Aditivos y rellenos en la moldeo por inyección de plásticos
La polímero base es solo el punto de partida. Los aditivos y los rellenos pueden transformar un plástico de uso general en un material de ingeniería, o destruir completamente su procesabilidad. He visto proyectos que tuvieron éxito con el paquete adecuado de aditivos, y he visto herramientas de millones de dólares fallar porque alguien no entendía lo que ocurre al añadir 30% de fibra de vidrio a ABS. Permítanme explicar qué hacen realmente los aditivos y cómo afectan a su pieza.
Puntos clave
| Aspecto | Información clave |
| -------- |
|---|
| Visión general de aditivos |
| Conceptos básicos y aplicaciones |
| Consideraciones de costo |
| Varía según la complejidad del proyecto |
| Buenas prácticas |
| Seguir las guías de la industria |
| Desafíos comunes |
| Planificar para contingencias |
| Normas de la industria |
| ISO 9001, AS9100 donde sea aplicable |
Comprensión de categorías de aditivos
Tipos de aditivos
| Categoría | Función | Carga típica | Impacto en costo |
| ---------- |
|---|
| -------------- |
| ------------------ |
| Refuerzos |
| Aumentar resistencia y rigidez |
| 15-60% |
| +30-200% |
| Rellenos |
| Reducir costo, modificar propiedades |
| 10-50% |
| -10-40% |
| Retardantes de llama |
| Resistencia al fuego |
| 5-30% |
| +20-80% |
| Estabilizadores |
| Protección térmica/UV |
| 0.5-5% |
| +5-30% |
| Plasticizantes |
| Flexibilidad |
| 5-50% |
| +10-50% |
| Modificadores de impacto |
| Dureza |
| 5-30% |
| +20-100% |
| Ayudas de proceso |
| Flujo, liberación |
| 0.5-5% |
| +5-15% |
| Colorantes |
| Apariencia |
| 1-5% |
| +5-50% |
Combinaciones comunes de aditivos
| Aplicación | Material base | Paquete de aditivos típico |
| ------------ |
|---|
| ----------------------------- |
| Soporte estructural |
| Nylon 6/6 |
| 30% fibra de vidrio |
| Caja retardante de llama |
| ABS |
| 15% fibra de vidrio, 12% FR |
| Exterior UV estable |
| PP |
| Estabilizador UV, 20% talco |
| Medicina duradera |
| PC |
| Modificador de impacto, ISO 10993 |
| Embalaje de alta deslizabilidad |
| PP |
| Agente de deslizamiento, anti-bloqueo |
Refuerzos
Fibra de vidrio
El refuerzo más común. Aumenta la resistencia y rigidez. | Propiedad | Sin reforzar | 15% GF | 30% GF | 45% GF |
| ----------- |
|---|
| -------- |
| -------- |
| -------- |
| Resistencia a tracción |
| 8,000 psi |
| 11,000 psi |
| 18,000 psi |
| 22,000 psi |
| Módulo de flexión |
| 350K psi |
| 550K psi |
| 1,200K psi |
| 1,800K psi |
| Resistencia al impacto |
| 1.0 ft-lb |
| 1.2 ft-lb |
| 1.5 ft-lb |
| 1.8 ft-lb |
| Contracción |
| 0.7% |
| 0.4% |
| 0.2% |
| 0.1% |
| Temperatura de deformación (HDT) @ 264 psi |
| 180°F |
| 220°F |
| 250°F |
| 280°F |
Fibra de carbono
Rendimiento superior al de vidrio. Caro pero con propiedades excepcionales. | Propiedad | 10% CF | 30% CF |
| ----------- |
|---|
| -------- |
| Resistencia a tracción |
| 12,000 psi |
| 28,000 psi |
| Módulo de flexión |
| 800K psi |
| 2,500K psi |
