Extrusión de espumas de piel integral de PP

El proceso de rotomoldeo convencional es usado para fabricar piezas sencillas huecas o artículos plásticos de doble pared. El mejoramiento de las propiedades mecánicas o de aislamiento y la relación de resistencia a peso se ha logrado introduciendo una fase de procesamiento secundaria usando espumas de poliuretano o poliestireno para llenar las cavidades de forma parcial o total. Lo negativo de este proceso radica en la baja eficiencia de proceso así como en las posibles incompatibilidades de las capas adyacentes entre la piel y la espuma.
Al trabajar en estos problemas a través de varias investigaciones se ha llegado a la modificación del proceso de rotomoldeo convencional para que se desempeñe como un proceso de producción de espuma plástica. El proceso rediseñado se conoce como moldeo rotacional de espuma. Este proceso permite la fabricación de partes sencillas que se componen de una piel no espumada que encapsula un núcleo espumado parcial o totalmente. Los procesos típicos para lograr este tipo de productos cuentan con una parte continua donde el molde es cargado con cantidades predeterminadas de resinas espumables y no espumables al inicio del ciclo de proceso, o con una parte discontinua, al añadir la resina espumable al molde en una etapa intermedia del ciclo.

La tecnología de rotomoldeo de espuma está en desventaja debido a sus tiempos de ciclo muy largos, lo que la clasifica como un proceso intensivo en energía y mano de obra. Los ciclos son largos debido a la necesidad de elevar la temperatura de la resina plástica y del molde por encima de la temperatura de fundido del plástico y de la temperatura de descomposición del agente espumante y luego enfriar a temperatura ambiente.
El enfoque del trabajo de investigación es introducir y validar la factibilidad de la novedosa tecnología de  moldeo rotacional con espumado directo asistido por extrusión, un concepto de proceso desarrollado para reducir considerablemente el tiempo de calentamiento requerido para fabricar artículos rotomoldeados de piel integral con núcleo espumado. Lo fundamental de esta tecnología radica en que sería deseable introducir directamente la espuma extruida a un molde caliente rotando sobre un solo eje, donde sería incorporada dentro de unas paredes de plástico fundido formadas de manera convencional. La meta fundamental del estudio presentado está en el análisis preliminar de factibilidad de procesar artículos de piel integral con núcleo espumado de varios grados de PP creados usando el concepto expuesto.

Montaje experimental
Para poder evaluar y verificar las ventajas del rotomoldeo de espumado directo asistido por extrusión respecto a la técnica convencional de rotomoldeo de espuma se diseñó y desarrolló un prototipo funcional que combina de manera eficiente la extrusión directa de espuma con el rotomoldeo. En este contexto, un montaje experimental semi-automático, de escala laboratorio, de trabajo pesado y grado industrial fue diseñado y construido. La figura 1 muestra una representación del montaje. Los componentes del sistema incluyen una extrusora con un punto de extrusión modificado, un horno reajustado, un brazo diseñado para lograr rotaciones uniaxiales y biaxiales y que está montado sobre un carro que lo mueve de manera lineal entre el horno y la extrusora y un molde cilíndrico con una válvula tipo “pizza”.

Concepto de proceso de espumado directo
El concepto para lograr un artículo de piel integral con núcleo espumado usando rotomoldeo de espumado directo asistido por extrusión se puede resumir en cuatro etapas:

Etapa 1: El molde se carga manualmente con una cantidad determinada de resina plástica no espumable en forma de polvo la cual será usada para crear la piel sólida de la pieza.

Etapa 2: El ensamble de brazo y molde se introduce en el horno por el movimiento del carro y el mecanismo de traslación. El molde rota biaxialmente dentro del horno. Esta etapa se hace a temperatura elevada por un periodo de tiempo determinado para lograr la formación de la piel. De manera simultánea, la extrusora es cargada con una cantidad predeterminada de una mezcla de polímero y agente soplante, apropiada para lograr una espuma polimérica con la expansión volumétrica deseada a la temperatura de fundido.

