¿Cómo moldear artículos plásticos con color fluorescente?

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Industrias como la de fabricación de artículos plásticos para el hogar, la de juguetería y hasta la de empaques cosméticos hacen uso de colores fluorescentes en sus desarrollos de productos. Esto responde a las características de color que imparten estas sustancias, dando aspectos de percepción visual de alta limpieza y poder, lo que los hace muy llamativos para estos mercados, teniendo una fuerte influencia en la decisión de compra de los usuarios finales.

A pesar de tener estas grandes virtudes desde los aspectos estéticos y de mercadeo, los artículos plásticos que contienen pigmentos fluorescentes tienen una gran cantidad de retos a la hora de ser procesados. 

Este documento revisa los aspectos más importantes a tener en cuenta en la fabricación de artículos que contienen pigmentos fluorescentes en resinas termoplásticas como el polipropileno y el polietileno. 

El origen de los pigmentos fluorescentes

Para conocer cómo enfrentar los retos en la parametrización de las máquinas moldeadoras de este tipo de productos, es indispensable conocer cuál es el origen y funcionalidad de las sustancias que imparten color a resinas termoplásticas como el polipropileno y el polietileno.

La fluorescencia es un fenómeno que ocurre cuando una sustancia absorbe radiación de cierta longitud de onda, o grupo de longitudes de onda, y emite fotones, generalmente de diferente longitud de onda. Cuando ciertos compuestos absorben la luz, un electrón se excita a un estado de energía vibracional superior. La molécula pierde su exceso de energía vibracional por colisiones o emitiendo un fotón en las bandas de infrarrojos o microondas y cae al nivel vibratorio más bajo del estado de energía. Desde este nivel, la molécula puede regresar a cualquiera de los niveles vibracionales del estado fundamental, emitiendo su energía en forma de fluorescencia.  La reflexión estará, entonces, por encima del 100 %.

La diferencia fundamental entre un colorante y un pigmento es su solubilidad en la matriz polimérica: los colorantes son solubles y los pigmentos son insolubles o parcialmente solubles. Los colorantes pueden ser usados en resinas amorfas y no en los semi-cristalinos, ya que en estos no tendrán solubilidad y se dará el fenómeno de “plate-out”, donde el colorante deja la matriz polimérica y se deposita en los herramentales y superficie del artículo plástico.

Para resinas termoplásticas semi-cristalinas como el polipropileno y el polietileno, donde no es posible usar directamente los colorantes fluorescentes, es necesario hacer una fabricación previa de la sustancia de color. En la actualidad la poliamida es la resina más comúnmente usada como vehículo en los pigmentos fluorescentes para plásticos.

Hoy en día las series de pigmentos fluorescentes usados en artículos plásticos están libres de formaldehido. Están contemplados en su mayoría con un estatus regulatorio de cumplimiento de la norma Europea de Juguetes EN 71. En el mercado actual hay un fabricante que tiene una serie de un encapsulado de pigmento fluorescente con estatus de FDA y otro tiene series con la Council Europea AP 89-1. 

Defectos comunes al usar pigmentos fluorescentes

La mayoría de defectos que se producen en los artículos plásticos transformados con pigmentos fluorescentes se dan por su origen y naturaleza. Aspectos como la solubilidad del colorante, el crecimiento de cadena de la resina que hace la función de contener el colorante y el tipo de resina usada, serán determinantes para tener diferencias significativas con otros tipos de pigmentos o posibles defectos en el proceso de transformación. Es importante establecer que estos fenómenos no son tan frecuentes o no se dan en artículos fabricados en resinas amorfas.

 “Plate-out”: durante el proceso de transformación, los pigmentos fluorescentes pueden depositarse sobre el molde,  los  tornillos,  las  boquillas  y  otras  superficies  de  la  máquina. Los problemas también pueden manifestarse como impregnación de color de los operadores que están en contacto con los artículos. Este fenómeno se conoce como “plate-out”.  Se asocia con una humectación deficiente de las partículas fluorescentes por parte de la resina, con una sobre saturación del colorante en la resina de policondensación (superar el 4%) o con colorante “suelto” en la resina. Este fenómeno dependerá de qué resina sea la que contenga el colorante.

Por lo general los fabricantes de pigmentos fluorescentes tienen series que son de bajo “plate-out”, pero este fenómeno no es cero en ninguna serie actual, ya que también depende de las condiciones de fabricación del pigmento y del artículo plástico.

Existen estudios recientes que han mostrado la disminución significativa de este fenómeno con el uso de nanopigmentos, donde los colorantes fluorescentes se encapsulan en nanoarcillas como la montmorillonita, el laponite, entre otros. También muestran mejor desempeño a la resistencia a luz e intemperie.