| Conductividad |
| Conducente |
| Conducente |
| Peso |
| 10% más ligero |
| 15% más ligero |
| Índice de costo |
| 3-4× |
| 8-12× |
Rellenos minerales
Reducción de costos con mejora moderada de propiedades. | Relleno | Índice de costo | Efectos en propiedades |
| --------- |
|---|
| ------------------------ |
| Talc |
| 0.3-0.5× |
| Rigidez, reducción de deformación |
| Carbonato de calcio |
| 0.2-0.4× |
| Rigidez, acabado superficial |
| Mica |
| 0.4-0.6× |
| Rigidez, estabilidad dimensional |
| Esferas de vidrio |
| 0.6-0.8× |
| Contracción isotrópica, rigidez |
| Wollastonita |
| 0.5-0.7× |
| Rigidez, acabado superficial |
Comparación de rendimiento
| Refuerzo | Aumento de resistencia | Aumento de rigidez | Aumento de costo | Dificultad de procesamiento |
| ---------- |
|---|
| -------------------- |
| ------------------- |
| ---------------------------- |
| Fibra de vidrio (30%) |
| +100-150% |
| +200-300% |
| +50-80% |
| Moderado |
| Fibra de carbono (30%) |
| +200-300% |
| +400-600% |
| +400-800% |
| Alto |
| Talc (40%) |
| +20-30% |
| +80-120% |
| -20-40% |
| Bajo |
| Mineral (40%) |
| +10-20% |
| +50-80% |
| -10-30% |
| Bajo |
| Fibra larga (30%) |
| +150-200% |
| +250-350% |
| +80-120% |
| Alto |
Retardantes de llama
Mecanismos de FR
| Tipo | Mecanismo | Carga típica | Eficacia |
| ------ |
|---|
| ---------------- |
| ---------- |
| Halogenados |
| Escavador de radicales libres |
| 10-25% |
| Excelente |
| Fosfóricos |
| Formación de char |
| 5-15% |
| Buena |
| Nitrógeno (MCA) |
| Dilución de gas |
| 10-20% |
| Moderada |
| Minerales (ATH, MDH) |
| Enfriamiento endotérmico |
| 40-60% |
| Buena |
| Nanoclay |
| Barrera/char |
| 2-10% |
| Sintérgico |
Comparación de clasificación de llama
| Material | Clasificación UL 94 | LOI (%) | Comentarios |
| ---------- |
|---|
| --------- |
| ------------- |
| ABS (sin reforzar) |
| HB |
| 18 |
| Quema |
| ABS + 15% FR |
| V-0 |
| 28 |
| Autoextinguible |
| PC (sin reforzar) |
| V-2 |
| 25 |
| Gotea mientras quema |
| PC + 10% FR |
| V-0 |
| 32 |
| Autoextinguible |
| Nylon 6/6 (sin reforzar) |
| V-2 |
| 23 |
| Gotea |
| Nylon + 30% FR |
| V-0 |
| 32+ |
| Autoextinguible |
| PP (sin reforzar) |
| HB |
| 17 |
| Quema |
| PP + 30% ATH |
| V-0 |
| 28 |
| Autoextinguible |
Propiedades del material FR
| Aplicación | Clasificación requerida | Tipo de FR recomendado |
| ------------ |
|---|
| -------------------------- |
| Electrónica de consumo |
| V-0, 5VB |
| Halogenado o fosfórico |
| Cubiertas eléctricas |
| V-0 |
| Halogenado (mejor fluidez) |
| Interior automotriz |
| V-0, 5VB |
| Fosfórico (menos humo) |
| Construcción |
| V-0 |
| Mineral (ATH/MDH) |
| Cableado |
| V-0, VW-1 |
| Halogenado (grados para cables) |
| Dispositivos médicos |
| V-0 |
| Preferido sin halógenos |
Estabilizadores
Estabilizadores térmicos
| Tipo | Aplicación | Eficacia | Costo |
| ------ |
|---|
| ---------- |
| ------- |
| Fenoles inhibidos |
| General |
| Buena |
| $ |
| Fosfitos |
