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En estos tiempos donde constantemente observamos que las empresas
presentan una clara necesidad de
optimizar sus procesos con miras a lograr la permanencia
competitiva en sus respectivos mercados, resulta de vital
importancia el dominio y aprovechamiento de todas sus
capacidades. Por ello y con miras a fomentar procesos de
revisión y ajustes que favorezcan la productividad y
rentabilidad de empresas transformadoras de resinas a
continuación se presenta un resumen del proceso de
transformación de plásticos mediante la técnica de extrusión;
técnica ampliamente utilizada para el procesamiento de
poliolefinas. En
la actualidad es frecuente conseguir máquinas de
extrusión en líneas para el procesamiento y transformación
de poliolefinas. Se pueden mencionar líneas para la
fabricación de película tubular y plana, envases por soplado,
tuberías, perfiles, cables y láminas entre otras. Incluso en la
transformación de plásticos donde se utilizan técnicas de
moldeo por inyección, suelen emplearse máquinas de
extrusión en los sistemas de alimentación.
¿QUÉ ES LA TÉCNICA DE EXTRUSIÓN?
Es la técnica de procesamiento bajo
la cual, la resina, generalmente en estado sólido (polvo, granos), es
alimentada a través de una tolva y posteriormente transportada a lo
largo de un tornillo donde lentamente resulta compactada, fundida,
mezclada y homogeneizada para finalmente ser dosificada a través de
una boquilla conformadora responsable de proporcionarle, de manera
continua, el perfil y/o la forma deseada en el producto final.
Es conveniente mencionar que en oportunidades la alimentación de
resinas puede ser efectuada en estado líquido (fundido), siendo ello
frecuente en los procesos de síntesis de resinas.
CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA DE EXTRUSIÓN
Las partes de una máquina de extrusión se
mencionan a continuación:
El Extrusor:
En términos generales resulta un equipo de transformación, responsable
del transporte, la compactación, la fusión, el mezclado, la
homogeneización, la plastificación y el conformado de las resinas
plásticas en él procesadas.
Entre los diferentes tipos de extrusoras las de tornillo
(extrusoras continuas), resultan las más frecuentemente
utilizadas. Estas se encuentran constituidas por uno o
múltiples tornillos según los requerimientos propios del
proceso.
El diámetro de la extrusora es uno de los
parámetros de peso para la determinación de su capacidad en el
procesado de resinas. Las extrusoras comerciales suelen tener
diámetros de 1 a 12 pulgadas (3), 24 L/D (relación longitud/diámetro)
o más, con lo cual es posible procesar hasta 10 ton/hr de polímero.
En el siguiente esquema se presentan los
elementos más importantes de una extrusora de resinas:
Figura 1. Esquema de una
extrusora monotornillo.
1.-Tolva de alimentación 2.-Tornillo de extrusión
3.-Barril o cilindro
4.-Bandas de calefacción
5.-Ventiladores
6.-Banda de enfriamiento
7.-Motor.
La Tolva de
Alimentación:
Es el reservorio encargado de la alimentación de la resina a la
extrusora. Aunque muy sencillo su diseño, este resulta de suma
importancia; la tolva es el componente de la línea de extrusión de
mayor simpleza pero no por esto su diseño debe menospreciarse. La fase
de alimentación repercute directamente en la efectividad del proceso.
Una alimentación inapropiada puede ocasionar mermas en la
productividad de la línea, generadas por inestabilidades en el flujo,
Generalmente, el volumen de la tolva debe ser proporcional a la
capacidad de producción de la extrusora garantizando en todo momento
una alimentación constante. En toda alimentación se debe buscar
eliminar la posibilidad de formación de "puentes de resina" en la
tolva (ver figura 2) ya que esto resulta una fuente generadora de
inestabilidades de flujo en el proceso.
Figura 2.
Tolva de donde se ha formado un puente de
alimentación de resina.
