Nuevas oportunidades de aplicación de termoplásticos espumados

En mayo de este año, en Munich, tuvo lugar la edición anual de una de las conferencias más importantes en el campo de espumas, organizada por la empresa británica Rapra Technology. La conferencia, que recogió los últimos avances en agentes soplantes y procesos de espumado para resinas termoplásticas, descubrió varias nuevas posibilidades en agentes de expansión y materiales, así como aplicaciones específicas que abren nuevos mercados. Hay interesantes oportunidades para trabajo con PET y PVC, y los termoplásticos elastómeros se hacen camino en aplicaciones innovadoras. Las espumas biodegradables y los nanocompuestos también vienen jalonando el desarrollo.

Ha quedado demostrado que las resinas espumadas pueden satisfacer con su desempeño una amplia gama de aplicaciones que tradicionalmente se han fabricado con resinas compactas, reduciendo el peso y sus costos asociados. Sin embargo, quizás lo más interesante es que el espumado en un termoplástico tiene un impacto positivo sobre las condiciones de proceso, reduciendo la fuerza de cierre requerida y el tiempo de ciclo en inyección, por ejemplo, así como la presencia de marcas de hundimiento y el alabeo. En el proceso de extrusión es obvia la posibilidad de reducir la densidad de las piezas producidas, y nuevos desarrollos han permitido el termoformado de piezas de excelente acabado superficial.

Gracias a los desarrollos que se han propiciado, cada vez hay más posibilidades de cambiar una aplicación compacta por una espumada. Y más aún, hay un amplio potencial de desarrollo de producto, en el cual las piezas espumadas pueden reemplazar aplicaciones convencionales, como madera, reduciendo el costo del producto final e integrando varias piezas en una sola.

De acuerdo con el Dr. Lars Wahlen, de la empresa alemana Lehmann & Voss, pese a que en el espumado de piezas se requiere de un procedimiento más dispendioso y complicado, el gran potencial de ahorro generalmente justifica el uso de agentes espumantes. Como aplicaciones, Wahlen cita la producción de tubería de coextrusión, donde se cuenta con una superficie exterior suave y un núcleo interno espumado, que ahorra material y costos. En este caso, afirma, pese a que la reducción en densidad disminuye el módulo de resistencia a la flexión, la resistencia en sí se ve favorecida por un incremento en el área transversal de la tubería. Los perfiles espumados pueden trabajarse como madera en aplicaciones para la construcción, y el aislamiento de empaques producidos a partir de piezas de lámina termoformada es de creciente interés en la industria.

Otras aplicaciones de interés en extrusión son las cintas decorativas, los sellos de techos y las bolsas de lujo. Wahlen afirma que en este caso no es tan interesante la reducción en peso, como las texturas y sensaciones al tacto que pueden producir los materiales espumados.

Desarrollos en agentes espumantes 
En general, los agentes espumantes se pueden clasificar en dos grandes grupos: agentes químicos y agentes físicos. En ambos casos la sustancia debe estar homogéneamente distribuida dentro del fundido de plástico para generar el efecto espumado, dentro del tornillo de la extrusora y la inyectora, y debe estar sometida a alta presión. Una vez el fundido con el agente soplante disuelto sale hacia el molde o dado, la caída en presión genera el crecimiento de células, o poros, que generan el efecto de reducción en densidad.

Los agentes químicos son aditivos reactivos capaces de liberar un gas como parte de una reacción química. Generalmente este gas es nitrógeno o dióxido de carbono. Además de este gas, que es el responsable de la formación de burbujas en fundido, se generan productos residuales sólidos, que en ocasiones actúan como puntos de nucleación, esto es, como puntos de enclave para el crecimiento de burbujas, pero que en ocasiones pueden llevar al deterioro de la herramienta. Los agentes espumantes químicos pueden clasificarse como endotérmicos o exotérmicos, dependiendo de si absorben o liberan calor durante la reacción química, respectivamente.

Los gases o líquidos en ebullición que se introducen directamente en el fundido se consideran agentes de espumado físicos. Pueden ser dióxido de carbono y nitrógeno, e incluso vapor de agua. En este caso no se generan productos residuales.

