6.2. Extrusión
6.2.0. Introducción
Descripción de una extrusora de husillo único:
También existen extrusoras de dos husillos y otras configuraciones. Zonas por las que pasa el material:
0. Tolva (hopper). Puede disponer de sistema de calefacción y/o secado para materiales hisgroscópicos.
1. Zona de alimentación (feed zone): husillo cilíndrico. Se produce el transporte del material y se precalienta por el rozamiento entre granos. 2. Zona de compresión o plastificación (compression zone): 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.
3. Zona de dosificación o bombeo (metering zone): husillo cilíndrico. 4. Plato rompedor (breaker plate): placas perforadas + tamices
metálicos.
• El cilindro puede contener venteos para eliminar los productos gaseosos.
• Típicamente: ~10 -1000 kg/h. Velocidad: ~50 – 150 rpm. Consumo: 0,1 – 0,2 kwh/kg.
• Regulación de la temperatura: con resistencias y/o circuitos de aceite.
• Superficie interna del cilindro resistente a la corrosión y la abrasión: acero nitrurado o alto contenido en Cr.
• Hay dos tipos de extrusoras de dos husillos:
o Giro de los husillos en sentido contrario: mezcla esencialmente en la zona central del ocho. Menor calentamiento. Apropiadas para PVC. o Giro en el mismo sentido. Mayor cizalla y calentamiento. Apropiadas
para poliolefinas.
6.2.1. Principios
de
funcionamiento de las extrusoras monousillo:
zona de bombeo
• Modelo para el flujo en la zona de bombeo:
o Análisis del canal entre los filetes del husillo:
o Análisis del flujo en el canal entre los filetes del husillo (modelo de Placas Paralelas):
a) Flujo de arrastre: fluido newtoniano sobre un sistema de referencia que se mueve con el husillo (en el cálculo: husillo fijo y cilindro rotando con velocidad angular constante).
Z V =Vcosϕ Z D D A V Wh πDNWh cos Q = = 2 120 ϕ, con N en r.p.m.
b) Flujo opuesto por diferencia de presión: 3 D P D Wh p Q = 12 Z ∆ η , con N en r.p.m. c) Flujo resultante: 3 D D 2 D A P 1 D DNWh cos Wh p K Q =Q Q = K N p 120 12 Z π ϕ ∆ − − = − ∆ η η 2 D 1 K Q =K N− ∆p η
Perfil de velocidades (válido para fluido newtoniano): dz dp 2η ) y (h V h y (y) v 2 D Z D S − − =
Velocidad de deformación en la pared del cilindro:
D z Z D D W D D D D y h dv V h p DNcos h p = = dy → h 2 Z 60h 2 Z ⎛ ⎞ ∆ π ϕ ∆ γ ⎜ ⎟ − = − η η ⎝ ⎠ & (*!) • Generalmente, ϕ=17,7º, ya que:
o Para ese valor el paso ∏ coincide con el diámetro D.
o En las zonas de alimentación y plastificación, el husillo trabaja transportando sólidos y para esa función el ángulo óptimo es ~17-20º.
6.2.2. Efectos térmicos de la zona de compresión. Plastificación
• Proceso de plastificación en la zona de compresión: o Se produce disminución progresiva de h.
