ES2905459T3 - Proceso de baja temperatura para integrar una espuma polimérica con un cuerpo polimérico - Google Patents

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Abstract

Un proceso a baja temperatura para integrar una espuma polimérica con al menos un cuerpo polimérico que comprende los pasos de: a. seleccionar de un material para un cuerpo polimérico, b. seleccionar al menos un material polimérico para ser espumado, que tenga una temperatura de fusión del cristal en caso de que este material cristalice, o una temperatura del vidrio en caso de que este material no cristalice, en la que dicha temperatura de fusión del cristal para un material que cristalice o una temperatura del vidrio sea inferior a la temperatura a la que se liberan las tensiones residuales del cuerpo polimérico, c. proporcionar un cuerpo polimérico; d. proporcionar el material polimérico a espumar a una temperatura entre su temperatura de transición vítrea y su temperatura de fusión del cristal para un material que cristaliza, o a una temperatura inferior a su temperatura de transición vítrea para un material que no cristaliza; e. poner en contacto el material polimérico a espumar con un gas a una presión superior a la atmosférica durante un tiempo suficiente para que el material polimérico a espumar incorpore al menos un 0.1% de gas en peso; f. exponer el material polimérico que se va a espumar a la presión atmosférica durante un tiempo comprendido entre 20 min y 70 min, de modo que no se vea afectada la estabilidad de los pasos siguientes; g. exponer el material polimérico a espumar a una presión mayor que la utilizada en el paso anterior y a una temperatura mayor que la temperatura de fusión del cristal del material polimérico a espumar del paso b) para un material que cristaliza, o la temperatura de transición vítrea del material polimérico a espumar del paso b) para un material que no cristaliza; y h. poner en contacto el material polimérico espumado del paso anterior con dicho al menos un cuerpo polimérico a una presión inferior a la utilizada en el paso anterior.

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de baja temperatura para integrar una espuma polimérica con un cuerpo polimérico
Campo técnico
La presente invención se refiere a la tecnología de materiales poliméricos y a la fabricación de artículos poliméricos, donde la integración de espuma es deseable para reducir el peso y mejorar las propiedades mecánicas, de aislamiento térmico y de aislamiento acústico, entre otras, sin comprometer la funcionalidad del producto, con bajos requerimientos de inversión, y permitiendo la reutilización y/o reciclaje del producto.
Antecedentes de la invención
Actualmente, algunas estructuras se fabrican industrialmente sin espumar, por ejemplo, las cajas para bebidas embotelladas, a las que se les integra espuma en las cavidades existentes para reducir el peso de la estructura, en comparación con una estructura sólida, y mejorar su resistencia al impacto, sin perjudicar la funcionalidad, la apilabilidad y la estabilidad mecánica.
Para dicho proceso de llenado de estructuras con espuma, se siguen los pasos definidos en el documento WO2010008264. Este documento se refiere a un proceso para producir artículos de plástico moldeados con paredes engrosadas y reforzadas, donde el proceso combina técnicas convencionales de moldeo de plástico y comprende los pasos de: diseñar un artículo de plástico con al menos una cavidad o área hueca para ser rellenada con un material termoplástico de refuerzo y que debe tener al menos una compuerta de inyección; pre- moldear el artículo de plástico utilizando un proceso de moldeo convencional; inyectar un material termoplástico con un agente espumante a través de la compuerta de inyección utilizando una máquina de inyección a baja presión; retirar el producto o artículo de plástico de la máquina de inyección a baja presión; y, enfriar el producto fabricado en un área de almacenamiento.
Siguiendo los pasos indicados en el documento WO2010008264, se utiliza un Polietileno de Alta Densidad (HDPE), con un índice de flujo de fusión (MFI) de 8 gramos por 10 minutos a una temperatura de 190°C con un peso de 2,16kg que se moldea por inyección. Después de fabricar la estructura no espumada, se inyecta en la estructura un material polimérico espumado, polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), con un MFI de aproximadamente 65g/10 min (190/2,16). La temperatura de procesamiento de moldeo por inyección del material espumado es de aproximadamente 150°C. La espuma se genera con un agente espumante químico endotérmico, disponible comercialmente como Microcell® 303 de Momentum International GmbH. El proceso definido en el documento WO2010008264, presenta el problema de que la inyección del material espumado debe realizarse a una temperatura elevada (más de 130°C para el LLDPE) lo que libera las tensiones residuales en la estructura no espumada, deformando dicha estructura, lo cual es un efecto indeseable porque compromete la apilabilidad, la estabilidad mecánica y la funcionalidad de dicha estructura. Este problema se aborda actualmente modificando la geometría del molde de inyección para compensar las deformaciones. Sin embargo, esta solución es inadecuada, ya que implica un proceso de prueba y error de compensación de las deformaciones de la estructura final a la forma de la cavidad del molde, aumentando el coste y el tiempo de desarrollo.
