lunes, 26 de septiembre de 2011

BMC (Bulk Moulding Compound)

BMC (Bulk Molding Compound: moldeo por compuesto a granel) es una combinación de hilos de vidrio cortadas y resina (por ejemplo: resina epoxi, resina de éster de vinilo, resina fenólica, resina poliéster, etc.) en forma de una masa de pre-preg. El BMC es adecuado para la compresión o moldeo por inyección. Moldeo por inyección de BMC se utiliza para producir componentes complejos, tales como equipos eléctricos, componentes de automóvil, carcasas de aparatos eléctricos y herramientas, en grandes volúmenes industriales. Para la producción de ciertas partes complejas el uso de Bulk Moulding Compound es una variante de la tecnología SMC.
A diferencia de SMC, no es necesario incluir una etapa de curado. En consecuencia, formulaciones pre-preg para BMC contienen un mayor contenido de relleno.
Los filamentos de fibra de vidrio cortadas varían en longitud, dependiendo del nivel de desempeño requerido (por lo general entre 1/8" y 1/2"). El contenido de refuerzo generalmente oscila entre 15 y 20 por ciento, sin embargo, puede llegar al 25 o incluso al 30 por ciento para las más altas prestaciones. El BMC utiliza un contenido inferior de refuerzo que el SMC, lo que permite una mayor carga de relleno con la consecuente reducción de costos.
El BMC se hace mezclando todos los ingredientes en un mezclador intensivo.
Mezclado del compuesto
Dependiendo de la aplicación y uso final, los compuestos se formulan para lograr un estricto control dimensional, resistencia al fuego, alta resistencia dieléctrica, resistencia a las manchas y la corrosión y estabilidad de color. Sus excelentes características de fluidez hacen al BMC muy adecuado para una amplia variedad de aplicaciones que requieren precisión en los detalles y dimensiones. El material puede ser coloreado en una amplia variedad de colores.
Compuesto BMC

Una formulación típica de BMC puede ser la siguiente:
Materia prima
Partes en peso
PU-resina
60
Aditivo de bajo perfil
40
Peróxido
1.5
Rellenos
200
Agente de liberación
Pasta de óxido de magnesio (35% MgO)
2
Fibras de vidrio
15% en el total de la formulación

La operación de mezcla se puede hacer de varias maneras. La premezcla utiliza tres métodos para combinar con pasta de vidrio: un mezclador de tornillo continuo, un mezclador de hoja sigma o un mezclador de hoja tipo pala. El proceso seleccionado depende de las propiedades específicas del producto, la forma del producto y el volumen. Existen mezcladoras que combinan dos operaciones de mezclado como paletas sigma y tornillo sinfín.
Mezclador intensivo doble sigma y tornillo sinfín
El compuesto obtenido del mezclador intensivo puede ser procesado por medio de moldeo por inyección o moldeo por compresión.
En el moldeo por compresión, el compuesto se suministra a la prensa en forma de una pelota, ladrillo o leño extruido y se deja caer en el fondo de un molde, el material es compactado y asume la forma del molde.  
Los moldeos por inyección son totalmente automáticos en tiempos de ciclo muy cortos. Instalaciones modernas, producen varios miles de estos productos al día. Un producto típico a base de BMC es un reflector del faro de un automóvil.

Piezas obtenidas por BMC:
El BMC es utilizado para la fabricación de aislantes eléctricos, reflectores de faros para automóviles, carcazas de interruptores eléctricos, conectores de motores eléctricos, partes de trasformadores eléctricos, moldes, etc.
Aislantes eléctricos con inserto metálico

Carcaza de interruptor eléctrico
Reflectores de faros



Fuentes:
www.premix.com
www.bulkmolding.com
www.dswmould.com
www.allproducts.com
www.frprawmaterial.com
www.dsm.com
www.owenscorning.com
en.wikipedia.org

miércoles, 21 de septiembre de 2011

Los plásticos en números

Estadística
Para ubicarnos en el mundo de los polímeros se hace necesario tener una idea del orden de los volúmenes tanto mundiales como locales. En esta primera unidad mostramos a continua­ción los datos para un grupo de los cuatro termoplásticos que representan una parte importante del total.
En la tabla 1.2 se listan los consumos aparentes mundiales por región para los siguientes termoplásticos: polietileno, polipropileno, poliestireno y policloruro de vinilo correspondientes al año 2000.
Como es imposible determinar el consumo real de la mayoría de los productos, fundamentalmente por la dificultad de conocer los inventarios, se trabaja con el consumo aparente (CA) cuya expresión matemática se expresa de la siguiente manera:

