Vulcanización con Radiación de Alta Frecuencia (UHF – Ultra High Frequency) o Microondas

La Vulcanización con Radiación de Alta Frecuencia o Microondas es un proceso:

Sabemos que, teniendo en cuenta las características eléctricas de las moléculas de las distintas sustancias, se pueden clasificar como polares o apolares. En las sustancias polares, el centro de las cargas eléctricas positivas no coincide con el centro de las cargas negativas; en este caso se dice que existe un momento bipolar y las sustancias son más o menos polares dependiendo del valor de ese momento. Las sustancias bipolares presentan los llamados dipolos.

A una determinada temperatura, los cuerpos tienen una cierta cantidad de energía calorífica y sus moléculas oscilan con una determinada amplitud y frecuencia. Cuando se calienta el cuerpo, por cualquier medio, el calor suministrado excita las moléculas y la llamada energía molecular aumenta, de ese hecho resulta una subida en la temperatura del cuerpo.

Cuando se somete el cuerpo a un campo electromagnético alternado, los dipolos de sus moléculas bipolares van a ponerse con orientación opuesta al campo y, como este es alternado, el movimiento oscilante de las moléculas se va a traducir en producción de calor y la temperatura del cuerpo sube.

El calentamiento de sustancias dipolares por energía de alta frecuencia (comúnmente designado por microondas) consiste precisamente en la excitación de moléculas polares por un campo electromagnético alterno, operando a alta frecuencia. Si el compuesto de caucho tiene ingredientes constituidos por moléculas polares, el compuesto se puede calentar por este proceso.

Vamos entonces a considerar que se coloca una sustancia, constituida por moléculas polares, entre dos platos conductores y es sometida a un campo eléctrico. Tal sistema es equivalente a un condensador, en que la sustancia involucrada actúa como un dieléctrico.

La potencia generada P (en Volt.Ampere), es:

Siendo:

     V = tensión aplicada, Volt;

     I = Intensidad de la corriente, Ampere;

    Φ = ángulo de desfasamiento entre la tensión y la intensidad.

 

Se puede escribir la ecuación (1), como:

En la práctica, Φ ≠ 90°, y la diferencia (90 – Φ) = δ, que es el llamado ángulo de perdida. Para valores de δ muy pequeños (lo que es común), sin δ ≈ tan δ.

Entonces se puede reescribir la ecuación (2) de la siguiente manera:

Para un condensador, tenemos la relación:

Siendo:

     I = Intensidad de la corriente, Ampere;

     f = Frecuencia;

    C = Capacitancia del condensador.

 

Sustituyendo (4) en (3), tendremos:

Para un condensador de platos paralelos, la capacitancia C es, muy aproximadamente:

Siendo:

     S = área de los platos;

     d = Distancia entre los platos;

     K = Constante dieléctrica del material dieléctrico.

 

Entonces la ecuación (5) asume la siguiente forma:

De la ecuación (7) se puede concluir que la potencia disipada depende:

De la ecuación (7) se puede concluir también que, para una misma potencia disipada, la tensión aplicada se puede reducir si el valor de la frecuencia subir. Pero, las frecuencias posibles están limitadas entre 0,3 GHz e 3 GHz; la frecuencia más utilizada es la de 2.45 GHz.

Las variables S y d son características de los equipos. La tensión normalmente utilizada es de 7000 Volt.

Así, se puede decir que la potencia absorbida y que es transformada en calor, a la cual corresponde una subida de temperatura de la sustancia (en nuestro caso un compuesto de caucho) depende de:

O sea, si el compuesto de caucho presentar efectivamente un determinado valor de constante dieléctrica, es posible que el material alcance una subida de temperatura suficiente para su vulcanización. La constante dieléctrica del compuesto de caucho es función de su composición, por lo que dependiente de:

Este aspecto es un reto más que se plantea al técnico de formulación. De hecho, el compuesto de caucho deberá responder no solo a los diferentes requisitos impuestos por el cliente, sino también a los requisitos que se relacionan con todas las etapas del proceso de producción que culminan en la vulcanización. Y para que el compuesto vulcanice, cunado sometido a un campo de energía de alta frecuencia, debe presentar una subida de temperatura suficiente, que transcurra de un valor adecuado de su constante dieléctrica. El técnico de formulación debe, para ese efecto, seleccionar los ingredientes que además de conferir las propiedades deseadas, deben también proporcionar buenos aportes de polaridad, para obtenerse un valor adecuado de la constante dieléctrica.

