Co-Inyección

Introducción

La inyección, tal como la conocemos, ha desarrollado diferentes métodos empleando diferentes técnicas. La inyección multicomponente es sin duda la que más proyección está teniendo por su gran versatilidad y la posibilidad de acceder a nuevos mercados a través de los productos fabricados con la misma.
En el gráfico siguiente, puede apreciarse en color resaltado los métodos, que considerándose de Inyección, estarían incluidos en multicomponente, destacando por su implantación la co-inyección.

En el mismo gráfico son mencionados otros procesos de inyección tales como el asistido por gas o agua, el sobremoldeo, etc. todo ello da cuenta de la complejidad de este proceso de transformación.
Los rasgos diferenciadores y únicos de la tecnología de co-inyección son la gran versatilidad para la fabricación de piezas y productos de diversas formas, texturas, diseños, etc., especialmente para aplicaciones de alto valor añadido en mercados tales como: automoción, envase para productos de lujo (cosmética, joyería), etc.
La incorporación de material reciclado hace incluso más atractiva la implantación de esta tecnología al poder realizar productos acordes con la sensibilidad medioambiental de ciertos consumidores.

Resumen
El proceso de co-inyección fue patentado en 1969. Inicialmente fue diseñado para ser una alternativa al proceso estructural de espumado ya que la co-inyección permitía moldear una piel sólida obteniendo un buen acabado superficial. Este proceso se lleva utilizando comercialmente desde 1975.
Este proceso es una de las variantes del proceso de moldeo por inyección multimateria de dos componentes. A diferencia de otros procesos multicomponente, el proceso de co-inyección se caracteriza por su capacidad de encapsular completamente uno de los materiales inyectados. El mecanismo del proceso consiste en inyecciones secuenciales de dos materiales diferentes a través de la misma entrada (tobera) donde se inyecta de manera que el segundo material queda encapsulado por el primero inyectado en 3 etapas.

Corte de pieza co-inyectada

Ambos polímeros pueden ser el mismo, cambiando el color, la dureza, la densidad, etc. o pueden ser polímeros con diferente estructura química. En este último caso, deben ser compatibles entre sí, es decir, deben tener una temperatura de fusión y viscosidad similar o de no serlo, se pueden utilizar agentes compatibilizantes en la formulación de la resina.

Tabla de compatibilidad de algunos polímeros

Descripción del proceso
La co-inyección es un proceso de inyección que permite la encapsulación de un material dentro de una capa externa de otro de forma que las distintas propiedades de los materiales utilizados en el núcleo y en el exterior permiten conjugar unas propiedades especificas internas un excelente acabado superficial.

Pasos del proceso de co-inyección

Este proceso se consigue mediante el uso de máquinas con dos unidades independientes de inyección, controladas de forma individual, y una boquilla o bloque común de inyección provisto de un cabezal de conmutación y distribución.

Máquina de inyección bi-materia

El principio de este proceso consiste en inyectar dos materiales poliméricos distintos, provenientes de dos unidades de inyección independientes, e inyectarlos uno detrás de otro o de forma simultánea dentro de la cavidad del molde. Debido al comportamiento de flujo de los materiales fundidos y a la solidificación del material externo, se produce la formación de una capa fría del primer material inyectado que va creciendo a medida que la pieza enfría. El material del núcleo, todavía fundido, fluye entre las capas frías del material solidificado, empujando al primer material hacia los extremos de la cavidad.
Debido al perfil de tipo fuente (trayectoria hacia fuera de las moléculas de la región central hacia las paredes límites) del avance del frente de flujo el material externo que avanza en la primera posición del frente se va adhiriendo a las paredes adyacentes del molde. Finalmente, se introduce una pequeña cantidad del material inicial para purgar el material interno del canal de alimentación y eliminar el material interno de la superficie de la pieza.
Cuando no se procesan las cantidades adecuadas de cada uno de los materiales, frecuentemente el material externo es sobrepasado por el material interno durante el proceso de llenado, produciéndose el efecto conocido como brecha del material interno (fenómeno break through).
La relación de viscosidad entre el material externo y el material del núcleo juega un papel muy importante en la formación de la región interfacial, afectando sobre todo al espesor de la capa externa y su uniformidad, por lo que se trata de uno de los principales parámetros de estudio.
El uso de esta tecnología supone muchas ventajas importantes, ya que por ejemplo el uso de los caros y complejos aditivos sólo en la superficie de una pieza permite reducir los costes y según algunos autores puede mejorar la efectividad de los mismos.

