lunes, 31 de octubre de 2011

Aditivos y rellenos para polímeros

Aditivos y rellenos: Son los materiales que se incluyen en la formulación de los polímeros para modificar y mejorar sus propiedades físicas, mecánicas y de proceso.
La mayor parte de los polímeros contienen aditivos, que les proporcionan características especiales.

Tipos de aditivos y rellenos y sus efectos.

1.- Rellenos:
• Pueden ser inorgánicos, orgánicos, minerales, naturales o sintéticos.
• Se agregan para varios fines. Uno de los ejemplos más conocidos es la adición de negro de humo al caucho, para conseguir la resistencia mecánica y al desgaste de las cubiertas de automóvil.
• Es más común su uso en las resinas termofraguables (melaminas o fenólicas), aunque también se emplean en algunos termoplásticos.
• Dilatadores o extensores: Son rellenos que se agregan en cantidades grandes, y permiten que se produzcan grandes volúmenes de material polimérico con muy poca resina, reduciendo así el costo. Debido a que las propiedades de un plástico dilatado suelen disminuir, su uso se limita a las aplicaciones menos críticas. Ejemplos: carbonato cálcico, sílice y arcilla son extensores de uso frecuente.

2.- Plastificantes:
• Pequeñas moléculas o cadenas de bajo peso molecular.
• Reducen la temperatura de transición vítrea, aumentando la flexibilidad y elasticidad de los plásticos, así como su flujo en condiciones de fusión (lubricación interna).Cuanto mayor es su proporción, mayor es la flexibilidad que se consigue. Sin los plastificantes sería imposible fabricar láminas, tubos, películas y otras formas flexibles.
• No están unidos químicamente al plástico, sino que actúan como lubricante interno, reduciendo las fuerzas de Van der Waals entre las cadenas de polímero y separándolas para impedir que se entrelacen.
• Son de especial importancia para el PVC, ya que tiene una Temperatura de transición vítrea muy por encima de la temperatura ambiente.
• Los más usados: ftalatos, epóxidos y fosfatos.

3.- Estabilizadores:
-Impiden o retardan el deterioro del polímero debido a efectos del entorno o de la radiación UV.
a) Estabilizadores térmicos: Impiden la degradación de las resinas durante su tratamiento, cuando la masa fundida se somete a altas temperaturas, o alargan la duración de los productos finales que los contienen. PVC gran consumidor (estabilizadores líquidos de Ba y Zn), ya que es muy propenso a degradarse durante el tratamiento (eliminación de átomos de hidrógeno y cloro en forma de ácido clorhídrico, haciendo frágil al polímero).
b) Antioxidantes: Protegen contra el deterioro por oxidación provocada por calor, luz y mecanismos inducidos químicamente. El deterioro se manifiesta como fragilización, inestabilidad de flujo de la masa fundida, pérdida de propiedades de tensión y cambio de color.
-Mecanismos preventivos principales para el control del deterioro: (1) absorción o filtración de la luz UV, (2) desactivación de los iones metálicos y (3) descomposición de los hidroperóxidos en productos que no son radicales.
c) Absorbedores de luz (UV): Estabilizan el color y prolongan la duración del producto.
-Prácticamente todos los plásticos se degradan de diversas formas al exponerse a la luz solar; las más comunes son el cambio de color y la pérdida de propiedades físicas.
-Los polímeros particularmente susceptibles a este tipo de degradación son las poliolefinas, el poliestireno, el PVC, el ABS, los poliésteres y los poliuretanos.
-El más eficaz es el color negro, ya sea en forma de negro de humo, de pintura negra o de un tinte negro. Sin embargo no siempre se puede emplear, por lo que se recurre a diversos productos químicos (benzofenonas, benzotriazoles y fotoestabilizadores de aminas impedidas).

4.- Agentes antiestáticos:
Los agentes antiestáticos, también llamados “desestatizadores”, se utilizan para reducir la acumulación de cargas electrostáticas en la superficie de los plásticos debido a su inherente mala conductividad eléctrica.
Atraen la humedad para aumentar la conductividad superficial y así se reduce la posibilidad de que se produzca una chispa o descarga.
Ejemplo: Los trajes espaciales de los astronautas contienen agentes antiestáticos para evitar las descargas eléctricas que pueden dañar los componentes electrónicos de los transbordadores espaciales.
Los polímeros más susceptibles de acumulación de carga son nailons, acrílicos.
Los agentes antiestáticos más comunes son compuestos cuaternarios de amonio, ésteres fosfóricos y ésteres de polietilenglicol.

5.- Agentes de acoplamiento:
Los agentes de acoplamiento mejoran la adhesión del plástico a los materiales de relleno inorgánicos, como las fibras de vidrio. Para ello se utilizan silanos y titanatos.

6.- Retardantes de flama:
Los retardantes de flama reducen la inflamabilidad de los plásticos. Aíslan el plástico, crean una reacción endotérmica enfriadora, recubren el plástico para eliminar el oxígeno o influyen negativamente sobre la combustión.
Pueden ser inorgánicos (Alúmina trihidratada, óxido de antimonio o borato de zinc) u orgánicos (ésteres fosfóricos y compuestos halogenados). El más utilizado es la ATH (alúmina trihidratada) y es muy eficaz en termofijos y en ciertos termoplásticos.