o Los mayores esfuerzos de rozamiento y cortantes se producen cerca de la superficie interna del cilindro (mayor gradiente de velocidades). o Plastificación por aumento de temperatura
o Velocidad del sólido en el canal: Wh ρ m V s SZ = &
o Velocidad relativa entre sólido y cilindro (teorema del coseno): 1/2 SZ 2 SZ 2 rel (V V 2V∙V cos ) V = + −
ϕ
o Balance de masa: VX VS δ x δdz 2 V ρ dz xv ρ X m S S = o Balance de energía: Fusión del sólido (a Tm) Calentamiento por conducción en líquido Generación de calor viscosa Calentamiento del sólido de Ts a Tm 2δ V η δ ) T (T k ] ) T ‐ (T [c v ρ 2 rel m W l s m p S S + − = +λ
o De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener los valores de δ y vS: x ρ v s S Φ = , m Xρ V x 2Φ δ = ] ) T ‐ (T 2[c ] V 2 η ) T (T [k ρ V Φ s m p 2 rel m W m m X
λ
+ + − =o Fracción de sección sin fundir a lo largo del canal: 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = m 2 W Φz 1 W x &
o Longitud de canal necesaria para plastificación completa (Æx=0):
W Φ
m 2 Z≥ &
o Estudio del perfil de temperaturas en la capa de polímero fundido: Número adimensional de Brinkmann: relación entre generación
de calor viscoso y transmisión por conducción:
) T (T k ηV Br m W m 2 rel − =
Mientras Br<2, temperatura del polímero por debajo de TW: no peligro de sobrecalietamiento. Máxima velocidad relativa para Br≤2: η ) T (T 2k V = m W − m máx rel ,
Límites habituales de Vrel (situación práctica de trabajo): • Vrel=50m/min TP más estables
• Vrel=10-20m/min TP fácilmente termodegradables: PVC, PMMA, ABS.
6.2.3. Efecto de la restricción del flujo del fundido por la hilera
o Caída de presión a lo largo de la hilera:o Considerando exclusivamente la hilera:
Δp η Kʹ Q = W>>h h h 3 12L WH Kʹ = 2 WH 6Q = W
γ
& D h 4 8L R Kʹ=π
4Q3 R Wπ
γ
& =o En realidad, por la variación de la viscosidad en función de la presión y de la temperatura, la relación entre ∆p y Q no es lineal.
o En realidad, las curvas no son rectas, puesto que la viscosidad varía con la presión, con la velocidad de deformación y con la temperatura.
6.2.4. Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de
las extrusoras
Objetivo: maximizar caudal con la menor presión Å.
a) Viscosidad del material: depende esencialmente de la velocidad de deformación y de la temperatura.
Æ Se trabaja a la mayor temperatura que garantiza que no hay degradación térmica. T habitual de trabajo: ver Tabla 6.3. PVC: 170-190ºC, η=1060-500 Pa·s. LDPE: 160-210ºC, η=100-50 Pa·s. PEEK: 360-400ºC, η=480-350 Pa·s.
b) Velocidad de giro del husillo: determina el caudal y la presión.
Æ Se trabaja a la mayor velocidad que garantiza:
• Que no hay degradación mecánica [disminución de MW por rotura de cadenas].
• Que no se produce rotura del fundido (melt fracture).
c) Geometría de la hilera: determina la relación entre presión y caudal.
Æ Se trabaja con el mayor diámetro Dh y menor longitud Lh., limitados por la aparcición de:
• hinchamiento,
• inestabilidades del flujo, • defectos superficiales.
d) Geometría del husillo: Se consigue mayor caudal con mayor longitud de la zona de bombeo LD y con mayor altura de los filetes del husillo hD.
6.2.5. Flujo del fundido por la hilera. Boquillas
• El material adquiere la forma (casi) definitiva en la hilera.o Hileras divergentes para la obtención de chapas (e>1mm), hojas (0,1<e<1mm) y filmes (e<0,1mm), con un ancho de hasta 2m.
Diseño encaminado a obtener condiciones ~ homogéneas a la salida: o Distribuidor de flujo
o Tornillos de control de separación de labios
o Hileras convergentes: conviene inclinación <10º. Modelo de Patín de
Reynolds.
o Torpedo para perfiles huecos: se emplea un canal convergente para homogeneizar el fluido.
o Distribuidor helicoidal: para tubos de paredes finas y filmes soplados
o Obtención de granza: se acopla una cortadora a la salida de la hilera para obtener cilindros de ~3mm, que tienden a redondearse durante el enfriamiento.
