Conociendo el PVC rígido

El PVC Rígido es un polímero ampliamente usado en productos terminados donde se requieren buenas propiedades mecánicas, de larga duración, y que gracias a su precio accesible compite perfectamente contra otros plásticos del mercado. Para su procesamiento es indispensable adicionar aditivos básicos, como estabilizadores térmicos y lubricantes, de lo contrario su transformación en un producto viable y funcional sería imposible.

Además, cuenta con ciertas propiedades dieléctricas y buena resistencia de flamabilidad, lo cual justifica su gran participación en los mercados ferreteros y de la construcción. También, gracias a los últimos desarrollos en aditivos químicos, el PVC rígido se encuentra en aplicaciones médicas e inclusive alimenticias que, aunque en este último la preferencia va hacia plástico libres de halógenos, no representa algún daño a la salud humana siempre y cuando se elijan los aditivos correctos dentro de su formulación.

Antes de seguir con el artículo, si requiere saber más acerca de los aditivos que ofrecemos, puede consultar nuestro sitio web en Chemical Additives de México o si requiere compuesto ya formulado puede visitarnos en Chemical Compounds.

1.- ¿Qué es el PVC rígido?

El Policloruro de Vinilo o PVC es un compuesto halógeno, por los cloros incluidos a nivel molecular, que gracias a su capacidad de ser formulado puede adquirir distintas formas de acuerdo con los requerimientos del cliente. Gracias a esta versatilidad, que no ofrecen el resto de los plásticos, ha hecho que sea un material muy resiliente a pesar de intentos fallidos por ser desplazado del mercado. Su necesidad de ser utilizado se sigue justificando gracias a su durabilidad a un precio bastante accesible.

Para entender mejor esta capacidad de formular debemos visualizar a la partícula del PVC como una papa con forma irregular recubierta por una membrana y al interior con una estructura porosa. Esta membrana, aunque no se rompe por completo sino hasta los 140°C, al exponerla a calor se obtiene un grado de reblandecimiento, desde los 80°C, que permite la absorción de ciertos aditivos para así poder modificar sus propiedades. Para sacar el mejor rendimiento, el formulador debe de saber el orden de adición de estos aditivos en función a su polaridad con la resina de PVC y a su punto de fusión, que determinan a que temperatura agregarse durante el proceso de mezclado.

El PVC Rígido, dentro de los plásticos commodities, contiene sólo un 43% de derivado del petróleo y un 57% de la salmuera o cloruro de sodio, el primero siendo un porcentaje bajo respecto a otros plásticos del mercado. Su degradación térmica genera ácido clorhídrico en forma de gas que, aunque en exposiciones normales no genera un riesgo a la salud para los transformadores, puede llegar a ocasionar irritación o afectación en vías respiratorias con el paso del tiempo. Este gas sirve como catalizador en el proceso de degradación térmica en el PVC durante su procesamiento, mediante una reacción en cadena o “zipper”, y es de nuestro interés reducir su emisión usando estabilizadores térmicos y decrementando en lo posible las temperaturas de procesamiento.

PVC Rígido y sus características

El PVC rígido es un material que no es fácil de procesar, pues se tiene la creencia de que se puede estar produciendo durante horas y días sin la necesidad de un paro en producción. Esto es completamente falso pues a pesar de que los aditivos que se añaden prolongan su resistencia a los esfuerzos de fricción y temperatura, la temperatura de masa tiende a dispararse a mayores horas de producción, generando a su vez partículas quemadas o carbones que se adhieren al equipo. Claramente un material mejor lubricado prolongará la necesidad de paros de producción por limpieza, no obstante, es algo inevitable.

Otra característica que vale la pena mencionar, es que el PVC rígido tiene una dureza en un rango de 60 a 85 Shore D dentro de los grados comerciales. En función a su formulación, en especial aquellos con gran resistencia al impacto, se habla de un material muy viscoso y que por lo mismo requiere mayores temperaturas de proceso en comparación a un PVC flexible. En extrusión e inyección sus temperaturas para procesamiento, por lo general están entre un rango de 160°C-185°C, aunque es dependiente de las características del equipo y del material del que estemos hablando. Un claro ejemplo, no es lo mismo la inyección de accesorios de tubería rígida donde se cuenta con un material con carga, que, a la extrusión de un perfil transparente con alta resistencia al impacto, teniendo variantes no sólo en el proceso sino en la naturaleza de la masa fundida para su procesamiento.