Con el fin de minimizar este fenómeno se pueden usar ayudas de proceso como las sílicas pirogénicas con tamaños de partícula muy finos. También puede servir el uso de un agente humectante (aceite mineral o butoxietil estearato).

Poca resistencia a la luz e intemperie: la interacción con la luz de las moléculas fluorescentes los hace débiles a la intemperie. Por lo general cuando se usan en artículos plásticos, tanto en interior, pero más en exterior, hay un deterioro del tono muy acelerado en comparación con otras formulaciones que no contengan pigmentos fluorescentes. Algunos fabricantes de este tipo de pigmentos recomiendan el uso de aditivos UV, pero los fabricantes de estos aditivos UV argumentan que es poco lo que éstos pueden hacer para evitar el deterioro del tono en artículos plásticos con pigmento fluorescente.

Lo más recomendable es saber en su diseño de producto cuál será su exposición a la luz para no sacar al mercado artículos como sillas, mesas, cascos en polipropileno, entre otros, que serán expuestos directamente a la luz e intemperie, ya que perderán totalmente la apariencia de color y fluorescencia en poco tiempo.

Puntos negros o carbonizados: cuando se emplean resinas de policondensación en este tipo de materias primas no se deja crecer la cadena lo suficiente, y por sufrir hidrolización (reversibilidad de la reacción) puede llegar a generar problemas reológicos, como incremento de viscosidad por degradación, y generar adhesión excesiva en los tornillos, dados y barriles. Esto a su vez genera posibles carbonizados y problemas de limpieza.

Es muy común ver estos fenómenos de carbonizados en artículos moldeados por inyección de canal caliente, donde el fenómeno de adherencia o “pegajosidad” de la masa fundida se estanca en las boquillas y manifold generando luego dichos problemas en los artículos. Por esta misma razón la limpieza de máquina luego de sacar un lote de productos con pigmentos fluorescentes es muy compleja.

Es recomendable usar aditivos como los fluoropolímeros para evitar que se adhiera este tipo de pigmentos a los herramentales. En el caso de la limpieza existen muchos compuestos de purga pero se quedan cortos ante este tipo de fenómenos. Es muy recomendable, cuando se pueda, hacer la limpieza mecánica.

Contracción excesiva en el moldeo: este tipo de sustancias de color hacen un efecto nucleante parecido al de las ftalocianinas en resinas como el polipropileno y el polietileno. Cuando la resina de policondensación usada como vehículo del colorante fluorescente se procesa con resinas como el polipropileno y polietileno, queda una discontinuidad del fundido, que favorece el aumento de temperatura de cristalización (figura 1), y por tanto el enfriamiento de la pieza en el molde es diferente a la de los artículos con otros pigmentos. Esto, además de generar problemas en las especificaciones dimensionales finales de la pieza, también genera problemas de des-moldeo.

Cambio de tono de lote a lote o durante el lote: Se debe tener especial cuidado con los perfiles de temperatura en proceso, ya que estos provocan cambios del matiz del azuloso a amarilloso y hasta pardo, por cambios de temperatura y los tiempos de residencia en máquina. También tener en cuenta la longitud del barril, ya que este tiempo de residencia puede hacer que cambie el tono cuando se cambia de máquina, además del estado de cilindro y tornillo. Es importante tener presente los tiempos de residencia y altas temperaturas logradas en la inyección con canal caliente, esto puede desencadenar el cambio de tono o formación de carbonizados. Para una mejor estabilidad a la luz y buen brillo, se requiere una dispersión eficiente, procesando a la temperatura mínima requerida y con un tiempo bajo de residencia. Es recomendable, para estos tonos con fluorescente, tener una carta de tolerancia de color amplia que contemple variables como cambios de temperatura, cambios de L/D, uso de material molido, cambio de dosificación, entre otros. Los fabricantes de estos pigmentos fluorescentes dan tolerancias de color con ΔE=2, siendo este valor muy alto comparativamente con otros pigmentos.

Burbujas incluidas en el artículo: la pérdida de peso por el fraccionamiento de las cadenas de la resina vehículo, debido a la degradación y/o hidrolización, puede desencadenar en la generación de volátiles, olor característico y también posibles burbujas en artículos plásticos. Lo recomendable es tener puertos de desgasificación en la fabricación de los concentrados de color con este tipo de pigmentos.

Las burbujas también pueden ser formadas por que este tipo de pigmentos interfiere en el enfriamiento homogéneo a través de todo el espesor del artículo.

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