3. Materiales y técnicas experimentales
3.1. Descripción de los materiales
En esta tesis se han empleado cuatro materiales en base polipropileno: un polipropileno isotáctico homopolímero (iPP) y tres copolímeros en bloque propileno etileno (EPBC) con diferentes contenidos de etileno. Tanto el iPP (en adelante, H0) como los EPBC (denominados C1, C2 y C3) fueron seleccionados con un índice de fluidez correspondiente a un grado mixto, lo que les permite ser transformados tanto por inyección como por extrusión. Estos materiales presentan varias ventajas para alcanzar los objetivos deseados ya que:
Fueron objeto de estudios previos [17] (y publicaciones derivadas) con lo que este trabajo permite avanzar y profundizar en la relaciones entre proceso, estructura y propiedades.
Se tratan de materiales comerciales con diferentes porcentajes de etileno.
En la Tabla 3.1 se muestran las propiedades características de los materiales estudiados. Estos datos han sido facilitados por el fabricante, o en algunos casos, determinados experimentalmente en trabajos previos o al inicio de esta tesis.
De las propiedades que se muestran en dicha tabla, se deduce que el contenido de etileno conlleva:
Una disminución de la temperatura de uso, ya que tanto la temperatura Vicat como la HDT disminuyen al pasar de H0 a C3.
Una disminución de las propiedades mecánicas Una mejora de las propiedades a impacto.
Comportamiento reológico
A modo de estudio preliminar, se analizó el comportamiento reológico de los materiales, determinando en primer lugar el índice de fluidez (MFI).
Tabla 3.1. Propiedades básicas de los materiales según el fabricante, exceptuando los campos
señalados con superíndices: a) procedente de estudios previos [15]; b) calculadas en el desarrollo de la tesis
Propiedades H0 C1 C2 C3
Referencia del fabricante HP501L Moplen Moplen 2300K EP340M Moplen Hostaform LPX1836
Porcentaje de etileno a 0 5.5 7.4 12 MFI b g/10 min. (230 ºC, 2.16 kg) 5.5 5.3 7.8 8.2 Tf, Temperatura de fusión b(ºC) 10º/min. 166 166 166 165 Tc, Temperatura de cristalización (ºC) 10º/min. 116 113 122 123
Tensión máxima (MPa)
v = 50mm/min. 35 26 21 17
Elongación al máximo (%)
v = 50mm/min. 10 8 6 6
Módulo de Young (MPa)
v = 1mm/min. 1500 1250 1150 750
Impacto Izod con entalla (kJ/ m2)
T = 23ºC T = rotura parcial 3,5 6 45T -
Charpy con entalla (kJ/ m2)
T = 23ºC T = rotura parcial 3,5 7 45T 65
Charpy con entalla (kJ/ m2)
T = -20ºC - 2,5 7 14
Charpy sin entalla (kJ/m2)
T = 23ºC SR = Sin rotura; 140 SR SR SR Dureza bola (N/mm2) 132N/30s 76 53 46 40 Indeformabilidad al calor (ºC) HDT(B) 85 73 80 68 Índice Vicat VST (ºC) B/50 92 66 58 - Aplicaciones típicas Inyección (tapones, envases, etc.) Inyección (menaje, muebles oficina, cajas) Bobinas cables, automóvil Parachoques automóvil
El MFI proporciona una medida relacionada con la viscosidad del fundido a bajas velocidades de deformación. Éste se determinó según la norma ASTM D-1238, empleando un plastómetro CEAST a una temperatura de 230 ºC con un peso de 2.16 kg. Se utilizó para las medidas una boquilla normalizada de 2.095 mm de diámetro y 8 mm de longitud, obteniendo un mínimo de 10 muestras en un intervalo de 10 minutos, que fueron promediadas para el cálculo del índice de fluidez.
