura máxima alcanzada durante la reacción.  A medida que hay curado la Tg aumenta  Si aumentamos la temperatura, el material vuelve a estar gomoso y la reacción se producirá más rápido  Tg infinita: Es la máxima temperatura vítrea que voy a poder alcanzar con ese sistema polimérico.  No curar a altas temperaturas porque se forman estructuras muy frágiles.

Ventajas del empleo de polímeros      

Relativo bajo coste Resistencia a la corrosión y químicos Baja conductividad eléctrica y térmica Baja densidad Elevada relación resistencia-peso Fácil fabricación y posibilidad de conformar formas complejas

Moldeo por inyección

Componentes -

Tolva Carcasa Husillo retráctil: zona de alimentación, de compresión y de dosificación. Cabezal de inyección: posición de procesado y posición de purga. Molde: Plato estacionario fijado a la carcasa. Uno o más platos móviles que se desplazan mediante guías. Canales de enfriamiento.

La presión de la etapa final de inyección puede llegar a 500-2000 bar. El sistema de molde debe disponer de un mecanismo que facilite la extracción de la pieza final.

Tipos de molde -

Moldes de 2 placas: se sacan con los runners junto a las partes. Moldes de 2 placas: se sacan los runners y las partes por separados, lo que permite que se reciclen.

La etapa limitante es la etapa de enfriamiento

Procesos de inyección especiales 

Inyección multicomponente: se inyecta primero un polímero y luego otro que empuja al primero para rellenar todos los huecos. El primer polímero estará menos líquido que el segundo.  Inyección-compresión: se usan bandejas con mucha superficie y bajo espesor, son difíciles de rellenar por el alto rozamiento. Para facilitar el proceso se realiza en dos etapas, primero inyecto el material al haber más espacio y luego comprimo para ocupar todos los huecos.  Inyección con gas:

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o

Externo: inyecto polímero y luego gas por un borde de la pieza, el gas comprime el polímero. Se rellena muy bien la cavidad, no hay distorsión dimensional. Interno: se inyecta el polímero y después el gas dentro de la pieza junto al polímero. El gas empuja al polímero, que rellena las paredes quedando hueco el centro. (Figura)

Procesos de inyección especiales 

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Moldeo de espumas integrales: se disuelve un inerte en la resina, luego la resina se inyecta, el gas se expande empujando a la resina a los extremos de las cavidades. A medida que la pieza se enfría, la presión interna de la formación de espuma aumenta la contracción interna. Inyección-soplado: se inyecta una preforma, se calienta el polímero y se sopla para que se adapte a la forma de la preforma. Inyección-estirado-soplado (PVC, PP, PET): se inyecta la preforma, se estira el material, se sopla hasta que coge la forma. Estos dos procesos tienen unas paredes muy delgadas al final del proceso, por ejemplo las botellas de plástico. Moldeo por inyección de materiales TS: el polímero termoestable se inyecta antes de la fase de gelificado para que esté líquido. Se vierte el polímero, se inyecta, se espera a que se realice la etapa de curado y luego se enfría y se saca del molde.

Consideraciones económicas (Moldeo por inyección)

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Velocidad de producción alta: 1-50 piezas/min Las piezas de termoestable tienen normalmente un ciclo de inyección más largo. La flexibilidad en el diseño de las piezas viene limitada por los moldes Rentable económicamente para una producción de más de 10000 piezas Se puede conseguir la automatización completa del proceso Los costes de equipos y herramientas son elevados Los costes de acabado son bajos

Consideraciones en el diseño

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Se pueden conseguir formas muy complejas y detalles con relieve Tiene flexibilidad para generar huecos, insertos, cortes y relieves Los espesores de las piezas son uniformes y la variación de espesor no debe ser superior a 2:1

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La fuerza de cierre es proporcional al área de la pieza moldeada proyectada El radio mínimo interior de una pieza es de 1.5 mm y el ángulo que se puede moldear está en el rango de 0.25 a 4º, dependiendo de la sección de la pieza El rango de espesores en las piezas es de 0.4 a 13 mm para termoplásticos y de 0.9 a 13 mm para termoestables con un tamaño de pieza de 10-25 Kg y máximo de 6 Kg, respectivamente

Moldeo por extrusión

Componentes

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Tolva (Hopper) Husillo (screw): zona de alimentación (feed zone), Zona de compresión o plastificación (compression zone) y Zona de dosificación o bombeo (metering zone). Va empujando el polímero hasta la boquilla o hilera. Plato rompedor (breaker plate): placas perforadas y tamices metálicos. Hace de filtro para los restos que no han fundido. Facilita que el flujo de polímero pase de circular a lineal.

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Boquilla o hilera (die): contiene torpedo para perfiles huecos. Tiene una sección pequeña lo que hace que el polímero se comprima al pasar por ella. Cuanto más alargue la hilera más presión deberé ejercer para sacar el material. Una hilera alargada disminuye la distorsión. Cuanta más forma recupere el material más distorsión tendrá. Los tres caudales en la extrusión son iguales, a no ser que te digan que hay pérdidas.

