Desarrollos recientes en aditivos de alto desempeño para rotomoldeo

El rotomoldeo es un método de procesamiento muy versátil usado para fabricar partes plásticas huecas. Es de fácil operación y los moldes son usualmente sencillos y menos costosos en comparación con los requeridos para moldeo por inyección. En rotomoldeo, el polímero en polvo es la presentación de materia prima más usada. Aunque varios termoplásticos se pueden trabajar (PE, PP, PVC, Nylon) el polietileno es el material más usado por su bajo costo, buena estabilidad y el gran rango de grados desarrollados específicamente para rotomoldeo.

En el rotomoldeo los polvos son fundidos gradualmente durante el proceso de calentamiento. Debido al movimiento rotatorio biaxial del molde, el polímero forma una capa uniforme dentro de la superficie del molde. Este proceso es usualmente llamado sinterización y densificación. En el sinterizado, las partículas se funden unas con otras y forman una estructura porosa tridimensional. Gradualmente, la red colapsa y las burbujas se difunden hacia afuera del polímero fundido. Debido a que las burbujas son defectos en las piezas y comprometen sus propiedades mecánicas en gran medida, es esencial removerlas en el proceso para obtener buenas piezas. Esto se logra usualmente aumentando el tiempo de calentamiento en el horno. Sin embargo, como hay oxígeno presente durante el proceso, la degradación del polímero aumenta con el tiempo de calentamiento, especialmente si no hay suficiente protección por el paquete de estabilización con aditivos. Es por estas razones que tanto las piezas poco curadas y curadas en exceso son indeseables.

El rotomoldeo es un método de procesamiento muy versátil usado para fabricar partes plásticas huecas. Es de fácil operación y los moldes son usualmente sencillos y menos costosos en comparación con los requeridos para moldeo por inyección. En rotomoldeo, el polímero en polvo es la presentación de materia prima más usada. Aunque varios termoplásticos se pueden trabajar (PE, PP, PVC, Nylon) el polietileno es el material más usado por su bajo costo, buena estabilidad y el gran rango de grados desarrollados específicamente para rotomoldeo.

En el rotomoldeo los polvos son fundidos gradualmente durante el proceso de calentamiento. Debido al movimiento rotatorio biaxial del molde, el polímero forma una capa uniforme dentro de la superficie del molde. Este proceso es usualmente llamado sinterización y densificación. En el sinterizado, las partículas se funden unas con otras y forman una estructura porosa tridimensional. Gradualmente, la red colapsa y las burbujas se difunden hacia afuera del polímero fundido. Debido a que las burbujas son defectos en las piezas y comprometen sus propiedades mecánicas en gran medida, es esencial removerlas en el proceso para obtener buenas piezas. Esto se logra usualmente aumentando el tiempo de calentamiento en el horno. Sin embargo, como hay oxígeno presente durante el proceso, la degradación del polímero aumenta con el tiempo de calentamiento, especialmente si no hay suficiente protección por el paquete de estabilización con aditivos. Es por estas razones que tanto las piezas poco curadas y curadas en exceso son indeseables.

Al comparar con extrusión y moldeo por inyección, la mayor limitación del rotomoldeo es su tiempo de ciclo más largo, lo que restringe en gran medida su productividad y aplicación en corridas de alta producción. Adicionalmente, las condiciones de procesamiento en rotomoldeo son severas debido a la exposición del polímero fundido a oxígeno durante un periodo de tiempo largo. Más aún, ya que muchas máquinas de rotomoldeo no cuentan con un control preciso de la temperatura del aire interna, se prefiere usar un material con una ventana de procesamiento amplia. Luego, es esencial un aditivo de estabilización que dé la protección suficiente al polímero y se puedan producir piezas con buenas propiedades físicas. Los sistemas de estabilización típicos usados para LLDPE grado rotomoldeo tienen dos componentes principales: antioxidante y estabilizador de amina impedida (HALS, por su sigla en inglés). El antioxidante convencional es una combinación de fenol impedido y fosfito y provee la estabilidad del fundido durante el procesamiento,   el HALS da la resistencia del producto al ambiente a largo plazo.
En este artículo se muestra el efecto que tiene añadir el nuevo sistema de estabilización para rotomoldeo de Ciba a una resina comercial.

