Moldeo de materiales compuestos fibrorreforzados (BMC y SMC)

Una mirada a los defectos intrínsecos al moldear materiales compuestos con refuerzo de fibras. Una guía de consideraciones para su disminución.

Temas relacionados:

Los compuestos para moldeo en masa (BMC, bulk molding compound)  y en lámina (SMC, sheet molding compound) se formulan a partir de múltiples componentes que dan atributos de procesabilidad y propiedades finales a las partes terminadas. Estos componentes se puede clasificar como primarios y secundarios de acuerdo con el nivel de importancia. Entre los componentes primarios se pueden mencionar los siguientes: i) resina poliéster insaturado (o vinil éster) en solución con monómero de estireno, este último ayuda a reducir la viscosidad de la resina y actúa como agente de entrecruzamiento, ii)  fibras para el reforzamiento mecánico (típicamente fibra de vidrio o fibra de carbono) y iii) una carga inerte (generalmente de carbonato de calcio y en casos específicos caolín, talco, esferas de vidrio y tetrahidrato de alúmina) que ayudan dar estabilidad dimensional a la parte. Entre otros componentes utilizados en la formulación de BMC o SMC son los llamados aditivos de bajo perfil, los cuales, típicamente, son termoplásticos acrílicos o copolímeros de estireno-butadieno, y su función principal es dar estabilidad dimensional y buen acabado superficial a la parte final. Por su parte, entre los componentes secundarios, no menos importantes que los primarios, se pueden mencionar el iniciador y el agente desmoldante, el primero de suma importancia para llevar a cabo la reacción química involucrada en la consolidación y moldeo de este tipo de materiales. Es importante mencionar que los compuestos BMC y SMC requieren de un proceso de maduración antes de ser viables para su procesado. Este proceso de maduración involucra el uso de óxidos o hidróxidos metálicos, los cuales reaccionan con los grupos carboxílicos del poliéster o vinil-ester, extendiendo la cadena polimérica y por consiguiente incrementando su viscosidad. En otras palabras, el material formulado pasa de un comportamiento viscoso y pegajoso, tipo “miel de abeja”, a un material pastoso con facilidad en su manejo tipo “plastilina”. En la Tabla I, se muestra una formulación típica de este tipo de compuestos.

Tabla I. Composición típica de SMCs.

Componente

Porcentaje en peso

Porcentaje en Volumen

Resina

20-27

33-42

Fibra

25-30

18-30

Relleno

40-50

29-39

Todos los otros componentes*

3-5

6-8

*Todos los otros componentes incluyen el iniciador, el agente espesante, el agente de bajo perfil, el agente desmoldante, etc.

 

Intrínsecamente, las partes moldeadas a base de BMC y SMC exhiben defectos internos y superficiales.  Los defectos internos se manifiestan con un mal desempeño mecánico de la parte moldeada mientras que los defectos superficiales como los poros o cavidades dan lugar a superficies y acabados de calidad inaceptable. Estas cavidades o poros, específicamente, en compuestos SMC pueden retener aire (u otros gases) y causar defectos en forma de burbujas cuando se aplica algún recubrimiento. Desde un punto de vista morfológico, la superficie de una SMC previo a la aplicación del recubrimiento debe ser homogénea, sin contaminantes y con cierta rugosidad, producto de la presencia de microporos distribuidos uniformemente en la superficie.

Debido a la complejidad del proceso y la alta heterogeneidad en la superficie de este tipo de compuestos, es difícil satisfacer los requerimientos estéticos demandados en la industria automotriz.

Para controlar la presencia de cavidades o poros en una parte manufacturada a partir de una SMC es necesario, por un lado, que la materia prima presente características consistentes de lote a lote (especialmente su viscosidad y contenido de estireno), y por otro optimizar las condiciones de moldeo. En el caso de las características de la SMC destaca fundamentalmente la proporción de los componentes en la formulación, los cuales juegan un papel primordial en propiedades de flujo y reactividad, que a su vez determinan las propiedades físicas y mecánicas de la parte moldeada. Por ejemplo, el control de contenido de estireno, y viscosidad de la preforma SMC es crucial para su manejo y el moldeo exitoso de la pieza con buen acabado superficial. Cabe mencionar que el estireno es un componente de bajo punto de evaporación, de aquí que este tipo de materiales se almacenen a baja temperatura para conservar la proporción de este componente y, por lo tanto, evitar cambios en la viscosidad y propiedades finales de la parte moldeada.

Entre los parámetros de proceso de mayor importancia para obtener partes con superficies de buena calidad utilizando compuestos SMC, se pueden mencionar los siguientes: temperatura, presión, tiempo de moldeo, velocidad de moldeo, masa de SMC a moldear, distribución de la carga en el molde,  entre otros. Por otro lado, es importante mencionar que existen estudios que demuestran la magnificación de la presencia de poros en procesos posteriores al moldeo como tratamientos de lavado donde el agua a presión y otros químicos pueden extraer monómero (estireno) residual de la parte y aumentar el tamaño y profundidad de los poros que subsecuentemente darán problemas de burbujas en la etapa de pintura.

Respecto a la relación de parámetros como tiempo y temperatura, es importante considerar que la modificación de cualquiera de ellos, afectará al otro inminentemente. Por lo anterior, se recomienda realizar estudios en algunos equipos, específicamente, reometros especiales (Figura 1a) para poder relacionar estos parámetros, mediante el uso de reogramas (Figura 1b) y establecer los 3 parámetros fundamentales que influyen en el proceso de moldeo. Primero, el tiempo de inducción (ST, por sus siglas en inglés, Scorch Time), tiempo donde la masa moldeada se mantiene sin reaccionar y es posible su manejo durante el moldeo, es decir, durante este tiempo las propiedades de flujo del material se mantienen sin cambios significativos, lo que permite dentro de este tiempo, el llenado total del molde. De aquí, se puede relacionar directamente el ST con el tiempo de cierre del molde. Por otro lado, existe el tiempo óptimo para el entrecruzamiento químico o consolidación (CT, Crosslinking time), este tiempo es el necesario para alcanzar las mejores propiedades de desempeño mecánico de la parte final, como se muestra en las diferentes curvas reológicas en la Figura 1b. Por último, ambos parámetros antes mencionados son función de la temperatura, es decir, tanto el ST como el CT, son únicos a una temperatura dada, y estos disminuyen de forma exponencial con el incremento en la temperatura, por ejemplo, un aumento de 10 °C puede reducir ambos parámetros a la mitad como se muestra en la misma Figura 1b, donde se muestra un CT1 de 150 s para una temperatura de 150 °C y un CT3 de 75 s para una temperatura de 160 °C, esta variación, además, afectará otros parámetros del proceso como tiempo de cierre de molde y el tiempo total del ciclo de moldeo, lo cual la mayoría de las veces no es considerado por el procesador, lo que resulta en un exceso de partes de pobre calidad rechazadas.

 

 

Contenido relacionado

Neste e IKEA generan PP y PE de base biológica

Existe una planta piloto a escala comercial programada para iniciar operaciones antes que termine 2018.