Medición de la procesabilidad de materiales plásticos

Presentación del tema: "Medición de la procesabilidad de materiales plásticos"— Transcripción de la presentación:

1 Medición de la procesabilidad de materiales plásticos
Los distintos procesos de transformación se efectúan a diferentes velocidades de corte, por lo tanto, la determinación de las propiedades de flujo se deberá efectuar considerando las velocidades de corte involucradas en el proceso de transformación que será utilizado.

2 proceso de transformación involucrado
Equipos utilizados para determinación de h a diferentes g de acuerdo al proceso de transformación involucrado h Reómetros rotacionales Reómetros capilares Indice de fluidez Rotomoldeo Calandreado Extrusión Inyección Recubrimiento de cable 10-3 10-1 101 g, s-1 103 105

3 La velocidad de flujo volumétrico para un fluido Newtoniano se calcula de acuerdo a la ecuación:
pR4DP Q = 8Lm dónde tenemos que: Q = Velocidad de Flujo Volumétrico R = Radio del tubo L = Longitud del tubo DP = Caída de Presión m = Viscosidad

4 Si consideramos que, para un molde dado R y L representan la geometría de la entrada, canales, etc.,
y son constantes; la ecuación anterior puede escribirse: A DP Q = m A = Dim. de la eda.

5 De acuerdo a la ecuación anterior tenemos que:
Si el flujo volumétrico y la caída de presión se mantienen constantes de un ciclo de moldeo al siguiente. A una temperatura determinada, la viscosidad del polímero será constante. Por lo tanto, el material fluirá con las mismas características dando lugar a piezas moldeadas de propiedades idénticas.

6 Reometría capilar Comportamiento de flujo a diferentes velocidades de corte Esfuerzo – Vel de corte Viscosidad –Vel. de corte

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8 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad F, a Velocidad Constante Pistón Orificio Plástico II.2.1 Reometría Capilar. Con el viscosímetro ó reómetro capilar se miden las propiedades de flujo ó reológicas de plásticos fundidos, y se estima el comportamiento de flujo del material durante el procesado del plástico. El viscosímetro capilar opera a velocidades de corte entre 10 y 10,000 seg-1 y cubre ampliamente el intervalo de velocidades de corte que se presentan en extrusión e inyección Figura 2.19

9 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad Al aplicar una velocidad se obtiene como respuesta una fuerza para hacer fluir el plástico. Se aplica una mayor velocidad y se requiere otra fuerza de empuje. En resumen, a cada velocidad se requiere una determinada fuerza, por ejemplo: V (cm/min) F (kg) 0.03 0.1 0.3 1.0 3.0 79 113 152 205 260

10 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.2 Reometría Capilar. Aplicación En un flujo a través de un capilar debido a una fuerza aplicada, el esfuerzo de corte, s, se relaciona con la caída de presión DP0 a lo largo del capilar, mientras que la velocidad de corte, g,se relaciona con el flujo volumétrico Q: R · DP0 2L s = 4*Q p * R3 g = Ejemplo: con los datos del Reómetro, se calculan las Propiedades de Flujo V (cm/min) F (kg) g (seg-1) s (dinas/cm2) h (poises) 3.6 12.0 36.0 120.0 360.0 7.61 * 105 3.27 * 105 1.44 * 105 0.59 * 105 0.25 * 105 2.74 * 106 3.92 * 106 5.19 * 106 7.06 * 106 8.92 * 106 0.03 0.1 0.3 1.0 3.0 79 113 152 205 260

11 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.2 Reometría Capilar. Aplicación Con estos datos se obtienen dos curvas, y de la curva de Esfuerzo de Corte vs. Velocidad de Corte se calcula “n”, el índice de la ley de Potencia, que en este caso es 0.26 Esfuerzo de Corte (log) Velocidad de Corte (log) (a) Visco- sidad (log) Velocidad de Corte (log) (b) Newtoniano Newtoniano No-Newtoniano No-Newtoniano Figura 2.20

12 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.3 Viscosidad de fluidos no-Newtonianos. Fluidos independientes del tiempo. La viscosidad sólo depende de la temperatura y la velocidad de flujo. Existen fluidos que pueden cambiar hasta 1000 veces. Su comportamiento se predice con la Ley de la Potencia. C B A Velocidad de Corte Viscosidad B C A 1000 veces 106 105 104 103 102 Figura 2.13

