Amasado

El objetivo fundamental de la etapa de amasado es lograr una mezcla íntima entre los distintos componentes del material compuesto, matriz polimérica y fibras de celulosa. Durante la etapa de amasado las fibras de celulosa van a estar expuestas a un proceso de degradación mecánica, también conocido como atrición de las fibras. Por tanto, en esta etapa se trata de conseguir una buena dispersión de las fibras en el seno de la matriz polimérica con el menor grado de degradación mecánica del refuerzo posible.

Existen varios tipos de equipos comerciales utilizados con el objetivo de lograr el amasado de materiales compuestos. Los mezcladores internos discontinuos, las extrusoras de

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husillo simple y las extrusoras de doble husillo son los equipos más habituales. En el presente trabajo, la etapa de amasado se llevó a cabo en una extrusora modular co-rotante de doble

husillo engranado, marca BERSTORFF. El empleo de este tipo de extrusora presenta una serie

de ventajas:

•Los esfuerzos de cizalla a los que son sometidas las fibras durante el procesamiento son

menores, con lo que el grado de atrición de las fibras también es inferior. Además, como los husillos giran en el mismo sentido, se produce un cambio en la dirección del flujo del fundido cuando éste pasa de un husillo a otro, de forma que se está regenerando de una manera continua la superficie de contacto entre el polímero, las fibras y los aditivos.

•No existe prácticamente volumen muerto en la cámara de plastificación debido a que los

dos husillos se encuentran perfectamente engranados.

•No existe una acumulación de material en la zona de engranaje de los husillos, lo que permite operar a velocidades de giro de los husillos elevadas. En el caso de las extrusoras de doble husillo contra-rotantes, en las que los husillos giran en sentidos contrarios, se produce una acumulación de material en la zona de engranaje de los dos husillos, que da lugar a un incremento de presión en esa zona que imposibilita operar a velocidades de giro elevadas.

•Las extrusoras presentan la ventaja de poseer puertos de desgasificación para la

eliminación de volátiles, reduciéndose la degradación del producto.

•Por otro lado, las extrusoras de doble husillo permiten realizar la operación de una forma

continua, mientras que en el caso de los mezcladores internos discontinuos la operación sería por cargas o en discontinuo. Los mezcladores internos permiten lograr una buena dispersión del refuerzo en el seno de la matriz termoplástica, pero a costa de elevados esfuerzos de cizalladura, lo que puede ocasionar una atrición del refuerzo excesivamente grande, reduciéndose las propiedades mecánicas del material compuesto finalmente obtenido (Charro, 2000).

La extrusora co-rotante de doble husillo utilizada en el procesamiento de los materiales compuestos está formada esencialmente por un motor que hace girar a los dos husillos, los cuales se encuentran perfectamente engranados, en el interior de una cámara de calefacción. El equipo dispone de una entrada de alimentación vertical con una tolva al principio de la cámara de calefacción, por donde se han dosificado el polímero y el agente de acoplamiento AA, en los

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materiales en los que fue adicionado. La extrusora posee, además, dos puertos de alimentación laterales, cuya posición a lo largo de la cámara de calefacción se puede modificar debido al carácter modular de la misma. Ambos puertos llevan acoplados sendos alimentadores laterales que permiten la incorporación de materias primas al interior de la extrusora. A través de uno de estos puertos fueron alimentadas tanto las fibras de pasta de celulosa blanqueada sin el agente de acoplamiento PEI-2 como las impregnadas con el mismo, en los materiales en los que fue empleado, pues como se describe en el apartado 2.1.3, este agente de acoplamiento fue aplicado directamente sobre las fibras de celulosa de forma previa a la etapa de amasado.

El giro de los husillos permite el avance del material compuesto a lo largo de la cámara de calefacción. Al final de la misma se encuentra una boquilla capilar de la que salen tres cordones de material compuesto que, posteriormente, se enfrían con agua y se grancean. La granza de material compuesto obtenida se seca en una estufa de convección forzada.