Actualmente, existen muchos procesos y métodos conocidos en el estado de la técnica para la espumación de un polímero y su posterior aplicación dentro de otro material polimérico.
Una de estas soluciones en el estado de la técnica consiste en rellenar las cavidades de la estructura con componentes químicos para obtener una espuma termoestable que reaccione a una temperatura lo suficientemente baja como para que no se produzcan deformaciones en la estructura. El documento US 3,389,824 A divulga un ejemplo del uso de esta solución para la construcción de un refrigerador utilizando poliuretano como material espumado. Este método se utiliza habitualmente en las técnicas de fabricación actuales, pero crea enormes dificultades con el reciclaje de la estructura polimérica porque la espuma termoestable no puede fundirse. Otros ejemplos se presentan en los documentos US 6093358 y US 6295787 donde se utiliza un material termoestable expandible para rellenar las cavidades de una pieza de plástico.
Otra solución disponible en el estado de la técnica es integrar el material espumado con la estructura no espumada en el mismo molde en el que se fabrica la estructura, siendo dicho proceso conocido en la técnica como sobremoldeo de espuma. Un ejemplo de esta solución se divulga en el documento EP 2318282 A1, en el que una preforma rígida se sobremoldea con espuma polimérica para obtener posteriormente, mediante un proceso de soplado, un envase con una capa espumada. La mezcla a presión del polímero fundido a espumar con un gas en estado supercrítico es una técnica comúnmente utilizada para obtener espumas termoplásticas que pueden ser utilizadas para fabricar estructuras monocomponentes o multicomponentes sobremoldeadas. Dicha mezcla genera la espuma cuando se somete a una condición de baja presión. Un ejemplo de esta tecnología de espumado se presenta en el documento US 20100198133.La principal desventaja del uso de estas tecnologías de sobremoldeo y espumado es el elevado coste de inversión en equipos de procesado y en tecnología de moldes.
Otra solución disponible en el estado de la técnica es el relleno de las cavidades de las piezas con perlas poliméricas expandióles. Un ejemplo de esta solución se describe en el documento US 20140110491, donde se rellena la cavidad de un artículo estructural de plástico con unas perlas de polímero termoplástico expandióle al vapor, cuando se expanden, la cavidad se rellena. Los materiales de las perlas y del artículo estructural son de un polímero similar, lo que permite el reciclaje. Sin embargo, la adhesión entre los materiales puede verse comprometida, limitando la invención a geometrías de cavidades cerradas. Una solución similar se presenta en el documento EP 0647513. Otro ejemplo se presenta en el documento US 5665285, donde un artículo de espuma moldeada se integra con una piel polimérica utilizando el método de moldeo por soplado y perlas expandióles para espumar. Esta solución requiere que las perlas expandióles se introduzcan en la cavidad hueca antes del enfriamiento.
Uno de los pasos de la invención descrita en el presente documento es exponer el polímero que será espumado en su estado sólido a un gas de alta presión. Esta técnica ha formado parte de varias divulgaciones, pero no están destinadas a la integración a baja temperatura de la espuma polimérica con cuerpos poliméricos para obtener una estructura final con propiedades mejoradas, sin deformar el cuerpo polimérico, con el fin de garantizar la funcionalidad y otras propiedades de la estructura final.
Una de dichas divulgaciones es el documento US 7,107,601 que divulga un método para la fabricación de un dispositivo antivibratorio que comprende los pasos de: saturar un material de resina con un gas inerte mediante el ajuste de la presión y la cantidad de gas inerte; moldear un producto en el que el número, la forma y el contorno de las celdas de gas se ajustan mediante el control de la presión de inyección, la velocidad de inyección, el tamaño del disparo, la presión de mantenimiento, el gradiente de enfriamiento y el tiempo de enfriamiento.
