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Pigmentos de baja distorsión estructural para la coloración de artículos moldeados

Axel Grimm. GBU Performance Chemicals, BASF Aktiengesellschaft. G-EVP/PP-J550, D-67056, Ludwigshafen, Alemania01/11/2005
El moldeo por inyección es el proceso más extendido para la fabricación de partes de plástico. En contraste con otras técnicas de proceso, el moldeo por inyección permite fabricar de manera rápida y económica partes grandes o pequeñas, incluso con estructuras muy complicadas. Por muy diversas razones, estas partes deben colorearse, lo que ha llevado a hacer cada vez más necesarios los pigmentos orgánicos para materiales poliolefínicos (sobre todo HDPE y PP). Los pigmentos orgánicos llevan tiempo reemplazando –y seguirán haciéndolo– a los pigmentos inorgánicos, por motivos de resistencia de los colores (o coste), y también por motivos medioambientales (sustitución de pigmentos con cadmio o plomo).
Algunas de las aplicaciones más conocidas de los pigmentos orgánicos pueden encontrarse en la industria de bebidas, en donde se emplean en los tapones y cajones de botellas. Los fabricantes de concentrados de color Masterbatch y de maquinaria de moldeo por inyección deben tomar las medidas necesarias para evitar la distorsión de la parte final. Este artículo describe algunos de los términos fundamentales en relación con la distorsión estructural o alabeo y el uso de pigmentos orgánicos, y puede ayudar a los usuarios de pigmentos orgánicos a evitar algunas dificultades frecuentes o a poner en práctica soluciones que eviten la distorsión.

Alabeo y contracción

El alabeo y la contracción hacen referencia a fenómenos observados en las partes moldeadas por inyección una vez finalizado el proceso de moldeo. La contracción es inevitable, y se debe a la contracción térmica de la parte moldeada por inyección durante su enfriamiento, en relación con las dimensiones del molde. La magnitud de la contracción es significativamente mayor en los polímeros semicristalinos en comparación con los amorfos, debido a la contracción adicional que se produce durante la cristalización del polímero, que conduce a un material con un mayor grado de orden a escala molecular y con mayor densidad a escala macroscópica. El resultado es un volumen menor, a costa de una mayor contracción.

En contraste, la distorsión estructural o alabeo hace referencia a la contracción diferencial o anisotrópica de una parte dada, a lo largo de sus tres ejes. Tiene como consecuencia la distorsión de la parte, el empeoramiento de su comportamiento mecánico y un peor ajuste geométrico con otras partes, por ejemplo a cajas o cajones apilables. Tanto en el alabeo como en la contracción pueden influir negativamente muchos factores, entre ellos las condiciones de moldeo y la presencia de pigmentos orgánicos que induzcan distorsión.

Factores que influencian la contracción

La distorsión de una parte sólo puede detectarse después del proceso de moldeo por inyección, si bien hay otros factores, aparte del procesamiento, que influyen en ella. Aparte de los muchos factores asociados al proceso, hay que tener en cuenta el diseño de la parte, el diseño de la herramienta y, por supuesto, los parámetros del material. Las investigaciones han demostrado que la temperatura de fusión y de moldeo, la velocidad de inyección y la presión de retención son factores vitales, en lo que respecta a los parámetros de proceso. En general, es posible modificar fácilmente estos factores para obtener partes con una distorsión sustancialmente reducida. Es más, estos factores tienen una influencia mínima en los costes de moldeo y no incrementan sustancialmente la duración del ciclo. Por contra, el diseño de la parte deja menos margen de maniobra, y su influencia en el efecto de la contracción diferencial no es despreciable. Las zonas de mayor espesor de la parte se enfrían mucho más despacio que las de menor espesor; esta diferencia en la velocidad de enfriamiento afecta al grado de cristalización y a la orientación de las esferulitas.

Otro factor sobre el que sí se puede actuar es el diseño de la herramienta. En este caso, existe ante todo la posibilidad de compensar la contracción y el número y tipo de puertas. No es posible dar directrices generales, porque dependen fuertemente del tipo de parte que se desee fabricar. Los fabricantes de herramientas disponen de herramientas modernas de simulación por ordenador, que pueden ayudar a reducir la influencia de la maquinaria.

