Polietileno de alta densidad (HDPE): Visión general y análisis de procesamiento

Propiedades básicas

HDPE es un material opaco, blanco y ceroso con una densidad inferior a la del agua (0,941-0,960 g/cm³). Es blando y duro, más rígido y ligeramente menos extensible que el LDPE. No es tóxico ni tiene olor.

Características de la combustión

Fácilmente inflamable y continúa ardiendo después de retirar la fuente de llama. La llama es amarilla en la parte superior y azul en la parte inferior. Se derrite mientras arde con goteo, no produce humo negro y emite un olor similar al de la parafina.

Ventajas clave

• Resistente a ácidos, álcalis y muchos disolventes orgánicos.
• Excelente aislamiento eléctrico
• Conserva su resistencia a bajas temperaturas.
• Mayor dureza superficial, resistencia a la tracción y rigidez que el LDPE; similar al PP; más resistente que el PP, pero con un brillo superficial inferior al del PP.

Limitaciones principales

• Propiedades mecánicas inferiores en comparación con los plásticos de ingeniería; mala barrera contra los gases.
• Propenso a la deformación, el envejecimiento, la fragilidad (aunque menos frágil que el PP) y el agrietamiento por tensión.
• Baja dureza superficial; fácil de rayar.
• Difícil de imprimir (requiere tratamiento corona de la superficie); no se puede galvanizar; la superficie carece de brillo.

Aplicaciones típicas

• Extrusión: Películas de embalaje, cuerdas, bolsas tejidas, redes de pesca, tuberías de agua.
• Moldeo por inyección: Artículos cotidianos y viviendas de gama baja, piezas no portantes, bolsas de transporte, cajas de transporte.
• Extrusión por soplado: Contenedores, artículos huecos, botellas

Moldeo por inyección

HDPE se utiliza en innumerables aplicaciones, desde vasos para bebidas reutilizables de pared fina hasta 5 galones latas, lo que representa aproximadamente una quinta parte del consumo nacional de HDPE. Los grados de inyección suelen tener un índice de fluidez (MI) de 5 a 10. Existen grados más resistentes y de menor fluidez, y grados más procesables y de mayor fluidez. Entre sus usos se incluyen envases de consumo y alimentos de pared delgada; latas de alimentos y pintura resistentes y duraderas; aplicaciones de alta ESCR, como depósitos de combustible para motores pequeños y ~90 galones contenedores de basura.

Características:
Punto de fusión típico ≈ 142 °C; descomposición ≈ 300 °C. Amplio rango de temperaturas de inyección viables. Las temperaturas de procesamiento suelen ser 180-230 °C. Al ser una olefina, el HDPE no es higroscópico y, por lo general, no necesita secado; para garantizar la calidad, se puede secar a 60 °C durante 1 h para eliminar la humedad superficial. La viscosidad de fusión es alta y la relación de longitud de flujo es baja (las piezas de pared delgada pueden quedar incompletas), por lo que las entradas y los canales deben ser relativamente grandes. Las piezas son propensas a la electricidad estática y a la acumulación de polvo en la superficie. Típico Contracción de moldeo ≈ 16‰ (1,61 TP3T); límite de destello ≈ 0,05 mm.

Rendimiento:
HDPE ofrece una buena resistencia al calor y al frío, estabilidad química, gran rigidez y tenacidad, y una sólida resistencia mecánica. Las propiedades dieléctricas y la ESCR son buenas. En comparación con el LDPE, el HDPE tiene mayor dureza, resistencia a la tracción y mejor resistencia a la fluencia; la resistencia a la abrasión, el aislamiento eléctrico, la tenacidad y el rendimiento a baja temperatura son buenos (el aislamiento general es ligeramente inferior al del LDPE). Químicamente estable: insoluble en disolventes orgánicos a temperatura ambiente; resistente a ácidos, álcalis y diversas sales. Las películas tienen baja permeabilidad al vapor de agua y al aire y baja absorción de agua. La resistencia al envejecimiento es escasa y la ESCR es inferior a la del LDPE; la degradación termo-oxidativa reduce las propiedades, por lo que se añaden antioxidantes y absorbentes de UV. La película de HDPE tiene una temperatura de distorsión térmica bajo carga relativamente baja, lo que debe tenerse en cuenta en la aplicación.

Procesos de fabricación

El PE se produce principalmente mediante lodos o fase gaseosa procesos, con menos frecuencia a través de fase de solución. Estas reacciones exotérmicas involucran monómeros de etileno, comonómeros de α-olefinas, sistemas catalizadores (a menudo multicomponentes) y diluyentes de hidrocarburos. Se utilizan hidrógeno y ciertos catalizadores para controlar el peso molecular.

Los reactores de lechada suelen ser tanques agitados o, más comúnmente, reactores de bucle grande con lechada circulante. Al entrar en contacto el etileno/comonómero y el catalizador, se forman partículas de PE. Tras eliminar el diluyente, las partículas/polvo se secan y se dosifican con aditivos para fabricar gránulos. Las líneas modernas con extrusoras de doble husillo pueden producir >40 000 lb/h de PE. Los nuevos catalizadores han mejorado el rendimiento de los nuevos grados de HDPE.

