Fundamentos de la reología de los termoplásticos

La reología es la ciencia que estudia el flujo y la deformación de los materiales a partir de las leyes de la elasticidad y la viscosidad propuestas por Hooke y Newton a finales del siglo^XVII. Los polímeros termoplásticos fundidos se utilizan ampliamente en muchos procesos industriales modernos para fabricar multitud de objetos. Los polímeros se utilizan porque es relativamente barato darles formas complejas en estado fundido. Sin embargo, es necesario comprender cómo fluyen cuando se procesan [1].

Factores que influyen en el comportamiento de flujo de los polímeros

Los polímeros son materiales complicados de caracterizar reológicamente porque hay muchos factores que influyen en sus propiedades de flujo. Algunos ejemplos de factores que influyen en el comportamiento de flujo pueden ser la temperatura de procesamiento, la velocidad de flujo, el tiempo de residencia, etc.

Además, las propiedades reológicas de los polímeros se encuentran entre las de un líquido y un sólido. Esto hace que las propiedades de flujo dependan del tiempo y de otras características importantes, algunas de las cuales se comentan a continuación [1].

Propiedades reológicas importantes de los polímeros

Es bien sabido quela viscosidad de la resina depende en gran medida de la temperatura. Al reducir la temperatura de un molde hasta que la pieza producida tenga un acabado mate, el ingeniero de procesos puede conocer la temperatura mínima (y, por tanto, la viscosidad máxima de la resina) a la que puede ejecutarse el proceso sin que aparezcan defectos superficiales. Reducir la temperatura del molde ahorra energía y puede reducir los tiempos de ciclo, por lo que resulta muy útil conocer la dependencia de la temperatura de la viscosidad de la masa fundida.

Se sabe que las masas fundidas de polímeros se hinchan al extruirse. Este fenómeno se manifiesta como un aumento del diámetro del material extruido al salir de la matriz. La cantidad de hinchamiento de la matriz está relacionada con la cantidad de deformación elástica del material a la entrada de la matriz. Otro hecho a tener en cuenta es que el grado de hinchamiento de la matriz (más correctamente, el hinchamiento del extruido) depende de la longitud de la matriz cuando el material se extruye con un rendimiento constante. En otras palabras, los polímeros fundidos dependen del tiempo, ya que el material olvida la deformación elástica aplicada a la entrada de la matriz; cuanto más tiempo pase el material en la matriz, menor será el hinchamiento de ésta.

La elasticidad de la masa fundida también puede tener profundas implicaciones para muchos otros procesos de polímeros como:

• Moldeo por soplado, en el que el grosor de la pared del componente soplado depende del grado de hinchamiento que se haya producido durante el proceso de extrusión antes del cierre del molde.
• Moldeo por vacío o termoformado, en los que el polímero debe mantener un grado de elasticidad para evitar que el material se hunda antes de ser arrastrado por vacío sobre la matriz de conformado en frío. Si el material no tiene suficiente elasticidad, es probable que entre en contacto con la matriz fría antes de que se aplique el vacío o la presión [1].

Cómo caracterizar el comportamiento del flujo de polímeros fundidos

Las propiedades de procesamiento de los polímeros también dependen de la concentración de lubricantes, plastificantes, cargas y otros componentes en el compuesto que se está procesando. A partir de esta breve introducción, se puede apreciar que una caracterización adecuada del comportamiento de flujo de la masa fundida de polímero probablemente requerirá una instrumentación sofisticada y versátil.

Desde el punto de vista del reólogo, el comportamiento de flujo del polímero puede separarse convenientemente en tres componentes: Flujos de cizallamiento y extensional, que se caracterizan por las viscosidades correspondientes y comportamiento elástico, que se caracteriza por la medición de las relaciones de módulo o hinchamiento [1].

La instrumentación adecuada es clave

Para caracterizar completamente un material, se requiere instrumentación que tenga la capacidad de extraer estos parámetros en una gama de temperaturas y velocidades de cizallamiento/extensión. Los modernos aparatos de pruebas reológicas de laboratorio pueden dividirse en dos grandes categorías: los reómetros rotacionales Kinexus y los reómetros capilares Rosand. Además, la instrumentación de análisis térmico, como la calorimetría diferencial de barrido, el análisis mecánico dinámico y el análisis termomecánico, también permite obtener información valiosa sobre las propiedades de los materiales.

En el siguiente artículo, aprenderá cómo puede utilizarse nuestro reómetro rotacional Kinexus para caracterizar termoplásticos.

Fuente

[1] Ensayos reológicos de polímeros y determinación de propiedades con reómetros rotacionales y reómetros de extrusión capilar (azom.com)

Gracias al Dr. Bob Marsh (antiguo empleado de Malvern Panalytical) como autor original de este artículo