Los poliamidas son higroscópicos y la absorción de humedad afecta a las propiedades del poliamida. Esta herramienta predice la cantidad de absorción o liberación de humedad y las escalas de tiempo implicadas. El usuario puede seleccionar dos tipos de cálculo: un modo 'básico', que calcula un único cambio de estado, o un modo avanzado, que tiene en cuenta condiciones cíclicas.

'Cambio de estado':

La muestra se equilibra en una condición inicial (temperatura T_0, humedad relativa RH_0) y unaEn t=0 se expone a una condición impuesta (temperatura T_1, humedad relativa RH_1) durante un determinado periodo de tiempo. Se predicen los contenidos de agua en función del tiempo, así como los correspondientes perfiles de concentración de agua a lo largo del espesor de la muestra. De este modo, se pueden simular tanto la absorción de agua como los efectos de secado.

‘Cyclic'

Nuevamente, la muestra se equilibra en una condición inicial (temperatura T_0, humedad relativa RH_0) y en el tiempo=0 se expone a un conjunto de condiciones impuestas, cada una con una temperatura y una humedad relativa durante un tiempo determinado. El conjunto combinado de condiciones puede ser repetido (número of ciclos). También se predicen los contenidos de agua en función del tiempo, así como los perfiles correspondientes de concentración de agua a lo largo del espesor de la muestra. De este modo, se puede simular tanto la absorción de agua como los efectos de secado.

Entrada del usuario:

• Selección de grado
• Espesor de la placa (se asume que la altura y la profundidad son infinitas)
• Temperatura inicial y humedad relativa de la placa
• Temperaturas impuestas, humedades relativas y duraciones a las que se somete la placa (condiciones 1, 2, etc.)
• El número de ciclos (limitado a 50 para evitar el tiempo de espera de la interfaz web)

Salida de la herramienta:

• Un gráfico que muestra la penetración de humedad en función de la posición exacta dentro de la placa para tres ciclos en el tiempo
• Un gráfico que muestra la concentración promedio de humedad según la posición a lo largo del tiempo

Se moldearon placas con espesores variables entre 1-10 mm (0,04-0,4 in) y posteriormente se recocieron a una temperatura elevada (a medio camino entre la temperatura de transición vítrea Tg y la temperatura de fusión Tm, donde la velocidad de cristalización es máxima). Este tratamiento térmico se realizó durante 16 horas, lo que se considera que corresponde a un grado sustancial de cristalinidad (aunque se sabe que pueden alcanzarse niveles superiores de cristalinidad añadiendoal tratamiento térmico). Se utilizó una atmósfera de nitrógeno para evitar la posible oxidación de las muestras.

La parametrización de los distintos grados comerciales de poliamidas se basa en una extensa experimentación de absorción y liberación de agua en el rango de temperaturas de 23 a 120°C (73-248°F).  La mayoría de las placas se sumergieron en un baño de agua, algunas se colocaron en una cámara de acondicionamiento. El pesaje de las placas revela la cantidad de humedad absorbida con el tiempo. En condiciones secas, la desorción se estudió de la misma manera.

Cristalinidad

SeLos plásticos semi-cristalinos suelen estar compuestos por una fase amorfa, en la que las cadenas poliméricas están dispuestas aleatoriamente, así como una fase cristalina (ordenada). Solo la fase amorfa puede absorber humedad. Sin embargo, el grado de cristalinidad es no un parámetro material fijo, sino que depende de las condiciones de procesado y del envejecimiento. Después del moldeo por inyección/soplado y el enfriamiento (‘dry as molded’) el plástico aún no ha alcanzado su cristalinidad máxima. Para algunas aplicaciones, un estado por debajo de este máximo ofofrece ventajas para la aplicación; en otros casos se desea el estado totalmente cristalino. Las muestras secas tal como se moldean pueden absorber más humedad en comparación con los materiales recocidos (o envejecidos). Durante la vida útil de una pieza, la cristalinidad generalmente aumenta (y la absorción de humedad disminuye), pero para acelerar este proceso se puede aplicar un 'recocido' (tratamiento térmico durante un corto período de tiempo).

Debido a que la cristalinidad depende, entre otros factores, de las condiciones de procesado, las condiciones ambientales y el envejecimiento, es impono es posible presentar un único valor como verdad absoluta para nuestros materiales. En su lugar, nuestra herramienta proporciona tanto una predicción del contenido de humedad en muestras secas-moldeadas como una predicción para muestras recocidas (bajo las condiciones especificadas). A menos que se aplique un recocido extremo, el contenido de humedad de una pieza estará probablemente entre estas dos predicciones.

En las hojas de datos, normalmente se proporcionan los valores ‘dry as molded’. Para PA6, PA66 y PPA, se puede indicar el contenido de humedad en equilibrio ‘annealed’.10-20% más bajo, para PA46 incluso un factor 2 menor en comparación con las muestras secas después del moldeo.