Ciclo de extrusión

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Colocación de la granza en la tolva Arrastre del material por medio del husillo (calentamiento del material) Filtrado del material para eliminación de impurezas Paso por la hilera Enfriamiento del material T

Parámetros del proceso  

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Viscosidad del material: se trabaja a la mayor temperatura que garantiza que no hay degradación térmica. Velocidad de giro del husillo: se trabaja a la mayor velocidad que garantice que no haya degradación mecánica y que no se produzca rotura del fundido. A mayor velocidad de giro del husillo mayor caudal. Geometría de la hilera: Se trabaja con el mayor diámetro y la menor longitud posible evitando la aparición de hinchamiento, inestabilidades de flujo, defectos superficiales.  Geometria del husillo: Mayor caudal cuanto mayor es la longitud de la región de bombeo y mayor es la altura de los filetes.

Procesos de extrusión 

Extrusión de perfil hueco: se coloca un torpedo en la hilera que genera el hueco. Se inyecta aire comprimido para que el material no colapse estando líquido.

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Recubrimiento de cables: o Recubrimiento a presión: se aplica el polímero a presión. Quedará más adherido el polímero al cable al ser a presión. o Recubrimiento tubular: Se mete el cable junto a un torpedo, y se va recubriendo del polímero a medida que pasa. Se usa aire comprimido para que no colapse el polímero en estado líquido.

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Extrusión de películas: es un proceso difícil. Se usan polímeros que fluyan bien con caudales pequeños. Mediante laminación o extrusión y soplado.

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Coextrusión: Extruyo varios polímeros vara dar una pieza final. El polímero de dentro estará menos líquido que el de fuera.

Consideraciones económicas -

La velocidad de producción depende del tamaño de la pieza: 60 m/min para secciones tubulares y perfiles y 5 m/min para láminas y barras La flexibilidad en el diseño de las piezas es moderada ya que las herramientas son específicas para cada forma final Rentable económicamente para una producción de más de 1000 Kg en perfiles y 5000 Kg en láminas Necesidad en ocasiones de extractores de aire ya que algunos materiales pueden liberar sustancias tóxicas y gases volátiles durante la extrusión Los costes de equipos son elevados y los de herramientas moderados Los costes de acabado son bajos

Consideraciones en el diseño -

Obtención de productos de gran longitud con secciones transversales uniformes Se pueden producir perfiles macizos, huecos o abiertos Los huecos e insertos no paralelos al eje de extrusión se pueden producir mediante operaciones secundarias Sección máxima: 150 mm Sección mínima: 0.4 mm para perfiles y 0.02 mm para láminas

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El rango de tamaños es de 6 mm2 de sección y 1800 mm de ancho para láminas y de 1150 mm de diámetro para barras

Moldeo rotacional o centrifugado Recipiente circular en el que se coloca el material, se hace girar/centrifuga para que se vaya rellenando completamente el recipiente. El espesor de la pieza resultante no es completamente regular. Antes de introducir el material en el recipiente, se suele recubrir las paredes del recipiente con polímeros de acabado los cuales se adhieren a la pieza. Consideraciones económicas

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Velocidad de producción: 3-50 piezas/h, dependiendo del tamaño. Para aumentar la productividad se pueden incorporar carruseles de tres brazos Volumen de producción: 100-1000 piezas Coste de herramientas bajo Costes de equipamiento bajos-moderados Los costes de acabado son bajos

Consideraciones en el diseño

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Complejidad de forma limitada a piezas de gran tamaño huecas con espesor de pared uniforme Posibilidad de disponer un polímero de acabado en el interior del molde Las esquinas pronunciadas presentan dificultad de llenado en el molde La variación de espesor debe ser menor a 2:1 y los ángulos de giro mayores a 1º, generalmente 3º Permite una sección máxima de 13 mm y una sección mínima de 2 mm, aunque se puede alcanzar 0.5 mm para ciertas aplicaciones Tamaño de pieza de hasta 4 m3

Termoconformado (solo para TP) Láminas de bajo espesor que se calienta, al ser TP se reblandecen y se adaptan a la forma del molde.   

Presión por aire: soplo aire y obligo a la lamina reblandecida a adoptar la forma del molde. Presión por vacío: se encierra la lámina y el molde aplicando vacío para que se pegue al molde. Presión mecánica: presión ejercida tanto por arriba como por abajo para adoptar la forma del molde.

