Dependencia de presión de la viscosidad

Los componentes de plástico y de elastómero se fabrican a menudo mediante el proceso de moldeo por inyección debido a los altos precios del material o de la mezcla. En este caso, los termoplásticos se procesan con la técnica de canal caliente y los elastómeros con la técnica de canal frío para ahorrar material y, de este modo, materia prima. El canal distribuidor y la integración de sistemas de cierre de aguja en combinación con altas velocidades de inyección dan lugar a una generación de presión alta durante la fase de inyección. Para minimizar la contracción y el estiraje, la presión se mantiene constante en la fase de presión posterior, haciendo que el material solo se desplace de forma muy lenta. El comportamiento de flujo de la masa fundida de termoplástico y de elastómero demuestra, además de la temperatura, también una alta dependencia de presión.

Estado de los programas de simulación actuales

Los programas de simulación actuales permiten realizar simulaciones de flujo y de circulación tridimensionales y parcialmente también se utilizan modelos viscoelásticos. La compresibilidad de las masas fundidas de polímero se tiene en cuenta en la simulación de flujo mediante una ampliación sencilla de los métodos de cálculo incompresible (ecuación del movimiento de Navier-Stokes). Esto se produce, p. ej. con la ayuda del modelo de viscosidad Cross-WLF (Gl. 1 y 2). El coeficiente relevante D3 en el sistema de ecuaciones debe tener en cuenta la dependencia de la curva de viscosidad de cizallamiento del nivel de la presión absoluta en el flujo de tubo.

Dependencia de presión, del volumen y de la temperatura

Las mediciones de PVT son la solución más sencilla para la determinación de la dependencia de presión de los polímeros. GÖTTFERT ofrece la posibilidad de realizar una medición de PVT con un equipo de PVT autónomo (dilatómetro), el PVT500. El programa de complementos de la serie de reómetro capilares de alta presión (HKR) ofrece otra posibilidad. Tanto con el equipo de PVT como con el reómetro capilar (complemento de PVT) siempre se determina el comportamiento de PVT de una masa fundida de polímero estática. Sin embargo, en el proceso de moldeo por inyección se trata de procesos dinámicos, por lo que cambian las propiedades de los materiales.

Equipos para la determinación de la dependencia de presión de la viscosidad

La dependencia de presión de la viscosidad puede determinarse directamente en las mediciones reológicas con la ayuda de cámaras de contrapresión disponibles opcionalmente o con el viscosímetro de contrapresión GDV75.
La cámara de contrapresión es una cámara de estrangulación, que se describe en la Fig. 1. El espacio entre el tronco cónico y la superficie opuesta se sigue cerrando cada vez más por un ángulo circunferencial de 360° (p. ej. 270°, 180° y 90°) y, de este modo, aumentan la resistencia al flujo y la presión absoluta. Las mediciones de referencia adicionales sin cámara de contrapresión proporcionan otras curvas de viscosidad bajo condiciones de medición normales.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 1: Gegendruckkammer

El viscosímetro de contrapresión está formado principalmente por dos reómetros capilares. De este modo, se puede regular la presión en la salida del capilar (figura 2).
Para ello, un reómetro capilar (equipo 1) se monta en la salida con un capilar de medición, mientras que el otro reómetro capilar funciona sin capilar. Los canales de ensayo están conectados en la salida mediante un canal, de manera que se puede realizar la extrusión de un equipo al otro. Los registradores de presión delante y detrás del capilar miden la presión. El equipo 1 equipado con un capilar funciona como un reómetro capilar convencional, opcionalmente con control de velocidad o de presión en la dirección de la flecha. El equipo 2 recoge la masa fundida después del paso del caudal a través del capilar del viscosímetro de contrapresión por medio del canal de unión y funciona con un nivel de presión ajustado previamente. De este modo, se puede realizar la medición con una contrapresión constante, incluso con coeficientes de cizallamiento bajos.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 2: Gegendruckviskosimeter

Dependencia de presión de la viscosidad para policarbonato

Las siguientes mediciones descritas relativas a la dependencia de presión de la viscosidad han sido realizadas con el viscosímetro de contrapresión en policarbonato y un compuesto de caucho fluorado.
La imagen 3 muestra las curvas de la viscosidad de cizallamiento aparente con las contrapresiones de 50, 200, 400, 600, 1000 y 1200 bar. Las curvas muestran una parte horizontal (plateau) acentuada típica para PC de la viscosidad cero. Esta se desplaza hasta coeficientes de cizallamiento más bajos con una presión ascendente. La dependencia de presión desciende cuando aumenta la velocidad de cizalla. Estos efectos se observan de forma comparable cuando desciende la temperatura. Es decir, la dependencia de presión se comporta de forma opuesta a la dependencia de la temperatura.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 3: Druckabhängige Viskositätskurven für PC

Las curvas de presión individuales pueden desplazarse para formar una curva maestra a partir de la que posteriormente se puede determinar el coeficiente de presión (imagen 4). El coeficiente de presión depende del coeficiente de cizallamiento y cambia para este material conforme al factor 10 desde velocidades de cizalla altas a bajas. Esto significa que la compresibilidad durante la fase de inyección con coeficientes de cizallamiento altos se diferencia básicamente de la compresibilidad en la fase de presión posterior con coeficientes de cizalla bajos. Debido a la alta dependencia de presión, puede ocurrir que la presión posterior no actúe en los recorridos de flujo largos si esta compresibilidad no se tiene en cuenta.

