lunes, 30 de diciembre de 2013

Termosellado

Introducción
El termosellado es el proceso de soldado de un termoplástico a otro termoplástico u otro material compatible usando calor y presión. El método de contacto directo de sellado por calor utiliza un troquel o barra de sellado caliente para aplicar calor a un área de contacto específico para sellar o soldar los termoplásticos juntos mientras que el sellado por inducción utiliza electromagnetismo para la generación del calor necesario para la soldadura. El sellado térmico se utiliza para muchas aplicaciones, incluyendo conectores electrónicos, adhesivos activados térmicamente y películas. Una variedad de termoselladoras están disponibles para unir materiales termoplásticos tales como películas plásticas: sellador de barra caliente, selladora de impulso, etc.
Los adhesivo de fusión en caliente (hot melt) se pueden aplicar en tiras o perlas en el punto de unión. También se puede aplicar a una de las superficies durante una etapa de fabricación anterior y luego se reactiva mediante calor para la unión.

Termoselladoras
Una termoselladora o sellador térmico es una máquina utilizada para el sellado de materiales termoplásticos utilizando calor. Esto puede ser con materiales termoplásticos monocapas o que tienen varias capas, siendo al menos una termoplástica. El termosellado puede unir dos materiales similares entre sí o pueden unirse a materiales distintos, uno de los cuales debe tener una capa termoplástica.
Existen dos tipos principales de termoselladoras por contacto directo: por barra caliente y por impulso según sea el sistema de calentamiento de la herramienta, continuo o discontinuo respectivamente.
Están disponibles otros sistemas de sellado en los cuales el calentamiento del sustrato se realiza sin contacto directo con los materiales a unir como, por ejemplo, el sellado por inducción o por gas caliente. Pero todos los sistemas requieren la aplicación de presión para el logro de la soldadura.

Tipos de termoselladoras
Selladoras por barra caliente
Poseen una herramienta que es calentada y se mantiene a una temperatura constante (también conocido como sellado térmico por contacto directo).
Esquema de sellado por barra caliente

Estos utilizan una o más barras calentadas que hace contactar el material con la interfase caliente y formar una unión. Las barras, planchas y troqueles tienen diferentes configuraciones y se pueden cubrir con una capa anti-adherente o utilizan diversos materiales de interposición (ejemplo: recubrimiento de teflón) para evitar que se pegue a la herramienta caliente.
Sellador por barra caliente manual
Sellador térmico continuo
También conocidos como selladores de banda, utilizan correas en movimiento sobre los elementos de calefacción. Generalmente están disponibles en alimentación horizontal y vertical, diseñadas para sellar bolsas. El modelo vertical es ideal para embalaje de bolsas que contienen artículos vertibles como polvos o líquidos. 
Selladoras de banda (horizontal y vertical)
Selladores térmicos por impulso
Tienen elementos de calefacción (uno o dos) usualmente de nicromo (aleación de níquel y cromo) colocados entre un caucho sintético resistente y una superficie antiadherente.
Esquema de sellado por impulso
Los elementos calefactores no se calientan continuamente; se genera calor sólo cuando fluye la corriente. Cuando los materiales se colocan en el cierre por calor, se mantienen en su lugar por la presión. Una corriente eléctrica calienta el elemento de calentamiento durante un tiempo especificado para crear la temperatura requerida. Las mordazas mantienen el material en su lugar después de que se detuvo el calentamiento, a veces con agua de refrigeración.
Sellador por impulso manual
Sellador por alambre caliente
Implica un alambre caliente que corta las superficies y los une con un cordón de borde fundido. Para esta misma función existen selladoras que presentan cuchillas de corte. Esto no se emplea por lo general cuando las propiedades de barrera son críticas.
Termosellado por alambre y por cuchilla
Dentro de la termoselladoras por alambre caliente se pueden encontrar las termoselladora tipo “L”. Son específicas para el envasado con películas termocontraíbles. Con el accionamiento de su cabezal sueldan y cortan el material embolsando el producto. Tienen la particularidad que pueden soldar en forma de ele. Posteriormente, se sopla aire caliente para la contracción del film plástico.
Termoselladora tipo “L”
Sellador por inducción
Se denomina sellado por inducción, a un método, sin contacto, de calentar un disco metálico para sellar herméticamente la parte superior de recipientes de plástico o de vidrio. Este proceso de sellado se realiza luego que el contenedor ha sido llenado con su contenido y la tapa se ha colocado en su posición.
El método utiliza el principio de inducción electromagnética para generar calor y fijar el material del sello.
Sellado por inducción
La tapa presenta una película delgada que es la inductora. Esta película puede ser de diversos materiales, distribuidos en varias capas. El estrato superior es de papel, generalmente adherida con pegamento a la tapa. La capa siguiente es de cera, que se utiliza para adherir una laminilla de aluminio al papel. El estrato inferior es un film de polímero laminado sobre el metal. Luego que la tapa o cierre se coloca en posición, al contenedor se le hace pasar bajo una bobina de inducción, la cual emite un campo electromagnético oscilante.
Capas de la tapa
Cuando el contenedor o botella pasa bajo la espira de inducción la lámina de aluminio que conduce la electricidad comienza a calentarse. El calor derrite la cera, la cual se absorbe en la pulpa del papel y libera a la laminilla metálica de la tapa. El film polímero también se calienta y fluye hacia el reborde de la abertura del contenedor. Al enfriarse, el polímero forma una unión con el contenedor y establece así un sello hermético. Este proceso, que ocurre en un lapso de unos pocos segundos, no afecta al recipiente, ni a su contenido.
Selladora automática por inducción