El tiempo de secado requerido puede estimarse utilizando la herramienta Moisture Diffusion, pero debe realizarse en dos pasos consecutivos: (1) calcular la cantidad de humedad absorbida después de medio año bajo las condiciones especificadas y (2) secar desde esas condiones a temperatura elevada. La herramienta puede manejar algunas geometrías simples; en este caso, la ‘placa infinita’ es la que más se asemeja a la pieza del cliente.

El primer paso es la absorción. Tras seleccionar ‘Akulon® K122’ en la lista desplegable, se deben proporcionar los siguientes datos de entrada:

• Geometría de la muestra = Placa infinita (la herramienta puede manejar algunas geometrías simples; en este caso, la ‘placa infinita’ es la que más se asemeja a la pieza del cliente)
• Espesor de la placa/muestra = 5 mm (0,2 in)
• Temperatura inicial = 20°C (68°F)
• Humedad inicial = 0% (después del moldeo, una pieza no contiene humedad, esto se denomina 'seco como moldeado')
• Temperatura impuesta = 20°C (68°F)
• Humedad impuesta = 50%
• Tiempo máximo de difusión = 4380 horas (medio año equivale a 182,5 días x 24 horas)

La herramienta proporciona dos gráficos para mostrar los resultados del cálculo; en este ejemplo ambos son relevantes:

• ‘Evolución de la humedad’: La concentración de humedad promediada en el espesor de la placa. Este gráfico muestra que la concentración promedio inicial de humedadLa absorción es cero justo después del moldeo y aumenta con el tiempo. En el intervalo de medio año, aún no se alcanza el equilibrio; la concentración promedio de humedad es del 2% en peso. En este caso, la diferencia entre las muestras secas recién moldeadas y las muestras recocidas (tratadas térmicamente o envejecidas) es muy pequeña.
• ‘Penetración de humedad’: Un gráfico más detallado que muestra el perfil de humedad a lo largo del espesor de la placa para tres momentos distintos. Se puede observar que en el exterior de la placa, la concentración de humedad se encuentra en sus máximo (3,5 % en peso para las condiciones seleccionadas). La humedad se difunde desde ambos lados hacia el centro y alcanza un valor de aproximadamente 1,3 % en peso en el núcleo.

El segundo paso es el secado. Generalmente, no se recomienda mantener el material a una temperatura tan alta durante un período de tiempo prolongado, ya que puede producirse degradación. Es preferible secar a aproximadamente 80°C (176°F), preferiblemente bajo atmósfera de nitrógeno.

Seleccione el mismo grado en el menú desplegable de la columna de entrada a la izquierda e introduzca todos los parámetros. Alternativamente, haga clic en el icono “Editar cálculo” en la leyenda del cálculo anterior; todos los campos aparecerán pre-rellenados y, tras realizar las modificaciones, seleccionamos “Añadir nuevo cálculo” (Nota: “Actualizar cálculo” sobrescribirá el anterior). Es necesario realizar una pequeña simplificación, que consiste en asumir un perfil de humedad uniforme dentro de la placa al inicio del proceso de secado. Como no podemos introducir una ‘concentración de humedad’, es necesario ajustar la entrada ‘humedad inicial’ para obtener la misma concentración de humedad que al final de la etapa de absorción (Nota: para ajustar un valor de entrada, lo más sencillo es utilizar “Editar cálculo” y “Actualizar" botones de “calculo”). Las entradas son:

• Geometría de la muestra = placa infinita
• Espesor de la placa/muestra = 5 mm (0,2 in)
• Temperatura inicial = 20°C (68°F)
• Humedad inicial = 31% (ajustada para coincidir con una concentración de humedad del 2% en peso)
• Temperatura impuesta = 110°C (230°F)
• Humedad impuesta = 0%
• Tiempo máximo de difusión = 300 h (comience con una estimación; esto se puede ajustar posteriormente)

Debe inspeccionarse la gráfica que muestra el perfil de humedad para encontrar el momento en que la concentración en el centro (en el núcleo de la placa) ha alcanzado 0,1 % en peso. Por supuesto, los extremos de la placa presentan una concentración de humedad inferior. Determinamos que el tiempo de secado necesario para cumplir con el requisito es aproximadamente 475 horas. El gráfico de Evolución de la Humedad muestra que, cuando el núcleo alcanza una concentración de humedad de 0,1 % en peso, la concentración promedio de humedad es 0,06 % en peso. En realidad, el perfil de humedad al inicio del secado no sería plano, lo que significa que el tiempo real de secado sería ligeramente menor.