• Condiciones del flujo en la hilera:
o Problema en polímeros cuyo coeficiente de rozamiento contra el acero aumenta con la temperatura (PVC): calentamiento hasta pegado. o En los polímeros en los que se produce disminución del coeficiente: flujo
estable.
o Tipos de flujo:
• Hinchamiento por recuperación viscoelástica. El tramo final recto de la hilera debe ser suficientemente largo para minimizarlo.
• Se realiza un enfriamiento controlado del extruido. Se produce la cristalización en los materiales semicristalinos. Puede llevarse a cabo un estirado uni- o bidireccional que orienta las cristalitas y da lugar a una anisotropía que puede ser útil.
6.2.6. Defectos e inestabilidades del flujo
1. Piel rugosa (shark skin): desde áspera y mate hasta pequeñas grietas.
o Se achaca al aumento brusco de velocidad en la periferia del fundido al salir de la hilera.
o Efecto aumenta cuanto más estrecha sea la distribución de pesos moleculares y cuanto mayor sea la viscosidad.
o Soluciones:
Aumento de la temperatura del material y reducción de la velocidad
Empleo de lubricante externo
Coextrusión de una piel de material con menor viscosidad (menor Mw).
2. Rotura del fundido (melt fracture). Æ Transparencias específicas.
6.2.7. Efectos
térmicos en la hilera
• En la hilera se genera calor por efecto de la viscosidad.
• Importancia de temperatura homogénea a la salida de hileras divergentes para obtener material homogéneo.
• Números adimensionales: Número de Brinkman:
)
T
k(T
ηv
Br
0 W 2−
=
(~ generación calor/transmisión) Número de Cameron: 2 pvR
ρc
kL
Ca
=
(~ transmisión/almacenamiento) • En hileras de extrusión de filmes con Ca>>1 y Br<<1: temperatura del fundidodepende esencialmente de Tw: necesidad de mantener refrigeración.
• Si Ca<<1 y Br>>1, temperatura esencialmente controlada por generación de calor interno.
6.2.8. Enfriamiento y calibración del extruido
• Conformación definitiva:
o Estirado: velocidad de recogida superior a la de salida de la hilera. Tractores sin fin oruga (caterpillar) para extruidos rígidos. Enrollado en rodillos para extruidos flexibles.
o Frotamiento con superficie metálica: calibrador o rodillos. • Enfriamiento: transmisión de calor del polímero al fluido que lo enfría.
Ti Ta Conducción: ) T -A(T k dt dq w i m s = Convección: ) T -A(T h dt dq w a t = Tw s
Número adimensional de Biot:
m t k s h Bi=
Para evitar tensiones y discontinuidades morfológicas, Bi no muy alto, Bi<100.
km ≈ 0,1 – 0,4 W/mºC.
ht ≈ 10 – 30 W/m2ºC en aire [filmes]
≈ 1000 W/m2ºC en agua en circulación [tubos, perfiles] ≈ 500 W/m2ºC para calibradores metálicos refrigerados ≈ 1500 W/m2ºC con pulverización de agua [amorfos: PVC] o En perfiles gruesos, velocidad de producción limitada por el enfriamiento
o En extrusión reactiva (gasificación o reticulación): reacciones deben completarse antes del enfriamiento.
• Operaciones fianles:
o Impresión o marcado mediante tintas. o Corte
o Control de calidad o Envasado
6.2.9. Modalidades
particulares
de la técnica de extrusión
• Notas: PP, PVC, PET.
• Conformado definitivo:
o Calibrador externo refrigerado. El tubo se adapta por presión interna o por vacío mediante orificios.
o Calibrador-mandril interno. Sirve como obturador si se aplica presión interna.
• Regulación precisa de la velocidad de estirado del sistema tractor.
• Tubos de gran espesor y diámetro: extrusión vertical descendente. Permite pulverización de agua en interior.
• Tubos de muy gran diámetro (D>500mm): preferible moldeo centrífugo.
• Ejemplo: perfiles macizos de PVC celular (gasificantes químicos): se extruyen como perfiles huecos y el interior se rellena por la expansión posterior.
