Estabilización del rendimiento y la calidad del HDPE reciclado

Consulta Ian | 15 de julio de 2021

La degradación del polietileno de alta densidad (HDPE) puede ser un problema importante para los recicladores. Aunque el HDPE es uno de los plásticos que se reciclan con mayor frecuencia y se puede separar mediante una variedad de métodos, el reciclaje de este polímero no es completamente eficiente en la práctica. Las siguientes son formas de ajustar el procesamiento para abordar la degradación del rendimiento y la calidad y satisfacer la fuerte demanda de este material, que tenía un valor de mercado global de $ 68 mil millones de dólares en 20191

El calor y el cizallamiento del proceso de reciclaje de HDPE pueden exacerbar cualquier desgaste por uso anterior. Esta degradación puede cambiar la estructura de la resina al introducir geles y motas, desencadenar reacciones secundarias que alteran el color del polímero o causar variaciones en el flujo de fusión, todo lo cual puede afectar negativamente el rendimiento y la calidad del reciclado.

Los contaminantes del flujo de reciclaje, como las especies ácidas, también pueden iniciar la degradación, haciéndolos "pro-degradantes". Pueden estar presentes debido a los residuos del catalizador de la producción de polímeros, provocando reacciones secundarias que crean ácidos, o pueden ser introducidos desde la corriente de reciclaje. Los ácidos degradan la estructura de las cadenas de polímeros de HDPE y disminuyen la eficacia de los antioxidantes a menos que también esté presente un antiácido.

Existe una fuerte demanda mundial de contenido reciclado posconsumo (PCR), impulsada por los compromisos de sostenibilidad de las principales marcas y las nuevas regulaciones que fomentan la reutilización de plásticos para apoyar la circularidad. En particular, el mercado de HDPE reciclado de color natural se expandió en 2020,2 debido principalmente a la creciente demanda de las empresas de bienes de consumo empaquetados (CPG).

Para abastecer el mercado, es importante que los recicladores mantengan las propiedades del HDPE posconsumo, incluido el color, a medida que pasa por el proceso de reciclaje. Una estrategia comprobada es agregar estabilizadores al contenido de PCR antes de que se someta a calor y esfuerzos cortantes.

La estabilización química del contenido de HDPE PCR puede:

Cómo funcionan los estabilizadores con HDPE

Los productores de resina controlan estrictamente la estructura de sus materiales vírgenes para brindar una excelente consistencia en las propiedades físicas y visuales. A menudo agregan un nivel base de mezclas estabilizadoras para ayudar a evitar que estas propiedades se vean afectadas por las duras condiciones del proceso durante la conversión al producto final.

Estas mezclas de estabilizadores generalmente se componen de varios componentes, que incluyen:

Si el nivel base de estabilizador en HDPE solo es suficiente para un uso limitado (conversión de resina) y se ha agotado para el momento en que el producto final se recolecta para su reciclaje, el contenido de PCR no tendrá protección contra la degradación de las duras condiciones de reciclaje. Esta es la razón por la que algunos recicladores agregan estabilizadores a la masa fundida cuando convierten la chatarra en contenido PCR. Han descubierto que la estabilización ofrece una atractiva relación costo-beneficio. El HDPE reciclado que conserva sus propiedades, color y procesabilidad originales a menudo puede exigir precios más altos.

Cuantificación de la estabilización de HDPE

El efecto de los estabilizadores en el HDPE reciclado se puede determinar analizando el tiempo de inducción oxidativa (OIT), el flujo de fusión y la retención del color.

El tiempo de inducción oxidativa es una medida de la resistencia de un polímero a la descomposición oxidativa. Indica qué tan bien las piezas hechas del material pueden resistir el envejecimiento (como el agrietamiento, el agrietamiento, el debilitamiento o la falla) bajo la exposición a elementos ambientales, incluidos el calor, el oxígeno, la luz y la radiación.

Las pruebas de OIT caracterizan la estabilidad termooxidativa de las poliolefinas, particularmente el polietileno (PE). Es una medida sensible del nivel de aditivos antioxidantes dentro del polímero. La norma ASTM D3895 especifica un método de prueba para OIT usando calorimetría diferencial de barrido (DSC). En resumen, se trata de un ensayo de envejecimiento térmico acelerado.

Durante esta prueba, la resina se somete a un calentamiento controlado por encima de su punto de fusión en una atmósfera de nitrógeno. Una vez fundida, la resina se expone a oxígeno puro y se inicia un temporizador a medida que el antioxidante principal se consume con el tiempo. Cuando el antioxidante primario se consume por completo, se indica mediante un cambio en el flujo de calor y se determina el tiempo de inducción. En general, los tiempos de OIT más largos sugieren un mayor nivel de estabilización. En la práctica, OIT es una buena opción para una prueba rápida cuando el envejecimiento por calor no es práctico. Es mejor usarlo junto con el envejecimiento por calor, ya que diferentes aplicaciones pueden tener resultados OIT idénticos pero resultados de envejecimiento por calor diferentes. En el reciclaje, a menudo se ven resultados OIT cercanos a cero.

