Espuma química
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Espuma química
Los agentes espumantes químicos (CBA, también agente espumante químico CFA) son sustancias químicas que reaccionan a altas temperaturas liberando gases que desencadenan el proceso de formación de espuma. Los CBA suelen ser compuestos que contienen más de un elemento. Estos elementos son aceleradores, que controlan la velocidad de reacción, y reguladores celulares, que controlan la estructura celular. La reacción puede ser una descomposición reversible o irreversible, o una reacción entre dos elementos. Para ser utilizados, los CBA deben ser lo suficientemente estables como para no reaccionar en condiciones normales de procesamiento, solo a las temperaturas más altas del proceso. Los CBA suelen ser más costosos que los PBA, por lo que rara vez se utilizan para producir espumas de baja densidad. Aunque el producto químico en sí es caro, los CBA no suelen requerir inversiones en maquinaria de procesamiento como los PBA, y pueden procesarse con casi todas las técnicas de procesamiento de polímeros existentes. Por lo general, son polvos que no necesitan equipo especial de almacenamiento o manipulación, y se pueden agregar simplemente en una tolva o se pueden mezclar fácilmente con el material como masterbatch. También es común usar más de un CBA al mismo tiempo para lograr una estructura requerida, por ejemplo, una mezcla de agentes endotérmicos y exotérmicos.
CBA endotérmicos y exotérmicos
Los CBA se pueden dividir en dos grupos según su calor de reacción. Los CBA endotérmicos absorben el calor mientras se descomponen, mientras que los CBA exotérmicos liberan calor. Esto afecta la temperatura de fusión solo ligeramente, pero la reacción en gran medida. La reacción de los CBA exotérmicos es difícil de controlar, y una vez que comienza, es difícil detenerse antes de que todo el agente haya reaccionado. Es por ello que suelen generar más gas y por tanto crean presiones más altas, lo que las hace ideales para procesos de formación de espuma que necesitan la presión pero las estructuras de las células suelen ser heterogéneas. La azodicarbonamida (ADC) es el CBA más utilizado en el mundo. Es exotérmico y se usa solo y en mezclas. Durante la descomposición, libera principalmente N2, pero también CO2, monóxido de carbono y amoníaco. El ADC es un polvo amarillento y produce un residuo blanco o blanquecino durante la descomposición, así como productos sólidos, como biurea y ciamelida, que pueden causar la placa. Los CBA endotérmicos producen espumas con tamaños de celda más pequeños, mejores propiedades mecánicas y un procesamiento más controlado. También muestran menos decoloración y se consideran más seguras. En el lado negativo, necesitan más energía para el procesamiento, por lo que requieren tiempos de ciclo más largos. De los CBA endotérmicos, el bicarbonato de sodio es el más utilizado. Es inorgánico, opuesto a orgánico, que son la mayoría de los CBA. Durante la descomposición, produce CO2 y agua, por lo que no se puede utilizar con polímeros que se degradan en presencia de agua.
Elección de un CBA
Al elegir un CBA adecuado para el material y la técnica de procesamiento, se deben tener en cuenta algunos factores. En primer lugar, la temperatura de procesamiento debe ser compatible con la temperatura de reacción del CBA. La reacción debe tener lugar cuando el polímero alcanza la viscosidad adecuada. Se pueden agregar activadores, que reducen la temperatura de reacción, para ampliar el rango de temperatura. En segundo lugar, la cantidad de gas liberado durante la reacción debe coincidir con la densidad de espuma deseada y el gas en sí debe ser compatible con el material en cuestión. Como se mencionó anteriormente en el capítulo PBA, diferentes gases son más compatibles con diferentes materiales y producen diferentes estructuras celulares. Esta regla se aplica tanto a los convenios colectivos como a los convenios colectivos. Como ADC, algunos CBA producen subproductos que pueden causar degradación en polímeros inadecuados. El subproducto suele ser agua, pero también puede ser amoniaco o gas alcalino o ácido. En tercer lugar, la velocidad de reacción debe coincidir con el proceso y se debe tener en cuenta la influencia del calor de reacción, endotérmico o exotérmico, en el proceso.
Microesferas expandibles
Las microesferas expandibles, también expandibles, son pequeñas esferas de polímero con hidrocarburo en su interior. Cuando se calienta, el polímero se ablanda y aumenta la presión del gas. Si la presión externa es alta, las esferas permanecen pequeñas o solo se expanden ligeramente. Cuando la presión externa cae, como cuando se inyecta material en un molde, las esferas se expanden a un volumen de 40 a 70 veces su volumen no expandido. La técnica para producir las esferas fue desarrollada originalmente por Dow Chemical Company.
Materiales y propiedades
Para mantener el gas dentro de las esferas, el material de la carcasa debe tener buenas propiedades de barrera. Las carcasas de microesferas expandibles están hechas de copolímeros con propiedades variables para usarse en diferentes condiciones. Además, el hidrocarburo varía entre diferentes grados. De esta manera, se puede elegir el grado de microesferas más adecuado para un grupo diverso de aplicaciones. Si se usa un polímero con baja temperatura de procesamiento como matriz, se usan en microesferas un hidrocarburo con alta presión de saturación y un polímero de capa con baja Tg. Si la matriz tiene una temperatura de procesamiento alta, se utilizan hidrocarburos con cadenas de carbono largas y polímeros con Tg: s alta, respectivamente.
Microesferas expansivas
Las microesferas expansivas que estudiaron estaban hechas de poliacrilonitrilo (PAN) y polimetacrilonitrilo (PMAN) y el gas en el interior era isopenteno. Las microesferas expandibles se producen mediante un método llamado polimerización en suspensión. Los monómeros, a partir de los cuales se compone la corteza del copolímero, y el hidrocarburo deseado se mezclan y luego se dispersan en agua. Luego, la dispersión se calienta con un activador soluble en aceite para iniciar la polimerización, durante la cual los monómeros se unen creando esferas de polímero que encapsulan simultáneamente el hidrocarburo en su interior. Durante la polimerización, la dispersión se agita o agita. El tamaño medio de las células se puede controlar cambiando la receta y la velocidad de mezcla de la dispersión. Después de la fabricación, las esferas se criban y se dividen en diferentes grupos de tamaños. De esta forma es posible controlar aún mejor el tamaño de las células en el producto final. Se puede espumar una mayor variedad de polímeros con microesferas expandibles que con otros métodos de espumación. Esto se debe a que el gas está encapsulado dentro del material de la esfera, lo que significa que la matriz en sí no necesita ser capaz de sostener las estructuras de la pared. Lo que se requiere del polímero es que se pueda procesar en estado fundido y que su temperatura de procesamiento sea lo suficientemente baja como para permitir el uso de microesferas. Si la temperatura es demasiado alta, las microesferas se rompen y colapsan. La temperatura de procesamiento más alta para las esferas de grado de alta temperatura es de 260°C, pero la mayoría de las esferas deben usarse a una temperatura de 200°C o menos. La temperatura más baja posible es 100°C para los grados de baja temperatura. Los plásticos con baja viscosidad de cizallamiento son más fáciles de espumar, pero no se ha dado ningún valor límite. Algunos de los termoplásticos que se pueden usar incluyen PE, PP, poliestireno (PS), etileno acetato de vinilo (EVA) y cloruro de polivinilo (PVC). Los posibles TPE se han introducido anteriormente en esta tesis y son TPS, TPU, TPO y TPV. Los TPE son un poco más impredecibles para la formación de espuma debido a sus estructuras complejas y viscosidades más altas. Es más difícil predecir cambios en la estructura de la espuma cuando se cambian los parámetros de procesamiento y se necesita una mayor optimización. Todos los materiales espumables también pueden contener fibras de vidrio o madera, nanopartículas o carbonato de calcio (CaCO3). Además de reducir el peso y la densidad, las microesferas expandibles ofrecen un mejor aislamiento térmico y acústico, absorción de impactos y vibraciones y antideslizante. También mejoran la estética de la superficie y mejoran la estabilidad dimensional. Las propiedades mecánicas, como la resistencia al desgarro y el alargamiento, se reducen como con todos los métodos de formación de espuma, aunque los valores relativos, que tienen en cuenta la caída de densidad, en su mayoría permanecen iguales. En las pruebas de Expancel se encontró que el TPU perdió entre un 15 y un 30% de su resistencia a la tracción cuando la densidad disminuyó entre un 40 y un 50%. Para SEBS, la caída de la resistencia a la tracción fue del 80%, respectivamente. Con el moldeo por inyección, las microesferas expandibles se usan típicamente para piezas gruesas y simples, y sus aplicaciones de espuma más importantes son suelas de zapatos y tapones sintéticos para vino. La extrusión se utiliza para la fabricación de cables, mangueras y perfiles para la industria de la automoción y la construcción, lo que permite un perfil más complejo que el moldeo por inyección. Con los polímeros, las microesferas expandibles se utilizan normalmente para la formación de espuma, pero también se pueden utilizar como cargas ligeras. Las esferas se desarrollaron por primera vez para la industria del papel, donde todavía se utilizan principalmente como cargas para aumentar el volumen, lo que significa una mayor rigidez con poco peso.