Otro documento relacionado con esta tecnología es la patente estadounidense No. 7,182,897 que enseña un método para almacenar un material después de haberlo saturado, en el que el material se satura a una presión no inferior a 4 MPa y a una temperatura definida. Las condiciones de almacenamiento se definen en función del tipo de material, el tiempo, la presión y las temperaturas de saturación.
El documento EP0765724 divulga un método para extruir espumas de plástico reduciendo la viscosidad por medio de un gas. En este proceso, el material en forma de gránulos o polvo se alimenta a un aparato de absorción de gas, donde se carga con gas bajo una presión y temperatura definidas y posteriormente pasa por un proceso de extrusión.
En el estado de la técnica abundan los documentos que describen el contacto de los gránulos de polímero con un gas para producir espumas de perlas. Por ejemplo, Li et al utilizan un recipiente de alta presión para impregnar el polímero iPP con N2 y CO2. El recipiente se calienta para espumar el material. Chen et al. utilizan una cámara de espumación para preparar muestras de espuma de EVA utilizando CO2 como agente espumante. Cuando el material se calienta en el recipiente y se libera la presión, se produce el proceso de espumado.
El estado de la técnica reporta varios estudios sobre la morfología de la espuma y las propiedades mecánicas utilizando el moldeo por inyección para producir la muestra espumada, donde las preformas de polímero fueron previamente impregnados con un agente físico. Un ejemplo es presentado por Florez, donde las preformas de policarbonato son puestos en contacto con CO2 a altas presiones por más de 20 horas, luego, el material es inyectado para obtener las muestras.
Por último, la solicitud PCT WO2006100517 divulga un procedimiento para introducir un gas en un polímero que comprende las etapas de exponer un primer polímero a un gas a una temperatura superior a la temperatura ambiente, donde esta etapa se realiza a una temperatura comprendida entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión del cristal para un material semicristalino o por debajo de la temperatura de transición vítrea para un material amorfo. El polímero se funde para producir un artículo espumado.
De acuerdo con la información anterior, es evidente para los expertos en la materia que los documentos existentes no ofrecen una solución adecuada al problema planteado en la presente invención, ya que en la mayoría de los casos, el proceso de integración de la espuma se realiza a una temperatura superior a la temperatura a la que se liberan tensiones residuales en el cuerpo polimérico no espumado, lo que a su vez provoca que la estructura final se deforme y se vea comprometida. En otros casos, la reciclabilidad se ve afectada negativamente o se requieren grandes inversiones en equipos y tecnología de moldes.
Por lo tanto, existe una necesidad en el estado de la técnica de diseñar un proceso o método para integrar una espuma polimérica con una estructura polimérica no espumada a bajas temperaturas para obtener una estructura final, es decir, a temperaturas inferiores a la temperatura a la que se liberan las tensiones residuales en la estructura polimérica no espumada, con el objeto de mantener las propiedades físicas de dicha estructura y ser adecuado para múltiples aplicaciones. Además, se necesita un proceso que no requiera grandes inversiones en equipos y tecnología de moldes y que no afecte a la reciclabilidad de la estructura final para futuras aplicaciones.
Breve descripción de las figuras
La presente invención se define con mayor precisión mediante las figuras adjuntas, que no limitan el alcance de la invención definida en las reivindicaciones, en los que:
Figura 1: Muestra el contenido de %CO2 en peso en el EVA en función del tiempo de exposición a la presión atmosférica antes de la inyección para diferentes tiempos de impregnación de gas del ejemplo 1.
Figura 2: Muestra la densidad de la espuma de EVA inyectada y el %CO2 en peso justo antes del proceso de inyección frente al tiempo de exposición a la presión atmosférica, antes de la inyección del ejemplo 1.
Figura 3: Muestra la temperatura de la superficie externa del cuerpo polimérico frente al tiempo después de la integración de la espuma en un cuerpo polimérico del ejemplo 1.
Figura 4: Muestra la resistencia al impacto charpy y el módulo secante de1HDPE puro, de1HDPE con 4,6% de EVA tipo 1 y del HDPE con 4,6% de EVA tipo 2 del ejemplo 1.
Figura 5: Muestra el contenido de % CO2 en peso en el HDPE y el PP en función del tiempo de exposición a la presión atmosférica antes de la inyección del ejemplo 2.
Figura 6: Muestra la densidad de la espuma de HDPE y PP después de la inyección frente al tiempo de exposición a la presión atmosférica antes de la inyección del ejemplo 2.
