El agua y los plásticos, difícil amistad

Si la absorción de agua es importante en cantidad, se producirá una variación dimensional o hinchamiento en un porcentaje en función del tipo de polímero. Estos cambios de dimensiones son reversibles al efectuar la extracción de dicha humedad del polímero mediante un secado o un deshumidificado. Cuando la humedad disminuye eliminando el agua, la pieza se contrae y pierde el peso correspondiente. Hay polímeros en los que esta absorción de agua (poliamidas ver tabla) actúan como plastificantes, efectuando un cambio de propiedades importante tales como reblandecimiento, elasticidad, tenacidad, resistencia al impacto, etc.

Exposición al agua del plástico en servicio en estado sólido.

Esta influencia del agua en las poliamidas hace que cambie la Tg (Temperatura de transición vítrea) de las mismas en función de la humedad. Por ejemplo en PA seca, la Tg está situada por encima de la temperatura ambiente, es decir, a temperatura ambiente la PA seca será frágil y quebradiza. Sin embargo, la PA acondicionada o humedecida tendrá la Tg por debajo de la temperatura ambiente por lo que su comportamiento será más dúctil y plástico.

El resultado extremo que puede darse en servicio es la hidrólisis, reacción química con el agua. La hidrólisis es un proceso lento a temperatura ambiente pero puede ser rápido a temperaturas altas de servicio. Esta reacción origina una pérdida de peso molecular, rotura de cadenas moleculares, pérdida de peso molecular y por tanto, pérdida de propiedades del polímero, especialmente la tenacidad.

Este proceso es irreversible. El secado del material plástico no restablecerá el peso molecular ni las propiedades iniciales. Las piezas hidrolizadas no pueden ser trituradas y reutilizadas debido a que sus propiedades no son recuperables.

Exposición al agua del plástico en estado fundido.

A temperatura de fundido se puede dar lugar a diferentes reacciones del polímero al agua o la humedad.

La plastificación de la masa origina un aumento de la fluidez. Esto será reversible si el polímero se seca y reprocesa.

La vaporización se produce cuando la presión del fundido se reduce por efecto del agua, las burbujas, las ráfagas y pequeñas explosiones son signos de vaporización. La ráfaga son burbujas que han sido aplastadas contra la superficie del molde por efecto de la presión. Burbujas que finalmente explotan dejando la señal en forma de ráfaga. Este efecto es fácilmente visible ante una purga de la unidad de inyección.

La hidrólisis que se produce a temperaturas de fusión es un proceso rápido y severo. No es reversible, se produce una pérdida de peso molecular y de propiedades así como una reducción drástica de la viscosidad del polímero, por tanto un aumento sustancial de la fluidez. Este efecto no es reversible. Este efecto a temperatura de fusión no necesita gran cantidad de agua y es un proceso rápido.

Esto da lugar a rebabas, goteos, cambios de aspecto y dimensiones. La hidrólisis a temperaturas de fusión no necesita gran cantidad de agua.

Cuando consideramos la relación de la humedad y los plásticos se pueden diferenciar tres tipos de comportamientos:

• Hidrofóbicos: No tienen afinidad con el agua (Water hated), son materiales no polares mientras que el agua es polar. (Ejemplo de material polar y no polar que no interactúan: aceite y agua).
• Hidrofílico: Materiales polares que atraen agua y deben secarse (Water loved). Estos materiales pueden reaccionar absorbiendo el agua o reaccionando con roturas de cadenas moleculares (hidrólisis).

Algunos plásticos ni absorben agua significativamente ni les afecta el agua a temperaturas de transformación. Este grupo comprende aquellos que solo contienen átomos de carbono hidrógeno y otros como los acetales.

Otros, aunque no se degradan con el agua, pueden absorber suficiente cantidad de la misma para provocar una vaporización durante su transformación en estado fundido. Esto puede provocar ráfagas pero no se produce suficiente absorción de agua para afectar a las propiedades mecánicas en la utilización.

• Un tercer grupo sería aquel que se ve seriamente afectado e hidrolizado por el agua a temperatura de fusión con muy poca cantidad de agua, por ejemplo, poliésteres. Algunos plásticos como los poliésteres cuando se hidrolizan consumen parte del agua en la reacción química de la hidrólisis, por lo que no es posible detectar la hidrolización de la estructura mediante la observación de ráfagas ya que estas no se producen. Esto hace más indetectable la hidrólisis en este tipo de materiales.

Las cantidades de agua necesarias para producir modificaciones importantes de dimensiones o propiedades a temperatura de servicio son relativamente grandes (del orden del 0,5%). Sin embargo, para producir un serio efecto durante la transformación son mucho menores. Sólo son necesarias unas décimas porcentuales de agua. Estos porcentajes pueden ser absorbidos en muy corto espacio de tiempo en una tolva abierta en un ambiente húmedo.