Clariant ha desarrollado una nueva serie de agentes soplantes químicos, la Hydrocerol PEX, orientada a aplicaciones de extrusión. El agente produce un espumado de celda fina, que permite termoformar sin defectos superficiales, y alcanza reducciones de densidad de 15 a 30% en aplicaciones mono y multi-capa. La empresa ha desarrollado formulaciones para PP, PE, PS y PET.

Las espumas co-extruidas son producidas con una capa de espumado interna y una superficie compacta. En este caso, de acuerdo con Mirco Gröseling, del departamento de desarrollo de empaques flexibles de Clariant Masterbatches, es muy importante que la capa externa sea de un polímero suave, mientras que el núcleo espumado debe estar fabricado de una espuma más dura, ya que el espumado reduce la viscosidad aparente, y por tanto brinda mejores propiedades de flujo. Como en cualquier aplicación de coextrusión, si las capas difieren en gran medida en su viscosidad, pueden no adherirse entre sí correctamente.

Uno de los productos residuales de la mayoría de agentes de espumado químicos de carácter endotérmico es el agua. Debido a que el PET es un polímero hidrofílico, se degrada en presencia de agua, rompiendo los enlaces entre las cadenas moleculares y reduciendo la viscosidad de procesamiento.

Los aditivos CESA, de Clariant, pueden actuar como extensores de cadenas, que re-conectan las cadenas o redes de poliéster rotas. Es posible entonces emplear agentes soplantes químicos combinados con los extensores de cadena para espumar este tipo de material.

Para polímeros con una ventana de procesamiento estrecha, como el PET, las condiciones de proceso deben controlarse con exactitud. El parámetro más importante es la presión correcta en el dado para proveer un proceso estable de espumado, afirma Gröseling.

Un tipo de agente de expansión especial lo constituyen las microesferas, que también pueden emplearse como un agente de relleno de bajo peso. El producto de este tipo comercializado por la empresa sueca Expancel, del grupo Akzo Nobel, fue el tema de una interesante presentación durante la conferencia de Rapra. Antes de su expansión las microesferas tienen un diámetro promedio de 10 a 40 micrómetros, y están conformadas por una cáscara polimérica que encapsula un agente soplante, en la mayoría de los casos un hidrocarburo, con un bajo punto de ebullición. Bajo el efecto del calor, esta cáscara termoplástica se suaviza, y la presión del hidrocarburo se incrementa, teniendo como resultado una expansión simétrica del agente. El incremento en volumen llega a ser de 40 a 60 veces el diámetro inicial de la esfera, lo que tiene un efecto drástico sobre la densidad del polímero inicial.

En materiales termoplásticos las microesferas son populares como agentes espumantes y de relleno en suelas de zapatos, donde se usan en materiales como PVC, SBS y TPU, así como en caucho. Junto a propiedades como aislamiento térmico y de ruido, mejoramiento estético de superficies y estructuras de celda cerrada, las microesferas permiten reducciones en densidad hasta del 30%, añadiéndose en 2% en peso en procesos de extrusión y en 3% en peso en inyección. Cuando se usan en polímeros termoestables, han reportado beneficios en la maquinabilidad y la estructura c elular, además de reducir el encogimiento.

Espuma 100% verde 
En los últimos años el ácido poliláctico, PLA, un polímero derivado de fuentes renovables y biodegradable, ha disminuido su precio, alcanzando el valor de 1,5 dólares por libra, y se ha establecido como un material de interés para diferentes aplicaciones de empaque. Recientemente se ha investigado sobre la espumación de PLA para aplicaciones no médicas, empleando como agente soplante una mezcla de CO2 y N2, y ampliando la estrecha ventana de procesamiento y las propiedades reológicas del PLA con la adición de nanoarcillas o con extensores de cadena polimérica. El doctor Michael Champagne, del Instituto de Materiales Industriales en el Concilio Nacional de Investigación en Quebec, Canadá, ha estado trabajando en la producción continua de espumas de PLA y espumadas con CO2 a través del proceso de extrusión. Champagne afirma que, pese a que las propiedades de un material de este tipo espumado con un agente físico no alcanzan las del PLA espumado con agentes convencionales, al evitar el uso de hidrocarburos se alcanza un material 100% degradable.