Como regla práctica el
diámetro de salida de la tolva suele tener un ancho equivalente al
diámetro del tornillo de la extrusora, y un largo de 1.5 a 2.0 veces
el diámetro. La mayor parte de las tolvas de alimentación incluyen una
trampa magnética; la cual no es más que una rejilla formada por barras
imantadas. Esta trampa se coloca con el propósito de impedir el paso
al tornillo de elementos metálicos que puedan dañarlo, como por
ejemplo: grapas, tuercas, tornillos, arandelas, etc.
El Tornillo de Extrusión:
Es el elemento mecánico responsable de las
operaciones de transporte, fusión y bombeo o dosificación de la
resina. El tornillo de extrusión puede seccionarse de la manera
siguiente:
Figura 3. Esquema de un tornillo simple de
extrusión.
Requerimientos de la Zona de Transporte:
Buscando maximizar la alimentación de resina a la extrusora y con ello
su productividad, el diseño de los tornillos de extrusión presenta en
la zona de transporte la mayor profundidad de canal (mayor volumen).
Uno de los requerimientos más importantes que debe satisfacer todo
tornillo en la zona de alimentación o transporte es tener una
superficie sumamente lisa e incluso pulida de ser necesario, pues de
esta manera se favorece la adhesión de la resina a la superficie del
barril o cilindro de la extrusora y no al tornillo, permitiendo así un
transporte
de resina más eficiente.
En la medida que el material avanza a lo largo de la zona de alimentación,
comienza a ser compactado y calentado. Dos mecanismos son responsables
de este calentamiento. El primero de ellos es debido a los efectos de
fricción, mientras que el segundo es debido a la conducción de calor
desde las bandas de calentamiento del barril. Se ha determinado que de
un 80 a 90% del calor transmitido al polímero proviene de los efectos
de fricción, o calentamiento por conversión de la energía mecánica.
Requerimientos de la Zona de Fusión:
El inicio de la fusión evidencia el paso de la resina a la segunda
zona del tomillo de extrusión (zona de fusión). Debido a que durante
la fusión del material se produce un incremento de su densidad
aparente, (producto de la reducción de los intersticios entre
partículas sólidas presentes), en la zona de fusión el tomillo
presenta una progresiva reducción del canal (menor volumen), ver
figura 3
Generalmente el inicio de la fusión ocurre a poca distancia de
la tolva y se extiende hasta aproximadamente el 50-60% de la longitud
de la extrusora.
El proceso de fusión de resina no está totalmente entendido; existen
varias teorías que tratan de explicar su evolución. La teoría más
aceptada es el modelo plastificante de Tadmor.
En forma muy resumida, el modelo de Tadmor explica el proceso de
fusión del polímero en una extrusora del modo
siguiente:
Dado que la mayor generación de calor en el proceso se origina en la
interface barril - lecho de polímero sólido, las primeras trazas de
fundido tienden a aparecer en la cercanía del barril. Producto de su
mayor movilidad, este material fundido, busca llenar los intersticios
presentes en la resina sólida, solidificándose nuevamente en su
trayectoria.
La migración de material fundido hacia los intersticios hace que el
material sólido constantemente se encuentre expuesto a la pared del
barril, propiciando así la formación de un ciclo:
sólido-fundido-sólido. Este no logra mantenerse en equilibrio durante
un largo tiempo por causa del aumento de temperatura generada por la
fricción, ello hace que finalmente se origine una pequeña película de
fundido que queda, de modo permanente en la parte superior del canal,
cubriendo la interfase barril / lecho sólido.
Esta película de fundido crece en espesor y, una vez alcanzada una
altura mayor que la claridad entre el filete y el barril, comienza la
formación de un depósito de fundido ubicado entre el lecho sólido y el
flanco activo del filete. Esta situación se muestra en la figura 4.
Figura 4. Modelo plastificante de
Tadmor.
Resulta difícil establecer con precisión
dónde se inicia la fusión, ya que rara vez coincide con el sitio donde
se alcanza la temperatura de fusión del polímero en el barril. A
medida que el polímero avanza dentro del tornillo, el lecho sólido se
reduce hasta finalmente perder su integridad desapareciendo en el
lecho de fundido.
¿Cuál debería ser la longitud de la zona de fusión y plastificación?
