Todo Sobre Extrusion

 

TEMA 4. EXTRUSIÓN 1. INTROD INTRODUCCIÓN UCCIÓN........................................... .................................................................................... ......................................... 103 2. COMPONENTES DE LA EXTRUSORA EXTRUSORA...... ........... .......... ........... ........... .......... .......... .......... .......... ..... 107 2.1. El tornillo de extrusión ........................................... .................................................................. ....................... 107 2.2. Cilindro ........................................ ...................................................................................... .................................................. .... 108 2.3. Garganta de alimentación ................................................... .............................................................. ........... 109 2.4. Tolva ..................................... ................................................................................ ......................................................... .............. 110 2.5. Plato rompedor y filtros ................................................................. ................................................................. 111 2.6. Cabezal y Boquilla Boquilla............................................ ......................................................................... ............................. 112 3. ESPECIFICACIONES DE LA MÁ MÁQUINA QUINA ..... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ............ ...... 114 4. DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA EXTRUSORA. 116 4.1 Transporte de sólidos (zona de alimentación) ...... ........... ........... ........... ........... .......... .... 116 4.1.1. Transporte de sólidos en la tolva......................................... 117 4.1.2. Transporte de sólidos en el cilindro ..... ........... ........... ........... ........... .......... ......... .... 118 4.2. Fusión (zona de transición) ............................................................ ............................................................ 122 4.3. Transporte del fundido (zona de dosificado) ..... ........... ........... ........... ........... .......... ....... 126 4.4. Mezclado Mezclado............................................. ........................................................................................ ........................................... 134 4.4.1. Mezclado Mezcladorr de agujas............................................................ 134 4.4.2. Mezclado Mezcladorr de anillo anillo................................................ ............................................................. ............. 135 4.4.3. Mezclador con filetes desiguales ..... ........... ............ ........... ........... .......... .......... .......... 135 4.4.4. Mezcladores con filetes secundarios secundarios..... ........... ........... ........... ........... .......... ........ ... 136 4.5. Desgasifica Desgasificado do....................................................... ................................................................................. .......................... 136 4.6. Conformado .................................................. ................................................................................... ................................. 137 4.6.1. Tensionado .......................................................................... .......................................................................... 138 4.6.2. Relajación Relajación................................................... ............................................................................ ......................... 138 4.6.3. Enfriamie Enfriamiento.................................................................. nto........................................................................ ...... 139 5. MODELADO DE LA ZONA DE DOSIFICACIÓN ..... ........... ........... ........... ........... ......... .... 140 5.1 Obtenció Obtenciónn de las ecuaciones ........................................................... ........................................................... 140 5.1.1. Ecuaciones de velocidad ...... ........... ........... ........... ........... ........... ........... ........... ........... ......... ... 140 5.1.2. Cálculo del caudal ..................................................... ............................................................... .......... 143 5.2. Influenci Influenciaa de variables ............................................. ................................................................... ...................... 147 5.2.1. Efecto de las dimensiones del tornillo ...... ............ ........... ........... ........... ......... .... 147 5.2.2. Efecto de la viscosidad del polímero ..... ........... ............ ........... ........... .......... ........ 149 5.2.3. Efecto de las condiciones de operación ...... ........... ........... ............ ........... ......... 149 5.2.4 de laÓN restricción de la boquilla ..... ........... ........... ........... ............ ........... ....... 154 150 6. LÍNEAS DEEfecto EXTRUSI EXTRUSIÓN ......................................... ...................................................................... ............................. 6.1. Líneas de extrusión de tubos, tuberías y perfiles perfiles..... ........... ........... ........... ........... ..... 156 6.2. Líneas de mezclado mezclado............................................ ........................................................................ ............................ 157

 

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6.3. Líneas de películas y láminas......................................................... láminas.........................................................158 158 6.3.1. Proceso con pila de rodillos.................................................158 rodillos................................................. 158 6.3.2. Proceso con sistema de rodillos fríos ..... ........... ........... ........... ........... .......... ......... 160 6.3.3. Líneas de películas sopladas sopladas............................................... ................................................. 161 6.3.4. Coextrusión ................................................. ......................................................................... ........................ 163 6.3.5. Recubrimie Recubrimientos.................................................................... ntos.................................................................... 164 6.4. Líneas para la producción de fibras y filamentos...... filamentos............ ........... ........... .......... .... 165

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA ........................................... ....................................................... ............ 167 Resumen En este tema se profundiza en el procesado de termoplásticos mediante extrusión. En primer lugar se realiza una descripción general del proceso y se describen las principales partes de la máquina así como las especificaciones de diseño. En el tercer apartado se explican con detalle las diferentes funciones que puede realizar una extrusora (transporte de sólidos, fusión, transporte del fundido, mezclado, venteo y conformado). A continuación se propone un modelo simplificado pero de gran utilidad desde el punto de vista práctico, que relaciona el caudal de material extruido con las condiciones de operación, las características de diseño del tornillo y la boquilla, y la viscosidad del material extruido. Para finalizar se describen las principales líneas completas de extrusión que se encuentran en la industria.

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Tema 4. Extrusión

1. INTRODUCCIÓN En una definición amplia el proceso de extrusión hace referencia a cualquier operación de transformación en la que un material fundido es forzado a atravesar una boquilla para producir un artículo de sección transversal constante y, en principio, longitud indefinida. Además de los plásticos, muchos otros materiales se procesan mediante extrusión, como los metales, cerámicas o alimentos, obteniéndose productos muyalimenticias variados como son marcos de ventanas de aluminio o PVC, tuberías, pastas alimenticias, , etc. Desde el punto de vista de los plásticos, la extrusión es claramente uno de los procesos más importantes de transformación. El proceso de extrusión de plásticos se lleva a cabo en máquinas denominadas extrusoras o extrusores. Aunque existen extrusoras de diversos tipos, las más utilizadas son las de tornillo o de husillo simple, por lo que haremos referencia a ellas continuamente. En el proceso de extrusión, por lo general, el polímero se alimenta en forma sólida y sale de la extrusora en estado fundido. En algunas ocasiones el polímero se puede alimentar fundido, procedente de un reactor. En este caso la extrusora actúa como una bomba, proporcionando la presión necesaria para hacer pasar al polímero a través de la boquilla. En otras ocasiones se extruyen los materiales sólidos, como es el caso del procesado de fibras en el que se requieren elevadas orientaciones en el material. Para el caso más corriente de la extrusión de un polímero inicialmente sólido que funde en el proceso, la extrusora, y en concreto una de husillo único, puede realizar seis funciones principales: • Transporte del material sólido hacia la zona de fusión • Fusión o plastificación del material • Transporte o bombeo y presurización del fundido • Mezclado • Desgasificado • Conformado

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Debe tenerse en cuenta que no todas las funciones anteriores tienen lugar necesariamente durante la operación de todas y cada una de las extrusoras. Por ejemplo, el desgasificado o venteo únicamente se produce en las máquinas preparadas para ello. Por otra parte, el conformado no tiene porque ser definitivo; en muchas ocasiones el producto obtenido adquiere su forma final en un proceso secundario puesto que las extrusoras se emplean con frecuencia para mezclar los componentes de formulaciones que se procesarán posteriormente mediante otras técnicas o bien para obtener preformas que serán procesadas mediante soplado o termoconformado. De acuerdo con las misiones que debe cumplir, una extrusora debe disponer de un sistema de alimentación del material, un sistema de fusiónplastificación del mismo, el sistema de bombeo y presurización, que habitualmente generará también un efecto de mezclado y finalmente, el dispositivo para dar lugar al conformado del material fundido. La figura 4.1 muestra, como ejemplo, una representación esquemática de una extrusora típica de husillo único.

Figura 4.1. Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo. Como puede apreciarse el sistema de alimentación más habitual es una tolva, en la que el material a procesar se alimenta en forma de polvo o granza. El dispositivo de fusión-plastificación, bombeo y mezclado está constituido por un tornillo de Arquímedes que gira en el interior de un cilindro calentado, generalmente mediante resistencias eléctricas. En la parte del cilindro más 104

 

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alejada de la tolva de alimentación se acopla un cabezal cuya boquilla de salida tiene el diseño adecuado para que tenga lugar el conformado del producto. La parte esencial de la máquina es el sistema cilindro-tornillo que, como consecuencia del giro, compacta el alimento sólido, da lugar a la fusión del material y lo transporta hacia la boquilla de conformado, produciendo al mismo tiempo la presurización y el mezclado del material. Todas las extrusoras se consideran divididas en tres zonas que se pueden apreciar en la figura 4.2, junto con la evolución de la presión a lo largo de la extrusora. La zona de alimentación es la más cercana a la tolva, en la cual la profundidad del canal del tornillo es máxima. Tiene como objetivo principal compactar el alimento en una forma sólida densa y transportarlo hacia la siguiente zona a una velocidad adecuada. La zona de transición o compresión es la zona intermedia en la cual la profundidad del canal disminuye de modo más o menos gradual. Conforme el material sólido va compactándose en esta zona el aire que pudiera quedar atrapado escapa del material vía la tolva de alimentación. En la zona de transición, además, tiene lugar la fusión del material. La zona de dosificado se sitúa al final, en la parte más cercana a la boquilla y tiene una profundidad de canal muy pequeña y constante. Enaeste zona el materialla fundido para forzarlo atravesar a presión boquillaes dehomogeneizado conformado. y presurizado Hay que tener presente que esta asignación de funciones a cada una de las zonas de la extrusora no es estricta; por ejemplo, el transporte, presurización y homogeneización se producen a lo largo de todo la extrusora. Las extrusoras actuales pueden operar entre 10 y 500 rpm y según su tamaño, pueden proporcionar caudales de 2000 kg/h de material.

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Figura 4.2. Zonas de una extrusora y evolución de la presión a lo largo de las mismas. Existen otros tipos de extrusoras como son las extrusoras multitornillo que, como su nombre indica, poseen más de un tornillo. Entre éstas las más importantes laslos de tornillos dos tornillos, de las cuales existe gran variedad dependiendoson de si tienendentro giro contrario (lo más corriente ya que generan mayor fuerza de cizalla) o paralelo, y del grado de interpenetración entre los mismos. En la figura 4.3 se muestran algunas variantes posibles. Las extrusoras de dos tornillos presentan posibilidades que a menudo superan en gran medida a las de un solo tornillo. Entre las ventajas que presentan se incluye una buena capacidad de mezclado y desgasificación, y un buen control del tiempo de residencia y de su distribución. Algunas desventajas de estas extrusoras son su precio, superior al de las de tornillo único y el hecho de que sus prestaciones son difíciles de predecir.

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Figura 4.3. Disposición posible de los husillos en las extrusoras de doble husillo; giro contrario y giro en paralelo; diferentes grados de interpenetración de los tornillos.

2. COMPONENTES DE LA EXTRUSORA 2.1. EL TORNILLO DE EXTRUSIÓN  El tornillo o husillo consiste en un cilindro largo rodeado por un filete helicoidal (figura 4.4). El tornillo es una de las partes más importantes ya que contribuye a realizar las funciones de transportar, calentar, fundir y mezclar el material. La estabilidad del proceso y la calidad del producto que se obtiene dependen en gran medida del diseño del tornillo. Los parámetros más importantes en el diseño del tornillo son su longitud (L), diámetro (D), el ángulo del filete () y el paso de rosca (w).

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Figura 4.4. Tornillo de una extrusora. El material se va presurizando a medida que avanza por el tornillo, comenzando con presión atmosférica en la tolva y aumentando hasta la salida por la boquilla. La sección de paso del tornillo no es constante, si no que es mayor en la zona de alimentación (mayor profundidad de canal). Normalmente el tornillo no viene acompañado de ningún sistema de calentamiento o enfriamiento, aunque en algunos casos se emplean tornillos huecos por los que se hace circular un fluido refrigerante o calefactor. Los materiales termoplásticos que se usan en el proceso de extrusión difieren notablemente entre sí. La elasticidad, calor específico, coeficiente de fricción, temperatura de fusión, viscosidad del fundido, etc., cubren un amplio rango de valores,dey puesto todas estas tienen su importancia en el momento diseñarque el tornillo, es propiedades lógico que sea necesario utilizar diferentes tipos de tornillos para trabajar adecuadamente cada material. En la práctica es muy raro que un tornillo determinado sea adecuado para trabajar con materiales muy diversos; de hecho, cada tornillo se diseña o elige para trabajar con una determinada combinación boquilla/material. boquilla/material.

2.2. CILINDRO  El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo como se muestra en la figura 4.5. La superficie del cilindro debe ser muy rugosa para aumentar las fuerzas de cizalla que soportará el material y permitir así que éste fluya a lo largo de la extrusora. Para evitar la corrosión y el desgaste mecánico, el cilindro suele construirse de aceros muy resistentes y en algunos casos viene equipado con un revestimiento bimetálico que le confiere una 108

 

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elevada resistencia, en la mayoría de los casos superior a la del tornillo, ya que éste es mucho más fácil de reemplazar.

calefacción-tornillos los Figura 4.5. Sistema cilindro de calefacción-tornil El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares localizadas en toda su longitud como se muestra en la figura 4.5, y también, aunque es menos usual, mediante radiación o encamisado con fluidos refrigerantes o calefactores. El cilindro suele dividirse en varias zonas de calefacción, al menos tres, con control independiente en cada una de ellas, lo que permite conseguir un gradiente de temperatura razonable desde la tolva hasta la boquilla. El cilindro debe enfriarse si como consecuencia de la generación interna de calor originada cizalla a la se somete plástico se rebasa la temperatura nominal por dellaproceso (loque que ocurre alnormalmente). El enfriamiento en la menor parte de las ocasiones se hace con líquidos, ya que aunque tengan una mayor capacidad para eliminar calor que el aire, la temperatura es más difícil de controlar. Normalmente se usan soplantes como las representadas en la figura 4.5. Hay que tener en cuenta que los sensores de control de temperatura quedan situados en el cilindro, por lo que la temperatura del material será siempre superior a la que indican los controles.

2.3. GARGANTA DE ALIMENTACIÓN  El cilindro puede estar construido en dos partes, la primera se sitúa debajo de la tolva y se denomina garganta de alimentación. Suele estar provista de un sistema de refrigeración para mantener la temperatura de esta zona lo suficientemente baja para que las partículas de granza no se adhieran a las paredes internas de la extrusora. 109

 

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La garganta de alimentación está conectada con la tolva a través de la boquilla de entrada o de alimentación. Esta boquilla suele tener una longitud de 1.5 veces el diámetro del cilindro y una anchura de 0.7 veces el mismo (figura 4.6), y suele estar desplazada del eje del tornillo para facilitar la caída del material a la máquina.