Descripción experimental
Se usaron dos resinas de LLDPE (copolímero de hexano) grado rotomoldeo como resinas de control. Los nuevos aditivos de Ciba se mezclaron con la misma resina y luego se redujeron a polvo para ser procesados. Para referencia posterior, la resina comercial se llamará “control” y la resina con los aditivos de Ciba se llamará “nueva”.
Los primeros ensayos se realizaron en una máquina carrusel de cinco estaciones Yorke-Kann con cuatro moldes de aluminio fundido para producir cubos de 40.6 cm de lado y 3.2 mm de espesor. Un ROTOLOG se usó para hacer un seguimiento durante el procesamiento de la temperatura del aire interna. La segunda serie de ensayos fue realizada en una máquina FSP M 20. Se usó un molde de aluminio fundido para producir cubos de 30.5 cm de lado y 4.2 mm de espesor.
Se cortaron muestras de los cubos de 12.7 cm x 12.7 cm y se acondicionaron en un congelador a -40oC por 48 horas mínimo antes de los ensayos de impacto. Se usaron 20 muestras para cada condición experimental. La densidad se midió a temperatura ambiente usando un picnómetro de compresión de aire. El índice de amarillo (YI) de las piezas se midió de acuerdo a la norma ASTM 1925-77 usando un espectrómetro DCI SF600.

Resultados y discusión

Efecto de los aditivos en la sinterización y densificación.

la figura 1 muestra las fotografías del corte transversal de las piezas cocidas a diferentes picos de temperatura de aire interna (PIAT, por su sigla en inglés), es decir, calentadas a distintos tiempos en el horno. A una PIAT de 188oC se pueden ver algunas burbujas en las partes fabricadas con la resina nueva (figura 1a). A 191oC, se ven muchas más burbujas en las partes fabricadas con la resina control (figura 1b). A PIAT de 201oC no se observan burbujas para las piezas fabricadas con la resina nueva (figura 1c), mientras que en la pieza fabricada con la resina control aún hay burbujas de forma considerable. Se necesita una PIAT de 233oC para obtener piezas sin burbujas con la resina control (figura 1d). Los datos de densidad corroboran lo anterior. Las piezas a partir de la resina nueva mostraron una densificación temprana, una densidad estable de 0.937g/cm3 se observó a una PIAT de 201oC, mientras que la misma densidad se observó a una PIAT de 227oC para la resina control. Con el aditivo la sinterización y densificación fueron mucho más rápidas, lo que implica tiempos de calentamiento más cortos, menor consumo de energía y un potencial para reducir el tiempo de ciclo y aumentar la eficiencia de producción.

Efecto de los aditivos en el desempeño de impacto y la ventana de procesamiento.

Las propiedades de impacto ARM se usan frecuentemente como control de calidad para determinar la ventana de procesamiento. La energía de impacto ARM de una resina MFI 5.0 estabilizada con antioxidante fenólico convencional y una formulación nueva de hidroxilamina a diferentes tiempos en horno se muestra en la figura 3. La energía de impacto ARM aumenta con el tiempo en horno hasta un máximo y luego disminuye. Esto se debe a la morfología de la pieza y la degradación térmica del polietileno en el procesamiento. En la primera parte de la curva la pieza no se ha curado completamente, el desempeño de impacto ARM está comprometido por la presencia de burbujas. Cuando las partes están totalmente curadas, el desempeño de impacto ARM llega a su máximo. Si la pieza se sigue calentando en el horno el polímero se degrada y la energía de impacto caerá. El nuevo aditivo reduce el tiempo de calentamiento para alcanzar la energía de impacto óptima y mejora la resistencia al impacto (figura 3).

La apariencia y estabilidad de luz de las piezas rotomoldeadas.

la figura 4 compara el YI entre la resina nueva y la de control a diferentes tiempos de calentamiento. Las piezas con la resina nueva son menos amarillas que las del control, lo que muestra la ventaja del estabilizador no-fenólico.
La figura 5 compara los tres estabilizadores de luz, una mezcla de HALS y absorbedor de UV de alto desempeño (LS-1) y otras dos mezclas de HALS y absorbedor de UV de benzotriazol (LS-2 y LS-3) en un polietileno de grado típico. Todos los estabilizadores son eficientes y pueden mantener la elongación alrededor de 90% hasta 14000 horas en el equipo de envejecimiento ambiental al mismo nivel de carga. Por los costos de los aditivos de absorción de UV, la mezcla de HALS/absorbedor UV de benzotriazol es la más económica para la industria.

Conclusiones

Se han desarrollado nuevos sistemas de estabilización para LLDPE que aceleran el proceso de densificación del polímero y permiten que se moldeen piezas totalmente curadas usando tiempos de calentamiento más cortos o temperaturas de horno más bajas. Adicionalmente, las piezas con el nuevo estabilizador se decoloraron menos que el control comercial. El uso de nuevos sistemas de estabilización presenta una excelente alternativa respecto a otras formas de acelerar el proceso de densificación tales como moldear con presión. También permite la producción de piezas con alta resistencia al impacto sobre una ventana de procesamiento más amplia respecto al control convencional. El absorbedor UV HALS/benzotriazol es una solución económica y mejora la estabilidad de luz.