Consumo Aparente = Producción + Importación - Exportación

Tabla 1.2 - Consumo Aparente Mundial de Termoplásticos año 2000.
(Comprende: polietileno, polipropileno, poliestireno y policloruro de vinilo)

País o región
t/año
Estados Unidos
26.800.000
Canadá
2.600.000
México
2.200.000
América Latina (menos México)
6.200.000
Europa Occidental
27.100.000
Europa Oriental
4.100.000
África y Oriente Medio
6.100.000
Japón
8.100.000
Asía (menos Japón)
34.300.000
Total
117.500.000

A continuación, en la tabla 1.3, se presentan los datos correspondientes a la República Argentina para el periodo 2001 - 2005 para los termoplásticos de mayor consumo: polietileno, po­lipropileno, poliestireno, policloruro de vinilo (los mismos que están considerados en tabla 1.2) y el politereftalato de etileno grado envase.
Puede afirmarse que para estos cinco termoplásticos el consumo aparente actual es del or­den de un millón cien mil toneladas por año. El 2002 resulta un año atípico por la crisis que ha sufrido nuestro país. Ese año habrá que tenerlo muy en cuenta para los análisis de cualquier serie estadística.

Tabla 1.3 Consumo Aparente de Termoplásticos en la Argentina (t/año)
Termoplástico
2001
2002
2003
2004
2005 (est.)
Polietileno de baja densidad
247.600
226.800
248.300
295.800
300.000
Polietileno de alta densidad
196.400
127.300
161.300
207.600
200.000
Polipropileno
171.600
140.800
185.000
217.800
230.000
Politereftalato de etileno
168.300
137.400
165.600
190.400
220.000
Policloruro de, vinilo
100.000
55.900
110.700
116.000
130.000
Poliestireno
53.500
43.700
46.500
51.500
80.000
Total
937.400
731.900
917.400
1.079.100
1.160.000
    
Finalmente algunos datos tomados de las estadísticas que prepara la Cámara Argentina de la Industria Plástica (CAIP)
Rubro
1997
2003
Participación en el PBI (%)
1,2
0,8
Participación en el PBI industrial (%)
5,0
4,9
Numero de plantas
2.600
2.250
Número de trabajadores
30.000
27.200
Consumo de plásticos kg/habitante
30,6
30,2*
*Bélgica 173, EEUU 155, Alemania 140, México 34, Brasil 25 

El perfil de usos es el siguiente:
Segmento
(%)
Envasamiento
45,0
Construcción
13,0
Industria eléctrica y electrónica
10,0
Automotriz
7,0
Agro
3,5
Doméstico
3,0
Muebles, decoración
3,0
Otros
15,5







lunes, 19 de septiembre de 2011

Caracterización de los polímeros

Resultan sumamente importantes las investigaciones que se realizan para poder caracteri­zar los polímeros pues permite mejorar los procesos de obtención con el objetivo poder dispo­ner de mejores o nuevos materiales y productos.
La caracterización de macromoléculas comprende métodos y técnicas de evaluación de parámetros y comprende:
- Composición química forma y tamaño
- Pesos moleculares y distribuciones
- Orden en estado sólido
- Comportamiento térmico
A continuación se reseña brevemente diversos temas que comprenden este tópico
Composición química
La caracterización de la composición química es un tema que se trata principalmente en el área de análisis de polímeros y formulaciones a través de los métodos de los laboratorios donde se aplican las técnicas del análisis elemental y diversos equipos y dentro de los equipos más utilizados podemos mencionar: cromatografía de gases, espectroscopia del infrarrojo y resonancia magnética nuclear.

Estéreoespecificidad
A la estéreo especificidad también se la encuentra con la denominación de estéreo regularidad.
Este es un punto importante que se debe tener en cuenta al hablar de polímeros elaborados por adición. Este tema se refiere a la distribución espacial de los grupos químicos en la cadena.
Si se observan las tres figuras siguientes, se ven las tres variantes posibles, dependiendo de la regularidad de la disposición de los grupos químicos.