Figura 7: Muestra la comparación de la relación esfuerzo de compresión/densidad de1HDPE y del PP después de la inyección para los materiales no espumados y espumados del ejemplo 2.
Figura 8: Muestra el %CO2 en peso en el LDPe y el PP en función del tiempo de exposición a la presión atmosférica antes de la extrusión del ejemplo 3.
Figura 9: Muestra la densidad de la espuma de PEBD y PP en extrusión para cinco muestras del ejemplo 3.
Descripción detallada de la invención
La presente invención está relacionada con un proceso a baja temperatura que comprende varios pasos para integrar la espuma polimérica con cuerpos poliméricos para obtener un cuerpo final con propiedades mejoradas, realizándose dicho proceso a bajas temperaturas para evitar deformaciones en el cuerpo polimérico que comprometan la funcionalidad y otras propiedades de la estructura final. El proceso comprende los pasos de seleccionar los materiales poliméricos que garanticen la adhesión entre ellos, la procesabilidad, la reutilización y la reciclabilidad; impregnar el material a espumar con un gas; generar la espuma; e, integrar la espuma con los cuerpos poliméricos.
Otra característica del proceso de la presente invención se basa en la reducción de costes mediante el uso de elementos conocidos en el estado de la técnica y comúnmente utilizados en el procesado de polímeros, y en el hecho de que tanto el material polimérico a espumar como el material del cuerpo polimérico son compatibles en cuanto a su reciclabilidad, de tal forma que, después de que la estructura final sea utilizada muchas veces, puede ser reciclada para obtener otros cuerpos posteriores sin necesidad de utilizar nuevo material, ayudando así a reducir el impacto medioambiental.
El procedimiento comprende las etapas definidas en la reivindicación 1.
En una realización preferida de la presente invención, los materiales de la espuma polimérica y del al menos un cuerpo polimérico son compatibles con el objeto de permitir el reciclaje, ya que es necesario proteger el medio ambiente y evitar requerir materiales nuevos o vírgenes cada vez que se crea una nueva estructura, sino que es deseable utilizar materiales que puedan ser reutilizados múltiples veces mientras se conservan las propiedades del material. Además, el material polimérico a espumar y el material del al menos un cuerpo polimérico deben ser compatibles con objeto de permitir la adhesión entre ellos. De este modo, se garantiza la estabilidad y la integración permanente de la estructura compuesta del al menos un cuerpo polimérico y la espuma polimérica.
En una realización preferida de la presente invención, el material que se va a espumar se selecciona del grupo que consiste en etileno-acetato de vinilo (EVA), etilenbutilacrilato (EBA), polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de media densidad (MDPE), polipropileno (PP), ionómeros o mezclas que contienen uno o más de los mencionados. Además, pueden utilizarse agentes nucleantes que ayuden al proceso de formación de espuma.
En una realización preferida de la invención, el paso de someter el material polimérico a espumar a un gas a una presión elevada se lleva a cabo utilizando un gas que contiene dióxido de carbono (CO2) y/o nitrógeno (N2).
En otra realización preferida de la invención, el proceso de integración de los materiales poliméricos (del cuerpo y de la espuma) se lleva a cabo mediante cualquier método conocido de integración de materiales, preferiblemente por extrusión, moldeo por inyección o cualquier otro proceso de transformación de polímeros relacionado.
Según la invención, el paso de exponer el material polimérico a espumar a una presión inferior a la utilizada en el paso anterior durante un tiempo suficiente para que la tasa de pérdida de gas no afecte a la estabilidad de los pasos siguientes se realiza a presión atmosférica durante un tiempo comprendido entre 20 min y 70 min, ofreciendo una amplia ventana de procesamiento para un uso a escala industrial de la invención.
Finalmente, en una realización alternativa de la invención, el proceso de integración de los materiales aquí definidos se lleva a cabo de manera que los pasos de provisión del al menos un cuerpo polimérico y el contacto de dicho cuerpo con la espuma polimérica se realizan simultáneamente después de haber completado los otros pasos previamente definidos. Ejemplos específicos de esta realización incluyen la coextrusión del material espumado y el cuerpo o cuerpos no espumados, la laminación por extrusión del material espumado con otras películas hechas de diferentes polímeros, el recubrimiento por extrusión, etc.