El PVC rígido cuenta con una temperatura de reblandecimiento entre 82-85°C, aunque los aditivos, especialmente aquellos con gran polaridad, tienden a reducir este valor significativamente. Usualmente el formulador se topa con la problemática de aquellos aditivos que nos facilitan el procesamiento, tienden a sacrificar propiedades mecánicas y viceversa, la solución encontrándose en el punto intermedio donde se obtenga un producto que cumpla con las demandas del mercado (cumpliendo con las normas que regulan al producto final) y se pueda trabajar sin mayor complicación.

Es importante aclarar que la temperatura de reblandecimiento (HDT) no el mismo que la temperatura de transición vítrea (Tg, PVC 86°C) que, aunque están muy cercanas entre sí, tienen diferencias. El reblandecimiento es un término de cedencia, donde percibimos que las piezas terminadas sufren una deformación, pero no hay un realineamiento de las cadenas moleculares. La temperatura Tg, o temperatura de recocido (annealing en inglés), es propio de un material de estructura amorfa y que pasando ese punto podemos mejorar las propiedades mecánicas de un material rígido. Esta mejora se da debido que la parte cristalina del PVC que regularmente es del 4%, tiende a incrementar, llegando a su límite en un 20% cuando se calienta a los 120°C de temperatura. Es por ello por lo que, en pruebas de envejecimiento mediante calentamiento en horno de convección, notamos una mejora en la resistencia a la tensión de PVC rígido contrario a lo que ocurre en un PVC flexible. No olvidar que el PVC como cualquier material de naturaleza orgánica, va a tender a perder sus propiedades si se expone a calor por demasiado tiempo, donde la regla anterior termina por perder validez.

Dos términos que no hay que confundir con el PVC es la temperatura de transición vítrea (Tg) y la temperatura de fusión (Tm), esta última siendo aplicable a polímeros de estructura molecular cristalina como es el caso de las poliolefinas. El PVC tiene estructuras cristalinas primarias y secundarias, siendo las primeras aquellas que sufren un recocido entre los 120°C-130°C. Las secundarias requerimos de mayor temperatura de masa y son las más difíciles de eliminar, muchas veces causantes de grumos en productos terminados.

Aunque existen aditivos que mejoran el HDT del PVC, estos vienen con un costo alto y su disponibilidad en el mercado es baja. Algunos ejemplos son ayuda de proceso acrílicas de alto peso molecular, cuya desventaja es que dificultan el procesamiento para el producto final. La mejor recomendación es evitar la adición de lubricantes con alta compatibilidad con el PVC y optar por aquellos que no se absorben en la molécula, sino que únicamente la recubren.

Respecto a las propiedades de flamabilidad, el PVC rígido normalmente no requiere de aditivos ajenos para pasar las pruebas más exigentes como lo es la UL94. Por su naturaleza al ser un compuesto halógeno tiene gran capacidad de extinguir el fuego, aunque hay que tener mucho cuidado con los aditivos que se añaden que puedan sacrificar o afectar esta propiedad.

Adicionalmente el PVC rígido tiende a mostrar propiedades bajas de resistencia al impacto, empeorando la situación en la medida que incrementamos la cantidad de cargas minerales. Estas últimas, aunque son funcionales para dar estabilidad estructural al PVC, en altas cantidades tienen su precio a pagar: deterioro de los equipos por lo abrasivas que son, reducción en resistencia al impacto y la tensión. Si deseamos mejorar la resistencia al impacto hay que agregar los aditivos propios, sea de naturaleza ABS, MBS, u otros, que permiten distribuir la energía de impacto a lo largo de un producto terminado y así evitar su ruptura.

