Espuma de polipropileno para mejorar la sostenibilidad y el costo

Las espumas de polipropileno se están abriendo camino en la automoción y el embalaje para impulsar el aligeramiento y la sostenibilidad. (Foto:Avient)

La espumación de polipropileno ha ganado una tracción significativa en los últimos años, comenzando con espuma de PP extruido y unida cada vez más por inyección y espuma moldeada por soplado. Los mercados líderes son la automoción y el embalaje, seguidos de la edificación y la construcción, los productos de consumo y los bienes industriales. La relación costo-rendimiento es un incentivo importante, especialmente durante los últimos años, en los que los precios internos del PP superaron los precios mundiales debido a las limitaciones de la oferta en medio de una fuerte demanda. Sin embargo, un factor más importante en la mayor demanda de PP espumado es cumplir con las iniciativas y mandatos de sostenibilidad simplemente usando menos resina y proporcionando una alternativa a los PS y EPS, que a veces se perciben como menos "ecológicos".

El aligeramiento en la automoción está ganando aún más tracción con el enfoque de la industria en los vehículos eléctricos (EV) y se espera que contribuya al crecimiento del PP espumado. Lo mismo ocurre con los envases, impulsados ​​por iniciativas de sostenibilidad. Las perspectivas de crecimiento de las espumas son los avances tecnológicos recientes en la formación de espuma física y química y, a veces, una combinación de ambas. Por ejemplo, Trexel, líder en moldeo de espuma física con su proceso de inyección directa de gas MuCell, ha realizado más mejoras en su tecnología en los últimos tres años que permite el moldeo de paredes delgadas a niveles que antes no eran posibles.

De manera similar, iD Additives, Avient y Trexel se encuentran entre los proveedores de agentes espumantes químicos (CFA) que han introducido formulaciones que producen espumas microcelulares con un tamaño de celda muy pequeño, distribución uniforme y excelente estética. Además, los proveedores de resina de PP como SABIC y Asahi Kasei Plastics han introducido grados con una resistencia de fusión superior, específicamente para estructuras de espuma de PP extruidas o moldeadas, así como compuestos reforzados especiales especialmente adecuados para la formación de espuma. Fuentes de otro proveedor líder de resina de PP, Borealis, señalaron que la empresa se compromete a respaldar el mayor desarrollo del mercado de espumas extruidas a través de sus productos Daploy (alta resistencia al derretimiento) HMS-PP y ofreciendo soluciones de espumas de PP. La empresa fue pionera en la realización comercial de PP de alta resistencia a la fusión, con el objetivo específico de desarrollar el mercado de espumas de PP.

Un estudio de 2018 de la firma de investigación de mercado Markets &Markets proyectó que el mercado global de espuma de PP extruido crecerá casi un 7% anual hasta 2023. Fuentes del negocio global de espuma y peso ligero de SABIC señalaron que su PP ultrafusible se desarrolló para respaldar la extrusión en la industria automotriz, construcción y empaque, pero ven oportunidades en nuevas aplicaciones de inyección y moldeado por soplado donde el peso ligero y la sustentabilidad son imperativos.

“La nueva legislación para envases también es un motor de crecimiento clave para sustituir las soluciones actuales con espuma a base de PP”, señala una fuente. Craig Sibol, gerente de producto del negocio de aditivos de Avient, dice que su empresa prevé un crecimiento del PP de espuma en dos dígitos, pero principalmente en el moldeo por inyección. “Los problemas de suministro de PP han afectado más las aplicaciones de extrusión de espuma en sectores como la edificación y la construcción, por lo que el crecimiento allí es limitado”.

Todd Glogovsky, vicepresidente ejecutivo de ventas y tecnología en Asahi Kasei Plastics North America, lo expresa de esta manera:“La espuma y las paredes delgadas se evalúan continuamente para mejorar los costos, el peso y la eficiencia del ciclo de producción. Los clientes siempre evaluarán todas las opciones para reducir el peso. Las opciones de aligeramiento se revisan constantemente entre sí, y se seleccionará la opción con el mayor impacto en el ahorro de costos y las actualizaciones de rendimiento ”.

Nick Sotos, presidente de iD Additives, señala:“Este año, cuando los precios del PP comenzaron a subir, comenzamos a recibir solicitudes de muestras de nuestros agentes espumantes. Había tanta actividad que decidimos hacer un chat de Zoom llamado "Espumar o rellenar" para informar a las personas sobre las formas de ayudar a mitigar el aumento de los costos de la resina. Eso se remonta a cuando empecé con iD Additives y contraté a Ron Bishop, quien me dijo que hay dos formas de reducir los costos:"Puede espumarlo o rellenarlo".