Consideraciones económicas

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Velocidad de producción: 60-360 piezas/h, normalmente Utilización de moldes múltiples Rentable económicamente para una producción de lotes de 10-1000 piezas Se puede conseguir la automatización total Los costes de equipos y los de herramientas son de bajos a moderados, dependiendo de la complejidad de la pieza

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Los costes de acabado son bajos

Consideraciones en el diseño

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La complejidad de la forma está limitada por el moldeo en un plano. Piezas abiertas de espesor constante No se pueden producir piezas de gran superficie Se recomiendan ángulos de giro mayores a 1º Sección máxima: 3 mm Sección mínima: 0.05-0.5 mm, dependiendo del material empleado El rango de tamaños es de 25 mm2 a 18 m2 en superficie

Moldeo por compresión

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Parecido a inyección-compresión. Nos quitamos la etapa de inyección, vierto directamente en el molde y comprimo. La colocación del polímero al verterlo será muy importante para que al comprimirlo ocupe todos los huecos posibles. Los TS son menos viscosos que los TP.

Consideraciones económicas

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Velocidad de producción: 20-140 piezas/h. El empleo de moldes con mayor número de cavidades aumenta la velocidad de producción El tiempo de ciclo viene dominado por la manipulación del material, cada cavidad se carga de forma individual. El tiempo de curado depende del espesor de la pieza Es posible la automatización parcial El volumen de producción es de más de 1000 piezas generalmente aunque puede ser de 100 para piezas de gran tamaño Los costes de equipos son elevados y los de herramientas de bajos a moderados

Consideraciones en el diseño

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Complejidad de diseño limitada a formas relativamente simples (moldeo en un plano) Se requiere un ángulo de giro mayor a 1º Permite una sección máxima de 13 mm y mínima de 0.8 mm Máximo tamaño de pieza: 450 mm Permite una superficie mínima de 3 mm2 y una superficie máxima de 1.5 m2 El rango de tamaños es de gramos a 16 Kg

Moldeo por transferencia

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En este proceso suele haber pérdidas de polímero por que se suele introducir más del necesario. Siempre que aplicamos presión en un proceso, las herramientas (moldes) serás más caras.

Consideraciones económicas

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Velocidad de producción: 20-300 piezas/h Posibilidad de un alto grado de automatización Rentable económicamente para una producción de 1000-10000 piezas Menos del 3 % de material desechado Los costes de equipos son generalmente moderados y los de herramientas de moderados a altos Los costes de acabado son bajos

Consideraciones en el diseño

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Posibilita la obtención de productos de geometrías complejas y formas huecas. Permite la inclusión de insertos y corazones La variación de espesor debe ser menor a 2:1 Los ángulos de giro deben estar en el rango de 2-3º, pero se puede alcanzar 0.5 La sección máxima es de 90 mm y la mínima entre 0.5-1.5 mm, dependiendo del material Dimensión máxima: 450 mm

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El tamaño máximo es de 16 Kg, pero suele emplearse en piezas de menor tamaño

Producción de fibras poliméricas Tipos de hilados: 

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Hilado por fusión: se funden las fibras, se comprimen en la máquina y salen los hilos por los orificios. Para TP. (fibras de nylon, olefina, poliéster y PVC). Para poder realizar este proceso en TS deberé meter las fibras en un disolvente ya que no puedo fundir las fibras para que pasen por los orificios. Hilado en húmedo: se vierten las fibras en un disolvente para que se entrecrucen para, posteriormente meterlas en un baño con coagulante que hacen que se vuelvan a separar. (fibras acrílicas, rayón y de aramida. Hilado en seco: se añade un disolvente para que las fibras se entrecrucen, pasan por una zona caliente y se secan. (fibras de acetato, triacetano, poliéter y acrílicas). Hilado en gel: se usa un gel para que las fibras se unan. (fibras de alta resistencia). Pirólisis: se descomponen mediante calor en ausencia de oxígeno. Fibras de grafito.

Espumas Es un material al que se le ha inyectado aire. Procesos de expansión:  

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Mecánica: insuflado de aire. Resinas fenólicas, poliéster, y urea formaldehído. Química: se produce un gas en la reacción química que queda atrapado dentro del polímero. Hay que tener cuidado para que las burbujas no colapsen. Poliuretanos, elastómeros, urea formaldehído y siliconas. Física: se inyecta un poco de aire en el polímero, se calienta para que el aire se expanda y se formen burbujas. Poliestireno, polipropileno, polietileno y cloruro de polivinilo. Esferas de vidrio o polímero: se introducen esferas de vidrio o polímero para que se queden huecos en las espumas. Espumas sintéticas.

Procesos de conformado  

Moldeo: se mezclan dos reactivos en una media naranja, hay reacción química lo que produce que se forme la espuma y se llene todo el molde. Procesado de paneles: se proyecta el polímero sobre paneles y se produce reacción química y se hincha.

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Extrusión: método mecánico. Dentro de la máquina hay polímero mezclado con aire que produce la espuma cuando se calienta. Proyección: proyección sobre paneles, se produce reacción química y se hincha el polímero. Inyección: se inyecta aire y polímero, se calienta y se expande en el molde hasta que se enfría....