7.- Agentes insuflantes:
Los agentes insuflantes se utilizan solos o en combinación con otras sustancias para crear una estructura celular (espuma) en una masa plástica. Hay gran variedad de productos y técnicas pero el formulador está limitado a agentes químicos que descomponen o reaccionan por influencia del calor para formar un gas.
Pueden ser sales simples (bicarbonato de sodio o amonio) o agentes liberadores de nitrógeno (azodicarbonamida) Son los más usados

8.- Lubricantes:
Los lubricantes facilitan la elaboración de las resinas y mejoran la apariencia del producto final. Deben ser compatibles con las resinas a las que se agregan, no afectar adversamente a las propiedades del producto y combinarse fácilmente.
Hay 5 tipos de lubricantes: estearatos metálicos (estearato de aluminio), amidas y ésteres de ácidos grasos, ácidos grasos, ceras hidrocarbonadas y polietilenos de bajo peso molecular.

9.- Reforzantes:
Los reforzantes mejoran la resistencia y la rigidez de los polímeros al introducir filamentos de vidrio, polímeros o carbono.

10.- Colorantes:
Los colorantes deben impartir colores sólidos a la luz, la temperatura, la humedad, los productos químicos…pero sin reducir otras propiedades deseables como el flujo durante el tratamiento, resistencia al microagrietamiento, y la resistencia al impacto. Pueden ser:
Pigmentos: Son los más usados. Son partículas finamente molidas (como el óxido de titanio) que quedan uniformemente dispersasen el polímero. Pueden ser orgánicos e inorgánicos.
Tintes: Se utilizan menos que los pigmentos ya que imparten colores con menor solidez y con tendencia a sangrar y migrar en el sistema plástico.
Negros de humo: Se utilizan como colorantes para proteger los plásticos de la degradación térmica y por UV y como fibra de refuerzo.
Existen colorantes especiales como los metálicos, los fluorescentes, los fosforescentes y las coloraciones nacaradas.

Ejemplos de rellenos comunes y sus usos.



Poliéter sulfonas (PES)

Las poliéter sulfonas o PES, para abreviar, son polímeros de alta performance. Conforma una familia polímeros termoplásticos. El más popular es uno elaborado por la Union Carbide llamado Udel, introducido en el mercado en 1965. Las poliéter sulfonas se comportan de forma muy parecida a los policarbonatos. Estos polímeros son conocidos por su resistencia y estabilidad a altas temperaturas. Contienen la subunidad aril -SO2-arilo, el rasgo definitorio de lo que es el grupo sulfona. Debido al alto costo de las materias primas y el procesamiento, las se utilizan en aplicaciones especiales y con frecuencia son un reemplazo superior para policarbonatos. La poliéter sulfona también está comercialmente disponible por las empresas Solvay Advanced Polymers, BASF (Ultrason E) y Corporación PolyOne.

Estructura química y síntesis

Las poliéter sulfonas deben su nombre a la presencia de grupos éter y grupos sulfona en su cadena principal.

Los polímeros de PES tienen altas temperaturas de transición vítrea (Tg), porque los grupos sulfona son muy rígidos. De hecho, la polifenil sulfona es tan rígida que no presenta temperatura de transición vítrea. Permanece dura como una roca hasta que se descompone aproximadamente a 500°C.
Esto significa que no puede ser procesada. Para hacerla procesable, tenemos que hacer la cadena un poco más flexible, así el polímero se vuelve más dúctil a una temperatura razonable. Logramos ésto introduciendo grupos flexibles en la cadena principal, es decir, enlaces éter.

El Udel utiliza los enlaces derivados del bisfenol A para hacer la cadena más flexible. Este polímero tiene dos uniones éter en la unidad monomérica. Por esta razón al Udel se lo denomina más correctamente, una poliéter éter sulfona.

Esto hace que la Tg descienda a 190°C. Probando y usando diversas clases de grupos flexibles podemos alterar la Tg aún más. Si utilizamos una unión menos flexible, la Tg salta a 230°C.

Esta PES es sintetizada por las Imperial Chemical Industries y es conocida con el nombre de Poliéter Sulfona 200 P. A diferencia del Udel, este polímero tiene solamente una unión éter entre los grupos sulfona. Esto hace la cadena más rígida y la Tg más elevada. Otro nombre comercial de esta poliéter sulfona es Victrex.
La poliéter sulfona (o poliéter éter sulfona) se sintetiza al hacer reaccionar la sal sódica del bisfenol A con di-para-fluorofenilsulfona en un solvente como el dimetilsulfóxido (DMSO) entre 130 y 160°C.

