Mejora de la resistencia al rayado en compuestos de polipropileno

A. I. Montenegro García
Repsol-YPF
15/09/2003
Mejorar la resistencia al rayado es uno de los temas pendientes en los compuestos de polipropileno, ya que a menudo se emplean piezas hechas en este material en el interior de los vehículos. Repsol-YPF analizó en una ponencia como mejorar este aspecto estético que puede convertir este material en un alternativa a otros polímeros técnicos. Este artículo se leyó en las Octavas Jornadas de Automoción del Centro Español de Plásticos (CEP). Aquí tienen un extracto.

Introducción

En el amplio sector de la automoción, los plásticos se han hecho imprescindibles, siendo con frecuencia los únicos materiales que permiten fabricar económicamente los nuevos diseños de piezas para los distintos segmentos de dicha industria [...]. Por ser un plástico estándar que ofrece buena combinación de propiedades y procesabilidad, el polipropileno es un material base especialmente utilizado para ser modificado. La aplicación en el sector de la automóvil que está cobrando más importancia en este sentido es el interior del habitáculo, ya que no solo requiere propiedades mecánicas sino estéticas, por lo que nos centraremos precisamente en estas últimas.

En este artículo, comentaremos las propiedades principales y nos ocuparemos en detalle de una de las necesidades que, cada día más, está requiriendo el segmento de interior para automoción en las piezas sin pintar: la mejora de la resistencia al rayado. En este punto está la clave para abrir nuevas expectativas a los compuestos de polipropileno (PP) en dicha aplicación crítica, representando una seria alternativa a otros polímeros técnicos, como el ABS.

1. Características de los compuestos de PP

Para definir correctamente los compuestos de PP, primeramente vamos a acotar los productos de carga y refuerzo a utilizar. Se tomará como criterio que los productos de refuerzo serán las fibras y silicatos laminares de estructura plana (p.ej. talco, mica), dejando la denominación de cargas a los minerales de forma esférica (p.ej. esferas de vidrio, carbonato cálcico), debido a su escasa influencia sobre la rigidez de los compuestos de PP en los que se usan.

Así, un compuesto de PP será aquel modificado con cualquier tipo de carga que extienda las propiedades del polipropileno base en cualquier sentido: aumento de rigidez, dureza, tracción ó mejora de las propiedades estéticas.

La tabla 1 proporciona una orientación acerca de la influencia de las cargas y refuerzos sobre las características del polipropileno, partiendo de un polipropileno homopolímero.

A partir de la misma, se pueden sacar, entre otras, las siguientes conclusiones:

  • La mejora de las propiedades mecánicas es máxima en los tipos de PP reforzados con fibra de vidrio, especialmente si van ancladas químicamente, pero tienen un mal comportamiento estético.
  • Los compuestos de refuerzos minerales planos (bidimensionales) presentan características reforzantes mucho más pronunciadas que los productos esféricos (tridimensionales), aunque estos últimos tengan unas excelentes propiedades estéticas.
  • La disminución de la tenacidad (relacionada con el módulo elástico en tracción) depende de la proporción, estructura y tamaño de partícula de los refuerzos utilizados, así como la calidad superficial.

Por todo ello, se viene seleccionando por parte de los constructores de automoción (OEM, de aquí en adelante), para la aplicación de interior en los vehículos, los grados de polipropileno con 20 por ciento de refuerzos minerales bidimensionales.

La tabla 2 considera como afecta el tipo de base polimérica utilizada sobre las características del polipropileno, partiendo de un compuesto de PP con 20 por ciento de talco.

A partir de los resultados mostrados se ven los siguientes puntos a destacar:

  • Al usar como base polimérica PP copolímero heterofásico, propiedades como la dureza y el HDT varían en la misma dirección, disminuyendo al añadir etileno al Compuesto de PP.
  • El módulo de flexión varía de forma inversa a la resistencia al impacto que aumenta al añadir etileno a la base polimérica.
  • En cualquiera de los casos el aspecto estético superficial es bueno.

De forma explícita, comentaremos las propiedades principales requeridas por los OEM en las piezas de interior basándonos en los compuestos de PP con refuerzo, y teniendo en cuenta que aproximadamente el 95 por ciento de dichas piezas son inyectadas.