Otros tipos de máquinas selladoras
Sellado por alta frecuencia
Durante el proceso, las piezas a unir se someten a un campo eléctrico de alta frecuencia aplicada entre dos barras de metal. El campo eléctrico dinámico provoca la vibración molecular en el plástico. Algunos de los movimientos oscilatorios resultantes se convierten en energía térmica, haciendo que el material a calentar.
Los productos fabricados por soldadura de alta frecuencia incluyen carteras de papelería, inflables, lonas y bolsas de sangre.
La técnica se restringe generalmente a de PVC, EVA y poliuretanos.

Sellado por ultrasonido
La soldadura ultrasónica implica el uso de alta frecuencia de energía mecánica para ablandar o fundir el termoplástico en la línea de la articulación. Piezas a unir se mantienen juntas bajo presión y después se someten a vibraciones ultrasónicas, por lo general a una frecuencia de 20 o 40 kHz. La soldadura ultrasónica es un proceso rápido, con tiempos de soldadura típicamente menos de un segundo, y puede ser fácilmente automatizado. Se trata de una opción para el sellado de embalajes tales como pomos.

Termosellado por gas caliente
El calentamiento de las zonas a sellar es realizado mediante aire caliente para lograr el ablandamiento del termoplástico con la posterior aplicación de presión para lograr la soldadura. Puede utilizarse para armar los paneles laterales de plástico de construcciones agrícolas de peso ligero, tales como invernaderos y cobertizos. Esta técnica también es utilizada para cerramiento de pomos.

Calidad de sellado
Un buen sellado es el resultado de tiempo, temperatura y presión correctos para determinado material termoplástico. Varios métodos de ensayo están disponibles para medir la resistencia de los sellos por calor. Como así también, hay varios métodos disponibles para determinar la capacidad de un paquete o envase sellado para retener su integridad, características de barrera y la esterilidad.
Los métodos de prueba pueden incluir: resistencia del sellado (ASTM F2824 y F88), estallido por presurización y fluencia durante tiempos prolongados (ASTM F1140 y F2054), integridad de vacío (ASTM D3078), etc.

Ensayo de resistencia del sellado
Aplicaciones principales
Una de las principales aplicación para el proceso de sellado térmico es en la industria del envasado para el sellado de bolsas, potes, pomos y otros tipos de envases.
La fabricación de bolsas o los recipientes flexibles utiliza el sellado térmico, ya sea para la soldadura perimetral del material plástico de las bolsas como para el sellado de los extremos en las bolsas.
El sellado térmico se utiliza para unir conectores de las pantallas LCD (pantallas de cristal líquido) al PCB (placa de circuito impreso) en muchos productos electrónicos de consumo, así como en los dispositivos médicos y de telecomunicaciones.
En la industria médica, también se utiliza este proceso para sellar y evitar la contaminación de los dispositivos de prueba médica, material quirúrgico y bandejas de recogida de muestras.
Otra aplicación puede ser para la unión de varias películas plásticas para obtener una de mayor extensión como las utilizadas en invernaderos. 
Envasado de productos alimenticios
Instrumental quirúrgico
Envasado en film termocontraible
Termosellado de lona de PVC
Unión de conectores flexibles del LCD al PCB


