miércoles, 22 de agosto de 2012

Fibras poliméricas

Introducción
Una fibra polimérica es un polímero cuyas cadenas están extendidas en línea recta (o casi recta) una al lado de la otra a lo largo de un mismo eje, como se observa a continuación.
Disposición de las cadenas poliméricas en las fibras
Los polímeros ordenados en fibras, pueden ser hilados y usados como textiles. Las prendas de vestir, como así también las alfombras y sogas están hechas de fibras poliméricas. Algunos de los polímeros que pueden ser empleados como fibras son el polietileno, polipropileno, nylon, poliéster, kevlar y nomex, poliacrilonitrilo, la celulosa y los poliuretanos, entre otros.
Las fibras están siempre constituidas por polímeros dispuestos en cristales. Tienen que ser capaces de poder empaquetarse según un ordenamiento regular, a los efectos de alinearse en forma de fibras. De hecho, las fibras son cristales. Esto se demuestra observando detenidamente la forma en la que, por ejemplo, el nylon 6,6 se empaqueta formando fibras cristalinas.

Los enlaces por puente de hidrógeno y otras interacciones secundarias entre cadenas individuales, mantienen fuertemente unidas a las cadenas poliméricas. Esta interacción es tan elevada que las cadenas prácticamente no se deslizan una sobre otra. Esto significa que cuando se estiran las fibras de nylon, no se extienden mucho, si es que lo hacen. Lo cual explica por qué las fibras son ideales para emplearlas en hilos y sogas.
Si bien las fibras poseen elevada fuerza tensil, es decir que son resistentes cuando se las estira, por lo general tienen baja fuerza compresional, o sea, son débiles cuando se aprietan o se comprimen. Además, las fibras tienden a ser resistentes en una dirección, la dirección en la cual están orientadas. Si se las estira en ángulos rectos a la dirección de su orientación, tienden a debilitarse.


Fabricación de fibras
La mayoría fibras sintéticas y celulósicas manufacturadas son creados por extrusión, que en resumen es obligar a un fluido espeso y viscoso a través de los pequeños orificios de un dispositivo llamado spinneret (hilera o hilador) para formar filamentos continuos de polímero semisólido.
En su estado inicial, los polímeros formadores de fibras son sólidos y por lo tanto deben ser primero convertidos en un estado fluido para la extrusión. Esto se consigue normalmente por el trabajo mecánico del tornillo del extrusor y aporte de calor de las resistencias, si los polímeros son materiales sintéticos termoplásticos (es decir, se ablandan y se funden cuando se calientan), o por disolución en un disolvente adecuado si son no termoplásticos celulósicos. Si no pueden ser disueltos o fundidos directamente, deben ser tratados químicamente para formar derivados solubles o termoplásticos. Tecnologías recientes se han desarrollado para algunas fibras hechas de polímeros especiales que no se funden, se disuelven, o formar derivados adecuados. Para estos materiales, las moléculas pequeñas del fluido se mezclan y reaccionan para formar los polímeros de otro modo intratables en el proceso de extrusión.
Esquema de producción de fibras por hilado en fusión


El spinneret
Las hileras (spinneret) utilizados en la producción de la mayoría de las fibras manufacturadas son similares, en principio, a un cabezal de ducha del baño. Una hilera puede tener de uno a varios cientos de agujeros. Las aberturas pequeñas del spinneret son muy sensibles a las impurezas y la corrosión. La alimentación líquida o fluida hacia ellos deben ser cuidadosamente filtrada (no es una tarea fácil con materiales muy viscosos) y, en algunos casos, la hilera debe ser hecha de metales muy caros y resistentes a la corrosión. El mantenimiento es también un factor crítico, y las hileras deben ser retiradas y limpiadas con regularidad para evitar la obstrucción.
Spinneret

A medida que los filamentos salen de los orificios de la hilera, el polímero líquido se convierte primero en un estado gomoso y luego se solidifica. Este proceso de extrusión y la solidificación de filamentos continuos se llama hilado (no debe confundirse con la operación de textil del mismo nombre, donde las fibras cortadas en hilos cortos son retorcidos en hilo). Hay cuatro métodos de hilar filamentos de fibras manufacturadas:
Hilado en húmedo.
Hilado en seco.
Hilado por fusión.
Hilado en gel.