Dos familias comunes de catalizadores son óxido de cromo (Phillips) y compuesto de titanio/alquil-aluminio (Ziegler-Natta). Los catalizadores Phillips suelen proporcionar medio MWD; Los catalizadores Ziegler-Natta proporcionan estrecho MWD. Los catalizadores utilizados para polímeros de MWD estrecho en configuraciones de reactor doble también pueden producir amplio MWD grados. Por ejemplo, dos reactores en serie que producen productos con pesos moleculares notablemente diferentes pueden producir bimodal polímeros con un MWD muy amplio.

Peso molecular, índice de fusión y MWD

• Peso molecular (Mw): Aproximadamente 40 000-300 000 para grados típicos de HDPE; la viscosidad también depende de la temperatura de ensayo y la velocidad de cizallamiento. El Mw se caracteriza por mediciones reológicas o de peso molecular.
• Índice de fluidez (MI, 230 °C/2,16 kg): Aproximadamente 100 → 0,029 g/10 min en todos los grados; un Mw más alto (MI más bajo) aumenta la resistencia al fundido, la tenacidad y la ESCR, pero hace que el procesamiento sea más exigente (mayor presión/temperatura).
• Distribución del peso molecular (MWD): Varía de estrecho a amplio dependiendo del catalizador y el proceso. El índice común es la polidispersidad (HI = Mw/Mn), típicamente 4-30 para HDPE. Un MWD estrecho reduce la deformación y mejora el impacto en el moldeo. Un MWD medio-amplio mejora la extruibilidad; un MWD muy amplio puede aumentar la resistencia a la fusión y la resistencia a la fluencia.

Aditivos

• Antioxidantes: Evita la degradación durante el procesamiento y la oxidación durante el servicio.
• Agentes antiestáticos: Se utiliza en muchos tipos de envases para reducir la adhesión de polvo y suciedad.
• Paquetes especiales: Por ejemplo, inhibidores de cobre para cables/alambres.
• UV/intemperie: Añada estabilizadores UV o negro de humo para uso en exteriores. No se recomienda el uso de PE sin estabilizadores UV ni negro de humo para una exposición continua al aire libre. El negro de humo de alta calidad proporciona una excelente resistencia a los rayos UV para cables, revestimientos o tuberías de exterior.

Moldeo por inyección: Guía de parámetros

Perfil de temperatura del barril (puntos de ajuste típicos entre paréntesis)

• Zona de alimentación: 30-50 °C (50 °C)
• Zona 1: 160-250 °C (200 °C)
• Zona 2: 200-300 °C (210 °C)
• Zona 3: 220-300 °C (230 °C)
• Zona 4: 220-300 °C (240 °C)
• Zona 5: 220-300 °C (240 °C)
• Boquilla: 220-300 °C (240 °C)

Configuración general y notas

Equipo: Tornillo estándar de tres zonas (típico L/D ≈ 25:1). Para el embalaje, utilice tornillos con secciones especializadas de mezcla y corte; boquilla abierta (recta); válvula antirretorno.

Utilización del tamaño de la toma: 35%–65%

Relación entre la longitud del flujo y el espesor de la pared (L/t): 50:1–100:1

Temperatura de fusión: 220-280 °C

Sujeción/remojo del barril: ≈220 °C

Temperatura del molde: 20–60 °C

Presión de inyección: 80-140 MPa (800-1400 bar); los envases de pared delgada pueden requerir hasta 180 MPa (1800 bar)

Presión de empaquetado/retención: 30%–60% de presión de inyección (el HDPE se contrae significativamente; manténgalo el tiempo suficiente cuando la precisión sea importante)

Contrapresión: 5-20 MPa (50-200 bar); un valor demasiado bajo puede provocar inconsistencias en el peso y la dispersión del color de las piezas.

Velocidad de inyección: Alta para envases de pared delgada; medio a menudo es adecuado para otras partes

Velocidad del tornillo: Alta velocidad lineal (≈ 1,3 m/s) es aceptable; asegúrese de que la plastificación se complete antes de que finalice el enfriamiento; baja demanda de par.

Carrera de medición: 0,5-4 D (mín.-máx.); 4 D proporciona un tiempo de residencia adecuado

Amortiguación (residual): 2–8 mm, dependiendo del tamaño del disparo y el diámetro del tornillo

Pre-secado: No es necesario.; si el almacenamiento es deficiente, seco 80 °C × 1 h

Rectificado: Hasta 100% reutilizable

Encogimiento: 1,21 TP3T – 2,51 TP3T; propenso a deformarse; la mayor parte de la contracción posterior al moldeado se estabiliza dentro de 24 h

Compuertas/canales: Compuerta de pasador; canal caliente calentado, canal aislado o casquillo de compuerta interno; una sección transversal relativamente pequeña es adecuada para secciones delgadas; no se necesita purga especial durante el tiempo de inactividad; el PE tolera aumentos de temperatura.

Suministro a granel y para proyectos

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