• Ejemplo: tubos reticulados: el sistema a la salida de la extrusora, se añade un sistema de reticulación que deforma en continuo la pared del tubo (forzado de la deformación mediante vacío). Puede soldarse a un tubo interior para obtener una superficie interior lisa, en cuyo caso el sistema de reticulación tiene tres funciones: reticulación de la pared exterior, termofusión de los dos tubos y enfriamiento.
Fabricación de tubos corrugados 6.2.9.2. Recubrimiento de cables
• Funciones del recubrimiento: aislamiento eléctrico, protección frente a corrosión y desgaste.
• Sistemas de recubrimiento:
a) Recubrimiento a presión: adherencia entre recubrimiento y cable. Generalmente, hilera perpendicular a husillo.
Caudal del polímero impulsado por el bombeo de la extrusora (pressure flow), por el arraste del cable (drag flow) y por el estirado del recubrimiento consolidado (extensional flow).
b) Recubrimiento tubular: se extruye un tubo que se fija mediante vacío.
• Enfriamiento: baños de gran longitud. Velocidad habitual: 1km/min.
• Diseño del interior de la hilera para obtener velocidad homogénea a la salida:
W1 W2
h1 h2
• Generalmente, diseño de boquillas a partir de la experiencia para dar una forma aproximada, y después las unidades de calibración conforman el material a las dimensiones definitivas.
• Perfiles complicados: calibradores acoplados directamente a la hilera.
6.2.9.4. Tecnología de extrusión de filmes
• Para llegar a espesores muy pequeños (20-200µm) es necesario deformar el extruido mediante estirado (flujo extesional).
• Tres técnicas:
1. Laminación (casting): extrusión de lámina + rodillos de tiraje + rodillos de enfriamiento + corte de bordes.
Relación de tiraje: es la relación entre velocidades
h T T V V R =
o Gran ancho (por desperdicio de los bordes)
o Orientación longitudinal de las cristalitas: baja resistencia al rasgado.
2. Extrusión y soplado (blowing): extrusión de tubo de paredes delgadas (distribuidor helicoidal) + inyección de aire + guías + plegado.
Relación de soplado: estirado transversal hilera burbuja S D D R =
Relación de estirado longitudinal:
S T h h T T R H/s ρ ρ V V R = =
o Orientación biaxial equilibrada si Rs ≈ RT ≈ (H/s)1/2 (≈1,8-4,5) o Aconsejado: leer Ejercicio 6.6.
• Filmes soplados más irregulares (±8%) que los laminados (±4%), peor barrera al oxígeno y mejores propiedades mecánicas.
3. Estirado biaxial: estirado longitudinal + calentamiento y estirado transversal con sistema de cremallera. Para materiales con burbuja no estable: PP, PA, PET.
6.2.9.5. Recubrimiento de sustratos (extrusion coating)
• Recubrimiento de lámina de otro material (papel, cartón, tejido, aluminio,…) con film de plástico.
• LDPE empleado en ~90% de los casos.
• Proceso: se hace pasar el film+material base entre rodillos. • Adherencia del recubrimiento:
o Necesidad de alta temperatura.
o En polímeros poco adherentes, oxidación al salir de la extrusora.
6.2.9.6. Extrusiones especiales
o Se pueden obtener redes a partir de esta técnica:
Rodillos provistos de púas + estirado biaxial.
6.2.9.7. Coextrusión
• Obtención de materiales multicapa por coextrusión una única hilera.
• Ventaja: combinación de propiedades (p.ej. capa resistente mecánicamente + capa debaja permeabilidad…).
• Ejemplos:
o Parisones (o mangas): para posterior moldeo por soplado (EBM). o Recubrimientos multicapa de cables.
o Filmes multicapa (laminados o soplados).
• Espesor de cada capa regulado con estricciones en cada distribuidor. • En caso de baja adherencia, pueden emplearse ionómeros como adhesivos.