Hilado en húmedo
El hilado en húmedo es el proceso más antiguo. Se utiliza para sustancias formadoras de fibras que han sido disueltos en un disolvente. Los spinnerets están sumergidos en un baño químico y los filamentos que emergen precipitan de la solución y se solidifican.
Debido a que la solución es extruida directamente en el líquido de precipitación, este proceso para la fabricación de fibras se llama hilado en húmedo. Pueden ser producidas por este proceso las fibras acrílicas, rayón, aramida, modacrílicas y spandex.
Esquema de hilado en húmedo de fibra acrílica

Hilado en húmedo


Hilado en seco
El hilado en seco se utiliza también para sustancias formadores de fibras en solución. Sin embargo, en lugar de precipitar el polímero en dilución por reacción química, la solidificación se consigue mediante la evaporación del disolvente en una corriente de aire o gas inerte.
Los filamentos no entran en contacto con un líquido de precipitación, lo que elimina la necesidad de secado y facilitar la recuperación de disolventes. Este proceso puede ser utilizado para la producción de fibras de acetato, triacetato, acrílico, modacrílicas, PBI (Polibenzimidazol), spandex y Vinyon (policloruro de vinilo).
Esquema de hilado en seca de fibra acrílica

Hilatura por fusión
En la hilatura por fusión, la sustancia de formación de fibras se funde por extrusión a través de la hilera y luego directamente solidifica por enfriamiento. Las fibras de nylon (poliamida), olefinas, poliéster, Saran (copolímero de cloruro de vinilideno y cloruro de vinilo) y sulfar (polisulfuro de fenileno) se producen mediante este proceso.
Las fibras hiladas por fusión pueden ser extruidas de la hilera en diferentes formas de sección transversal (redondo, trilobular, pentagonal, octogonal, y otros) para brindar diversas propiedades y texturas a la fibra. Por ejemplo, las fibras en forma trilobal reflejan más la luz y dan un brillo atractivo para los textiles. Las fibras de forma pentagonal y huecas, cuando se utilizan en alfombras, muestran menos la tierra y la suciedad. Las fibras en forma octogonal ofrecen efectos libres de brillo. Las fibras huecas atrapan el aire, creando aislamiento y proporcionar características elevadas, iguales o mejor que el plumón.

Esquema de hilado por fusión de fibra poliéster

Fibra poliéster

Hilatura en gel
La hilatura en gel es un proceso especial utilizado para obtener fibras especiales con alta resistencia u otras propiedades. El polímero no se encuentra verdaderamente en un estado líquido durante la extrusión. Las cadenas de polímero no están completamente separadas como lo estarían en una verdadera solución, sino que están unidas entre sí en diversos puntos en forma de cristal líquido. Esto produce fuertes fuerzas de atracción entre las cadenas poliméricas en los filamentos resultantes que pueden aumentar significativamente la resistencia a la tracción de las fibras. Además, los cristales líquidos se alinean a lo largo del eje de la fibra por las fuerzas de cizallamiento durante la extrusión. Los filamentos emergen con un grado inusualmente alto de orientación, mejorando aún más la fuerza. El proceso también puede ser descrito como hilatura seco-húmeda, ya que los filamentos primero pasan a través de aire y luego se enfrían adicionalmente en un baño líquido. Algunas fibras de polietileno y de aramida de alta resistencia son producidas por hilatura en gel.
Estiramiento y Orientación
Mientras que las fibras extruidas se solidifica, o en algunos casos incluso después de que se han endurecido, los filamentos se pueden estirar para impartir resistencia. Al ser estiradas, las cadenas moleculares se juntan y orientan a lo largo del eje de la fibra, creando un hilo considerablemente más fuerte.

Por lo general el estirado de los filamentos se consigue pasándolos por rodillos que giran a diferentes velocidades. Primeramente los filamentos pasan por rodillos que los calientan hasta la temperatura de transición vítrea, para evitar la rotura de los mismos durante el estirado. Luego pasan por los rodillos de estirado y posteriormente por rodillos estabilizadores para evitar que se encojan nuevamente.