En su trabajo se concluyó que al dosificar CO2 como agente soplante en el PLA es posible obtener espumas de muy baja densidad, del orden de 20 a 25 kg/m3. El CO2 resultó ser muy efectivo para plastificar PLA: la temperatura de transición vítrea se redujo entre 6 y 8°C por cada 1% de CO2 añadido a la mezcla. Además se concluyó que un porcentaje de 7% de agente espumante es óptimo para el procesamiento.

Una observación interesante en el trabajo del Dr.Champagne fue un cambio en la densificación cuando las espumas tenían una densidad entre 7 y 9%, con consecuencias en la estabilidad dimensional. Pese a que recién extruidas las piezas tenían una excelente apariencia, en algunos casos después de 48 horas se observaban irregularidad en las superficies cuando se usaba más de 9% de CO2 para el espumado. En contraste, cuando se usaba cerca de 7% el encogimiento era inferior al 1%. Una explicación podría ser el hecho de que cuando hay un exceso de CO2, éste se continúa difundiendo en las paredes de la espuma aún cuando el proceso ya ha terminado. Esta difusión progresiva de agente espumante en las paredes del PLA tendría sobre el material un efecto plastificante, lo cual a su vez reduciría la temperatura de transición vítrea incluso acercándola a la temperatura ambiente. Como resultado final, la pieza es susceptible a deformaciones en condiciones atmosféricas.

Otro efecto interesante observado es que el contenido de celdas abiertas en la espuma parecía incrementar su estabilidad dimensional, y el porcentaje de celdas abiertas en la espuma extruida se hacía más pequeño a medida que el contenido de agente espumante aumentaba. Esto estaba relacionado con el efecto que tenía la plastificación del PLA, con lo cual se incrementaban las propiedades de fundido extensional, haciendo que las paredes más finas pudieran espumarse más fácilmente sin romperse. Por tanto, añadir CO2 parece incrementar la resistencia de la película de PLA a la ruptura durante la fase de estirado de burbuja, inherente a cualquier proceso de espumado de baja densidad.

"Nano" y "Bio" para espumas 
El uso de agentes nucleantes, o de agentes que actúan como anclas para promover la formación de celdas en la espuma, es de vital importancia para controlar la morfología final del material. El agente nucleante más ampliamente usado es el talco, sobre todo porque es fácil de adquirir y es barato. Sin embargo, recientemente ha habido varias investigaciones en el efecto que tienen sobre las espumas los agentes de tamaño nanométrico. El número de puntos de nucleación se incrementa entre más partículas de agente nucleante haya por unidad de volumen. En este sentido, debido a que en cada centímetro cúbico de polímero caben muchas más partículas de tamaño nanométrico que de tamaño micrométrico, en teoría el número de sitios activos para nucleación debería incrementarse ostensiblemente con el uso de nanocompuestos. Sin embargo, de acuerdo con Salvatore Iannace, del Instituto de Materiales Compuestos y Biomateriales del Concilio Nacional de Investigación en Italia, ha habido mucha discrepancia en las investigaciones reportadas sobre la veracidad de este hecho. Con este fin, él participó en un proyecto de investigación en el que se empleaba Poli-Caprolactama, PCL, un poliéster alifático biodegradable, con nanopartículas de diferentes materiales: polvos de aluminio y de dióxido de titanio, arcillas exfoliadas e intercaladas y nanotubos. Estas nanopartículas tenían diferentes formas y/o características dimensionales. El resultado fue que los diferentes agentes, dependiendo de su forma, dimensión y funcionalidad dimensional, pueden nuclear en forma selectiva los cristales y las burbujas del polímero, y tienen un efecto sobre el crecimiento de la espuma y sobre su nucleación.

Productos y formulaciones en espuma de PVC 
El PVC-U celular es un material bien conocido y cuenta con un mercado global. De acuerdo con la Dra. Noreen L. Thomas, del Instituto de Tecnología de Polímeros e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Loughborough, en el Reino Unido, hay una demanda creciente de espumados rígidos de PVC en Europa y Estados Unidos, en los sectores de perfilería, lámina y tubería de núcleo espumado. Muchas de sus aplicaciones se enfocan en el reemplazo de madera, por la evidente ganancia en durabilidad y conformabilidad. El PVC espumado otorga propiedades de rigidez y resistencia óptima con un peso mínimo, y por tanto hay una importante oportunidad de desarrollo de aplicaciones con base en este material.