Si el coeficiente de presión se determina a partir del diagramas de PVT, se obtiene un valor de 39,1*10-8 K/Pa.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 5: PVT Diagramm mit Tait Auswertung für PC – Standardbestimmung D3-koeffizient

Si los coeficientes de cizallamiento son altos, este valor se diferencia del valor determinado mediante la medición de la viscosidad dependiente de la presión conforme al factor 30. Con coeficientes de cizallamiento bajos se diferencia hasta casi el factor 10.


Dependencia de presión de la viscosidad de una mezcla de elastómeros FKM

A continuación se representa la influencia de la dependencia de presión para una mezcla de FKM rellena de hollín con 100 °C o 150 °C. La comprobación se realizó con dos longitudes del capilar de 20/1 mm y 0/1 mm (longitud/diámetro) en el GDV75. Cada curva de flujo se corrigió con la corrección de Bagley y Rabinowitsch-Weissenberg, de manera que puede aplicar tanto la función de viscosidad como la función de viscosidad de alargamiento dependiendo de la presión.
La mezcla de elastómeros FKM rellena de hollín también indica una dependencia de presión clara de la viscosidad y de la viscosidad de alargamiento.
En la imagen 6 se representa la dependencia de presión de la viscosidad. En comparación con el policarbonato, las curvas de viscosidad muestran con 100 °C un fluido de la ley de potencias pronunciado que con 150 °C ya muestra un área de paso con una dependencia de presión más alta al mismo tiempo. El descenso de la temperatura de 50 °C provoca un aumento de presión aproximada de 1000 bar.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 6: Druckabhängige Viskositätsfunktion bei 100 und 150°C

El coeficiente de presión con 100 °C indica una dependencia baja del coeficiente de cizallamiento, mientras que el coeficiente de presión con 150 °C con un factor de 3 es muy pronunciado entre el valor más bajo con coeficientes de cizallamiento altos y el valor más alto con coeficientes de cizallamiento bajos. El coeficiente de presión también depende en gran medida de la temperatura y puede apreciarse fácilmente que un coeficiente constante para la dependencia de presión, determinado con el diagrama de PVT mediante el coeficiente B6, no lo describe. El coeficiente B6 del modelo de Tait resulta en 1,11*10-7 K/Pa y es claramente diferente con respecto a los coeficientes de presión determinados.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 7: Resultieren Druck-Masterkurven bei 100 °C und 150 °C, die dann den reinen Temperatureinfluss zeigen und den Druckkoeffizient im Vergleich.
[Translate to Spanisch:] Abbildung 8: Druck-Masterkurven und Druckkoeffizient bei 100 °C und 150 °C

Dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento

Además de la viscosidad de cizallamiento, también se calcula la viscosidad de alargamiento a partir del flujo de entrada en función de la presión. La imagen 8 muestra la dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento μ para 100 °C y 150 °C aplicada mediante la velocidad de alargamiento ε. De forma análoga a la viscosidad, la viscosidad de alargamiento muestra una gran dependencia de temperatura que es más pronunciada que la dependencia de presión. La viscosidad de alargamiento ha sido calculada mediante el modelo de Cogswell.
La dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento es mayor que la dependencia de presión de la viscosidad de cizallamiento.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 9: Druckabhängige Dehnviskositätsfunktion bei 100 °C und 150 °C

Los datos también pueden desplazarse para formar curvas maestras y el coeficiente de presión puede calcularse a partir de ellas.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 10: Druckkoeffizient für die Dehnviskosität bei 100 °C und 150 °C

El coeficiente de presión de la viscosidad de alargamiento se comporta de manera inversa al coeficiente de presión de la viscosidad de cizallamiento. A 100 °C se demuestra una dependencia del coeficiente de alargamiento que también es mayor que la dependencia del coeficiente de cizallamiento. A 150 °C, la tendencia del coeficiente de presión es casi constante. La medición directa de la dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento a través de la cámara de contrapresión o el viscosímetro de contrapresión es la única posibilidad para la determinación de la dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento; no existen métodos alternativos para ello.


Conclusión

Los resultados demuestran que el método utilizado habitualmente hasta ahora es inadecuado para determinar la dependencia de presión de la viscosidad mediante el diagrama de PVT. Los valores determinados con carga estática mediante la medición de PVT proporcionan otros valores que con carga dinámica bajo cizallamiento. El procedimiento también se adapta perfectamente para determinar, no solo la dependencia de presión de la viscosidad bajo carga de cizallamiento, sino también la dependencia de presión de la viscosidad bajo carga de alargamiento. En particular la dependencia de presión de la viscosidad de alargamiento en el flujo de alargamiento solo puede determinarse a través de la cámara de contrapresión o el viscosímetro de contrapresión.
Alternativamente , el ensayo de cizallamiento con superposición de presión también es adecuado para la comprobación de espumas y cristalización inducida por cizallamiento.

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