TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO COMO HERRAMIENTAS … · peso y costes y generar materiales multifuncionales ... el molde expansión enfriamiento ... vÁlido para sistemas de colada fria

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO COMO HERRAMIENTAS PARA REDUCIR

PESO Y COSTES Y GENERAR MATERIALES MULTIFUNCIONALES

Tecnología e Innovación en Materiales Celulares al Servicio de la Industria

Cristina Saiz-Arroyo1,2, Miguel Angel Rodríguez-Pérez1,2

1 CellMat Technologies, Valladolid-España 2 Laboratorio CellMat, Valladolid- España

ÍNDICE

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO COMO HERRAMIENTAS

PARA REDUCIR PESO Y COSTES Y GENERAR

MATERIALES MULTIFUNCIONALES

o CELLMAT INNOVATION CENTER

o INTRODUCCIÓN

o DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR

o TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE MATERIALES CELULARES

LABORATORIO DE MATERIALES CELULARES

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID- ESPAÑA

Establecido en 1999. Laboratorio de reconocido prestigio

internacional en el campo de los materiales celulares.

Creada en Octubre de 2012. Empresa Spin-Off de Base

Tecnológica de la Universidad de Valladolid.

KNOW-HOW NOVEDOSO Y

ESPECIFICO RELATIVO A MATERIALES CELULARES

AVANZADOS

ACUERDOS DE TRANSFERENCIA

• 145 artículos en revistas científicas

• 10 patentes y varias tecnologías novedosas

• 16 Tesis Doctorales

• Más de 60 proyectos de investigación

• Colaboración con Universidades e Industrias a nivel mundial

o Transferir conocimiento y tecnología relativa a materiales

celulares a nuestros socios industriales.

o Asesorar a productores de productos plásticos (espumados o

no) para que generen materiales avanzados y más baratos utilizando

nuestro know-how específico.

o Producir materiales celulares avanzados y/o formulaciones para

la producción de los mismos.

ÍNDICE

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO COMO HERRAMIENTAS

PARA REDUCIR PESO Y COSTES Y GENERAR

MATERIALES MULTIFUNCIONALES

o CELLMAT INNOVATION CENTER

o INTRODUCCIÓN

o DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR

o TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE MATERIALES CELULARES

INTRODUCCIÓN: IMPORTANCIA & MERCADO

ESPUMAS POLIMÉRICAS ESTRUCTURA DE DOS FASES: POLÍMERO + GAS

SU IMPORTANCIA EN LA SOCIEDAD ACTUAL – LOS NÚMEROS

AÑO 2013 19.1 Millones de Tn $ 86.9 Billones

2009 2014

TASA CRECIMIENTO ANUAL – 4%

AÑO 2019 25.3 Millones de Tn

2014 2019

TASA CRECIMIENTO ANUAL – 4.8 %

MATERIALES CELULARES: LAS RAZONES DEL ÉXITO

ESPUMAS POLIMÉRICAS

ESTRUCTURA DE DOS FASES: POLÍMERO + GAS

LA INCLUSIÓN DE UNA FASE

GASEOSA PERMITE

AUMENTAR EL RANGO DE

PROPIEDADES DISPONIBLES

LA COMBINACIÓN

DE PROPIEDADES Y BAJO PESO PERMITE EL

REDISEÑO DE MULTITUD DE APLICACIONES

MATERIALES CELULARES – QUÉ LOS CONTROLA?

APLICACIONES TECNOLOGÍA DE

FABRICACIÓN

AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES

PROPIEDADES

DENSIDAD

MATERIALES CELULARES – QUÉ LOS CONTROLA?


FABRICACIÓN


PROPIEDADES

DENSIDAD DENSIDAD RELATIVA

QUÉ LOS CONTROLA? – LA DENSIDAD, ¿Y ALGO MÁS?

RELACIONES DE ESCALA

R = 0.5

n ESTÁ ASOCIADO CON LA ESTRUCTURA CELULAR

ESPUMAS = DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR


FABRICACIÓN


PROPIEDADES

DENSIDAD

DENSIDAD RELATIVA

ESTRUCTURA CELULAR

TRES NIVELES: ESTRUCTURA CELULAR CELDA ELEMENTAL MATERIAL BASE

LA ESTRUCTURA CELULAR – LOS NIVELES

PAREDES

ARISTA

LA ESTRUCTURA CELULAR – LO QUE HAY QUE SABER

ESTR

UC

TUR

A C

ELU

LAR

DENSIDAD RELATIVA

TIPO DE POROSIDAD: ABIERTA, CERRADA O INTERMEDIA

TAMAÑO DE CELDA, DENSIDAD CELULAR

DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS CELULARES

ESPESOR DE LA PARED DE LAS CELDAS Y SU DISTRIBUCIÓN

FRACCIÓN DE MASA EN LAS ARISTAS

FORMA DE LAS CELDAS, RATIO DE ANISOTROPÍA

RELACIÓN ENTRE LOS PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN LA ESTRUCTURA CELULAR

LA ESTRUCTURA CELULAR – LOS PARÁMETROS

TIPO DE POROSIDAD: ABIERTA, CERRADA O INTERMEDIA ESTRUCTURA CELULAR

CELDA ABIERTA C 80- 100%

CELDA SEMIABIERTA 10 < C < 80%

CELDA CERRADA C 0- 10%


ESTRUCTURA CELULAR TAMAÑO DE CELDA, DENSIDAD CELULAR

MATERIAL MICROCELULAR (108 – 1011 celdas / cm3)

MATERIAL NANOCELULAR (>10 14 – 1015 celdas/cm3)

MATERIAL CELULAR CONVENCIONAL

(102 – 107 celdas /cm3)

RE-EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA Reducción extrema de la conductividad térmica. Mejora en las propiedades mecánicas NECESARIO LOGRAR MAYORES REDUCCIONES DE DENSIDAD. MENOR DENSIDAD LOGRADA HASTA AHORA 0.3.


FORMA DE LAS CELDAS, RATIO DE ANISOTROPÍA ESTRUCTURA CELULAR

R = 1 CELDA ISOTRÓPICA

R < 1

R > 1

CELDAS ANISOTRÓPICAS

ESTRUCTURA CELULAR DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS CELULARES

ESPUMAS = DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR


FABRICACIÓN


PROPIEDADES

DENSIDAD

DENSIDAD RELATIVA

ESTRUCTURA CELULAR

LA DENSIDAD

BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD

ESPUMAS & SU CIRCUNSTANCIA DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR


FABRICACIÓN


PROPIEDADES

DENSIDAD

DENSIDAD RELATIVA

ESTRUCTURA CELULAR

LA DENSIDAD VS LAS APLICACIONES


APLICACIONES ESTRUCTURALES REDUCCIÓN DE PESO & RIGIDEZ

LA DENSIDAD VS LAS APLICACIONES


ESPUMAS FLEXIBLES O ESPUMAS RÍGIDAS AISLAMIENTO TÉRMICO, AISLAMIENTO ACÚSTICO, ABSORCIÓN DE ENERGÍA, CONFORT, FLOTACIÓN, …

ESPUMAS & SU CIRCUNSTANCIA DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR


FABRICACIÓN


PROPIEDADES

DENSIDAD

DENSIDAD RELATIVA

ESTRUCTURA CELULAR

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO – HECHOS COMUNES

0

1

2

3

4

5

6

t0 t1 t2 t3 t4 t5

Gra

do

de

exp

ansi

ón

Tiempo 6

Crecimiento

Solidificación

Nucleación

Drenaje

Coalescencia

Coarsening

Líquido+gas

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO – HECHOS COMUNES

AGENTE ESPUMANTE

QUÍMICO

(CBA)

ENDOTÉRMICO

(H < 0)

EXOTÉRMICO

(H > 0)

FÍSICO

(PBA)

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO – AGENTES ESPUMANTES

SUSTANCIA QUE GENERA UNA ESTRUCTURA

CELULAR EN EL POLÍMERO

LIBERA GAS COMO RESULTADO DE UNA REACCIÓN

QUÍMICA

GENERA GAS POR CAMBIO DE ESTADO

O POR CAMBIO SOLUBILIDAD

POLÍMERO/GAS

AZODICARBONAMIDA

ACIDO CÍTRICO, ACIDO TARTÁRICO

BICARBONATO SÓDICO Baja tasa

liberación gas

Aptos contacto con alimentos

Liberan H2O

ZnO, ZnSt

Mayor tasa liberación de gas que endotérmicos

No aptos contacto con alimentos

CFCs, HCFCs Hidrocarburos, (isobutano, isopentano) Gases Inertes: CO2, N2

ESTADO SUPERCRÍTICO

EXTRUSIÓN

Poliolefinas, poliestireno

ESPUMADO REACTIVO

Poliuretano, resinas epoxy

LA DENSIDAD VS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN


DISOLUCIÓN DE GAS

Poliolefinas

MOLDEO POR COMPRESIÓN

Poliolefinas

TERMOESTABLES

TERMOPLÁSTICOS

LA DENSIDAD VS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN


DISOLUCIÓN DE GAS

Poliolefinas

MOLDEO POR COMPRESIÓN

Poliolefinas

TERMOESTABLES

TERMOPLÁSTICOS

EXTRUSIÓN

Poliolefinas, polímeros técnicos

MOLDEO POR INYECCIÓN

Poliolefinas, polímeros técnicos

ESPUMADO REACTIVO

Poliuretano, resinas epoxy

ROTOMOLDEO

Poliolefinas

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - EXTRUSIÓN

Polímero Fundido

AGENTE ESPUMANTE FÍSICO

AGENTE ESPUMANTE QUÍMICO

Mezclado Enfriamiento Moldeo Expansión

FUNDAMENTOS DEL PROCESO

P- Caída de presión en boquilla- > Induce nucleación de las celdillas

- Extrusora mono-husillo - Extrusora doble husillo - Sistema tipo tandem: Mono-mono ó doble-mono

- TIPO DE POLÍMERO A ESPUMAR - DENSIDAD (Y TIPO) DEL PRODUCTO


- POLIESTIRENO EXTRUIDO, (XPS AISLAMIENTO O XPS ENVASES- BANDEJAS) - POLIOLEFINAS, (PLANCHAS, COQUILLAS AISLANTES)

cv Calentamiento del polímero & Dispersión del AGENTE ESPUMANTE FÍSICO, (Isobutano, isopentano, CO2)

cv Enfriamiento de la mezcla polímero/gas: Material más estable en la salida, (aumento de la viscosidad). Temperatura en boquilla cercana a Tg o a Tc

MONO-HUSILLO O DOBLE HUSILLOC

MONO-HUSILLO


EN LA ACTUALIDAD… TECNOLOGÍAS MADURAS PROHIBICIÓN CFCs Y HCFCs (PROTOCOLO DE MONTREAL) HA MOTIVADO EL CAMBIO AL CO2 . AISLAMIENTO TÉRMICO: REDUCIR LOS VALORES DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA- ESTRATEGIAS BASADAS

EN ADITIVACIÓN (NUCLEANTES DE ELEVADA EFICIENCIA), USO DE POLÍMEROS CON PROPIEDADES REOLÓGICAS AVANZADAS (REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE CELDA).

ENVASE Y EMBALAJE: REDUCIR DENSIDAD MANTENIENDO O MEJORANDO PROPIEADES- ADITIVACIÓN (NUCLEANTES DE ALTA EFICIENCIA) Y USO DE POLÍMEROS CON PROPIEDADES REOLÓGICAS AVANZADAS, (MAYOR CAPACIDAD DE EXPANSIÓN, REDUCCIÓN DEL PORCENTAJE DE CELDA ABIERTA, REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE CELDA)


OBJETIVO FUNDAMENTAL: REDUCIR PESO & COSTES MANTENIENDO O INCLUSO MEJORANDO PROPIEDADES

PRODUCTOS CON IDÉNTICA APARIENCIA PERO CON ESTRUCTURA CELULAR INTERNA


OBJETIVO FUNDAMENTAL: REDUCIR PESO & COSTES MANTENIENDO O INCLUSO MEJORANDO PROPIEDADES

ES POSIBLE UTILIZAR LA TECNOLOGÍA EXISTENTE: EXTRUSORAS MONO-HUSILLO O DOBLE HUSILLO AGENTES ESPUMANTES FÍSICOS (ELEVADA INVERSIÓN INICIAL) O QUÍMICOS (NO NECESIDAD DE

INVERSIÓN INICIAL: AJUSTE DE PARÁMETROS DE PROCESO Y FORMULACIÓN) REDUCCIÓN DE COSTES & MATERIA PRIMA, (Depende de la geometría, pero superior al 10%) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA REDUCIDA REDUCCIÓN DE LOS COSTES DE PRODUCCIÓN SE MANTIENE LA PRODUCTIVIDAD ADECUADO PARA PRODUCTOS EN CONTACTO CON ALIMENTOS VÁLIDO PARA SISTEMAS CON ELEVADAS CONCENTRACIONES DE CARGA TERMOPLÁSTICOS Y ELASTÓMEROS TERMOPLÁSTICOS

TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - INYECCIÓN

Polímero Fundido

PBA CBA

Mezclado Inyección en

el molde Expansión Enfriamiento

FUNDAMENTOS DEL PROCESO

Expulsión

UNIDAD DE INYECCIÓN MOLDE

ESPUMAS ESTRUCTURALES: PIEL SÓLIDA + NÚCLEO ESPUMADO


LAS OPCIONES MÁS COMUNES:

PROCESO DE BAJA PRESIÓN

PROCESO DE ALTA PRESIÓN: CORE-BACK PROCESS


AGENTES ESPUMANTES FÍSICOS (TECNOLOGÍA MUCELL, TREXEL), O QUÍMICOS REDUCCIONES DE PESO Y MATERIA PRIMA SIGNIFICATIVAS, (HASTA UN 40% EN

FUNCIÓN DEL ESPESOR). AHORRO DE COSTES DE FABRICACIÓN DE LAS PIEZAS MÍNIMA INVERSIÓN ECONÓMICA, MAQUINARIA Y MOLDES CONVENCIONALES.

VÁLIDO PARA SISTEMAS DE COLADA FRIA Y CALIENTE Y MOLDES MULTICAVIDAD. TIEMPOS DE CICLO REDUCIDOS, (REDUCCIÓN DEPENDIENTE DEL ESPESOR). MENORES FUERZAS DE CIERRE LO QUE IMPLICA MAYOR DURACIÓN DE LOS MOLDES Y

AHORRO DE ENERGÍA Y/O POSIBLIDAD DE FABRICAR EN MÁQUINAS DE MENOR FUERZA DE CIERRE.

CALIDAD SUPERFICIAL ÓPTIMA TECNOLOGÍA LIBRE, NO REQUIERE PAGO DE LICENCIAS PARA SU IMPLEMENTACIÓN ADECUADO PARA TODO TIPO PRODUCTOS INLCUIDOS O AQUELLOS EN CONTACTO

CON ALIMENTOS TERMOPLÁSTICOS Y ELASTÓMEROS TERMOPLÁSTICOS VÁLIDO PARA SISTEMAS CON CARGA

ESTRATEGIA DE MEJORA/OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE MATERIALES

CELULARES

Características de la

formulación: Matriz

polimérica + aditivos

Parámetros involucrados en

el proceso

Estructura celular

Propiedades físicas del material

espumado

Aplicación, Mercado

Option #1

Option #2

Morfología de la matriz polimérica

NIVEL MICROSCÓPICO NIVEL MACROSCÓPICO

n

PS

ESPUMABILIDAD- Habilidad una formulación para producir espumas con calidad óptima

Inyección Extrusión Moldeo …


CELULARES

ESPUMABILIDAD- Habilidad una formulación para producir espumas con calidad óptima

PROPIEDADES REOLÓGICAS PROPIEDADES TÉRMICAS INTRÍNSECAS


CELULARES – MATERIALES MULTIFUNCIONALES

PARÁMETROS DE PROCESO

ESTRUCTURA CELULAR

MORFOLOGÍA DE LA MATRIZ POLIMÉRICA

PROPIEDADES FÍSICAS

MERCADO, APLICACIÓN

FORMULACIÓN: POLÍMERO + ADITIVOS

NIVEL MICROSCÓPICO

NIVEL MACROSCÓPICO

NANOPARTÍCULAS

• Agentes nucleantes • Mejora propiedades reológicas • Mejora propiedades barrera

• Modificación de las propiedades matriz

MEJORAS EN LAS PROPIEDADES DE LA MATRIZ POLIMÉRICA , (Paredes Celulares = Nanocompuesto)

• Estabilidad termica • Propiedades mecánicas • Resistencia al fuego

• Térmicas • Mecánicas • Resistencia al

fuego

EFECTOS SINÉRGICOS

LAS NANOPARTÍCULAS JUEGAN UN PAPEL MULTIFUNCIONAL EN UN MATERIAL CELULAR

CONCLUSIONES

REDUCCIÓN DE PESO REDUCCIÓN DE COSTES AHORRO DE MATERIA PRIMA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO2 MEJORA DE LA CAPACIDAD DE

AISLAMIENTO TÉRMICO POSIBILIDAD DE GENERAR

MATERIALES MULTIFUNCIONALES …

Profesor Miguel Angel Rodríguez-Pérez

Email: [email protected]

CELLMAT LABORATORY

DPTO. FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA

FACULTAD DE CIENCIAS

PASEO DE BELÉN, 7

47011, VALLADOLID—ESPAÑA

TELÉFONO: +34 983 423572

FAX: +34 983 423192

http://www.cellmat.es

Dr. Cristina Saiz Arroyo

Email: [email protected] CELLMAT TECHNOLOGIES S.L.

CENTRO DE TRANSFERENCIAS Y TECNOLOGÍAS APLICADAS (CTTA) PASEO DE BELÉN 9A, OFICINA 105

47011, VALLADOLID-ESPAÑA

TELÉFONO:+34 983 189 197 [email protected] www.cellmattechnologies.com

mailto:[email protected]

http://www.cellmattechnologies.com/

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