El presidente de Trexel, Brian Bechard, comenta que su compañía aún no ha visto evidencia significativa de un aumento en los precios del PP que lleve a los moldeadores a la formación de espuma, porque con MuCell, y en menor medida con CFA, se necesita un tiempo y un compromiso considerables para lograr un éxito comercial en la producción de una pieza espumada. . “Las piezas que se han moldeado en sólido deben recalificarse cuando se espuman. A menudo, esto requiere algunos ajustes en el diseño de la pieza para que las propiedades físicas cumplan con los requisitos ”, afirma Bechard. “Con MuCell, también existe el suministro o la modificación de equipos. Estos tienden a no ser las soluciones obvias para la fluctuación del precio de la resina a corto plazo. Ahora, si los precios de la resina están subiendo y el consenso general es que seguirán subiendo, entonces la economía de la espuma se volverá más atractiva y, naturalmente, esto atraerá a más clientes hacia nosotros ”.

El galardonado soporte del panel de instrumentos de SPE Automotive se fabricó con Stamax PP de vidrio largo de SABIC y un proceso de formación de espuma con tecnología core-back para reducir el peso en un 15%.

Tendencias en automoción

Fuentes del negocio automotriz global de SABIC señalan que los compuestos de PP espumado se han utilizado en la industria automotriz durante casi dos décadas para reducir el peso de las piezas, tanto por la propia espuma como por la capacidad de crear piezas más delgadas. Como actor activo en este espacio, SABIC ganó un premio SPE Automotive Innovation Award en 2017 por el soporte del panel de instrumentos (IP) del Mini Countryman 2017, que usó el compuesto de vidrio largo Stamax PP de SABIC y un proceso de espuma con tecnología core-back para reducir el peso en aproximadamente un 15% en comparación con la parte sin espuma.

Pero hasta hace relativamente poco, las aplicaciones de PP espumado estaban restringidas principalmente a aplicaciones estructurales no visibles debido a la mala calidad de la superficie, según el equipo de SABIC. La demanda de piezas interiores livianas y estéticas, además de un gran interés en reducir los tiempos de ciclo, el uso de materiales y los costos, generó esfuerzos para desarrollar materiales de espuma de PP de próxima generación con un acabado de superficie de mayor calidad. El aligeramiento de los componentes estéticos del interior del automóvil es parte de la megatendencia para reducir el consumo de combustible y las emisiones.

Una fuente de SABIC Automotive dijo:“El fuerte aumento en la producción de vehículos eléctricos está contribuyendo a esta tendencia, ya que el peso de los vehículos eléctricos está ligado a la eficiencia y el alcance. Los compuestos de PP espumado pueden hacer una contribución importante y pueden ayudar a lograr aplicaciones con menor densidad que son entre un 8% y un 10% más ligeras. Además, el mayor flujo de PP espumado puede permitir piezas más delgadas y una mayor libertad de diseño que pueden reducir el peso aún más ”. SABIC estima que estos factores, tomados en conjunto, pueden reducir el peso de la pieza entre un 20% y un 25% en comparación con una pieza sin espuma.

En los últimos años, SABIC se ha centrado en producir una cartera de compuestos de PP espumables que pueden contribuir al ahorro de peso al tiempo que ofrecen una excelente estética de la superficie. Una mejora clave es la minimización de las rayas y los defectos de la superficie y una segunda es la posibilidad de evitar las marcas de hundimiento, incluso en las partes de paredes delgadas. Por lo general, las partes interiores se diseñan con paredes de hasta 3 mm de espesor, no con fines estructurales o de rigidez, sino porque las paredes más gruesas reducen la probabilidad de hundimientos. La espuma crea suficiente presión interna dentro de la pieza moldeada para compensar la contracción excesiva y reducir las marcas de hundimiento. Según el equipo de SABIC Automotive, el diseño y el procesamiento optimizados son clave para extraer el valor total de los materiales de espuma de PP, incluida la máxima reducción de peso. Su siguiente paso es mejorar aún más la estética de la tecnología para su uso en aplicaciones exteriores.

Después de una experiencia significativa en la industria con la espumación MuCell de PP relleno para piezas automotrices como IP, paneles de puertas y carcasas / cubiertas debajo del capó, Bechard de Trexel dice que ahora hay una mayor actividad en la espumación sin relleno PP para automoción y embalaje. Las piezas de automóvil visibles en el interior es un mercado en el que TecoCell CFA de Trexel ha sido reconocido por producir excelentes acabados superficiales mediante la formación de espuma química. "Tenemos varias partes interiores de automóviles de clase A visibles que pronto serán comerciales con TecoCell, ya que este CFA es bastante único en su capacidad para proporcionar un acabado de superficie de clase A".