La polimeración requiere de monómeros con un alto grado de pureza para asegurar la obtención de polímeros con un alto peso molecular.
La polimerización también puede realizarse a partir de 4,4-diclorodifenil sulfona, abreviado como DCDPS. El DCDPS puede ser sintetizado por el tratamiento de clorobenceno con ácido sulfúrico a una temperatura de 200-250°C. La reacción se puede hacer en presencia de ácido bórico o ácido trifluorometanosulfónico, que aumentan el rendimiento de DCDPS al reducir la formación de los isómeros 2,4 y 3,4. La reacción se completa en aproximadamente 10 horas y produce un alto rendimiento de 4,4-dicloro-difenil-sulfona.
La polimerización con DCDPS se produce a través de una reacción de sustitución nucleófila de DCDPS con nucleófilos bifuncionales. Con el bisfenol A (sal sódica) en dimetilsulfóxido, el DCDPS forma el Udel. El DCDPS también reacciona con bisfenol S (sal sódica) para formar Victrex. Otro nombre comercial de una poliéter sulfona es el Radel R de Amoco Polymers, (polibifenil éter sulfona) con la particularidad de presentar un grupo difenilo en la cadena principal; se puede obtener a partir de DCDPS y 4,4-dihidroxidifenil.
Formulas químicas de diferentes tipos de poliéter sulfonas existentes en el mercado:

Propiedades físicas y químicas

Estos polímeros son rígidos, de alta resistencia y transparente, conservando estas propiedades entre -100°C y 150°C. Tiene una estabilidad dimensional muy alta, el cambio de tamaño cuando se expone al agua hirviendo o vapor o aire a 150°C por lo general es del 0,1%. Su temperatura de transición vítrea es de 185°C.
La polisulfona es altamente resistente a los ácidos minerales, álcalis y electrolitos, en el pH entre 2 y 13. Es resistente a agentes oxidantes, por lo que se puede limpiar con blanqueadores. También es resistente a los agentes tensoactivos y a los aceites de hidrocarburos. No es resistente a los disolventes orgánicos de baja polaridad (por ejemplo, las cetonas y los hidrocarburos clorados), y los hidrocarburos aromáticos. Mecánicamente, la polisulfona tiene una resistencia a la compactación, recomendando su uso en altas presiones. También es estable en ácidos y bases acuosas y muchos solventes no polares, pero es soluble en diclorometano y metilpirrolidona.
La poliéter sulfona puede ser reforzada con fibras de vidrio. El material compuesto resultante tiene el doble de resistencia a la tracción y aumentar tres su módulo de Young.

Tabla de propiedades típicas:
Ensayo ASTM o UL
Propiedad
Valor
Propiedades físicas
D792
Densidad lb/in3 (g/cm3)
0.050 (1.37)
D570
Absorción de agua, las 24 horas (%)
0.54
Propiedades mecánicas
D638
Resistencia a la tracción (psi)
12.200
D638
Módulo de elasticidad (psi)
385000
D638
Alargamiento de rotura (%)
6.5
D790
Resistencia a la flexión (psi)
16.100
D790
El módulo de flexión (psi)
420000
D785
Dureza, Rockwell
127
D256
Impacto Izod con muesca (ft-lb/in)
1.6
Propiedades térmicas
D3418
Temperatura de fusión (F° / C°)
-
D696
Coeficiente de dilatación térmica expansión lineal (x 10 –5 in./in./°F)
2.7
D648
Temperatura de deflexión al calor (°F) a 264 psi
400/204
-
Max temperatura de funcionamiento (°F - °C)
320 - 160
C177
Conductividad térmica (BTU-in/ft²-hr-°F)
1.13
UL94
Grado de inflamabilidad
VO
Propiedades eléctricas
D150
Constante dieléctrica a 1 KHz
3.5
D150
El factor de disipación a 1 KHz
0,0022
D149
Rigidez dieléctrica (V / mil)
380
D257
Resistividad de volumen (ohm / cm) a 50% HR
1,7 x 10 15
Estos son sólo valores típicos para referencia y comparación. Todos los valores fueron tomados a 73°F (23°C). Fuente: www.crownplasticsinc.com

Aplicaciones
Su resistencia a las altas temperaturas que da un papel de un retardador de llama, sin comprometer su fuerza que por lo general se compromete con la adición de retardantes de llama. Su estabilidad a la hidrólisis permite su uso en aplicaciones médicas que requieren autoclave y la esterilización por vapor.

Cartucho de filtro

Dializador con membrana de PES
La poliéter sulfona permite la fabricación de membranas, con propiedades reproducibles y controlables en cuanto al tamaño de los poros de hasta 40 nanómetros. Estas membranas pueden usarse en aplicaciones como la hemodiálisis, recuperación de las aguas residuales, procesamiento de alimentos y bebidas, y la separación de gases. Estos polímeros se utilizan también en las industrias automotriz y electrónica. Los cartuchos de filtro hechos de membranas de poliéter sulfona ofrecen velocidades de flujo muy alto a presiones diferenciales muy bajas en comparación con los hechos de nylon o polipropileno. Los cartuchos de filtro, además, a partir de poliéter sulfona se pueden esterilizar con vapor en autoclave sin pérdida de la integridad hasta 50 veces.
Filtro de agua con membrana de PES
La poliéter sulfona también se utiliza como dieléctrico en los condensadores.
La poliéter sulfona se utiliza como medio de filtración. El tamaño de los poros puede ser muy pequeño, de hasta 0,2 micras o menor, útil esto, para su uso en esterilización microbiológica en la industria farmacéutica.
Filtro para jeringa
 