La presente invención se definirá además mediante los siguientes ejemplos, que son únicamente ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la invención definida en las reivindicaciones adjuntas. Otras modificaciones, realizaciones y variaciones de la invención serán evidentes para los expertos en la materia sin apartarse del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos fueron realizados utilizando equipos convencionales de procesamiento por inyección y extrusión, como los conocidos en el estado de la técnica, sin necesidad de utilizar moldes especiales para el proceso de integración de la espuma al cuerpo polimérico.
Ejemplo 1: Incorporación de un material polimérico semicristalino en un cuerpo polimérico por inyección a baja temperatura y baja presión
Se proporcionó un cuerpo polimérico fabricado con un polímero de tipo polietileno de alta densidad (HDPE), que tiene una temperatura de fusión del cristal entre 130°C y 139°C, con un índice de fusión (190°C-2,16kg) entre 10g/10min y 20g/10min y una densidad a temperatura ambiente entre 0,94g/cm3 y 0,96g/cm3 y con una temperatura de liberación de la tensión residual entre 110°C y 130°C.
El cuerpo polimérico mencionado anteriormente se integró con una espuma polimérica para reducir su peso y mejorar sus propiedades de impacto sin afectar a la reciclabilidad ni a las características de dimensión mediante un proceso de inyección a baja temperatura y baja presión. Para ello, se proporciona un material polimérico a espumar compatible con el cuerpo polimérico, que favorece su adherencia, teniendo las siguientes características: Polímero tipo etileno vinil acetato (EVA), con un contenido de acetato de vinilo entre el 15% y el 25%, y una temperatura de fusión del cristal entre 75°C y 85°C y un índice de fusión (190°C-2,16kg) entre 4g/10min y 12g/10min y una densidad a temperatura ambiente de 0,95g/cm3.
El material polimérico que se va a espumar se acondiciona previamente y se pone en contacto con dióxido de carbono (CO2) a una presión de entre 400 psi y 700 psi durante un tiempo superior a una hora a temperatura ambiente, en el que es impregnado por el CO2. Durante este periodo, el material absorbe entre un 6% y un 10% en peso de CO2. El uso de diferentes tiempos de impregnación no afecta significativamente al comportamiento de desorción, como se muestra en la Figura 1v que muestra las curvas de desorción tras el contacto del material polimérico con el CO2 durante 1.5, 3 y 24 horas.
Una vez finalizada la etapa de contacto del material polimérico con el CO2 , el material se expone a las condiciones ambientales. El porcentaje de CO2 en peso en el polímero disminuye a partir del momento en que el material es expuesto a las condiciones ambientales. La etapa de inyección del material polimérico impregnado puede realizarse cuando el material alcanza un porcentaje de CO2 entre el 0,5% y el 8% en peso, preferiblemente entre el 0,5% y el 4% en peso, más preferiblemente entre el 0,8% y el 2,5% en peso. Los valores anteriores de contenido de CO2 se alcanzan si la inyección se realiza inmediatamente después de que el material haya sido expuesto a la presión atmosférica, preferiblemente cuarenta (40) minutos después y hasta un tiempo tan largo como unos setenta (70) minutos después de que el material haya sido expuesto a la presión atmosférica, manteniendo así una densidad de espumación estable. Como se muestra en la Figura 2, se alcanzan densidades inferiores a 0,5 g/cm3 con concentraciones superiores al 3,5% en peso de CO2 , y la densidad se estabiliza en un valor cercano a 0,52 g/cm3 con una desviación estándar de 0,005g/cm3 cuando el tiempo de exposición a la presión atmosférica antes del proceso de inyección es superior a cuarenta (40) minutos manteniendo la estabilidad con tiempos de hasta unos setenta (70) minutos, lo que permite tener una ventana de procesabilidad importante.
Durante el proceso de inyección el material es presurizado y calentado permitiendo el proceso de espumado después de la inyección del material. El proceso de espumado e integración por inyección entre el material polimérico impregnado de CO2 y el cuerpo polimérico se realiza a baja temperatura, con una temperatura de fusión entre 70°C y 105°C, preferiblemente entre 70°C y 95°C y más preferiblemente entre 80°C y 90°C asegurando que el material espumado esté por debajo de la temperatura de liberación de tensiones residuales del cuerpo polimérico (110°C a 130°C), evitando así las deformaciones inducidas por la relajación de tensiones por temperatura en el cuerpo polimérico. Al integrar la espuma polimérica por el proceso de inyección a baja temperatura, la temperatura del cuerpo polimérico se incrementa hasta los 60°C reduciéndose progresivamente hasta alcanzar de nuevo la temperatura ambiente en un periodo cercano a una hora después de la inyección, como puede verse en la Figura 3.