Aunque el PP espumado se ha utilizado principalmente en áreas no estructurales que no son de Clase A, como componentes debajo del capó como bases y cubiertas de baterías, Glogovsky dice que Asahi Kasei Plastics tiene como objetivo expandirse a aplicaciones semiestructurales. Un posible ejemplo futuro de eso son las consolas de piso, señala. Algunas aplicaciones existentes incluyen bolsillos para mapas, forros del techo y algunas partes inferiores de molduras interiores ".

Fuentes de Borealis señalan que toda la gama de Daploy HMS-PP son materiales ramificados de cadena larga que combinan alta resistencia a la fusión y extensibilidad en la fase de fusión. Además, estos materiales se pueden mezclar con la gama completa de grados de extrusión de PP estándar y otros materiales a base de poliolefinas. Como tales, ofrecen la oportunidad de adaptar ampliamente las propiedades de la espuma para satisfacer las demandas particulares de las aplicaciones de uso final en la automoción, así como en el embalaje, y la edificación y la construcción.

Sibol de Avient señala que el potencial automotriz para la espuma de PP sigue siendo fuerte debido al enfoque en el aligeramiento, y más aún ahora que los estándares CAFE están en la agenda de la actual administración de los EE. UU. Los segmentos de transporte más allá de la automoción también están experimentando un buen crecimiento. La mayoría de los usos del PP espumado en los que se ha centrado Avient se encuentran en el moldeo por inyección, como grandes componentes de automoción y determinadas aplicaciones de embalaje. Aún así, sus CFA se utilizan como agente aligerante en el moldeo por inyección y como agente nucleante en la extrusión con inyección directa de gas, para crear una estructura de espuma más fina.

La segunda área de crecimiento objetivo de Trexel para el PP sin relleno son las aplicaciones de empaque de pared delgada, ya que MuCell mejora la capacidad del material para fluir libremente y llenar piezas más delgadas moldeadas en el mismo tamaño de prensa.

Crecimiento en envases

La segunda área de crecimiento objetivo de Trexel para sin relleno PP son aplicaciones de empaque de pared delgada como recipientes, tazas, tazones, tapas y boquillas. Bechard dice:“Con MuCell, mejoramos la capacidad del material para fluir libremente y esto permite moldear piezas más delgadas en equipos del mismo tamaño. Estamos trabajando en estrecha colaboración con varios propietarios de marcas y grandes fabricantes de envases para llevar productos comerciales al mercado utilizando esta tecnología ”. Señaló que en el último Chinaplas, el fabricante chino de máquinas de inyección Yizumi (matriz de Yizumi HPM en los EE. UU.) Usó MuCell para moldear un recipiente que logró una reducción de peso del 5%, una presión de inyección un 15% menor y una reducción del tonelaje de la abrazadera del 20% frente a . moldura sólida. Se obtuvieron resultados similares con un recipiente de mantequilla en la última feria K.

Las fuentes del negocio de espuma y peso ligero de SABIC están viendo una mayor demanda de PP espumado en cajas y paletas retornables de comercio electrónico, empaques de alimentos y empaques de protección. SABIC lanzó su material PP-UMS (ultra-melt-resistencia) a finales de 2017. Dijo una fuente del equipo, “Desarrollar el mercado y las aplicaciones lleva tiempo. Especialmente en la industria de la espuma, que puede ser bastante conservadora. El crecimiento ha tenido lugar desde entonces, pero definitivamente se impulsó en 2020 y aún continúa en 2021 ”.

Sotos de iD Additives dice que un gran mercado de PP espumado para su empresa ha sido el de envases industriales como gaylords y pallets. “También nos hemos metido en botellas y tapones y cierres moldeados por soplado con nuestros agentes espumantes microcelulares de células micro finas”.

Glogovsky de Asahi Kasei ve potencial para la expansión en el mercado de empaque, específicamente para estiba debido a sus paredes gruesas, dejando espacio para la mejora del tiempo de ciclo. “Para piezas con una sección gruesa, el proceso de moldeo es muy largo debido al tiempo de enfriamiento requerido para eliminar el calor. Con la formación de espuma, el tiempo de enfriamiento será más corto porque se reducirá la masa del material. Esto podría ahorrar entre un 5% y un 35% del tiempo de ciclo ”.

Las fuentes de Borealis señalan que las resinas Daploy HMS-PP y sus mezclas no están reticuladas. Esto significa que las espumas de PP extruidas resultantes son totalmente reciclables, un factor cada vez más importante en el embalaje y otros segmentos de la industria del plástico.

Ron Bishop (dcha.) de iD Additives y un técnico de moldeo examinan la espuma fabricada con el nuevo CFA Micro Fine Cell.