Fuentes:
es.wikipedia.org
pslc.ws
www.crownplasticsinc.com
www.gesfilter.com
www.fanoia.com


lunes, 24 de octubre de 2011

Moldeo por spray de materiales compuestos

Introducción

El moldeo por spray o espreado (spray lay up) es un proceso de fabricación de compuestos de molde abierto, donde se rocían resina y refuerzos en un molde reutilizable. La resina y la fibra pueden ser aplicadas por separado o simultáneamente, picadas, por un flujo combinado desde una pistola dosificadora de resina y cortadora de fibra. Posteriormente el laminado de fibra y resina formado sobre el molde puede ser compactado manualmente con rodillos. Se pueden añadir núcleos de madera, espuma u otro material y se aplica una segunda capa por aspersión, quedando el núcleo entre los dos laminados. La pieza es entonces curada a temperatura ambiente o mediante calefacción, se enfría y se retira del molde.
Esquema del proceso

Materiales
El material de refuerzo fundamental para este proceso es el hilo continuo (rovings) de fibra de vidrio, que se cortan a una longitud de 10 a 40 mm y luego se aplica sobre el molde. Para mejorar las propiedades mecánicas se utiliza una combinación de capas de tela e hilo picado de fibra de vidrio. El tipo de material más común es la fibra de vidrio tipo E, pero también se puede utilizar hilos de carbono o Kevlar. También pueden ser utilizados mat de hilos continuos, telas y diversos tipos de materiales para núcleos. La fracción en peso de refuerzo en este proceso es típicamente de 20 a 40% del peso total de la pieza. El sistema de resina más frecuente utilizado para el proceso de pulverización es de poliéster, también se utilizan poliéster isoftálico, viniléster y poliuretano. Las resinas son de reacción rápida con una vida útil de 30 a 40 minutos. La resina contiene a menudo una gran cantidad de relleno. Los rellenos más comunes son los carbonatos de calcio y trihidratos de aluminio. En los sistemas de resina con cargas, estas reemplazan algunos de los refuerzos; se utiliza 5 a 25% de relleno en peso.
Roving de Fibra de Vidrio
Los moldes por lo general son de acero, aluminio madera, plástico reforzado con fibra de vidrio; otros materiales también pueden ser utilizados para la creación de prototipos. El molde puede ser un molde macho o hembra (convexo o cóncavo). Para hacer las bañeras de ducha, por ejemplo, se utiliza un molde macho. En el sector de la navegación, se utiliza para hacer los cascos de barcos, un molde hembra de un solo lado a partir de FRP (plástico reforzado con fibra). La capa exterior del molde se fortalece por un marco de madera. El molde se hace tomando la reversión de un patrón. Varios tamaños diferentes de casco se pueden hacer usando el mismo molde. La longitud del molde se acortar o alarga usando insertos y moldes secundarios, tales como ventanas, rejillas de ventilación, y los túneles de eje de la hélice.
Moldeo de bote

Proceso
Los pasos del proceso son muy similares a los del moldeo manual de materiales compuestos. En este proceso, primeramente se aplica en el molde el agente de liberación (desmoldante) y luego una capa de gelcoat. El gelcoat se rocía mediante una pistola rociadora.
Rociador de gelcoat
Rociado de gelcoat
El gelcoat se deja durante dos horas, hasta que endurezca. Una vez que el gelcoat se endurece, una pistola rociadora se utiliza para depositar la mezcla de resina y fibra sobre la superficie del molde. La pistola rociadora también cuenta con un dispositivo de corte para cortar los hilos continuos (uno o más hilos) a una longitud predeterminada y son pulverizados junto con la mezcla de resina y catalizador. La mezcla de resina y catalizador puede llevarse a cabo dentro de la pistola (pistola mezcladora) o justo a la salida de la pistola. La pistola mezcladora ofrece una buena mezcla de resina y el catalizador en su interior y se prefiere para minimizar los peligros para la salud del operador. En el otro tipo, el catalizador se rocía a través de dos boquillas laterales a la resina. Las pistolas sin aire presurizado son cada vez más populares debido a que proporcionan patrones de aspersión más controlados y menor emisión de compuestos volátiles. En estos sistemas, la presión hidráulica se utiliza para dispensar la resina a través de boquillas especiales que rompen el flujo de resina en pequeñas gotas que luego se satura con los refuerzos. En un sistema de pistola de aire atomizado, aire a presión se utiliza para dispensar la resina.
Rociador de resina y cortador de fibra


Rociado de resina y fibra cortada
Una vez que el material se rocía en el molde, se utilizan brochas o rodillos para eliminar el aire atrapado, así como para asegurar la buena humectación de la fibra.
Compactación con rodillo
Nuevas capas de tejido de fibra de vidrio se agregan en el laminado, en función de los requisitos de rendimiento. Con la pieza en el molde, antes del curado, se pueden recortar sobrantes, de ser necesario, con una herramienta cortante. El curado de la resina se hace a temperatura ambiente. El curado de la resina puede tomar de dos a cuatro horas, dependiendo de la formulación de la resina. Después del curado, la pieza se saca del molde y puede someterse a un acabado estructural.
En métodos más avanzados el rociado puede ser realizado en forma automatizada mediante el uso de robots, lo que permite un mayor control del espesor y propiedades uniformes de las capas de material compuesto.

