Guía Completa del Procesamiento y Fabricación de Plásticos

El procesamiento y fabricación de plásticos involucra diversas etapas. Los plásticos hoy se han vuelto indispensables en nuestra vida diaria, lo que ha disparado la demanda. Las industrias plásticas prefieren reciclar materiales plásticos y convertirlos en algo diferente. Por ejemplo, la conversión de gránulos de plástico en películas o de películas en envases alimentarios. Los plásticos reciclables han sido la forma más fácil de mantener la producción intacta y barata. Estos plásticos se conocen como termoplásticos, pero los termoestables no pueden recalentarse ni remoldearse.

Lee sobre termoplásticos y termoestables.

Hoy conocerás los diversos procesos de fabricación de plásticos y los métodos realizados durante el procesamiento. También aprenderás sobre el reciclaje y recuperación de recursos de plásticos. El procesamiento de plásticos es para termoplásticos y termoestables.

Compuesto (Compounding)

El compuesto, que es el primer paso en la mayoría de procedimientos de fabricación de plásticos, es la mezcla de diversas materias primas en proporciones según una receta específica. Las resinas plásticas se suministran a menudo al fabricante como gránulos cilíndricos (varios milímetros de diámetro y longitud) o como escamas y polvos. Otras formas incluyen líquidos viscosos, soluciones y suspensiones.

Los líquidos pueden mezclarse con otros ingredientes en un tanque agitado, pero ciertas operaciones requieren maquinaria especial. La mezcla en seco es un proceso donde ingredientes secos se mezclan para uso posterior, como en mezclas de pigmentos, estabilizadores o refuerzos.

El cloruro de polivinilo (PVC), que es un polvo poroso, puede mezclarse con un plastificante líquido en una artesa agitada llamada mezcladora de cinta o en un contenedor giratorio. Este proceso también es de mezcla porque el líquido penetra los poros de la resina y la mezcla final contiene hasta un 50% de plastificante. Sigue siendo un polvo fluido que parece seco.

Conformado (Forming)

El conformado es el proceso de dar a los plásticos diversas formas, que típicamente involucra los pasos de fundición, moldeado y solidificación. Un buen ejemplo es un gránulo de polietileno calentado por encima de la temperatura de fusión T_m, colocado en un molde bajo presión y enfriado por debajo de T_m para hacer el producto final dimensionalmente estable. Aunque los termoplásticos en general se solidifican por enfriamiento por debajo de T_g o T_m, mientras que los termoestables se solidifican por calentamiento para lograr las reacciones químicas necesarias para la formación de la red.

Extrusión

La extrusión es el proceso donde el polímero fundido se fuerza a través de un orificio con una sección transversal particular (la boquilla), formando una forma continua con sección transversal constante similar a la del orificio. Es más común que los termoplásticos se extruyan y solidifiquen por enfriamiento, que los termoestables se extruyan y reticen por calentamiento del extruido.

Productos que pueden producirse por extrusión incluyen película, lámina, tubos, tuberías, aislamiento, revestimientos para viviendas, etc. En cada caso, su perfil está determinado por la geometría de la boquilla, y la solidificación es por enfriamiento.

Diagrama de extrusor de tornillo para polímeros termoplásticos

El diagrama siguiente muestra la sección de un extrusor de tornillo para polímeros termoplásticos. Muestra una sección longitudinal. Los gránulos de plástico se alimentan desde una tolva al cilindro del extrusor, donde se funden gradualmente por la energía mecánica generada por un tornillo giratorio. Los calentadores están dispuestos a lo largo del cilindro. El polímero fundido se fuerza a través de una boquilla, que toma la forma del producto final.

Diagrama de extrusor de soplado

A diferencia del extrusor de tornillo, la mayoría de bolsas de plástico para compras y artículos similares se fabrican por extrusión de soplado. Es una extrusión continua de tubería. En el proceso, el tubo se expande antes de enfriarse haciéndolo fluir alrededor de una burbuja de aire masiva. El aire se impide que escape de la burbuja colapsando la película al otro lado.