| Estabilidad de procesamiento |
| Buena |
| $ |
| Tiosteres |
| Calor a largo plazo |
| Mejor |
| $$ |
| Quinonas metilidas |
| Alta temperatura, vida prolongada |
| Excelente |
| $$$ |
| Basados en cobre |
| Alambres, eléctricos |
| Excelente |
| $$ |
Estabilizadores UV
| Tipo | Mecanismo | Eficacia | Durabilidad | Costo |
| ------ |
|---|
| ---------- |
| ------------- |
| ------- |
| HALS (luz) |
| Inhibir radicales libres |
| Excelente |
| Más largo |
| $$$ |
| Absorbedores UV |
| Absorber UV |
| Buena |
| Media |
| $$ |
| Quenchers |
| Disipación de energía |
| Moderada |
| Media |
| $$ |
| Negro de carbón |
| Absorción UV |
| Excelente |
| Más largo |
| $ |
| Pigmentos |
| Variable |
| Variable |
| Variable |
| $$ |
Comparación de eficacia de estabilizadores
| Paquete de estabilizador | Resistencia térmica | Resistencia UV | Índice de costo |
| -------------------------- |
|---|
| ------------------ |
| ----------------- |
| Ninguno |
| Base |
| Base |
| 1.0 |
| Antioxidante básico |
| 2× |
| Sin cambio |
| 1.05 |
| Estabilizador térmico (básico) |
| 3-5× |
| Sin cambio |
| 1.1 |
| Paquete UV (básico) |
| Sin cambio |
| 3-5× |
| 1.15 |
| Estabilizador térmico + UV (premium) |
| 5-10× |
| 5-10× |
| 1.25 |
| Paquete de vida prolongada |
| 10-20× |
| 10-20× |
| 1.5 |
Modificadores de impacto
Tipos de modificadores de impacto
| Tipo de modificador | Materiales base | Aumento de dureza | Rendimiento a temperatura |
| --------------------- |
|---|
| ------------------ |
| --------------------------- |
| MBSPC, PMMA, PVC |
| Alto |
| Bueno |
| Rubber ABS |
| Medio-Alto |
| Moderado |
| EPDM rubber |
| PP, PE |
| Alto |
| Excelente |
| Elastómeros maleados |
| Nylon, PET |
| Alto |
| Bueno |
| Ionomeros |
| PE, EVA |
| Muy alto |
| Excelente |
Eficacia de modificadores de impacto
| Material | Izod notificado (RT) | Izod notificado (-20°C) |
| ---------- |
|---|
| -------------------------- |
| PP homopolímero |
| 0.5 ft-lb/in |
| 0.3 ft-lb/in |
| PP + 20% EPDM |
| 3.0 ft-lb/in |
| 1.2 ft-lb/in |
| PP + 30% EPDM |
| 6.0+ ft-lb/in |
| 2.5 ft-lb/in |
| Nylon 6/6 |
| 1.0 ft-lb/in |
| 0.6 ft-lb/in |
| Nylon + 20% caucho |
| 3.5 ft-lb/in |
| 1.5 ft-lb/in |
| Nylon + 30% GF + modificador |
| 2.0 ft-lb/in |
| 1.2 ft-lb/in |
Ayudas de proceso
Lubricantes internos
| Tipo | Función | Carga típica | Efecto en propiedades |
| ------ |
|---|
| ---------------- |
| ------------------------ |
| Ácidos grasos |
| Liberación de molde |
| 0.5-2% |
| Ligeramente plastificante |
| Amidas |
| Deslizamiento, anti-bloqueo |
| 0.5-2% |
| Mínimo |
| Sales metálicas |
| Lubricación |
| 0.5-2% |
| Puede afectar adhesión |
| Fluoropolímeros |
| Ayuda de proceso |
| 0.1-0.5% |
| Mínimo |
Modificadores de flujo
| Modificador | Función | Carga típica | Resultado |
| ------------- |
|---|
| ---------------- |
| ----------- |
| Modificadores de viscosidad |
| Ajustar fluidez |
| 1-5% |
| Viscosidad más baja o más alta |
| Agentes nucleantes |
| Cristalinidad |
| 0.1-1% |