En una extrusora bien operada, se desea que la zona de fusión sea lo
más corta posible. Ello reducirá el consumo de energía, permitirá un
buen mezclado, y evitará la presencia de sólidos en la boquilla, entre
otros beneficios.
La longitud de plastificación depende de tres factores: el diseño
geométrico del tornillo, las propiedades del material y las
condiciones de operación.
Los diseños actuales de tornillos están hechos de modo que puedan
manejar una diversidad de materiales adecuadamente, por lo que la
selección del tornillo no debe representar mayores inconvenientes.
Entre las alternativas de diseño geométrico más empleadas
para la reducción de la zona de fusión se encuentran las zonas tipo
Maddoc, Troester y los tornillos barrera (ver figura 5).
Figura 5. Sección Mezcladora tipo:
a: Maddoc, b: Troester, c: Barrera o doble
filete
Una vez que la masa de polímero se
encuentra 100% en estado líquido o fundida, pasa a la zona de
dosificación o bombeo.
Requerimientos de la Zona de
Dosificación:
El diseño del tornillo en la zona de bombeo debe garantizar además de
un buen mezclado, la generación de la presión necesaria para que la
masa líquida de polímero pueda atravesar las restricciones del cabezal
y la boquilla, a una velocidad constante. Generalmente la zona de
dosificación o bombeo tiene un volumen de canal constante. El
creciente desarrollo de la tecnología de transformación de los
polímeros ha permitido la presencia de diferentes dispositivos que
favorecen el mezclado homogéneo. Estos dispositivos suelen tener
diseños dirigidos a permitir modificar el frente de flujo del polímero
que se desplaza por el canal del tornillo promoviendo su mezcla. El
mecanismo más frecuentemente utilizado se basa en la interrupción del
filete del tornillo e incluso mediante la desaparición total del mismo
(situación que tiene lugar en los tornillos con "puntas de amasado",
(ver figura 6).
Figura 6. Tornillos con punta de
mezclado distributivo y de amasado
a: Filete discontinuo, b: Pines de mezclado, c: Punta amasadora, d:
Anillo de Retención.
El conocimiento en detalle de las
características geométricas
del tornillo utilizado, hace posible un mayor dominio de la
técnica logrando con ello efectividad en el proceso; portal
razón resulta importante conocer los principales parámetros
empleados en la caracterización geométrica de cualquier
tornillo de extrusión, ver figura 7.
Figura 7. Parámetros empleados para
la descripción general de la geometría de un tornillo de extrusión.
D: Diámetro, P: Paso de ancho de canal, A:
Ancho del Filete, H: Altura del canal, a: Angulo de la hélice.
En el caso de las poliolefinas los
tornillos de extrusión suelen tener las siguientes características
geométricas (5):
a) Longitud total del tornillo 20 a 30D (más común 28D). b) Longitud
de la zona de alimentación 4 a 8 D.
c) Longitud de la zona de transición 6 a 10 D.
d) Número de hélices paralelas: 1.
e) El paso es igual al diámetro (tornillo de paso cuadrado).
f) El ángulo de la hélice es de 17.66 grados.
g) Ancho del filete 0.1 D.
h) Profundidad de canal en la zona de alimentación
0.10a0.15D.
i) Relación de compresión 3 a 4.
Figura 8. Características geométricas
generales de los tornillos de extrusión de poliolefinas.
Otro parámetro geométrico de suma
importancia es la tolerancia entre el tornillo y el cilindro de la
extrusora. En el procesamiento de poliolefinas, es usual conseguir
tolerancias tornillo- cilindro comprendidas entre 0.00075 pulgadas y
0.002 pulgadas de radio (4). Tolerancias inferiores a este límite
(-0.00075) podrían producir un elevado consumo eléctrico por parte del
motor; mientras que tolerancias mayores (-0.002) podrían originar
mayor tiempo de residencia de la resina y con ello causar su
degradación.
El cálculo del caudal de producción de una extrusora suele
ser complejo, en este se encuentran involucrados una serie
de parámetros, algunos de los cuales son, actualmente,
indeterminables experimentalmente.
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