El PVC rígido por naturaleza es rígido, inoloro, transparente y con una ligera apariencia amarillenta, donde si se desea alterar alguna de estas características, es necesario solicitar a su proveedor para que haga adecuaciones a su fórmula. No tiene buena resistencia a los rayos UV por sí sólo, y se necesita reforzar con antioxidantes y agentes UV si su producto terminado va a exposición a la intemperie.

2.- Procesamiento del PVC Rígido

El PVC rígido tiene varias formas de procesarse las cuales podemos agrupar en tres principales procesos: inyección, extrusión y calandreo. En cualquiera de sus variantes nos afrontamos con una ardua tarea que consiste en producir unas piezas terminadas que sean útiles para el cliente siguiente en la cadena de suministro y presentando el número mínimo de merma, piezas no conformes y rechazos. Lo primero que hay que entender es que, aunque un PVC rígido puede ajustarse para cumplir con las demandas del equipo de transformación (como un traje a la medida llevado al sastre), claramente incrementando el costo de la materia prima, existe un límite que pocos transformadores detectan y que consiste en dar mantenimiento constante a los equipos.

Existen aquellas piezas con vida útil limitada y que se consideran piezas de repuesto o consumibles, un gasto que cualquier empresa manufacturera debería considerar dentro de sus presupuestos anuales de operación. El no hacer esto generará problemas que la materia prima no alcanza a resolver, aunque el lector de este artículo estará de acuerdo en que la culpa siempre termina siendo de la materia prima.

Extrusión de PVC rígido

El proceso de extrusión consiste en fundir el PVC rígido haciéndolo pasar por un husillo, o doble husillo, mediante la ayuda de resistencias que proveen temperatura para al final de su trayecto pasar por un cabezal y un dado que lo transformen en un perfil continuo de una figura determinada. Usualmente nos encontramos con extrusoras de 1 metro de cañon de largo con 4 zonas de calefacción, un cabezal que dependiendo sus dimensiones puede tener de 2 hasta 5 zonas de calefacción y una tina de enfriamiento posterior para evitar el encogimiento o deformación del perfil producido.

En PVC rígido se manejan extrusoras mono o doble husillo, cónicas o paralelas, que determinan el grado de fricción otorgado y que delimitan el tipo de material que pueden procesar. Un PVC rígido transparente pareciera difícil poder manejarse en una extrusora doble husillo cónica sin que tengamos constantemente reclamos o rechazos por degradación del material. Esto resalta la importancia de externar a los fabricantes de maquinaria, las necesidades operativas y de producto de cada empresa.

En este proceso de extrusión se requiere una cámara de vacío que permita liberar los gases de ácido clorhídrico que se generan en el proceso, lo contrario también es un motivo para tener complicaciones severas de procesamiento.

También existen los portamallas, que, aunque es más común utilizarlos en PVC flexible, este nos permite detener impurezas, contaminaciones o manchas que pudieran salir en nuestro perfil pues funcionan como una trampa. Se debe tener mucho cuidado con tener mallas muy cerradas porque suben mucho la contrapresión y pudiese dañar nuestros engranes o pernos.

Purgas para PVC rígido

Muchos clientes nos preguntan frecuentemente si en Chemical Compounds ofrecemos purgas para PVC. La realidad es no y la razón es la siguiente: una purga consiste en una formulación con alto contenido de carga mineral que permita arrastrar las impurezas (carbones pegados) dentro de los equipos.  Como mencionamos en este artículo, el uso de cargas tiene un efecto abrasivo sobre los equipos, lo que incrementa el gasto en refacciones y el costo/beneficia de fabricarlas lo hace inviable.

Una alternativa muy común es usar purga de polietileno puesto que es un plástico que resiste temperaturas de proceso de 220°C-240°C, muy superiores aquellas del PVC, lo cual permite que el equipo suelte cualquier carbón adherido a su equipo. Posteriormente se recomienda hacer una limpieza a fondo puesto que el PE y el PVC no son compatibles entre sí.

