Millora de l'eficiència d'extrusió de compostos de TPE-V

L'extrusió es va dur a terme en un extrusor de cargol senzill Brabender 19/25D, utilitzant un filtre rectangular de 20X1 mm. La temperatura es va fixar a 185-185-190-195 º C a les quatre zones disponibles des del punt d'alimentació fins a la boca. La compressió de l'eix era de 4:1. Es va col·locar un sensor de pressió abans de la zona del broquet. Els espècimens per a les proves físico-mecàniques es van tallar directament de les bandes extrudides.

Es va utilitzar una màquina d'emmotllament per injecció Arburg Allrounder 220-90-350 a una pressió constant per produir les mostres destinades a les proves mecàniques, i per avaluar les propietats de flux amb un motlle de creueta. La temperatura es va fixar a 180-190-190-200 º C a les quatre zones, la temperatura del motlle es va fixar a 80 º C, i es va emprar un temps de refredament de 30 segons. Es van descartar les primeres 15 mostres de cada sèrie.

Schill + Seilacher va avaluar com a additius de procés diferents substàncies. L'additiu utilitzat en aquest estudi és una barreja optimitzada de sabons metàl·lics, amides d'àcids grassos i compatibilitzats optimitzada per TPE-V. Prèviament als experiments i per motius de comoditat, es va preparar un masterbatch amb un 17,5% d'additius en un extrusor de doble cargol, i es va barrejar amb els grànuls de TPE-V en les proporcions adequades.

Extrusió

La reduïda viscositat del compost termoplàstic permetre treballar a la màxima velocitat de cargol sense acostar-tan sols als límits tècnics de la màquina (velocitat màxima de l'eix, 120 rpm; parell màxim 200 Nm). El rendiment de l'extrusió augmentar amb la velocitat del cargol. És ben sabut que la viscositat d'un TPE (i dels polímers en general) disminueix en augmentar la velocitat de cisallament. Els fabricants recomanen processar els TPE a altes velocitats de cisallament per tal d'aconseguir un bon flux. No obstant això, aquest factor té més importància en el model per injecció que en l'extrusió. Per determinar la concentració òptima d'additiu, es van dur a terme dues sèries de proves d'extrusió, utilitzant concentracions d'entre el 0 i el 3% de TPE-V de color neutre i entre el 0 i el 6% de TPE-V de color negre. Ambdues sèries mostren que amb dosificacions relativament baixes, d'entre el 0,5% i l'1%, el rendiment augmenta de forma considerable, mentre que amb dosificacions més altes la millora resulta fins i tot inferior.

Com a norma general, la dosificació d'additiu hauria de ser el més reduïda possible, dins del necessari, per evitar qualsevol efecte col·lateral. Aquesta regla i la pròpia economia del procés situen la dosificació òptima d'additiu en un màxim de l'1% per a un TPE-V.

Encara que una major concentració d'additiu redueix encara més la viscositat del compost, també rebaixa l'acumulació de pressió a l'interior del extrusor, que és la força motriu de l'extrusió.

El rendiment de l'extrusió és un factor econòmic de la producció que es pot millorar incrementant la velocitat del cargol o amb un additiu. L'additiu no només augmenta el rendiment mantenint constant la velocitat del cargol, sinó que també redueix la pressió i el parell d'extrusió. Es pot establir una relació lineal entre el parell i la pressió. A les nostres proves es va obtenir una reducció del parell del 17% i un augment del rendiment d'extrusió del 21%, a una velocitat mitjana del cargol de 60 rpm i amb una concentració d'additius de l'1%.

Les altes concentracions d'additius produeixen efectes importants en el parell i la pressió, i només condueixen a una millora marginal del rendiment en comparació amb la dosificació òptima d'additiu. En aquest cas concret, els additius de procés poden aportar un important estalvi d'energia (superior al 17%) si es considera que el parell és proporcional al consum d'energia. La influència dels diferents dissenys d'eixos i l'aplicabilitat dels resultats a altres tipus d'extrusors queden fora de l'objecte d'aquest estudi.

Partint de la base que l'additiu es concentra principalment en la fase contínua de PP, resulta evident que fins i tot una petita quantitat d'additiu ha de ser suficient per reduir la viscositat del polipropilè, i per tant la del compost. En un compost de cautxú, l'additiu es dispersa per tot el compost i és absorbit en part per la càrrega. Es requereixen grans dosificacions d'additiu per obtenir una reducció similar de la viscositat. No obstant això, també s'hauria de considerar la possible migració de l'additiu a les partícules de EPDM dels TPE causa de la seva petita grandària, i tenint en compte que la velocitat de difusió no és el factor limitant.

En moltes aplicacions dels TPE, l'acabat del producte té una importància crítica, per això, la indústria està interessada en qualsevol possibilitat de millorar la qualitat superficial dels productes de TPE. A la vista de les proves d'extrusió, hi ha dos fets evidents: en primer lloc, l'acabat superficial del perfil és pitjor com més gran és la velocitat d'extrusió. El compost de control va mostrar una superfície irregular a baixa velocitat de l'eix, per contra, el compost que contenia additiu es va comportar molt millor. En segon lloc, l'additiu millora considerablement la superfície del perfil, tot i que la influència negativa de l'alt rendiment segueix estant patent. Normalment, un additiu de procés produeix un efecte de lubricació interna que disminueix la viscositat del compost i, paral·lelament, un efecte de lubricació externa a causa de la modificació de la superfície. En aquest cas, la presència d'un additiu té un clar efecte de fluïdificació, en part responsable del major rendiment, però també de la major homogeneïtat del flux.

