Reciclado de final de la vida útil

Entender las temperaturas a las que se ablandan y funden los polímeros es una propiedad material fundamental y pertinente para el procesamiento de polímeros. Como uno de los primeros pasos en los procesos de extrusión, moldeo por inyección y moldeo en láminas por soplado, se calientan los pellets a una temperatura superior al punto de fusión; para la termoformación y el moldeo por soplado, se la calienta por encima de su temperatura de transición vítrea para ablandarla, pero sin fundirla por completo. Esta transformación de un pellet de resina sólida (estado de energía inferior) a un pellet ablandado o totalmente fundido (estado de energía superior) exige el aporte de energía y puede medirse por calorimetría diferencial de barrido (DSC).

En un ensayo de DSC, se monitorea el flujo de calor de la muestra a medida que se incrementa la temperatura a un ritmo constante. Las transiciones térmicas, como la fusión y la transición vítrea se presentan como eventos endotérmicos, en los que el material absorbe calor al moverse hacia el estado de energía superior. Los resultados también revelan información acerca de la morfología del polímero, con diferencias claras entre los estados amorfo y semicristalino. Durante el primer ciclo de calentamiento del ensayo de DSC, los materiales amorfos pueden exhibir una gran transición vítrea sin fusión, mientras que los polímeros semicristalinos tienen un pico de fusión agudo y bien definido. Dado que las temperaturas de transiciones vítreas y de fusión son únicas de cada polímero, puede usarse esta información para evaluar rápidamente la calidad de la materia prima entrante, antes de procesar.

Responda estas preguntas con los resultados de la DSC:

• Evaluación de la materia prima: ¿Es un polímero neto o una mezcla? ¿La resina A del proveedor puede reemplazarse con otra resina de menor costo del proveedor B?
• Procesamiento: ¿Cuánta energía térmica se necesita para fundir por completo los pellets de resina?
• Después de procesar: ¿Hay una historia térmica después de procesar en contraposición al tal cual se recibe? (1º versus 2º calor)
• Reciclado de final de la vida útil: ¿Este lote de PCR (resina postconsumidor) tiene una contaminación significativa de otros polímeros?

Las técnicas comunes de procesamiento termoplástico, como el moldeo por inyección y moldeo por soplado exigen que se caliente la resina por encima del punto de fusión para un procesamiento sencillo. Sin embargo, es importante controlar atentamente las temperaturas de procesamiento para evitar la degradación de la resina que pueden producirse a temperaturas elevadas. En el caso de los polímeros, el inicio de la degradación puede identificarse como la temperatura a la que una pérdida de peso significativa (normalmente >5%) comienza a ocurrir y puede medirse con un analizador termogravimétrico (TGA).

Durante el análisis térmico de los polímeros, se realizan ensayos de TGA de rutina antes del ensayo de DSC, porque los resultados de TGA ayudan a fijar los límites superiores de temperatura para las pruebas subsiguientes. Aparte de identificar la ventana de degradación para el procesamiento, los resultados del TGA revelan de forma cuantitativa la composición de los principales ingredientes de la resina, como la cantidad de polímero base, plastificante y relleno presente. El gas residual que se genera durante un experimento de TGA puede analizarse para obtener información acerca de la identidad química de los productos de descomposición. Este tipo de análisis de gas evolucionado (EGA) es muy poderoso porque combina información del TGA en tiempo real con los resultados de FTIR y GC-MS.

Responda estas preguntas con los resultados del TGA:

• Evaluación de la materia prima: ¿A qué T se descompone esta resina? ¿Qué es el perfil de descomposición?
• Procesamiento: ¿Hay materiales volátiles en este lote de resina? ¿Habrá gases residuales después del procesamiento?
• Análisis de fallas: ¿Existe alguna diferencia en el contenido de relleno o los perfiles de descomposición de las partes buenas en contraposición a las malas?
• Reciclado de final de la vida útil: Durante la pirólisis, ¿a qué temperatura se produce la pérdida de peso máxima? ¿Qué contaminantes hay presentes en este lote de resina reciclada?

Notas de aplicación relacionadas:

• TA125:Estimation of Polymer Lifetime by TGA Decomposition Kinetics
• TA430: Effect of Thermal Degradation on Polymer Thermal Properties
• TA434: Thermal Degradation Study of Nylon 66 using Hyphenation Techniques TGA-MS and TGA-FTIR-GC/MS

Suelen añadirse estabilizadores y otros aditivos a las resinas para evitar la degradación de los efectos ambientales que se encuentran durante las condiciones de procesamiento y uso final. Entre estos aditivos se incluyen los antioxidantes, eliminadores de oxígeno, estabilizantes de calor y luz UV o productos ignífugos para garantizar que se mantengan las propiedades esperadas del polímero durante el procesamiento y la vida útil del producto. Los estabilizadores son inherentemente de sacrificio y se consumen en forma gradual cuando se exponen a altas temperaturas o a la luz UV; cuando el estabilizador se consume por completo, las propiedades del polímero comienzan a degradarse rápidamente.

El desempeño de los estabilizadores puede evaluarse mediante el análisis de tiempo de inducción de oxidación (OIT) en el DSC. En esta prueba isotérmica, el gas de purga del DSC cambia de nitrógeno a oxígeno, lo que brinda un entorno en el que se consume el estabilizador. Al comienzo de la degradación del polímero, la señal de flujo de calor comienza a aumentar y el tiempo se señala como OIT.

Los aumentos de temperatura en el DSC también pueden usarse para medir el tiempo de inicio de oxidación (OOT), una medida relacionada de la estabilidad del polímero. Pueden realizarse los análisis de OIT y OOT mediante DSC a alta presión, lo que reduce el tiempo al acelerar el consumo de estabilizador.

Responda estas preguntas con los resultados de OIT y OOT de la DSC:

• Evaluación de la materia prima: ¿Es posible procesar estas resinas tal como se encuentran? ¿Se necesitan antioxidantes para lograr más estabilidad?
• Análisis de fallas: ¿Dividió el antioxidante a niveles suficientes para las condiciones de uso final?
• Reciclado de final de la vida útil: ¿Cuánto antioxidante se necesita para estabilizar y procesar este lote de PCR?

Notas de aplicación relacionadas:

• TS5:Determination of the Relative Oxidative Stability of Polyethylene Bottle Tops by Differential Scanning Calorimetry (DSC)
• TA121: Oxidative Stability of Polyethylene Terephthalate

La viscosidad y la conducta viscoelástica de las fusiones del polímero desempeñan un papel importante para procesar polímeros con técnicas de moldeo por inyección y extrusión. En un nivel básico, la viscosidad representa la resistencia interna del material a la circulación: las resinas de mayor viscosidad circulan a menor velocidad y lleva más tiempo llenar el molde, lo que incrementa la duración del ciclo y da lugar a la posibilidad de fallas como disparos cortos. Como consecuencia, es fundamental medir y controlar de cerca la viscosidad de la resina, para garantizar la estabilidad del proceso y eliminar las variaciones entre lotes.

En el caso de las fusiones del polímero, el perfil de viscosidad depende de la velocidad de deformación, también conocida como velocidad de corte. A las altas velocidades de corte presentes en los procesos de extrusión y moldeo por inyección, la curva de viscosidad presenta un comportamiento pseudoplástico en la región de baja potencia. Cuando aumenta la velocidad de corte, se reduce la viscosidad. Esta dependencia de la velocidad de corte obedece a la distribución del peso molecular del polímero y el grado de ramificación.

Mientras que las altas velocidades de corte son pertinentes para las condiciones de procesamiento, las mediciones de viscosidad a bajas velocidades de corte son esenciales para revelar la estructura molecular de la resina. La viscosidad de corte cero en la primera meseta newtoniana se correlaciona directamente con el peso molecular de la resina y puede medirse con reómetros rotativos.

¿De qué manera se relaciona la viscoelasticidad con la distribución de peso molecular / peso molecular?

Los ensayos oscilatorios en reómetros rotativos brindan datos valiosos acerca de las propiedades viscoelásticas del polímero, sondeando la estructura del polímero mediante pequeñas deformaciones en toda una gama de escalas temporales. Los resultados arrojan el módulo de almacenamiento (G’), el módulo de pérdida (G”) y la viscosidad compleja (η*) del polímero como función de la frecuencia oscilatoria. Se los puede utilizar para entender mejor la dinámica de la relajación del polímero. Estos parámetros reciben una gran influencia del peso molecular, la distribución del peso molecular y la estructura de ramificación de cadena larga de la resina. En comparación con los indizadores del flujo de fusión o la reología capilar, el perfil viscoelástico de los ensayos de reología rotativa es especialmente sensible a la presencia de contaminación de alto peso molecular que puede ocasionar problemas de procesamiento.

Responda las siguientes preguntas con las mediciones de viscosidad y viscoelásticas de su reómetro rotativo

• Evaluación de la materia prima: ¿Cómo se ve afectado el perfil viscoelástico por los cambios entre lotes en la distribución peso molecular / peso molecular de la resina?
• Procesabilidad: ¿La resina posee la viscosidad correcta a todas las velocidades de corte pertinentes para el proceso de fabricación?
• Final de la vida útil: Reciclado de final de la vida útil: ¿De qué manera la contaminación y la variación MW de la resina reciclada afectan el procesamiento?

Notas de aplicación relacionadas:

• AN013:Understanding Rheology of Thermoplastic Polymers