Espuma Química vs Física

O mercado de espuma:

O mercado de moldagem por injeção de espuma pode ser separado em moldagem de espuma de alta pressão e moldagem de espuma de baixa pressão. Em geral, a moldagem de espuma de baixa pressão é considerada o mercado de espuma estrutural. Este mercado é definido por peças com seções de parede relativamente espessas, de 6 mm ou mais, e máquinas projetadas com placas grandes e baixa força de fixação. Historicamente, este mercado tem utilizado nitrogênio como agente espumante físico ou agentes espumantes químicos exotérmicos (CFAs) ou uma combinação de ambos para gerar a estrutura celular.

A moldagem de espuma de alta pressão também tem uma longa história, mas tornou-se mais interessante recentemente com o advento de tecnologias físicas de formação de espuma, como o MuCell^® processo e alguns dos agentes espumantes químicos endotérmicos mais avançados, como o TecoCell da Trexel^® oferta de produtos. Este mercado utiliza máquinas injetoras com configuração mais tradicional e lida com peças com espessura de parede de 1 a 4 mm. Dadas as paredes finas e as grandes relações entre comprimento de fluxo e espessura destas aplicações, a redução típica da densidade está na faixa de 5 a 10%.    

Os Agentes de Espuma Químicos ou Físicos no Mercado de Espuma de Alta Pressão:

Custos operacionais:

Os processos de formação de espuma de alta pressão podem ser executados usando agentes espumantes físicos ou químicos. Existem benefícios de custo e desempenho que determinam a escolha apropriada. A primeira consideração é o custo. Os agentes espumantes químicos requerem um pequeno investimento de capital (normalmente um sistema de alimentação e um bocal de corte), mas representam um custo operacional significativo. Esses agentes espumantes podem custar na faixa de €4.65/kg (US$ 2.50/lb.) até € 9.30/kg (US$ 5.00/lb.) e são usados ​​em uma faixa típica de 1% a 3% em peso, dependendo da espessura da parede e da redução de densidade desejada. Isso pode representar um custo adicional de apenas € 0.02 (US$ 0.025) para uma peça de 454 gramas (1 lb.) até € 0.085 (US$ 0.10), dependendo do custo do agente químico espumante específico e da taxa de descida. As tecnologias de formação de espuma física tendem a ser intensivas em capital (exigindo um sistema de fornecimento de SCF de alta pressão), mas com custos operacionais muito baixos. Para uma peça típica de 454 gramas (1 lb.), o custo do nitrogênio consumido pode estar na faixa de 0.002 a 0.006 euros (0.0025 a 0.007 dólares) por peça. Portanto, uma consideração importante quando se olha para as duas tecnologias de formação de espuma é a amortização dos custos de capital para a tecnologia de formação de espuma física em comparação com o custo operacional contínuo do agente espumante químico. Em geral, a formação de espuma física é mais econômica em altas taxas de utilização da máquina e a formação de espuma química em baixas taxas de utilização da máquina. No entanto, isto é altamente dependente da participação dos custos de material nos custos de produção.

Considerações materiais:

O tipo de material que está sendo processado também é levado em consideração. Esta área específica pode ser analisada do ponto de vista da temperatura do processo, da sensibilidade à umidade e da presença ou ausência final de cargas.  

Os agentes espumantes químicos dependem de uma reação química para gerar um gás que atua como agente espumante. Se a reação ocorrer muito cedo no barril, o gás gerado pode ser ventilado de volta através do leito de sólidos e sair pela garganta de alimentação, resultando na perda de parte ou de todo o componente do gás e, portanto, pouca ou nenhuma formação de espuma na peça. Se as temperaturas do processo forem muito baixas, a reação pode nem ocorrer ou ocorrerá a uma taxa tão lenta que ocorre apenas uma geração parcial do gás. Em contraste, a formação de espuma física, como o processo MuCell, dosa uma quantidade precisa de gás diretamente no barril a cada ciclo, independentemente da temperatura do processo. Portanto, a formação de espuma física é adequada para todas as temperaturas de processo. Embora exista uma ampla gama de agentes químicos espumantes disponíveis no mercado, os agentes mais comuns têm temperaturas de reação na faixa de 160 a 200°C.