En algunas aplicaciones, estructuras laminadas pueden fabricarse extruyendo más de un material simultáneamente a través de la misma boquilla o con múltiples boquillas. En este proceso, las películas multicapa son útiles porque las capas externas pueden aportar resistencia y resistencia a la humedad. La capa interna puede controlar la permeabilidad al oxígeno, factor importante en envases alimentarios.

El proceso de extrusión de soplado puede formar películas laminadas, o extruidos de tres máquinas pueden prensarse juntos en un bloque de boquilla para formar una lámina plana de tres capas que se enfría posteriormente por contacto con un rodillo refrigerado.

En el diagrama anterior de extrusión de soplado de polímeros termoplásticos, el extruido fundido se fuerza a pasar por un mandril de tubería. Se expande en forma de globo por una corriente de aire, es jalado hacia arriba por rodillos y pellizcado en una lámina colapsada para cortarse en diversos productos.

El flujo a través de una boquilla en extrusión a menudo resulta en cierta orientación de las moléculas del polímero. La orientación puede aumentarse por estirado —es decir, jalando el extruido en la dirección del flujo del polímero u otra dirección antes o después de la solidificación parcial.

En un proceso de extrusión de soplado, las moléculas del polímero se orientan alrededor de la circunferencia de la bolsa y a lo largo de su longitud. Esto resulta en una estructura biaxialmente orientada que a menudo tiene propiedades mecánicas superiores al material no orientado.

Moldeo por compresión

En el moldeo por compresión, un polvo de moldeo (también conocido como gránulos) se calienta y simultáneamente se comprime en una forma específica. Puede realizarse tanto en termoplásticos como termoestables. En el caso de un termoestable, la fusión debe ser lo más rápida posible, porque la red comienza a formarse inmediatamente. También es importante que el fundido llene el molde completamente antes de que la solidificación progrese hasta donde el flujo se detiene.

La pieza moldeada altamente reticulada puede retirarse sin enfriar el molde. Añadir la siguiente carga al molde facilita que la cantidad exacta de polvo de moldeo en frío se comprima en una "galleta" preformada. Esta galleta también puede precalentarse con energía de microondas a temperatura cercana a la de reacción antes de insertarse en la cavidad del molde.

Un calentador que parece un horno de microondas puede aplicar hasta 10 kilovoltios a una frecuencia de un megahercio. Las máquinas de moldeo comerciales con altas temperaturas y presiones acortan el tiempo de ciclo para cada moldeo. El artículo moldeado se expulsa de la cavidad por la acción de pines eyectores, que operan automáticamente al abrirse el molde. En la mayoría de casos, empujar la resina al molde antes de que se haya licuado puede causar estrés indebido en otras partes.

Una capa de material de refuerzo debe colocarse antes de introducir la resina en una forma de moldeo por compresión. La temperatura y presión no solo forman la masa en la forma deseada, sino que también combinan el refuerzo y la resina en una forma íntimamente unida. Cuando se usan placas planas como molde, láminas de diferentes materiales pueden moldearse juntas para formar una lámina laminada.

La madera contrachapada es un buen ejemplo de laminado unido con termoestable. En este tipo, capas de madera se adhieren entre sí e impregnan con un termoestable como urea-formaldehído. Esto forma una red por calentamiento.

Moldeo por inyección

Dado que suele ser lento e ineficiente moldear termoplásticos usando moldeo por compresión. Y aun cuando la pieza termoplástica se enfriará antes de retirarla del molde, lo que requiere una masa de metal enfriada que compone el molde. El metal se recalienta para cada pieza.

Así, el moldeo por inyección supera esta ineficiencia. Se parece al moldeo por transferencia en que la licuefacción de la resina y la regulación de su flujo se realizan en una parte del aparato que permanece caliente. El moldeado y enfriamiento se llevan a cabo en una parte que permanece fría.