El cuerpo polimérico integrado con la espuma polimérica puede ser reciclado para generar un nuevo cuerpo polimérico para la misma aplicación. El material reciclado puede ser incorporado total o parcialmente al nuevo cuerpo polimérico. Para demostrar lo anterior, se realizaron sucesivos ciclos de reciclado e incorporación en un 25% en peso de dicho material reciclado a cada ciclo para la fabricación de un nuevo cuerpo polimérico, hasta alcanzar un contenido estable de EVA en el cuerpo polimérico, que corresponde al 4,6% en peso después de cuatro (4) ciclos de reciclado. Las propiedades obtenidas no muestran un detrimento significativo en las propiedades mecánicas debido al contenido de EVA, ya que sólo se observa una disminución del 8,2% en el módulo secante con EVA tipo 1 (media de 769,0MPa y desviación estándar de 19,78MPa) y del 5,0% con EVA tipo (media de2795,8MPa y desviación estándar de 16,48Mpa) respecto a la propiedad del material del cuerpo polimérico sin reciclaje ni contenido de EVA (media de 837,4MPa y desviación estándar de 13.72MPa); por otro lado, se observa una mejora significativa en las propiedades de resistencia al impacto, ya que se obtuvieron valores un 38% mayores con un EVA tipo 1 (media de 7,1 KJ/m2 y desviación estándar de 0,083KJ/m2) y un 26% mayores con el tipo EVA (media de 6.48KJ/m2 y desviación estándar de 0,023KJ/m2) con respecto a la propiedad del material del cuerpo polimérico sin reciclaje ni contenido de EVA (promedio de 5,1 KJ/m2 y desviación estándar de 0,079KJ/m2), como se muestra en la Figura 4.
Para esta aplicación, se pueden considerar otros polímeros, tales como: ionómeros con temperaturas de fusión del cristal entre 70°C y 100°C, o acetato de etilo y butilo (EBA) con temperaturas de fusión del cristal entre 80°C y 100°C. Debido a las bajas temperaturas de fusión de los cristales y a la compatibilidad con el polietileno de alta densidad, se esperan resultados similares. También se puede considerar el uso de agentes nucleantes con el material polimérico a espumar, con lo que se espera una mejora en la uniformidad del tamaño de las células y, por tanto, un mejor rendimiento en las propiedades estructurales.
Del mismo modo, el ejemplo anterior puede extrapolarse a otras aplicaciones en las que se requiera mejorar las características, tales como: reducción de peso, resistencia al impacto, aislamiento térmico o aislamiento acústico de un cuerpo polimérico en el que no se vean afectadas las características dimensionales o geométricas, así como sus propiedades de reciclabilidad.
Ejemplo 2 : Incorporación por inyección a baja presión de espumas de polietileno y polipropileno en un cuerpo polimérico
Para evaluar el rendimiento de la presente invención en otros materiales, se proporcionan dos polímeros semicristalinos como materiales a espumar, uno de los cuales es del tipo polietileno de alta densidad (HDPE), que tiene una temperatura de fusión del cristal entre 130°C y 139°C, con un índice de fusión (190°C-216kg) entre 10g/10min y 20g/10min y una densidad a temperatura ambiente entre 0,94g/cm3 y 0,96g/cm3 y el otro material es del tipo polipropileno (PP), que tiene una temperatura de fusión del cristal entre 165°C y 170°C, con un índice de fusión (230°C-2,16kg) entre 4g/10min y 10g/10min y una densidad a temperatura ambiente entre 0,90g/cm3 y 0,92g/cm3 Se espera un buen rendimiento con otros materiales de espuma polimérica, como el polietileno de baja densidad (LDPE), el polietileno de media densidad (MDPE), el polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y los copolímeros de polipropileno (PP-C), ya que estos polímeros presentan mejores valores de resistencia a la fusión en comparación con el polietileno de alta densidad (HDPE). Los materiales anteriores pueden integrarse a cuerpos poliméricos del tipo polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP), policarbonato (PC), tereftalato de polietileno (PET), poliamida (PA), polioximetileno (POM), poliéter éter cetona (PEEK), entre otros materiales cuya temperatura de liberación de tensiones residuales es superior a la temperatura de inyección de la espuma polimérica.
