Introducción
El moldeo por inyección es uno de los procesos más rápidos para la fabricación de grandes volúmenes. Con tiempos de ciclo a veces del orden de milisegundos, se puede producir un gran número de piezas en poco tiempo. El tiempo de ciclo es importante no sólo para la rentabilidad de la producción de piezas, sino también para evitar la degradación del material en la máquina de moldeo por inyección. Si el tiempo de permanencia en la máquina es demasiado largo, el material empieza a degradarse, lo que tiene consecuencias no sólo para el aspecto óptico, sino también para las propiedades mecánicas. Además, los tiempos de inactividad prolongados pueden provocar la evolución de gases en determinados polímeros que podrían ser nocivos para el operario o el medio ambiente.
Uno de estos materiales es el polioximetileno (POM o poliacetal), muy utilizado en la industria del automóvil y la electrónica de consumo. Su gran rigidez, dureza y tenacidad, junto con sus excelentes propiedades de deslizamiento y fricción, lo convierten en un material adecuado para muchas aplicaciones técnicas. Además, presenta una buena resistencia química y propiedades de aislamiento eléctrico. Es el material de engranajes mecánicos, elementos de deslizamiento y guía, piezas de carcasas, tornillos, aisladores y bobinas. Algunos grados han sido aprobados por la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos) para su uso en bombas de leche y carcasas de filtros.
Cuando el POM se mantiene a temperaturas de procesamiento durante largos periodos de tiempo, por ejemplo, durante una parada de la máquina de 30 minutos, el material emite formaldehído. Por lo tanto, la temperatura del tornillo debe reducirse en cuanto sea evidente que un error tardará algún tiempo en resolverse. La liberación de formaldehído y su dependencia temporal pueden estudiarse mediante el análisis TGA-FT-IR, que permite estudiar la degradación en forma de pérdida de masa y el posterior análisis de los gases desprendidos.
Análisis de trazas de formaldehído en POM mediante TGA-FT-IR
Para este estudio, se seleccionaron dos materiales de POM con un comportamiento de flujo similar (ambos medium viscosidad grados de moldeo por inyección) y propiedades físicas. Ambos cumplen las normas RoHS, pero solo el POM1 cuenta con la aprobación de la FDA; véase la tabla 1.
Tabla 1: Materiales estudiados
Nombre | Propiedades | IMF [g/10 min] ISO 1133 | Conforme a RoHS | Aprobado por la FDA |
|---|---|---|---|---|
| POM1 | Alta rigidez, dureza, tenacidad, buena resistencia química; grado de moldeo por inyección | 9 | Sí | Sí |
| POM2 | Alta rigidez, dureza, tenacidad, resistencia a los álcalis y orgánicos; grado de moldeo por inyección | 10 | Sí | No |
Las mediciones se realizaron con un NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® con una masa de muestra de unos 70 mg calentada de 25°C a 210°C a una velocidad de calentamiento rápida de 80 K/min en atmósfera de nitrógeno. Debido a las pérdidas de muestra previstas en small, se seleccionó una masa de muestra mayor para una caracterización clara. A continuación, la temperatura se mantuvo constante durante al menos 30 minutos para observar los cambios de masa en los materiales.
La figura 1 muestra las curvas TGA de los dos diferentes grados de POM a 210°C en función del tiempo. En el eje Y izquierdo puede verse la pérdida de masa en %. Puede observarse que la pérdida de masa del POM2 es ligeramente superior a la del POM1.
La figura 2 muestra los espectros FT-IR medidos de ambos grados de POM a los 4 min en comparación con los espectros de la biblioteca de gas formaldehído (rosa) y agua (negro). Puede observarse que POM1 sólo libera agua, mientras que POM 2 muestra la liberación de formaldehído y agua durante el mismo tratamiento de temperatura. Para generar las trazas dependientes del tiempo, mostradas en la figura 1, las áreas coloreadas de la figura 2 se tomaron como rangos integrales para el formaldehído (3170 cm-1 - 2462 cm-1) y el agua (4168 cm-1 - 3353 cm-1).
El inicio de la liberación de formaldehído puede estimarse en 2 min y 118°C.
¿Cómo se correlacionan las mediciones de laboratorio con el procesamiento ?
Ambas calidades de POM se procesan a 210°C. Los resultados aquí mostrados indican que tras sólo unos minutos de permanencia a esta temperatura, el POM2 libera formaldehído. Por lo tanto, sería importante bajar la temperatura del barril inmediatamente después de que se haya producido cualquier error. Esto es aconsejable, por un lado, porque cualquier error puede tardar más de un par de minutos en resolverse y, por otro, la masa fundida tarda varios minutos en enfriarse a una temperatura más baja.
Además, puede observarse que, aunque ambos grados cumplen la directiva RoHS, sólo el grado aprobado por la FDA, el POM1, no libera cantidades medibles de formaldehído.