Un nuevo proceso industrial hará posible que diversos productos fabricados con polímeros, como por ejemplo las botellas desechables destinadas a envasar refrescos y agua mineral, entre puedan fabricarse en menos tiempo, reduciendo así los costos industriales y posiblemente también el precio final al consumidor. Esta innovación, que se apresta a se salir de los laboratorios del Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad Federal de São Carlos (DEMa/ UFSCar) se basa en la acción de un sistema óptico destinado a monitorear y controlar la cristalización de los materiales poliméricos durante el proceso de elaboración. El sistema podrá aportar importantes mejoras de productividad a las industrias especializadas en la fabricación de botellas producidas con el polímero poli (etilén tereftalato), más conocido como PET, además de otras piezas moldeadas por inyección, la técnica de moldear algo de plástico partiendo de la materia prima fundida, que se emplea en la producción de paragolpes de coches y gabinetes de computadoras, impresoras y celulares. Este proceso, según los investigadores, permite detectar el momento exacto en que el polímero se cristaliza dentro del molde, lo que conlleva un ahorro de preciosos segundos en el proceso de fabricación. Las estimaciones efectuadas por los investigadores del DEMa revelan, por ejemplo, que una fábrica con capacidad para producir anualmente 160 millones de botellas PET, podría obtener una rentabilidad adicional de 600 mil dólares, en caso de que el sistema redujese en un segundo parte del ciclo de moldeo de las botellas de dos litros de PET, que dura en promedio 22 segundos.
La gran novedad del sistema, cuyo registro de patente ya se ha elevado al Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI), radica en lograr llevar adelante el monitoreo de la cristalización del polímero y, al mismo tiempo, el control de producción de cada pieza, independientemente de su tamaño, volumen o forma. La cristalización es un mecanismo físico mediante el cual un polímero semicristalino fundido se solidifica. Actualmente, el monitoreo de la cristalización no se efectúa a lo largo del proceso de moldeo por inyección del polímero, sino recién después de su conclusión, mediante el empleo de diversas técnicas, tales como microscopía óptica y electrónica. De acuerdo con la ingeniera química Rosario Elida Suman Bretas, coordinadora de las investigaciones que resultaron en el desarrollo de la nueva tecnología, el estudio de la cristalización del polímero es importante, pues todas las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas de este material dependen de su cristalinidad. “Por medio de la morfología y del volumen de cristalinidad existente en el polímero, desarrollados durante el proceso de cristalización, se determinan las características de rigidez, flexibilidad, resistencia mecánica y transparencia”, dice Rosario.
Láser en el zafiro
Este sistema, compuesto por un molde metálico, un láser, dos fibras ópticas, un detector y un atenuador de láser, puede adaptarse a cualquier máquina inyectora que moldea piezas, lo que permite una reducción del tiempo de trabajo del equipamiento y del proceso. Funciona de la siguiente manera: dentro de la cavidad del molde de la botella o de cualquier otra pieza se inserta una fibra óptica, que envía a través de una ventana de zafiro un haz de láser. Se emplea zafiro porque éste es transparente al láser y soporta las altas temperaturas y presiones existentes dentro del molde. El haz atraviesa el polímero, que se inyecta fundido, y la señal llega del otro lado del molde por vía de la otra fibra óptica. El resultado aparece por medio de un software que analiza la intensidad de la luz, la presión y la temperatura dentro de la cavidad. Estas informaciones revelan el momento exacto de la cristalización. Hoy en día no se conoce con exactitud el momento en que la botella de PET está lista, por ejemplo.
Incluso cuando el polímero no cristaliza o cuando sus cristales son muy pequeños, como en el caso del PET bajo algunas condiciones de producción, el nuevo sistema permite que se detecte el momento del desplazamiento de la pieza dentro del molde o incluso las fallas al rellenarse algunos puntos específicos de la cavidad, evitando así defectos en el producto. Este proceso, desarrollado en el DEMa por la profesora Rosario y dos alumnos suyos de doctorado, Marcelo Farah y Alessandra Marinelli, podrá en poco tiempo más estar disponible en el mercado. “La empresa Quantum Tech, de São Carlos, ha manifestado interés en desarrollarlo para su uso comercial en industrias de transformación. Es importante decir que no existen sensores iguales en Brasil o en el exterior, e incluso los similares todavía no se los emplea comercialmente”, dice Rosario.
El desarrollo del sistema óptico para la industria de moldeo por inyección de polímeros fue tan solo uno de los avances logrados por el equipo de Rosario durante la realización de un proyecto temático que contó con financiación de la FAPESP. El grupo también realizó en el marco de este proyecto un estudio centrado en la factibilidad de incorporar en el poliestireno caucho desvulcanizado mediante ultrasonido, que es otro tipo de polímero, para producir blendas. Se le asigna el nombre de blenda a un material polimérico elaborado a partir de la mezcla de dos o más polímeros. Uno de los usos más comunes de ese tipo de material es la fabricación de cabinas de duchas, que se conocen popularmente como cabinas de “plástico o acrílico”. La finalidad de la investigación consistió en adicionarle al poliestireno el caucho desvulcanizado, proveniente de de neumáticos usados y descartados, de modo de mejorarsu resistencia al impacto. La desvulcanización del caucho mediante el empleo de ultrasonido se realizó en la Universidad de Akron, Estados Unidos, y estuvo a cargo de otro alumno de doctorado del grupo, Carlos Scuracchio.