Medición de la fibra
Denier

El denier es la unidad de medida del Sistema Inglés de la densidad lineal de masa de fibras. Se define como la masa en gramos por cada 9.000 metros de fibra.
Se distingue entre denier de filamento y denier total. Ambos se definen como lo dicho en el párrafo anterior, pero el primero (conocido como Denier Por Filamento o D.P.F.), se refiere únicamente a un filamento de la fibra, mientras que el otro se refiere a una aglomeración de filamentos.
La siguiente relación se aplica a los filamentos unitarios:
D.P.F. = Denier Total / Cantidad de Filamentos Uniformes

El sistema denier de medición se usa para fibras de uno y dos filamentos. Algunos cálculos comunes son los siguientes: 1 denier = 1 gramo por 9.000 metros 1 denier = 0,05 gramos por 450 metros (1/20 del anterior)
- Una fibra generalmente se considera como microfibra si es de 1 denier o menos.
- Una fibra poliéster de 1 denier tiene un diámetro de alrededor de 10 micrómetros.
- El denier se usa como medida de densidad para medias, lo cual define su opacidad.

Tex
El Tex es otra unidad de medida utilizada para medir la densidad o la masa lineal de una fibra. Se define como la masa, expresada en gramos, por cada 1000 metros de fibra. El Tex se emplea habitualmente en Canadá y Europa, mientras que en Estados Unidos es más común el empleo del denier. La unidad más usada es en realidad el decitex (dtex) que es la masa en gramos por cada 10000 metros de fibra. Para medir objetos compuestos por múltiples fibras se utiliza a veces el término "filament tex", referido a la masa por cada 10000 metros de un único filamento.
El Tex se utiliza para medir el tamaño de las fibras en muchos productos, como por ejemplo, filtros de cigarrillos, cables ópticos, hilos y tejidos.
Se puede calcular el diámetro de un filamento a partir de su peso en dtex aplicando la siguiente fórmula:

ρ: es la densidad del material en g/cm3
El diámetro estará dado en centímetros.

Características
Tabla de principales características de diferentes fibras

Fibra
Resistencia
Denier
Resistencia a la abrasión
Resilencia
Resistencia al desgaste
Gravedad especifica
Algodón
Buena
3.0-5.0
Buena
Pobre
Excelente
1.54
Lino
Excelente
6.6-8.4
Mediana
Pobre
Excelente
1.52
Lana
Pobre
0.8-2.0
Mediana
Buena
Mediana
1.32
Seda
Buena
3.9-4.5
Mediana
Mediana
Buena
1.30
Rayón-viscosa
Mediana
0.7-6.0
Mediana
Pobre
Buena
1.54
Acetato
Pobre
0.8-1.5
Pobre
Pobre
Buena
1.32
Triacetato
Pobre
 -
Pobre
Buena
Buena
1.30
Acrílico
Mediana
1.8-3.5
Pobre
Buena
Mediana
1.19
Vidrio
Excelente
6.0-7.0
Pobre
Excelente
Excelente
2.54
Nylon
Excelente
2.5-7.5
Excelente
Excelente
Pobre
1.14
Poliéster
Excelente
2.5-9.5
Excelente
Excelente
Pobre
1.38
Spandex
Pobre
0.6-0.9
Pobre
Excelente
Excelente
1.21




Fuentes:
http://es.wikipedia.org
http://pslc.ws
http://www.fibersource.com


jueves, 16 de agosto de 2012

Termoformado (Botellas)

Termoformado Roll & Blow
La tecnología denominada termoformado “Roll N Blow”, de la empresa Agami, permite la obtención de botellas a partir de una lámina de plástico, a un bajo costo y con un peso de materia muy inferior a los métodos tradicionales tales como inyección-soplado o extrusión-soplado.
Lámina y botella termoformada

