Post on 31-Oct-2018
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?
APLICACIONES TECNOLOGÍA DE
FABRICACIÓN
AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES
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
APLICACIONES TECNOLOGÍA DE
FABRICACIÓN
AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES
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%
LA ESTRUCTURA CELULAR – LOS PARÁMETROS
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.
LA ESTRUCTURA CELULAR – LOS PARÁMETROS
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
APLICACIONES TECNOLOGÍA DE
FABRICACIÓN
AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES
PROPIEDADES
DENSIDAD
DENSIDAD RELATIVA
ESTRUCTURA CELULAR
LA DENSIDAD
BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD
ESPUMAS & SU CIRCUNSTANCIA DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR
APLICACIONES TECNOLOGÍA DE
FABRICACIÓN
AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES
PROPIEDADES
DENSIDAD
DENSIDAD RELATIVA
ESTRUCTURA CELULAR
LA DENSIDAD VS LAS APLICACIONES
BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD
APLICACIONES ESTRUCTURALES REDUCCIÓN DE PESO & RIGIDEZ
LA DENSIDAD VS LAS APLICACIONES
BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD
ESPUMAS FLEXIBLES O ESPUMAS RÍGIDAS AISLAMIENTO TÉRMICO, AISLAMIENTO ACÚSTICO, ABSORCIÓN DE ENERGÍA, CONFORT, FLOTACIÓN, …
ESPUMAS & SU CIRCUNSTANCIA DENSIDAD & ESTRUCTURA CELULAR
APLICACIONES TECNOLOGÍA DE
FABRICACIÓN
AHORRO DE MATERIA PRIMA & COSTES
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
BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD
DISOLUCIÓN DE GAS
Poliolefinas
MOLDEO POR COMPRESIÓN
Poliolefinas
TERMOESTABLES
TERMOPLÁSTICOS
LA DENSIDAD VS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN
BAJA DENSIDAD DENSIDAD MEDIA ALTA DENSIDAD
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
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - EXTRUSIÓN
- 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
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - EXTRUSIÓN
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)
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - EXTRUSIÓN
OBJETIVO FUNDAMENTAL: REDUCIR PESO & COSTES MANTENIENDO O INCLUSO MEJORANDO PROPIEDADES
PRODUCTOS CON IDÉNTICA APARIENCIA PERO CON ESTRUCTURA CELULAR INTERNA
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - EXTRUSIÓN
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
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - INYECCIÓN
LAS OPCIONES MÁS COMUNES:
PROCESO DE BAJA PRESIÓN
PROCESO DE ALTA PRESIÓN: CORE-BACK PROCESS
TECNOLOGÍAS DE ESPUMADO - INYECCIÓN
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 …
ESTRATEGIA DE MEJORA/OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE MATERIALES
CELULARES
ESPUMABILIDAD- Habilidad una formulación para producir espumas con calidad óptima
PROPIEDADES REOLÓGICAS PROPIEDADES TÉRMICAS INTRÍNSECAS
ESTRATEGIA DE MEJORA/OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE MATERIALES
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: marrod@fmc.uva.es
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: c.saiz@cellmattechnologies.com 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 info@cellmattechnologies.com www.cellmattechnologies.com