Figura 4.6. Garganta de alimentación. 2.4. TOLVA  La tolva es el contenedor que se utiliza para introducir el material en la máquina. Tolva, garganta de alimentación y boquilla de entrada deben estar ensambladas perfectamente y diseñadas de manera que proporcionen un flujo constante de material. Esto se consigue más fácilmente con tolvas de sección circular, aunque son más caras y difíciles de construir que las de sección rectangular (ver figura 4.7). Se diseñan con un volumen que permita albergar material para 2 horas de trabajo.

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Figura 4.7. Tipos de tolvas. En ocasiones para asegurar el flujo constante del material se usan dispositivos de vibración, agitadores e incluso tornillos del tipo del que se muestra en la figura 4.8.

Figura 4.8. Ejemplo de un tornillo de alimentación. 2.5. PLATO ROMPEDOR Y FILTROS  El plato rompedor se encuentra al final del cilindro. Se trata de un disco delgado de metal con agujeros, como se muestra en la figura 4.9. El propósito del plato es servir de soporte a un paquete de filtros cuyo fin principal es atrapar los contaminantes para que no salgan con el producto extruído. Los 111

 

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filtros además mejoran el mezclado y homogenizan el fundido. Los filtros van apilados delante del plato rompedor, primero se sitúan los de malla más ancha, reduciéndose el tamaño de malla progresivamente. Detrás se sitúa un último filtro también de malla ancha y finalmente el plato rompedor que soporta los filtros. Conforme se ensucian las mallas es necesario sustituirlas para evitar una caída de presión excesiva y que disminuya la producción. Por ello, el diseño del plato debe ser tal que pueda ser reemplazado con facilidad.

Figura 4.9. Plato rompedor. 2.6. CABEZAL Y BOQUILLA  El cabezal es la pieza situada al final del cilindro, que se encuentra sujetando la boquilla y por lo general manteniendo el plato rompedor. Generalmente va atornillado al cilindro. El perfil interno del cabezal debe facilitar lo más posible el flujo del material hacia la boquilla. La figura 4.10 muestra un sistema cabezal-boquilla de forma anular. En la figura el material fluye del cilindro a la boquilla a través del torpedo, situado en el cabezal. La sección transversal de los soportes del torpedo se diseña para proporcionar el flujo de material a velocidad constante. La función de la boquilla es la de moldear el plástico. Las boquillas se pueden clasificar por la forma del producto, teniendo así boquillas anulares como la mostrada en la figura 4.10 (por ejemplo, para la fabricación de 112

 

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tuberías o recubrimientos de materiales cilíndricos), boquillas planas como la de la figura 4.11 (con las que se obtienen planchas y láminas), boquillas circulares (con las que se obtienen fibras y productos de forma cilíndrica), etc. Se puede distinguir tres partes diferenciadas en todas las boquillas que se muestran en la figura 4.11 (corte de boquilla plana): la primera parte es el canal de entrada, luego el distribuid distribuidor or y a continuación la zona de salida.

Figura 4.10. Boquilla anular y cabezal.

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Figura 4.11. Partes diferenciadas en una boquilla de extrusión. Las dimensiones de la boquilla no son exactamente las mismas que las del producto extruído. Hay varias razones para ello: la recogida del material, el enfriamiento y el fenómeno de relajación contribuyen a que el material cambie de tamaño e incluso de forma; todas ellas serán discutidas posteriormente. Excepto para las boquillas circulares es prácticamente imposible fabricar una boquilla en la que la geometría del canal sea tal que la boquilla puede ser empleada para un número amplio de materiales y de condiciones de operación. En cualquier caso el diseño de la boquilla debería tener en cuenta en la medida de lo posible una serie de consideraciones como son emplear radios amplios en todas las esquinas, evitar canales estrechos o pequeños y partes profundas.

3. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA Diámetro del cilindro (D): Es representativo del tamaño de la extrusora y afecta en gran medida a la velocidad de flujo. Como deduciremos más adelante, el caudal de material que proporciona la extrusora es proporcional al cuadrado del diámetro del tornillo. La mayoría de las extrusoras tiene diámetros comprendidos entre 2 y 90 cm. Relación longitud/diámetro (L/D): Para un diámetro de tornillo dado, la capacidad para fundir, mezclar y homogeneizar a una velocidad de giro del tornillo determinada aumenta al aumentar la longitud del tornillo, y por tanto la relación L/D. Sin embargo tornillos excesivamente largo son difíciles de construir y alinear dentro del cilindro, de modo que no resultan operativos. La 114

 

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relación L/D típica para la extrusión de polímeros termoplásticos varía generalmente entre 20:1 y 30:1.

Relación de compresión: Una definición exacta de este parámetro es “la relación volumétrica de las vueltas del filete en las zonas de alimentación y de dosificado”. Se suele expresar, sin embargo, en términos de la relación de profundidades del canal en ambas zonas, una aproximación que es únicamente válida si el ángulo de los filetes y la anchura del canal se mantienen constantes. Las relaciones de compresión típicas oscilan entre 2.0 y 4.0. Una zona de dosificado de pequeña profundidad (alta relación de compresión) impone mayor velocidad de cizalla sobre el fundido (para una velocidad de tornillo dada), y se asocia también con un gradiente de presión mayor.

Configuración del tornillo:  es un aspecto de gran importancia. La elección definitiva del número y del diseño geométrico de las zonas del tornillo es un proceso complejo. Esta decisión depende no solo del diseño de la boquilla y de las velocidades de flujo esperadas, sino también de las características de fusión del polímero, de su comportamiento reológico y de la velocidad del tornillo. Un tornillo simple, de tres zonas, se define usualmente según el número de vueltas de hélice en lasconfiguraciones zonas de alimentación, compresión y dosificado. Un ejemplo de diferentes de tornillo se muestra en la figura 4.12.

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Figura 4.12. Ejemplo de tornillos para diferentes fines. 4. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA EXTRUSORA En este apartado se describen los mecanismos por los que tienen lugar las seis funciones que puede realizar una extrusora; transporte de sólidos, fusión, transporte del fundido, mezclado, desgasificado y conformado.

4.1 TRANSPORTE DE SÓLIDOS (ZONA DE ALIMENTACIÓN) El material sólido que se alimenta a una extrusora, se transporta en dos regiones que estudiaremos separadamente: en la tolva de alimentación y en la propia extrusora.

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Tema 4. Extrusión

 4.1.1. Transporte de sólidos só lidos en la tolva

El transporte de sólidos en la tolva es, en general, un flujo por gravedad de las partículas; el material se mueve hacia la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso. Se puede dar un flujo en masa como se representa en la figura 4.13, en el que no hay regiones estancadas y todo el material se mueve hacia la salida, o bien flujo tipo embudo  en el que el material más cercano a las paredes de la tolva queda estancado. Lógicamente el flujo en masa es preferido sobre el flujo tipo embudo. Algunos materiales que tienen un flujo muy deficiente en estado sólido pueden quedar atascados en la garganta de entrada a la extrusora, dando lugar a un problema denominado formación de “puente” o "arco".

Figura 4.13. Flujo del material en una tolva de alimentación. Tanto las características del material como el diseño de la tolva influyen sobre el transporte de sólidos en esta parte de la máquina. Es mejor una tolva con sección circular que una tolva con sección cuadrada o rectangular (figura 4.7), ya que la compresión a que está sometido el material será diferente en algunas zonas dependiendo de la forma de la tolva. Las tolvas de sección circular ejercen una compresión gradual sobre el material mientras que las de sección cuadrada ejercen una compresión poco uniforme, pudiendo provocar que el material se detenga. Además, pueden tomarse precauciones como añadir un sistema vibratorio que ayude a eliminar el puente formado o incorporar agitadores para evitar que el material se deposite y consolide (figura 4.8). 117

 

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Las características del material que influyen en el transporte del sólido en la tolva, son: • Densidad aparente:  es la densidad del material incluyendo el aire que hay entre sus partículas. Lógicamente, la densidad aparente del material siempre será inferior a la densidad real. Si la densidad aparente del material es excesivamente baja (no superior al 20 o 30% de la densidad real), el material dará problemas de fluidez puesto que para obtener un determinado caudal se necesitará alimentar un gran volumen de material. Resulta más fácil manipular materiales con una densidad aparente que no sea demasiado baja (alrededor del 60% de la densidad real). • Compresibilidad: es el aumento que se produce en la densidad aparente de un plástico al presionarlo. Interesan materiales con factor de compresibilidad bajo, es decir que sufran un cambio pequeño en su densidad aparente al aplicarles presión. • Coeficiente de fricción:  se puede distinguir entre el coeficiente de fricción interno, que es la fricción existente entre las propias partículas del polímero, y el coeficiente de fricción externo, que es la fricción existente entre las partículas del plástico y la superficie del cilindro con la que está en contacto plástico. Para un para flujoloenque la tolva adecuado, estos doselcoeficientes seantener bajos, en ocasiones es interesa necesarioque el empleo de lubricantes. • Distribución del tamaño de partícula de la granza (DTP):  interesa que sea lo más uniforme posible, para evitar problemas de fluidez de la granza. Si el material presenta una DTP ancha, las partículas tenderán a empaquetarse, lo que dificultará el flujo de las mismas en la tolva. En general el flujo de material por gravedad que la tolva puede proporcionar es superior al necesario para la extrusión salvo en los casos en los que se produzca puenteado.  4.1.2. Transporte de sólidos sól idos en el cilindro

En cuanto al transporte de sólidos dentro de la extrusora, una vez que el material sólido cae al interior del canal de la extrusora, el mecanismo de 118

 

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transporte deja de estar controlado por la gravedad y se transforma en un transporte inducido por arrastre. Este tipo de flujo tiene lugar debajo de la tolva a lo largo del tornillo en una distancia relativamente corta. Una descripción cuantitativa del flujo del material sólido en la extrusora fue propuesta por Darnell y Mol en 1956 y la idea básica de su trabajo permanece aun hoy. Aquí se describirá de una forma cualitativa. Según estos autores hay dos fuerzas de fricción principales que actúan sobre la masa sólida: una en la superficie del cilindro y otra en la superficie del tornillo. La fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento de la masa sólida hacia la salida de la extrusora, mientras que la fuerza de fricción en la superficie del tornillo es la fuerza retardante. El hecho de que la fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento del sólido, que quizás es difícil de asumir intuitivamente, puede ser apreciado si se considera una situación extrema: Si la fuerza de fricción con la superficie del cilindro fuera cero y fuera alta con el tornillo, la masa sólida rotaría simplemente con el tornillo, y jamás se movería hacia adelante, de forma similar a como lo haría una tuerca sobre un tornillo que gira. Sin embargo si existe una fuerza de fricción suficientemente elevada con el cilindro con el en expuesto principio seel puede material se moverá hacia adelante. yDebaja acuerdo contornillo, el modelo mejorar el transporte de sólidos aumentando el coeficiente de fricción del material con el cilindro y disminuyéndolo disminuyéndo lo con el tornillo. Para aumentar el coeficiente de fricción con el cilindro podría disminuirse la temperatura del mismo o de la garganta de alimentación. Otra posibilidad consiste en utilizar cilindros con superficies rugosas, esto es, empleando cilindros estriados. Las ventajas de utilizar cilindros estriados en lugar de lisos son las siguientes: • Para una misma caída de presión a lo largo de la máquina, el caudal obtenido con un cilindro estriado es mayor que el obtenido con uno liso. Esto se aprecia en la figura 4.14.

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• Hay una mayor estabilidad en el caudal que proporciona el cilindro estriado, de modo que las oscilaciones de la presión a lo largo de la extrusora afectan más al caudal con el cilindro liso que con el estriado.

Figura 4.14. Representación del caudal de salida frente a la presión, para un cilindro liso y para uno estriado. Los cilindros estriados permiten utilizar polímeros con pesos moleculares elevados y difíciles de transportar. Sin embargo, las fuerzas de cizalla que se generan en estos cilindros son mayores que las que se generan en los lisos, de modo que por una parte el consumo del motor será mayor, y por otra, se puede producir una fusión prematura del material, que al fundir se puede introducir en las estrías, obstruyéndolas y disminuyendo así la eficiencia del proceso. Además el material que queda atrapado en las estrías podría llegar a descomponerse. Los materiales empleados para la fabricación de estos cilindros deben ser muy resistentes y en consecuencia caros, pues deben estar diseñados para soportar las altas cizallas generadas. Las estrías se pueden practicar directamente sobre el cilindro o sobre la garganta de alimentación, en aquellas extrusoras que dispongan de ésta. En cualquier caso se practican en la dirección axial y tienen una longitud de varios diámetros, como se puede observar en la figura 4.15.

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Figura 4.15. Sección de una garganta de alimentación ranurada. Otra forma de mejorar el transporte de sólidos inducido por arrastre es disminuir la fricción entre el tornillo y el material. Para conseguirlo se podría aumentar la temperatura del tornillo, si bien esto es poco frecuente pues la mayoría de los tornillos son macizos, como se comentó anteriormente. En ocasiones también se pueden utilizar tornillos con recubrimientos, generalmente de PTFE, con lo que además se consigue facilitar la limpieza de los mismos. En cuanto al diseño del tornillo hay que tener en cuenta lo siguiente: • El filete del tornillo debe ser simple, no doble. El filete doble produce una mayor fricción. • El ángulo de los filetes ha de ser grande. • El radio de los flancos del filete ha de ser lo más grandes posible. En la tabla 4.1 se muestran dos tornillos, el de la izquierda es de diseño adecuado desde el punto de vista del flujo del material sólido, de acuerdo con lo que se acaba de comentar.

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Tabla 4.1. Diseño del tornillo para reducir el coeficiente de fricción entre el material y el tornillo. Características del tornillo

Diseño adecuado

Diseño defectuoso

Número de filetes

Sencillo

Doble

Ángulo del filete

Grande

Pequeño

Radio del flanco del filete

Grande

Pequeño

4.2. FUSIÓN (ZONA DE TRANSICIÓN) La zona de transporte de sólidos finaliza cuando empieza a formarse una fina película de polímero fundido. La fusión se iniciará como consecuencia del calor conducido desde la superficie del cilindro y del generado por fricción a lo largo de las superficies del cilindro y del tornillo. En general se genera gran cantidad de calor por fricción, de modo que, en ocasiones, es incluso posible iniciar la fusión sin necesidad de aplicar calor externo. En primer lugar aparecerá una fina capa de material fundido junto al cilindro, que irá creciendo hasta que su espesor se iguale con la tolerancia radial entre el cilindro y el filete del tornillo, , mientras que el resto del material se encontrará formando un lecho sólido. Como consecuencia del movimiento del tornillo se creará un gradiente de velocidad en la película fundida situada entre la capa sólida y la superficie del cilindro. El polímero fundido en la película será barrido por el filete que avanza, separándose así 122

 

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del cilindro. El polímero fundido se reunirá en una zona o pozo situado delante del filete que avanza en la parte posterior del canal. La figura 4.16 muestra un corte transversal de la zona de transición.