Técnicas de co-inyección
La co-inyección se divide principalmente en tres técnicas:
Inyección secuencial
Inyección simultanea
Inyección simultanea

1 Inyección secuencial.
Consiste en inyectar cada uno de los materiales de manera alterna, es decir, primero se inyecta el material externo y cuando acaba su inyección se inyecta el material del núcleo.

Técnica del canal único: Primero se inyecta el material de la piel y después el material del núcleo. En el punto de cambio de un material a otro se produce una caída de presión en el molde, esto es una limitación de la técnica pudiendo producir defectos en la superficie de la pieza. Se utiliza para secciones gruesas, y los espesores de los materiales se controlan mediante parámetros de inyección y las viscosidades.

Técnica monosándwich: En esta técnica se introduce los componentes mediante una inyectora estándar. Se consigue mediante la fusión del material de la piel a través de una extrusora, este material fundido es conducido gracias a un sistema especial de cámara caliente a la parte delantera del husillo de la inyectora, dicho material fundido empuja el husillo hacia atrás. Cuando en el husillo de ha acumulado el suficiente material, el husillo empieza a girar para alimentar el material del núcleo, una vez plastificado el material del núcleo, la inyectora introduce los dos materiales en el molde de forma convencional.

Las ventajas principales de esta técnica son, la primera que se puede utilizar una máquina de inyección totalmente convencional, sola hace falta una extrusora al lado de la inyectora, y la segunda es la rapidez de cambio de color y material comparado con otras técnicas.
El inconveniente es que al inyectar con una sola unidad de inyección, hay un mal control de la configuración piel/núcleo cuando la forma del molde es compleja.

Doble flujo (TWINSHOT): Técnica de co-inyección bimateria con un único conjunto de inyección. Este sistema es aplicable a una máquina de inyección estándar mediante un proceso de inyección normal, esto es posible gracias a que utiliza un husillo de geometría especial, de forma que se consiguen plastificar e inyectar dos flujos independientes.

En el husillo especial TWINSHOT existen dos secciones bien diferenciadas, una para el material exterior y otra para el material interior. El llenado del molde hace que el material exterior recubra la superficie de la cavidad y se enfríe, mientras que el material interior rellena el núcleo de la pieza. El grueso de ambas capas de material se regula variando la carga de la máquina y la velocidad del husillo.

Control gravimétrico: Ambos componentes se inyectan en el molde en una misma carrera de husillo. Los materiales están dispuestos uno detrás del otro de manera que el componente situado delante es desplazado por el que le sigue, resultando así la capa exterior de estructura sándwich. La cantidad exacta de material se dosifica mediante un controlador.

2 Inyección simultánea.
Esta inyección de cada uno de los materiales de manera simultánea, primero se inyecta el material externo y antes de finalizar su inyección se inyecta el material del núcleo, es decir, durante un corto periodo de tiempo se inyectan ambos materiales al mismo tiempo.

Técnica de dos canales: Inicialmente en este proceso se inyecta plástico fundido del material de la piel en la cavidad, después de 0.1-0.3 segundos, el núcleo es inyectado y durante un momento hay una inyección simultánea de ambos componentes. El material del núcleo es el que desplaza al material de la piel contra las paredes de la cavidad donde se enfría y se solidifica. En la etapa final, se inyecta material del núcleo aunque a veces se inyecta material de la piel para encapsular el núcleo y cerrar la pieza. Se usan dos unidades de inyección, las cuales se juntan a través de una boquilla especial. La fase de inyección simultánea de la piel y el núcleo evita problemas producidos por la técnica de canal único, ya que mantiene constante la velocidad del flujo. La caída de presión que se produce es menor en la inyección simultánea que en la secuencial.

Técnica de tres canales: En esta técnica, el canal adicional se utiliza para la piel, para mantener el espesor de la piel en esta área. El canal adicional puede alcanzar el lado opuesto del molde, permitiendo regular las dos superficies por separado y controlar el espesor de la superficie.