Inyección de PVC rígido

Cuando uno requiere inyectar PVC rígido, debe de estar consiente que este proceso consta de un pequeño extrusor dedicado a fundir el material y una segunda fase que consiste empujar la masa fundida a través de una boquilla para posteriormente pasar a llenar un molde, sus venas y cavidades. Contrario al problema que se enfrenta en extrusión de fundir correctamente el material para obtener una pieza completamente lisa, en inyección usualmente tenemos exceso de compresión por la misma naturaleza del proceso, teniendo constantemente el riesgo de degradación térmica.

El deseo de que cualquier fabricante es subir la productividad de proceso, pero como en todo, esto tiene un precio que pagar. Para reducir los ciclos de inyección en PVC rígido debemos establecer condiciones de proceso mucho más extremas: 1) subir temperaturas para bajar viscosidad de masa hasta el punto de que no se queme el material, 2) reducir el tiempo de carga o contrapresión, la fusión del material siendo asistida por temperatura, 3) aumentar la presión de inyección para así aumentar la velocidad de inyección, con el riesgo de generar rebaba y reflujo, 4) reducir el porcentaje en la presión de sostenimiento y 5) reducir tiempos de enfriamiento; evitando un molde muy frío que genere un shock térmico que opaque las piezas inyectadas, pero tampoco muy caliente que no permita la relajación/fijación de las cadenas moleculares, cayendo en un riesgo de deformación. El encontrar el punto exacto de todas las variables es un arduo trabajo que el operador debe realizar y encontrar por cada línea de producción.

Deseamos advertir al lector, que una máquina de inyección al igual que en extrusión no se adapta para todos los plásticos. En el caso de la extrusión, la relación L/D, relación de compresión, tipo de husillo y potencia de motor son indispensables para saber si permitirá procesar PVC rígido. Para el proceso de inyección, la capacidad de inyección por toneladas es de vital importancia donde entre mayor número de cavidades de molde mayor potencia requerida. También hay características como el tamaño de la boquilla, el motor del husillo de carga y que material sea de acero inoxidable nitrurado para soportar el ácido clorhídrico, son algunos de los elementos a considerar al momento de transformar PVC rígido. Por todo esto, antes de tratar de adaptar una máquina que no sólo no garantiza su óptimo funcionamiento, se recomienda adquirir un equipo original de fabrica diseñado en un principio para los objetivos de producción deseados.

3.- Usos del PVC Rígido

Los principales usos del PVC rígido hoy en día están cubiertos por el mercado de tubería rígida y productos destinados a la industria de la construcción, representando estos encima de un 50% del volumen producido a nivel mundial. No obstante, otras de sus aplicaciones involucran piezas eléctricas, médicas, perfilería de distintos tipos, entre otros.

La principal limitante del uso de PVC rígido para otras aplicaciones está en una temperatura de reblandecimiento, pues no soporta arriba de los 70°C-80°C sin sufrir algún tipo de deformación estructural. Lo anterior se resuelve parcialmente con el uso de CPVC que aguanta una temperatura de 100°C, por eso su uso en tubería de agua caliente, pero en otras piezas en ocasiones se prefiere mudar a otros plásticos distintos.

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4.- Ventajas del PVC Rígido

• Costo accesible: claro en función de su formulación, pero compite muy bien contra otros plásticos.
• Versatilidad: como ya habló en el artículo se puede formular para dar características específicas al producto en función a los requisitos del cliente.
• Compuesto halógeno: Extingue fácilmente la flama y demuestra un buen tiempo de escape.
• Adaptabilidad: se adapta a los equipos del cliente y a los requerimientos específicos de cada mercado.
• Baja Toxicidad: todo va en función de los aditivos ocupados dentro de su fórmula, pero las últimas tendencias tratan de cumplir con estándares como Reach y FDA.
• Bajo Olor: va en función a los aditivos que se usan en la fórmula, pero bajo requerimiento del cliente se puede hacer de esta manera.

Esperamos que este artículo sea de su interés, puede visitar nuestro sitio web de Chemical Compounds o contactar a un de nuestros ingenieros expertos para mayor asesoría.

Atte. Chemical Compounds