Materiales Parte 1:Qué puede hacer el recocido por su proceso

Mucho antes de que existieran los plásticos, existía el proceso de recocido. La industria de los metales, y más específicamente la industria del acero, sabe desde hace mucho tiempo que la realización de un proceso de seguimiento que exponga los materiales a un calentamiento y enfriamiento controlados reducirá la dureza del material, aumentará la ductilidad y reducirá las tensiones internas. También se cambia la microestructura del material. También pueden beneficiarse otros materiales metálicos como el cobre y el latón.

El recocido puede aliviar tensiones en materiales amorfos y aumentar la cristalinidad en resinas semicristalinas. (Foto:horno de recocido de Grieve Corp.)

El recocido de plásticos no se realiza como parte de la mayoría de los procesos de fabricación. Hay excepciones. Los productos de un grosor significativo, como varillas macizas, tubos de paredes gruesas y láminas, a menudo se recocen como paso preparatorio para el mecanizado. Esto se hace para estabilizar la estructura del material y reducir la tensión interna, por las mismas razones por las que el proceso se lleva a cabo en materiales metálicos. En todos los productos fabricados por procesamiento de fusión, las velocidades de enfriamiento relativamente rápidas que están asociadas con estos procesos introducen algún nivel de estrés interno y una desviación del estado de equilibrio. En los casos en que esto produzca un nivel de estrés interno que cree problemas funcionales durante el uso, se puede realizar un recocido para reducir el estrés a niveles que pueden no ser alcanzables durante el procesamiento.

La razón fundamental para el recocido y el efecto que tiene sobre el material dependerá en gran medida del polímero que se esté recociendo. En los polímeros amorfos el objetivo es reducir la tensión interna. Las piezas que se producen en un proceso bien controlado que presta la atención adecuada a la importancia de la velocidad de enfriamiento pueden contener tensiones internas por debajo de 1000 psi. Pero las piezas que se enfrían rápidamente pueden presentar tensiones internas de dos a tres veces mayores. Cuanto mayor sea la tensión interna, menos capaz será el producto de gestionar las tensiones externas sin fallar. Además, es más probable que las fallas en piezas que contienen un alto nivel de tensión interna sean frágiles.

Incluso si no se espera que la aplicación implique un nivel elevado de tensión externa, las tensiones internas elevadas pueden aumentar la susceptibilidad al agrietamiento por tensión ambiental (ESC). Los polímeros amorfos son particularmente propensos a exhibir ESC si están expuestos a ciertos agentes químicos. Estos agentes químicos pueden estar presentes como solventes, plastificantes, agentes de limpieza, antioxidantes y adhesivos, y el contacto prolongado de un polímero amorfo con estos fluidos puede resultar en fallas del ESC. En este tipo de entornos, el recocido puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso.

En los polímeros semicristalinos, el propósito del recocido es fundamentalmente diferente. Los polímeros semicristalinos se utilizan debido a los atributos mecánicos y térmicos que surgen de su cristalinidad. El grado de cristalinidad gobierna propiedades tales como resistencia, módulo, retención de propiedades mecánicas por encima de la temperatura de transición vítrea, resistencia química, resistencia a la fatiga y fluencia, y propiedades tribológicas. Así como las tensiones internas en los polímeros amorfos se minimizan mediante velocidades de enfriamiento más lentas, la cristalinidad en un polímero semicristalino se maximiza reduciendo la velocidad a la que se enfría el material.

Pero incluso en las mejores circunstancias, las velocidades de enfriamiento asociadas con el procesamiento de la masa fundida dan como resultado una parte que posee aproximadamente el 90% de la cristalinidad alcanzable. En la mayoría de los casos, esto es suficiente. Pero en aquellos casos en los que no es así, se realiza el recocido para proporcionar ese 10% adicional.

La oportunidad para la formación de cristales ocurre en una ventana de temperatura por debajo del punto de fusión del polímero y por encima de su temperatura de transición vítrea (T _g ). En consecuencia, la temperatura de recocido debe estar por encima de la T _g para lograr el resultado deseado. Las velocidades óptimas de cristalización se obtienen generalmente cerca del punto medio entre el punto de fusión y la T _g . Por ejemplo, nailon 66, con una T _g de 60 C (140 F) y un punto de fusión de 260 C (500 F), templa más eficientemente alrededor de 160 C (320 F).

En materiales reticulados, el proceso de recocido se realiza por motivos similares a los que rigen los termoplásticos semicristalinos. Así como los procesos de moldeo luchan por alcanzar el mayor nivel de cristalización posible, tampoco suelen alcanzar el nivel óptimo de reticulación. Si bien esto se puede lograr extendiendo el tiempo del ciclo, la economía a menudo no favorece tal enfoque y es más eficiente recalentar una gran cantidad de piezas después del moldeo. En la industria termoendurecible, esto se denomina típicamente post-horneado y se realiza con mayor frecuencia en polímeros como fenólicos y poliimidas.

Sin embargo, muchos profesionales de la industria también han encontrado beneficios al realizar esta operación en poliésteres insaturados, epoxis y siliconas. Para que el proceso de post-horneado avance efectivamente en la densidad de reticulación del material, la temperatura del proceso de horneado debe exceder la T _g del polímero en la pieza moldeada. Como veremos en un artículo posterior, hay algunos termoplásticos que también requieren post-horneado para lograr propiedades óptimas.

Algunos elastómeros también se benefician de un proceso de recocido o post-horneado. Al igual que con los termoplásticos semicristalinos y los polímeros rígidos reticulados, el objetivo no es la reducción de la tensión interna, sino una reorganización estructural que mejore el rendimiento mecánico y térmico. Este proceso puede ser útil en elastómeros termoplásticos como los poliuretanos y también se ha demostrado que mejora el rendimiento en sistemas reticulados como el caucho de silicona. El proceso es particularmente útil para proporcionar un rendimiento óptimo en aplicaciones en las que está involucrada una exposición prolongada a temperaturas elevadas.

Para que estos procesos logren el resultado deseado, las condiciones específicas de temperatura y tiempo de recocido o post-horneado son críticas. De igual importancia en algunos de estos casos es la velocidad de enfriamiento una vez concluido el proceso de calentamiento. La falla en la gestión de este proceso de enfriamiento es a menudo la razón por la que el recocido no logra el resultado deseado. Este es un parámetro que a menudo se pasa por alto.

En artículos posteriores de esta serie, discutiremos los diferentes requisitos que pertenecen a termoplásticos amorfos, termoplásticos semicristalinos, materiales reticulados y elastómeros. También discutiremos los límites de este proceso para lograr resultados positivos sin introducir consecuencias negativas no deseadas.

SOBRE EL AUTOR: Mike Sepe es un consultor de procesamiento y materiales global e independiente cuya empresa, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación y el proceso. optimización, resolución de problemas y análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 • [email protected].