Resumen del proceso
1.- El molde es encerado y pulido para un fácil desmoldado.
2.- El gelcoat se aplica a la superficie del molde y se deja endurecer antes de construir cualquier otra capa.
3.- La capa protectora se aplica para evitar que sobresalga fibra a través de la superficie del gelcoat.
4.- La capa de barrera se cura.
5.- La resina virgen se mezcla con otros productos tales como carbonato de calcio o trihidrato de aluminio y se bombea a un tanque de retención.
6.- La resina, el catalizador, y la fibra cortada se rocía en la superficie del molde con la ayuda de una pistola de mano. La pistola rociadora se mueve en un patrón predeterminado para crear un espesor uniforme de la lámina.
7.- Un rodillo se utiliza para la compactación de la capa de fibra y resina rociada para crear una superficie del laminado uniforme y lisa. El aire atrapado es removido.
8.- Cuando se estima conveniente, madera, espuma, o núcleos de nido de abeja se encuentran insertos en el laminado para crear una estructura de tipo sándwich.
9.- El laminado se cura a temperatura ambiente o en un horno para acelerar el reticulado de la resina.
10.- La pieza se desmolda y se envía para un mecanizado posterior.
11.- Personal de control de calidad inspecciona la pieza; tolerancias dimensionales, solidez estructural, y la buena calidad de acabado superficial, y luego aprueba o rechaza la pieza, en función de sus criterios de aprobación.

Ventajas
- Es un método muy económico en procesos para la fabricación de pocas piezas
- Utiliza herramientas de bajo costo, así como sistemas de material de bajo costo.
- Es adecuado para las piezas de pequeño y mediano volumen.

Desventajas
- No es apto para la fabricación de piezas que tienen altos requerimientos estructurales.
- Es difícil controlar la fracción de volumen de fibra, así como el grosor. Estos parámetros dependen en gran medida la habilidad del operador.
- Debido a su naturaleza de molde abierto, la emisión de estireno es una preocupación.
- El proceso ofrece un buen acabado superficial de un lado y un acabado de superficie áspera del otro lado.
- El proceso no es adecuado para zonas donde la precisión dimensional y la repetibilidad del proceso son las principales preocupaciones. El proceso de pulverización no ofrece un buen acabado superficial o de control dimensional de ambos o todos los lados del producto.

Aplicaciones
Las aplicaciones incluyen la fabricación de piezas por encargo y bajas cantidades de producción. Algunos de los usos comerciales de este proceso son bañeras, piscinas, cascos de barcos, tanques de almacenamiento y partes de muebles.
Video - fabricación de bote


Fuentes:
www.graco.com
Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - J. F. Shackelford
Revista plásticos reforzados
en.wikipedia.org
www.rampf-gruppe.de
www.iturrospe.com
www.poliformasplasticas.com
www.owenscorning.com
www.youtube.com

lunes, 17 de octubre de 2011

Filament winding (bobinado de filamento)

Introducción

El bobinado, devanado o enrollamiento de filamento es una técnica de fabricación para la creación de estructuras de material compuesto. El proceso consiste en enrollar filamentos y/o cintas tensados, impregnados con una resina termoestable, sobre un molde macho cilíndrico o mandril. El mandril gira, mientras que un carro se mueve en sentido horizontal, el cual establece las fibras en el patrón deseado. Los filamentos más comunes son de carbono o de vidrio de fibra y son recubiertos con una resina sintética mientras se enrollan. Una vez que el mandril está completamente cubierto con el espesor deseado, se coloca en un horno para solidificar (curado) de la resina. Una vez que la resina se haya curado, el mandril se retira (desmolde), dejando el producto final hueco.
El bobinado de filamento se adapta bien a la automatización, donde la tensión de los filamentos puede ser cuidadosamente controlada. Los filamentos que se aplican con alta tensión dan como resultado un producto final con una mayor rigidez y fuerza, baja tensión resulta en una mayor flexibilidad. La orientación de los filamentos también puede ser controlado cuidadosamente para que las capas se encimen y se orienten de manera diferente de la capa anterior. El ángulo en el que se establece la fibra de las capas inferiores determinan las propiedades del producto final. Un ángulo alto ofrecerá resistencia a la compresión, mientras que un patrón de menor ángulo (conocido como un sistema cerrado o helicoidal) proporcionará una mayor resistencia a la tracción.

Descripción del proceso
Existen tres modelos básicos de bobinado:
Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación. Siendo este método el más frecuentemente utilizado
Bobinado circunferencial: se trata de una variante del bobinado helicoidal pero con un ángulo de enrollado de 90º.
Bobinado polar o plano: tanto el movimiento de rotación como el de traslación longitudinal es realizado por el mandril, permaneciendo fijo el cabezal de impregnación.