Tanto el PP como el HDPE se ponen en contacto con el CO2 a una presión entre 400PSI y 700PSI durante un periodo de tiempo entre 2 y 4 horas a temperatura ambiente, en el que absorben entre el 1% y el 2% en peso de CO2. Después de dicho periodo, el material se expone a la presión atmosférica. El contenido de CO2 en peso en el polímero disminuye a partir de este momento. El proceso de inyección del material polimérico impregnado se realiza diez (10) minutos después de que el material haya sido expuesto a la presión atmosférica, preferiblemente veinte (20) minutos después. El contenido de CO2 en peso para el proceso de inyección está entre el 0,5% y el 1% en peso para el PE, preferiblemente entre el 0,5% y el 1% y para el PP está entre el 0,5% y el 2% en peso, preferentemente entre el 0,5% y el 1% en peso.
En la figura 5, se observa una disminución del contenido de CO2 en peso una vez que el material se expone a la presión atmosférica. Después de 40 minutos, el contenido se sitúa en torno al 0,5% en peso para e1HDPE y al 1,0% en peso para el PP.
Durante el proceso de inyección el material es presurizado y calentado permitiendo el proceso de espumación después de la inyección del material. El proceso de integración por inyección del material polimérico impregnado de CO2 se produce a un punto de fusión entre 170°C y 200°C para el HDPE y entre 180°C y 210°C para el PP. Con estas condiciones de procesado se obtienen densidades para el material polimérico a temperatura ambiente para el HDPE entre 0,38g/cm3 y 0,47g/cm3, que corresponden a una reducción de densidad del 57% respecto a1HDPE sin espumar, y para el PP se obtienen densidades entre 0,44g/cm3 y 0,55g/cm3, que corresponden a una reducción de densidad del 46% respecto al PP sin espumar. Los valores de densidad se mantienen estables para tiempos de exposición del material a la presión atmosférica, antes del proceso de inyección, superiores a los 60 minutos, proporcionando en el exterior una ventana de procesabilidad, como se muestra en la figura 6.
En cuanto a las propiedades, la relación entre la tensión de compresión y la densidad como indicador normalizado de rigidez (KPa/g/cm3), muestra un comportamiento comparable entre los materiales poliméricos espumados y los materiales poliméricos no espumados en deformaciones de compresión entre el 0% y el 4% para e1HDPE y entre el 0% y el 8% para el PP, como se muestra en la figura 7. Tales valores de deformación comprenden el rango de condiciones normales de uso para una pieza polimérica. Esta característica es muy deseable en espumas estructurales, como por ejemplo en el caso de una placa, la deformación esperada por efectos de su propio peso será aproximadamente la misma para el material no espumado que para el material espumado.
Dentro de las posibles aplicaciones de la tecnología descrita en el proceso de inyección a baja presión, se incluyen aquellas en las que se requiere reducir el peso, mejorar la resistencia al impacto, el aislamiento térmico, el aislamiento acústico, el relleno de cavidades, etc.
Ejemplo 3: Integración de una espuma polimérica a un cuerpo polimérico por proceso de extrusión
En otra aplicación particular, mediante un proceso de transformación por extrusión, se proporcionan dos polímeros semicristalinos como materiales a espumar, uno de los cuales es del tipo polietileno de baja densidad (LDPE), que tiene una temperatura de fusión del cristal entre 120°C y 130°C, con un índice de fusión (190°C-216kg) entre 2g/10min y 10g/10min y una densidad a temperatura ambiente entre 0,91 g/cm3 y 0,94g/cm3 y otro material de tipo polipropileno (PP), que tiene una temperatura de fusión del cristal entre 165°C y 170°C, con un índice de fusión (230°C-2,16kg) entre 4g/10min y 10g/10min y una densidad a temperatura ambiente entre 0,90g/cm3 y 0,92g/cm3 Estos materiales espumados pueden ser integrados a un cuerpo polimérico cuyo material puede estar en los tipos de polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP), policarbonato (PC), tereftalato de polietileno (PET), poliamida (PA) entre otros materiales cuyas temperaturas de liberación de tensiones residuales están por encima de la temperatura de extrusión de la espuma polimérica. La integración puede llevarse a cabo mediante procesos de laminación por extrusión, recubrimiento por extrusión, coextrusión, etc. Dicha integración entre un cuerpo polimérico y una espuma polimérica extruida es deseable en aplicaciones en las que se requiere reducir la densidad y el peso, mejorando el rendimiento de propiedades como la resistencia al impacto, el aislamiento térmico, el aislamiento acústico, etc.