3 Inyección combinada.
A diferencia con los otros dos, esta inyección se puede considerar secuencial o simultánea dependiendo de la programación de la fase de inyección de cada una de las etapas.

Sándwich: Técnica que requiere dos unidades de plastificación y de un dispositivo que controle la conmutación de los dos flujos. Las dos unidades inyectoras están conectadas a una boquilla especial y desde allí se inyectan al molde. Está dividida en tres fases:

En la primera etapa (a) se llena la cavidad parcialmente de material de la piel, después en la segunda etapa (b) se inyecta el componente del núcleo a través del alma plástica del material incorporado. Por último, la tercera etapa (c) con el primer componente se produce el cierre del bebedero. Dependiendo de la programación dela fase de la inyección de cada una de las inyectoras se puede tener inyección secuencial o simultánea.

Principales beneficios de la tecnología de co-inyección
1. Utilización de un volumen elevado de material reciclado o fuera normas.
2. Utilización de materiales estructurales en el interior y cosméticos en el exterior.
3. Combinación de distintos materiales que mejoren las características de la pieza para obtener una superficie blanda en el exterior, con un interior rígido, o un material rígido en el exterior con un interior resistente al impacto.
4. Posibilidad de espumar el interior obteniendo ventajas tales como la reducción del peso de la pieza, eliminación de deformaciones y rechupes, menores tensiones en la pieza, menor tamaño de máquina necesario y muy buen acabado superficial.
5. Oportunidad de reducir el uso de materiales técnicos de coste elevado utilizando materiales de bajo costo para el núcleo.

Aplicaciones finales / mercados
Automoción en parachoques y componentes del interior del coche (palancas de engranaje, volante
Fontanería en mandos, componentes del grifo e inodoros
Electrodomésticos en tiradores y paneles de puertas.
Mobiliario de jardín
Letreros urbanos
Posibilidad de utilizar polímero reciclado como núcleo de la pieza y material aislante en la parte de la piel, por ejemplo en un interruptor, un enchufe o una caja de fusible, donde el material de la piel es un PBT o PS y el núcleo es un PP reciclado

Tapa para envase para aceite obtenida por co-inyección (piel de EPDM y núcleo de PP reciclado espumado)

 

Referencias:
AIMPLAS - Informe de Vigilancia Tecnológica 

http://www.interempresas.net
http://www.plasticstoday.com

Etilenvinilacetato (EVA)

Introducción

El etilenvinilacetato (más conocido como EVA) es el copolímero de etileno y acetato de vinilo. El porcentaje en peso de acetato de vinilo por lo general varía de 10 a 40%, siendo el resto etileno. Aunque en algunos casos, este porcentaje puede ser un tanto mayor (hasta un 75%), utilizados como suspensiones acuosas.
Se trata de un polímero que se acerca a los elastómeros en cuanto a la suavidad y flexibilidad, sin embargo, puede ser procesado al igual que los termoplásticos, por lo que este tipo de materiales recibe el nombre de elastómero termoplástico. El material tiene buena claridad y brillo, propiedades de barrera, resistencia a bajas temperaturas, la resistencia al estrés-cracking, propiedades de adhesivo hot-melt a prueba de agua, y resistencia a la radiación UV. El EVA tiene poco o ningún olor y compite con la goma y productos vinílicos en muchas aplicaciones eléctricas.

Estructura química y síntesis
El copolímero etileno-vinilacetato es un polímero de adición formado por unidades repetitivas de etileno y acetato de vinilo:

Síntesis del EVA

La copolimerización del etileno y el vinilacetato puede llevarse a cabo por los tres métodos siguientes:
1. Polimerización en emulsión.
2. Polimerización en solución.
3. Polimerización por alta presión