| Ciclo más rápido, partes más claras |
| Extensores de cadena |
| Restauración de peso molecular |
| 0.1-0.5% |
| Recuperar peso molecular degradado |
Agentes de liberación de molde
| Tipo | Aplicación | Frecuencia | Notas |
| ------ |
|---|
| ------------ |
| -------- |
| Interno (aditivo) |
| Cada disparo |
| Automático |
| Puede afectar pintura |
| Externo (spray) |
| Cada disparo |
| Aplicado por operador |
| Preocupación por residuos |
| Recubrimiento permanente |
| Semanal-mensual |
| Aplicado al molde |
| No transferible |
Interacciones y compatibilidades de aditivos
Interacciones comunes
| Par de aditivos | Interacción | Efecto |
| ------------------ |
|---|
| -------- |
| Fibra de vidrio + retardante de llama |
| Puede ser incompatible |
| Reducción de efectividad de FR |
| Estabilizadores + retardantes de llama |
| Sintérgico |
| Mejor rendimiento |
| Modificadores de impacto + fibra de vidrio |
| Sintérgico |
| Mejor dureza |
| Pigmentos + estabilizadores térmicos |
| Variable |
| Prueba requerida |
| Absorbedores UV + HALS |
| Sintérgico |
| Mejor protección UV |
Límites de carga de aditivos
| Aditivo | Carga práctica máxima | Más allá de esto… |
| ---------- |
|---|
| ------------------------ |
| Fibra de vidrio |
| 50-60% |
| Fracturabilidad, desgaste |
| Rellenos minerales |
| 50-60% |
| Mal impacto |
| Retardantes de llama |
| 30-40% |
| Degradación de propiedades |
| Modificadores de impacto |
| 30-40% |
| Ablandamiento, creep |
| Plasticizantes |
| 40-50% |
| Problemas de plasticización |
Consideraciones de procesamiento
Efectos en parámetros de procesamiento
| Aditivo | Temperatura de fundición | Presión de inyección | Tiempo de enfriamiento | Desgaste de tornillo |
| --------- |
|---|
| ------------------------ |
| -------------------------- |
| ---------------------- |
| Fibra de vidrio |
| +10-30°F |
| +10-30% |
| Similar |
| Alto desgaste |
| Minerales |
| Similar |
| +5-15% |
| Similar |
| Desgaste medio |
| Retardantes de llama |
| Similar o -20°F |
| +5-15% |
| Similar |
| Bajo-medio |
| Plasticizantes |
| -20-50°F |
| -10-30% |
| Similar |
| Bajo |
| Modificadores de impacto |
| Similar |
| +5-10% |
| +10-20% |
| Bajo |
Desgaste de tornillo y tambor
| Material | Nivel de desgaste | Protección de punta de tornillo |
| ---------- |
|---|
| ------------------------------ |
| Sin reforzar |
| Bajo |
| Estándar |
| Reforzado con vidrio (30%) |
| Alto |
| Bimetálico o acero herramienta |
| Reforzado con minerales (40%) |
| Medio-alto |
| Endurecido o recubierto |
| Fibra de carbono |
| Muy alto |
| Requiere recubrimientos especiales |
| Retardantes de llama |
| Bajo-medio |
| Estándar |
Consideraciones de secado
| Material | Secado estándar | Con aditivos |
| ---------- |
|---|
| ---------------- |
| Nylon 6/6 |
| 180°F, 4 horas |
| Puede necesitar más tiempo |
| PC |
| 250°F, 4 horas |
| Puede necesitar temperatura más alta |
| PET |
| 250°F, 4-6 horas |
| Similar |
| ABS |
| 180°F, 3-4 horas |
| Similar |