En una aplicación espumada, el tipo de PVC y los ingredientes de la formulación controlan la estabilidad térmica, el comportamiento de gelación, las características de flujo de polvo, la viscosidad de la mezcla y la resistencia del fundido durante el proceso de producción. Todos los componentes de la formulación influyen en la densidad de la espuma, en el acabado superficial y en las propiedades en general y pueden crearse interacciones entre componentes independientes.

En la tabla 1 se puede observar la formulación típica de una lámina de espuma de PVC. El agente espumante más comunmente utilizado en esta aplicación es la azodicarbonamida, ADC, que libera cerca de 60% de nitrógeno entre sus productos de descomposición. Tiene la ventaja de ser un agente altamente exotérmico, lo que genera altas tasas de expansión de gas y una estructura celular uniforme.

En la formulación de PVC para espuma rígida, los estabilizantes juegan un doble rol: previenen la degradación térmica del polímero y activan la descomposición de la ADC. Los lubricantes garantizan que los geles de PVC entren suficientemente temprano en la extrusora para asegurar que los agentes soplantes no sean expulsados por el venteo, sino que se difundan en el polímero. Así mismo, evitan que haya demasiado corte en la extrusora como para que las celdas de la espuma colapsen.

Entre los usos típicos de PVC espumado se encuentran paneles de muestra, señales, paneles de publicidad y paneles arquitectónicos. Tienen la ventaja de que son fáciles de imprimir, pintar y termoformar.

Los perfiles de espuma rígida de PVC se usan principalmente en reemplazo de madera, particularmente por su buen comportamiento frente a la intemperie. Una formulación típica puede observarse en la tabla 2. En este caso el agente espumante preferido es el bicarbonato de sodio (BCS, empleado en un 90%) con una pequeña adición de azodicarbonamida. La reacción es endotérmica, y se obtiene una estructura más bien gruesa. Sin embargo es más fácil de trabajar que la ADC (que es irritante), produce una espuma más blanca y es menos propicia a crear problemas por colapso de celdas.

Aparte de la oportunidad que existe de desarrollo de nuevos productos con PVC-U celular, la sostenibilidad ambiental del material representa un desafío. En particular, requieren considerarse los factores de reemplazo de estabilizantes de plomo y el reciclaje. Thomas resalta que, hacia el futuro, el uso de nanocompuestos en PVC puede favorecer la nucleación o la estabilización de las formulaciones. Es incluso posible pensar que los nanocompuestos puedan dar pie a una nueva generación de estabilizantes térmicos, o que prevengan la migración de plastificantes.

Espumas de TPE
La compañía Suiza Sekisui Alveo produce espumas de poliolefina, entrecruzadas y con celda cerrada, aplicables en interiores automotrices, cintas adhesivas y en una serie de aplicaciones de consumo y construcción. En Alveo el proceso de producción empieza con la extrusión de una lámina compacta, que subsecuentemente se entrecruza y por último se espuma con un agente químico, en un proceso que puede ser horizontal o vertical. De acuerdo con la empresa, este proceso garantiza estructuras de celda cerrada con un tamaño controlable de celda y con superficies suaves. Una ventaja del proceso de espumado vertical es que es posible obtener espumas muy delgadas (incluso menores a 0,16 mm), que pueden aplicarse, por ejemplo, en la fabricación de sellos. El Dr. Ir. Remco Willemse, representante de la empresa en Holanda, sostiene que al separar el proceso de extrusión del proceso de espumado es posible emplear mayores cantidades de agente espumante químico, conllevando a densidades inferiores (25-250 kg/m3), y que el entrecruzamiento del material promueve la formación de estructuras celulares más finas y de superficies más suaves.

Recientemente, la empresa se ha embarcado en la investigación de espumas de Pebax. El Pebax es un termoplástico elastómero basado en poliamida (TPE-A), conformado por una cadena lineal de segmentos de poliamida rígida intercalados con segmentos de poliéter flexible. Con este tipo de material se obtiene un comportamiento de resistencia mecánica dinámica muy superior al de poliolefinas convencionales (soportan mucho mejor la fatiga), y por su naturaleza química son permeablSes al vapor de agua. Además son flexibles a bajas temperaturas, tienen altos coeficientes de fricción y ofrecen más capacidad de recuperación y resistencia química que los poliuretanos, sus competidores directos.