Métodos de procesamiento con microesferas expandibles
La fabricación de productos espumados con microesferas expandibles es posible con la mayoría de los métodos de producción de plástico. Se pueden incorporar en extrusión, moldeo por inyección, film soplado, termoformado, rotomoldeo y calandrado. Las microesferas se utilizan a menudo con CBA para formar espuma con una expansión óptima e incluso una estructura celular. Durante el moldeo por inyección, las microesferas no se expanden antes de inyectarse en un molde. La presión dentro del cilindro es demasiado grande y se alivia solo después de la boquilla. Las microesferas expandibles no requieren mucho de la propia máquina de moldeo por inyección. Se prefiere una boquilla con válvula de aguja, una boquilla de cierre, pero no es imprescindible. Su propósito es evitar fugas y caídas de presión dentro del cilindro y así mejorar la reproducibilidad. Si se alcanza la temperatura máxima de las microesferas durante el procesamiento, solo debe ser por un corto tiempo justo antes de la inyección. Se prefiere un tiempo de ciclo corto y el tiempo de enfriamiento se puede reducir en comparación con las piezas sólidas. Si el tiempo de enfriamiento es prolongado, el tornillo no debe llenarse hasta justo antes de la siguiente inyección. Además, la velocidad de inyección debe ser lo suficientemente alta para garantizar un llenado rápido del molde, pero lo suficientemente baja como para no causar demasiado calor por fricción. Aunque los requisitos para la máquina son menores, se exige más de la pieza. La geometría de la pieza no debe ser demasiado compleja y se deben evitar las paredes delgadas. Un espesor de pared inferior a 3 mm no deja suficiente espacio para una expansión suficiente. Si una pieza tiene un grosor de pared variable con secciones de pared delgadas, las secciones se espuman de manera diferente y provocan una variación de densidad en todo el producto, lo que da lugar a propiedades diferentes dentro de la pieza. También puede haber problemas al fabricar piezas grandes, cuando el enfriamiento en el medio puede demorar tanto que las esferas comienzan a colapsar. El espesor máximo varía según el material y la temperatura de procesamiento. En la extrusión, las microesferas se expanden después de haber sido extruidas a través de una matriz. Se exige más de una extrusora que de una máquina de moldeo por inyección. En primer lugar, la relación L/D debe ser 32 o menos. La presión dentro del cilindro evita que las esferas se expandan prematuramente y, por lo tanto, las zonas de vacío o ventilación no se recomiendan y deben taparse si una máquina las tiene. Una ventilación abierta permite que la presión escape y las esferas se expandan, lo que hace que el producto final sea de mala calidad. Al igual que con el moldeo por inyección, durante la extrusión, el tiempo que las esferas están sometidas a altas temperaturas debe mantenerse lo más breve posible. Si el tiempo de residencia es demasiado prolongado, las carcasas comenzarán a deteriorarse y el gas se escapará. Asimismo, la temperatura debe ser más baja en la tolva y más alta justo antes de la matriz. Más importante aún, se debe optimizar la temperatura de la matriz, ya que tiene un efecto mayor sobre la formación de espuma que la temperatura del cilindro. La velocidad de arrastre debe ajustarse a la dimensión de mantenimiento del perfil constante. Es importante tener en cuenta que la resistencia a la fusión del material espumado no es tan grande como la del sólido, por lo que la velocidad no debe aumentarse bruscamente. El enfriamiento se puede mejorar ya que detiene el crecimiento celular y, por lo tanto, el enfriamiento rápido le da al perfil una superficie más suave. Si se necesita una superficie aún más lisa, se debe coextruir una capa de superficie sólida.