La disposición más regular es la que tiene todos los grupos X de un mismo lado y se llama configuración isotáctica. La segunda configuración corresponde a aquélla en la cual los grupos X se alternan de forma regular. Finalmente la tercera configuración corresponde a una disposición aleatoria o al azar.
Los métodos antiguos de elaboración de polímeros de adición que generalmente utilizan al­tas temperaturas y presiones, generan distribuciones atácticas, pero los procesos que utilizar las técnicas creadas por Ziegler y Natía, producen polímeros estéreo regulares. Estas técnicas se basas en la utilización de catalizadores.
Un catalizador es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de acelerar una reacción química, permaneciendo él mismo inalterado (no se consume durante la reacción). A este proceso se le llama catálisis. Muchos de los catalizadores actúan aumentando la superficie que permite encontrarse y unirse o separarse a dos o más reactivos químicos. Los catalizadores no alteran el balance energético final de la reacción química, sino que sólo permiten que se alcance el equilibrio con mayor o menor velocidad.
Entre los catalizadores que aceleran la velocidad de la reacción es posible distinguir a los catalizadores de contacto (no reaccionan químicamente con las sustancias) y a los catalizadores de transporte (se regeneran una vez finalizada la reacción).

Dimensiones
 
Hablamos de largas cadenas de polímeros o de macromoléculas, pero cuales son las dimensiones. Hasta ahora sólo no hemos manejado en un espacio dé dos dimensiones, en reali­dad las moléculas existen en tres dimensiones, y los cuatro enlaces que conectan cada átomo de carbono con los átomos vecinos están orientados simétricamente hacia los vértices de un tetraedro, formando ángulos de 109,5° entre si. Si la longitud del enlace carbono-carbono (me­dición realizada entre los centros de los átomos) es igual a 154 pm (1,54 x 10-12 m) podemos estimar la longitud de una cadena de un polímero cuando está completamente estirada. Supongamos una macromolécula de polietileno de 500 unidades repetitivas. Esta cadena tiene 1000 átomos de carbono por lo cual su longitud será:
Longitud = 999 x 154 pm x sen (109,5/2)
Longitud = 0,13 x 106 pm = 1,3 x 10-5 m

Resultan dimensiones muy pequeñas para poder tener una idea mental de ellas. Uno supo­ne que las moléculas son alargadas y acá es importante conocer el factor de forma longitud sobre diámetro (L/D). Una analogía útil es la que la razón LID de una macromolécula es similar a la de una cuerda delgada de aproximadamente 2 metros de longitud.
El enlace C—C no cambia de longitud ni su ángulo, pero tiene la capacidad de girar, esto significa que las cadenas son flexibles. Se repliegan y se enredan una con otra y tienen que ver tanto con su comportamiento en los procesos de moldeo como en sus propiedades.
Siguiendo con la analogía de la cuerda una masa de polímero se asemeja a una bola de cordones enmarañados y además esos cordones son de diferentes longitudes, y la masa de polímeros tiene moléculas de diferente número de unidades.

Peso molecular y su distribución
La determinación del tamaño molecular de las moléculas poliméricas es un problema muy importante ya que define, en gran medida, las propiedades físico-químicas y mecánicas del polímero. Para definir adecuadamente el peso molecular se requiere no sólo conocer su valor, o sea, que se trate de un valor de alto o bajo peso molecular, sino también la distribución del pe­so molecular.


Peso molecular
Se define el peso molecular como la suma de los pesos atómicos de todos los átomos componentes de la molécula. En la de todos los compuestos no poliméricos el peso molecular es un valor conocido y constante. En altos polímeros, las moléculas individuales varían ampliamente en el número de átomos que contienen y, por ello, en el peso molecular. A causa de es­ta variación debe usarse un promedio para caracterizar una muestra particular de un polímero.

Los dos promedios mas comúnmente usados son el peso molecular promedio (Mn) y peso molecular promedio en peso (Mw).

Para hallar el peso molecular promedio "Mn", también llamado peso molecular promedio numérico se encuentra la masa total de las cadenas poliméricas que hay y se divide entre el número de cadenas presentes.

