Proceso de Moldeo por Inyección Reactiva

CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES

agrícola, mobiliario, material deportivo y encapsulados electrónicos, entre otras aplicaciones.

La diferencia principal entre el proceso RIM y el proceso convencional de inyección es que el primero utiliza monómeros y oligómeros reactivos, mientras que en el segundo se emplea el polímero ya formado. Otra diferencia es que en el proceso convencional se emplean altas temperaturas para fundir y dar forma al polímero; en el proceso RIM la - temperatura del monómero y el molde no son muy diferentes y la reacción de

polimerización se activa con el mezclado.

En la Tabla 1.6 se muestra una comparación entre el proceso típico de inyección (PTI) y el proceso RIM.

Tabla 1.6. Comparación entre el proceso RIM y el proceso típico de Inyección [42].

Característica RIM PTI

Temperatura de los materiales 40°C 200 °C

Temperatura de molde 70°C 25°C

Presión de inyección 100 bar 1000 bar

Fuerza de cerrado (por 1 m2 de

superficie de la pieza) 50 ton 3000 ton

En el proceso RIM es importante evitar las reacciones de polimerización que formen subproductos y la evolución de gases o vapores. También se requieren velocidades rápidas de iniciación de la polimerización y altas conversiones. Estas son las razones por las que no - todos los materiales pueden ser sintetizados utilizando la tecnología RIM.

La Figura 1.4 muestra un esquema típico del proceso RIM, en el que dos o mas reactantes fluyen a presión (entre 100 y 200 bar generalmente) en una cámara mezcladora.

Se debe controlar la velocidad a la que cada reactante es inyectado al molde para cumplir con la estequiometría correcta de la reacción. Las corrientes empiezan a reaccionar al

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tiempo que son mezcladas e inyectadas al molde y debido a que en esta etapa la viscosidad del mezclado es baja se requiere una presión de solo 10 bar para inyectarla al molde.

1) Intercambiadores de calor, 2) Tanques de alimentación, 3) líneas de alimentación, 4) motor del mezclador, 5) pistones de inyección y bomba de recirculación, 6) líneas de

regreso de reactantes, 7) mezclador y 8) molde.

Figura 1.4. Representación esquemática del proceso RIIM

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Como se mencionó, el proceso RJIM fue desarrollado primeramente para sistemas a base de poliuretano [44], sin embargo, el rápido crecimiento de la industria automotriz impulsó el desarrollo de otros sistemas utilizando esta tecnología, como es el caso del Nylon-6 cuya producción mediante el proceso RIM empezó en 1983, en sistemas basados en diciclopentadienos [42] y acrilamatos [45] los cuales se empezaron a producir industrialmente en 1985. La tecnología RDvI también se ha utilizado para sintetizar resinas epóxicas, poliésteres instaurados y resinas fenólicas [42].

El proceso REVI también tiene algunas desventajas debido precisamente a la baja viscosidad de los materiales, ya que las burbujas de aire pueden quedar atrapadas durante el llenado del molde. El manejo de los reactivos y de los líquidos que generalmente son peligrosos requieren de equipo y procedimientos especiales. El desmoldeo también es un problema ya que sistemas como el poliuretano se adhieren bien al metal por lo que se requiere del uso de un desmoldante en aerosol antes de cada inyección. Sin embargo, a este respecto se ha desarrollado un desmoldante interno que reduce el uso de aerosol hasta casi una vez por cada 100 inyecciones.

Existen dos clasificaciones generales para el proceso REvI que se basan en el sistema químico, el uso de rellenos y las características fisicas deseadas en el producto final. Es importante diferenciar las clasificaciones porque de ello depende el tipo de bombas de alimentación que se utilizarán en el proceso. Las clasificaciones son: 1) Moldeo por inyección reactiva reforzada (RRIM), en el que se utiliza un material reforzante que es añadido en una de las corrientes del sistema antes del mezclado. Comúnmente se utilizan como rellenos vidrio molido, cortado o en hojuelas. Este relleno mejora la estabilidad dimensional, incrementa la dureza y mantiene bajo el costo de los materiales. 2) Moldeo por inyección reactiva estructural (SRIM), consiste en colocar una cama de material reforzante en el molde; los reactivos son inyectados para que solidifiquen alrededor de la cama de reforzante. Este proceso produce composites de alto desempeño de forma rápida y económica. El producto terminado tiene una alta concentración de reforzante aunque en

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algunas ocasiones puede ser dificil obtener superficies suaves, lo cual se considera una desventaja.

Como se mencionó anteriormente se encontró que la polimerización aniónica de la - caprolactama puede utilizarse para producir Nylon-6 mediante el proceso RIM. El primer sistema RIM basado en Nylon-6, llamado NYRIM, fue introducido comercialmente en 1981 [IS]. La polimerización aniónica de la -caprolactama es la base para la obtención del NYRIM (Esquema 1.13).

Ataque del ión para adicionar una unidad monomérica

O O 0 O O O H

C (CH2)5—N-f-R + OOM ()NM2)5 —Nf1—(CH2y4]'R

C

Absracción del hidrógeno

O O O H

CJC

II (CH2)5—N—(CH2 R +

M

O O O H O II

II II (CH2)5—Nf----(CH2)r---R + M

Esquema 1.13. Mecanismo de polimerización del Nylon-6 por RJIvI

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Esta polimerización consiste en dos corrientes, una de las cuales contiene catalizador disuelto en 8-caprolactama y la otra un iniciador de acil-lactama en e-caprolactama. Las dos corrientes fundidas se mezclan y posteriormente se inyectan a un molde caliente donde polimerizan para formar la pieza final [47].

El uso de la tecnología RIM para sintetizar diferentes materiales con un amplio intervalo de aplicaciones puede resultar de gran interés económico, tal es el caso del NBC que se obtiene mediante una polimerización rápida por este proceso. Como se explicó anteriormente el prepolímero u oligómero elastomérico tiene grupos iniciadores, los bloques de Nylon-6 crecen en los extremos del prepolímero obteniéndose así un copolímero en bloque.

Para obtener el copolímero de NBC, en una de las corrientes del sistema RIM (Figura 1.4) se disuelve el prepolímero en -caprolactama (corriente A) y en la otra corriente se disuelve el catalizador también en 8-caprolactama (corriente B). Ambas corrientes se mezclan y se inyectan al molde, que se encuentra a la temperatura de reacción. El proceso RIM permite adicionar más material para compensar la pérdida de volumen debida al encogimiento producido durante la polimerización.

La formación del NBC ocurre rápidamente entre los 130-150 °C. El tiempo requerido para la polimerización completa es aproximadamente de 30 segundos. La velocidad de reacción del sistema puede incrementarse de las siguientes maneras:

a) Incrementando la concentración de catalizador: al incrementarse éste se afecta la estequiometría del sistema. El resultado es un copolímero de menor peso molecular que puede tener menores propiedades.

- b) Incrementando la temperatura del molde: al incrementar la temperatura del molde se incrementa la velocidad de reacción.

Incrementar la temperatura de los reactantes: El tiempo de desmoldeo disminuye - linealmente con el aumento de la temperatura de los reactantes.

Mediante un proceso de activación: este es un método eficiente para incrementar la velocidad de reacción y consiste en adicionar al sistema de reacción una acil-lactama u 29

otro compuesto que active la reacción [42]. La reactividad aparente, evidenciada por un menor tiempo de desmoldeo, se incrementa en un 35-40% utilizando un sistema de activación apropiado.