L'ús d'additius especials podria influir positivament en la qualitat superficial, millorar l'aspecte visual i realçar la sensació de suavitat al tacte, la qual cosa podria ser molt més important per al fabricant que qualsevol altre paràmetre més tècnic. Per descomptat, aquesta és una qüestió subjectiva i són els clients qui han provar-ho en cada cas específic.

D'altra banda, aquesta qüestió podria abordar-en certa mesura-determinant si l'additiu migra a la superfície ia quina concentració es produeix aquesta migració. Es va utilitzar un TPE de color negre per a visualitzar millor la migració a la superfície, i es va barrejar amb quantitats variables del masterbatch d'additiu, generant concentracions d'additiu compreses entre el 0,25% i el 6%. No es va observar cap migració d'additiu visible o severa. Les bandes extrudides es van fer més propenses a les marques d'esgarrapades a altes concentracions d'additiu, un efecte no gaire pronunciat a concentracions de fins al'1%. També és cert que la major suavitat i lluentor superficial dels compostos amb contingut d'additiu podria haver contribuït a la major visibilitat d'aquests esgarrapades.

Les propietats mecàniques dels TPE-V no eren l'objectiu principal d'aquest estudi, no obstant això, sí calia comprovar la possible influència del additiu en l'estructura mecànica. D'acord amb la nostra experiència en l'àmbit del cautxú, sabem que les dosificacions normals (d'1 a 4 PHR) d'additius de procés es poden tolerar, sempre que se seleccioni l'additiu apropiat, amb freqüència, és difícil detectar qualsevol influència de cap tipus. El mateix passa amb els TPE-V. Les baixes dosificacions de fins al'1% no exerceixen pràcticament cap influència en la constant elàstica i la resistència a la tensió, mentre que l'elongació al punt de trencament roman a un nivell constant dins de tot l'interval de concentracions d'additiu avaluades.

El inflament del producte extruït i la velocitat d'extrusió no es van mesurar amb gran precisió a causa de les dificultats per controlar la velocitat de sortida. Els mesuraments de gruix realitzades en els espècimens durant les proves mecàniques van mostrar, com era d'esperar, un major inflament a altes velocitats d'extrusió. També es va observar una clara tendència a un menor inflament del extruït en el cas dels compostos amb contingut d'additiu, en comparació amb el control.

Emmotllament per injecció

Com és d'esperar, l'additiu de procés també millora les propietats de flux dels compostos de TPE-V en els processos d'emmotllament per injecció. La millora observada, del 7%, no va ser tan pronunciada com en el cas de l'extrusió. No es va avaluar la influència dels paràmetres de configuració de la màquina, com ara la pressió i la velocitat d'injecció, el temps o les temperatures. La major dispersió dels resultats, en comparació amb el control, es va deure a unes concentracions irregulars d'additiu al TPE-V a causa del reduït volum d'injecció, un problema típic de les proves a petita escala.

Les propietats mecàniques mostren novament el mateix efecte de relaxació observat en les mostres extrudides. Tant la constant elàstica com la resistència a la tensió resultar una mica més baixes en les mostres amb additiu, mentre que l'elongació al punt de trencament no va disminuir de manera significativa.

Normalment, a l'usuari final li interessa disposar d'un compost llest per utilitzar. Qualsevol additiu, ja tingui la forma d'un producte pur od'un masterbatch, s'ha de poder barrejar prèviament amb els grànuls de TPE o alimentar-se directament a la màquina. Ambdós mètodes són tècnicament practicables si l'usuari final està ben equipat per a això i està disposat a fer aquest esforç addicional. Un usuari final de la indústria del cautxú estarà segurament més preparat que un de la indústria del plàstic. Poden ser necessàries diferents concentracions de masterbatch.

També resulta temptadora la idea d'incorporar l'additiu al compost de TPE durant el propi procés de fabricació. Atès que s'afegeixen altres ingredients al compost, hauria de ser fàcil afegir també l'additiu de procés. El resultat seria un compost millorat, però l'usuari final ja no podria decidir si afegiu o no l'additiu. És clar que, d'altra banda, el procés de fabricació de TPE en continu podria convertir l'additiu de procés en un ingredient estàndard del compost, potser no per a totes les classes de TPE però sí per a algunes especials.

El que no té gaire sentit és afegir un additiu de procés a la fase d'EPDM si aquesta es premescla com un lot separat abans de l'extrusió final. La fase que flueix és la contínua, no la de EPDM que es vulcaniza posteriorment. Es van provar diversos additius en l'elaboració de compostos de TPE-V en un mesclador de laboratori. Els additius es van agregar abans que l'agent de curat, una resina fenòlica. La presència de l'additiu va reduir el parell de barreja causa de la menor viscositat que va induir en la fase de PP, el que segurament redundar directament en unes menors forces de cisallament en el compost.

Les mostres extrudides es van examinar amb ajuda d'un Microscopi de Força Atòmica (AFM). En comparació amb el control, l'additiu va produir una estructura de fases més grollera.

Un altre additiu va millorar la morfologia de fases i va donar lloc a una estructura de mida de partícules més fina, el que no obstant no va resultar en un millor comportament d'extrusió. L'estudi ha revelat l'additiu de procés pot influir en la morfologia de fases durant el procés de fabricació d'un TPE-V, i el més probable és que la influència sigui negativa, si el procés de producció sense additius estaba optimitzat.

De moment, la manera més segur d'afegir un additiu de procés és fer-ho després de la reticulació dinàmica, un cop s'ha completat la formació de les fases.

• Augmenten el rendiment de la extrusió de TPE-V en un 21%
• Redueixen el consum d'energia en un 17%
• Milloren l'acabat superficial
• En concentracions òptimes, no exerceixen cap influència sobre les propietats mecàniques
• Cal afegir després que la morfologia de la fase s'estabilitzi
• S'ha determinat una concentració d'additius recomanada d'entre el 0,5% i l'1%.