En una máquina de moldeo por inyección de tornillo alternativo, el material fluye por gravedad desde la tolva sobre un tornillo giratorio. Este aporta energía mecánica, junto con calentadores auxiliares que convierten la resina en estado fundido. Durante este tiempo, el tornillo se retrae hacia el extremo de la tolva. El tornillo avanza, actuando como un émbolo cuando se ha fundido suficiente resina. Esto fuerza el polímero fundido a través de una entrada al molde frío. El plástico se solidifica en el molde, luego este se abre y se desbloquea. El artículo se expulsa del molde por pines eyectores automáticos. El molde se cierra y bloquea de nuevo y el tornillo gira y se retrae para repetir el proceso.

La explicación anterior describe el funcionamiento del moldeo por inyección en fabricación de plásticos.

Moldeo por inyección de reacción

El moldeo por inyección de reacción es un tipo de moldeo para termoestables formadores de red, como poliuretano. A menudo se realiza en piezas de automóvil como parachoques y paneles interiores. El proceso se abrevia como RIM. Los dos precursores líquidos de poliuretano son un isocianato multifuncional y un prepolímero. Un poliéter o poliéster de bajo peso molecular con múltiples grupos reactivos terminales como hidroxilo, amina o amida.

La presencia de un catalizador como jabón de estaño hace que los dos reactantes formen rápidamente una red unida por grupos uretano. Esta reacción ocurre tan rápido que los dos precursores deben combinarse en una cabeza de mezcla especial e introducirse en el molde lo antes posible.

Sin embargo, el producto requiere muy poca presión para llenar y adaptarse al molde, una vez que entra —especialmente si se evoluciona una pequeña cantidad de gas en el proceso de inyección. El volumen del polímero se expande y reduce la resistencia al flujo.

Debido a las bajas presiones de moldeo, puede usarse un molde relativamente ligero e económico. Incluso para piezas grandes como ensamblajes de parachoques o puertas de refrigerador.

Moldeo por soplado

El moldeo por soplado se emplea para contenedores termoplásticos que requieren una pequeña parte de su desarrollo. En la técnica, un tubo hueco termoplástico, el parison, se forma por moldeo por inyección o extrusión. En forma caliente, el tubo se sella en un extremo y luego se infla como un globo. La expansión se realiza en un molde partido con superficie fría; al encontrar el termoplástico la superficie, se enfría y se vuelve dimensionalmente estable.

El propio parison puede programarse al formarse con diferentes espesores de pared a lo largo de su longitud para que pueda expandirse en el molde. Esto permite controlar el espesor final de pared en esquinas y otras ubicaciones críticas. En el proceso de estirado-soplado, donde la expansión es tanto en diámetro como en longitud, el polímero se orienta biaxialmente, lo que mejora la resistencia. La cristalinidad se mejora en el caso de tereftalato de polietileno (PET).

Moldeo por soplado de contenedores plásticos

El diagrama anterior explica el moldeo por soplado de contenedores plásticos. En sentido contrario a las agujas del reloj desde arriba, un polímero fundido se extruye en un parison hueco tubular. Un molde partido se cierra alrededor del parison, que se expande contra las paredes del molde por una corriente de aire. Tan pronto como el plástico se solidifica, el molde se abre y se libera la botella moldeada.

Convencionalmente, el moldeo por soplado produce botellas de polipropileno, polietileno, poliestireno, policarbonato, PVC y PET para productos de consumo doméstico. El método también se usa para fabricar tanques de combustible para automóviles. Cuando se requiere un tanque de polietileno de alta densidad, el artículo soplado puede tratarse con trióxido de azufre para mejorar la resistencia a la hinchazón o permeación por gasolina.

Colado e inmersión (Casting and dipping)

Dado que no todos los procesos de conformado requieren altas presiones. El material a moldear podría tener un líquido estable; si es así, simplemente verter (colar) el líquido en un molde puede ser suficiente. Esto es porque el molde no necesita ser masivo, incluso el calentamiento y enfriamiento cíclico para un termoplástico se hace perfectamente.

Un buen ejemplo de termoplástico colado es una suspensión de partículas de PVC de baja porosidad finamente divididas en un plastificante como ftalato de dioctilo (DOP). La suspensión forma un líquido fluido (un plastisol) estable por meses. Pero si la suspensión (60 partes PVC y 40 partes plastificante) se calienta a unos 180 °C (356 °F) por cinco minutos, el PVC y plastificante forman un gel homogéneo que no se separa al enfriarse a temperatura ambiente.