Aunque, como se indicó anteriormente, los cuatro materiales corresponden a grados mixtos y sus índices de fluidez son parecidos, los copolímeros C2 y C3 presentan mayores valores de MFI que los materiales H0 y C1, como se aprecia en la tabla 3.1.
Una mejor caracterización reológica se pudo llevar a cabo mediante reometría de disco, utilizando un reómetro de torsión tipo disco-disco (ARES, Rheometric Scientific, Piscataway, USA) con muestras de 25mm de diámetro y 3mm de espesor. Estas muestras fueron obtenidas a partir de granza mediante moldeo por compresión.
El ensayo consiste en someter una muestra fundida colocada entre dos platos paralelos, a una deformación de cizalla en forma de torsión. Mientras un disco gira, el otro está conectado a un transductor que mide el par y la fuerza normal. La secuencia del ensayo fue la siguiente:
Ubicación de la muestra sobre el disco inferior durante tres minutos hasta que se alcanzó la temperatura del ensayo (180, 200 ó 220ºC)
Descenso del plato superior hasta una distancia de 2.5mm
Imposición de un ciclo de deformación oscilatorio, variando la frecuencia de giro e incrementando la velocidad de deformación entre 0.03 y 300 s-1 (20 pasos, con medidas de 10 segundos por paso).
A partir de los datos obtenidos se obtuvieron los valores de viscosidad en función de la velocidad de deformación (η vs. γ). Las curvas resultantes fueron similares a las que se muestran en la Fig. 3.1. En esta figura se observa que a altas velocidades de cizalla, los materiales H0 y C1, por un lado, y C2 y C3 por otro, presentan similitudes en su comportamiento reológico. Estas tendencias se representan en la Fig. 3.1 con una línea discontinua para los materiales H0 y C1, y otra continua para C2 y C3. Se puede ver que a altas velocidades de cizalla los materiales C2 y C3 tienden a ser más fluidos que el H0 y C1.
Aunque debido a la geometría del ensayo no se pueden extrapolar directamente los resultados de reometría de disco con el comportamiento del fluido durante los procesos de inyección y extrusión, es útil hacerse una idea del orden de las viscosidades
correspondientes a las velocidades de cizalla de los procesos. Así, los valores de índice de fluidez se determinaron en un rango de γ~10-15 s-1, donde se observa que las viscosidades son relativamente parecidas entre sí. En el caso del proceso de inyección de placas, las velocidades de cizalla se estimaron en el rango de 20-120 s-1 (según el espesor de la placa) que es donde más diferencias hay en las viscosidades, mientras que para el proceso de extrusión la velocidad de cizalla fue del orden de 1-5 s-1.
Fig. 3.1 Curvas de viscosidad vs. velocidad de cizalla obtenidas por reometría de
disco para los materiales H0, C1, C2 y C3. T = 180 ºC
También destaca el comportamiento reológico del copolímero C3, que presenta una relajación para velocidades de cizalla de 0.3 s-1 que no tienen el resto de los EPBC, atribuible a los segmentos de polietileno.
Se puede predecir que los materiales H0 y C1 tendrán, por un lado,.un comportamiento similar en el proceso de inyección, al igual que los materiales C2 y C3 por otro lado. En extrusión, las viscosidades de los fundidos no parecen indicar que existan unas diferencias destacadas entre los cuatro materiales. Si ordenamos los materiales según su viscosidad aparente, obtenida por MFI y reometría de disco obtenemos las siguientes
10 100 1000 10000 100000 0.1 1 10 100 1000 H0 C1 C2 C3 Velocidad de cizalla γ (s· -1) Viscosidad η (Pa·s ) Extrusión MFI Inyección
C1 > H0 > C2 > C3 (MFI)
C1 > H0 >C3 >C2 (reometría de disco, en valores de γ de 1 y 100 s-1)
Como estas tendencias son bastante similares, se emplearan los valores de MFI para caracterizar la fluidez del fundido a lo largo de esta tesis, ya que corresponden a una geometría de ensayo más parecida a la de los procesos de transformación empleados.