Descripción de la tecnología
La tecnología de Roll N Blow combina las capacidades de termoconformado con la de extrusión-soplado de cuerpo hueco. El material de partida es una bobina de lámina plástica. La lámina se corta en varias tiras y cada tira se dispone alrededor de un tubo de soplado. A continuación cada tira se suelda longitudinalmente, se caliente el tubo de plástico formado de este modo y, posteriormente, se sopla en un molde para formar la botella.
Termoformadora Roll N Blow
La máquina es capaz de fabricar botellas con formas altas y redondas con un contenido de 100 a 500ml. En la figura siguiente se muestra un esquema de formación de botellas mediante el proceso.
Esquema del conformado de las láminas en botellas
Ventajas tecnológicas
La producción de una película extruida a gran velocidad en líneas de gran anchura resulta muy ventajosa, ya que el plástico pasa directamente de la etapa de lámina a la de botella, lo que representa un ahorro de compra del orden del 30% al 50%.
El uso de bobinas de lámina de plástico como material principal también reduce los costos de transporte, almacenamiento y manipulación de botellas o de preformas vacías antes de la etapa de soplado. Tan sólo es necesario contar con un reducido espacio para el aprovisionamiento de las bobinas de plástico.
En comparación con las tecnologías convencionales, los consumos de suministros son más reducidos: el soplado se realiza tanto a baja presión (<6 bares), como a baja temperatura (<150°C). Además, no se requiere de un compresor de alta presión, y se logra un consumo eléctrico entre dos y tres veces inferior al generado por el soplado tradicional de preformas.
El equipamiento de Agami es capaz de trabajar a velocidades desde 5.000 hasta 20.000 botellas/hora.
Botellas termoformadas
A diferencia del termoformado convencional, este termoformado tubular supone una baja relación de estirado de la lámina lo que permite utilizar láminas con espesor por debajo de 1mm.
Otra de las ventajas de esta tecnología es que las botellas pueden ir directamente a la línea de llenado. No es necesario almacenarlas o esperar a una estabilización entre el formado y el llenado.

Aplicaciones
Esta máquina ha sido desarrollada principalmente para las empresas industriales de productos lácteos frescos y, más concretamente, de yogures líquidos y zumos de frutas.
La capacidad de producción de la termoformadora Roll N Blow de 4 pistas es verdaderamente notable, llegando a alcanzar una velocidad de 7.000 embalajes/hora.
Esta tecnología es compatible con todos aquellos materiales capaces de ser termoformados (poliestireno, polipropileno, poliácido láctico, PET, etc.). El uso de materiales multicapa también resulta muy económico, dado que las películas se extruyen en plano.
Dicha técnica permite obtener botellas de diferentes formas y colores al mismo tiempo.
Botella obtenida por Roll & Blow
Otros procesos de obtención de botellas por termoformado
Bottleform BF 70

Procesos similares a los de la Agami han sido desarrollados por empresas como Illig Maschinenbau GmbH & Co. KG, que introdujo en el mercado el proceso Bottleform BF 70 en el año 2008.
En esta tecnología, el material se extrae de un rollo de lámina plástica, es calefaccionado y embutido en la estación de formado. El material es mecánicamente pre-estirado, posteriormente se conforma mediante presión de aire estéril. El material se calienta en varios pasos, durante varios ciclos, hasta temperatura de conformación óptima. Sólo las superficies del material que se formen se calientan. Para conformar el material se utilizan herramientas servo-conducidas y controles especiales para los ciclos de presión de aire permitiendo obtener botellas de una elevada estabilidad de 1.4mm de espesor capaces de soportar cargas de hasta 90N.

Esquema de línea de termoformado Bottleform BF 70
La empresa Illig afirma que mientras que una botella con la misma capacidad producida por extrusión-soplado tiene un peso medio de 8,5 gramos, mediante la tecnología de termoformado la botella puede llegar a pesar de promedio 4,5 gramos.
Botellas obtenidas por termoformado
Los productos no presentan una costura media que es una característica típica de las botellas moldeadas por soplado.