Algunos ejemplos de reacción al agua.

En la hidrólisis del policarbonato puede observarse cómo la molécula de agua H₂O, interfiere en la molécula del polímero seccionándola y por tanto, con pérdida irreversible de propiedades.

En el caso del policarbonato la rotura molecular empieza aproximadamente a 70 °C.

Para los materiales plásticos hidrofílicos o aquellos sensibles a la hidrólisis, es imprescindible aplicar un tratamiento previo de deshumidificación con equipos deshumidificadores que utilicen un aire suficientemente seco para extraer el máximo nivel de humedad con un adecuado punto de rocío o Dew Point.

Algunos plásticos absorben humedad de la atmósfera. Esta absorción de humedad depende del tipo de plástico. Aunque sea solo humedad por condensación en la superficie, puede provocar problemas en las piezas fabricadas con materiales de ingeniería sensibles a la humedad.

Los problemas que pueden aparecer pueden ser pérdida de calidad superficial y pérdida de propiedades mecánicas.

La presencia de humedad no es fácilmente detectable o visible en la granza y a veces, tampoco en las piezas. Sin embargo, los niveles de humedad en la misma pueden superar los límites aconsejables.

La gran mayoría de materiales plásticos permiten un nivel máximo de humedad en la granza para ser procesados. Esto depende de la sensibilidad al agua de cada material. Factores que influyen también pueden ser la humedad contenida en el material cuando lo recibimos, el tipo de embalaje y su calidad así como el periodo de almacenaje desde que se fabricó el material, también las condiciones de almacenaje sufridas por el material. La poliamida por ejemplo, suele envasarse en sacos con un film de aluminio a modo de barrera y envasados al vacío. Esto permite utilizar directamente el material del saco sin secar. No obstante, la mayoría de las veces es preferible secarla antes de inyectar para asegurar el nivel de humedad adecuado.

La familia de los poliésteres, como el PBT o el PET, son bastante más críticos con la humedad, y deben ser siempre deshumidificados para asegurar las propiedades mecánicas, por ejemplo, el impacto.

Además estas resinas son capaces de absorber humedad de su entorno rápidamente. Una vez realizado su secado, se exponen de nuevo a la humedad ambiente, por ello es necesario extremar el cuidado cuando se manipulan sacos abiertos, contenedores, etc. así como los sistemas de transporte por vacío. En condiciones climáticas desfavorables, el PET y PBT pueden tardar tan sólo 10 minutos para sobrepasar el límite de humedad recomendado del 0,02%, por ello, es recomendable cerrar los sacos y contenedores que han sido utilizados solo parcialmente y disponer de una tapa en la tolva durante todo el procesado.

Es importante seguir un correcto procedimiento de secado si queremos obtener piezas de calidad. Los secadores de aire forzado utilizan el aire ambiental, lo calientan y lo introducen en el secador. Estos no son adecuados para materiales con sensibilidad al agua como por ejemplo, poliésteres.

Deben utilizarse deshumidificadores de aire seco. Estos sistemas realizan un secado previo del aire ambiental antes de efectuar el secado de la granza. Esto aporta un secado adecuado y constante sin influencias de la humedad ambiental.

Además de mantener la temperatura de secado correcta, estos aparatos pueden asegurar que el punto de rocío del aire (Dew Point) permanece <= -20 °C. El Dew Point es una medida absoluta de cuanta humedad esta contenida en el aire. Cuanto menor sea el Dew Point menos humedad contenida. Cuando el aire es seco, la humedad no puede condensar hasta que la temperatura del aire baja del nivel de congelación.

Cuando nuestro deshumidificador nos indica un Dew Point de -40 °C quiere decir que el aire que está utilizando para secar contiene la cantidad de agua equivalente a si este aire hubiese sido enfriado hasta -40 °C.

Tanto en tiempos como en temperaturas el no respetar las recomendaciones de secado que nos indica el fabricante del plástico por exceso, pueden dañar al plástico de manera irreparable. Parte del pack de aditivos puede verse deteriorado por exceso de temperatura así como por un tiempo excesivo de secado.

La calidad de nuestra producción empieza mucho antes de la inyección propiamente dicha, comienza en el deshumidificado previo.

José Ramón Lerma es autor del Libro Manual Avanzado de Inyección de Termoplástico, que tiene como objetivo ser, por un lado, una herramienta para la formación y, por otro, un manual de ayuda para todo el personal de una empresa de inyección de plásticos. El libro, comercializado por Plásticos Universales / Interempresas (libros@interempresas.net), consta de detallados casos prácticos, amplia información de moldeo científico y un ‘pendrive’ con 20 hojas de cálculo y herramientas de SC Molding o Scientific Injection Molding, además de optimización y definición de proceso, lo que lo hacen único en el mercado. Página web sobre Scientific Injection Molding: www.asimm.es

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