Esta pregunta puede responderse realizando un simple cálculo de absorción de humedad, asumiendo que la pieza puede modelarse como una geometría de placa plana. Comience seleccionando el grado requerido en el menú desplegable (o busque el grado escribiendo su nombre) y proporcione el entrada necesaria:

• Geometría de muestra = placa infinita
• Espesor de la placa/muestra = 3.2 mm (0.13 in)
• Temperatura inicial = 23°C (73°F)
• Humedad inicial = 0% (tras el moldeo, una pieza no contiene humedad, a esto se le denomina ‘dry-as-molded’)
• Temperatura impuesta = 23°C (73°F)
• Humedad impuesta = 50%
• Tiempo máximo de difusión = 100 h (comience con un tiempo pequeño para acelerar el cálculo)

El gráfico de evolución de la humedad muestra que 100 horas no son suficientes para alcanzar el equilibrio en esta pieza. Haga clic en “Edit calción" en la leyenda para aumentar el tiempo máximo de difusión a 9000 horas y volver a calcular mediante "Actualizar cálculo".

• El gráfico muestra dos líneas: la continua corresponde a muestras ‘dry-as-molded’ y la discontinua, ‘annealed’, a muestras con mayor cristalinidad. Una mayor cristalinidad se puede lograr aplicando un tratamiento térmico/húmedo (consulte la pestaña Measurements para más información), pero también ocurre de forma natural a medida que una pieza envejece. En Stanyl® (PA46) este efecto es más pronunciado en comparación con otros poliamidas. En pEn la práctica, el estado de una pieza probablemente se sitúe entre estas dos predicciones de modelo.
• Después de 9000 horas, la gráfica de evolución de humedad 'as-molded' es casi plana, lo que indica que se ha alcanzado el equilibrio (para las muestras recocidas esto ya ocurre después de 4000 horas).
• En teoría, la concentración de humedad podría encontrarse en cualquier punto entre las dos líneas. Sin embargo, como no se aplicaron condiciones extremas, es probable que la pieza esté cerca de la línea 'as-molded' con un 2,6 % en peso de humedad.

Para añadir un gráfico para el acondicionamiento acelerado a 70°C(158°F)/62%HR, se puede seguir el mismo procedimiento: seleccionar el mismo grado y rellenar los campos requeridos, o empezar desde thla anterior simulación utilizando el botón “Editar cálculo” (todos los campos de entrada ya están pre-rellenados) y haz clic en “Agregar nuevo cálculo”.

• Geometría de la muestra = Placa infinita
• Espesor de la placa/muestra = 3,2 mm (0,13 in)
• Temperatura inicial = 23°C (73°F)
• Humedad inicial = 0% (después del moldeo, la pieza no contiene humedad; a esto se le denomina ‘dry-as-molded’)
• Temperatura impuesta = 70°C (158°F)
• Humedad impuesta = 62%
• Tiempo máximo de difusión = 9000 h

El gráfico de evolución de la humedad muestra que el equilibrila condición um se alcanza mucho más rápido; después de 2000 horas para muestras secas moldeadas. La concentración de humedad en equilibrio es ligeramente superior en este caso, alrededor del 3,0% en peso. Debido a que la temperatura y la humedad de acondicionamiento fueron mayores en comparación con el método estándar de acondicionamiento de 23°C(73°F)/50%HR, la cristalinidad podría ser ligeramente mayor (reduciendo un poco el contenido de humedad). Aunque el contenido de humedad no es necesariamente idéntico para ambos métodos de acondicionamiento, ambos darán como resulpropiedades mecánicas tras la absorción de humedad.

Una posible solución al problema sería definir el siguiente caso y calcular el contenido medio de humedad en estado estacionario dentro de la pieza. El caso representa una situación que ocurre durante un día (24 horas) el coche circula de 9:00 a 10:00 y el resto del día permanece en el aparcamiento. Durante la conducción, la pieza polimérica está expuesta a una temperatura de 100˚C y 0% HR, y durante el estacionamiento la pieza está expuesta a una temperatura de 23˚C y 100% HR. Estas condiciones diarias se aplican en un régimen cíclico diario repetitivo durante 50 días (1200 horas). Si se requieren periodos de tiempo más largos, contacte con nuestros expertos para un cálculo off-line (debido a los límites de tiempo de la interfaz web).e) 

En la figura 1a, el perfil de concentración de agua se representa a lo largo del espesor de la pieza al final de cada día (ciclo) para días específicos. Después del primer día, las dos láminas exteriores de la pieza polimérica ya contienen humedad, mientras que la parte interna de la muestra permanece seca. Con el aumento del número de días, la situación en las láminas exteriores no cambia significativamente. Sin embargo, para la parte interna se observa que el contenido de humedad aumenta gradualmente con el número de ciclos y ha alcanzó un valor casi constante después de 50 días.

El contenido total de agua en la pieza polimérica se muestra en función del tiempo en la Figura 2. Es visible el ritmo diario, así como la estabilización de los contenidos de agua después de aproximadamente 100 días hasta un valor final en el rango de 1,0-1,3 % en peso. Cabe señalar que este valor final no es igual a uno de los valores de equilibrio asociados a las condiciones de estacionamiento o conducción, sino que se trata de un valor intermedio entre estas dos condiciones.valores de equilibrio. Este valor final y su distribución a lo largo del espesor son relevantes ya que afectan el comportamiento mecánico de la pieza.