El bobinado de filamento también se puede describir como la fabricación de piezas con fracciones con un alto volumen de fibra y orientación de las fibras controlada. Las fibras se sumergen en un baño de resina en el que se recubren con resina de bajo o medio peso molecular. Estas fibras impregnadas luego son enrollados alrededor de un mandril (molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Las velocidades de trabajo se encuentran entre los 90 - 100 m/min para fibras de vidrio y entre los 15 - 30 m/min para fibras de carbono y aramida. Después de concluir, la resina se cura, por lo general utilizando el calor. El núcleo de molde puede ser removido o se puede dejar como un componente integral de la pieza. Este proceso se utiliza principalmente para piezas huecas, generalmente los componentes de sección circular u ovalada, como tuberías y tanques. Recipientes a presión, tuberías y ejes de transmisión pueden ser fabricados por bobinado de filamento. Se ha combinado con otros métodos de aplicación de fibra tales como moldeo manual, pultrusión, y el trenzado. La compactación es principalmente a través de la medición de la tensión de la fibra y el contenido de resina. Las fibras pueden estar impregnados con resina antes del bobinado (devanado húmedo) o impregnadas posteriormente al bobinado (bobinado en seco).


Maquinaria
Una máquina de bobinado de filamento continuo (máquina CFW o máquina CW) es, tal como indica su nombre, un equipo mediante el cual se realiza el bobinado de filamento, en forma continua, sobre una banda de acero cilíndrica. El proceso de bobinado de filamento continuo también se conoce como el Proceso de Drostholm.
Equipo de bobinado de filamento

El equipo tiene un carro encargado de guiar los filamentos para su enrollado en un cilindro que gira denominado mandril o husillo. El carro va montado sobre un riel que permite su movimiento a lo largo del cilindro a fin de que el recubrimiento sea uniforme a lo largo del mismo siguiendo un patrón geométrico constante, además presenta un movimiento tangencial al cilindro para mantener una distancia uniforme cuando la circunferencia aumenta su radio producto del crecimiento de las capas de fibras. En algunos casos, también puede realizar movimientos radiales, efectuados en los extremos redondeados de tubos.
Movimientos del carro

El carro hace el recubrimiento en varias pasadas de ida y vuelta manteniendo tensado el o los filamentos. El impregnado de la fibra puede ser efectuado en una etapa previa o en el mismo carro. Los carreteles de filamento y cinta son montados en un dispositivo denominado fileta o creel, el cual puede presentar guías para aunar todos los filamentos y un dispositivo de tensado regulable.
Rack de filamentos

Impregnado de filamentos

Carro
El bobinado de filamento se utiliza para la fabricación de tubos de gran diámetro. Existe un diámetro mínimo por debajo del cual la técnica se convierte en poco práctica. Las máquinas de CFW están disponibles para diámetros de 0,25 a 4,0 m.


Los parámetros claves del proceso son: la tensión en las fibras, ratio de impregnación y geometría del bobinado
La resistencia y la rigidez del ovillado pueden ser optimizadas alineando las fibras en las direcciones de las cargas. Esto hace que la orientación de la fibra sea crítica para el funcionamiento de la pieza y determina en gran parte la performance final de la misma.

Equipos periféricos
Para alimentar a la maquina se necesita áreas de almacenamiento de materias primas, de mezcla de resinas, catalizadores, etc. Normalmente, también se incluye el calentamiento de la mezcla de químicos.
Una vez enrolado el filamento del grosor deseado, puede ser curado ya sea a temperatura ambiente o bien a alta temperatura mediante un horno para acelerar el curado.
Pieza en horno vertical para curado

La operación de desmoldado, una vez curada la pieza, es realizado generalmente en forma manual. Eventualmente se pueden utilizar dispositivos de empuje o tiro para facilitar dicha tarea.
  
Materiales

La fibra de vidrio es la más frecuentemente utilizados para el bobinado de filamentos, las fibras de carbono y aramida también se utilizan. Las estructuras que requieren una alta resistencia y propiedades físicas elevadas se producen con resinas epoxi, las resinas de poliéster (más baratas) se especifica para la mayoría de las otras aplicaciones. La capacidad de utilizar el refuerzo continuo o sin interrupciones supone una clara ventaja, ya que se obtiene un alto volumen en la fracción de fibra, aproximadamente el 60% a 80%. El material compuesto es normalmente curado a alta temperatura antes de retirar el mandril. Las operaciones de acabado, como el mecanizado o rectificado normalmente no son necesarias.
Las resinas utilizadas pueden ser: epoxi, poliéster, viniléster, fenólicas, etc.
Las fibras usadas son: las de vidrio, aramida, carbono y boro. Las fibras se utilizan directamente desde ovillos o carreteles.
Por lo general, en las piezas no se utilizan núcleos estructurales pero puede ser utilizado cualquiera, sobre el cual se enrolla la fibra y forma parte de la pieza final.
Productos
Los productos que actualmente se producen con esta técnica son palos de golf, tubos, remos, horquillas de bicicleta, postes de transmisión, alumbrado y energía eléctrica, recipientes de alta presión, cubiertas de misiles, fuselaje de aviones y mástiles de yates.
Bobinado de filamento de tubo para alta presión
Caños
Tanques