Figura 4.16. Corte transversal de la extrusora en la zona de transición. A medida que se va acumulando más y más fundido en el pozo de polímero fundido, el tamaño del pozo aumenta, mientras que el ancho de la capa sólida irá disminuyendo. De esta forma se desarrolla una presión que empuja a la capa sólida y la sitúa en la parte anterior del canal. Por eso, a pesar de que casi toda la fusión ocurre en la superficie del cilindro, la altura de la capa sólida no disminuye, sino que disminuye su anchura, como se puede apreciar en la figura 4.17. En esta figura también se indica la longitud de fusión  que es la longitud de tornillo desde que comienza la fusión hasta que ésta termina. En una extrusora funcionando de forma adecuada la transmisión de calor está muy favorecida, debido a que continuamente tendremos una fina capa de material renovado en contacto con el cilindro. En general se puede despreciar la transmisión de calor entre el pozo fundido y la capa sólida. La existencia de la capa sólida explica también la eliminación del aire atrapado entre las partículas sólidas. A medida que la capa sólida es compactada y

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comprimida por el pozo de fundido, el aire atrapado entre las partículas escapa hacia el exterior vía la tolva de alimentación.

Figura 4.17. Ancho del pozo de fundido a lo largo de la zona de transición. Como se ha visto el calor necesario puede ser suministrado bien por conducción desde la superficie caliente del cilindro, a través de la película fundida o bien por disipación viscosa (cizalla) debido a las fuertes cizallas a que está sometida la delgada película de fundido. La relación entre estas dos cantidades calordedepende las condiciones operación y del polímero utilizado. Eldeflujo calor pordedisipación viscosadeestá favorecido al aumentar la velocidad del tornillo. Sin embargo, en este caso la contribución de la transmisión de calor por conducción a la fusión se verá reducida puesto que aumentará el caudal, y por tanto disminuirá el tiempo de residencia del material en la extrusora. Por otro lado, un aumento de la temperatura del cilindro implicará en principio un aumento del flujo de calor por conducción, y por tanto aumento de la velocidad de fusión, pero por otra parte al aumentar la temperatura disminuirá la viscosidad del material y, por tanto, la generación de calor por disipación viscosa, de modo que algunos polímeros cuya viscosidad es muy sensible a la temperatura podrían ver reducida la velocidad de fusión. Una situación general se muestra en la figura 4.18 donde se representa la longitud de fusión en función de la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. De acuerdo con lo comentado la longitud de fusión 124

 

Tema 4. Extrusión

disminuye (por tanto aumenta la velocidad de fusión) al aumentar la temperatura del cilindro hasta un cierto punto en el que la longitud de fusión aumenta al disminuir la cantidad de calor generado por disipación viscosa.

Figura 4.18. Relación entre la longitud de fusión y la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. Además de las condiciones de operación, la configuración del tornillo afecta en gran medida a la velocidad de fusión y a la longitud de fusión. El ángulo del filete del tornillo puede tener un efecto considerable sobre la eficiencia de la fusión, como se muestra en la figura 4.19, donde se observa como la longitud de fusión disminuye al aumentar el ángulo del filete, especialmente para ángulos pequeños. La eficiencia sería máxima con un ángulo de 90º, sin embargo, en este caso no se produciría el avance del material a lo largo de la máquina. Por tanto hay que buscar ángulos que den una buena eficiencia para la fusión y un buen transporte del material. Normalmente se utilizan ángulos entre 20 y 30º. El empleo de tornillos con múltiples filetes también puede mejorar el proceso de fusión. Cuando el filete es múltiple la capa de fundido es más delgada que cuando el filete es simple. Sin embargo el transporte del material sólido empeora con los tornillos de múltiples filetes (como se vio en el apartado anterior sobre el transporte del sólido), por lo que estos tornillos sólo se emplean en el caso de que la velocidad de fusión sea el proceso controlante.

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Figura 4.19. Efecto del ángulo de hélice y del número de filetes sobre la longitud de fusión. Por otra parte, está comprobado que la holgura entre el filete del tornillo y el cilindro debe ser lo menor posible para que el proceso de fusión tenga lugar de forma adecuada. En cuanto a la profundidad del canal, como se ha visto, en la mayoría de los tornillos se produce una reducción gradual de su profundidad entre la zona de transporte de sólidos y la de dosificado del fundido, que viene fijada por la relación de compresión. En general la velocidad de fusión aumenta al disminuir la profundidad del canal, puesto que se produce una compresión del pozo de sólido hacia la capa de fundido, mejorando la transmisión de calor y aumentando la cizalla. Sin embargo, si la compresión tiene lugar muy rápidamente el pozo de sólido podría provocar un taponamiento de la extrusora.

4.3. TRANSPORTE DEL FUNDIDO (ZONA DE DOSIFICADO) La zona de dosificado se inicia en el punto en que finaliza la fusión, es decir, en el punto en que todas las partículas de polímero han fundido. De hecho, la profundidad del canal es uniforme en la zona de dosificado, por lo que todo el lecho sólido debe haber desaparecido o en caso contrario el aire se eliminaría con mucha dificultad y podría quedar atrapado en el fundido. La zona de dosificado del fundido actúa como una simple bomba en la que el movimiento del material fundido hacia la salida de la extrusora se produce 126

 

Tema 4. Extrusión

como resultado del giro del tornillo y de la configuración helicoidal del mismo. El estudio del movimiento de un material viscoso en el tornillo de una máquina de extrusión se simplifica considerando tres tipos distintos de flujo: el flujo de arrastre o de fricción , QD, que es debido a la fricción del material con el tornillo y con las paredes del cilindro, es el principal responsable del movimiento del material desde la tolva de alimentación hasta la boquilla; el flujo de presión o de retroceso, QP, opuesto al anterior y debido a la diferencia de presión entre la tolva y el cabezal de la máquina, presión esta última que es originada por la restricción que impone la boquilla o el plato rompedor. Finalmente, el flujo de pérdida o de fugas , que tiene lugar entre el cilindro y el filete del tornillo y es también opuesto al flujo de arrastre y originado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo. La tolerancia radial de ajuste entre el tornillo y las paredes internas del cilindro es generalmente muy pequeña (del orden de 0,1 milímetros) y, por tanto, el flujo de pérdidas es mucho más pequeño que los dos mencionados anteriormente. El flujo total a lo largo del tornillo viene dado por la suma de los tres flujos anteriores: Qtotal = QD + QP + Qpérdida  Una representación esquemática de la distribución de velocidades para cada tipo de flujo viene dada por las figuras 4.20, 4.21 y 4.22. El flujo de arrastre tiene lugar debido a que el material fundido en el canal del tornillo se adhiere a las paredes internas del cilindro, que se mueven respecto al tornillo. Si solamente existiera el flujo de arrastre, el perfil de velocidades sería aproximadamente lineal (figura 4.20), y si la superficie en movimiento tuviera una velocidad V, la velocidad media de avance el material en el canal sería V/2.

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Figura 4.20. Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre. El flujo de presión se debe, como ya se ha indicado, al gradiente de presión a lo largo del cilindro. La presión es mayor en el lado de la boquilla, y este gradiente de presión tiende a hacer que el material fluya hacia atrás a lo largo del canal del tornillo oponiéndose pues al flujo de arrastre y suponiendo un retroceso del material en el canal del tornillo. El perfil de velocidades debido a la existencia de un gradiente de presión es parabólico y se representa en la figura 4.21.

Figura 4.21. Perfil de velocidades debido al flujo de presión. El flujo de pérdidas es mucho menor que los dos anteriores y no es preciso considerarlo. El flujo total a lo largo del canal del tornillo es el resultado del flujo de avance y del de presión y su perfil de velocidades puede determinarse sumando algebraicamente los dos. Se ha representado en la figura 4.22.

Figura 4.22. Perfil de velocidad del flujo total. 128

 

Tema 4. Extrusión

Para facilitar la visualización del movimiento del fluido dentro de la extrusora, supongamos que tenemos un canal desenrollado (tornillo) sobre el que se encuentra un plano (cilindro). El canal permanece quieto, mientras el plano se mueve sobre el canal con una velocidad tangencial Vb, cuyo vector no es paralelo a las paredes del canal, sino que se encuentra girado un ángulo , que coincide con el ángulo de los filetes del tornillo. En consecuencia, en una extrusora trabajando en condiciones normales (esto es con una boquilla que provoca una caída de presión a lo largo de la extrusora) existirá un perfil de velocidades tal como el mostrado en la figura 4.22 tanto en la dirección axial del tornillo como en la transversal. Esto es, en ambas direcciones existirá flujo de arrastre y flujo de presión, éste último originado por la boquilla en el caso del flujo en la dirección axial del canal, Z, y por las paredes del filete en el caso del movimiento del material que se dirige hacia ellas, (dirección X). El flujo total será la suma del flujo en las direcciones X y Z. En la figura 4.23 se muestra la situación global que se presenta en el canal del tornillo. En esta figura se representa la dirección y el movimiento relativo del polímero a varias profundidades y en el centro del canal; en el esquema (a) la extrusora funciona a descarga abierta, es decir, el flujo no tiene ninguna restricción, pues no existe boquilla, válvulas, plato rompedor ni ningún otro elemento limitativo. En este caso el perfil de velocidades en la dirección Z será lineal, como el representado en la figura 4.20, mientras que el perfil en la dirección X será el representado en la figura 4.22. Los vectores componentes de la velocidad del polímero en el punto C, son CE en la dirección axial y CF en la dirección transversal, representando el vector resultante CD la velocidad del polímero en dicho punto C. Obsérvese que el material situado en la mitad superior (aproximadamente) del canal fluye hacia la derecha mientras que el material situado en el fondo del canal fluye hacia la izquierda. Excepto el pequeño flujo de material que escapa por encima del filete, todo el material avanza hacia la boquilla. En el esquema (b) de la figura 4.23, el flujo total de extrusión está limitado parcialmente por la presencia de una boquilla, que es la situación normal; en este caso el polímero que se encuentra en la parte superior del canal (punto C) se dirige hacia adelante y hacia la derecha, mientras que el que se encuentra en la parte inferior del 129

 

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canal (punto O) lo hace en dirección opuesta. Por otra parte el material que se encuentra en los punto D y E sólo presenta una componente de velocidad en las direcciones axial y longitudinal, respectivamente. En el esquema (c), la producción de la extrusora está totalmente bloqueada y el flujo de polímero en la dirección axial del canal es análogo al flujo transversal excepto que sus velocidades son mayores; obsérvese que el punto B presenta una velocidad cero en dirección axial (Z) y en dirección transversal (X).

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.23. Movimiento global del polímero fundido en la sección de dosificación de la extrusora; a) descarga abierta, b) con una boquilla en condiciones normales, c) descarga cerrada. La figura 4.24 muestra otra representación de lo que ocurre en las tres situaciones planteadas. planteadas. Si para el caso normal (b), seguimos el movimiento de una porción de fluido que se encuentra cerca de la superficie del cilindro, éste avanzará a lo largo de esta superficie hasta que se encuentre con la pared del filete del tornillo. En este punto, el fluido girará hacia abajo, se deslizará por la pared del filete, y luego cruzará el canal del tornillo retrocediendo ligeramente, deslizándose por la base. Cuando el elemento llegue a la otra pared del filete del tornillo, girará hacia el cilindro, volviendo otra vez a realizar el mismo tipo de movimiento. Los casos a) y c), al igual que en la figura anterior, representan el movimiento del material en una extrusora trabajando a descarga abierta y descarga cerrada, respectivamente.

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Figura 4.24. Movimiento del material dentro del canal de la extrusora trabajando; a) descarga abierta, b) con una boquilla y c) descarga cerrada. De acuerdo con esto, en una extrusora funcionando en condiciones normales, una pequeña porción del material que se encuentra próximo al centro del canal no tiene componente de velocidad en la dirección transversal (en el punto D de la figura 4.23b), de modo que este material pasará rápidamente a lo largo de la extrusora, con un tiempo de residencia menor que el material que se encuentra próximo a las paredes del cilindro y del tornillo. El material que se encuentra, por ejemplo, cercano al punto E (figura 4.23b) sufrirá un movimiento de avance hacia la boquilla mucho mas lento. En la 132

 

Tema 4. Extrusión

figura 4.25 se observa un corte transversal del canal, donde la temperatura en las diferentes zonas del material se representa en diferentes colores.

Figura 4.25. Flujo de recirculación en el canal del tornillo. La situación planteada provoca que la temperatura en diferentes zonas en un corte de la sección de una extrusora pueda variar sustancialmente. La medición de la temperatura en los canales del tornillo es complicada debido a la rotación del tornillo, si bien se puede predecir usando técnicas numéricas y las diferentes teorías de la extrusión. La temperatura más alta se encontrará en el centro del canal, donde el material está expuesto a mayores cizallas, mientras que enfriado, en los alrededores se ocurrir obtendrán temperaturas inferiores siLas el cilindro está lo que suele en la zona de dosificación. capas internas difícilmente llegan a alcanzar la superficie fría del cilindro y se encuentran aisladas por las capas externas. En consecuencia la diferencia de temperatura entre las diferentes capas puede alcanzar con facilidad los 60 ºC. Si esta situación se mantiene hasta el final del tornillo, el fundido que sale por la boquilla no será homogéneo. Además, el grado de mezcla de las capas internas puede ser deficiente, al ser el tiempo de residencia menor que el del resto del material. Esto conlleva problemas no sólo en la boquilla, sino también distorsiones en el producto extruído. La forma más eficaz de evitarlo consiste en incorporar mezcladores en el diseño del tornillo. Además de homogeneizar la temperatura del material, los mezcladores también son importantes cuando se pretende mezclar diferentes tipos de plásticos o aditivos.