Los materiales termoestables también pueden colarse; por ejemplo, una mezcla de polímero y monómeros multifuncionales con un iniciador puede verterse en un molde calentado. El artículo puede retirarse tras completar la polimerización. Además, una lente transparente puede formarse así usando monómero de carbonato de dialil glicol e iniciador de radicales libres.

Para crear artículos con partes huecas, el moldeo rotacional es perfecto. Se logra cuando un molde partido se llena parcialmente con plastisol o polvo de polímero finamente dividido. La rotación del molde mientras se calienta convierte el líquido o funde el polvo en una película continua en la superficie interior del molde. La pieza hueca puede retirarse cuando el molde se enfría y abre. Juguetes como pelotas, muñecas, etc. son artículos que pueden producirse con este moldeo.

Termoformado y moldeo en frío

Una lámina de termoplástico puede calentarse por encima de su T_g o T_m para formar una membrana libre y flexible, siempre que el peso molecular sea lo suficientemente alto para soportar el estirado. En este estado, un vacío jala la lámina contra la superficie fría de un molde, donde se enfría por debajo de T_g o T_m, volviéndose dimensionalmente estable con la forma del molde. Este proceso se usa a menudo para producir vasos para bebidas frías de poliestireno o PET.

Los termoplásticos pueden formarse en nuevas formas sin calentamiento. Esto se logra aplicando presión suficiente; así se conoce como moldeo en frío. Esta técnica produce vasos de margarina y otros contenedores de alimentos refrigerados a partir de láminas de copolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno.

Espumado

El espumado en el procesamiento y fabricación de plásticos también se conoce como plásticos expandidos. Tienen características inherentes que los hacen adecuados para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, la conductividad térmica de la espuma es menor que la del polímero sólido. Además, un polímero espumado es más rígido que el polímero sólido para cualquier peso dado del material. Por último, las espumas colapsan bajo tensiones de compresión absorbiendo mucha energía, por lo que son ventajosas en embalaje protector. Estas propiedades se ajustan a diversas aplicaciones mediante la elección del polímero y la forma de formación o fabricación de la espuma. El aislamiento doméstico (poliestireno, poliuretano, fenol, formaldehído) es el mayor mercado para plásticos espumados. También el embalaje incluye diversos contenedores desechables de alimentos y bebidas.

Poliestireno

Embalaje de poliestireno.

Termoplásticos espumados

Un isopentano puede sumergirse en gránulos de poliestireno a temperatura ambiente y presión moderada. Cuando estos gránulos se calientan, pueden fusionarse al mismo tiempo que el isopentano se evapora. Esto espuma el poliestireno y enfría el conjunto simultáneamente.

Los gránulos suelen preexpandirse en cierta medida antes de colocarse en un molde al formar un vaso o embalaje rígido. Los gránulos impregnados de isopentano también pueden calentarse bajo presión y extruirse, obteniendo una lámina continua de poliestireno espumado. Esta puede moldearse en embalajes, platos o hueveras mientras aún está caliente.

También podemos producir espumas estructurales inyectando nitrógeno u otro gas en un termoplástico fundido como poliestireno o polipropileno. Esto se realiza bajo presión en un extrusor. Las espumas producidas así son más densas que las anteriores, pero tienen excelente resistencia y rigidez, aptas para muebles y otros usos arquitectónicos.

Otra forma de hacer espumas de diversos termoplásticos es emplear un material que se descomponga y genere gas al calentarse. Para un agente espumante más efectivo, el material debe descomponerse a la temperatura de moldeo del plástico, en un rango estrecho, liberar gran volumen de gas y ser seguro. Un agente comercial popular es azodicarbonamida. Suele componerse con otros ingredientes para modificar la temperatura de descomposición y ayudar a la dispersión del agente en la resina.