Etapa 3: El ensamble de brazo y molde es trasladado hacia la extrusora. La rotación del molde cambia a unidireccional y el molde es alineado con el punto de extrusión. La extrusora llena el molde caliente con la espuma por un periodo que es dependiente del flujo de fundido y las rpm del tornillo. El proceso de llenado ocurre en la compuerta del molde a través de la válvula tipo “pizza” (figura 2). Ésta válvula fue diseñada para sellar el molde durante el ciclo de rotomoldeo convencional y facilita la entrada de la espuma e el ciclo de llenado. Además permite que la piel se cierre otra vez luego de que el llenado ha acabado.

Etapa 4: El molde rota biaxialmente y es enfriado, permitiendo el formado apropiado, la expansión adicional de la espuma para llenar completamente la cavidad y la formación de una interfaz apropiada que relacione la piel y las capas espumadas de la pieza. La pieza enfriada es retirada del molde después del periodo de enfriamiento.

Procedimiento experimental
En el estudio realizado se evaluó de manera preliminar la factibilidad de procesar resinas de PP utilizando el proceso descrito. Se realizaron tres bloques de experimentos: (1) procesamiento de piezas rotomoldeadas huecas de piel sólida, (2) procesamiento de piezas rotomoldeadas de núcleo interno sin piel con espumado directo, y (3) procesamiento de piezas con estructura de piel integral y núcleo espumado.

Resultados
Los tres bloques de experimentos preliminares se realizaron para diferentes grados de resina de PP pulverizadas a malla 35 a partir de su forma granulada. Las propiedades de las resinas usadas se presentan en tabla 1. Se utilizó un molde cilíndrico de 1400 cm3.

Las morfologías obtenidas de la piel y la espuma se caracterizaron en términos de densidad de espuma, tamaño de celda promedio y densidad de celdas promedio.

En el bloque (1) de experimentos  se rotomoldearon partes cilíndricas con espesor de pared constante de 2mm. Este grupo de experimentos se hizo para investigar la factibilidad del uso de la válvula tipo “pizza” para sellar el molde durante el proceso convencional de rotomoldeo, para probar la funcionalidad del montaje experimental y para lograr un entendimiento de los perfiles de temperatura y tiempos que gobiernan las etapas de calentamiento y enfriamiento de esta parte del proceso global. Se varió la temperatura del horno (250 – 300 oC), el tiempo de calentamiento (20-35 min) y las velocidades de rotación del molde y el brazo (rpm, molde:brazo=4:1). El tiempo de enfriamiento fue constante a 15 min.

El bloque (2) de experimentos se llevó a cabo para investigar el rango de parámetros que llevaran a obtener  un extruido de espuma de PP que llenara completamente el molde precalentado para una formulación de PP y agente soplante (Celogen AZ-120, ver tabla 2) mezclada en seco. La temperatura de descomposición del agente doplante está entre 200-205 oC (figura 4). Para todos los experimentos el molde se precalentó por 15 min. Los parámetros variables fueron las temperaturas de la extrusora y el barril (195-220 oC), el tiempo de llenado del molde (2-4 min), la velocidad de rotación del molde (rpm) y el porcentaje en peso de agente soplante (1-3%).

Los valores típicos para lograr sólo una estructura de espuma se presentan en la tabla 3. En la figura 5 se presena la muestra obtenida con los parámetros de la tabla 3. El valor de número de celdas para esta muestra fue de 142 celdas/cm2, la densidad de celdas fue de 5076 celdas/cm3 y el tamaño promedio de celda fue de 910 µm.

El bloque (3) de experimentos combinó los parámetros exitosos de los bloques anteriores. El objetivo fue obtener una densidad de espuma, tamaño de celda promedio, densidad de celdas promedio e interfaz piel-espuma deseables.

Se demostró el uso de la válvula tipo “pizza”. Se observó un engrosamiento de las celdas hacia el centro de las piezas moldeadas y se relacionó con un venteo inapropiado del molde. Se observó una interfaz débil entre las capas de piel y espuma en varios puntos de las piezas debido a que los parámetros no fueron optimizados. Los casos de coalescencia se observaron en dirección radial hacia la pared del molde debido al sobrecalentamiento del molde.