13 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.4 Indice de la Ley de Potencia “n”. Se calcula de la pendiente en la gráfica logarítmica de Esfuerzo de Corte vs Velocidad de Corte. Experimentalmente, esto es válido sólo en un intervalo corto de la gráfica, debido a la curvatura que presenta en todo el rango. Esta gráfica se obtiene mediante Reometría Capilar Figura 2.16 Esfuerzo de Corte, s (Escala Log) Velocidad de Corte, g (Escala Logarítmica) Pendiente = n Intercepto = Log (K’) Figura 2.17 Esfuerzo de Corte, s (Escala Log) Velocidad de Corte, g (Escala Logarítmica) Pendiente = n Intercepto = Log (K’)

14 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.5 Indice de la Ley de Potencia “n”. “n” indica que tan rápido disminuye la viscosidad al aumentar la velocidad de corte. Figura 2.15 Viscosidad Velocidad de Corte n = 1 n = 0.7 n = 0.3 Esfuerzo de Corte Valor de “n” para algunos Plásticos ACRILICOS POLIESTIRENO POLIESTER POLICARBONATO NYLON 6,6 0.25 0.30 0.60 0.70 0.75

15 Plastómetro de extrusión Indice de fluidez ASTM - D1238 Peso en gramos/10 min a condiciones estándar

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17 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.6 Indice de Fluidez. La fluidez (Indice de Fluidez, melt index, MI, ó melt flow index, MFI) se mide en un plastómetro de extrusión, al hacer fluir el plástico debido a un peso aplicado al pistón. Se pesa el material que sale a través del dado en un tiempo determinado y se calcula el que saldría en 10 min

18 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.2 Evaluación de la Viscosidad II.2.6 Indice de Fluidez. El índice de Fluidez es un indicativo del peso molecular. A diferencia del Reómetro capilar, no es útil para predecir el comportamiento del plástico en el proceso. Solo sirve para observar la variación de un lote a otro del mismo tipo de resina Peso Plástico Pistón Muestra para pesar Visco- sidad Velocidad de Corte 100 101 102 103 104 Indice de fluidez = 1 Intervalo de Velocidades de Corte típicas de Extrusión Figura 2.18

19 Curvas de Flujo en Espiral
150 Nylon 6 Polietileno, MFI 20 100 Longitud de la espiral, cm PVC flexible Polietileno MFI 2 50 Nylon 66, fv Acrílico Polipropileno PVC rígido 120 150 200 250 300 350 Temperatura del cilindro, °C

20 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.3. Otros Factores que Afectan la Viscosidad de los Plásticos II.3.1 Temperatura. A medida que aumenta la temperatura del plástico, las moléculas se separan. Esto reduce la fricción entre ellas y por consiguiente disminuye la viscosidad Reglas Generales Acerca del Cambio de Viscosidad Plásticos amorfos. Cada cambio en la temperatura del plástico de aprox. ½ grado centígrado, producirá un cambio de aprox. 5-10% Plásticos Semi-cristalinos. Cada cambio en la temperatura del plástico de aprox. ½ grado centígrado, producirá un cambio de aprox. 1-2 % Viscosidad Velocidad de Corte Figura 2.21 T1 = 180ºC T2 = 200ºC T3 = 220ºC

21 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.3. Otros Factores que Afectan la Viscosidad de los Plásticos II.3.2 Degradación. La degradación cambia la estructura química de las moléculas del plástico: Al romperse la cadena, disminuye el tamaño de la molécula Al entrecruzarse, aumenta el tamaño de la molécula Figura 2.22 Viscosidad Velocidad de Corte Entrecruzado (Peso Molecular aumentado) Normal Peso Molecular Reducido

22 II. Propiedades de Flujo de los Plasticos
II.3. Otros Factores que Afectan la Viscosidad de los Plásticos Viscosidad Velocidad de Corte Normal Modificadores de impacto Cargas y Rellenos Deslizante y Lubricante Plastificante Ayudas de proceso

23 Reometría Capilar Datos experimentales de velocidad de pistón y fuerza para un PE20020 a 190°C en un reómetro cap. L/D = 31.1, Dc=0.05 mm V (cm/min) F(Kg)

24 Con los datos de V se calcula el flujo volumétrico Q
Q = V X Ap = (cm3/seg) Con los datos de Q se calcula la velocidad de corte aparente (gapp) gapp = 4Q/pR3 = (seg-1) Con los datos de F se calcula la caída de presión DP DP = F /Ap = (dinas/cm2) Y con los datos de DP se calcula t t = DPRc/2Lc = DP/2(L/R) = (dinas/cm2)