Un mol de azodicarbonamida (116 gramos) crea unos 39.000 cm³ de nitrógeno y otros gases a 200 °C. Así, añadir un gramo a 100 gramos de polietileno resulta en espuma con volumen superior a 800 cm³. Polietileno, polipropileno, poliestireno, poliamidas y PVC plastificado son polímeros que pueden espumarse con agentes espumantes.

Termoestables espumados

Como se explicó en moldeo por inyección de reacción, la rápida reacción de isocianatos con prepolímeros portadores de hidroxilo crea poliuretanos. Estos materiales también pueden espumarse incorporando un líquido volátil capaz de evaporarse bajo el calor de la reacción y espumar la mezcla reactiva en alto grado. Los componentes elegidos determinan la rigidez de la red, especialmente el prepolímero.

Polieters terminados en hidroxilo se usan para preparar espumas flexibles, usadas en cojines de muebles. Por otro lado, un poliéster terminado en hidroxilo se usa popularmente para espumas rígidas como embalajes personalizados de electrodomésticos. Por la excelente adhesión de poliuretanos a superficies metálicas, se usa en aplicaciones novedosas como relleno y fabricación de componentes rígidos de aviones como timones y elevadores.

Otro termoestable rígido que puede espumarse se basa en resinas fenol-formaldehído. La etapa final de formación de red se produce por adición de un catalizador ácido como líquido volátil presente.

Mira el video a continuación para aprender más sobre el procesamiento de plásticos:

Acabado

Unión

Los plásticos a menudo se unen por soldadura, igual que los metales. Las superficies se unen poniéndolas en contacto y calentándolas por conducción o calentamiento dieléctrico. Un buen ejemplo son tanques y conductos de PVC y polietileno. El sellado por calor de bolsas hechas de tubos de poliolefinas extruidas por soplado como polietileno y polipropileno a menudo requiere contacto con una barra de sellado caliente.

El PVC con pérdida dieléctrica suficiente genera calor en todo el material al exponerlo a un campo eléctrico de alta frecuencia y alto voltaje.

Mecanizado

Termoplásticos y termoestables de piezas rígidas pueden mecanizarse por procesos convencionales como taladrado, aserrado, lijado, torneado en torno, etc. A menudo, termoestables reforzados con vidrio se mecanizan en engranajes, poleas y otras formas, especialmente cuando la cantidad de piezas no justifica moldear metal. Láminas de termoplásticos y termoestables pueden estamparse (troquelarse) en diversas formas. Un buen ejemplo es un vaso hecho por formado al vacío, que se recorta de la lámina madre usando un troquel afilado. Termoplásticos como poliestireno, la lámina sobrante puede re-molerse y remoldearse.

Recubrimiento

A menudo en la fabricación de plásticos se añade color como pigmento o tinte en todo el artículo. Hay muchas aplicaciones donde un recubrimiento superficial sirve para protección o decoración. Un parachoques de automóvil, producido por moldeo por inyección de reacción, puede pintarse para unificar con el resto de la carrocería. El recubrimiento solo puede aplicarse a plásticos donde el disolvente no cause hinchazón del sustrato subyacente. Por eso las pinturas de dispersión látex son útiles, aunque se requiera tratamiento superficial para buena adhesión.

Refuerzo con fibra

Un compuesto de matriz polimérica se aplica a varios materiales basados en plástico donde hay varias fases. A menudo describe sistemas donde una fase continua (la matriz) es polimérica y otra fase (el refuerzo) tiene al menos una dimensión larga. Las clases principales de compuestos incluyen los de capas discretas (laminados sándwich) y los reforzados por esteras fibrosas, tejidos o filamentos largos y continuos de vidrio u otros materiales.

Laminados sándwich

La madera contrachapada como construcción sándwich de fibras de madera natural con plásticos. Las capas se distinguen fácilmente y se mantienen unidas e impregnadas con resina termofraguable como urea-formaldehído. Un laminado decorativo puede consistir en media docena de capas de papel kraft fibroso (similar al papel de bolsas de supermercado) junto con un papel superficial con diseño impreso. La reacción de reticulación de tanto madera contrachapada como laminado de papel se lleva a cabo con láminas del material prensadas y calentadas en grandes prensas laminadoras.