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4.4. MEZCLADO  Para evitar problemas de falta de homogeneidad del material que llega a la boquilla se puede introducir una sección de mezclado. Esto es especialmente importante en las extrusoras grandes y en las que se emplean para fabricar láminas finas. El mezclado se conseguirá haciendo pasar al material por diferentes zonas que lo obliguen a reorientarse. Las secciones de mezclado son simplemente tramos del tornillo dentro de la zona de dosificado que tienen una configuración especial para este propósito. Las secciones de mezclado deben cumplir los siguientes requisitos: • Provocar una caída de presión mínima de modo que la presencia de la zona de mezclado afecte lo menos posible al caudal de material extruído • Evitar zonas muertas donde el material pudiera quedar estancado • Barrer la superficie del cilindro completamente • Ser fáciles de instalar, poner en marcha y limpiar • Tener un precio razonable A continuación se muestran diferentes tipos de mezcladores.  4.4.1. Mezclador de agujas ag ujas

Consisten en una serie de “pins” o agujas que se encuentran sobre el tornillo, como se muestra en la figura 4.26. Estas agujas pueden tener numerosas formas y tamaños. Consiguen un nivel moderado de reorientación. Una contrapartida del empleo de estos sistemas es que suponen una restricción al flujo, y por tanto, reducen el caudal de salida de la extrusora, y además pueden crear volúmenes muertos donde se estanque el material. La principal ventaja es que son muy sencillos, económicos y fáciles de instalar.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.26. Mezcladores de tipo aguja con orientación de las agujas perimetral y axial.  4.4.2. Mezclador de anillo anill o

Consiste simplemente en un anillo situado sobre el tornillo que deja una sección de paso pequeña, como se ve en la figura 4.27. Todo el material debe fluir por este paso, con lo que es sometido a altas cizallas durante un periodo de tiempo corto. Estos mezcladores resultan efectivos y fáciles de construir, pero provocan una caída de presión relativamente alta y además no tienen capacidad de impulsar el material hacia adelante.

Figura 4.27. Mezclador de anillo.  4.4.3. Mezclador con filetes desiguales d esiguales

Una sección de mezclado de este tipo es, por ejemplo, el mezclador “Saxton”, que aparece en la figura 4.28. En estos mezcladores la profundidad 135

 

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de los filetes es variable, con lo que se obliga a que el material se divida y reoriente continuamente, resultando en una buena capacidad de mezclado. Además la orientación de los filetes en este tipo de mezcladores ayuda al bombeo del material hacia adelante. De esta forma se obtiene buena capacidad de mezclado, pero sin detrimento de la capacidad de bombeo del tornillo.

Figura 4.28. Zona de mezclado con filetes desiguales tipo “Saxton”.  4.4.4. Mezcladores con co n filetes secundarios

Estos mezcladores tienen unos filetes secundarios que actúan de barrera entre los filetes principales del tornillo. Los filetes secundarios tienen altura no uniforme, como se muestra en la figura 4.29 para un mezclador de tipo “Zorro”. La altura no uniforme de los filetes obliga al material a pasar por una sección pequeña. Las caídas de presión no son tan grandes como en otros mezcladores, debido a que el ángulo de inclinación de los filetes secundarios favorece el bombeo del material.

Figura 4.29. Mezclador con filetes secundarios tipo “Zorro”. 4.5. DESGASIFICADO  El desgasificado es necesario sólo en los plásticos que retienen gran cantidad de componentes volátiles o en materiales muy higroscópicos, como es el caso de las poliamidas. También suele emplearse en las extrusoras que se emplean en líneas de mezclado. En los materiales que presentan humedades de equilibrio muy elevadas, es posible secarlos antes de introducirlos en la extrusora, si bien el proceso de secado es lento (puede durar entre 4 y 40 136

 

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horas), por lo que se suelen desgasificar directamente en la extrusora, de forma mucho más rápida. El desgasificado se produce a través de un orificio de venteo practicado sobre el cilindro. Las extrusoras con zona de desgasificado deben tener un diseño especial del tornillo, que asegure que la presión en esta zona coincida con la presión atmosférica, de forma que el material no tienda a escapar por el orificio de venteo. En estas extrusoras los gránulos de sólido atraviesan las zonas de alimentación y transición donde son aglomerados, transportados y fundidos. A continuación pasan a una zona de descompresión en la que los productos volátiles son evacuados a través del orificio de venteo. El material fundido y desgasificado se vuelve a comprimir en una nueva zona de transición, como se muestra en la figura 4.30. Estos tornillos deben tener un diseño adecuado, de modo que la zona de eliminación de volátiles esté siempre parcialmente llena y el material no se salga por el orificio de venteo. Además, la capacidad de bombeo de la segunda sección del tornillo (tras el orificio de venteo) debe ser superior a la de la primera.

Figura 4.30. Extrusora con sección de desgasificado. 4.6. CONFORMADO  El material toma la forma de la boquilla conforme sale por ésta. Es primordial que el material salga a velocidad uniforme, sin embargo, a veces esto no es fácil de conseguir, especialmente cuando se extruyen perfiles con secciones irregulares. Como ya hemos mencionado se producen cambios de tamaño y forma conforme el material sale por la boquilla. De hecho, las 137

 

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boquillas se fabrican con una forma y tamaño que compensen los cambios que se producen en el material, de modo que al final se obtenga un producto de las dimensiones requeridas. Para conseguirlo es necesario conocer muy bien cómo se comporta el material con el que se está trabajando. Hay tres factores principalmente que provocan cambios en el tamaño y forma del material: tensionado, relajación y enfriamiento.  4.6.1. Tensionado

Conforme el material sale de la extrusora es recogido por diferentes sistemas, que generalmente consisten en rodillos, que mantiene el material tenso. Esto hace que en la mayoría de los casos se reduzca un poco el tamaño del material, a veces de forma considerable. Además de los cambios de tamaño, los productos que no sean circulares pueden sufrir cambios de forma debido al estirado.  4.6.2. Relajación

El material dentro de la extrusora está sometido a grandes deformaciones y tensiones (esfuerzos normales) por lo que, debido a su naturaleza viscoelástica, se relaja conforme sale por la boquilla. La relajación provoca el hinchamiento del material, tanto más rápido cuanto mayor sea la temperatura, por lo que el cambio más pronunciado tiene lugar cuando el material sale de la extrusora, pero generalmente continúa durante las horas siguientes al conformado, y a veces dura incluso días. En la figura 4.31 se muestra el hinchamiento que sufriría un material extruído con sección cuadrada.

Figura 4.31. Hinchamiento debido a la relajación de un material de sección cuadrada. 138

 

Tema 4. Extrusión

Con una forma cuadrada de boquilla, la dilatación ocurre más en el centro de las caras que en las esquinas, esto es resultado de que los esfuerzos normales que se producen dentro del material serán mayores en la zona central. Si el producto extruído sufre tensiones no uniformes, la relajación puede conducir a una torcedura o combadura del mismo, especialmente en piezas que contengan partes gruesas y delgadas.  4.6.3. Enfriamiento

El enfriamiento del material fundido produce su contracción, reduciéndose el tamaño y aumentando su densidad. Los plásticos semicristalinos se contraen más que los amorfos, ya que las regiones cristalinas tienen densidades mayores que las amorfas, y en cualquier caso, el método, velocidad y homogeneidad del enfriamiento condicionan la microestructura del material. La contracción que produce el enfriamiento normalmente no es uniforme, puesto que en partes gruesas puede haber una diferencia muy grande entre la velocidad a la que se enfrían las zonas externas y las más internas del material (la cristalinidad del interior de estas piezas será mayor), pudiendo aparecer zonas hundidas (rechupadas) al contraerse el interior de las piezas. En la figura 4.32 se muestra la contracción que sufriría una pieza de sección cuadrada debido a la diferente velocidad de enfriamiento entre las distintas partes.

Figura 4.32. Contracción debida al enfriamiento de un material de sección cuadrada.

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5. MODELADO DE LA ZONA DE DOSIFICACIÓN 5.1 OBTENCIÓN DE LAS ECUACIONES   5.1.1. Ecuaciones de velocidad veloci dad

La zona de dosificado es la que ha sido analizada en mayor profundidad desde un punto de vista teórico. Los cálculos se simplifican mucho en esta zona respecto a las otras debido a que todo el material se encuentra en estado fundido y se puede considerar que es homogéneo. Con ciertas aproximaciones, los resultados del análisis se pueden expresar en forma de ecuaciones simples que son útiles como primera aproximación a la operación de la extrusora en esta zona. Para hacer el estudio del movimiento del material en el canal del tornillo se realizan algunas suposiciones suposiciones:: • El canal del tornillo se considera de sección rectangular • El canal del tornillo se encuentra “desenrollado” y se escoge el sistema de coordenadas de la figura 4.33 • El cilindro es una superficie plana que se mueve sobre el canal del tornillo, arrastrando al material • Se considera que el fundido tiene un comportamiento newtonian newtonianoo • Se considera que el fundido se comporta como un fluido incompresible • Se supone que el proceso es continuo y que se ha alcanzado régimen estacionario La notación que se va a emplear a lo largo del desarrollo del modelo teórico es la que se muestra en la figura 4.33.

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Figura 4.33. Sistema de coordenada y nomenclatura. donde: R = radio del tornillo D = diámetro del tornillo 

w==ángulo ancho del del filete canaldel tornillo con la vertical h = profundidad del canal  = holgura entre el cilindro y el filete N= número de revoluciones a las que gira el tornillo Hay dos tipos de flujo a lo largo del eje Z que han sido comentados anteriormente: el movimiento del material es debido en parte al flujo de fricción o flujo de arrastre provocado por el movimiento de la superficie del cilindro (siempre en dirección +Z, la dirección positiva + Z es considerada hacia la boquilla). Si hay un impedimento al flujo (una boquilla, una válvula, etc.) se crea un gradiente de presión en dirección Z. Esto causa un flujo en dirección negativa –Z, es el flujo de presión o flujo de retroceso. El análisis del caudal en esta sección se basa en considerar el flujo newtoniano e isotermo de un fluido incompresible en un canal rectangular de 141

 

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ancho w y altura h. Se desprecia   (holgura entre el tornillo y el cilindro) porque  >h, de modo que

, lo que supone despreciar el efecto que puedan tener

las paredes del canal en el flujo. Con esto, la ecuación del flujo se simplifica a: (2) Usando esta última ecuación se obtienen unos resultados que discrepan menos del 10% de los obtenidos con la ecuación completa si la relación del ancho del canal (w) a la profundidad del mismo (h) es mayor de 10. Este es precisamente el caso de la mayoría de los tornillos usados en las máquinas de extrusión de plásticos. La integración de la ecuación (2) proporciona:

Integrando nuevamente:

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Tema 4. Extrusión

(3)

Teniendo en cuenta las condiciones límite: cuando y = 0, es decir, junto al tornillo v = 0. Sustituyendo esta condición en la ecuación (3), se obtiene C2  = 0. Por otro lado, junto a la pared del cilindro donde y = h, la velocidad será v = V, velocidad lineal periférica del cilindro, con lo que resulta:

Y sustituyendo el valor de C1 y C2 en la expresión (3):

(4) En el segundo miembro de esta ecuación aparecen dos términos. El primero varía linealmente con y, y depende de la velocidad del tornillo; representa el flujo de arrastre o fricción; el segundo será negativo o cero (y varía entre 0 y h), luego se opone al movimiento del material hacia la boquilla, da un perfil de velocidades parabólico que depende de la caída de presión a lo largo del tornillo; por tanto representa el flujo de retroceso o presión. La suma de estos dos términos representa la velocidad resultante en cualquier punto del canal.  5.1.2. Cálculo del caudal cauda l

El caudal de material extruído podrá calcularse como el producto de la velocidad del material por la sección del tornillo. Se puede partir de la ecuación (4), integrando el producto de la velocidad por el ancho del canal entre los límites y = 0 e y = h. 143

 

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(5)

de donde se obtiene: (6) Igual que en el caso de la velocidad, el caudal también presenta dos términos. El primero representa al flujo de arrastre, y el segundo al flujo de presión: Flujo de arrastre: Flujo de presión:

ahoraenescribir (6), que del da tornillo, el flujo de material laa través Interesa del tornillo, funciónladeecuación las dimensiones empleando notación de la figura 4.33. Si imaginamos el tornillo cortado a lo largo de una generatriz y desenrollado, despreciando el ancho del filete, tal como se representa en la figura 4.34 podemos escribir la siguiente ecuación: w =  D sen 

Figura 4.34. Tornillo cortado a lo largo de su eje y desenrollado. 144

 

Tema 4. Extrusión

Si V es la velocidad con que se mueve el cilindro sobre el tornillo, en términos de velocidad angular V =  D N, y está dirigida formando un ángulo  con el filete del tornillo y tiene dos componentes v z y v x paralelas al eje Z y al eje X, respectivamente: vz = V cos =  D N cos  vx = V sen  =  D N sen   Una partícula de fluido describe un movimiento muy complejo dentro del canal, pero sólo la componente vz es responsable del avance del fluido a lo largo del canal. La componente X actúa en un plano normal al eje Z y causa un movimiento circulatorio importante para mejorar el mezclado y la transmisión de calor pero no para la capacidad de transporte del tornillo. Por tanto, para calcular el caudal de material basta con considerar vz. Sustituyendo los valores así hallados de w y V en el primer término de la ecuación (6) tenemos:

El segundo término de la ecuación (6) puede expresarse en función de las dimensiones del tornillo, teniendo en cuenta que si se desenrolla completamente el tonillo se puede escribir:

Donde L es la longitud del cilindro y Z la longitud total del canal del tornillo una vez desenrollado, a lo largo del cual existe un el gradiente de presión

. De este modo se puede escribir el segundo término de la

ecuación (6) como: 145

 

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Si se considera que la caída de presión a lo largo del tornillo es constante y tomando incrementos

, la ecuación (6) puede

escribirse como sigue:

(7)

que se puede escribir en la forma más general para un determinado tornillo: (8) donde A y B son constantes del tornillo. La ecuación (7) es una recta en una representación de Q frente a P y es conocida como ecuación característica del tornillo o recta operativa (figura 4.35), y tiene gran utilidad en la predicción del caudal de salida de una extrusora.

Figura 4.35. Recta operativa de un tornillo. Cuando se trabaja en un proceso de extrusión interesa que el caudal de material extruído sea lo mayor posible, pero además, que la pendiente de la 146

 

Tema 4. Extrusión

recta operativa sea lo menor posible, de modo que pequeñas fluctuaciones en la presión impuesta por la boquilla no afecten demasiado al caudal de material extruído.

