01.03.2021 | 8 min
By András Szűcs

Objetivo de la medida:

Familiarizar a los operarios e ingenieros de máquina con este método, de forma que sean capaces de determinar la viscosidad del material en función de la temperatura y velocidad empleando la máquina de moldeo por inyección.

Introducción

En los entornos industriales, la viscosidad es medida habitualmente por medio de dispositivos MFI o, en algunas ocasiones, con un viscosímetro. La viscosidad aparente puede ser determinada por la relación de esfuerzo a cortadura (τ) y la velocidad de cortadura (γ ̇). Para determinar la viscosidad real para mediciones científicas de materiales con elevada viscosidad, (masa polimérica), es necesario emplear multitud de correcciones (Bagley, Dissipation, Mooney, Weißenberg-Rabinowitsch). Durante el arranque de la producción, resulta de gran ayuda para el ingeniero, determinar los siguientes factores en un corto período de tiempo:

- Diferencia entre la viscosidad del material y una predefinida como valor de referencia;
- El material bruto cuenta con la calidad especificada para el material;
- No existe ningún cambio en la masa molecular debido a un secado inapropiado, proceso de trituración, o degradación;
- La temperatura del material es la adecuada;
- La geometría de la boquilla al final del husillo es la especificada;
- Determinar la limitación de velocidad de inyección durante la fase de llenado de la cavidad.

Como puede comprobarse de la lista anterior, el conocimiento de la viscosidad y del entorno de la producción, es importante no solo desde un punto de vista teórico sino también para proporcionar soporte en cada arranque de máquina. Ambos factores proporcionan una respuesta inmediata al mezclado de materiales, y a las diferencias entre lotes de materia prima.

Es importante enfatizar que el ensayo puede realizarse en un tiempo realmente corto y proporciona  una respuesta  inmediata acerca de si puede comenzar la producción.
 

Resumen teórico

¿Cual es el significado de la viscosidad?
La viscosidad es la fricción interna a nivel molecular, o la resistencia del material a fluir.

La viscosidad de un material depende de:

- Geometría del flujo
- Tipos de material y aditivos (estructura química y componentes)
- Masa molecular y distribución de masa molecular
- Temperatura
- Velocidad de cortadura y
- Presión

Si se produce algún cambio en cualquiera de los parámetros anteriormente mencionados, se producirá un cambio en la viscosidad del material. Este cambio puede ser de solo un pequeño porcentaje o de varios órdenes de magnitud. Se recomienda conocer la viscosidad del material antes de comenzar la producción ya que se trata de uno de los parámetros básicos para el proceso.

La viscosidad aparente puede determinarse a partir de la fuerza y la velocidad en la sección transversal del flujo:

donde η_app es la viscosidad aparente (sin corrección), τ_app es la fuerza a cortadura aparente, y γ ̇_app es la velocidad a cortadura aparente. La fuerza a cortadura puede ser calculada a partir de la presión y la geometría del flujo (en este caso diámetro):

donde p [bar] es la presión frente a la boquilla, r [mm]  es el radio de la boquilla y L [mm] es la longitud de la boquilla. Para calcular las curvas de viscosidad y del flujo, es necesario conocer la geometría de la boquilla (Figura 1.) Para determinar la viscosidad aparente, es necesario conocer la velocidad de inyección:

donde V ̇  [cm3/s  ] es el flujo volumétrico establecido en la máquina de inyección y r [mm] es el radio de la boquilla.

1. Modelo y dimensiones de la boquilla empleada

Preparación y procedimiento de la medida

Resumimos la planificación de la medida en una tabla, que contiene la información más importante acerca del material, temperatura, y geometría de la boquilla. Los siguientes parámetros tienen una influencia directa en la medida:

- Parámetros pre-establecidos

- Geometría de boquilla (longitud, geometría general)
- Temperatura del material
- velocidad de inyección

- Parámetros medidos

- Presión

- Parámetros a verificar

- Velocidad y perfil de inyección reales (capacidad de máquina)
- Temperatura del material

La medida puede realizarse sin validación, pero resulta útil comprobar si la máquina de moldeo por inyección es capaz de trabajar con los parámetros establecidos. Es recomendable comprobar la temperatura del material empleando distintas vías de dosificación para asegurar una distribución de temperaturas acceptable. No resulta inusual que existan diferencias de hasta 50°C entre los valores de temperatura pre-establecidos y medidos debido a un termopar instalado incorrectamente o debido a una velocidad de dosificación excesiva.

Al escoger la temperatura del material, es necesario considerar las recomendaciones de la hoja de datos del material. Se recomienda completar la medida en 3 temperaturas distintas entre los límites inferior y superior.  La temperatura del cilindro debe ser la misma que la empleada durante la producción. La velocidad de inyección debe escogerse dentro del rango habitual de trabajo, pero la tasa del flujo debe ser constante.

La medida debería realizarse a distintas velocidades (al menos 3) para obtener las características de velocidad de cortadura del material. La curva de viscosidad aparente del material puede construirse empleando multiples velocidades. La viscosidad de los polímeros decrece con caudales crecientes. La tasa de disminución es diferente para cada tipo de material. En el caso del policarbonato, la disminución de la viscosidad es minima, pero en el caso del polietileno puede ser de varios órdenes de magnitud. Durante el moldeo por inyección, la velocidad de cortadura real en el molde puede ser de 100-1000 1/s.

2. Imagen: Comparación de la viscosidad de PE y PC a diferentes temperaturas en función de la cortadura

La sensibilidad a cortadura (n) es la reacción del material frente a los esfuerzos cortantes, y puede calcularse a partir de la relación entre las viscosidades determinadas a diferentes velocidades. Los operarios de máquina experimentados están al tanto de este fenómeno, pero con este método serán también capaces de cuantificarlo. El esfuerzo a cortadura muestra como disminuye la viscosidad del material con el incremento de la velocidad. Por lo tanto, la velocidad de inyección puede configurarse a su valor óptimo con la minima distribución.

En la literatura técnica, las curvas de viscosidad se muestran habitualmente en una escala logarítmica, pero en la práctica una curva convencional es más representativa ya que ilustra el efecto de la velocidad y la temperatura en la fluidez, y la velocidad de cortadura disponible en la máquina de moldeo por inyección está limitada.

La segunda parte de este artículo trata sobre la implementación de la medida y la evaluaciòn de resultados.