Fibra de vidrio

Aunque otros materiales fibrosos como carbono, boro, metales, polímero de aramida pueden usarse como refuerzo fibroso, la fibra de vidrio es el tipo más común. Se suministra como esteras de microfibrilas orientadas aleatoriamente, como tela tejida, y como filamentos continuos o discontinuos.

Reciclaje y Recuperación de Recursos del Plástico

El reciclaje y recuperación de material plástico es una etapa importante que nunca debe pasarse por alto. Por eso se emplea un método favorable de eliminación y reciclaje. Al igual que otros materiales como papel, vidrio y contenedores de aluminio se han reciclado en cierta medida por años. El reciclaje de plásticos también se ha vuelto común ya que puede reutilizarse y aportar otros beneficios positivos.

Aunque existen diversos problemas técnicos y económicos en el reciclaje de plásticos, generalmente categorizados en dos:

1. Identificación, segregación (o clasificación) y recopilación en estaciones centrales.
2. La economía de la recuperación de valor.

Identificación, segregación, recopilación

Los plásticos son la forma común de envase de la mayoría de mercancías hoy. Recientemente, la mayoría de esfuerzos de reciclaje se han centrado en contenedores. Casi todas las botellas, bandejas de alimentos, vasos y platos de los principales plásticos básicos llevan un número identificador en un triángulo junto con una abreviatura.

En la mayoría de localidades, se anima a los consumidores a devolver envases de bebidas vacíos al lugar de compra. Deben pagar un depósito por cada unidad al comprar. Este método ayuda a resolver dos de los principales problemas del reciclaje económico. Funciona porque los consumidores buscan recuperar el depósito, lo que hace la clasificación, y las tiendas recopilan los plásticos en ubicaciones centrales. Esta ley de depósito ha reducido drásticamente los plásticos en basura en carreteras. Además, el sistema ha ayudado a aumentar la tasa de reciclaje de botellas plásticas, especialmente las de tereftalato de polietileno (PET) y polietileno de alta densidad (PEAD). Con esto, más del 10% de todos los productos plásticos se reciclan tras su primer uso.

Por otro lado, la mayoría de plásticos usados en aplicaciones a largo plazo como electrodomésticos, construcción y muebles del hogar dificultan el reciclaje.

Recuperación económica de valor

El material termoplástico puede reciclarse más fácilmente que los termoestables, aunque hay limitaciones. Primero, un plástico reciclable puede contaminarse con no-plásticos o diferentes polímeros del producto original. También, dentro de un solo tipo de polímero, hay diferencias en peso molecular. Por ejemplo, un proveedor de poliestireno puede producir material de alto peso molecular para bandejas de alimentos termoformadas, ya que su proceso favorece alta viscosidad y elasticidad del fundido.

El proveedor puede ofrecer poliestireno de bajo peso molecular para moldeo por inyección de vajilla desechable, porque la inyección funciona mejor con fundido de baja viscosidad y poca elasticidad. Si los polímeros de esos productos se mezclan en una operación de reciclaje, el material mezclado no será muy adecuado para ninguna de las aplicaciones originales.

Otro problema común es la mezcla de pigmentos o tintes de diferentes colores. Otro es el control de calidad, ya que casi todos los plásticos cambian ligeramente o mucho por el uso o fabricación inicial. Por ejemplo, algunos plásticos cambian de peso molecular por reticulación o escisión de cadena (ruptura de enlaces químicos que mantienen la cadena polimérica). Otros pueden sufrir oxidación, otra reacción común que cambia las propiedades del plástico.

Conclusión

En este artículo profundo sobre procesamiento y fabricación de plásticos, hemos visto los diversos métodos. Explicamos compuesto, conformado, extrusión y moldeo. Ilustramos los diversos tipos de moldeo de plásticos y su funcionamiento: moldeo por inyección, moldeo por inyección de reacción, moldeo por soplado, y colado e inmersión. También entendimos el espumado en fabricación de plásticos, y finalmente aprendimos las operaciones de acabado aplicables.

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