Uma segunda consideração relacionada ao material é a sensibilidade à umidade. A maioria dos fornecedores de materiais recomenda a secagem das resinas. Em alguns casos, trata-se simplesmente de eliminar qualquer propagação de umidade na superfície do material (típico de poliolefinas e materiais estirênicos).  Nesse caso não há um efeito negativo no desempenho do material. Outros materiais reagem com a água, resultando numa diminuição do peso molecular do material e numa diminuição correspondente no desempenho.  Nesse caso, a secagem não é apenas por razões cosméticas, mas também para obter o desempenho ideal do material.  Nesse caso, é importante selecionar um agente espumante químico que não gere água. Este problema é eliminado quando se utilizam agentes espumantes físicos.

A consideração final é o tipo geral de material (semicristalino ou amorfo) e o uso de cargas. Os materiais que incorporam cargas tendem a atingir uma boa estrutura celular com agentes espumantes químicos e físicos. Isto se deve ao fato de que os enchimentos atuam como agentes de nucleação para as células individuais e também ajudam a controlar a estrutura celular através de um resfriamento mais rápido. Em materiais não preenchidos, particularmente materiais semicristalinos não preenchidos, existe uma tendência para um nível de não uniformidade da estrutura celular com agentes espumantes físicos. Isto se deve ao fato de que os únicos contribuintes para a nucleação celular quando se utilizam agentes espumantes físicos com materiais não preenchidos são a taxa de queda de pressão e o nível de SCF. Os agentes químicos espumantes tendem a se autonuclear. Isto resulta em uma estrutura celular mais uniforme desde a entrada até o final do preenchimento com alguns materiais não preenchidos e especificamente com HDPE e PP. Além disso, como o CO2 sai da solução mais lentamente, os CFA endotérmicos tendem a fornecer não apenas uma estrutura celular mais uniforme, mas também uma camada de pele mais espessa.  

O benefício da autonucleação com CFA quando se utilizam materiais cheios e materiais amorfos não cheios é muito menos significativo em comparação com agentes espumantes físicos. E especificamente no caso de materiais preenchidos com vidro, não há diferença na uniformidade da estrutura celular entre a formação de espuma física e os agentes espumantes químicos.

Geometria da peça:

A espessura da parede e a relação comprimento/espessura do fluxo da peça também serão um fator determinante. Um agente espumante químico típico pode gerar CO2 a uma taxa de cerca de 25% da quantidade total adicionada. Isto significa que para 2% de concentrado de agente espumante adicionado a um polímero, são gerados 0.5% em peso de CO2. Há duas considerações aqui: primeiro, o CO2 é um agente espumante muito menos agressivo que o N2, pois o CO2 sai da solução mais lentamente que o nitrogênio. Isso significa que é necessário mais tempo para o crescimento das células. À medida que a espessura da parede diminui, o tempo de resfriamento do material diminui, permitindo menos tempo para ocorrer o crescimento celular. A 1 mm quase nenhuma redução de densidade ocorrerá com um CFA devido à velocidade de resfriamento do material no molde. Com um processo físico de formação de espuma, níveis mais elevados de CO2 ou preferencialmente nitrogênio podem ser usados ​​para criar estruturas de espuma com uma espessura de parede tão baixa quanto 0.35 mm. Ambos os cenários têm o efeito de aumentar a redução da densidade em comparação com um CFA típico.

Consistência do Processo:

A consistência do processo pode ser definida como a capacidade de produzir a mesma estrutura celular, parte por parte. Isto é controlado pela consistência da máquina de moldagem no que se refere ao tamanho da injeção, controle da velocidade de injeção e temperatura de fusão, bem como pela adição do agente espumante. No caso de um agente espumante físico, isso se refere à adição da mesma quantidade de SCF de dose a dose e ao gerenciamento da dissolução desse SCF no polímero fundido. No caso de um agente espumante químico, isso se refere à adição da proporção correta na garganta de alimentação, bem como ao gerenciamento da reação química que produz o CO2 ou nitrogênio que é o verdadeiro componente espumante.  

Em ambos os casos, formação de espuma química e física, o mecanismo de dosagem do agente espumante deve ser preciso e repetível. Com um sistema adequadamente projetado, tanto os agentes espumantes químicos quanto os agentes espumantes físicos podem ser dosados ​​de forma precisa e repetível.  

Com um agente espumante químico, a consistência da reação, tanto o nível de conversão quanto a posição no barril em que a reação começa e termina, são importantes para a repetibilidade do processo. Conforme observado acima, à medida que a posição da reação muda, a quantidade de gás liberada e a quantidade que potencialmente escapa da garganta de alimentação podem mudar e isso pode criar variação na peça moldada em espuma.

Também há alterações na máquina de moldagem que podem melhorar a consistência do processo. Como ponto de partida, o uso de um bocal de fechamento e bicos valvulados em câmaras quentes proporcionará uma janela de processo e controle de processo muito maiores. Há também alterações no design do parafuso que irão melhorar o gerenciamento do agente espumante no cano. Embora nem todos os fabricantes de agentes espumantes físicos ou químicos exijam modificações nas máquinas, a Trexel entende que elas são essenciais para um processo repetível de moldagem por injeção de espuma.

Subprodutos residuais:

Os agentes químicos espumantes, pela natureza do processo, resultam em subprodutos residuais da reação química. Em alguns casos, pode ser água que, como mencionado acima, pode criar problemas com certos polímeros. Em outros casos, esses componentes podem levar à corrosão do molde e à formação de placas na superfície do molde. A química CFA correta deve ser escolhida para atender aos requisitos da construção do material/molde.

Os agentes espumantes físicos não produzem reação e, portanto, não criam subprodutos de reação. No entanto, os agentes espumantes físicos podem fazer com que os componentes de baixo peso molecular no polímero sejam mais móveis, resultando num nível mais elevado de componentes que saem das aberturas de ventilação do molde. Esta é uma das razões pelas quais é recomendado que as aberturas de ventilação do molde sejam mais profundas ao usar agentes espumantes físicos. A tendência para uma maior mobilidade de componentes de baixo peso molecular também pode ser observada com agentes químicos espumantes, uma vez que isto está relacionado com a natureza dos fluidos supercríticos.

Em alguns mercados/materiais, os subprodutos residuais dos agentes químicos espumantes podem não ser aceitáveis. Por exemplo, certos dispositivos médicos que entram em contato com fluidos corporais ou algumas aplicações de embalagens. Esses materiais também podem ser banidos de alguns fluxos de reciclagem.

Questões Regulatórias:

Há crescentes questões regulatórias com agentes espumantes químicos. Em particular, os produtos espumantes à base de azodicarbonamida estão em listas de vigilância na Europa. É importante compreender as questões regulatórias locais relativas às composições químicas específicas dos agentes espumantes.

Tabela de comparação:

A tabela abaixo fornece uma comparação entre agentes espumantes químicos e o processo MuCell em relação a tipos de materiais e designs de peças específicos.

Dados estes efeitos materiais, a área mais comum de cruzamento entre as duas tecnologias são as peças produzidas com materiais commodities (HDPE, PP, PS, ABS) com ou sem cargas. À medida que as temperaturas do processo aumentam, a capacidade de encontrar graus apropriados de agente químico espumante torna-se mais difícil.

Resumo:

Em geral, os agentes espumantes químicos têm uma comparação favorável com as tecnologias de espumação física em:

• Parede relativamente mais espessa (4 mm e mais espessa)
• Baixo consumo de material ou baixa utilização da máquina
• Resinas commodities não preenchidas.  
• Eliminação de marcas de pia com pouco efeito cosmético

As tecnologias de formação de espuma física tendem a ser comparadas favoravelmente aos agentes de formação de espuma químicos para:

• Espessura da parede inferior a 2 mm e especialmente inferior a 1.5 mm
• Temperaturas de processo abaixo de 175 C ou acima de 270 C
• Altas taxas de consumo de material/alta utilização da máquina
• Maximizando a redução de peso através da formação de espuma
• Redução de peso através da otimização do design

Dados estes fatores, as áreas mais comuns de cruzamento entre as duas tecnologias são em peças produzidas com materiais commodities (PEAD, PP, PS, ABS) com ou sem cargas em espessuras de parede na faixa de 2 a 3 mm. À medida que as temperaturas do processo aumentam e a espessura da parede diminui, os benefícios do agente espumante químico tornam-se menores em comparação com a espumação física, particularmente quando o nitrogênio é o agente espumante físico.