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Tabla 1. Influencia de las cargas y refuerzos sobre las características del polipropileno. Variación en porcentaje (%) respecto al PP homopolímero no modificado. MEF: Módulo elástico en Flexión, MET: Módulo elástico en Tracción y HDT = Temperatura de deformación.

1.1. Rigidez a altas temperaturas

Durante el proceso de inyección, la rigidez del material es crítica a la hora de realizar la expulsión del molde. Un producto que no sea lo suficientemente rígido será difícilmente desmoldeado y tendrá propensión a quedarse agarrado por los tetones de montaje de la pieza.

A temperaturas superiores, se observa un considerable descenso de la rigidez. Cuanto menor sea la temperatura a la que alcance la rigidez requerida para el óptimo desmoldeo, mayor tiempo de enfriamiento y, por tanto, menor productividad de las piezas inyectadas.

También afecta en este punto, la contracción postmoldeo del material (Ver Baja contracción).

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Tabla 2. Influencia de la base polimérica sobre las características del polipropileno reforzado.

1.2. Resistencia al impacto en frío

Frente a las ventajas del polipropileno, existe un inconveniente que no hay que subestimar y es que la adición de cargas y refuerzos baja la resistencia al impacto a bajas temperaturas. [...]. La mejora de esta propiedad está siendo conseguida por el uso de copolímeros heterofásicos de muy alto contenido en etileno ó por la formación de complicados sistemas de tres fases con los que se obtiene gran resistencia al impacto sin merma apreciable de la rigidez (SEBS, EPDM, EPM, terpolímeros,...).

1.3. Baja contracción

El polipropileno no modificado presenta, además de una alta contracción de transformación (entre 1,7 y 2,2%), una contracción longitudinal diferencial, que provoca frecuentemente problemas de deformación.

Incorporando productos de refuerzo o cargas bidimensionales o tridimensionales, no sólo puede reducirse considerablemente la contracción en sí, sino también la contracción diferencial. Y esta mejora aumenta al aumentar el porcentaje de carga o refuerzo añadido.

En el caso de Compuestos de PP con fibra de vidrio la contracción diferencial sigue siendo muy alta, lo que provoca riesgo de deformaciones que no pueden corregirse con parámetros de transformación.

1.4. Comportamiento acústico

Los diseñadores de automóviles han procurado reducir los ruidos mediante numerosas medidas [...]. Este fue uno de los motivos para el cambio del ABS por el PP en el interior de los coches.

Con piezas de compuestos de PP reforzados, los problemas de ruidos pueden reducirse drásticamente, e incluso eliminarse por completo, principalmente gracias a dos características de dicho material:

  • Alto factor mecánico de pérdidas.
  • Escasa tendencia al deslizamiento (stick-slip).

Teniendo en cuenta un proceso de amortiguación de ruido, la energía vibratoria se transforma en calor mediante fricción interna, lo que se llama amortiguación interna. Una medición para la amortiguación interna es el factor mecánico de pérdida. En la figura 2 se observa la diferencia existente entre el polipropileno y el ABS, [...]. La zona grisácea corresponde a la ganancia de amortiguación del PP respecto al ABS.

1.5. Calidad superficial

Dada la infinidad de componentes de plástico visibles, la calidad de su superficie tiene una extraordinaria importancia. Los tipos de polipropilenos reforzados con productos minerales ofrecen de entrada superficies mates y de tacto “cálido”.

Otra cosa importante que se exige a las superficies es una presentación lo más uniforme posible, sin “aguas” ni estrías o líneas de flujo visibles ni efectos mates/brillantes. Los compuestos de PP se optimizan día a día en este sentido, presentando ventajas evidentes los reforzados con talco. La selección específica de los tipos de minerales utilizados, además de la mayor fluidez de la base polimérica elegida y el uso de grados de reología controlada de alta fluidez y estrecha distribución de pesos moleculares, han mejorado claramente la calidad de las superficies.

Pero en los últimos tiempos, la propiedad que más problemas está generando a nuestros clientes es la deficiente resistencia al rayado de los compuestos reforzados con talco. Este es un mineral extremadamente blando, con valor de 1 en la escala de dureza de Mohs, lo que explicaría por que los grados de PP reforzados con talco son susceptibles de tener problemas de baja resistencia al rayado.

El uso de talco como refuerzo, hace que se parta de una mala situación de resistencia al rayado, por lo que la sustitución de esta carga por otras hace que la mejora en dicha propiedad sea evidente

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