Hol-Pack
La empresa austriaca Hol-Pack Verpackungen también ha patentado un proceso en el que se obtienen botellas por termoformado para el envasado de líquidos no carbonatados con una capacidad de hasta 1,25 litros. El proceso de Hol-Pack implica termoformar dos mitades de láminas plásticas, unidas de tal manera que la línea de separación se forma una entalladura en forma de pestaña dentro de la botella. Las pestañas se sueldan entre sí al final del proceso de formación de botella. La línea de separación puede ser dispuesta a lo largo o a través del eje vertical de la botella.
Estructura de botella termoformada de Hol-Pack
La versión longitudinal permite la producción de botellas de cámaras múltiples. Las mangas y las etiquetas se pueden utilizar para ocultar la línea de soldadura, que es visualmente atractivo, pero añade rigidez a las botellas terminadas.
Técnicamente, las botellas termoformado de hojas soldadas proveen, en comparación con las botellas moldeadas por soplado, una mayor rigidez, debido a la soldadura de las entalladuras.
Hasta este momento, las botellas de plástico termoformadas soldadas sólo son adecuadas para el llenado de líquidos sin gas. El desarrollo futuro será eliminar esta restricción para ver bastantes nuevas aplicaciones para esta tecnología, debido a su sorprendente económica, su flexibilidad en el procesamiento, la elección casi ilimitada de material y diseño.

Botellas obtenidas por Hol-Pack


Fuentes:
http://www.packaging.enfasis.com
http://www.aimplas.es
http://www.packworld.com
http://www.todoagro.com.ar
http://www.ubifrance.com
http://www.serac-group.com
http://www.interempresas.net
http://www.mundoplast.com
http://www.elempaque.com
Revista: Informativo del Plástico
http://www.plastico.com
http://agami-tech.fr
http://bestinpackaging.com
http://www.hol-pack.at
http://www.illig.de
 

miércoles, 8 de agosto de 2012

Fuerza de cierre (clamping force)

Para verificar si la fuerza de cierre de la máquina a seleccionar para el proceso de inyección de una pieza plástica será suficiente, deberá considerarse la superficie proyectada de la pieza sobre el plano paralelo a la superficie de las placas por la presión de inyección en la cavidad, necesaria para inyectar tal pieza. Es recomendable que la fuerza de cierre máxima de la máquina a seleccionar, sea aproximadamente un 20% superior a la necesaria para la inyección de la pieza en cuestión.

El método rápido, es multiplicar la superficie proyectada de la cavidad (en cm2 o in2, según la columna que se use de la tabla), por la presión en la cavidad, que es diferente según la resina, según se muestra en la siguiente tabla, donde se consideran también la influencia de paredes delgadas y flujos largos de resina desde el punto de inyección hasta el punto más alejado.

Resina
tonnes/in2
ton/cm2
PS (GPPS)
1.0 - 2.0
0.155 - 0.31
PS (GPPS) (paredes delgadas)
3.0 - 4.0
0.465 - 0.62
HIPS
1.0 - 2.0
0.155 - 0.31
HIPS (paredes delgadas)
2.5 - 3.5
0.388 - 0.543
ABS
2.5 - 4.0
0.388 - 0.62
AS (SAN)
2.5 - 3.0
0.388 - 0.465
AS (SAN) (flujos largos)
3.0 - 4.0
0.465 - 0.62
LDPE
1.0 - 2.0
0.155 - 0.31
HDPE
1.5 - 2.5
0.233 - 0.388
HDPE (flujos largos)
2.5 - 3.5
0.388 - 0.543
PP (Homo/Copolímero)
1.5 - 2.5
0.233 - 0.388
PP (H/Co) (flujos largos)
2.5 - 3.5
0.388 - 0.543
PPVC (blando)
1.5 - 2.5
0.233 - 0.388
UPVC (rígido)
2.0 - 3.0
0.31 - 0.465
PA6, PA66
4.0 - 5.0
0.62 - 0.775
PMMA
2.0 - 4.0
0.31 - 0.62
PC
3.0 - 5.0
0.465 - 0.775
POM (Homo/Copolímero)
3.0 - 5.0
0.465 - 0.775
PET (Amorfo)
2.0 - 2.5
0.31 - 0.388
PET (Cristalino)
4.0 - 6.0
0.62 - 0.93
PBT
3.0 - 4.0
0.465 - 0.62
CA
1.0 - 2.0
0.155 - 0.31
PPO-M (no reforzado)
2.0 - 3.0
0.31 - 0.465
PPO-M (reforzado)
4.0 - 5.0
0.62 - 0.775
PPS
2.0 - 3.0
0.31 - 0.465
Los datos de la tabla son valores promedio, que surgen de la práctica

