Introducción
El polipropileno (PP), como plástico de uso general fundamental, se ha utilizado ampliamente en los sectores de la automoción, el embalaje, la electrónica, el textil y otros, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, su estabilidad química y su rendimiento en el procesamiento. Sin embargo, con el fin de optimizar aún más el procesamiento de los materiales de PP y mejorar la calidad y el rendimiento del producto, reviste una gran importancia práctica llevar a cabo investigaciones en profundidad sobre el comportamiento reológico del PP.
La viscosidad, como indicador fundamental del comportamiento de flujo de los polímeros, está estrechamente relacionada con el procesamiento del material. En los distintos procesos de fabricación, el PP debe fluir y tomar forma dentro de rangos de temperatura específicos. Por lo tanto, una comprensión precisa de cómo varía la viscosidad del PP con la temperatura permite a los ingenieros controlar con exactitud los parámetros de procesamiento, garantizando una fluidez óptima y una calidad de moldeo óptima del PP durante la producción.
El reómetro capilar, un instrumento de ensayo reológico classic, se utiliza ampliamente en la investigación de polímeros debido a su capacidad para medir las propiedades reológicas de los materiales en un amplio rango de velocidades de cizallamiento y temperaturas. En este estudio, se utilizó un reómetro capilar Rosand RH10 de NETZSCH (Figura 1) para investigar sistemáticamente los efectos de la temperatura y la velocidad de cizallamiento sobre la viscosidad de la masa fundida y la energía de activación del flujo viscoso del PP. Los resultados proporcionan una base teórica para optimizar los parámetros de procesamiento del PP, lo que, en última instancia, mejora la calidad y el rendimiento de los productos de PP.
Condiciones de medición y método de ensayo
Las condiciones de medición se detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | NETZSCH Rosand RH10 |
| Muestras | PP |
Transductor transductor | 10 000 psi |
| Especificaciones del troquel | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Temperatura de ensayo | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Rango de velocidad de cizallamiento | 10 - 10 000 s⁻¹ |
Tras instalar los troqueles debajo del cilindro izquierdo y esperar a que la temperatura se estabilizara, se introdujeron lentamente gránulos de PP en el cilindro, se sometieron a una presión de 1 MPa y, a continuación, se precalentaron a una temperatura constante durante 5 minutos. Posteriormente, el instrumento llevó a cabo automáticamente el ensayo, aplicando la velocidad de cizallamiento y registrando la presión.
Resultados de las mediciones y discusión
La figura 2 muestra las curvas de viscosidad de cizallamiento en función de la velocidad de cizallamiento de las muestras de PP a diferentes temperaturas. Como se puede observar en la figura 2, la viscosidad de cizallamiento de las muestras de PP en todas las condiciones de temperatura disminuye gradualmente al aumentar la velocidad de cizallamiento, lo que demuestra un comportamiento típico de fluidez por cizallamiento. Este fenómeno se produce porque el desenredamiento de las cadenas macromoleculares del PP se intensifica con velocidades de cizallamiento más elevadas, lo que provoca una rápida disminución de la viscosidad de cizallamiento. Sin embargo, al seguir aumentando la velocidad de cizallamiento, la eficacia de la tensión de cizallamiento a la hora de favorecer el desenredamiento macromolecular disminuye, lo que da lugar a una ralentización de la tendencia a la disminución de la viscosidad de cizallamiento.
Además, la viscosidad de cizallamiento de las muestras de PP disminuye significativamente al aumentar la temperatura a la misma velocidad de cizallamiento. Esto se debe a que, a medida que aumenta la temperatura, aumenta el volumen libre de la masa fundida de PP, lo que mejora la movilidad de los segmentos de la cadena y reduce la fuerza de interacción intermolecular, mejorando así la fluidez del PP. Sin embargo, la diferencia en los valores de viscosidad de cizallamiento a distintas temperaturas disminuye notablemente cuando la velocidad de cizallamiento supera los 500 s⁻¹. Especialmente cuando la velocidad de cizallamiento se incrementa a 5000 s⁻¹, las curvas de viscosidad de cizallamiento a diferentes temperaturas tienden a superponerse, y la tendencia a la disminución de la viscosidad de cizallamiento se vuelve más lenta. Esto indica que, más allá de una velocidad de cizallamiento crítica, la sensibilidad de la viscosidad de cizallamiento del PP a la temperatura disminuye, lo que sugiere un intervalo de temperaturas de procesamiento más amplio para el PP dentro de este rango de velocidades de cizallamiento.
La energía de activación del flujo viscoso (Eη) es un indicador de la sensibilidad de la viscosidad aparente al cizallamiento de una masa fundida de polímero a la temperatura. Un valor más alto de Eη indica una mayor sensibilidad de la viscosidad de la masa fundida a las variaciones de temperatura, mientras que un valor más bajo sugiere una menor dependencia de la temperatura. Eη puede calcularse utilizando la ecuación de Arrhenius (1):
donde ηa es la viscosidad del material fundido; Eη es la energía de activación del flujo viscoso; R es la constante de los gases (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A es una constante independiente de la temperatura.
A partir de los datos medidos en la figura 2, se trazaron y ajustaron las curvas de lgηa en función de 1/T. En consecuencia, en la figura 3 se presentan las curvas de relación entre lgηa y 1/T a diferentes velocidades de cizallamiento, con los valores específicos recogidos en la tabla 2. Como se muestra, el Eη del PP a diversas velocidades de cizallamiento puede determinarse a partir de las pendientes de las curvas lineales ajustadas en la figura 3, cuyos valores específicos figuran en la tabla 2. Eη del PP disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento dentro del rango de temperaturas analizado. Esto indica que la viscosidad de cizallamiento de la masa fundida de PP es menos sensible a la temperatura a altas velocidades de cizallamiento. Desde el punto de vista de la dinámica molecular, este fenómeno puede explicarse por el hecho de que las fuerzas de cizallamiento externas rompen el entrelazamiento entre las moléculas de PP, lo que disminuye la sensibilidad de la viscosidad de cizallamiento a la temperatura. Esto se refleja en las curvas de viscosidad (Figura 2), donde las curvas a diferentes temperaturas casi se superponen a altas velocidades de cizallamiento. Por lo tanto, el aumento de la temperatura resulta menos eficaz para reducir la viscosidad de cizallamiento del PP fundido a altas velocidades de cizallamiento. Por el contrario, a bajas velocidades de cizallamiento, elevar la temperatura puede mejorar significativamente la fluidez del PP, reduciendo así el consumo de energía durante el procesamiento.
Tabla 2:Eη del PP a diferentes velocidades de cizallamiento
| Velocidad de cizallamiento (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10 000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Conclusión
En esta nota de aplicación se han estudiado las propiedades reológicas del PP a diferentes temperaturas y velocidades de cizallamiento utilizando un reómetro capilar Rosand RH10. A velocidades de cizallamiento relativamente bajas (de 10 a 500 s⁻¹), la viscosidad de cizallamiento del PP disminuye significativamente al aumentar la velocidad de cizallamiento, mientras que a velocidades de cizallamiento elevadas (de 500 a 10 000 s⁻¹), la reducción de la viscosidad de cizallamiento se vuelve más gradual. Además, Eη del PP disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento, lo que indica que unas velocidades de cizallamiento más elevadas reducen de forma efectiva la sensibilidad a la temperatura de la viscosidad de fusión del PP.