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3 - Parámetros a tener en cuenta en la mejora de la resistencia en compuestos de PP

15/09/2003
A la hora de diseñar una pieza, a la que se le va a pedir un excelente comportamiento de resistencia al rayado, los OEM deberían tener en cuenta, no solo el compuesto de PP elegido para ser utilizado, sino también otra serie de parámetros que son independientes del mismo y, que muchas veces vienen establecidos en los primeros pasos del proyecto, no permitiendo mejorar al nivel máximo dicha propiedad. [...].
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3.1. Efecto del acabado superficial

Uno de los mayores factores a considerar en la resistencia al rayado final, contrariamente a lo que se crea, es el tipo de acabado superficial que se seleccione para nuestro componente. Este punto, que queda seleccionado durante el diseño del proyecto, se divide en tres aspectos básicos a considerar por separado: gofrado ó textura, color y brillo.

Efecto del gofrado utilizado:

En la industria de la automción, diferentes diseños de gofrados y modelos de texturas superficicales son utilizados para realzar lal apariencia estética final de los componentes. Dicho diseño viene dado por lla impresión superificial de llos molldes de inyección y debe tenerse en consideración en el proyecto de nuevos componentes. El gofrado se expresa como la unidad granular donde, la superficie granular está compuesta y puede ser cuantitativamente medida por profundidad y diámetro de los 'granos' que lo forman.

Así, veremos como afecta a la resistencia al rayado, según varía más el gofrado manteniendo constante el resto de posibles efectos sobre el componente final:

  • La profundidad del grano: a mayor profundidad del dibujo del gofrado, aumenta la facillidad a ser rayado el componente. Esto tiene sentido si consideramos que estamos oblilgando al material durante el lllenado del molde, en el primer paso del proceso de inyección, a sufrir muchos cambios de dirección dificultando la creación de la piel externa del componente.
  • El diámetro del grano: al disminuir el diámetro del dibujo o mayor número de granos por superficie, disminuye la resistencia al rayado. Lo que iría en el mismo sentido que el caso anterior.

Por todo ello, los gofrados que más facilitan mejorar la resistencia al rayado son aquellos en los que el dibujo es de baja profundidad y alto diámetro de grano.

Efecto del color:

El color se puede definir como la luz visible captada por el ojo humano, [...] pero no es por ello, por lo que juega un papel importante en la resistencia al rayado de un componente.

El seleccionar el color negro es habitual en automoción y en su defecto tonos grises y, la formación de una raya, hace que se deformen las capas superficiales al romper las láminas de talco y apareciendo un color blanquecino en la misma. Así, cuanto más diferente del color blanco sea nuestro componente, más diferencia cromática habrá con la raya que aparezca y más visible será la misma. Por ello, vamos a utilizar el concepto de nivel de gris para prever el efecto, representando la situación del color del componente entre el blanco y el negro totales, como si de imágenes monocromáticas se tratase. Así, se puede tomar del sistema CIELAB el eje L*, o sea, claridad, como medida en este punto teniendo valores entre 0 (negro) a 100 (blanco).

En igualdad del resto de efectos considerados, cuanto más cercano a 100 se encuentre el valor de color de nuestro componente, menos visible se hace una raya infligida a nuestro componente en las mismas condiciones que si nos encontramos en valores más cercanos a 0.

Efecto del brillo:

[...] Se dice que una superficie es perfectamente brillante cuando refleja al menos un 90 por ciento de los rayos de luz que inciden sobre la misma, cualquier cambio en la misma será más visible que si disipa inicialmente un porcentaje alto de luz en algún punto. Hay que considerar que una raya, como se ha dicho anteriormente, es una deformación superficial en forma de socavón, por lo que la reflexión cambiará de dirección drásticamente en dicho punto. Resumiendo, a mayor valor de brillo, o sea, mayor reflexión de la luz, más fácil resulta visualizar la raya marcada sobre la superficie.

3.2. Efecto de la formulación del material

Desde el punto de vista del uso, es conocido que el tipo de material utilizado tiene distintos comportamientos en cuanto a la resistencia al rayado se refiere. Incluso entre las miles de combinaciones de compuestos de PP existentes, a igualdad del resto de propiedades, podemos encontrar muy diferentes comportamientos.

