EXTRUSION DE MATERIALES PLASTICOS II

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Introducción

La extrusión es uno de los métodos más antiguos para dar forma a los materiales plásticos con perfiles relativamente sencillos.
Es un proceso por compresión en el cual se fuerza al material a fluir a través del orificio de un dado para generar un producto largo y continuo cuya forma de la sección transversal queda determinada por la forma de la boquilla.
Dentro de la conformación de polímeros, la extrusión se usa ampliamente con termoplásticos y elastómeros, pero rara vez con termofijos, para producir masivamente artículos como tubos, ductos, láminas, películas, recubrimientos de alambres y cables eléctricos, perfiles estructurales como molduras de ventanas y puertas.
Para este tipo de productos, la extrusión se lleva a cabo con un proceso continuo; el producto se extruye y se corta inmediatamente en las longitudes deseadas.
Con la extrusión se realiza el mayor volumen de producción de polímeros, ya que no se usa solamente para la producción de barras, tubos, láminas y películas en materiales termoplásticos, sino también para el mezclado minucioso de todas las clases de plásticos y para la producción de gránulos; una diferencia importante con las extrusoras de metales es el uso de extrusores de tornillo.

Dos son los métodos de extrusión utilizados industrialmente: a) el moldeo por extrusión en húmedo y b) el moldeo por extrusión en seco, continuo o caliente.
La extrusión en húmedo la practican solamente un número reducido de firmas, limitado a los compuestos de nitrocelulosa. La nitrocelulosa humedecida con alcohol se coloca en una mezcladora de acero junto con el disolvente y un plastificante; se pueden añadir color y pigmento, mezclando el conjunto hasta obtener una masa homogénea. El material se cuela, se seca al vacío para recuperar una parte del disolvente y, finalmente se amasa en cilindros diferenciales. El material plástico se muele hasta que adquiera una consistencia semejante a la de jalea para ser moldeado por extrusión hidráulicamente, formando varillas y tubos, o también en una forma más dura que se pueda cortar en tiras para la máquina de extrusión del tipo de tornillo. En el comercio norteamericano, la máquina hidráulica se conoce con el nombre de embutidora, y el de tipo tornillo con el de “screw machine”.

El moldeo por extrusión en seco, continuo o caliente, utiliza polvos de moldeo termoplástico y máquinas de extrusión relativamente pequeñas, de un modelo usado antes para otros materiales, principalmente el caucho. Muchas de las distintas etapas de éste procedimiento están sujetas a regulación, ésta forma de extrusión no está normalizada.

EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EXTRUSIÓN DE PLÁSTICOS

Las extrusoras más utilizadas, según la presión necesaria para hacer pasar el plástico fundido a través de la boquilla son:

a) Extrusoras de desplazamiento positivo:
- Extrusoras de pistón
- Bombas de extrusión (bombas de engranaje)

b) Extrusoras de fricción viscosa:
- Extrusora de tambor rotatorio
- Extrusora de rodillos
- Extrusora de tornillo

Características de las extrusoras.

Extrusoras de pistón.- Estas máquinas constan de un cilindro que posee elementos de calefacción, la materia prima desciende desde una tolva al interior del cilindro donde el material es plastificado. Éste es obligado a pasar a través de una boquilla, empujándolo con un pistón el cual es accionado por presión hidráulica o mecánica.
Las máquinas de un pistón producen piezas de longitud limitada, debido a la discontinuidad del proceso. Para fabricar perfiles continuos se utilizan las extrusoras de varios pistones

Bombas de extrusión.- Son bombas con algunos pares de engranajes que están acoplados y alojados en una carcasa; cuando se impulsa un engrane éste mueve el correlativo. El transporte del plástico se debe solo al empuje de los dientes sobre el material por el lado de la carcasa. El acoplamiento entre dientes aísla el lado de descarga a presión, del lado de succión. El flujo de material es proporcional a la frecuencia de rotación de los discos dentados obteniéndose así un flujo de material esencialmente constante.