5.2. INFLUENCIA DE VARIABLES  El caudal extruído por un sistema tornillo-boqui tornillo-boquilla lla depende de diversas variables que se pueden agrupar del siguiente modo: • Dimensiones del tornillo; D, L, h,   • Tipo de polímero;   • Condiciones del proceso; N, T • Restricción impuesta por la boquilla; P Veamos, de acuerdo con el modelo propuesto, el efecto que causa cada uno de estos parámetros.  5.2.1. Efecto de las dimensiones dimens iones del tornillo

La longitud del tornillo no afecta al flujo de arrastre pero sí que afecta al flujo de presión. Si la zona de alimentación y transición lo permiten, un aumento en la longitud del tornillo conlleva una disminución del flujo de presión. El aumento de la longitud del tornillo se refleja en la representación de Q frente a P como una disminución en la pendiente de la línea operativas del tornillo, tal y como viene reflejado por la ecuación (7). Otra variable que tiene gran importancia es la profundidad del canal, h. La profundidad del canal afecta tanto al flujo de arrastre como al de presión, de modo que un aumento de la profundidad del canal supone un aumento de ambos tipos de flujo. Sin embargo, el efecto de la profundidad del canal es mucho más pronunciado sobre el segundo que sobre el primero, puesto que este parámetro elevado a la pequeña tercera potencia en el en segundo términouna de la ecuación (7).aparece Por tanto, con una disminución h se produce importante disminución disminución de la pendiente en la línea característica del tornillo. 147

 

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La figura 4.36 muestra el efecto de la profundidad del canal y de la longitud del tornillo sobre las rectas operativas de una extrusora. La situación normal en un extrusor es que P > 0, ya que la presión a lo largo de la extrusora va aumentando entre la garganta de alimentación (presión atmosférica) y el estrechamiento que suponen el plato rompedor y la boquilla, de modo que según la ecuación (7) el caudal de retroceso se opone al de arrastre. El efecto de h y L que hemos comentado corresponde a esta situación normal. En los casos en los que P < 0, el caudal de retroceso va en la misma dirección que el de arrastre pudiendo interesar otros valores de h y L. En general cuanto mayor sea el diámetro del tornillo mayor será el caudal de material que la máquina es capaz de extruir. El efecto de otras variables como el ángulo de los filetes, , no es tan claro. Nos limitaremos a apuntar que en la práctica el ángulo usado generalmente varía entre 25 y 30º, aunque en algunos casos se utilizan valores tan bajos como 10º.

Figura 4.36. Efecto de la profundidad del canal y de la longitud del tonillo sobre las rectas operativas del tornillo.

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Tema 4. Extrusión

 5.2.2. Efecto de la viscosidad viscosid ad del polímero

La ecuación (7) sugiere que un incremento en la viscosidad supone una disminución de la pendiente de las rectas. Sin embargo, una mayor viscosidad del polímero supone también un mayor consumo energético, por lo que en ocasiones resultante interesante utilizar materiales de baja viscosidad. La disminución en la viscosidad puede lograrse de varias formas: • Aumentando la temperatura de la boquilla o el perfil de temperatura a lo largo del cilindro • Utilizando un material de menor peso molecular • Usando aditivos tales como lubricantes internos o plastificant plastificantes es Cualquiera de estas soluciones puede presentar inconvenientes, como un aumento de los precios, incremento del tiempo de enfriamiento, variación de las propiedades mecánicas del producto, entre otras.  5.2.3. Efecto de las condiciones condi ciones de operación

Al aumentar el número de vueltas, N, aumenta el flujo de arrastre, pero de acuerdo con la ecuación (7) el flujo de retroceso no se ve afectado, por lo que se obtiene un mayor caudal. Así, para un mismo tornillo, al aumentar el número de vueltas se debería obtener un haz de rectas operativas paralelas con mayor ordenada en el origen, lo que implica que a mayor N, mayor caudal, independientemente de P. Sin embargo la experiencia demuestra que al aumentar el número de vueltas en realidad no se obtienen rectas paralelas, pues el polímero fundido es pseudoplástico, como vimos en temas anteriores. Así, al aumentar el número de vueltas, aumenta la cizalla sobre el material, por lo que disminuye su viscosidad, y en consecuencia aumenta el término Q P, aumentando también la pendiente de las líneas operativas del tornillo, como se aprecia en la figura 4.37.

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Figura 4.37. Líneas operativas del tornillo a diferente número de vueltas.  5.2.4 Efecto de la restricción restricci ón de la boquilla

El comportamiento global de la extrusora está determinado por la interacción entre el comportamiento de la boquilla y el del tornillo. La forma de la boquilla no puede ser cualquiera, pues lógicamente depende de las dimensiones del perfil que se desea obtener. El flujo del material en la boquilla es debido exclusivamente a la diferencia de presión que se genera entre el punto por donde el material entra a la boquilla y la salida, donde la presión es la atmosférica. En la boquilla existe sólo flujo de presión en la dirección de salida del material, con un perfil de velocidades parabólico como el mostrado en la figura 4.21. Si la diferencia de presión entre los extremos de la boquilla fuese nula, no habría caudal de extrusión. En general la cantidad de material que fluye a través de una boquilla en la que hay una diferencia de presión P se calcula como: (9)

donde k es una constante que depende del orificio de salida de la boquilla. Cuanto mayor sea el orificio de salida de la boquilla, mayor será el caudal 150

 

Tema 4. Extrusión

extruído para una P dada. A continuación se listan algunos valores de k para determinadas geometrías del orificio: •Boquilla circular sencilla, de radio R y longitud L

de modo que (9) se transforma en la ecuación de Hagen-Poiselle. •Boquilla plana, de profundidad h, anchura w y longitud L (obtención de láminas planas)

Con lo que la expresión (9) se convierte en el segundo término de la expresión (6). •Boquilla anular, de diámetro interno R0, diámetro externo R1  y longitud L (obtención de tubos)

La representación de la ecuación (9) en un diagrama Q frente a P da una haz de rectas que pasan por el origen para distintos valores de k, es decir, para distintos tamaños y geometrías de la boquilla. Las rectas son conocidas como rectas operativas o líneas características de la boquilla. Esta representación se ilustra en la figura 4.38. Cada una de estas líneas representa el flujo de material a través de una boquilla particular.

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Figura 4.38. Líneas características de la boquilla. Al aumentar el tamaño del orificio, aumenta el valor de k, y por tanto la pendiente de la recta operativa de la boquilla. Para un P dado, a mayores dimensiones de la boquilla mayor caudal de material extruído. En la figura 4.38 las líneas experimentales de las boquillas no son totalmente rectas, sino que presentan una ligera curvatura y no pasan exactamente por el origen de coordenadas. Esta desviación es característica de los fluidos no newtonianos, como es el caso de los termoplásticos fundidos. Si se superponen las operativas de la boquilla con las del tornillo se obtienen los puntos donde trabaja una extrusora determinada, que se conocen como puntos operativos, como se muestra en la figura 4.39.

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Tema 4. Extrusión

Figura 4.39. Rectas operativas de un conjunto de boquillas y tornillos. La recta característica del tornillo 1 en la figura 4.39 corresponde a un tornillo con una relación L/h mayor que en el caso de usar el tornillo 2, o lo que es igual, el tornillo 1 tiene un canal menos profundo y una mayor longitud que el tornillo 2 en la zona de dosificado, de modo que proporciona un caudal más estable y menos dependiente de P. Ambas rectas vienen referidas a igual número de revoluciones del tornillo. Los puntos operativos de un proceso determinado se corresponden en el diagrama anterior con la intersección de la recta operativa del tornillo y de la boquilla. Cuando se utiliza una boquilla de abertura grande, como el caso de k 2, el tornillo 2, de canal más profundo y más corto, presenta un punto de operación más alto, por lo que es capaz de extruir más caudal que el tornillo 1. Si tenemos una boquilla pequeña, como es el caso de k1, es el tornillo 1, poco profundo y largo, el que consigue proporcionar una mayor presión en la boquilla y mayor cantidad de material extruído. Esto quiere decir que el tornillo 2 da menor rendimiento en material extruído cuando se usan boquillas pequeñas, pero dará mayor rendimiento en caso de usar boquillas suficientemente grandes. Como vemos, la elección del juego boquilla/tornillo para trabajar con un determinado material es muy importante. Diagramas del tipo de la figura 4.39 permiten predecir el tipo de tornillo más adecuado para usar con una boquilla determinada. Muchas veces el procesador se encuentra con una situación de compromiso en la que se necesita un tornillo que trabaje razonablemente bien con diferentes boquillas con un amplio margen de tamaños: en este caso, lo 153

 

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mejor es adoptar un tornillo con relación L/h elevada, puesto que la pendiente de la línea característica del tornillo es menor. En los puntos operativos se cumple que el caudal que pasa por el tornillo es el mismo que el caudal que pasa por la boquilla, por lo que igualando las ecuaciones (8) y (9) se obtenemos: Qtornillo = Qboquilla     de donde: (10) A partir de la ecuación (10) se puede obtener las dimensiones del tornillo que proporcionan el máximo valor de A, es decir, el máximo rendimiento de la máquina de extrusión en lo que respecta a máximo caudal de material extruído para unas determinadas condiciones de trabajo (N) y un determinado material ().

6. LÍNEAS DE EXTRUSIÓN Para fabricar un producto extruído, además de una extrusora se necesitan una serie de equipos auxiliares que en algunos casos son comunes a todas las líneas de extrusión y en otros son característicos de un producto concreto. En general todas las líneas constan de unidades de refrigeración, calibrado, tensionado y recogida y cortado. Cuando el material fundido sale de la extrusora debe enfriarse inmediatamente para que conserve la forma y adquiera la rigidez necesaria. Para ello es necesario un sistema de enfriamiento. Sea cual sea el sistema escogido, el enfriamiento debe ser lo más uniforme posible a lo largo de la sección de la pieza, y en ocasiones también gradual, de modo que no existan gradientes de temperatura importantes entre puntos cercanos del material. En el caso de productos con forma anular y de láminas, el enfriamiento se suele 154

 

Tema 4. Extrusión

realizar en un tanque o artesa por la que circula agua, en ocasiones a diferente temperatura a lo largo del recorrido del material para lograr un enfriamiento gradual. En otros casos, como en la producción de películas sopladas, la refrigeración se consigue por medio de chorros de aire que circulan a pequeña velocidad para evitar posibles vibraciones de la película. En el caso de planchas, películas y recubrimientos es frecuente que la refrigeración se realice empleando rodillos metálicos fríos, por el interior de los cuales circula un fluido refrigerante. Estos rodillos además pueden realizar la función de imprimir el acabado superficial final a la pieza (pulido, mate, con dibujo) y de actuar de equipo de recogida. Cuando la tolerancia de las dimensiones de las piezas es pequeña debe existir un sistema de calibrado que determine el espesor en el caso de piezas planas, o bien el diámetro interno y externo en el caso de secciones anulares, etc. Generalmente estas mediciones se realizan mediante equipos de ultrasonidos o láser. El sistema de calibrado, además, puede actuar sobre el motor de la máquina para modificar el caudal, o sobre los sistemas de enfriamiento (interno y externo en el caso de piezas anulares) o el de tensionado, de modo que se pueda compensar instantáneamente cualquier desviación en los estándares fijados para una pieza. El equipo de tensionado y recogida determina la velocidad lineal a la que el material debe ser extruído. Hasta cierto punto el espesor o la forma del producto extruído depende de la relación entre el caudal de material extruído y la velocidad de recogida. El estiramiento o tensionado provocado por el equipo de recogida sirve en ocasiones para mejorar determinadas propiedades mecánicas del producto en la dirección del estirado (fibras). Por lo general, los sistemas de recogida son rodillos, bandas sin fin, cabrestantes, etc. Los rodillos de recogida se suelen construir de caucho o cualquier otro elastómero, estando a veces su superficie adaptada a la forma del material que se extruye. En otras ocasiones se emplean bandas de traccionado que proporcionan mayor superficie de agarre evitando que el extrudado resbale. El equipo de cortado en longitudes consiste en cuchillas estacionarias si la velocidad de extrusión es suficientemente baja o el material es flexible, o 155

 

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en cuchillas transportables, o en el caso de materiales suficientemente rígidos, de tipo guillotina. Es cada vez más frecuente el cortado por chorros de aire. A continuación se describen las principales líneas de extrusión.

6.1. LÍNEAS DE EXTRUSIÓN DE TUBOS, TUBERÍAS Y PERFILES  En la figura 4.40 se pueden observar los principales componentes de una línea de extrusión de tubos (diámetro inferior a 10 mm) y tuberías (diámetro mayor). Estas líneas consisten en una extrusora, una boquilla anular, un sistema de calibrado y uno de enfriamiento, una zona de tensionado y un cortador. La bomba de engranajes antes de la boquilla puede estar o no dependiendo de la precisión de la extrusión, al igual que el secador que alimenta a la tolva. Por lo general, el sistema de calibrado se encuentra inmediatamente después de la boquilla y puede ser de calibrado del diámetro externo o interno. En el sistema de calibrado externo se aplica aire a presión que se introduce por el interior de la boquilla (figura 4.10) o vacío desde el exterior para forzar a que el material tome la forma de un tubo externo. En el sistema de calibrado interno la boquilla tiene un mandril que se prolonga fuera de la máquina fijando el diámetro interno deseado. El diámetro de la pared se controla normalmente con un láser calibrador.

Figura 4.40. Línea de extrusión de tubos. Para la extrusión de tubos y tuberías se emplean básicamente PVC y poliolefinas como HDPE, PP y LDPE, generalmente para la obtención de 156

 

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conducciones para agua y alcantarillado, así como para gases y líquidos a presión. Estos materiales ofrecen unas excelentes características en largos periodos de tiempo, con poco desgaste y con un precio relativamente bajo. PB, XLPE y CPVC son utilizados para aplicaciones a presión con elevadas temperaturas, como calentadores domésticos. La velocidad de producción está limitada por lo general por la velocidad a la que el material puede ser enfriado, que básicamente depende del diámetro y del espesor de pared de la pieza. Por ejemplo, para tubos de diámetro de 2.5 mm y 0.4 mm de espesor de pared la velocidad de extrusión puede ser de 4 ms-1, mientras que para tuberías de 1 m de diámetro externo y 60 mm de espesor de pared una velocidad de producción típica podría ser de 3 mh-1. Muchas líneas de extrusión se utilizan para la producción de perfiles. Las líneas de perfiles tienen muchas formas y tamaños, pero en general son muy similares a las líneas para tubos y tuberías, cambiando lógicamente la forma de la boquilla y la posibilidad de emplear aire interno a presión para controlar el tamaño. En las líneas de extrusión de perfiles por lo general se procesan PVC para canalizaciones, irrigación, guías para cortinas, cubiertas protectoras, etc, y PVC con modificadores de impacto para perfiles de ventanas y puertas. PC y PMMA se emplean para aplicaciones transparentes en edificación, construcción y alumbrado. El PC se prefiere cuando la duración y la dureza son importantes. Para aplicaciones como empaquetados y precintados flexibles se emplea PVC plastificado.

6.2. LÍNEAS DE MEZCLADO  La mayoría de los plásticos necesitan una etapa previa de mezclado antes En ocasiones ser requiere sólo de un mezclado extensivo, dondedel losprocesado. componentes de la formulación se mezclan superficialmente, y se realiza en mezcladoras rápidas, y en otras es necesario un mezclado intensivo de los diferentes componentes de una formulación, y se suele llevar a cabo en 157

 

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extrusoras. En algunos casos son necesarios ambos, el mezclado extensivo previo al intensivo. En las líneas de mezclado es frecuente el empleo de extrusoras de doble husillo. La configuración de la línea está determinada, entre otras cosas, por el tipo de aditivos a combinar en la extrusión. Estas líneas suelen tener a la salida de la extrusora troceadoras o granceadoras que permiten producir la granza formulada, como muestra la figura 4.41. Cuando se ha de mezclar con el polímero aditivos o rellenos abrasivos, el polímero se suele añadir en la primera tolva de alimentación y el relleno se añade cuando el plástico ha fundido, con lo que se reduce el desgaste de la extrusora causado por el relleno. Con grandes cantidades de relleno, a menudo el fundido tiene gran cantidad de aire por lo que la extrusora debe tener una zona de venteo, como se aprecia en la figura 4.41.

Figura 4.41. Línea típica de mezclado. 6.3. LÍNEAS DE PELÍCULAS Y LÁMINAS  6.3.1. Proceso con pila de rodillos

La diferencia entre las películas y las láminas es su grosor, considerándose láminas si tienen un grosor superior a 2 mm y películas si éste es inferior. A pesar de que suele hacerse diferenciación, las líneas para películas y láminas son muy similares. 158

 

Tema 4. Extrusión

El proceso de pila de rodillos que se muestra en la figura 4.42 se emplea para la fabricación de láminas que pueden llegar a tener hasta 30 m de ancho. En el caso de láminas tan anchas el control de la temperatura en la boquilla debe ser muy preciso, y por lo general la temperatura se mantiene más alta en los extremos que en el centro de la lámina para evitar que se deforme. Los principales componentes de una línea de este tipo son: la extrusora, la pila de rodillos, la sección de enfriamiento, generalmente formada por una serie de rodillos, la sección de tensionado y el recogedor (figura 4.42). La pila de rodillos se usa para ejercer presión sobre la lámina, corrigiendo posibles variaciones variaciones de espesor, y para determinar la textura de la misma. Si se requiere una superficie lisa, se usan rodillos pulidos y si se necesitan texturas se utilizan rodillos con el dibujo adecuado. La textura del rodillo es el negativo de la textura requerida en la hoja. Es posible producir una hoja con una textura por una cara y lisa por la otra. La figura 4.42 muestra una lámina de plástico recorriendo el rodillo central y realizando una trayectoria en forma de S alrededor del rodillo central y dirigiéndose luego hacia arriba. La pila de rodillos en otras ocasiones se dispone de forma que el recorrido es hacia abajo.

Figura 4.42. Proceso con pila de rodillos para la fabricación de láminas. Por el interior de los rodillos normalmente se hace circular un fluido que controla la temperatura del proceso en esta zona. También es posible controlar la temperatura de cada rodillo por separado según interese. La sección de enfriamiento consiste en un conjunto de rodillos puestos en serie donde la lámina pasa por debajo y por encima alternativamente, haciéndose 159

 

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circular aire forzado o incluso agua pulverizada por el exterior. Al final de la sección de enfriamiento se encuentran los rodillos de tensionado, que son rodillos de caucho que estiran la lámina desde la pila de rodillos para mantener una cierta tensión. Después de los rodillos de tensionado, la hoja se lleva al recogedor, o en caso de láminas rígidas se cortan en la longitud deseada y se apilan. 6.3.2. Proceso con sistema de rodillos fríos

Las películas (con espesor inferior a 2 mm) se producen con frecuencia en líneas de rodillos fríos. Los principales componentes de estas líneas son la extrusora, la boquilla, la unidad de tratamiento superficial y el recogedor, además de un amplio sistema de rodillos. En este caso el esquema del proceso es muy similar al mostrado en la figura 4.42, aunque el sistema de rodillos puede llegar a ser mucho más complejo. Otra diferencia es que la película es expulsada hacia abajo sobre los rodillos fríos. El contacto inicial entre la película y los rodillos fríos se establece mediante el uso de cuchillas de aire, las cuales producen una corriente de aire a gran velocidad a través del ancho del rodillo enfriado, empujando la película contra la superficie del rodillo. A continuación la película se dirige a una unidad de calibrado donde se determina su espesor. Tras la unidad de calibrado, la película puede pasar, si así lo requiere por una unidad de tratamiento superficial. Habitualmente, esto se realiza para mejorar la adhesión, por ejemplo, para una impresión posterior u operación de laminado. Después la película se envía a la unidad de recogida. Del mismo modo que con la extrusión de láminas, puede utilizarse distintos tipos de recogedores, según el producto que se desee obtener. Mediante este proceso se pueden obtener productos que son prácticamente transparentes, aun en el caso de emplear materiales cristalinos, gracias al rápido enfriamiento que se produce en los rodillos conforme el material sale de la máquina. El proceso de rodillos fríos se emplea para la fabricación de películas de plásticos de PVC que se usan extensamente en la industria de la construcción. También se emplea para unir espumas de PS, HIPS y ABS con otros plásticos amorfos como PVC, PC, PMMA, PET y más 160

 

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recientemente con otras combinaciones de plásticos en multicapa que se usan en termoconformado. 6.3.3. Líneas de películas sopladas

Este proceso es el más común para la obtención de películas, y generalmente se emplea para fabricar bolsas de plástico a partir de HDPE y LDPE, y en ocasiones también de PVC, PP, PA, entre otros. En estas líneas la extrusora está equipada con una boquilla anular, dirigida habitualmente hacia arriba, como se muestra en la figura 4.43. Por el interior de la boquilla se inyecta aire que queda confinado en el interior del material que sale por la boquilla y que es contenido, como si de una gran burbuja se tratara, por un par de rodillos situados en la parte superior. La boquilla dispone de unos orificios que permiten la circulación de aire por el exterior para enfriar el material. El cociente entre el diámetro de la burbuja y el diámetro de la boquilla se llama proporción de explosión y suele estar en el intervalo de 2.0 a 2.5. En algunos casos el material se expande hasta tres veces su diámetro original, y a la vez es estirado por los rodillos que se encuentran en la parte superior, de modo que se orienta biaxialmente. El material sale de la boquilla en estado fundido, pero conforme asciende se enfría, gracias a la corriente de aire que circula por el exterior de la burbuja, de modo que solidifica, “congelando” la orientación en las dos direcciones, axial y longitudinal. El punto de solidificación se suele apreciar fácilmente debido a la pérdida de transparencia del material al pasar del estado amorfo al cristalino o semicristalino. A este proceso se le conoce como “estabilización de la burbuja”. La orientación biaxial confiere muy buenas propiedades mecánicas si se comparan con las obtenidas en el proceso de rodillos fríos donde sólo existe orientación en una dirección.

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Figura 4.43. Línea de extrusión de película soplada. Si se mira detenidamente el proceso resulta extraño, en principio, que mientras que el material permanece en estado fundido la burbuja no se rompa (se trata de un material fundido, fluyendo en una capa muy delgada, y sobre el que se aplican grandes esfuerzos). La respuesta está en el tipo de esfuerzos al que el fundido es sometido. Hasta ahora hemos hablado de esfuerzos en cizalla, ante los cuales la mayoría de los plásticos se comportan reduciendo su viscosidad (psuedoplásticos). En este caso los esfuerzos que actúan sobre el material son perpendiculares (de tracción) al material. Ante un esfuerzo de este tipo los polímeros desarrollan una viscosidad que suele ser 3 veces superior a su valor cuando el esfuerzo es aplicado tangencialmente y que se conoce como viscosidad extensional. La viscosidad extensional además se mantiene constante para la mayoría de los polímeros al aumentar el esfuerzo de tracción aplicado. A este comportamiento se le conoce como Troutoniano, y sería el equivalente al comportamiento Newtoniano en el caso de esfuerzos en cizalla. En algunos casos como ocurre con el polietileno, que generalmente se emplea en estos procesos, la viscosidad aumenta al aumentar el esfuerzo de tracción aplicado, con lo que si en alguna zona la capa de material es más 162

 

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fina, el esfuerzo (fuerza/sección) será mayor, por lo que la viscosidad del material en esa zona aumentará, contribuyendo a la estabilización de la burbuja. 6.3.4. Coextrusión

Los requerimientos de muchos productos, particularmente en aplicaciones para envases, son tales que no se puede utilizar un único plástico, si no que tienen que ser combinados dos o más materiales. Esto ocurre cuando el producto obtenido debe presentar buenas propiedades barrera (permeación a gases), resistencia química, una determinada apariencia, etc. Existe un grupo de técnicas de combinación de diferentes materiales; las más frecuentes son coextrusión, recubrimiento y laminado. La coextrusión consiste en combinar dos o más plásticos haciéndolos pasar por una boquilla de extrusión. Cada material se procesa en una extrusora diferente, compartiendo todas las extrusoras la misma boquilla. Hay dos sistemas de boquillas diferentes, el sistema de alimentación en bloque y el sistema de multiconducto. En el sistema de alimentación en bloque los diferentes plásticos se combinan en un módulo de alimentación en bloque, y después se introducen en una boquilla simple de extrusión (con una única entrada y salida). La ventaja del sistema de la alimentación en bloque es que es simple y barato. El principal inconveniente es que las propiedades de flujo de los diferentes plásticos deben ser bastante parecidas para evitar la distorsión de la interfase. En el sistema multiconducto cada plástico tiene su propia entrada y conductos en la boquilla, de forma que las diferentes corrientes de fluido fundido se combinan justo antes de la salida de la boquilla, con lo que la distorsión en la interfase será menor. La ventaja del sistema multiconducto es que se puede combinar plásticos con diferentes propiedades de flujo. Las desventajas son que el diseño de la boquilla es más complejo y más caro que en el sistema anterior. La figura 4.44 muestra una boquilla para coextrusión. Esta boquilla tiene dos entradas, dos conductos, y una salida simple (boquilla 163

 

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multiconducto). Estas boquillas llevan a una serie de dispositivos que permiten regular el flujo de cada material.

Figura 4.44. Ejemplo de una boquilla de multiconducto. Si la coextrusión se compara con el laminado se consigue una muy buena adhesión de los materiales, al unirse cuando se encuentran fundidos, y además se evita que pueda quedar aire atrapado entre las láminas. 6.3.5. Recubrimientos

En este tipo de extrusión, una capa fundida de plástico se combina con otro sustrato sólido. El sustrato puede ser papel, cartón, lámina de aluminio, película de plástico o tela; o puede ser también un producto multicapa. La figura 4.45 muestra un esquema de este sistema. Este tipo de procesos se emplea para recubrimiento de madera, aluminio, acero, papel, cartón y los plásticos más habituales empleados son PVC plastificado y PE.

164

 

Tema 4. Extrusión

Figura 4.45. Esquema de un proceso de extrusión de recubrimientos. 6.4. LÍNEAS PARA LA PRODUCCIÓN DE FIBRAS Y FILAMENTOS   Las fibras y filamentos se fabrican por lo general de PA, PP y poliésteres, que se emplean para la producción de ropa y tejidos, raquetas de tenis, hilos de pescar, fibras para refuerzo de otros materiales, etc. Las líneas para obtener las fibras y filamentos, constan de una extrusora que alimenta a un distribuidor que obliga al material a pasar a través de una serie de boquillas con finos agujeros (cabezal hilador en la figura 4.46). El sistema precisa de una bomba dentada para asegurar un buen control del caudal. Conforme los hilos de material fundido salen por la boquilla quedan pendiendo hacia abajo, pasan por una cámara donde la temperatura del aire está controlada para enfriar el material y son recogidos por rodillos, generalmente a velocidades muy elevadas, entre 4000 y 6000 m/min), lo que produce una elevada orientación en el material. En ocasiones es necesaria una etapa de templado del material, que mejorará las propiedades mecánicas del mismo.

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Figura 4.46. Línea de extrusión de filamentos.

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Tema 4. Extrusión

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA C. Rauwendal, "Understanding Extrusion", Hanser Publishers,  Munich, 1998.  Ramón Anguita, "Extrusión de Plásticos" Plást icos" H. Blume Ediciones, Madrid, 1977.  Arthur N. Wilkinson and Anthony J. J . Ryan, “Polymer Processing and Structure Development”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998.  D. H. Morton-Jones, "Polymer Processing", Processing" , Chapman & Hall,  Londres, 1991.  Dominick Rosato, “Plastics Processing Processin g Data Handbook, 2nd ed., Chapman & Hall, London, 1997.  James L. White "Twin Screww Extrusion" Technology Technol ogy and Principles",  Hanser, Munich, 1991  R.J. Crawford, Plastics Engineering, 3rd 3r d ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1998. F. Hensen, "Plastics Extrusion Technology", 2nd ed. Hanser, Munich, 1997 Tim A. Osswald, "Polymer Processing Fundamentals", Hanser Publishers, Munich, 1998.

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LECCION 12. PLÁSTICOS / OTRAS TECNICAS DE CONFORMADO. 1. Técnicas basadas en la extrusión. 1.1. Introducción. La extrusión es un proceso sumamente versátil, ya que puede ser adaptado, mediante el empleo de los dados apropiados, para producir una amplia gama de productos. 1.2. Soplado de película. 1.2.1. Introducción. Procedimiento de obtención. Aunque las láminas y películas de plástico pueden producirse usando un dado con una abertura rectangular estrecha, el método más común, hoy en día, de obtención de dichos artículos es el  proces  pro cesoo de sopla sop lado do de pelíc pel ícul ula, a, que se mu muest estra ra en la fi figur guraa 1.2.1. 1.2 .1.1. 1. Los fi film lmes es de PEBD PE BD de espesores entre 30 y 200 m  y anchos de 400 a 1200 mm (modernamente hasta 3000 mm para 200 m) se fabrican generalmente por extrusión y soplado. El plástico fundido, proveniente de la máquina de extrusión, pasa a través de un dado anular que apunta, generalmente, hacia arriba y sale como un tubo delgado y de gran diámetro. Un suministro de aire al interior del tubo le impide derrumbarse y sirve para inflarlo y formar una larga burbuja cilíndrica de varias veces el diámetro del tubo que sale de la máquina de extrusión. El aire del interior está contenido como en una gran burbuja mediante un par de rodillos colapsantes que están en la parte alta. Al principio la burbuja consiste en plástico fundido, pero un flujo de aire alrededor del exterior de la burbuja promueve su enfriamiento y, a una cierta distancia del dado, se puede identificar una línea de solidificación. La película enfriada pasa a través de las placas guías y se aplasta entre dos rodillos de arrastre (calandra de tiraje), antes de pasar a los tambores de almacenamiento (calandra de enrollado), donde se recoge la bobina. Entre los rodillos de arrastre y la calandra de enrollado se disponen generalmente generalmente los sistemas de tratamiento y eliminación de cargas estáticas. La mayoría de los sistemas comerciales están provistos de instalaciones de almacenamiento gemelo, de modo que un tambor lleno pueda ser eliminado sin parar el proceso productivo. La calandra de tiraje está compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que deben  pro  produc ducir ir una prdeterminar esión ón de cie cierr e uni unifo forme rme,film. , ti tiran rando do del fi film lm con una un a veloci vel ocida dadd de ar arras rastr tree que, que , en definitiva, va apresi elrre espesor del El cabezal de la extrusora debe estar adecuadamente calentado. El «paso» o espesor de la hilera debe ser de 0.5 a 1.4 mm, con un tramo recto de 20 mm de longitud como mínimo, para poder obtener un film de espesor regular. Por el centro del núcleo o torpedo se inyecta el aire que debe formar la burbuja, hasta que ésta tenga las dimensiones deseada deseadass (en diámetro y espesor). A la salida del cabezal el material se enfría bruscamen bruscamente te mediante una corriente forzada de aire que  pasaa a tr  pas travé avéss de una cám cámara ara anula anu larr y se diri di rige ge con concént céntri rica ca y unifor uni forme memen mente te sobre sob re la burbuj bur buja. a. Si el flujo del aire no está bien regulado o no es concéntrico con la burbuja, se produce una diversidad de espesores que dan lugar a la formación de ondulaciones en la bobina, lo que supone un grave inconveniente en el momento en que se va a imprimir el film. Para evitar estos defectos se suelen usar anillos distribuidores de aire rotatorios, que reparten la posible diferencia de espesores helicoidalmente en torno a la bobina.

 

1

 

La ventaja principal del soplado de película es la facilidad con la cual puede introducirse en la  pelíc  pel ícul ulaa una un a orie or ient ntaci ación ón biaxi bi axial. al. Se exp expand andee radi ra dialm alment entee casi cas i tr tres es veces vec es su diám di ámetr etroo or orig igin inal al y, al mismo tiempo, se estira en la dirección axial. El resultado es que la película queda orientada biaxialmente y esta orientación se hace permanente al cristalizar, ya que se congela la orientación en su lugar original.

Dado con spiders

Dado sin spiders

Figura 1.2.1.1. Proceso de soplado de película.

 

2

 

 

Figura 1.2.1.1. Proceso de soplado de película.

 

3

 

  1.2.2. Análisis del soplado de película. Se denomina relación de soplado la relación entre el diámetro de la burbuja y el de la hilera, es decir:   

=

2 =  

     

(1.2.2.1)

π 

siendo: L = Ancho de la película En general se trabaja con relaciones de soplado, R S, entre 1.8 y 2.5 Si la relación de soplado es  pequeñ  peq ueña, a, la resis re siste tenci nciaa a la rot rotur uraa eenn el sen senti tido do de la ext extrus rusió iónn se re redu duce ce notabl not ableme emente nte.. La presión del aire en la burbuja determina el hinchamiento de la burbuja y esto controla la orientación circunferencial, se produce un estirado transversal que reduce la orientación de las macromoléculas en la dirección de la extrusión, mejorando considerablemente las propiedades mecánicas Además, la orientación axial puede controlarse variando la velocidad del rodillo de arrastre superior, en relación con la velocidad lineal de la burbuja. Esto se denomina como estirado hacia abajo. El polímero sale del dado a una velocidad, V 1. Esta velocidad puede determinarse conociendo el caudal volumétrico de salida, Q, y el área, A, del orificio por el cual sale. El área del orificio de salida es:

(

  = π      −  

)

(1.2.2.2)

donde: R 1  = Radio interior del anillo de salida. R 2  = Radio exterior del anillo de salida. La velocidad de salida será:    =    

(1.2.2.3)

Ajustando la velocidad de los rodillos de arrastre, V 2, que aprietan el polímero formando la  pelíc  pel ícul ula, a, a uuna na veloci vel ocidad dad V2 > V 1 , la aceleración en la direcc dirección ión ascendente viene dada por: =

  

=

 −  

 

(1.2.2.4)

  −   

Donde t2 t 1  es el tiempo que permanec permanecee el material en entre tre el dado y los rodillos de aarrastre rrastre (Calandra de tiraje). La fuerza debida a la aceleración será: 

=  = 

 −  

 

 −  

(1.2.2.5)

donde m es la masa de polímero y a es la aceleración, la cual puede ajustarse. La calandra de tiraje esta compuesta por dos cilindros revestidos de caucho duro, que deben  pro ducir  produc ir una un a pre presi sión ón de cier ci erre re uni unifo form rme, e, y qque ue ti tiran ran de la pelíc pel ícul ulaa con una vel veloci ocidad dad de ar arra rast stre re que qu e va a determinar su espesor.

 

4

 

Las fuerzas en las direcciones horizontal y vertical son las causantes del estiramiento del biaxial de la película. La velocidad de los rodillos de arrastre y así, el grado de estiramiento biaxial, puede ajustarse según las necesidades. Si la película de polímero se va a usar para fabricar una bolsa de basura, sería de desear una resistencia r esistencia elevada y una permeabilidad baja. Se denomina relación de tiraje la existente entre las velocidades de tiraje y de extrusión del material.   =

siendo:

 

=

  ρ   ρ

 ρ 

=

 

(1.2.2.6)

  ρ 

Dd = Diámetro del dado Db = Diámetro de la burbuja e = Espesor de la película h = Espesor de la hilera ρ1  y ρ2 = Densidades del polímero fundido y sólido (0.82 para el PEBD), respectivamente. R S = (D b/D h) = Relación de soplado Para obtener una buena calidad del film, T debe estar comprendido entre 3 y 6. En la calandra de bobinado se disponen una serie de rodillos que evitan la formación de pliegues. Es posible hacer una estimación de la orientación de la película soplada , considerando solamente solamente el efecto debido al inflado de la burbuja. burbuja. Como la velocidad de flujo en volumen es el mismo para el  plást  plá stic icoo en el dad dadoo y eenn la l a bbur urbuj buja, a, lu luego ego en la uni unidad dad de ti tiemp empoo se s e ttie iene: ne: π   

= π   

(1.2.2.7)

donde D, h y L se refieren al diámetro, el espeso espesorr y la longitud respectivame respectivamente nte y el subíndice d es  paraa el dad  par dadoo y la l a b para pa ra la bur burbuj buja. a.   Entonces la orientación en la dirección de la máquina, O MD , viene dada por: 

=

 

=

   



=  

 

 

(1.2.2.8)  

  donde    es la relación de hinc hinchamianto hamianto radial    .     La orientación en la dirección transversal, O TD ,viene dada por: 

=

  

=   

(1.2.2.9)

Por tanto, la relación de orientación puede expres expresarse arse como:   =           (   )

(1.2.2.10)

 

5

 

  Los filmes también se pueden fabricar por extrusión a través de boquillas con dado delgado y largo, de la que salen verticalmente, enfriándose seguidamente entre cilindros refrigerados o en un baño de agua. Los filmes de termoplásticos cristalinos obtenidos por extrusión plana son más transparentes que los filmes tubulares, debido a la mayor velocidad de enfriamiento que limita el desarrollo de la cristalinidad. Sin embargo, al no producirse el estirado biaxial característico de la extrusión tubular, su tenacidad resulta inferior. Vale la pena observar esta técnica con mayor detalle. En primera instancia, ¿Por qué no revienta la burbuja? Debe haber un mecanismo de estabilización. Para encontrarlo, hay que analizar nuevamente el comportamiento general del material y reflexionar acerca de la naturaleza del  proced  pro cedim imie ient nto. o. El sop sopla lado do de la bur burbuj bujaa eess ppri rinci ncipal palme mente nte un pr proce oceso so de tr tracc acción ión,, m más ás que qu e ddee cor c orte te.. 1.2.3. Comportamiento ante los esfuerzos de tracción. t racción. Hay cuatro componentes de la deformación: los comportamientos elástico y viscoso ante los esfuerzos de corte y de tracción. El interés principal se relaciona con la viscosidad de corte, aunque también existe la viscosidad de tracción. El soplado de la burbuja es, principalmente, un proceso de tracción, más que de corte, y cabe preguntarse como reaccionan los polímeros cuando la mayor  parte  par te de lo loss eesf sfue uerzo rzoss son de tracc tr acció ión. n. Al igual que cuando se somete a esfuerzos de corte, hay un comportamiento viscoelástico. La viscosidad en tracción λ  tiende a ser alta, aproximadamente tres veces la de corte (λ ~ 3η  También hay un paralelismo con eldecomportamiento y no newtoniano, así sieslatroutoniano viscosidad (que a la tracción es independiente la velocidad de newtoniano deformación, se dice que el fluido equivale al comportamiento newtoniano en el corte). Hay dos tipos de comportamiento no troutoniano, el cual sí depende de la velocidad deformación: la rigidización por tracción y el debilitamiento por tracción. Estos se muestran en la figura 1.2.3.1. La mayoría de los polímeros fundidos son troutonianos, por ejemplo, el polimetilmetacrilato, el  polie  pol iest stir ireno eno,, el pol polic icar arbon bonat ato, o, el nyl nylon, on, el pol polie ietil tilent enter ereft eftal alato ato.. El pol polie ieti tile leno no de baja baj a densi den sidad dad ramificado sufre rigidización por tracción. Las poliolefinas lineales, por ejemplo, el polietileno de alta densidad y el polipropileno, se debilitan por tracción. El comportamiento elástico siempre es el de rigidización por tracción.

Figura 1.2.3.1. Viscosidad en tracción.

 

6

 

1.2.4. Estabilización de la burbuja. Ahora se puede ver de qué manera el comportamiento ante la tracción estabiliza la burbuja  pelic  pel icul ular ar.. Un si siste stema ma como com o ést éstee siem si empr pree ti tiene ene ir irre regul gulari aridad dades es accid acc ident ental ales. es. Cuand Cu andoo el pr produ oduct ctoo extruido es ligeramente más delgado, el esfuerzo es mayor. Un material no rigidizable se deformará def ormará más, posiblemente hasta que se rompa. La rigidización por tracción, sin embargo, genera una mayor reacción viscosa o elástica, la cual contrarresta más de lo necesario el incremento del esfuerzo y se estabiliza el sistema. El otro factor importante de estabilización es la rapidez de cristalización. Cuando se fabrica una  pelíc  pel ícul ulaa de est estaa man maner era, a, se form fo rmaa una un a lí línea nea de con congel gelaci ación ón un poco po co hac hacia ia arrib arr ibaa de la burb bu rbuj uja. a. Aquí Aqu í es donde cristaliza el polímero y se hace menos transparente. En un polímero que se transforma bien con este procedimiento, la cristalización se provoca con tensiones y, en consecuencia, se rigidiza  por tr tracc acció ión, n, la rapi ra pidez dez de crista cri stali liza zació ciónn no deb deberá erá ser ta tann al alta ta que im impi pida da obten ob tener er primer pri meroo la orientación necesaria. Por lo común, los polímeros en los cuales sucede esto, por ejemplo, el acetal y el nylon, no pueden tratarse de manera satisfactoria con esta ruta. Los efectos principales son el comportamiento elástico en el producto obtenido por extrusión, refrigerante y gomoso, y la rapidez de cristalización, ambos rigidizantes por tracción, de modo que incluso el polietileno de alta densidad, cuya fusión es adelgazante por tracción, es netamente rigidizante por tracción. El polietileno de baja densidad fue uno de los primeros polímeros que se sometió al tratamiento. Su viscosidad rigidizante por tracción fue importante en las primeras experiencias. Hay un contraste interesante en la producción de la película de polipropileno. El polipropileno adelgaza por tracción cuando está fundido y además su rapidez de cristalización durante el enfriamiento es muy lenta; esto le impide intervenir i ntervenir en el proceso de soplado de película común que se explicó anteriormente. Se adopta, por tanto, una técnica diferente en la cual el material obtenido  por extru ext rusi sión ón se enf enfrí ríaa brusc br uscame ament ntee mient mi entra rass est estáá en el estado est ado fu fundi ndido do con agua agu a muy mu y fr fría ía pa para ra obtener un tubo amorfo gomoso. Luego se recalienta hasta la temperatura a la cual se obtiene una máxima cristalización y. luego, se sopla (Figura 1.2.4.1). Hay que señalar, que el procedimiento del polipropileno funciona verticalmente hacia abajo. Al soplar dentro del tubo recalentado se evitan los problemas que acompañan a una fusión adelgazante  por tr tracc acció iónn y una cri crist stali alizac zació iónn le lent ntaa que qu e dar daría ía lug lugar ar a una burbuj bur bujaa inest ine stabl able. e. Este Es te pr proce ocedi dimi mient entoo del polipropileno es especialmente interesante porque simboliza el fundamento de estirar y soplar botellas, el cual adquirió importancia i mportancia en años recientes para envasar bebidas carbonatadas. La película soplada de polipropileno tiene un uso importante para empaquetar. Es la película "crujiente" que no se deja torcer cuando se desea desechar, se utiliza mucho en paquetes de papas fritas y en el exterior de paquetes de té y tabaco. La película para tabaco tiene que ser especialmente impermeable a los gases con el fin de retener niveles de humedad y aroma en el contenido. Para mejorar sus propiedades en este aspecto, se reviste con cloruro de polivinilideno a partir de una dispersión acuosa y se seca luego.

 

7

 

Figura 1.2.4.1. Soplado de la película de polipropileno.