Fuentes:
Handbook of Plastics Joining: A Practical Guide - Michael J. Troughton
Food and Package Engineering - Scott A. Morris
http://www.hdrpower.com
http://mpaksys.homestead.com
http://www.bottle-cap-sealing.com
http://www.lumenpol.com.ar
http://www.arpoli.cl
http://www.directindustry.com
http://www.kopp-packaging.com
http://www.esenel.com
http://www.actiweb.es/cipresa/
http://www.twi.co.uk
http://www.proinplas.com
http://www.astm.org
http://www.tossheatseal.com

viernes, 13 de diciembre de 2013

Poliepiclorhidrina

Introducción
La poliepiclorhidrina (PECH o CO) es un elastómero poliéter obtenido por polimerización de la epiclorhidrina (ECH). Su fórmula química abreviada es -(C3H5ClO)n-. La epiclorhidrina suele copolimerizarse con óxido de etileno y/o alil glidicil éter. Los elastómeros de epiclorhidrina y sus copolímeros presentan una excelente resistencia a las altas temperaturas, combustibles, aceites y al ozono, encontrando su principal aplicación en la industria automotriz, incluyendo tuberías, juntas y mangueras, entre otros artículos. Además, el homopolímero, posee una baja permeabilidad a los gases lo que lo hace adecuado para mangueras en equipos de aire acondicionado.
Los copolímeros y terpolímeros se caracterizan por su disipación electrostática, lo que los hace apropiados para ciertas aplicaciones como por ejemplo los rodillos de impresión.
Algunos nombres comerciales de los elastómeros de epiclorhidrina y sus copolímeros son: Hydrin, Herclor, Gechron, Epichlomer.

Historia
Se previó que los poliéteres de alto peso molecular exhibían propiedades físicas interesantes, debido a la presencia de los átomos de oxígeno en la cadena principal del polímero, que imparte una mayor flexibilidad a la cadena de polímero. Además, una cadena de polímero saturado proporciona una resistencia al ozono superior. Debido a esto, E.J. Vandenberg desarrolló una investigación y descubrió, en 1957, que los catalizadores órgano-metálicos dieron polímeros de alto peso molecular a partir de epóxidos. Los elastómeros comercialmente importantes desarrollados como resultado de este trabajo fueron poliepiclorhidrina, copolímeros de óxido de etileno - epiclorhidrina y los terpolímeros de alil glicidil éter - epiclorhidrina - óxido de etileno.
BF Goodrich fue el primero en comercializar poliepiclorhidrina en 1965, bajo un acuerdo de licencia de Hercules Inc., con el nombre comercial Hydrin. En 1966 Hercules Inc. comenzó a comercializar polímeros similares con el nombre comercial Herclor.
BF Goodrich compró el negocio de la poliepiclorhidrina y la planta de fabricación en Hattiesburg, en Misisipi, de Hercules Inc. en 1986. En 1989, Nippon Zeon compró la división de elastómero de BF Goodrich y formó Zeon Chemicals. Nippon Zeon tenía su propia línea de elastómeros epiclorhidrina, y continuó haciendo esto bajo el nombre comercial Gechron. Además, Daiso en Japón produce bajo el nombre comercial Epichlomer.

Estructura química y síntesis
La poliepiclorhidrina es obtenida a partir de la epiclorhidrina por polimerización de apertura de anillo:
Síntesis de poliepiclorhidrina
El monómero, la epiclorhidrina, se fabrica a partir de cloruro de alilo en dos pasos, comenzando con la hidrocloración usando ácido hipocloroso, que proporciona una mezcla de dos alcoholes. En la segunda etapa, esta mezcla se trata con base para dar el epóxido. También puede ser obtenida a partir de glicerol, que es un co-producto del biodiesel.
En elastómeros comerciales la epiclorhidrina suele copolimerizarse principalmente con óxido de etileno (EO) y/o alil glidicil éter (AGE). Otros copolímeros están disponibles. A continuación se muestran las estructuras químicas de la poliepiclorhidrina y copolímeros más comunes.
Estructura química de poliepiclorhidrina y copolímeros
Designación de polímeros y copolímeros
La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) ha designado estos polímeros según la norma ASTM D1418 de la siguiente manera:
Homopolímero de epiclorhidrina (ECH): CO
Copolímero de epiclorhidrina / alilglicidiléter (ECH / AGE): GCO
Copolímero de epiclorhidrina / óxido de etileno (ECH / EO): ECO
Terpolímero de epiclorhidrina / óxido de etileno / alilglicidiléter (ECH / EO / AGE): GECO