Extrusoras de tambor rotatorio.- En esta máquina el material desciende por gravedad e ingresa por el émbolo hasta la cámara, la cual está formada por el tambor rotatorio y por el bastidor fijo o cuerpo estático.
El bastidor puede calentarse o enfriarse para controlar la temperatura. En la cámara el polímero es arrastrado por el cilindro rotor que lo pone en contacto con las paredes calientes del bastidor y con el material previamente fundido, con lo que se efectúa la plastificación.
La homogenización tiene lugar en la pequeña holgura radial entre el marco fijo y el cilindro que gira.
El plástico así fundido es separado del cilindro rotatorio mediante una pieza en forma de cuchilla; la fundición, bajo acción de las fuerzas tangenciales se mueve hacia la boquilla y la cruza.

Extrusoras de rodillos.- Consiste en dos rodillos horizontales cuyos ejes son paralelos entre sí, dichos cilindros son calentados por fuente externa y giran en sentido opuesto.
El polímero se alimenta por la parte superior de los rodillos, y al atravesar la holgura que existe entre estos es sometido a intensos esfuerzos de cizalla, a la vez se calienta y pasa fundido a la cámara inferior venciendo la presión creada en ésta y saliendo finalmente extruído por la boquilla. La cámara inferior consiste en unas placas laterales, apretadas firmemente a la superficie inferior de los rodillos, con lo cual se confina el polímero fundido, y éste no puede salir si no es a través de la boquilla.

Extrusora de tornillo.- Estas máquinas constan de un motor y un variador de velocidad para adecuar el giro del expulsor. El expulsor comprende un tornillo que rota dentro de una camisa calentada exteriormente.
El plástico en forma de gránulos, polvo o tiras, es alimentado constantemente desde una tolva situada sobre el cuerpo, el material pasa por un embudo al cilindro y a medida que avanza es calentado, mezclado y comprimido; y, cuando ha conseguido una consistencia moldeable, pasa a través de las boquillas u orificio formador.
La posición del cilindro y del tornillo es independiente en el proceso de extrusión. Por ello se utilizan las extrusoras verticales cuando se tienen espacios reducidos o cuando se requieren acoplar varias máquinas para elaborar productos constituidos por varios componentes.
Cuando se requiere una gran producción se utilizan extrusoras de varios husillos. La disposición y el número de dichos husillos es variada. En la mayoría de los casos los tornillos se encuentran mutuamente engranados, entrando las espiras de uno en el canal del otro, con lo que se logra el movimiento obligado del material y la autolimpieza de los husillos.

DEFECTOS GENERADOS EN EL PROCESO DE EXTRUSIÓN

Los productos de extrusión pueden sufrir numerosos defectos. Uno de los peores es la fractura de fusión, en la cual los esfuerzos que actúan sobre la fusión inmediatamente antes y durante el flujo, a través del dado, son tan altos que causan rupturas que originan una superficie altamente irregular.
Como se indica en la figura siguiente, la fractura de fusión puede ser causada por una aguda reducción en la entrada del dado que causan un flujo turbulento y rompe la fusión. Esto contrasta con el flujo laminar uniforme en el dado gradualmente convergente.

Fractura de la fusión, causada por flujo turbulento en la fusión a través de

una aguda reducción a la entrada del dado

Un defecto muy común en extrusión es la piel de tiburón, en la cual la superficie del  producto se arruga al salir del dado. Conforme la fusión atraviesa la abertura del dado, la fricción con la pared produce un perfil diferencial de velocidades a través de la sección transversal, lo que se puede observar en la figura siguiente. Esto ocasiona esfuerzos tensiles en la superficie del material que se estira para igualar el movimiento más rápido del núcleo central. Estos esfuerzos causan rupturas menores que arrugan la superficie.

Si el gradiente de velocidad se vuelve más grande, se forman marcas prominentes en la superficie que dan la apariencia de un tallo de bambú, que es el nombre como se conoce a este defecto más severo.