Las constantes dieléctricas de los distintos materiales presentan variaciones aportadas por variados factores:

 

Se presentan en la Tabla 3 los valores de las constantes dieléctricas para distintos tipos de cauchos, cargas, plastificantes y para algunos otros tipos de ingredientes comúnmente utilizados en formulación, a 23-37 °C y para 2,3 – 3,0 GHz.

Tabla 3 – Constantes dieléctricas de algunos ingredientes de mezcla
Ingrediente	Constante dieléctrica
Cauchos
ACM	2,08
Cauchos fluorados	4,0
CR	6,0 – 9,0
CR (@ 3 GHz)	4,0
CSM	2,03
EPDM	2,0 – 2,4
EVA	3,5
IIR (@ 3 GHz)	2,35 – 3,00
NBR (18% AcN)	2,8
NBR (28 % AcN)	3,2
NBR (38% AcN)	3,4
NR	2,15
Q	3,2 – 9,8
SBR	2,0 – 3,0
TFE/P	3,0
Cargas
Carbonato de magnesio	1,2
Carbonatos de calcio	6,1 – 9,1
Caolín	1,8 – 3,0
Caolín calcinado	2,2
Diatomita	2,5
Dolomita	6,8 – 8,0
Grafito	12 – 15
Mica	4,5 – 8,0
Negro de carbono N 330 HAF	4,7
Negro de carbono N 472 XCF	5,7
Negro de carbono N 550 FEF	4,3
Negro de carbono N 762 SRF	4,5
Negro de carbono N 990 MT	3,6
Negros de carbono	2,5 – 6,0
Sílice	3 – 5
Silicato de aluminio	5,3 – 5,5
Talco	2,5 – 6,0
Plastificantes
Adipato de diciclohexilo	4,8
Fosfato tricresílico	6,9
Ftalato de dibutilo	6,4
Ftalato de dibutilo	6,4
Ftalato de dimetilo	8,5
Ftalato de dioctilo	5,1
Maleato de etilo	8,5
Oleato de butilo	3,1 – 4,0
Oleato de etilo	3,2
Óleo castor	2,6 – 4,8
Óleo parafínico	2,2 – 4,7
Óleos petróleo	1,8 – 2,4
Óleos vegetales	2,5 – 3,5
Palmitato de etilo	3,2
Sebacato de dibencilo	4,6
Sebacato de dibutilo	4,5
Sebacato de dietilo	5,0
Otros ingredientes
Ácido esteárico	2,3
Ácido oleico	2,5
Cera Carnaúba	2,9
Cera Ceresina	2,4
Cera de abejas	2,7 – 3,0
Dióxido de titanio (Rútilo) (@ 0,1 GHz)	86 – 170 a
Azufre	1,5 – 1,8
Etilenglicol (@ 3GHz)	12,0
Glicerina	42,5 – 68,0
Parafina sólida	2,0 – 3,0
Tricloruro de antimonio (75ºC)	33,0
Vaselina	2,2 – 2,9
Óxidos
Monóxido de chumbo	25,9
Óxido de calcio	11,8
Óxido de magnesio	9,0 – 9,7
Óxido de titanio (Anatasa)	40 – 50
Óxido de zinc	1,7 – 3,0
Variados materiales
Ebonita	2,5 – 2,9
Gutapercha	2,4 – 2,6
PVC	4,5
Observación: (a) Cambia con la orientación cristalográfica

 