Ventajas y desventajas del bobinado de filamento
Ventajas:
- Automatizable
- Rápido
- Contenido en resina controlable
- Se elimina etapa de elaboración de preforma de fibras
- Buenas propiedades mecánicas

Desventajas:
- Limitado a formas convexas
- Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial, tendencia a seguir la línea geodésica)
- Costo del mandril (según tamaño)
- Cara externa pobre estéticamente
- Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad (peores propiedades mecánicas problemas de seguridad laboral)






Fuentes:
Escuela Superior de Ingenieros – San Sebastián
es.wikipedia.org
en.wikipedia.org
www.eboplast.com.ar



viernes, 14 de octubre de 2011

Calandrado

Introducción
La calandra o calandria es una maquina que se basa en una serie de rodillos de presión que se utilizan para formar o una hoja lisa de material. La aplicación principal de las calandras se encuentra en el final proceso de fabricación de papel.
El calandrado también se puede aplicar a otras materias distintas del papel, cuando es deseable una superficie lisa y plana, como el algodón, linos, sedas y diversas telas hechas por el hombre y los polímeros, tales como láminas de polímero como vinilo (PVC) y ABS, y en menor medida, polietileno de alta densidad (HDPE) , polipropileno y poliestireno.
Rodillos de calandrado
El calandrado es un proceso importante en las industrias del caucho, sobre todo en la fabricación de neumáticos, en el que se utiliza para la capa interna y la capa de tela.
El calandrado sirve para la fabricación de láminas partiendo de formas de plástico en bruto (termoplástico o elastómero) o bien por una cinta extruida, en cuyo caso la extrusora esta dispuesta directamente en la alimentación de la calandria. El material se hace pasar por diferentes rodillos cilíndricos que reducen el espesor de las láminas. El tipo de producto que se obtiene consiste en una película de plástico de pequeño espesor.
Línea de calandrado para caucho de 4 rodillos
Calandra de 3 rodillos para caucho
Alguno de los rodillos puede estar grabado para dar una textura a la hoja resultante. El espesor de la lámina está dado por la distancia existente entre dos rodillos. Con este proceso se producen láminas que se utilizan como materia prima para otros procesos secundarios, pero también productos como cortinas de baño, alfombras e impermeables.
Impermeable



Etapas del proceso

Las etapas del proceso de calandrado se puede dividor en 4 etapas básicas: Alimentación, cilíndros de calandría, Cilindros de calibración y enfriamiento y por último corte y bobinado
Esquema básico de una línea de calandrado

1) Alimentación
El material de alimentación debe estar previamente plastificado en estado fundido previamente extruido en el caso de los termoplásticos (PE, TPU) o estado de gel (PVC con plastificantes. El calandrado de goma también se realiza en estado de gel (en general se agregan aditivos que ayudan el procesado)

2) Cilindros de calandria
Dependiendo de la lámina que se desea obtener los rodillos, su largo puede variar entre 2 y 4 metros. La calandrias consta de por lo general de 3 o 4 rodillos. Su disposición puede variar, pero la alimentación casi siempre se realiza por la parte superior. Ejemplos:
Diferentes disposiciones de los cilindros de calandrado
El espesor de la lámina calandrada obtenida varía entre 0,3 y 1 mm.
3) Cilindros de calibración y enfriamiento.

4) Corte y bobinado.
Características del proceso
Mediante el calandrado se obtienen diferentes acabados superficiales: brillante, mate, difuminado, texturas. Esto dependerá del recubrimiento aplicado en el último cilindro caliente.
Las instalaciones de calandrado son costosas. La puesta en marcha del proceso es de aproximadamente 10 horas, lo que sólo lo hace rentable para grandes volúmenes de producción. Este es un proceso generalmente aplicable a materiales de alta viscosidad (goma) y que se degradan fácilmente (deben estar poco tiempo a temperatura elevada), como por ejemplo el PVC.

Condiciones de operación (Efectos sobre la calidad de la lámina)
Temperatura:
La temperatura del material se ve apenas modificada en el proceso por ser la generación viscosa pequeña (<10-20ºC) y baja la conducción de calor.
A mayor temperatura del material se obtiene una mejor calidad superficial, menor riesgo de defectos de despegue y una disminución de la viscosidad. La disminución de la viscosidad genera una menor presión sobre la masa y consecuentemente un menor esfuerzo sobre los rodillos, pero puede generar la inclusión de burbujas en la lámina. Una temperatura demasiado elevada puede ocasionar la degradación del material

Velocidad de los rodillos
La variación de la velocidad de los rodillos permite regular espesor de la lámina sin variar el entrehierro (espacio entre rodillos)
A mayor velocidad se obtiene un mayor ritmo de producción, una mayor presión y la consecuente generación viscosa de calor. Un incremento exagerado de la velocidad puede ocasionar posibles problemas de aspereza superficial (ruptura del fundido)

Campo de buena operatividad en un diagrama de velocidad-temperatura

Observando el grafico se deducen los límites del proceso:
1) Exceso de presión de los cilindros. Aspereza superficial.
2) Bajo rendimiento del proceso.
3) Deficiente homogenización. Defectos superficiales.
4) Degradación superficial e inclusiones de aire.
5) Degradación térmica.

