Determinació de la cinètica de cristal·lització de polímers amb el mètode NPK

El procés de refredament d’objectes amb material polimèric és un procés crucial en la definició de les seves propietats finals. Variables com la velocitat de refredament, el temps i la temperatura influeixen de forma determinant en la cristal·lització del polímer. Per tant, comprendre i controlar la cinètica de cristal·lització permet optimitzar el disseny del procés i garantir la qualitat del producte final.

Existeixen diversos models emprats per caracteritzar la cristal·lització dels polímers, com els de Avrami, Šesták-Berggren i Lauritzen i Hoffman, però la seva aplicació pot resultar complexa degut a múltiples variables, com el tipus de polímer, la seva estructura i el seu pes molecular, la presència d’additius i el seu comportament tèrmic. El mètode NPK (Non Parametric Kinetics) va ser dissenyat el 1998 pel grup de recerca dels doctors J. Sempere i R. Nomen d’IQS. Aquest mètode permet extreure dades cinètiques de registres d’anàlisi tèrmica i de calorimetria, sense necessitat de suposar cap model per a la funció de temperatura ni per a la funció de conversió. Aquest mètode, però, no havia estat utilitzat mai en un procés de cristal·lització de polímers en condicions de refredament, fins ara.

La Dra. Frida Yolanda Monzón de Calles va defensar recentment la seva tesi doctoral a IQS, sota el títol Determinació de la cinètica de cristal·lització de polímers amb el mètode NPK, la qual va ser dirigida per la Dra. Rosa Nomen Ribé, catedràtica emèrita d’IQS, i per la Dra. Mª Dolores Rovira de la Universidad Centroamericana UCA ‘José Simeón Cañas’ del Salvador.

L’objectiu d’aquesta tesi ha estat determinat l’aplicabilitat del mètode NPK al procés de cristal·lització de polímers emprant les dades obtingudes mitjançant calorimetria diferencial de rastreig (DSC), utilitzat en modus dinàmic.

Al Laboratori de Polímers de la UCA, la Dra. Monzón va aplicar el mètode NPK per determinar la cinètica de cristal·lització de diferents polímers comercials, com són el polipropilè isotàctic (i-PP), el polietilè d’alta densitat (HDPE), el polietilè de baixa densitat (LDPE), el polietilè lineal de baixa densitat (LLDPE), el polietilè tereftalat reciclat (rPET) i el poliàcid làctic (PLA). En cada cas, es van avaluar les conversions i es van obtenir les corresponents equacions que determinaven els règims de cristal·lització.

Així, els vectors u i v obtinguts, que representen la funció de conversió i la funció de temperatura respectivament, responen, a més, a models cinètics clàssics com les equacions de Šesták-Berggren i Avrami, així com el model de Lauritzen i Hoffman, i contenen prou informació per reproduir les corbes de cristal·lització experimentals obtingudes per DSC.

Els resultats obtinguts en aquesta recerca demostren que el mètode NPK és capaç de reproduir amb gran precisió les corbes calorimètriques de cristal·lització obtingudes per DSC (calorimetria diferencial de rastreig), amb errors relatius mitjans compresos normalment entre un 3 i un 5% i sempre inferiors al 10%.

A partir dels resultats obtinguts en la recerca de la Dra. Monzón, es pot afirmar que el mètode NPK és una eina potent per al disseny i optimització de processos en la indústria de polímers, sent una aportació molt important i útil per a les empreses del Salvador.

Publicacions relacionades

Monzón F., Rovira M.D., Sempere, J., Nomen, R., Application of the NPK Method in the Crystallization Kinetics of High-Density Polyethylene, 2024, Afinidad IQS, 81, 601, 25-31.

Monzón F., Rovira M.D., Sempere, J., Nomen, R., Determination of crystallization kinetics of the polyethylene with the NPK method. 2024, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 150, 6709-6715.

Monzón F, Rovira MD, Sempere J, Nomen R. Determination of polymer crystallization kinetics with the NPK method., 2022, J Therm Anal Calorim, 147:10089–93.

Aquesta tesi ha estat realitzada gràcies a les ajudes a la recerca de la universitat UCA i al suport d’IQS durant les estades de la Dra. Monzon a Barcelona.