Otro aspecto para tener en cuenta en la formulación de compuestos de caucho para vulcanización con radiación de alta frecuencia y por qué se trata de un proceso de vulcanización sin presión, es la presencia de materiales volátiles en los distintos ingredientes de la mezcla. La temperatura lograda en la vulcanización es del orden de los 200-230 °C, o superior; después del túnel de radiaciones de alta frecuencia se sigue, normalmente, un túnel de aire caliente y, en estas condiciones, los materiales volatilizados a estas temperaturas originan porosidades en los vulcanizados. Cuando en elevado grado, provocan deformaciones en los productos extrudidos. Estos materiales volátiles son originados principalmente por los plastificantes (por ejemplo, los aceites de origen petrolera pueden contener fracciones volátiles a la temperatura de vulcanización. Por estos motivos, hay que efectuar una selección muy criteriosa de los plastificantes. La presencia de humedad en la generalidad de los ingredientes es otro origen de porosidad en los vulcanizados, así como los productos de descomposición de algunos adictivos.

Las extrusoras tienen, por regla, sistemas de desgasificación. Si la temperatura en la zona de desgasificación (zona de vacío) es relativamente elevada (80-100 °C), la humedad que se presenta en los ingredientes y algunos volátiles de baja temperatura pueden ser eficientemente eliminados. Pero, los volátiles a altas temperaturas solo van a traer problemas en el túnel de vulcanización y/o en el túnel de aire caliente.

Algunos tipos de caucho (NR e IR) son también susceptibles de sufrir, a la temperatura de vulcanización, proceso de reversión, en especial en la superficie de los productos vulcanizados, los cuales se hacen pegajosos y luciendo mal. Se recomienda la utilización de tipos de caucho natural prereticulados.

En la Figura 61 se muestra un moderno túnel o horno de radiación de alta frecuencia o microondas. Estos equipos se pueden proporcionar con potencias de 12, 18 o 24 kW. Son en particular recomendados para vulcanizaciones con azufre, perfiles de grandes secciones y secciones con geometrías complejas.

Fig. 61 – Túnel o horno de radiación de alta frecuencia o microondas

Cortesía Rubicon Gummitechnik und Maschinenbau GmbH, Saale, Alemania

 

La asociación con un túnel de aire caliente (Figura 62), por lo general con 12 metros de largo, permite completar la vulcanización. El túnel de aire caliente ocupa resistencias eléctricas para su calentamiento y la transferencia de calor para el producto extrudido es mejorada por el método de flujo reverso. El extrudido es transportado por una cinta transportadora de fibra de vidrio. Esta asociación permite obtener velocidades de producción de la orden de los 50 metros por minuto.

Fig. 62 – Túnel de aire caliente

Cortesía Rubicon Gummitechnik und Maschinenbau GmbH, Saale, Alemania

 

Otros tipos de equipos complementan, de manera opcional, la línea de vulcanización por microondas, tales como:

 

Evidentemente la línea dispone, en su inicio, de una extrusora, en la circunstancia es una extrusora con sistema de desgasificación (Figura 63). Una especial concepción de la geometría del husillo le permite lograr rendimientos de 600 kg/hora en una extrusora con un husillo de 90 mm de diámetro.

Fig. 63 – Extrusora con sistema de desgasificación

Cortesía Rubicon Gummitechnik und Maschinenbau GmbH, Saale, Alemania

 

Una línea de vulcanización por microondas contiene, por lo general, los siguientes componentes (Figura 64):

Fig. 64 – Componentes típicos de una línea de vulcanización por microondas. (Hacer clic para ver mayor imagen)

 

Pero, otros tipos de equipos, ya antes referidos, pueden complementar esta línea de producción según la exigencia de los artefactos a producir.

La vulcanización en túnel de microondas/túnel de aire caliente presenta un conjunto de ventajas, en específico sobre el proceso de vulcanización en baño de sales (LCM). Esas ventajas son las siguientes:

Pero, todavía, presenta algunas desventajas: