Determinación de la cinética de cristalización de polímeros con el método NPK

El proceso de enfriamiento de objetos con material polimérico es un proceso crucial en la definición de sus propiedades finales.  Variables como la velocidad de enfriamiento, el tiempo y la temperatura influyen de forma determinante en la cristalización del polímero. Por tanto, comprender y controlar la cinética de cristalización permite optimizar el diseño del proceso y garantizar la calidad del producto final.

Existen diversos modelos empleados para caracterizar la cristalización de los polímeros, como los de Avrami, Šesták-Berggren y Lauritzen y Hoffman, pero su aplicación puede resultar compleja debido a múltiples variables, como el tipo de polímero, su estructura y peso molecular, la presencia de aditivos y su comportamiento térmico. El método NPK (Non Parametric Kinetics) fue diseñado en 1998 por el grupo de investigación de los doctores J. Sempere y R. Nomen de IQS. Este método permite extraer datos cinéticos de registros de análisis térmico y de calorimetría, sin necesidad de suponer ningún modelo para la función de temperatura ni para la función de conversión. Sin embargo, este método no se había utilizado nunca en un proceso de cristalización de polímeros en condiciones de enfriamiento, hasta ahora.

La Dra. Frida Yolanda Monzón de Calles defendió recientemente su tesis doctoral en IQS, bajo el título Determinación de la cinética de cristalización de polímeros con el método NPK, la cual fue dirigida por la Dra. Rosa Nomen Ribé, catedrática emérita de  IQS y por la Dra. Mª Dolores Rovira de la Universidad Centroamericana UCA ‘José Simeón Cañas’ de El Salvador.

El objetivo de esta tesis era determinar la aplicabilidad del método NPK al proceso de cristalización de polímeros utilizando los datos obtenidos mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) empleado en modo dinámico.

En el Laboratorio de Polímeros de la UCA, la Dra. Monzón aplicó el método NPK para determinar la cinética de cristalización de diferentes polímeros comerciales, como son el polipropileno isotáctico (i-PP), el polietileno de alta densidad (HDPE), el polietileno de baja densidad (LDPE), el polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), el polietileno tereftalato reciclado (rPET) y el poliácido láctico (PLA). En cada caso, se evaluaron las conversiones y se obtuvieron las correspondientes ecuaciones que determinaban los regímenes de cristalización.

Así, los vectores u y v obtenidos, que representan la función de conversión y la función de temperatura respectivamente, responden, además, a modelos cinéticos clásicos como las ecuaciones de Šesták-Berggren y Avrami, así como al modelo de Lauritzen y Hoffman, y contienen suficiente información para reproducir las curvas de cristalización experimentales obtenidas por DSC.

Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran que el método NPK es capaz de reproducir con gran precisión las curvas calorimétricas de cristalización obtenidas por DSC (calorimetría diferencial de barrido), con errores relativos medios comprendidos normalmente entre un 3 y un 5 % y siempre inferiores al 10%.

A partir de los resultados obtenidos en la investigación de la Dra. Monzón, se puede afirmar que el método NPK es una herramienta potente para el diseño y optimización de procesos en la industria de polímeros, siendo una aportación muy importante y útil para las empresas de El Salvador.

Publicaciones relacionadas

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.

Esta tesis doctoral se ha realizado gracias a las ayudas a la investigación de la universidad UCA y al soporte de IQS durante las estancias de la Dra. Monzón en Barcelona.