En este trabajo, haremos más énfasis en los parámetros del material que influyen en el comportamiento de contracción. Por supuesto, los distintos tipos de plásticos tienen distintas magnitudes de contracción, sobre todo cuando se comparan plásticos amorfos y semicristalinos. Pero incluso dentro de un mismo grupo de plásticos (por ejemplo, HDPE) la contracción y, eventualmente, la extensión de la distorsión dependen en gran medida de factores como la masa molecular, el grado de polimerización y ramificación o la distribución del peso molecular. A la hora de moldear partes, es preciso tomar en consideración todos estos factores y, cuando la distorsión sea de gran importancia, no se deberá modificar la calidad del polímero. Cuanto mayor es el peso molecular de un polímero, menor es su tendencia a la distorsión, y lo mismo ocurre cuanto mayor es su ramificación.

La cantidad y el tipo de aditivos, y sobre todo el tipo de pigmento, ejerce un papel muy importante en la distorsión. Pequeñas cantidades de estabilizadores o de restos de catalizadores de polimerización pueden actuar como agentes de nucleación e influir en la contracción diferencial. Esto tiene poca importancia para el usuario final si se emplea siempre la misma calidad de plástico, porque la cantidad de estos aditivos añadidos intencionadamente varía poco de un lote a otro, pero su influencia puede ser considerable si hace variar la calidad. Se sabe que las cargas con una relación entre dimensiones alta, como las fibras de vidrio, inducen una distorsión considerable. Las fibras de vidrio, que son muy alargadas, provocan la alineación de las cadenas de polímero en la dirección de inyección. La orientación de las cadenas de polímero produce una orientación de las áreas cristalinas y, en último término, es responsable de la diferencia de contracción longitudinal y transversalmente a la dirección de flujo.

Algunos pigmentos también producen nucleación del polímero fundido y contribuyen a la distorsión de las partes. Para investigar con exactitud su influencia es preciso establecer un método preciso y fiable, que elimine todos los factores anteriores.

Medición de la distorsión

Resulta preciso establecer un procedimiento fácil y cómodo para el usuario, análogo al de otros métodos de medición normalizados. Y, para garantizar resultados fiables, este método de medición debería tener un alto grado de reproducibilidad y repetibilidad. ISO o ASTM sólo especifican un método normalizado para medir la contracción; sin embargo, puesto que la contracción y la distorsión son fenómenos relacionados, es posible utilizar los procedimientos definidos en las normas DIN EN ISO 294-4 y ASTM D922-00 a los efectos de esta investigación, aunque deben definirse parámetros de prueba adicionales que permitan predecir con precisión el comportamiento de distorsión.

Utilizaremos una lámina rectangular de 6 x 6 x 2 mm. Se moldean diez láminas a partir de placas pigmentadas y una a partir de una placa no pigmentada, y se miden las dimensiones de las partes individuales (longitud y anchura). La contracción perpendicular a la dirección de flujo es, en todos los casos, menos pronunciada en las proximidades del punto de inyección que en el punto opuesto. Esto se explica por el hecho de que el polímero fundido cristaliza más tarde cerca del punto de inyección que al final del flujo. La presión de retención puede compensar en gran medida la contracción en las proximidades del puerto. Como puede verse en la figura 1, la contracción paralela al flujo es insignificante a efectos de evaluación de la tendencia a la distorsión, mientras que la contracción perpendicular al flujo en el punto opuesto al punto de inyección es un buen indicador del comportamiento de distorsión. La figura 2 representa gráficamente el factor interno FI paralelo y perpendicular al flujo. El factor FI puede calcularse a partir de la contracción de la placa pigmentada y no pigmentada, utilizando la ecuación siguiente (donde Sw indica la contracción perpendicular al flujo):

foto
El comportamiento de distorsión puede determinarse mediante el factor perpendicular al flujo y guarda buen correlación con las aplicaciones reales. Los pigmentos pueden clasificarse por su factor interno FI. Si el valor está comprendido entre 0 y 10, el pigmento se considera de baja distorsión; entre 11 y 20 es ligeramente distorsionante y por encima de 20 tiene un fuerte efecto de distorsión.

Influencia de los pigmentos en la distorsión

Hemos investigado las placas moldeadas para la medición de distorsión empleando otras técnicas analíticas, con el fin de identificar los motivos de la distorsión y buscar soluciones para dar propiedades de baja distorsión a los pigmentos orgánicos a disposición de la industria de plásticos.