25 V (cm/min) Q (cm3/seg) gapp (seg-1)
e e01 e e02 e e02 e e02 e e03 e e03 e e03 e e04 e e04

26 F(Kg) DP(dinas/cm2) t (dinas/cm2)
e e05 e e05 e e06 e e06 e e06 e e06 e e06 e e06 e e06

27 Con los datos de t y gapp se calcula la happ donde
happ = t/g = dinas.seg/cm2 = poises gapp (seg-1) t (dinas/cm2) happ(poises) 5.80e e e03 1.93e e e03 3.87e e e03 5.80e e e03 1.93e e e03 3.87e e e02 5.80e e e02 1.93e e e02 3.87e e e02

28 Ley de la Potencia t = K gn
Con los datos de t, gapp y happ se obtienen las curvas de flujo para este material. El ajuste de las curva de flujo log t vs log gapp nos permite obtener el índice de la ley de la potencia ( n ) que en este caso es igual a Ley de la Potencia t = K gn de donde Log t = Log K + n Log g

29 Reometria Capilar

30 Correcciones Los datos obtenidos nos permiten comparar el comportamiento de flujo de resinas del mismo tipo pero si deseamos comparar resinas diferentes o si los datos van a ser requeridos con propósitos de investigación será necesario hacer correcciones a dichos datos. Para polímeros fundidos las más importantes son: a) Efectos de entrada b) Caracter no-Newtoniano del material

31 Corrección de Bagley Es una sobresimplificación el considerar que el barril consiste de una reserva estática de fundido, mientras existe un flujo extensivo en el capilar, es razonable creer que hay una intensa actividad en la región de la entrada al dado donde el flujo converge dentro del orificio del dado esto ha sido confirmado mediante estudios visuales de fundido conteniendo partículas trazadoras observadas a través de dados transparentes

32 Corrección de Bagley Bagley mostró que si se mide la caída de presión DP contra la app utilizando una serie de dados de diferentes L/D las gráficas de DP contra L/D a app constante muestran un aumento efectivo x en la razón L/D leyendo la intercepción negativa de la gráfica.

33 Corrección de Bagley

34 Corrección de Bagley En este caso el esfuerzo de corte corregido está dado por tc = DP/[4(L/D + x)] DP = 4t (x+L/D) = 4t x + 4t(L/D) De la gráfica DP contra L/D podemos obtener el tc tc = pendiente/4 Por otra parte, de la ecuación DP = 4t (x+L/D) obtenemos que cuando DP = 0 x = -L/D(L/D de corrección)

35 Datos para el cálculo de tc para cada g
Corrección de Bagley Datos para el cálculo de tc para cada g

36 Presiones, L/D correc. y tc
Corrección de Bagley Presiones, L/D correc. y tc

37 Corrección de Rabinowitsch
Es una corrección a la velocidad de corte. Se aplica a los datos de viscosidad obtenidos de un reómetro capilar una vez ya utilizada la ecuación gapp = 4Q/pR3 la cuál es válida para fluidos Newtonianos. En el caso de polímeros que son fluidos no-Newtonianos, la g se calcula con: g = (3n+1/4n) 4Q/pR3 El término entre paréntesis se conoce como corrección de Rabinowtisch.

38 Debe tomarse en cuenta que:
- Para propósitos comparativos el aplicar la corrección no altera la comparabilidad de los resultados. - Para un tubo la relación entre tw y gw (en la pared) es única no depende del tamaño del tubo o capilar. Por estas razones la única ocasión donde se necesita utilizar la corrección es para propósitos de investigación donde se requiere conocer la g verdadera (corregida). Para propósitos de escalamiento no es tan importante. Sin embargo, conocer el valor de n (Indice de la Ley de la Potencia) es útil como medida del grado de comportamiento no-Newtoniano del fundido. Entre menor sea el valor de n más no-Newtoniano es el fundido.

39 Velocidades de corte corregidas por Rabinowitsch

40 Con los datos de gc y tc se elaboran las curvas de flujo y se pueden obtener los parámetros de la Ley de la Potencia, K y n, con la ecuación: t = Kgn Ajustando la recta de log t contra log g. Para este ejemplo tenemos que log K = 4.93 y que n = 0.37

41 Curvas de flujo corregidas

42 El esfuerzo de corte tc que se obtiene al introducir la corrección de Bagley será siempre igual o menor que el t sin corregir y la diferencia entre ambos será mayor entre más grande sea el predominio de las características elásticas sobre las viscosas del material, esto es, entre mayor sea la caída de presión ocasionada por el repentino cambio en el área de paso del barril al capilar. Igualmente gc por Rabinowitsch será siempre igual o mayor que g sin corregir y la diferencia entre ambas será mayor entre más se aleje el material del comportamiento Newtoniano, es decir entre más alejado de 1 sea el valor de n.