La relación entre la temperatura de transición vítrea Tg, la temperatura de cristalización, la presión de inyección y el tiempo de enfriamiento

En este artículo repasaremos una serie de conceptos fundamentales para conocer el comportamiento del material y optimizar los procesos de transformación de plásticos en la planta de producción.

Temperatura de transición vítrea Tg en los plásticos. Esta temperatura es una característica de cada plástico, incluso dentro de la misma familia de materiales tenemos algunas diferencias en los valores de la Tg en función de la “receta” empleada en la polimerización y formulación.

Esta temperatura marca un cambio de fase muy importante en los plásticos. Un plástico si se encuentra por debajo de esta temperatura Tg, tiene un comportamiento frágil y rígido, mientras que cuando se encuentra por encima de la Tg se produce un cambio de fase y su comportamiento es elástico y gomoso. El plástico por encima de la Tg tiene un mayor alargamiento a la rotura. Esta temperatura al ser alcanzada permite cierto movimiento molecular que hace que el comportamiento del plástico sea más elástico.

La Tg podemos decir que es una temperatura que se encuentra entre la temperatura en estado sólido de un plástico y la temperatura en estado fundido.

Esta temperatura es muy importante en los plásticos pues nos va a indicar el comportamiento del plástico aunque este comportamiento e importancia también dependerá de si el material es amorfo o es semicristalino.

Tg y los materiales amorfos: Los materiales amorfos al calentarse presentan un comportamiento, como se ve en la figura 1, en la gráfica de color azul, de pérdida de propiedades mecánicas a medida que nos aproximamos a la Tg. Una vez alcanzada esta temperatura de transición, la pérdida de propiedades mecánicas es muy rápida. Podemos decir que tras esa pérdida de propiedades el material amorfo no puede utilizarse en aplicaciones por encima de su Tg.

Fig. 1. Comportamiento diferencia amorfo y semicristalino.

Tg y Tm en los materiales semicristalinos. Los materiales semicristalinos, debido a su diferente estructura tienen un comportamiento diferente al calentarse.

Igual que los materiales amorfos, las materias semicristalinas tienen una Tg, pero como puede observarse en la fig. 1, en la gráfica de color rojo, al pasar a temperaturas por encima de la Tg, hay efectivamente una pérdida de propiedades: la parte amorfa del material pierde sus propiedades mecánicas, pero la parte semicristalina de la estructura mantiene las propiedades mecánicas en un alto nivel (aquí va a influir el nivel de cristalinidad del plástico en cuestión y el nivel de cristalinidad obtenido durante el proceso de fabricación). No obstante, cuando seguimos calentando el material por encima de la Tg, alcanzamos otra temperatura importante en los materiales semicristalinos: la temperatura de fusión Tm, en la fig. 1 CST.

Este valor de Tg, siendo esta una temperatura muy importante de cambio de fase de los plásticos, no suele ser aportado por los fabricantes de plástico, salvo petición expresa. No aparece en los 'data sheets' estándar, una pena. Sin embargo, sí nos orecen normalmente otros datos del comportamiento térmico de los plásticos que nos ayudan valorar cada material. Estos datos que indican las características o comportamiento térmico de un plástico aparecen en el' data sheet' como por ejemplo, la temperatura HDT, cargas diferentes, 0,45 Mpa y 1,8 Mpa normalmente y la temperatura VICAT a dos cargas diferentes también 10 Nw y 50 Nw.

Estas temperaturas nos acercan a determinar a la zona de pérdida de propiedades del material, es decir, la Tg en los materiales amorfos y la Tm en los materiales semicristalinos. Ver gráfica de la fig. 1 de comportamiento del material a diferentes temperaturas.

La Tg y el tiempo de enfriamiento. Para desmoldear una pieza de plástico inyectada, una vez que la cavidad ha sido llenada con material fundido, este material debe solidificarse y enfriarse hasta un punto en el que el material pueda soportar los esfuerzos de la expulsión del molde sin que se generen daños o deformaciones permanentes en las piezas.

Plásticos amorfos. Como puede verse en la fig. 1, al calentar un material amorfo, el módulo del material declina. Va perdiendo propiedades mecánicas o modulo y finalmente la pérdida es sustancial cuando lo calentamos a temperaturas por encima de la Tg. Al continuar calentando pasamos a un estado donde el plástico puede ser procesado. Inicialmente podría ser termoconformado y más adelante, inyectado o extrusionado.

Haciendo el camino inverso, al enfriar el material desde el estado fundido, el módulo se recupera de modo inverso. Al enfriar el material desde su estado fundido, partimos de un módulo bajo y al enfriar el material y pasar a temperaturas por debajo de la Tg durante este enfriamiento, la recuperación del módulo y de las propiedades mecánicas es rápida también.

Cuando el plástico amorfo se calienta, al pasar de la Tg, cae su módulo en aproximadamente un 90%, pero al enfriar pasa al contrario al pasar por la Tg, el módulo se recupera de manera rápida. Pero de entarda, solo en las capas más cercanas a la cavidad del molde debido a la baja transmisión térmica de los plásticos, por ello la temperatura tarda más en caer en el núcleo de la sección de la pieza.

Aquí toma importancia la capacidad de transmisión térmica de cada plástico. Podemos decir entonces que el material amorfo debe ser desmoldeado siempre por debajo de su temperatura Tg para que este material haya recuperado propiedades mecánicas o módulo.

Podemos también decir que cuanto más rápido alcancemos valores por debajo de la Tg más rápido podremos desmoldear un material o una pieza inyectada. Es por tanto interesante saber cuaándo estamos por encima o por debajo de la temperatura Tg.

La Tm y el tiempo de enfriamiento en plasticos semicristalinos. Estos plásticos, como se puede ver en la figura 1, no se ven tan afectados por la Tg dada su estructura. No obstante, una de las temperaturas críticas de estos materiales es la Tm o temperatura de fusión.

Al alcanzar esta temperatura la fusión del plástico promueve la pérdida de propiedades mecánicas. En sentido inverso, al enfriar un plástico semicristalino fundido, al alcanzar la temperatura de cristalización, la estructura del material cristaliza recuperando una gran parte de las propiedades mecánicas del plástico.

Por tanto, podemos decir que un plástico semicristalino no puede desmoldearse hasta que no alcance la temperatura de cristalización que, aunque no tiene por qué ser la misma que la temperatura de fusión, sí que se encuentran cercanas.

Es por esto por lo que no tiene sentido mantener el tiempo de enfriamiento más largo del necesario una vez alcanzada la temperatura de cristalización en materiales semicristalinos pues ya podemos desmoldearlos.

Gráficas PVT

Estas gráficas muestran la evolución del volumen específico de un material V cm³/g, a diferentes temperaturas T °C y con diferentes presiones ejercidas P bar.

Fig. 2. Gráfica PVT amorfo y semicristalino.

En ellas, ver fig. 2, podemos ver que desde la T ambiente, el volumen específico va aumentando a medida que incrementamos la temperatura y por tanto, va disminuyendo la densidad. También podemos observar que hay un punto en el que el crecimiento del volumen específico cambia de tendencia o proporcionalidad. Este cambio se produce a la temperatura de transición vítrea Tg en el caso de los amorfos y a la temperatura de fusión Tm en el caso de los materiales semicristalinos.

Cambios en la Tg y en la Tm en función de la presión aplicada: En la gráfica PVT de la fig. 2, podemos ver también algo muy interesante: a medida que aumenta la presión sobre el material, la Tg aumenta también.

Veamos en el caso del poliestireno, gráfica superior, material amorfo. Vemos que con una presión de 400 bares, la Tg se sitúa alrededor de los 130 °C. Sin embargo, cuando la presión es de 1.000 bares, la Tg se sitúa en unos 180 grados C.

En el caso de la gráfica inferior de la fig. 2, se trata de un material semicristalino, un polipropileno. Podemos ver que con una presión de 400 bares, la temperatura de cristalización se sitúa alrededor de los 140 °C. Sin embargo, con una presión de 1.000 bares, la temperatura de cristalización es de unos 160 grados C.

Dados los cambios en la Tg en caso de los materiales y la Tm y la temperatura de cristalización en los materiales semicristalinos. Estas temperaturas aumentan cuando incrementamos la presión sobre el material. Estas temperaturas deben alcanzarse durante el enfriamiento para que el material recupere sus propiedades mecánicas y poder desmoldear las piezas inyectadas. Podemos concluir que cuanto más presión sobre el material más alta es la Tg y la temperatura de fusión y cristalización.

Cuanto más alta es la Tg y la temperatura de cristalización durante el enfriamiento antes será alcanzada en la fase de enfriamiento.

Cuanto más alta sea la Tg y la temperatura de cristalización, antes se recuperará el módulo y las propiedades mecánicas.

Cuanto antes se recuperen las propiedades mecánicas antes podremos realizar la expulsión de la pieza.

Cuanto antes podamos realizar la expulsión de la pieza menor será el tiempo de enfriamiento y por tanto menor tiempo de ciclo total.

Por tanto, podemos decir en consecuencia que cuanto más alta sea la presión aplicada posible sobre el material antes podremos desmoldear la pieza y mejor será nuestro ciclo.

José Ramón Lerma es autor de los libros: '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 y, del recientemente editado, 'Scientific Injection Molding Tools. Productividad a través del dominio del proceso'. Ambas publicaciones, comercializadas 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