Algunas especificaciones requieren números OIT mínimos. De acuerdo con la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO), "las tuberías fabricadas con materiales de PE reciclado (con contenido de PCR o PIR, o ambos) deben tener un tiempo de inducción de oxidación (OIT) de 20 minutos.3"

En un ejemplo, Baerlocher USA demostró a través de pruebas OIT cómo sus estabilizadores Baeropol® T-Blend podrían aumentar la estabilidad de las escamas de HDPE PCR. Después de múltiples extrusiones del material, los niveles de OIT se mantuvieron elevados por encima de la lectura inicial de las escamas no estabilizadas, proporcionando una vida útil más prolongada para el polímero y ampliando su reciclabilidad.

Un argumento en contra del uso del contenido de PCR es el impacto potencial en los procesos de moldeo por soplado, moldeo por soplado y extrusión de alta velocidad. El material reciclado posconsumo con un flujo de fusión inconsistente puede reducir el rendimiento y provocar un llenado incompleto del molde y altas tasas de desechos.

El flujo de fusión puede verse afectado por las tensiones del proceso de reciclaje mecánico. Durante la degradación oxidativa, que puede ocurrir en el reciclaje, las cadenas de polímeros cambian de diferentes maneras negativas. Los polímeros como el HDPE pueden reticularse, elevando la viscosidad del fundido, lo que ralentiza el flujo del fundido. La adición de un estabilizador puede ayudar a prevenir este problema.

El estándar para medir la tasa de flujo de fusión es ASTM D1238. La resina se funde en una tolva y se extruye a un ritmo controlado mediante la aplicación de una presión constante a través de un peso y un pistón. Se mide la velocidad a la que se extruye la resina. La reticulación ocurre particularmente durante los procesos fundidos (repeletización y procesamiento). El problema principal es que cuando las tasas de flujo de fusión cambian, a los procesadores les resulta difícil mantener la calidad porque tienen que alterar las condiciones del proceso.

La estabilidad del color de los flujos de HDPE reciclado a menudo se considera más importante en los grados naturales que en los flujos mixtos, ya que los usuarios de HDPE reciclado natural a menudo desean un mayor control. El control del color en corrientes mixtas con diferentes pigmentos no es práctico. Los grados naturales, por otro lado, pueden potencialmente permitir a los clientes producir más opciones de color. Necesitan que los grados naturales sean consistentes para que puedan lograr los resultados de color deseados de manera constante. En los grados naturales, el amarillamiento puede ocurrir debido a los mecanismos de degradación que crean cuerpos que cambian de color. La incorporación de eliminadores de ácidos en una mezcla estabilizadora puede prevenir estos cuerpos que cambian de color.

Los cambios de color se pueden medir con un colorímetro. Los datos a menudo se informan utilizando varios valores, como L* (una medida de claridad/oscuridad), a* (una medida de rojo/verdoso) y b* (una medida de amarillo/azul).

Ventajas de las mezclas estabilizadoras

Hay varios beneficios de trabajar con paquetes de aditivos premezclados. Los componentes sinérgicos son más eficientes cuando se mezclan antes de la preparación magistral. La opción de paquetes de bajo polvo/sin polvo puede ser necesaria para los clientes que no pueden usar mezclas de polvo por razones de seguridad o limpieza. Las mezclas también pueden reducir los errores del usuario y brindar beneficios en términos de costos, ya que ayudan a simplificar la cadena de suministro en comparación con el uso de aditivos individuales.

Las mezclas binarias de estabilizadores tradicionales (antioxidantes primarios y secundarios) vienen en formas limitadas de productos.

El HDPE reciclado se puede utilizar para una variedad de aplicaciones,4 que incluyen botellas, tuberías, tarimas y tarimas que no son para alimentos. Si bien el HDPE es razonablemente fácil de reciclar, su color y rendimiento pueden verse afectados negativamente por el calor, el corte y la contaminación durante el proceso de reciclaje. La adición de estabilizadores químicos, particularmente mezclas de estabilizadores, a la masa fundida durante el reciclaje puede ayudar a prevenir la degradación del producto final, mejorar la consistencia del flujo de masa fundida y conservar el color natural deseable. Los T-Blends de Baerlocher, que están preformulados para lograr sinergias y un rendimiento óptimos, pueden mejorar la estabilidad del fundido, minimizar el amarillamiento y mejorar el rendimiento del producto final para prolongar la vida útil de la pieza.

Ian Query es especialista técnico en la División de Aditivos Especiales de Baerlocher USA.

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