En la producción de EVA mediante polimerización en emulsión se obtienen productos que contienen de 40 a 70% en peso de acetato de vinilo copolimerizado. Los productos contienen residuos de emulsionante que no puede ser completamente eliminado. Por tanto, estos polímeros no son adecuados para muchas aplicaciones.
Por polimerización en emulsión también puede obtenerse EVA que contiene más de 75% en peso de acetato de vinilo. Es un proceso de presión media. Es llevado típicamente a cabo a presiones de 30 a 500 bares y a temperaturas de 20 a 100°C. Los copolímeros así obtenidos tienen un alto contenido de gel y no pueden ser procesados ​​como caucho sólido para la mayoría de los propósitos. En consecuencia, estos polímeros generalmente no se aíslan en absoluto, en su lugar, la dispersión acuosa de sólidos (látex) se aplica directamente.
En el proceso de polimerización en solución para la producción de EVA se logra obtener productos libres de gel debido, por un lado, a una buena solubilidad de los productos a lo largo del proceso de polimerización y, por otro lado, una transferencia baja constante del disolvente a la cadena de polímero en crecimiento. En consecuencia, terc-butanol o mezclas de tert.butanol, metanol e hidrocarburos, por ejemplo, se utiliza como disolvente en el proceso de polimerización en solución para la producción de EVA que contiene más de 30% en peso de acetato de vinilo. Además, para la producción económica de EVA, la polimerización tiene que llevarse a cabo en altas concentraciones de sólidos en la que se desarrollan viscosidades considerables. Los productos que contienen hasta un 75% en peso de acetato de vinilo se pueden obtener por polimerización en solución.
El EVA de bajo contenido de acetato de vinilo puede ser producido por polimerización en masa de alta presión. La polimerización se lleva a cabo generalmente bajo presiones de 1.000 a 3.000bares y a temperaturas de 150 a 280°C. Los productos obtenidos por este procedimiento, que tienen contenidos de acetato de vinilo de hasta 30% en peso, se puede usar como adhesivos termofusibles y como promotores de flujo para los aceites y combustibles (destilados medios del petróleo) y para el revestimiento de cables.
Al reactor de polimerización se le agrega una corriente controlada de comonómero vinil acetato (VA). Para llevar a cabo la reacción se utilizan autoclaves (también se pueden utilizar reactores tubulares) y agitación. Se prefieren autoclaves con alto contenido de VA (18%) con objeto de controlar mejor la variables críticas, como el peso molecular y el contenido de comonómero. Una diferencia importante entre el proceso común de producción del polietileno de baja densidad (LDPE) y el empleado para EVA es el sistema de terminación. Se requiere equipo especial para manipular el copolímero EVA, que es blando, de baja temperatura de fusión y frecuentemente pegajoso.

Esquema del proceso (autoclave)

Esquema de proceso (reactor tubular)

Propiedades y características
La incorporación del acetato de vinilo en el proceso de polimerización del etileno produce un copolímero con una cristalinidad más baja que la del homopolímero de etileno común, por lo tanto estas resinas de más baja cristalinidad tienen temperaturas de fusión y temperaturas de termo-sellado más baja, además de que se reduce la rigidez, resistencia a la tracción y dureza, son más trasparentes, más flexibilidad a baja temperatura, mayor resistencia a la ruptura y al impacto, pero sus propiedades a altas temperaturas son menores que las del LDPE, también son más permeables al oxígeno, al vapor agua y al óxido de carbono, la resistencia química es similar a la del LDPE, pero las resinas de EVA con mayor contenido de acetato de vinilo tienen una resistencia un poco mayor a los aceites y grasas.

Tabla de propiedades típicas de EVA para adhesivos y recubrimientos

Propiedad	Método	Unidad	Valor
Contenido de VA	-	%	8
Densidad	ASTM D792	g/cm3	0,925
MFI	ASTM D1238	g/10min.	85
Resistencia a la tracción	ASTM D638	Kg/cm2	80
Alargamiento a la rotura	ASTM D638	%	400
Fragilidad en frio	ASTM D746	°C/F50	<-76
Punto de ablandamiento Vicat	ASTM D1525	°C	70
Punto de fusión	ASTM D3418	°C	96
Dureza Shore A	ASTM D2240	-	40

Producto EVATHENE UE508. Valores típicos para EVA utilizado en polvo para recubrimiento y adhesivo hot melt