“Normalmente, se utiliza una goma sintética de polibutadieno virgen para reforzar el poliestireno, lo que da origen a una blenda conocida como poliestireno de alto impacto. La ventaja de usar caucho desvulcanizado mediante ultrasonido consiste en darle un fin útil a los neumáticos usados, que constituyen un grave problema ambiental”, afirma Rosario. “Nuestras investigaciones todavía se encuentran en fase de desarrollo, pero ya sabemos que la mezcla de caucho desvulcanizado con el polímero ha aumentado su resistencia, si bien que no en el mismo nivel que con la mezcla con goma de polibutadieno. Creemos que el tamaño de las partículas de caucho desvulcanizado mezclado con el poliestireno no fue aún lo suficientemente pequeño para elevar de manera significativa su resistencia al impacto.”
Otra investigación relacionada con la morfología de los polímeros involucró el uso de redes neurales artificiales, un concepto de inteligencia artificial que apunta a trabajar en forma análoga al cerebro humano, acumulando informaciones, procesándolas y tomando decisiones. En el marco de este trabajo se investigaron blendas formadas por poli (sulfuro de parafenileno), conocida como PPS, y un elastómero o goma termoplástica. El PPS se emplea normalmente en la fabricación de conectores eléctricos de computadoras y en ciertos componentes de la industria automovilística. Por ser muy rígido, este material tiene escasa resistencia al impacto pero, en compensación, soporta temperaturas muy elevadas, de hasta 250°C. La doctoranda Cybele Lotti mezcló con el PPS una goma termoplástica conocida como Sebs, un terpolímero, el polímero formado por tres monómeros, es decir, hecho de estireno, etileno y butadieno. “Nuestro objetivo fue mejorar la flexibilidad y la resistencia al impacto de la blenda polimérica”, explica Rosario. Con la ayuda de redes neurales artificiales, los investigadores lograron predecir propiedades tales como la morfología, la cantidad o el volumen de cristalinidad de la blenda, la resistencia al impacto y las propiedades mecánicas en situación de tracción. “Con el proceso convencional, tendríamos que inyectar y testear una enorme cantidad de piezas para recabar informaciones sobre estas propiedades, lo que insumiría tiempo y dinero. Con el uso del sistema de redes neurales, el número de piezas inyectadas y ensayadas se redujo al 5% de lo que sería necesario mediante un proceso tradicional”, afirma Rosario. “Las redes neurales nunca antes se habían usado para relacionar los parámetros del proceso de moldeo por inyección con la microestructura y las propiedades de las blendas poliméricas”.
Una ensaladera de serpientes
Otra vertiente del proyecto temático involucró el estudio de la orientación molecular en blendas formadas por PET y diversos cristales líquidos poliméricos, conocidos por la sigla LCP (de Liquid Crystal Polymer), que son materiales resistentes a las altas temperaturas y empleados en la producción de bobinas, conectores eléctricos, sensores, instrumental quirúrgico, envases de líquidos corrosivos, indumentaria de astronautas, etc. El LCP también posee entre sus características una relativa organización molecular cuando se está fundido, al contrario que la mayoría de los polímeros tradicionales, que no tienen ninguna organización en estado líquido. Para usar una metáfora, los polímeros fundidos se asemejan a una fuente llena de serpientes de diferentes tamaños y en permanente movimiento, mientras que el LCP se mantiene organizado, con estructuras rectas y paralelas, en forma de una caja de lápices. El objetivo de esta investigación consistió mejorar la propiedad de impermeabilidad de la blenda, pues el LCP tiene un bajísimo índice de permeabilidad, uno de las menores entre los polímeros, y es impermeable a la mayoría de los gases. Pero, por otro lado, el problema es por ahora sigue siendo muy caro: alrededor de 25 dólares el kilo.
“Fue fundamental entender la orientación molecular de esta blenda para comprender las propiedades mecánicas y de permeabilidad de este material”, dice Rosario. Para entender tales características, las blendas poliméricas fueron sometidas a estudios de orientación molecular en la UFSCar y en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón, en Campinas, a cargo de la postdoctoranda Marcia Branciforti. Para producir las blendas de PET y LCP, el grupo superó otro desafío: el de construir un accesorio que le confiere el formato final a un producto, pues sucede que no existían en el mercado equipamientos específicos a tal fin. Y la doctoranda Lucineide da Silva construyó esta matriz. “Nos dimos cuenta de que nuestra matriz le otorgó orientación molecular al PET y mejoró la del LCP”, dice Rosario. Ahora, el equipo del DEMa se aboca a la realización de estudios de permeabilidad, con miras a mejorar esta propiedad de las películas de PET y LCP.
Los Proyectos
1. Estudio y simulación del desarrollo de la microestructura de blendas y compósitos poliméricos durante el procesamiento
2. Invención de un método y de un sistema destinado monitorear la cristalización de materiales poliméricos durante el moldeo por inyección
Modalidad
1. Proyecto Temático
2. Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (Papi)
Coordinadora
Rosario Elida Suman Bretas – UFSCar
Inversión
1. 183.578,92 reales y 80.698,52 dólares (FAPESP)
2. 6.000,00 reales (FAPESP)