Los estudios de microscopía óptica con empleo de luz polarizada muestran una estructura semicristalina modificada, en comparación con las muestras no pigmentadas. La última muestra de HDPE tiene una estructura regular de esferulitas de unos 5-10 _m. La misma placa, pigmentada con un azul de ftalocianina de aplicación general (P. BL. 15:3) que, según nuestra prueba, produce un alto comportamiento de distorsión, exhibe una estructura muy fina de esferulitas de tamaño mucho menor (1-5 _m) 1). Además, la orientación de los cristales de PE en la placa pigmentada es diferente a la de la placa no pigmentada. Las cadenas poliméricas son preferentemente perpendiculares a la dirección del moldeo por inyección en el caso de la placa no pigmentada, y paralelas a la dirección de moldeo en el otro caso. Esta observación permite explicar la razón de la distorsión, y la relaciona con la estructura microscópica del material. Cualquiera de las placas pigmentadas coloreadas con un pigmento de baja distorsión muestra la misma textura que la placa no pigmentada. Algunos pigmentos, principalmente orgánicos, producen nucleación del HDPE, pero ¿cuál es el factor desencadenante?

Esta nucleación heterogénea no se basa en el crecimiento epitaxial de las esferulitas de polímero en las aristas o en las caras de las superficies cristalinas del pigmento 2). Sirva como prueba de ello el hecho de que diferentes pigmentos con celdas cristalinas totalmente distintas producen nucleación del mismo polímero e, inversamente, un mismo pigmento es capaz de producir nucleación y distorsión en distintos entornos polímeros. Como ejemplos del primer y del segundo caso cabe citar los pigmentos de ftalocianina de aplicación general (P. Bl. 15:1, P. Bl. 15:3, G. G. 7, P. G. 36). Virtualmente no existe ninguna diferencia entre el comportamiento de distorsión de las formas cristalinas alfa y beta de este pigmento, ni entre las versiones clorada y bromada, pese a que existen importantes diferencias entre las estructuras cristalinas de unas y otras. Estos pigmentos también exhiben un considerable comportamiento de nucleación en otro polímero semicristalino, por ejemplo, PBT. Todos los pigmentos comerciales tipo perileno (P. R. 149, P. R. 178, P. R. 179) exhiben comportamiento de nucleación y distorsión en HDPE y en PBR, independientemente de la celda cristalina del grupo, o en relación con los pigmentos tipo ftalocianina.

Como ya se ha mencionado anteriormente, los pigmentos inorgánicos como TiO2, P . Y. 53, P. Br. 24, P. Y. 184, P. Bl. 28, P. Bl. 36, P. G. 17 y P. G. 50 no exhiben comportamiento de distorsión, o sólo lo exhiben en muy pequeña medida. Podría concluirse que el factor contribuyente es el mayor tamaño de partícula de los pigmentos inorgánicos en relación con los orgánicos. Por ejemplo, P. Y. 53, con un tamaño de partícula de 920 nm (determinado por centrifugado en disco), en comparación con dos tipos diferentes de P. Y. 138 (isoindolina), con tamaños de partícula diferentes (480 nm y 300 nm) prácticamente no mostró ninguna influencia del tamaño de partícula en el comportamiento de distorsión. El mismo efecto se observa en el comportamiento de distorsión de pigmentos de diferentes tamaños de cristal, utilizando distintos tipos de alfa ftalocianinas. El valor FI medido es superior a 20 en todos los casos.

En el caso de los materiales plásticos reforzados con fibra de vidrio, se sabe que la alta relación entre dimensiones de las fibras y, por tanto, su alineación en la parte moldeada durante el proceso de moldeo por inyección es la causa de la distorsión. Sin embargo, no son aplicables correlaciones similares a los cristales de los pigmentos. Se estudió la correlación entre comportamiento de distorsión y forma cristalina en dos muestras de pigmentos de azul de ftalocianina. El pigmento con una forma cristalina de aguja exhibió un bajo comportamiento de distorsión, mientras el pigmento de cristales cortos y gruesos mostró una tendencia a la distorsión elevada. Esta observación contradice al comportamiento de distorsión de la fibra de vidrio, de lo que se deduce que la forma del cristal en sí no puede ser responsable del comportamiento de distorsión.

Además, la polaridad de la superficie del pigmento y su capacidad para inducir la nucleación del polímero fundido tienen influencia en el comportamiento de distorsión. A partir de estas conclusiones, se han desarrollado nuevos pigmentos que basan su bajo comportamiento de distorsión –bien contrastado–, ya sea en la modificación de la morfología del pigmento o en la aditivación con compuesto de enmascaramiento superficial.

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