Tabla de propiedades típicas de EVA para inyección o extrusión

Propiedad	Método	Unidad	Valor
Contenido de VA	-	%	16
Densidad	ASTM D792	g/cm3	0,937
MFI	ASTM D1238	g/10min.	1,5
Resistencia a la tracción	ASTM D638	Kg/cm2	170
Alargamiento a la rotura	ASTM D638	%	700
Fragilidad en frio	ASTM D746	°C/F50	<-76
Punto de ablandamiento Vicat	ASTM D1525	°C	67
Punto de fusión	ASTM D3418	°C	89
Dureza Shore A	ASTM D2240	-	37

Producto EVATHENE UE630. Valores típicos para EVA utilizado para moldeo por inyección, compresión (espumado), extrusión de lámina y perfil, soplado

Tabla de propiedades típicas de goma EVA

Propiedad	Norma	Unidad	Valor
Densidad	ISO 845	kg/m³	33±5
Resistencia a la tracción	ISO 1798	kPa	>190
alargamiento	ISO 1798	%	>230
Resistencia a la compresión deflexión 10% deflexión 25% deflexión 50%	ISO 3386/1	kPa	>12 >28 >70
Remanencia a la compresión 22 h de carga, 23 °C deflexión 25% 0.5 h tras descarga 24 h tras descarga	ISO 1856	% %	≤20 ≤8
Conductibilidad térmica a 10 °C a 40 °C	DIN 52612	W/mK	0,035 0,039
Ambito de temperatura de trabajo	ISO 2796	°C	-40/+55
Estabilidad Dimensional	ISO 2796	%	<5
Absorción de agua (28 días)	DIN 53428	%	≤3
Resistencia Elétrica	DIN 60093	Ωcm	≥10E15
Dureza Shore	ISO 868	-	>23
Velocidad de combustión Horizontal	FMVSS-302	mm/min	<100

Producto UNIFOAM® XV A Todos los datos son promedios y deberían ser considerados sólo como guía.

Aplicaciones
Adhesivos de fusión en caliente
Los adhesivos de fusión en caliente, como las barras de pegamento caliente, ​​son comúnmente hechos de EVA, por lo general con aditivos como la cera y resina. El EVA también se utiliza como un aditivo para mejorar el pegado-despegado en envolturas de plástico para empaques.

Pistola para aplicación de adhesivos hot-melt

El contenido de acetato de vinilo generalmente cae en el rango de 14 a 35% de acetato de vinilo, aunque otros porcentajes pueden encontrarse para aplicaciones específicas. El peso molecular posee una amplia influencia en las propiedades adhesivas y reológicas del hot-melt. Cuanto mayor sea el contenido de etileno, mejor será la adhesión específica a sustratos no-polares, tales como poliolefinas. Los copolímeros de mayor contenido de acetato de vinilo muestran una mejor adhesión a sustratos polares, como el papel. Los polímeros de menor peso molecular poseen menor viscosidad de fusión y son más fáciles de procesar y aplicar. Éstos también proporcionan una mejor humectación y, por tanto, una mejor adherencia mecánica para sustratos porosos, como el papel y la madera. Los copolímeros de alto peso molecular se utilizan para aplicaciones que requieren una óptima fuerza de cohesión a temperaturas elevadas y una buena flexibilidad a bajas temperaturas.

Medicina
El EVA también se utiliza en ingeniería biomédica en aplicaciones como dispositivo para administración de fármacos. El polímero se disuelve en un disolvente orgánico (por ejemplo, diclorometano). El fármaco en polvo y el relleno (por lo general un azúcar inerte) se añaden a la solución líquida y se mezcla rápidamente hasta obtener una mezcla homogénea. La mezcla de la droga, relleno y polímero es, entonces, vertido en un molde a -80°C y liofilizado hasta que solidifique. Estos dispositivos se utilizan en la administración de fármacos para liberar lentamente un compuesto con el tiempo. Mientras que el polímero no es biodegradable en el cuerpo, es bastante inerte y causa poca o ninguna reacción después de la implantación.

