ESPUMADO SUPERCRITICO

Presentado a:

Dr. Omar Estrada

Presentado por:

Juan RodriguezJuan Betancur NoreñaJorge Riascos

Material Celular PoliméricoUn material celular polimérico consiste en una estructura de dos fases: una fase sólida continua y una fase gaseosa que puede ser continua o discontinua

Clasificación• Agentes Espumantes Químicos (CBA)

• Agentes Espumantes Físicos (PBA)

Comparación PBA vs CBAPBA CBA

Bajo Costo Alto CostoEspumados de baja densidad

Espumados de alta densidad

Fácil de reciclar Difícil reciclarlosNecesita experticia del operario

Fácil de usar

Inerte en algunos casos

Fluido supercríticoTemperatura y presión se encuentran por encima de su punto críticopoder solvente similar a los líquidos. Sinembargo, al contrario que los líquidos, son mucho más compresibles y tienen mejorespropiedades de transporte (viscosidad, difusividad, conductividad térmica, etc.)

Fluido supercrítico

Se evitan los clorofluorocarbonos por su efecto en la capa de ozono

CO2 supercríticoTemperatura y presión critica en el caso del CO2 es de 31 °C y 7.38 MPa.

En el estado supercrítico, un material se hace denso como un líquido, pero manteniendo la habilidad de fluir casi sin viscosidad ni tensión superficial tal como se comporta un gas.

CO2 supercríticoEsto hace que su solubilidad en el polímero aumente significativamente disminuyendo la temperatura de transición vítrea (Tg) del polímero en el que se disuelve el gas y actuando como un plastificante, también disminuye el punto de fusión y la viscosidad del fundido

Solubilidad en el Polímero

Viscosidad

Como funciona el sistema1. SATURACIÓN DEL POLÍMERO

Tiempo t, Temperatura T

Presión P

2. DESPRESURIZACIÓN dP/dT

Estado supersaturado e hinchamiento

Separación de la Fase RT, Presión Atmosférica

3. Espumado controlado por dP/dT

Tg

Mejora el flujo en el Proceso de Inyección

0

50

100

150

200

250

300

0 -20 -30 -40

Temperature Reduction / C

Flo

w len

gth

: T

hic

kn

ess

With CO2

Initialconditions,withoutCO2

Teoría de Nucleación HomogéneaTras el proceso de nucleación, cada núcleo debe superar una barrera de energía para convertirse en una celda (barrera de la energía libre de Gibbs, Δ ). El radio al que las celdas 𝐺nuclean de forma homogénea (N0) viene dado por la siguiente ecuación :

Teoría de Nucleación HomogéneaΔ es la barrera para la energía libre de Gibbs 𝐺para la nucleación homogénea que viene dada por la ecuación:

Donde ΔP es la diferencia de presión entre la burbuja y el polímero y γbp es la tensión superficial del polímero en presencia de CO2

Espumas Microcelulares

Variables• Solubilidad del agente esponjante en el

polímero• Datos viscoelásticos

(Densidad del Fundido/Resistencia del fundido

• Diseño del Tornillo• Diseño del dado

Otros factores importantes…• Presión (Inyección, Dado)• Mezclado• Tiempo de Residencia• Esfuerzo de Corte• Tensión Interfacial• Coeficiente de difusión

En general…La rata de expansión, diametro promedio del poro y la densidad del espumado son controlados por los siguientes parámetros: Temperatura del materialantes de la caida de presión, temperature del dado, velocidad del tornillo y contenido de CO2 Cambiando estos parámetros podemos controlar la estructura del espumado.

Extrusión con espumado supercritico

Extrusión con espumado supercrítico

Bomba inyección ScCO2

Funcionamiento

Tornillo para espumado ScCO2

• Se necesitan sellos dinámicos• Zona de transporte después de la inyección• Temperatura de proceso debe mantenerse

baja• Elementos de mezclado distributivo

Perfil Espumado

Perfil Espumado

Peletizado

Esferas espumadas de 0,5 mm

Efectos en la Viscosidad de algunos polímeros

Polimero Nivel CO2

(wt%)ViscosidadReducción

(%)Poliestireno 0.4 7.0

Poli Metil Metacrilato

2.9 18.2

Policarbonato 3.6 55.4Polietileno 2.4 15.3

Polipropileno 3.4 17.5

Extrusión con espumado supercrítico

*Cambios se comparan con un polimero no espumado 0% CO2

0

10

20

300.68wt% CO2 0.65wt% CO2

0.6wt% CO2 0.58wt% CO2

0.68wt% CO2 27.1 21.4

0.65wt% CO2 23.1 18.6 18.9

0.6wt% CO2 17.9 17.1 17.6

0.58wt% CO2 15.4 15.2 12.2

Pressure reduction (%)

Motor currentreduction (%)

Output rateincrease (%)

Ventajas• ScCO2 Funciona como un plastificante durante la

extrusion del polímero influenciando las propiedades del product final.

• Beneficios de la extrusion asistida con ScCO2 :– Menores temperaturas de proceso – Disminuyen las presiones en el dado– Se facilita el proceso de Polímeros muy viscosos – Incrementa la Productividad– Se reduce el consume energetico

• Reduce los efectos de degradación en Polímeros muy sensibles termicamente

Tendencias : Foam hot melt extrusión

En este trabajo, se investigó la formación de espuma de EVA con dióxido de carbono supercrítico, la influencia de las tasas de presión, la temperatura y la descompresión en la morfología de espuma.

Además, se midió la sorción , comportamiento de hinchamiento y las velocidades de difusión de dióxido de carbono supercrítico en el EVA.

Tendencias : EVA espumado ScCO2

Tendencias : Espumado microcelular

Tendencias : Nanotecnología• Processing of Polymer Nanocomposite Foams

in Supercritical CO2

• Extrusion of Polypropylene/Clay Nanocomposite Foams

• Processing of Polymer Nanocomposite Foams in Supercritical CO2

• Foams Based on Starch, Bagasse Fibers, and Montmorillonite