Perfil de velocidades de la fusión al fluir a través de la abertura del dado, el

cual puede conducir el defecto llamado piel de tiburón

Formación del tallo de bambú

Contracción del material

Las irregularidades en la pared de la máquina extrusora pueden crear tensiones en la pieza moldeada. Las zonas gruesas tardan más en enfriarse que las delgadas y pueden causar rechupados, así como contracción diferencial en los plásticos cristalinos. Por regla general los plásticos cristalinos moldeados por inyección tienen una alta contracción, mientras que los amorfos se contraen menos.
Se debe ejercer una presión para introducir el material por las zonas más estrechas, hecho al que se suma el problema de la contracción del material. Los polietilenos, los poliacetales, las poliamidas, los polipropilenos y algunos polivinilos se contraen de 0.50 a 0.76 mm tras el moldeo. Los moldes para éstos plásticos cristalinos y éstos amorfos deben dar cabida a la contracción del material.

MÁQUINA EXTRUSORA DE TORNILLO SIMPLE

Características principales

El polímero se alimenta en forma de gránulos, escamas o polvo. El material se calienta a medida que avanza a lo largo del tornillo y se transforma en un fluido muy viscoso hacia la parte media del tornillo.
El movimiento del tornillo genera sobre el fluido la presión necesaria para hacerle salir por la boquilla, en donde toma la forma deseada. Al salir de la boquilla el perfil extruido es enfriado, cortado o enrollado y almacenado.
A los extrusores alimentados con polímeros sólidos se los llama “extrusores plastificadores”, los cuales realizan las tres operaciones siguientes: transporte de sólidos, fusión o plastificación del polímero y, finalmente, el bombeo o dosificación del polímero fundido.
En extrusores de husillo simple, el polímero atraviesa 3 estados físicos: sólido, mezcla de material sólido con masa caliente y en el extremo del cabezal se transforma en material fundido.

Para que la zona de bombeo se llene totalmente con la fundición el volumen de la zona de transporte de sólidos debe ser mayor que el de la zona de bombeo. Este requisito se dicta por la diferencia entre el peso del material a granel (densidad esponjada) y el peso específico (densidad verdadera) de la fundición.
 

Para variar el volumen del canal se pueden tener 3 formas básicas del tornillo extrusor:
a) Tornillo de diámetro constante, pero con paso variable entre anillos.
b) Tornillo con diámetro variable, estrechándose hacia la salida.
c) Tornillo con espacios uniformes entre anillos y diámetros gradualmente descendentes (tornillo cónico).

La relación entre el volumen del canal en el largo de la primera espira en la zona de carga y el valor al final de la zona dosificadora se llama coeficiente de compresión.

TRANSPORTE DE SÓLIDOS

El transporte de sólidos tiene lugar en la primera zona del tornillo extrusor plastificador. Debajo de la tolva de alimentación el tornillo actúa como un elemento transportador en donde las partículas sólidas del polímero por acción de la pared conductora del roscado se trasladan a cierta distancia conservando su forma en el sector dado, las partículas individuales, idealmente siguen trayectorias rectas y paralelas al eje de tornillo.

ZONA DE PLASTIFICACIÓN
Es una zona en la cual coexisten polímero sólido y polímero fundido. La fusión del polímero es gradual. Los gránulos sólidos alimentados por la tolva se mueven hacia la boquilla atravesando primero la zona de transporte.
En cierto punto de ésta zona, los gránulos sólidos del polímero tocan la superficie caliente del cilindro, funden y forman una película de polímero fundido sobre la superficie del cilindro; durante ésta etapa del proceso la transferencia de calor es lenta, ya que la masa sólida porosa situada debajo de la película fundida ofrece un pobre paso para el flujo de calor.

