Determinación de Plasticidad, Viscosidad y Parámetros Reométricos

Plastómetro de compresión

Los tipos más comunes de aparatos comprimen una muestra del caucho a probar entre dos platinas calentadas a una determinada temperatura. Si la fuerza de compresión es constante, se mide el espesor de la muestra al final de un determinado período de tiempo – Plastómetro Williams (prueba según ASTM D926) o Wallace (prueba según BS 903 parte A59, ISO 2007). Se puede también medir la fuerza necesaria para que la muestra se quede con determinado espesor – Plastómetro Defo (prueba según DIN 53514, ASTM D6049-03). LA Figura 26, nos enseña el Plastómetro Williams. Este tipo de plastómetro trabaja a temperaturas de 70°C o 100°C.

 

Figura 26: Plastómetro Williams. Cortesía de CCSi Akron, Ohio, USA

 

La Figura 27 nos enseña el plastómetro Wallace (Wallace Rapid Plastometer, Mk V). Este tipo de equipamiento trabaja normalmente a 100°C.

Figura 27 – Plastómetro Rápido Wallace Mk V. 

Cortesía de Wallace Instruments Co, UK

 

Plastómetros Rotativos

Son los aparatos más conocidos y utilizados internacionalmente y designados como viscosímetro Mooney. Este viscosímetro fue inventado por el norte americano Melvin Mooney (US Rubber Company), en la década de 1930.

El aparato es constituido por una cámara cilíndrica, B, calentada normalmente a 100, 120, 121, 125, 135, 145 o 150°C, en donde se encuentra inserido un disco rotativo o rotor, A, que gira a 2±0,02 RPM (Figura 28).

 

Figura 28 – Representación esquemática de un viscosímetro Mooney

 

Las superficies de la cámara cilíndrica y del rotor son estriadas y crean tensiones de corte entre ellas y el caucho que llena la cámara cilíndrica. El binario resistente se mide. Para el rotor ML (Mooney large), que tiene 38.1 mm de diámetro, un binario resistente de 8.30±0.02 N.m corresponde a 100 unidades Mooney. Para los cauchos de elevada viscosidad, se puede utilizar un rotor de menor diámetro, 30.5 mm, que es designado por rotor MS (Mooney small). La Figura 29 enseña el aspecto de un moderno viscosímetro Mooney.

 

Figura 29 – Viscosímetro Mooney. Cortesía Gibitre Instruments, Italia

 

Para la determinación de la viscosidad de polímeros en bruto, se pueden utilizar las siguientes condiciones y temperaturas:

En compuestos de caucho la viscosidad es determinada en las condiciones ML (1+4) @ 100°C, para compuestos de elevada viscosidad de deben ocupar condiciones MS (1+4) @ 100°C.

En la Figura 30 se enseña el aspecto de una curva de viscosidad Mooney. Después de 1 minuto de precalentamiento a la temperatura de prueba seleccionada, el rotor es puesto en movimiento y se obtiene un valor máximo de viscosidad. Después de este punto la viscosidad baja de una manera más o menos rápida, todo depende de la constitución del caucho y por efecto de la homogenización de su temperatura. Al final de 4 minutos la prueba es terminada y se registra el valor de la viscosidad, que es la viscosidad Mooney ML (o MS) (1+4 minutos), @ X °C de temperatura, o otra distinta de las condiciones referidas.

Figura 30 – Curva típica de la viscosidad Mooney

 

Parámetros reométricos: tiempo de prevulcanización, tiempo de vulcanización y velocidad de vulcanización

En el tema Vulcanización ya platicamos de los métodos e instrumentos para controlar el grado de vulcanización. Vimos entonces una curva típica obtenida en un reómetro y algunos de los parámetros que esa misma curva permite determinar, informaciones que también se pueden obtener en automático en el reporte de la prueba, sin necesidad de hacer el registro de la curva, si el software del equipamiento lo permite. Esos parámetros son: el binario mínimo S_mín, el tiempo de prevulcanización t_s, el binario máximo S_máx, el valor de tiempo de vulcanización t₉₀ (eventualmente t₈₀, t₈₅ y t₉₅) y el IVV (o CRI). Recordemos la curva entonces presentada y que aquí repetimos como Figura 31:

 

Figura 31: Curva reométrica y los parámetros obtenidos

 

El viscosímetro Mooney, puede también puede proporcionar una idea del tiempo de prevulcanización y de la velocidad de vulcanización. Como el proceso de vulcanización es muy lento a 100°C, es común utilizar temperaturas superiores, como 120, 121, 125 o 145°C. Las curvas obtenidas presentan el aspecto enseñado en la Figura 32.