En cambio el peso molecular promedio en peso (Mw) cada molécula o cadena contribuye a la medida final de acuerdo con su tamaño. Esta medida es más sensible al número de molécu­las pesadas que el peso molecular promedio el cual sólo depende del número total de partícu­las. El valor del promedio Mw será más grande que el correspondiente Mn para cualquier muestra heterogénea; en caso de tener una muestra homogénea los valores serán iguales.

Distribución del peso molecular

La distribución de los pesos moleculares son los porcentajes en número (o peso) de molécu­las de varios pesos moleculares que comprenden una determinada muestra de polímero. Dos muestras de un dado polímero con el mismo número-promedio de peso molecular pueden comportarse en forma diferente durante el procesado, debido a que una tiene una distribución distinta de pesos moleculares que la otra (más amplia o más estrecha). En las figuras siguientes se pueden apreciar distintos tipos de distribución de pesos molecu­lares y la ubicación en una curva típica de Mn y Mw, también están señalados otros promedios de pesos moleculares.




Una popular medida del ancho de la distribución es la relación entre el peso molecular promedio numérico y el peso molecular promedio en peso que se denomina "índice de polidispersión" (IP) o simplemente "Polidispersividad" (Po):

IP = Mw/Mn

Cuando el polímero es homogéneo (todas las cadenas son iguales) el índice de polidispersividad es igual a 1. En los polímeros comerciales el IP varía entre 2 y 40. Algunos polímeros de policondensación tienen un IP = 2.


Reología
La reología es la ciencia de la deformación y el flujo de materiales. El comportamiento reológico de los polímeros implica varios fenómenos muy diversos que pueden relacionarse en al­gún grado con diferentes mecanismos moleculares.
La reología que estudia la viscosidad, la plasticidad, la elasticidad y el derrame de los polímeros. Incluye la deformación de los materiales sujetos a la acción de fuerzas y los fenómenos que la acompañan. Prácticamente la acción de deformar modifica todas las características del material: mecánicas, ópticas, eléctricas, térmicas y algunas veces químicas. Ciertas modificaciones inducidas por la deformación se mantienen largo tiempo y tal vez definitivamente luego de la cesación del motivo. Otras propiedades, por el contrario, vuelven rápidamente a los valo­res de antes de la deformación.
El moldeo de los materiales plásticos esta dominado por la presencia incesante de fenómenos reológicos de gran complejidad.
Ciertos polímeros no son utilizados puros, por ejemplo el PVC. Los otros integrantes del compuesto de moldeo juegan un rol muy importante en la reología. Para el moldeo es primordial la uniformidad de la dispersión y la homogeneidad.
El material de moldeo, una vez cargado en la máquina que le va a dar forma, sufre una serie de tratamientos mecánicos y térmicos, donde la reología juega un rol capital.
Orden en estado sólido
El orden en los polímeros en el estado sólido está relacionado con la presencia de estructu­ras regulares (cristales).

Polímeros cristalinos y amorfos
Los polímeros presentan dos tipos básicos de disposición molecular, amorfa y cristalina. En los amorfos, las cadenas moleculares no tienen orden, se retuercen o se enrollan al azar. Los plásticos amorfos se pueden identificar fácilmente, ya que son transparentes en ausencia de cargas y pigmentos.
En otros polímeros se forman regiones cristalinas, en las cuales las moléculas adoptan una estructura muy ordenada. Los polímeros no cristalizan totalmente, como los metales. Un término más preciso para ellos sería materiales semicristalinos, ya que consisten en regiones cristalinas rodeadas de zonas amorfas (no cristalinas). Diversos estudios han permitido confirmar la coexistencia de las fases cristalinas y amorfas y desarrollar diversos modelos cristales: micela de flecos, esferulitas y lámelas o de cadenas plegadas.


Zonas cristalinas y zonas amorfas de un polímero

Núcleos

Cadenas plegadas de los polímeros
Fases cristalinas y amorfas de un polímero
Los polímeros cristalizables son aquellos que están constituidos esencialmente por cadenas lineales con grupos laterales pequeños (por ejemplo el polietileno) o con tacticidad, esto es con grupos que están ordenados regularmente, pero cuyas dimensiones no impiden el acomodamiento (por ejemplo el polipropileno isotáctico). Cuando los grupos laterales forman protube­rancias más grandes las mismas dificultan el orden y el polímero resulta amorfo (por ejemplo e poliestireno).
Los materiales amorfos son transparentes porque la disposición casual de las cadenas no interrumpe la luz de forma uniforme. Por el contrario, los polímeros semicristalinos presentar regiones cristalinas muy ordenadas que desvían la luz considerablemente. El resultado es que los materiales semicristalinos suelen ser traslúcidos u opacos.
Además de las diferencias ópticas, cuando se enfría un polímero fundido hasta un estado sólido, el material cristalino se contrae más que uno amorfo. Éste hecho se debe a que, cuando se crean, las regiones cristalinas requieren un menor volumen que las amorfas, debido a le cercanía de las cadenas ordenadas, lo que produce una mayor contracción.
La cristalinidad influye en las propiedades de polímeros como se puede apreciar en la siguiente tabla:
Influencia de la cristalinidad en las propiedades de los polímeros

Propiedades
Cristalinos
Amorfos
Densidad (para un mismo material)
Aumenta con la cristalini­dad
Menor que la del material cristalino
Dureza
Mayor
Menor
Fusión o reblandecimiento
Punto de fusión definido
Se reblandecen en un in­tervalo de temperaturas
Rigidez
Mayor
Menor
Encogimiento o Contrac­ción
Mayor
Menor
Permeabilidad a gases y disolventes
Menor
Mayor
Temperatura de deforma­ción bajo carga
Mayor
Menor
Resistencia al impacto
Menor
Mayor


Fuerzas intermoleculares
El tamaño de los átomos y los grupos laterales afectan a la cristalinidad de los polímeros. El grado de cristalinidad influye en las características ópticas y la contracción. Sin embargo, existen diferencias fundamentales en algunas propiedades físicas que no se explican por la cristali­nidad. Dos de estas propiedades son el punto de fusión y la resistencia a la tracción que se de­ben a las interacciones intermoleculares.
Las interacciones intermoleculares son las fuerzas de atracción entre las moléculas o entre átomos de moléculas distintas. Dichas fuerzas difieren claramente de los enlaces químicos que son mucho más firmes. Sin embargo, las fuerzas intermoleculares influyen en la cantidad de energía necesaria para desorganizar (fundir, romper, estirar, disolver) los materiales.
Se distinguen tres tipos tres tipos de interacciones fundamentales:
1. Fuerzas de Van der Waals
2. Interacciones dipolares
3. Enlaces de hidrógeno

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas débiles y se producen entre todas las moléculas y contribuyen sólo ligeramente a crear diferencias entre los polímeros.
Las interacciones de dipolo se dan cuando las moléculas o porciones de moléculas presen­tan polaridad, o cargas eléctricas no equilibradas.
El enlace de hidrógeno constituye un caso especial de interacción de dipolo y requiere un enlace entre hidrógeno y oxígeno o hidrógeno y nitrógeno. Los enlaces de hidrógeno son los más sólidos de las fuerzas intermoleculares. Dentro de los polímeros, los enlaces de hidrogene revisten gran importancia.
Las poliamidas contienen nitrógeno en su cadena polimérica y son elásticas, dado que los enlaces de hidrógeno actúan como muelles. Estas fibras se vuelven a contraer después de es tirarlas en virtud de la fuerza de los enlaces de hidrógeno como sucede con las medias.

Comportamiento térmico
Las propiedades térmicas de los polímeros en función con su estructura están relacionadas con las distintas alternativas que se presentan en el uso. Así podrá interesarnos la temperatura máxima de servicio, o la temperatura de fusión para el moldeo.
Dentro de la gama de temperaturas que se manejan, los polímeros se caracterizan por tener una temperatura por debajo de la cual se tornan rígidos y quebradizos. Esta temperatura (o rango) se denomina Temperatura de transición vítrea (Tg).
La transición vítrea llamada también transición gama, transición de segundo orden o transición vidrio-caucho, es un cambio reversible que ocurre en un polímero amorfo o en la región amorfa de un polímero parcialmente cristalino cuando es calentado desde una muy baja tempe­ratura dentro de un cierto rango peculiar para cada polímero, caracterizado por un casi rápido cambio pasando desde una condición dura, vítrea o frágil a otra flexible o elastomérica.
Durante la transición, las cadenas moleculares, normalmente ovilladas y sin movimientos a bajas temperaturas, quedan libres para rotar y deslizarse sobre otras. Esta temperatura varía ampliamente en los polímeros. Por ejemplo, la temperatura de transición vítrea (Tg) para el poliestireno es de alrededor de 100 °C, mientras que la del copolímero butadieno-estireno (relación 3:1) es de cerca de los -50°C. A continuación se listan algunos ejemplos:

Temperatura de transición vítrea (Tg) y Punto de fusión (Tm) para varios polímeros
Materiales
Tg (°C)
Tm (°C)
ABS
-
190
Acetales
-85
175
Nylon 6
50
225
Nylon 6,6
50
260
Poliacrilonitrilo
87
320
Policarbonato
152
225
Policloruro de vinilideno
-20
210
Policloruro de vinilo
80
200
Poliestireno
100
235
Polietileno alta densidad
-30 a -120
135
Polietileno baja densidad
-30 a -120
110
Politereftalato de etileno
81
265
Polimetacrilato de metilo
65
160
Polipropileno
-20
170
Politetrafluoroetileno
-130
330


Resumen Termoestables

Tabla - Resumen de usos ventajas y desventajas de algunos termoestables

Plástico
Usos Típicos
Ventajas
Limitaciones
Epoxi(EP)
Adhesivos, encapsulados, moldeo, lami­nación, devanado de filamento, aislamiento eléctrico, recubrimientos
Alta resistencia y tenacidad, buena estabilidad dimensional y resistencia dieléctrica, bajo encogimiento y fácil de procesar, resistencia al calor de 250°C en algunos tipos
Costo moderado
Melamina-formaldehído (MF)
Vajillas, componentes eléctricos, laminados (incluyendo cubiertas de mostradores y mesas)
Dura, buena resistencia a las manchas de agua y detergentes, alta resistencia al arco, caracte­rísticas inherentes a la llama
Estabilidad dimensional regular, baja resistencia al impacto
Fenólicos (FF)
Compuestos de mol­deo y laminado, ais­lamiento eléctrico, manijas, perillas, to­beras y puntas de proyectiles, adhesi­vos
Buena resistencia al calor a 320°C durante usos prolongados, buena estabilidad dimen­sional, resistente a la mayoría de los disolventes, buenas propie­dades de ablación, bajo costo y facilidad de proceso, resistente a la llama
Baja resistencia al impacto en la ma­yoría de los tipos, limitación de color
Poliésteres no saturados
Compuestos laminados y moldeados, botes, componentes automotrices, adhesivos
Rigidez, facilidad de fabricación, buenas propiedades dieléctricas, bajo costo, algunos grados especiales tienen retardo a la llama y resistencia química
Mala resistencia a los solventes y al envejecimiento UV (dependen de la formulación)
Poliimidas
Laminados y adhesi­vos
Alta resistencia a temperaturas elevadas de 370°C por periodos largos, y de 480°C por periodos cortos
Alto costo
Siliconas rígidas
Laminados
Retención de propiedades die­léctricas y mecánicas en condi­ciones de alta temperatura y humedad, resistente al calor a 315°C
Alto costo
Caucho silicona
Adhesivos, selladores, juntas, en capsu­lados
Flexible a temperaturas altas y bajas, resistente a muchos agen­tes químicos y a la intemperie, temperaturas de uso hasta de 315°C
Alto costo
Urea-formaldehído (UF)
Aislamiento eléctrico, adhesivos, espumas
Alta resistencia mecánica ya la abrasión, buena resistencia eléc­trica y a muchos agentes quími­cos y solventes, características inherentes de retardo a la llama, bajo costo
Mala resistencia al calor y a la hume­dad, algo frágil
Uretanos
Adhesivos, recubri­mientos, espumas para aislamiento y flotación
Retiene sus propiedades en un amplio intervalo de temperatu­ras, resistente a la abrasión y buenas propiedades dieléctricas
Resistencia térmi­ca moderada