Efecto del polímero base:

Manteniendo constante el resto de composición y manipulación, las diferentes matrices poliméricas con las que este diseñado cada Compuesto de PP, tendrán distintas respuestas al rayado que pudiera sufrir la pieza una vez inyectada. Así, partiendo de los grados reforzados con talco y utilizando la misma división que hemos observado en la Tabla 2, tendremos los siguientes efectos:
  • El uso de PP homopolímero frente al PP copolímero heterofásico da mejor resistencia al rayado y, por lo tanto, al aumentar el contenido en etileno se disminuye la resistencia al rayado del componente final.
  • Al añadir fases cristalinas distintas a propileno ó etileno en pequeñas cantiades (por ejemplo, elastómeros: EPM, SEBS,...), aumenta considerablemente la resistencia al rayado.

Efecto de la carga o refuerzo:

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. El talco es una partícula laminar, situación por la que la rotura de dichas partículas es más fácil.

Así, los puntos de mejora frente al talco en dicho efecto irían encaminados a:

  • Usar cargas menos laminares y más redondeadas: carbonato cálcico, esferas de vidrio o incluso, dentro de los distintos tipos de talco, se nota cierta mejora usando los menos laminares frente a los que lo son más.
  • Usar cargas más duras: wollastonita, caolín, mica, fibra de vidrio, esferas de vidrio, ... o combinaciones de ellas que están dando resultados satisactorios.
  • Uso de nanocomposites: dentro de los muchos tipos existentes y en estudio parecen tener un mejor comportamiento frente al rayado los derivados de montmorillonita y silicatos.

Pero este tipo de cambios llevarían asociado una variación de propiedades mecánicas del compuesto final, por lo que se deberían seleccionar las cargas a utilizar buscando un compromiso entre la resistencia al rayado y las propiedades mecánicas finales requeridas.

Además, tras lo dicho con anterioridad, parece evidente que una disminución del porcentaje de carga utilizado haría menos obvio el problema del rayado. El paso de 20 a 10 por ciento de talco en la formulación conseguiría el aumento de 1N en la resistencia al rayado medida con la varilla Erichsen.

3.4. Otros efectos

Efecto de la aditivación:

El uso de distintos aditivos pueden mejorar la apariencia superficial, pero en los que claramente se ha observado la mejora ha sido en aquellos que facilitaban la fluidez y reducían el coeficiente de fricción del material con el molde (siloxanos, derivados de amidas, ...), y, en general, el uso de cualquier tipo de deslizantes.

3.3. Efecto de las condiciones de proceso

En el procesado del material, se pueden seleccionar condiciones extensamente conocidas por los inyectadores que favorezcan el buen acabado superficial de las piezas, como, por ejemplo, baja o media velocidad de inyección, baja velocidad de husillo o secado del material antes de la inyección (3h a 80ºC al menos). Todas ellas van encaminadas a conseguir que durante el llenado se consiga la formación de la piel del componente de forma perfecta.

Pero durante dicho proceso, partiendo de unos parámetros de inyección fijos en un molde dado, se puede observar especial mejora en el rayado del material, modificando alguna variable concreta.

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Efecto de la postpresión:

La reserva de una cantidad del peso final de la pieza para ser introducida en el molde durante la compactación, con la postpresión, y no introducir todo el material durante el llenado, mejora considerablemente la resistencia al rayado de la pieza. Esto puede explicarse desde el punto de vista de reforzar la cohesión entre las capas que formen el espesor de la pieza, o sea, finalmente se conseguirá introducir mayor cantidad de material aumentando ligeramente el peso final de pieza.

También el aumento de la presión posterior o postpresión ayuda a la mejora del establecimiento de la piel externa.

Efecto del tiempo de enfriamiento:

Lo que realmente favorece, en el mismo sentido que el efecto anterior, la mejora de la resistencia al rayado es el mantenimiento de la pieza en el molde durante mayor tiempo realizando funciones de conformado. Así, se extraerá la pieza del molde una vez que la superficie externa esté perfectamente formada y fría.
Existen otras variables por estudiar que también varían la resistencia al rayado como, por ejemplo, el efecto de las condiciones medioambientales. Se ha observado la influencia de la temperatura ambiente en las reclamaciones recibidas por los OEM de clientes, tras un año de uso de los componentes, o el efecto del montaje de componentes sufriendo tensiones. Influye que el polímero esté siendo fuertemente deformado llegando a sufrir un blanqueamiento en las partes enclavadas en los paneles para que el rayado sea más factible.

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