Goma espuma
La goma EVA es uno de los materiales popularmente conocidos como caucho expandido o gomaespuma. La espuma de EVA se utiliza como relleno en los equipos de varios deportes, como las botas de esquí, hockey, boxeo, artes marciales, botas de wakeboard, botas de esquí acuático, empuñaduras de cañas y otros artefactos. Se suele utilizar, por ejemplo, como un amortiguador en el calzado deportivo. Se utiliza para la fabricación de flotadores para las redes de pesca comerciales, tales como redes de cerco y las redes de enmalle. Además, debido a su flotabilidad, el EVA ha hecho su camino en productos no tradicionales, tales como lentes flotantes.
Las zapatillas y sandalias de EVA, hoy en día, son muy populares debido a sus propiedades tales como peso ligero, facilidad para moldear, acabado brillante y un costo más barato en comparación con el caucho natural.

Goma EVA (Foamy)

Plancha de puzzle de EVA

Plantilla para talón

Tapones y juntas de hermeticidad
Debido a su elasticidad y buenas propiedades barrera, el EVA se puede utilizar como un sustituto del corcho en muchas aplicaciones y para juntas de estanqueidad en tapas de bebidas carbonatadas.

Juntas de estanqueidad de tapas para botellas de bebidas gaseosas

Tapón

Vidrios de seguridad

Láminas de EVA junto con el PVB (polivinilbutiral) es utilizado para la fabricación de vidrios de seguridad para mantener unidas las láminas de vidrio y evitar que se astille y se desprendan pedazos de vidrio al romperse.

Vidrio de seguridad

Recubrimientos
Las emulsiones de EVA son copolímeros de acetato de polivinilo (PVAc) sobre la base de acetato de vinilo (VAM) internamente plastificado con etileno acetato de vinilo. Los copolímeros con PVAc son adhesivos utilizados en embalajes, textiles, encuadernación de libros para la unión de láminas de plástico, superficies de metal y revestimientos de papel.
El copolímero de acetato de vinilo-etileno también se utiliza en la formulación de recubrimientos de buena calidad en pinturas para interiores de base acuosa al 53% de dispersante primario

Producción/modificador de otros polímeros
La hidrólisis de EVA genera el copolímero alcohol vinílico-etileno (EVOH), muy usado en la industria del envasado de alimentos por su excepcional propiedad barrera.
También se utiliza para mejorar el apego de film de polietileno de baja densidad o de policloruro de vinilideno. El LDPE y el PVDC no son lo suficientemente “pegajosos” por su propia cuenta, y no se adhieren a ellos mismos. Para lograr el aferramiento deseado, ciertos polímeros de menor peso molecular se añaden; los dos más comúnmente utilizados son poliisobuteno (PIB) y polietileno-co-vinilacetato (EVA). Sus cadenas fácilmente interactúan unas con otras y su menor peso molecular las hace más móviles dentro de la matriz polimérica.

Otros usos
El EVA se utiliza en la fabricación de balones de fútbol (Adidas Jabulani). El EVA se utiliza en aparatos ortopédicos, los cigarrillos a prueba de fuego (FSC), tablas de surf, almohadillas de tracción para skimboard y para la fabricación de flores artificiales. También se utiliza como aditivo para mejorar el apego excesivo en envolturas de plástico, un mejorador de flujo en frío para combustible diesel y un separador en filtros HEPA (High-Efficiency Particulate Air). También se utiliza para hacer los protectores bucales termoplásticos que se ablandan en agua hirviendo para un mejor ajuste en un usuario específico. Usos adicionales se encuentran en la realización de los parches transdérmicos de nicotina. El EVA también se utiliza para la fabricación de bolsas para cadáveres y aislamiento de cables eléctricos.
Láminas de EVA se utilizan en la industria fotovoltaica como un material de encapsulación para el silicio de las células (fotovoltaicas) en la fabricación de módulos fotovoltaicos.

 

El EVA se utiliza en la fabricación de Balónes de fútbol

Recubrimiento de cables

Encapsulado de celdas fotovoltaicas

Referencias:
http://www2.dupont.com
http://www.kunststoff-handelsnamen.de
http://chem.sis.nlm.nih.gov
http://www.schollbiomechanics.com
http://www.evafilms.com
http://www.interempresas.net
http://www.madsci.org
http://en.wikipedia.org
http://www.ufm.hu
http://www.chemquest.com
Plaste und Kautschuk (1983) - H. Bucka, R. Nitzsche, H. Onderka
http://www.freepatentsonline.com
http://www.usife.com.tw