Una de las características más interesantes de la extrusora co-rotante de doble husillo empleada durante el proceso de amasado es el carácter modular no sólo de la cámara de calefacción, sino también de los husillos. Así, los husillos están formados por una serie de elementos individuales con diferente geometría, que se montan a lo largo de un eje o mandril en la secuencia deseada. Los elementos de husillo deben ser montados de forma que sean los adecuados para la zona de los husillos en la que se encuentren. A lo largo de los husillos se van a distinguir las siguientes zonas (García, 2007):

1. Zona de alimentación de la granza de polímero.

2. Zona de transporte de la granza de polímero.

3. Zona de plastificación o fundido del polímero.

4. Zona de mezcla del polímero con las fibras de refuerzo y aditivos.

5. Zona de desgasificación.

6. Zona de bombeo o presurización del material compuesto fundido.

Los elementos de husillo más frecuentes son los elementos de transporte de avance, los elementos de retroceso, los elementos de amasado y los elementos dentados, los cuales se muestran en la Fig. 20. Las características más importantes de cada uno de ellos se indican a continuación:

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•Elementos de transporte de avance. Se utilizan fundamentalmente en las zonas de

alimentación de sólidos debido a su elevada capacidad para recoger material. Cuanto mayor sea su paso, mayor será dicha capacidad. También se emplean en la zona de compresión o bombeo, donde se suelen emplear elementos de transporte de paso pequeño para generar la presión suficiente para que el fundido fluya a través de la boquilla, siendo el grado de llenado, en la zona de los husillos próxima a la boquilla, del 100 %.

•Elementos de retroceso. Estos elementos pueden ser tanto de transporte, como de

amasado o dentados. Dan lugar a un retroceso del flujo, lo que resulta muy beneficioso al final de la zona de plastificación y al final de las zonas de mezclado. En el primer caso, sirven como barrera para el material que aún no se ha fundido, mientras que en el segundo caso permiten aumentar el tiempo de residencia del material en la zona de mezclado, contribuyendo a mejorar el grado de mezcla entre los distintos componentes. Debido a la contrapresión que generan, también se emplean inmediatamente antes del puerto de desgasificación, pues facilitan la eliminación de los volátiles.

•Elementos de amasado. Se utilizan, fundamentalmente, en las zonas de plastificación y

de mezcla y, muy frecuentemente, aparecen combinados con elementos dentados. Favorecen especialmente el proceso de mezclado dispersivo o intensivo.

•Elementos dentados. Al igual que los anteriores, se emplean frecuentemente en las zonas

de plastificación y mezcla. Su empleo favorece el mezclado distributivo o de menor intensidad.

(a) (b) (c) (d)

(a) (b) (c) (d)

Fig. 20. Elementos de husillo más comunes empleados en la configuración de los husillos. a) Elemento de transporte de avance. b) Elemento de retroceso. c) Elemento de amasado. d) Elemento dentado.

En el presente trabajo se han propuesto tres configuraciones de husillo diferentes, denominadas C1, C4 y C5, las cuales se diferencian entre sí en los elementos de husillo

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empleados en las zonas de mezcla y en el punto de alimentación de las fibras de pasta de celulosa blanqueada a la extrusora. Se ha pretendido estudiar el grado de atrición producido sobre las fibras de refuerzo durante el procesamiento de los materiales compuestos por las distintas configuraciones, así como estudiar el efecto del distinto grado de mezcla promovido por cada una de las configuraciones sobre las propiedades de los materiales compuestos. Las principales características de las configuraciones se indican a continuación:

•Configuración 1 (C1). Presenta dos zonas de mezclado, una predominantemente

dispersiva situada muy próxima al punto de alimentación de las fibras de pasta de celulosa y otra fundamentalmente distributiva situada justo antes de la zona de desgasificación.

•Configuración 4 (C4). Al igual que la anterior presenta dos zonas de mezclado, pero éstas

están configuradas de forma que el grado de mezcla distributivo producido sea mayor y el grado de mezcla dispersivo menor que los promovidos por la configuración C1.

•Configuración 5 (C5). La principal diferencia de esta configuración con respecto a las

anteriores es que el punto de alimentación de las fibras se encuentra más próximo a la boquilla de la extrusora, de forma que la longitud de los husillos recorrida por las fibras durante el procesamiento es menor. Por esta misma razón, esta configuración sólo presenta una zona de mezcla, justo antes del puerto de desgasificación, idéntica a la segunda zona de mezcla de la configuración C1.