Mecanismo de fusión en el canal del tornillo

Donde:
x: ancho de la capa sólida
w: ancho del canal
h: altura del filete
d: holgura radial

La superficie del cilindro se mueve respecto al tornillo (y respecto a la capa sólida) con lo que se crea un gradiente de velocidad en la película fundida situada entre la capa sólida y la superficie del cilindro. Así el polímero fundido en la película comienza a fluir hacia el filete que avanza y cuando lo encuentre, éste barre el fundido y lo separa del cilindro.
El polímero fundido se acumula en un pozo situado en la parte posterior del canal delante del filete que avanza. A medida que la capa sólida se desliza por el canal se va acumulando más material fundido en dicho pozo, el tamaño de éste aumenta, mientras que el ancho de la capa sólida va disminuyendo
Las partículas sin fundir son arrastradas por este flujo, se encuentran rodeadas de material fundido y caliente y funden con mayor rapidez. La transmisión de calor entre cilindro y fundido es buena debido al movimiento del fluido; una vez que se ha alcanzado éste estado, la fusión tiene lugar rápidamente.
La existencia de la capa sólida en forma de larga pieza helicoidal explica también la eliminación del aire atrapado entre las partículas. A medida que la capa sólida funde gradualmente en la interfase hay tiempo suficiente para que el aire atrapado entre las partículas escape hacia el exterior vía la tolva de alimentación del extrusor y el desgasificador.

ZONA DE BOMBEO
Conocida también como “zona de dosificación” es la zona en la cual, al flujo de material fundido se le pueden aplicar las leyes hidrodinámicas para líquidos viscosos.
El estudio se simplifica considerando tres tipos de flujos, estos son: el directo y el inverso o de retroceso a lo largo del canal helicoidal del husillo, y el correspondiente a las fugas de la masa que tienen lugar a través del ajuste entre las crestas de los filetes del husillo y la superficie interior del cilindro.
El flujo directo o flujo de fricción, es debido al rozamiento del material con el tornillo y con las paredes del cilindro. Este material está sometido a deformaciones por cizallamiento que las paredes del canal helicoidal transforman en movimiento de avance hacia la boquilla.
El caudal volumétrico del flujo directo viene determinado fundamentalmente por la profundidad y anchura del canal, diámetro del husillo y su velocidad de giro.
El flujo de retroceso, opuesto al anterior, es debido a la presión originada en la cabeza de la máquina extrusora, esta presión es generada por la presencia de una restricción, tal como la boquilla y los platos rompedores. Este flujo depende de la profundidad del canal helicoidal, del diámetro del tornillo, de la longitud del tornillo de extrusión, de la presión ejercida por la masa fundida sobre la cabeza extrusionadora y de la viscosidad del polímero.
El flujo de pérdidas, también opuesto al flujo de fricción, es creado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo. El flujo total está dado la suma algebraica de los tres flujos anteriores:

^{QTOTAL   = Q}FRICCIÓN   ^{- QRETROCESO  - Q}PÉRDIDAS

Si solamente existiera el flujo de fricción debido a que el material fundido en los canales del tornillo se adhiere a las paredes internas del cilindro y al propio tornillo en rotación, el perfil de velocidades sería aproximadamente lineal:

Flujo de fricción

El flujo de retroceso se origina por el gradiente de presión a lo largo del cilindro, este tiende a hacer fluir el material hacia atrás a lo largo del canal del tornillo.
El perfil de velocidades debido a este gradiente de presión se muestra en la figura siguiente, donde se observa que se opone al flujo de fricción.

 

Flujo de retroceso

 

El flujo de pérdidas lo despreciamos por ser mucho menor a los anteriores. Sumando algebraicamente los dos perfiles anteriores, obtenemos el flujo total del material a lo largo del tornillo:

Flujo total

Componentes
En las figuras 2 y 3 se muestran prensas extrusoras de tornillo simple típicas. A pesar de que con la instrumentación informatizada se ha perfeccionado el control del proceso, el diseño básico de las extrusoras de un solo tornillo no ha cambiado durante décadas. La medida de referencia de una máquina extrusora es el diámetro del tornillo, que en las máquinas pequeñas es de 19 mm y en las grandes de 300 mm. Las máquinas corrientes tienen un tamaño de 64 a 76 mm.

Fig. 2 Sección transversal de una prensa extrusora típica, con la boquilla hacia abajo

Fig. 3 Extrusora, con indicación de sus elementos

Además de por el diámetro del tornillo, las máquinas extrusoras se valoran en el mercado por la cantidad de material que pueden plastificar por minuto o por hora.
La capacidad de extrusión en el caso del polietileno de baja densidad puede oscilar entre menos de 2 kg y más de 5000 kg por hora.
Los tornillos se caracterizan por su relación L/D, de manera que una proporción 20:1 significa un diámetro de 50 mm y 1000 mm de longitud. Los tornillos cortos que tienen, por ejemplo, una relación L/D de 16:1, suelen ser apropiados para extruir perfiles; en cambio, los largos, de hasta 40:1, mezclan mejor los materiales. En la figura siguiente se muestran algunos diseños de tornillos.

 

Tornillos de extrusora típicos

La profundidad de canal del tornillo es muy pronunciada en la zona de alimentación para permitir su paso entre las granzas o pelets y otras formas de material y disminuye según se acerca a la zona de transición. De esta forma la reducción continúa, gracias a lo cual se favorece la expulsión del aire y la compactación del material. En la zona de dosificación, el dibujo en espiral superficial permite que se complete el fundido de los plásticos. En el extremo del tambor, una placa rompedora actúa como sello mecánico entre el tambor y la boquilla. Al mismo tiempo, la placa rompedora mantiene el paquete de filtros en la posición correcta. Varios tamices juntos se denominan paquete de filtro y sirven para eliminar trozos de material extraño. Cuando se obturan los filtros, aumenta la contrapresión.

La mayoría de las extrusoras están equipadas con un intercambiador de filtros.
El más típico consiste en una placa que se desplaza de un lado a otro. Al colocar un paquete de filtros en posición quedan expuestos los tamices contaminados.
Entonces, se retiran los tamices sucios y se instalan otros nuevos, de manera que el intercambiador queda preparado. Algunas máquinas están equipadas con una cinta continua de filtro (a veces giratoria) que se puede controlar automáticamente para mantener una presión de cabezal constante con independencia de los distintos niveles de contaminación del polímero y otras condiciones de la velocidad de flujo. Hoy por hoy, existen sistemas de filtros auto-limpiantes, que permiten un proceso continuo sin cambio de filtros o una mayor duración de los mismos.
Después de pasar por la placa rompedora y los filtros, el plástico fundido entra en la boquilla que es realmente la que conforma el plástico derretido a medida que va saliendo de la extrusora. La boquilla más simple es la que consiste en un solo ramal, por donde se extruye un hilo algo más grande que el diámetro de la boquilla. Las que constan de varios ramales crean varios hilos simultáneamente.
Pueden estar hechas de acero suave, aunque para series largas conviene que sean de acero de cromo-molibdeno. Con los materiales corrosivos se utilizan aleaciones inoxidables.
Se emplean radiadores eléctricos alrededor del cilindro para favorecer el fundido del plástico. Una vez que la extrusora haya combinado, mezclado y forzado el material por la boquilla, el calor de rozamiento producido por la acción del tornillo será suficiente para plastificar parcialmente el material. Se utilizan calefactores externos para mantener fija la temperatura una vez iniciado el proceso.

De acuerdo a las zonas por las que atraviesa el material, se tienen los siguientes componentes:

Componentes principales de una extrusora

Zonas por las que atraviesa el material

Tolva: Puede disponer de sistema de calefacción y/o secado para materiales higroscópicos.
Zona de alimentación: husillo cilíndrico. Se produce el transporte del material y se precalienta por el rozamiento entre granos.
Zona de compresión o plastificación: husillo troncocónico. La altura de los filetes del husillo se reduce progresivamente para compactar el material y expulsar el aire atrapado hacia la zona de alimentación.
Zona de dosificación o bombeo: husillo cilíndrico.
-Plato rompedor: placas perforadas + tamices metálicos.
-Boquilla o hilera: contiene torpedo para perfiles huecos.