Fabricación
En la fabricación de poliepiclorhidrina, se utilizan catalizadores basados ​​en aluminio junto con monómeros epiclorhidrina (ECH), óxido de etileno (EO), y alil glicidil éter (AGE) en una polimerización en solución. La propagación de la cadena polimérica es efecto de un mecanismo de coordinación catiónico. Debido a su asimetría, el monómero ECH puede polimerizar en la forma de cabeza a cabeza, cabeza a cola o cola a cola. El polímero comercial es 97-99% de cabeza - cola y ha demostrado ser estéreo al azar y atáctico. Los polímeros de CO, ECO y GECO son amorfos y lineales.
Los principales pasos en la fabricación de ECO son de polimerización (un proceso continuo), la coagulación, secado y envasado.
Esquema del proceso de fabricación
Formulación
La formulación de compuestos ECH \ ECO \ GECO es mucho el mismo que el desarrollo de un compuesto de elastómeros más comunes, es decir, SBR, EPDM, NBR, etc. Se pueden utilizar negro de humo, cargas blancas y ayudas de proceso, junto con diversos antioxidantes (ditiocarbamatos metálicos, aminas e imidazoles).
Se deben usar los plastificantes que están cerca de la misma polaridad que el polímero, a un máximo de aproximadamente 30 phr, dependiendo del nivel de llenado. Estos plastificantes son por lo general los diésteres y éteres. Ejemplos de plastificantes son compatibles DOP (dioctil ftalato), DIDP (ftalato diisodecil), de TOTM (trioctilo trimetilato), DBEEA (Di (butoxi-etoxi-etil) adipato).

Curado
En el homopolímero (ECH) y el copolímero de ECH y EO, que están completamente saturados, los sistemas de curado tradicionales no se utilizan. Sin embargo, el AGE que contiene polímeros, tipos GCO y GECO, se puede curar fácilmente con azufre y peróxido. Esto es porque el AGE introduce insaturación como una cadena lateral.
Para elastómeros CO \ ECO, se requieren a menudo paquetes de curación únicos. la etilentiourea (ETU) y el óxido de plomo ha sido el sistema de curado de elección desde 1960. El cambio de regulaciones ambientales llevó al uso de sistemas de curado sin plomo. La etilentiourea es un goitrógeno, teratógeno y carcinógeno.
Existen principalmente tres sistemas de curado alternativos sin plomo viables para los elastómeros de CO y ECO son: triazina, tiadiazol y bis-fenol. La tasa de curación del sistema de triazina es fácilmente ajustable mediante la variación de ciertos ingredientes acelerantes, DPG (difenilguanidina), o retardantes, CTP (N-(ciclohexiltio) ftalimida. También se puede modificar la tasa de curación mediante un aceptor ácido como el carbonato de calcio.

Propiedades y características
Los compuestos de epiclorhidrina se pueden formular para soportar 70 horas a 150°C en el aire, y continuar siendo flexible a -40°C.
Los compuestos de epiclorhidrina pueden proporcionar amortiguación de vibraciones comparable al caucho natural (NR). Esta característica los hace buenos candidatos para montajes de suspensión y amortiguadores de impactos.
El cambio en la resistencia a la tracción es el mejor indicador de esfuerzo / deformación de la vida útil de un compuesto de epiclorhidrina. CO \ GCO \ ECO \ GECO degradan en última instancia por el reblandecimiento. El alargamiento inicialmente decrece, luego se nivela durante un tiempo antes de que en definitiva se reduzca a cero. Sin embargo, la resistencia a la tracción disminuye de manera constante a cero.
También tienen excelente flexibilidad a baja temperatura, a alrededor de -40ºC. Este atributo hace que los compuestos de ECO y GECO se utilicen en las mangueras, conductos y diafragmas de los vehículos.

Tabla de propiedades típicas para elastómeros de epiclorhidrina
Propiedad
Unidad
Condición
Valor
Peso molecular (unidad de repetición)
g/mol
-
92.5
Temperatura de transición vítrea
K
n = 5000-20000
258,5
Resistencia a la tracción
MPa
-
17
Elongación
%
-
280
Dureza
Shore A
-
72
Resistencia al desgarro
kN/m
-
36
Compresión
%
70 h at 100°C
26
Cambio de volumen (ASTM Fuel C)
%
70 h, 20°C
25
Cambio de volumen (ASTM Oil #3)
%
70 h, 150°C
1
Tensión superficial
mN/m
M=1500,T=293,5K
43,2
Mínima temperatura de uso
°C
Según formulación
-40 a -50
Máxima temperatura de uso
°C
Según formulación
107 a 135