Si se desea calcular la fuerza de cierre necesaria con más exactitud, se deberá considerar con mayor precisión, la influencia del espesor de la pieza inyectada (se considerará el menor espesor en todo el recorrido de la resina) y el largo del flujo de la resina desde el punto de inyección hasta el punto más lejano. Se tomará en consideración la relación largo de flujo/espesor de pared. También es recomendable utilizar un factor de corrección por la viscosidad.
En la figura se esquematiza el flujo de la resina en la pieza, para visualizar lo que denominamos el Largo del Flujo.
En las curvas siguientes se puede obtener para cada curva largo de flujo/espesor de pared, entrando con el espesor en el eje de las abscisas, la presión en la cavidad en el eje de las ordenadas.

La presión en la cavidad esta expresada en bar (1 bar = 1,02 Kg/cm2).
Por lo tanto, la presión obtenida en el eje de las ordenadas habrá que multiplicarla por 1,02 para obtener la presión en Kg/cm2.
Finalmente, en la tabla siguiente, se obtiene el factor de corrección, teniendo en cuenta la viscosidad de la resina.
RESINA
FACTOR POR VISCOSIDAD
GPPS (PS)
1
PP
1 – 1.2
PE
1 – 1.3
PA6 o PA66, POM
1.2 – 1.4
Celulósicos
1.3 – 1.5
ABS, ASA, SAN
1.3 – 1.5
PMMA
1.5 – 1.7
PC, PES, PSU
1.7 – 2.0
PVC
2

Luego aplicando la fórmula siguiente, se obtendrá la fuerza de cierre necesaria, que deberá tener la inyectora, expresada en Kg.

Fc = Ap . Pi

Dónde:
Fc: Fuerza de cierre
Ap: área proyectada
Pi: presión de inyección

Ejemplo práctico
Para la siguiente pieza dada (material ABS)


1.- Cálculo de área proyectada
Área de la pieza

(Largo x ancho x cant. de cavidades) - (área del agujero x cantidad)
       (80 mm x 40 mm x 2 )                    -      (3,14 x (10 mm)2 x 2 )

+ Área de la colada
(Largo x diámetro)
40 mm x 5 mm

Ap = 5972 mm2 = 59,72 cm2

2.- Cálculo recorrido de flujo

     Colada + pieza
(60 + 20) + (raiz cuadrada de 402 +402 )

Recorrido de flujo = 136,57mm

3.- Cálculo de la relación de flujo y determinación de la presión de la cavidad
Rf = Recorrido de flujo / Espesor de pared
Rf = 136,57 mm / 0,8 mm = 170,71
Es decir, relación de flujo = 170:1
Con la relación de flujo (170:1) y el espesor de pared (0,8mm), del gráfico se deduce que la presión de la cavidad es 460bar = 469,2Kg/cm2


4.- Cálculo de la presión de inyección
Pi = Presión de la cavidad x factor de corrección

Pi = 469,2Kg/cm2       x      1,4 (ABS)
Pi = 656,88Kg/cm2

5.- Cálculo de la fuerza de cierre

Fc = Área proyectada x Presión de inyección
Fc = 59.72 cm2 x 656,88Kg/cm2

Fc = 39228Kg

Por lo que la máquina de inyección deberá tener una fuerza de cierre mínima de 40Tn para poder inyectar la pieza. Considerando un 20% más nos dará alrededor de 50Tn.
Los cálculos del área proyectada pueden ser un tanto más complejos dependiendo de la forma de la pieza a inyectar.
Otros factores a tener en cuenta a la hora de la selección de la inyectora adecuada para la pieza a producir será la capacidad de inyección y de plastificación, para conocer si la unidad de inyección puede llenar la cavidad del molde con el material plastificado. Estos datos son suministrados por el fabricante de inyectoras.
Además se deberá tener en cuenta el tamaño del molde respecto de la placa; un molde demasiado pequeño puede provocar que la placa se deforme o incluso se rompa en un caso extremo. Un molde relativamente chico para la máquina en cuestión puede provocar también que el molde no cierre bien, precisamente por la deformación de la placa generándose rebabas en las piezas.