Introducción
El moldeo por inyección es el proceso principal en la industria de polímeros para producir piezas de una forma definida. El polímero fundido se inyecta en una cavidad de molde relativamente fría donde se enfría rápidamente. La temperatura del molde influye directamente en la velocidad de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización y, por tanto, en las propiedades del producto final, por lo que debe estar perfectamente definida. Para ello, el uso de un DSC para ensayos de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalizaciónIsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, en los que se simula el comportamiento de un polímero en el molde, supone una auténtica ganancia de tiempo.
Enfriamiento y estabilización rápidos
Para las pruebas de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalizaciónIsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, un DSC debe cumplir dos requisitos. La muestra debe enfriarse muy rápidamente para evitar el inicio de la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización durante el enfriamiento. Además, la temperatura debe estabilizarse a la temperatura de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización especificada sin que se produzcan excesos ni excesos de temperatura. En particular, una temperatura inferior a la especificada puede provocar el inicio prematuro de la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización. Algunos polímeros, como las poliolefinas, cristalizan muy rápido. Sólo unos segundos a una temperatura ligeramente inferior a la temperatura objetivo pueden iniciar involuntariamente la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización.
Gracias a la baja masa térmica de su horno, el módulo P del DSC 300 Caliris® consigue velocidades de calentamiento y enfriamiento muy rápidas, así como un excelente control de la temperatura durante los segmentos isotérmicos posteriores.
En este ejemplo, se realizaron ensayos de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalizaciónIsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica en un polietileno de alta DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad con el NETZSCH DSC 300 Caliris®. Tras el calentamiento a 230°C, es decir, a una temperatura superior a la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión del HDPE (polietileno de alta DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad), seguido de un segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico de 5 minutos, las muestras se enfriaron a una velocidad de enfriamiento elevada hasta alcanzar tres temperaturas de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización diferentes. En la tabla 1 se detallan las condiciones de medición.
Tabla 1: Condiciones de las pruebas de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalizaciónIsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica
| Dispositivo | DSC 300 Caliris® con módulo P | ||
| Crisol | Concavus® (aluminio), tapa perforada | ||
| Masa de la muestra | 5.55 mg | 5.68 mg | 5.58 mg |
| Rango de temperatura | 230°C a temperatura de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización | ||
| Temperatura de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización | 122.5°C | 123.0°C | 123.5°C |
| Velocidad nominal de enfriamiento | 200 K/min | ||
| Atmósfera | Nitrógeno (40 ml/min) | ||
Resultados de las mediciones y debate
El perfil de temperatura del enfriamiento a 123,0°C demuestra la excelente estabilidad de la temperatura durante el segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico una vez alcanzada la temperatura de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización objetivo (figura 1).
La Figura 2 presenta las curvas DSC resultantes para los segmentos isotérmicos a 122,5°C, 123,0°C y 123,5°C. Debido a la rápida estabilización de la temperatura en el valor especificado, el efecto inicial en la curva DSC causado por el cambio de segmento de enfriamiento a IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico es lo suficientemente bajo como para permitir la separación de los efectos térmicos que se producen a su comienzo. El pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico detectado durante el segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico de las tres mediciones puede atribuirse a la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización del polietileno. Como era de esperar, la entalpía de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización (área del pico) aumenta a medida que disminuye la temperatura del segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico, lo que indica un mayor grado de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad en el producto final. Además, la pendiente del pico es más pronunciada al disminuir la temperatura IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, por lo que el mínimo del pico se alcanza más rápidamente. Esto significa una CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización más rápida.
De las mediciones DSC a la cinética de cristalización:Cinética Neo
La dependencia del pico de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización de la temperatura permite utilizar las curvas DSC para un análisis cinético del proceso de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización. Para ello, se utilizó el software Kinetics Neo. Puede asignar a cada paso individual diferentes tipos de reacción con parámetros cinéticos propios, como la energía de activación, el orden de reacción y el factor preexponencial.
La velocidad de reacción química para cada paso de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización, j, puede escribirse como el producto de dos funciones, donde la primera función, fj(ej,pj,), depende de las concentraciones del reactivo (ej) y del producto (pj). La segunda función, Kj(T), depende de la temperatura [1].
Para la cinética de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización se ha elegido una reacción de un solo paso. El modelo de cristalización de Sbirrazzuoli [2] utiliza la dependencia de Nakamura K(T) y la dependencia de Sestak- Berggren de las concentraciones f(e,p):
El uso de este modelo requiere conocer la temperatura de transición vítrea y de fusión de la muestra, aunque el software optimice el valor de la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión. De este modo, la evaluación cinética será válida en todo el intervalo de temperaturas comprendido entre esas dos temperaturas.
Además, la función K(T) incluye los parámetros U y KG que son optimizados por el software Kinetics Neo.
La figura 3 muestra las curvas de medición y las curvas calculadas en Kinetics Neo utilizando el modelo cinético descrito anteriormente. La Tabla 2 resume los parámetros de la cinética. Los resultados muestran la buena concordancia entre los resultados medidos y los calculados. El coeficiente de correlación asciende a 0,996.
Tabla 2: Parámetros de la cinética de cristalización
| Tipo de reacción | CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.Cristalización de Sbirrazzuoli |
| Nakamura KG | 24.384 |
| Log(PreExp) [Log(1/2)] [Log(1/2) | 2.072 |
| Orden de reacción, n | 1.286 |
| Orden de autocatálisis, m | 0.695 |
| Orden del término logarítmico, q | 0 |
| Temperatura de fusión [°C] | 130 |
| Temperatura de transición vítrea [°C] | -130 |
| U* [kJ/mol] | 6.30 |
Basándose en los resultados, Kinetics Neo es capaz de simular la reacción para programas de temperatura especificados por el usuario. Por ejemplo, la figura 4 muestra las curvas DSC obtenidas para temperaturas de cristalización entre 80°C y 115°C. Como era de esperar, cuanto más baja es la temperatura, más rápida es la reacción. Si el material se inyecta en un molde small a una temperatura de 80°C, cristalizará en pocos segundos. Si el molde está a 115°C, el polímero necesitará un minuto para cristalizar completamente.
Pruebas DSC que acompañan a la producción para ahorrar tiempo y dinero
Las pruebas de cristalización IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica se pueden llevar a cabo con el NETZSCH DSC 300 Caliris®® en polietileno - una poliolefina conocida por su rápida cristalización. Los ensayos DSC son fáciles de realizar y sólo requieren una masa de muestra de small. En particular, las mediciones de cristalización IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica ayudan a determinar las condiciones de procesamiento adecuadas, como la temperatura del molde y el tiempo de enfriamiento, para que las piezas resultantes tengan todas las propiedades requeridas.