 

Figura 32 – Características de la vulcanización obtenidas en el viscosímetro de Mooney

 

La realización de una prueba para determinación del tiempo de prevulcanización (scorch time) y del índice de vulcanización es muy idéntico a la prueba de determinación de viscosidad. Seleccionada la temperatura de prueba, la muestra es colocada en la cavidad de la máquina, se cierra la cámara y después de 1 minuto de precalentamiento, el rotor se coloca en movimiento. Se obtiene el valor de viscosidad inicial, que baja hasta un valor mínimo y este se registra. Si se utiliza el rotor ML, el tiempo de prevulcanización es el tiempo de prueba transcurrido hasta que la viscosidad suba 5 unidades de viscosidad Mooney (t₅) o, si se utiliza el rotor MS, el tiempo de prevulcanización es el tiempo de prueba transcurrido hasta que la viscosidad suba 3 unidades de viscosidad Mooney (t₃). La prueba prosigue y la viscosidad sigue subiendo que corresponde al desarrollo de un cierto grado de vulcanización (reticulación o crosslinking). La prueba se termina cuando la viscosidad alcanza el valor de la viscosidad mínima más 35 unidades de viscosidad Mooney (o 18, si se ocupa el rotor MS) y se registra el tiempo t₃₅ (o t₁₈).

El índice de vulcanización es la diferencia (t₃₅ – t₅) o (t₁₈ – t₃).

Mi experiencia dice que la información obtenida, a saber, la del tiempo de prevulcanización, obtenida en el viscosímetro Mooney, complementa la información obtenida en el reómetro. Pasa que, quienes tienen un reómetro, por lo general no se preocupan en hacer pruebas de prevulcanización con un viscosímetro Mooney, devaluando las informaciones obtenidas con este equipo.

¿Porque creo que las informaciones son complementares? Por lo siguiente: El tiempo de prevulcanización Mooney obtenido, por ejemplo, a 120°C, nos brinda una indicación más exacta del comportamiento del caucho a lo largo de los sucesivos pasos de procesamiento, en las cuales se pueden alcanzar temperaturas entre los 80 y 100°C, con calentamientos y recalentamientos más o menos prolongados, que suman decisivamente para la historia térmica del caucho y que, en el límite, pueden provocar una vulcanización prematura en determinado paso del proceso. Hay que recordar también que las pruebas reométricas se hacen, por lo general, a temperaturas muy elevadas, por ejemplo, a 190°C, no tan solo por una cuestión de economía de tiempo de prueba y mejor rentabilización del equipamiento, como también por ser más adecuado, en muchos casos, al proceso final utilizado como, por ejemplo, si es el caso de un proceso de inyección, en el cual las vulcanizaciones ocurren a temperaturas de 190°C o todavía aun superiores. El valor de t_s obtenido a esta temperatura no constituye una información muy ajustada para evaluar el comportamiento del caucho, por ejemplo, en los pasos preliminares de procesamiento o, lo mismo, en su parte final, por ejemplo, en al paso de plastificación de un compuesto en una máquina de extrusión o, lo mismo, en una máquina de inyección. Esto porque el valor de t_s a la temperatura de plastificación puede permitir un procesamiento correcto. En el caso de la inyección de caucho y porque las composiciones utilizadas son de vulcanización muy rápida, alguna reducción apreciable en el tiempo de prevulcanización es, casi siempre, una indicación garantizada de que la composición no va a ser procesable.

En todos los procesos de transformación es generado calor por el atrito interno. Este atrito interno es tanto más elevado cuanto más elevada es la velocidad de corte característica del proceso. Ahora en proceso de inyección es el que mayor velocidad de corte provoca en el caucho. La Figura 33 enseña lis rangos de la velocidad de corte para los principales procesos de transformación. La escala utilizada es logarítmica, una vez que existe una relación de 5000 entre la velocidad de corte mínima y máxima.

 

Figura 33 -Velocidades de corte para los principales procesos de transformación