Cauchos: detectar pequeños cambios de ramificación con reología
Oscilación y reología extensional para distinguir dos compuestos de caucho casi iguales y entender las inestabilidades en extrusión.
En la extrusión de polímeros aparecen a veces inestabilidades que estropean la superficie del producto: la «piel de tiburón» (sharkskin), el flujo intermitente (stick-slip) o la fractura grosera del fundido. Su origen está en las tensiones elevadas en la pared y a la salida de la boquilla, donde el flujo es en gran parte extensional. Dependen tanto de las condiciones de proceso (temperatura, velocidad de husillo) como del material: peso molecular, viscosidad, elasticidad y arquitectura de las cadenas.
Este trabajo de la Case Western Reserve University, presentado en la conferencia ANTEC 2013 de la Society of Plastics Engineers, investiga si la reología puede distinguir dos compuestos de caucho que solo difieren en un detalle de su ramificación.
Por qué mirar el flujo extensional
El comportamiento de un fundido en extensión es mucho más sensible a la estructura molecular (peso molecular, su distribución y grado de ramificación) que en cizalla. Además, muchos procesos están dominados por la extensión (soplado, termoformado, hilado) y otros tienen una componente extensional importante, como el flujo en cabezales de extrusión y moldes.
Los materiales y los ensayos
Se compararon dos compuestos con un 85 % del mismo componente principal y un 15 % de un componente secundario ramificado: en uno con ramificación «lineal» y en otro con ramificación «en cepillo». Las medidas convencionales daban diferencias pequeñas: un 9,7 % en la presión del cabezal de la extrusora, un 6 % en la viscosidad medida con un analizador de caucho y un 4,6 % en el peso molecular medio, aunque un 23 % en la polidispersidad.
Con un reómetro rotacional HAAKE MARS se hicieron:
- Barridos de frecuencia en oscilación a 110 °C.
- Ensayos extensionales con un accesorio SER (Sentmanat Extensional Rheometer) a velocidades de 0,01, 0,1 y 1 s⁻¹.
- Relajación de tensiones en extensión tras aplicar deformaciones del 50 al 115 %.
Resultados
| Ensayo | Diferencia entre compuestos |
|---|---|
| Módulo de almacenamiento G′ (media) | 7,5 % |
| Módulo de pérdida G″ (media) | 11,4 % |
| Viscosidad compleja | 6,6 % |
| Endurecimiento máximo en extensión | < 4 % |
| Tiempo característico de relajación en extensión | 7,4 % |
Las mayores diferencias aparecieron en oscilación, sobre todo en G″ y a frecuencias altas, y en la relajación de tensiones en extensión, más marcada a deformaciones pequeñas. La viscosidad extensional y el endurecimiento por deformación fueron muy repetibles pero casi iguales en ambos compuestos.
Los autores proponían como siguientes pasos ensayos de fluencia y recuperación en cizalla y extensión, medidas a temperaturas más altas y un accesorio extensional capaz de deformaciones mayores.
Lo que aporta al laboratorio
Cuando dos lotes o proveedores «iguales» se comportan de forma distinta en la extrusora, la combinación de oscilación y ensayos extensionales en un mismo reómetro puede detectar diferencias de estructura que no se ven en las medidas habituales de control. Ampliamos el tema en reología de polímeros para optimizar el procesado.
El accesorio extensional SER está disponible para los reómetros HAAKE MARS 40/60.
