Procesamiento de materiales compuestos Parte 2

EXTRUSIÓN

En extrusión, las materias primas en forma de partículas, gránulos o polvo termoplástico se colocan en una tolva y se alimentan al barril (cañón) del extrusor. Este barril contiene un tornillo que mezcla las partículas y las transporta por el barril. La fricción interna debido a la acción mecánica del tornillo, junto con calentadores que rodean al barril del extrusor, hace calentar las pastillas y las licua. También, la acción del tornillo hace aumentar la presión en el barril.

El diseño de un tornillo de extrusora es un problema técnico complejo. Básicamente, el tornillo consiste de 3 secciones:

a)      Una sección de alimentación que transporta el material de la zona de la tolva a la región central del barril.

b)      Una sección de fusión, o transición, donde el calor generado por el cizallamiento del plástico, y por los calentadores, hace que inicie la fusión.

c)      Una sección de bombeo, donde aumenta el cizallamiento y la fusión, con el incremento de  presión en la matriz o dado.

La función de la sección fundido es transportar el pellet solido desde el hopper y convertirlo en polímero fundido. Su análisis involucra la combinación de mecánica del sólido y fluidos y transferencia de calor. La sección de compresión, en la cual la altura de los filetes disminuye, se diseña para compactar y mezclar el polímero fundido para proveer un fundido más o menos homogéneo a la zona de dosificación. Dicha zona tiene por función bombear el polímero fundido a través del cabezal (die).

Análisis de la sección de dosificación es una aplicación interesante de los principios de reología. Sin embargo, la determinación de la cross sección deseada es un proceso de prueba y error.

El material polimérico es provisto por medio de una tolva  en un extremo de la máquina y debido a la acción de empuje se funde, fluye y mezcla en el cañón y se obtiene por el otro lado con un perfil geométrico preestablecido. Dado que el abastecimiento es continuo, se puede extruir productos largos, como por ejemplo varillas solidas, tubos, marcos de ventana, perfiles arquitectónicos y láminas.

Los conductores eléctricos, cables y bandas cubiertas de plástico se extruden y recubren con este proceso. El alambre se alimenta a la abertura del dado una velocidad controlada, con el plástico extruido para producir un recubrimiento uniforme.

Las partículas (“pellets”) se fabrican por extrusión. En este caso, el producto extruido es una varilla de diámetro pequeño que se corta en tramos pequeños a medida que se extrude. Con algunas modificaciones se pueden usa los extrusores como fundidores sencillos para otros métodos de conformación, como moldeo por inyección o moldeo por soplado.

Se deben controlar los parámetros de proceso, como la rapidez del tornillo extrusor, temperatura de la pared del barril, diseño del dado u velocidad de enfriamiento y estirado, para obtener producto con precisión dimensional uniforme. Para eliminar la resina no fundida o congelada por filtración, se suele colocar una tela metálica justo antes del dado y se cambia en forma periódica.

En general se especifican los extrusores por el diámetro D de su barril o cañón y la relación de longitud a diámetro (L/D) del mismo. Las unidades comerciales son de 25 a 200 mm de diámetro y las relaciones L/D son de 5 a 30. Los costos de un equipo de extrusión pueden ser del orden de 300.000 dólares. Se requieren grandes corridas de producción para justificar estos gastos.

 

Extrusión de láminas y películas

Las láminas de polímero se pueden producir usando un dado plano de extrusión. El polímero se extrude forzándolo a pasar a través de un dado de diseño especial, después de los cual la lamina extruida es tomada primero por rodillos enfriados por agua después por un par de rodillos de tensión, cubiertos de hule.

Las películas delgadas de polímero, y las bolsas de plástico, se fabrican con un tubo producido en un extrusor. En este proceso (película soplada), un tubo de pared delgada se extrude verticalmente hacia arriba, y después se infla como un globo soplando aire por el dentro de la hilera de extrusión hasta llegar al espesor deseado en la película. El globo se enfría casi siempre con aire en un anillo de enfriamiento que lo rodea, que también puede ser una barrera para evitar una mayor expansión del globo, controlando sus dimensiones.

El polvo es conducido por el tubo calentado eléctricamente por un tornillo rotante. Este se funde y luego es forzado a través de un cabezal, el cual le da la forma final. Extrusoras con venteo incorporan una sección en la cual se aplica vacío al fundido para remover volátiles tales como trazas de monómeros que no reaccionaron, humedad, solventes del proceso de polimerización y productos degradados.

El polímero fundido se suele hinchar luego de salir del cabezal (recuperación de energía elástica almacenada), y el grado de hinchamiento no puede ser predicho confiablemente. Además, cuando la velocidad de extrusión es alta, el extrudado comienza a exhibir rugosidad, e irregularidades. Este fenómeno es conocido como melt fracture.

La extrusora de simple tormillo depende de sus capacidades de bombeo sobre el flujo de arrastre del material entre el tornillo y el barril estacionario. Como consecuencia, hay un bombeo de desplazamiento no positivo y tiende a aumentar la distribución en tiempos de residencias.

Las extrusoras de doble tornillo contrarrotantes son bombas de desplazamiento positivo, capaz de generar altas presiones necesarias en aplicaciones de ciertos perfiles. Extrusoras de doble tornillo co-rotantes tiene un excelente mezclado y una distribución de tiempos de residencia., aunque no bombee un desplazamiento positivo.

En una operación en estado estacionario, toda la energía necesaria para plastificar el polímero es provista por un motor a través de la disipación de energía viscosa. Los calentadores de los extrusoras son principalmente para arrancar y porque no siempre hay suficiente calor  proveniente de las zonas de compresión y dosificación.

Un balance de energía en estado estacionario de una extrusora en operación es la siguiente: energy input: a) disipación energía viscosa: 90%, b) calentadores: 10%; energy output: a) aumento de entalpía de polímeros: -65%, b) pérdida al ambiente: -15%, c) agua enfriamiento: -20%.

 

A continuación de que el material sale por el dado, el plástico extruido se enfría, sea exponiéndolo al aire o pasándolo por n canal lleno de agua. Es importante controlar la rapidez y la uniformidad del enfriamiento, para reducir al mínimo la contracción y la distorsión del producto.

     Sábado 08 de Agosto de 2020