Medida y control del espesor
La homogeneidad del espesor a lo ancho de la lámina se regula mediante dos técnicas:
1.- Aplicación de momentos flectores en extremos de los cilindros
2.- Variando el ángulo entre los ejes de los cilindros (se rompe paralelismo)
La medida del espesor a lo ancho de la lámina se realiza mediante un detector de absorción de radiación β (beta), que será proporcional al espesor. El sistema de medida permite ajustar de forma continua el sistema de regulación para obtener un espesor homogéneo. También existen sensores de espesor por rayos x, por rayos γ (gamma) y por láser.

Enfriamiento y acabado
En el caso de los termoplásticos, el espesor definitivo de la lámina puede ser el obtenido en el calandrado, en cuyo caso el material es soportado por un tren de rodillos que impiden que se deforme o el que se obtiene por un estirado final aún a las temperaturas cercanas a las de calandrado (temperaturas demasiado bajas producirían tensiones residuales). El estirado se realiza en films de hasta 50μm.
Las últimas etapas del proceso son el enfriamiento, el recorte de bordes y el bobinado sin estiramiento adicional (empleo de rodillos de par torsor constante).
Para el caso de los elastómeros se obtiene el producto “en verde” sin vulcanizar. El horno de vulcanización puede situarse a la salida de la calandria para el caso de las cintas o bien se dispone del producto sin vulcanizar, en cuyo caso, el material es vulcanizado posteriormente, tal el caso de las cintas utilizadas en la fabricación de neumáticos (los neumáticos se fabrican con varias cintas de caucho crudo y se vulcanizan una vez confeccionado el mismo)

Recubrimiento por calandrado
El recubrimiento por calandrado es una técnica adecuada para recubrir sustratos tales como papel, cartón, aluminio, tejidos, etc. El recubrimiento polimérico se añade en forma de pasta, sol o gel. Si se añaden agentes gasificantes puede obtenerse una lámina espumada.
Recubrimiento por calandrado

El disolvente o dispersante se evapora en contacto con cilindros calientes y/o en una estufa denominada secadero. Simultáneamente, se produce la descomposición del agente gasificante, si lo hay, y el eventual espumado de la lámina. Al final del proceso se produce el enfriado (cilindros enfriadores), corte y bobinado de la lámina.
También se puede realizar la estampación con el empleo de tintas mediante rodillos grabados. Las tintas pueden expandirse, por la superficie la lámina, con agentes gasificantes, pudiendo realizarse dibujos aplicando inhibidores de la gasificación.

Laminación
El proceso de laminación es muy similar al calandrado pero con la diferencia que el material de partida son láminas prefabricadas. Este proceso permite combinar diferentes propiedades de distintos materiales dispuestos en capas. Por ejemplo, resistencia de una capa, baja permeabilidad de otra, etc.).
Laminación

La unión de las láminas se produce al pasar entre los rodillos de presión (nip rolls). Existen dos métodos de unión entre láminas:
1) Laminación con adhesivos. Los adhesivos pueden ser:
Secos: la unión se produce por reticulación por efecto del calor. Este tipo de adhesivo no genera residuos.
En emulsión o disolución: la eliminación de los disolventes se realiza mediante el secado del laminado en estufa (si el laminado es poroso), o eliminación en estufa previa a la laminación (si el laminado no es poroso).

2) Laminación térmica. Se aplica la temperatura necesaria en cada lámina para que queden soldadas. Este tipo de unión se realiza en caso de que los materiales de cada capa sean compatibles.

Productos obtenidos por calandrado
Con este proceso se producen láminas que se utilizan como materia prima para otros procesos secundarios, pero también productos como cortinas de baño, alfombras, manteles e impermeables.
Las características de los materiales obtenidos por el proceso de calandrado son:
· posibilidad de obtener materiales planos con o sin brillo
· productos transparentes, opacos o de color
· baja permeabilidad al vapor de agua
· productos no tóxicos
· de espesor constante
· obtención de materiales rígidos o flexibles.
Entre los productos rígidos se encuentran las hojas para termoformado de blisters, confección de tarjetas de crédito y de uso general, rótulos, etiquetas, etc.

Las principales aplicaciones en materiales flexibles son: lonas de camión, laminados  "banners” (gigantografías impresas sobre láminas vinílicas), laminados de toldos, sombrillas y cubiertas, laminados para la fabricación de bolsas de sangre y suero, aplicaciones industriales como la fabricación de geo-membranas (láminas de PVC o goma para recubrimiento e impedir contaminación, fosa séptica, rellenos sanitarios, etc.)  y cintas transportadoras entre otras aplicaciones





Fuentes:
www.rubbermachine.es
www.ndcinfrared.com
www.dacartobenvic.com
en.wikipedia.org
www.campos1925.es
ar.kalipedia.com
espanol.lubrizol.com