Resistencia de Masa Fundida
Hay un propiedad muy importante para los polímeros de extrusión que casi nunca se encuentra en las hojas técnicas. Las cuales, muestran típicamente la densidad, el índice de fluidez y una variedad de propiedades físicas del polímero sólido. Muchas incluso tienen algunas propiedades térmicas que son necesarias para el diseño del tornillo y los cálculos de enfriamiento. Pero todos los procesos de extrusión dependen en cierta medida de la fuerza de masa fundida del polímero, conocida en inglés como «melt strength».
Esto es desafortunado, ya que conocer la fuerza de masa fundida es crítico para un proceso de extrusión eficiente. En el caso de la lámina, es importante saber la resistencia de la masa fundida, ya que influye en la reducción y la caída del dado a los rodillos. En el caso de la película, la fuerza de masa afecta la estabilidad de la burbuja (en el caso de extrusión por burbuja) y la capacidad de jalare la película en dirección a la máquina y transversal a la máquina (MD, TD) para obtener propiedades equilibradas. Para el moldeo por soplado, la resistencia de la masa fundida influye en la caída del parison para controlar el espesor de la pared. En tuberías y perfiles, afecta la reducción y la caída para orientación y concentricidad. La resistencia de masa fundida también afecta la caída en extrusión por recubrimiento (extrusion coating). Incluso en aplicaciones de co-extrusión, un equilibrio relativo de la resistencia de la masa puede ayudar a lograr estabilidad entre capas.
El problema es que los procesadores generalmente tienen que determinar la resistencia de la masa por sí mismos e intentar compensarlo ajustando las temperaturas de fusión, las velocidades de salida, el diseño del equipo y el intervalo de tiempo entre el momento en que el polímero está en tensión. Este puede ser un proceso de ensayo y error costoso y lento, que a menudo requiere cambios significativos en el equipo, además de generar un gran desperdicio de resina.
La resistencia de masa se puede describir como la resistencia del polímero fundido al estiramiento. La resistencia de masa fundida de un material está relacionada con los desordenamiento de la cadena molecular del polímero y su resistencia a desenredarse u ordenarse bajo tensión. Las propiedades del polímero que afectan la resistencia al ordenamiento son el peso molecular, la distribución del peso molecular (MWD) y la ramificación molecular. A medida que aumenta cada propiedad, se mejora la resistencia de masa a velocidades de cizallamiento bajas.
La ramificación y la distribución de peso molecular tienen el efecto más significativo sobre la resistencia de masa a la vez que mantienen la procesabilidad. Los polímeros ramificados (o aquellos con una mayor proporción de cadenas moleculares muy largas) requieren una mayor tensión para desenredar las moléculas y permitir que fluyan. Los polímeros lineales son simplemente cadenas largas de polímero con poca o ninguna ramificación, y se desenredan más fácilmente cuando se aplica una tensión.
Los polímeros reticulados actúan de manera similar a los polímeros ramificados, y existen muchos aditivos comercialmente disponibles para polímeros lineales que reticulan las cadenas lineales para mejorar su resistencia en estado fundido. Además, la tecnología de polimerización actual ha permitido la ramificación de algunos polímeros que normalmente no serían ramificados.
La resistencia de masa fundida también está relacionada con la viscosidad extensional del polímero, que puede determinarse mediante reometría de flujo convergente. Pero los dos no siempre son proporcionales, por lo que la viscosidad extensional sola no describe la resistencia de la masa. La resistencia de masa está aún menos relacionada con las mediciones de viscosidad de corte tradicionales, de modo que las mediciones de índice de fluidez no son un indicador significativo de la resistencia de la masa fundida.
Se han desarrollado una variedad de métodos para medir la resistencia de la masa tal como se aplica a la extrusión práctica. El principal ha sido el dispositivo Goettfert Rheotens, donde un material extruido fundido o filamento de fibra es jalado entre dos rodillos motorizados. A medida que aumenta la velocidad de los rodillos, se crea tensión en el hilo, que se mide con el dispositivo Rheotens y un reómetro oscilatorio mide le módulo de perdida (G») y el módulo de almacenamiento (G’).
Los reómetros oscilatorios son ampliamente utilizados en la actualidad para la caracterización de polímeros. Los datos a menudo se pueden obtener directamente de los proveedores sin necesidad de pruebas adicionales, ya que los fabricantes de materiales a menudo utilizan estos reómetros para el control de calidad interno. La información se grafica ; cuanto menor sea el punto de cruce de las líneas G» y G’ en los ejes horizontal y vertical, mayor será la resistencia de la masa fundida.
Para los procesadores de extrusión que cambian los polímeros con frecuencia, puede ser muy útil tener alguna indicación de la resistencia de masa del material de antemano para anticipar las condiciones de operación y realizar los cambios necesarios en el equipo. Las diferentes resistencias de masa casi siempre requieren cambios en el dado para compensar las diferencias de extracción, pero también pueden requerir cambios más elaborados en el equipo.
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