Procesado
Mezclado
Los compuestos de poliepiclorhidrina se pueden mezclar en un molino o en un mezclador interno. El procedimiento de mezcla para cualquiera de los métodos es prácticamente el mismo que para compuestos de SBR, NBR y EPDM. Debido a cuestiones referidas a vida útil, una mezcla de dos pasadas puede ser preferible.
La preparación de la superficie del rodillo del molino es extremadamente importante. Estos compuestos tienden a pegarse a las superficies del rodillo cuando ciertos residuos, a partir de otros compuestos con diferentes tipos de polímeros, se mantienen sobre los mismos. Esta condición, por lo general, se produce de forma errática. No todos los residuos pueden pegarse. Uno de los residuos que parecen adherirse en mayor proporción, es a partir de compuestos de EPDM curado con peróxido. Los rodillos de la máquina deben ser limpiados a fondo para evitar sistemáticamente los problemas de pegado. El revestimiento del molino con ácido esteárico antes de la molienda puede mejorar la liberación del material de la superficie del rodillo.

Extrusión
Las características de extrusión de los compuestos de epiclorhidrina pueden ser excelentes. La cantidad de carga tiene un gran impacto en las características de extrusión, como lo hace con casi cualquier elastómero. El uso de cargas relativamente altas de negro de humo ayuda a dar al compuesto extruido una superficie lisa. Las altas cargas también ayudan a proporcionar suficiente resistencia en verde, lo que permite a un tubo mantener su forma extrusionada.

Moldeo
Los compuestos CO \ ECO \ GECO pueden ser moldeados por compresión, transferencia o inyección. El moldeo por inyección puede ser el método más comúnmente utilizado. Procesos híbridos se dan también en la práctica, tal como inyección / transferencia y moldeado en insertos metálicos (el Ty Ply BN es un adhesivo recomendado para ECO para la vinculación con metal)
Los compuestos para moldeo por compresión tienden a tener una viscosidad más alta, por ejemplo, 90 a 120 de Mooney @ 100ΕC. Esto se logra generalmente con más refuerzo y/o mayor carga de relleno. Por ejemplo, 50 phr o 90 phr de negro de humo. También, 2 a 5 phr de plastificante, tal como TOTM o DBEEA, debería ayudar a que el compuesto fluya con mayor facilidad para llenar toda la cavidad sin ser demasiado suave, lo que podría conducir a la oclusión de aire.
Los compuestos para moldeo por transferencia es probable que tengan viscosidades más bajas, dependiendo de los tamaños y ubicación de la colada y forma de la cavidad. Ayudas de proceso de cera se utilizan típicamente en un intento de permitir que el compuesto fluya más fácilmente.
Los compuestos para moldeo por inyección pueden variar sustancialmente en relleno y plastificante, por lo tanto tienen una amplia gama de valores de la viscosidad. También en este caso, el tamaño de la colada y la forma de la cavidad son factores importantes en la determinación de los requisitos de viscosidad para desempeñarse con éxito en el llenado de la cavidad del molde. Las viscosidades inferiores a compuestos de transferencia se encuentran comúnmente necesarias. Sin embargo, con el calentamiento y la masticación del compuesto de caucho por el barril y el tornillo, puede no ser necesaria baja viscosidad.

Aplicaciones
Las aplicaciones típicas de los elastómeros de epiclorhidrina incluyen:
- Mangueras de combustible de automóviles y embarcaciones
- Tubos de emisiones de los vehículos
- Conductos de aire (donde los humos del motor se recirculan a través del conducto)
- Rollos para impresoras (propiedad electrostática disipativa)
- Amortiguación de vibraciones (una mejor resistencia al calor y aceite que el caucho natural, con características de amortiguación similares)
- Juntas tóricas (O-rings)
- Mangueras de aire acondicionado / refrigerador (excelente resistencia a la permeación de gases, flexibilidad a baja temperatura)
- Neumáticos (baja permeabilidad, pueden reducir el peso de los neumáticos utilizando menos caucho)
- Diafragmas
- Revestimiento de cables
- Cintas transportadoras
Actuador neumático
Conductos de aire
Mangueras
Rodillo de impresión
Diafragma
Mangueras de aire acondicionado





Fuentes:
Elastomers Synthetic Polyether - K. Owens y V. Kyllingstad
Epichlorohydrin by Any Other Name May or May Not be Epichlorohydrin - P. Petroff
The Long Term Heat Resistance of Acrylate and Epichlorohydrin Polymers - J.T. Oetzel
Polyepichlorohydrin elastomers - C. Cable
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry – F. Ullmann
Polymer data handbook - Universidad de Oxford
http://www.zeonchemicals.com
http://www.gbsa.com
http://www.daiso-co.com
http://www.krahn.de
http://zenithcarb.co.uk
http://www.icis.com
http://www.solvaychemicals.com
http://www.elastomer.co.uk
http://www.primasil.com