Edificación / construcción y otras aplicaciones

Sotos ve la madera plástica como un candidato obvio para la espuma de PP, pero su empresa también ha realizado algunos trabajos en piezas para techos y otras aplicaciones relacionadas, como cajas de herramientas y niveles para la construcción.

Las espumas estructurales y los componentes de construcción prefabricados, como el aislamiento para casas, tuberías y contrapisos para pisos, son aplicaciones que persigue el equipo de espuma y peso ligero de SABIC. Glogovsky de Asahi Kasei no considera que el peso ligero sea un factor crítico en este mercado, salvo que afecte los costos de envío. "Si las aplicaciones se expanden a los mercados de la edificación y la construcción, lo más probable es que el razonamiento sea la reducción de costos como resultado de un menor uso de material y tiempo de ciclo".

Mientras tanto, Glogovsky ve las aplicaciones para el consumidor y el cuidado de la salud como posibilidades para el PP espumado caso por caso, dependiendo de la posibilidad de mejorar el tiempo de ciclo. Bechard señala que Trexel está trabajando con una importante empresa de productos para el hogar que está explorando el uso de TecoCell CFA de la empresa para reducir el costo y el consumo de resina en toda su línea de productos. Además, ID Additives ha trabajado con varias empresas en bienes de consumo, como perchas de plástico espumado PP. Y el equipo de espuma y peso ligero de SABIC cita aplicaciones de nicho como el calzado.

El PP acoplado químicamente reforzado con vidrio corto Thermylene de Asahi Kasei se ha utilizado en módulos de techo corredizo espumado para reemplazar el PP / vidrio largo sin espuma. (Foto:SPE Automotive) PP reforzado.

Últimos avances

El equipo automotriz de SABIC lanzará una nueva cartera de compuestos de espuma de polipropileno para aplicaciones estéticas en interiores de automóviles a principios de 2022. Se dice que tres compuestos iniciales demuestran un acabado superficial mejorado para tales piezas.

Asahi Kasei ha desarrollado materiales para la formación de espuma que proporcionan una cosmética mejorada y aligeramiento. Estas tecnologías incluyen el PP acoplado químicamente reforzado con vidrio corto Thermylene, que se ha utilizado en módulos de techo corredizo espumado, donde fue capaz de reemplazar el PP de vidrio largo sin espuma más caro, y ha sido promocionado por proporcionar buenos cosméticos.

Sotos de iD Additives dice que el lanzamiento de sus CFA de células micro finas ha cambiado las reglas del juego para la empresa, ya que le ha permitido apuntar a aplicaciones de paredes más delgadas.

De manera similar, en NPE2018, Trexel lanzó el sistema de gas MuCell P-Series diseñado específicamente para soluciones de envasado de pared delgada de ciclo rápido. Según Bechard, “Desde entonces, hemos aumentado enormemente nuestra flexibilidad en la implementación de MuCell al ofrecer dosificación con punta de tornillo, donde gestionamos la introducción de gas y la mezcla en un área más corta, lo que nos permite equipar tornillos estándar con una punta de tornillo especial para gas de dosificación. Esto es particularmente importante para aplicaciones de envasado donde la producción es primordial, ya que este diseño no limita la producción de plastificación como lo hace nuestro diseño de tornillo tradicional ".

Trexel también ha complementado recientemente sus unidades de dosificación basadas en satélites con una potente línea de impulsores de gas centrales de bajo costo, que proporciona a los moldeadores que operarán varias máquinas usando MuCell una opción de implementación flexible y de bajo costo.

Según Sibol, la cartera ampliada de Avient de CFA líquidos y sólidos y soporte de pruebas puede ayudar a los clientes que buscan ampliar los límites del aligeramiento mientras mantienen las propiedades mecánicas, particularmente para las piezas técnicas. “El tamaño de celda más pequeño y la capacidad de manipular la estética de la superficie son importantes, pero también podemos manipular las propiedades de la superficie. Hemos desarrollado tecnología que permite pintar y / o adhesivos sin corona u otro tratamiento de superficie. Los estudios de clientes muestran que también podemos mejorar la eficiencia. Por ejemplo, a veces, el CFA líquido inyectado en la prensa tiene más sentido en función de las operaciones y la inversión que se requerirían para implementar CFA sólidos ”.

El equipo de espuma y peso ligero de SABIC promociona su PP-UMS como un PP espumable de alta resistencia al derretimiento de próxima generación. Con una fuerza de fusión de más de 65 cN, se ha demostrado que crea una buena espumabilidad, especialmente si se requieren altas relaciones de expansión. Se está aplicando comercialmente a la automoción, el embalaje (incluidos los envases de alimentos como alternativa al EPS) y la construcción.

El PP-UMS de SABIC puede producir envases de alimentos con espuma que pueden reemplazar al EPS.