Tanto el LDPE como el PP se ponen en contacto con el CO2 a una presión entre 400PSI y 700PSI durante un periodo de tiempo entre 2 y 4 horas a temperatura ambiente, en el que absorben entre el 0,5% y el 2% en peso de CO2. Después de dicho período, el material se expone a la presión atmosférica. El porcentaje de CO2 en peso en el polímero disminuye a partir de este momento. El proceso de extrusión del material polimérico impregnado comienza cinco (5) minutos después de que el material haya sido expuesto a la presión atmosférica. El porcentaje de contenido de CO2 en peso para el proceso de extrusión está entre el 0,5% y el 1,5% en peso para el PEBD, preferiblemente entre el 0,5% y el 1% en peso, y para el PP está entre el 0,5% y el 2% en peso, preferiblemente entre el 0,5% y el 1% en peso, como se muestra en la figura 8.
Durante el proceso de extrusión el material es presurizado y calentado permitiendo el proceso de espumado y la integración con un cuerpo polimérico. Los materiales poliméricos impregnados se suministran al proceso de extrusión a una temperatura de fusión entre 170°C y 200°C para el LDPE y entre 180°C y 210°C para el PP. Con estas condiciones de procesado, se obtienen densidades del material polimérico a temperatura ambiente para el PEBD entre 0,22g/cm3 y 0,24g/cm3, que corresponden a una reducción de la densidad del 74% respecto al PEBD no espumado, y para el PP se obtienen densidades entre 0,42g/cm3 y 0,50g/cm3, que corresponden a una reducción de la densidad del 46% respecto al PP no espumado, como puede verse en la figura 9.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso a baja temperatura para integrar una espuma polimérica con al menos un cuerpo polimérico que comprende los pasos de:
a. seleccionar de un material para un cuerpo polimérico,
b. seleccionar al menos un material polimérico para ser espumado, que tenga una temperatura de fusión del cristal en caso de que este material cristalice, o una temperatura del vidrio en caso de que este material no cristalice, en la que dicha temperatura de fusión del cristal para un material que cristalice o una temperatura del vidrio sea inferior a la temperatura a la que se liberan las tensiones residuales del cuerpo polimérico,
c. proporcionar un cuerpo polimérico;
d. proporcionar el material polimérico a espumar a una temperatura entre su temperatura de transición vítrea y su temperatura de fusión del cristal para un material que cristaliza, o a una temperatura inferior a su temperatura de transición vítrea para un material que no cristaliza;
e. poner en contacto el material polimérico a espumar con un gas a una presión superior a la atmosférica durante un tiempo suficiente para que el material polimérico a espumar incorpore al menos un 0.1% de gas en peso;
f. exponer el material polimérico que se va a espumar a la presión atmosférica durante un tiempo comprendido entre 20 min y 70 min, de modo que no se vea afectada la estabilidad de los pasos siguientes;
g. exponer el material polimérico a espumar a una presión mayor que la utilizada en el paso anterior y a una temperatura mayor que la temperatura de fusión del cristal del material polimérico a espumar del paso b) para un material que cristaliza, o la temperatura de transición vítrea del material polimérico a espumar del paso b) para un material que no cristaliza; y
h. poner en contacto el material polimérico espumado del paso anterior con dicho al menos un cuerpo polimérico a una presión inferior a la utilizada en el paso anterior.
2. El proceso de la reivindicación 1, donde el material polimérico a espumar y el material del al menos un cuerpo polimérico son compatibles.
3. El proceso de la reivindicación 2, donde ambos materiales son adecuados para reciclar juntos y presentan una buena adhesión entre sí.
4. El proceso de la reivindicación 1, donde el material polimérico a espumar del paso b) se selecciona del grupo que consiste en etileno-acetato de vinilo (EVA), etileno-acrilato de butilo (EBA), polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de media densidad (MDPE), polipropileno (PP) y sus copolímeros, ionómeros o mezclas que contengan uno o más de los mencionados.
5. El proceso de la reivindicación 4, donde el material polimérico a espumar incluye además agentes nucleantes.
6. El proceso de la reivindicación 1, donde el gas contiene dióxido de carbono (CO2) y/o nitrógeno (N2).
7. El proceso de la reivindicación 1, donde los pasos g) y h) se realizan mediante extrusión, inyección, moldeo o cualquier otro proceso de transformación de polímeros relacionado.
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