 

1.3. Procesos de recubrimiento. r ecubrimiento. 1.3.1. Introducción. Hay muchas aplicaciones en las cuales es necesario poner un recubrimiento de plástico sobre láminas de diversos materiales y la extrusión proporciona un modo ideal de hacer esto. Así, en la actualidad se recubren gran número de materiales (papel, cartón, tejido de yute, hoja de aluminio, etc.) con filmes de plástico, especialmente PEBD, mediante extrusión directa.  Normal  Nor malmen mente te,, una pel pelícu ícula la delgad del gadaa de plást pl ástico ico fun fundid didoo es extru ext ruid idaa media me diant ntee un dad dadoo con una estrecha abertura rectangular e inmediatamente se pone en contacto con el producto que se quiere recubrir. El material compuesto formado se pasa entre unos rodillos para asegurar la adherencia apropiada en la intercara entre los dos materiales y también para controlar el espesor de la capa de recubrimiento (Figura 1.3.1.1).

 

8

 

  Figura 1.3.1.1. Proceso de recubrimiento de láminas. El fundido que sale de la cabeza de la extrusora es estirado por dos rodillos cilíndricos directamente situados debajo de la hilera y entre los cuales pasa el sustrato con una velocidad mayor que la de salida del polímero de la extrusora, con lo que se produce un estirado del film de forma que se consigue el espesor deseado, mientras que la presión entre los rodillos lo suelda al sustrato. Seguidamente se refrigera en otro rodillo, se cortan los bordes laterales, en los que es imposible conseguir un buen acabado, y se bobina. Para conseguir una buena adherencia del recubrimiento es preciso disponer de una alta temperatura en la extrusora. Esto supone un serio inconveniente para materiales como el PVC, cuyo punto de degradación térmica está muy próximo a la l a temperatura necesaria para alcanzar la fluidez adecuada. En tales casos resulta preferible realizar el recubrimiento mediante calandrado. Cuando el material a recubrir es poroso (papeles y tejidos, por ejemplo) el recubrimiento fundido  penet  pen etra ra en lo loss por poros os produ pr oduci ciénd éndos osee un anc ancla laje je o adh adhesi esión ón fí físi sica. ca. Sin Si n embar emb argo, go, cuando cua ndo el sustr sus trat atoo  prese  pr esent ntaa una super su perfi fici ciee lisa li sa y con conti tinua nua,, la adh adhesi esión ón dep depend endee fundam fun dament entalm alment entee de la atr atracc acción ión química que, en materiales poco adherentes, como el PE, se favorece por la oxidación producida cuando se trabaja a alta temperatura. El inconveniente de esta oxidación es que disminuye la soldabilidad posterior del recubrimiento. Puede mejorarse la adhesión precalentando el sustrato a recubrir. Otro tipo de proceso es el recubrimiento de cables eléctricos, en donde se usan aislamientos de  plást  plá stic ico, o, que qu e con frecu fr ecuenc encia ia son de pol poliet ietil ilen eno, o, sob sobre re con condu duct ctore oress el eléct éctri ricos cos.. La gr gran an demand dem andaa de cables con aislamiento en la industria eléctrica significa que grandes tonelajes de plástico son usados en esta técnica de recubrimiento. r ecubrimiento. En la figura 1.3.1.2 se muestra el procedimiento de manera esquemática. El cable eléctrico pelado, que puede ser calentado o tener su superficie imprimada, se pasa a través del cabezal de recubrimiento desde un carrete situado en la entrada del extrusor. Entra con un ajuste de interferencia que evita cualquier tendencia del polímero a fluir en sentido inverso. El polímero fundido entra en ángulo recto y rodea el cable. La velocidad de paso puede estar comprendida entre 1 m/min y 1000 m/min dependiendo del diámetro del cable. Cuando el cable sale del dado tiene una capa de plástico, cuyo espesor depende de la velocidad del cable y de las condiciones de extrusión. A continuación, el cable recubierto de  plást  plá stic ico, o, pas pasaa por po r una un a línea lí nea de enf enfri riami amient ento, o, que pue puede de ext extend ender erse se una dis dista tanci nciaa li line neal al de var varios ios cientos de metros. Finalmente, el cable es enrollado sobre tambores de almacenamiento.

 

9

 

  Figura 1.3.1.2. Recubrimiento de cables por medio de extrusión con cabeza transversal. 1.3.2. Análisis del recubrimiento de cables. El recubrimiento de cable cabless puede analizarse de manera muy similar a lo que se describió para el caso de la extrusión. El recubrimiento sobre el cable proviene de dos efectos: (a). Flujo de arrastre debido al movimiento del cable (b). Flujo de presión debido a la diferencia de presión entre la salida del extrusor y la l a del dado. El flujo de arrastre, Qd , viene dado por:

 



=     

 

=

donde:  = π    +      El flujo de presión, Q p, viene dado por: 

        η   

 

10

 

  Combinando las dos expresiones anteriores, el caudal total de salida, Q, es:

=

                =          +      + η    η    

(1.3.2.1)

Por su parte, el volumen del plástico de revestimiento r evestimiento del conductor eléctrico es: 

 = π    (  +  )

−      

o bien:  = π   [  +  ]

(1.3.2.2)

Igualando las expesiones (1.3.2.1) y (1.3.2.2), se obtiene:



   



η  

π    [ +  ] =        +

 

de la cual: 

=

η    

 

(  −    )

(1.3.2.3)

La fórmula anterior nos da la presión necesaria a la salida del extrusor y, por lo tanto, permite seleccionar las condiciones apropiadas de extrusión. 1.4. Coextrusión. 1.4.1. Introducción. Descripción del procedimiento. p rocedimiento. Como consecuencia consecuencia de la amplia gama de exigencias que se requieren a los materiales plásticos en la práctica, práctica, no es inusual que en mu muchos chos ca casos sos nnoo exista un plástico individual, que pos posea ea la combinación correcta de propiedades para satisfacer satisfacer una necesidad particular. particular. Por lo tanto, es muy común en la fabricación de artículos como: película para empaquetar, recipientes para yogures, revestimientos de refrigeradores , juntas y marcos ddee ventana ventana,, que se tenga que ir a un plástico compuesto de múltiples ccapas. apas. Esto ees, s, particularmente cierto para la película película eextruida xtruida y las láminas para termoformado. El proceso de coextrusión coextrusión ha llegado a ser ba bastante stante atractivo para producir, producir, entre otros, láminas y  pelíc  pel ícul ulas as pl plást ástic icas as com compue puest stas as de dos o más capas. cap as. En est estee ppro roces ceso, o, dos o m más ás cor corri rient entes es de plást pl ástic icoo fundido convergen y se unen a la entrada del dado, se desplazan luego como flujos adyacentes por el interior del dado emergiendo finalmente para enfriarse y solidificar, conformando así el producto coextruido de dos o más capas. La figura 1.4.1.1 muestra cuatro diferentes perfiles de productos coextruidos, donde A y B representan dos diferentes tipos de plástico. El éxito del proceso de coextrusión depende en gran medida del diseño del dado, el cual debe tener una forma adecuada para reunir diferentes corrientes de plástico fundido y controlar, por ejemplo, el espesor de las diferentes capas del producto coextruido. Sin embargo, reológicas las propiedades deflujos cada  adyacentes, uno de los también plásticosinfluyen utilizados, así comoenlas características de los de dosflujo o más grandemente el éxito del proceso de coextrusión.

 

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Figura 1.4.1.1. Diferentes perfiles de productos coextruidos

 

Las películas coextruidas pueden obtenerse por el método de soplado de película o por un proceso de colado de película como se muestra en la figura 1.4.1.2.a y b, respectivamente. El proceso de colado, que usa un dado con una ranura rectangular estrecha y un rodillo de enfriamiento, produce una película con una buena claridad y lustre. Sin embargo, el proceso de soplado produce una  pelíc  pel ícul ulaa má máss fuert fu ertee deb debid idoo a la ori orient entaci ación ón tr trans ansver versal sal que qu e se origi ori gina na y of ofre rece ce una un a mayor ma yor flexibilidad en términos de espesores de película. En la mayor parte de los casos hay una adherencia insuficiente entre los polímeros base y entonces es necesario tener una película adhesiva entre cada una de las capas base. Las investigaciones recientes en la coextrusión se centran en desarrollar técnicas que eviten la necesidad de la capa adhesiva. Entre ellos esta el desarrollo de procesos de unión reactiva, en los cuales las capas co extruidas se unen químicamente por medio de enlaces entrecruzados. Como la coextrusión es la extrusión simultánea de más de un tipo de polímero para obtener un  produc  pro ducto to la lami minad nado. o. Est Estoo requi re quier eree un ext extru rusor sor sep separ arado ado pa para ra cada cad a polím pol ímer eroo (F (Fig igur uraa 1. 1.4.1 4.1.2) .2).. El  produc  pro ducto to se form fo rmaa a ppart artir ir de capas cap as múlt mú ltip iple less en el dad dado. o. La técnica permite obtener productos con propiedades diferentes en cada lado o, por lo común, en el interior y en el exterior. Así, una capa interna puede dar impermeabilidad, en tanto que las capas externas, entre las cuales se halla, proporcionarían una resistencia mayor a la abrasión. Por lo común, es necesario usar capas ligantes que mantengan juntas las capas funcionales. Así, el  produc  pro ducto to lam lamin inado ado ten tendr dría ía realm re alment entee ccin inco co capas: cap as: ext extern erna ali ligan gante tec cent entral rall lig igant ante eext extern erna. a. En el ejemplo común más simple se usan dos capas. Los contenedores internos de muchas marcas de cereales se elaboran con película soplada de polietileno de alta densidad (PEAD) con una capa interna de menor temperatura de reblandecimiento. Esto permite sellar el paquete en una prensa de tenazas calientes, donde la capa interna se reblandece y sella sin que se dañe la capa externa. Inicialmente había dificultad en este sistema de empaquetamiento para determinar las condiciones correctas de proceso y los paquetes no sellaban adecuadamente o sellaban tan herméticamente que no podían abrirse con facilidad. Ahora, la l a técnica está bien controlada, se tiene t iene una mejor selección de las clases del polímero que se usa para las dos capas, de modo que en la actualidad los problemas de sellado han sido superados.

 

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  Figura 1.4.1.2. Coxtrusión de películas plásticas. La principal razón de producir películas co extruidas de múltiples capas, es conseguir materiales con mejores propiedades en particular 1.4.1.1 muestra los efectosde quebarrera, se pueden alcanzar. con respecto a la infiltración de gas. La tabla

 

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  Tabla 1.4.1.1. Efectos que se pueden lograr l ograr con la coextrusión.

Las técnicas de coextrusión se emplean no sólo para perfiles, sino también en películas sopladas, como se puede observar, en algunos ejemplos de botellas sopladas. ¿Por qué no se mezclan las corrientes de polímero cuando se juntan en el dado? La razón es que las condiciones de flujo laminarprincipal prevalecen sobre las de turbulencia que conducirían a suRe: mezcla. La alta viscosidad es el factor y produce un valor bajo del número de Reynolds, Re ynolds, R e =

  . .    cos   

 ρ  

=  

 

(1.4.1.1)

Bajo estas condiciones, el número de Reynolds es muy bajo (< 10) debido al alto valor de la viscosidad. Se considera que un valor mayor de 2000 será el límite para la formación de turbulencia. 1.4.2. Inestabilidades de flujo en coextrusión de multicapas. Existen diversos tipos de inestabilidades de flujo en la coextrusión de lámina o película plástica de multicapas. ejemplo, pulsaciones (surging) en plástico, el flujo del de auniformidad temperatura Por de cada una de las diferentes capas de queextrusor pueden odarfalta lu gar lugar variaciones en la el espesor de las diferentes capas. Una diferencia grande entre las l as viscosidades de las diferentes capas de plástico hará que la resina de menor viscosidad emigre hacia la región de mayor esfuerzo de corte, con tendencia a encapsular o envolver a la resina de mayor viscosidad. Otro tipo de inestabilidades puede ocurrir en las interfases de la corriente de multicapas, lo cual en caso extremo puede causar intermezclado de las diferentes capas. Por ejemplo, bajo condiciones de flujo estable las interfases del fluido fl uido dentro del dado son suaves, planas y paralelas (o concéntricas, en caso de perfiles circulares). Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de flujo, se alcanza un punto en el cual la capa de plástico en contacto con el dado empieza a exhibir ondulaciones. En caso de ondulaciones de baja amplitud, éstas pueden pasar inadvertidas y no interferir con la funcionalidad de la película, pero a velocidades de flujo mayores esta distorsión llega a ser más severa.

 

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  La figura 1.4.2.1.a ilustra una película o lámina de dos capas con diferentes grados de inestabilidad de flujo interfacial y la figura 1.4.2.1.b muestra dos vistas de una sección transversal de una lámina coextruida de tres capas (ABSHIPSABS). El cambio de flujo estable a flujo inestable se produjo al bajar la temperatura del dado y del extrusor, es decir, al alimentar la viscosidad de las corrientes de  plást  plá stic icoo fun fundid didoo y, en c onsecuencia, incrementarse los esfuerzos de corte involucrados. 

(a)

(b)

Figura 1.4.2.1. (i). Película o lámina de dos capas con diferentes grados de inestabilidad de flujo interfacial. (ii). Dos vistas vi stas de una sección transversal de una lámina coextruida de tres capas (ABSIIIPSABS) 1.4.3. Localización de las inestabilidades de flujo interfacial. i nterfacial. Para determinar las fuentes de inestabilidad se procedió a coextruir una lámina de tres capas (ABS PSABS) a través de un dado de rendija con un solo maniful y un bloque de alimentación. Se analizaron diferentes condiciones de operación y en el momento en que se observó una incipiente inestabilidad de flujo interfacial se detuvieron los extrusores y se tapó el orificio del dado. Se dejó enfriar el dado y se desarmó y el plástico solidificado se seccionó para estudiar las interfases y sus  patron  pat rones es de fluj fl ujo. o. Se encontró que las interfases permanecían uniformes y claramente definidas ala salida del bloque de alimentación, y se conservaban así hasta llegar justo antes de la entrada del dado. Sin embargo, dentro de la parte plana del dado empezaba a desarrollarse una distorsión en las interfases en forma de ondulaciones. Se supuso entonces la existencia de un esfuerzo de corte interfacial crítico por en cima del cual aparecen las inestabilidades de flujo interfacial en un determinado par de polímeros. Se diseño un experimento para testificar la validez de la suposición anterior, y para ello se seleccionó la coextrusión de una lámina de tres capas (ABSPSABS). El primer experimento fue  paraa selecc  par sel eccio ionar nar la lass var variab iable less más im impor porta tant ntes. es. Las var varia iable bless consi con side derad radas as en el pr prim imer er exper exp erim iment entoo fueron: 1. Temperatura de la capa externa. 2. Temperatura de la capa externa. 3. del dado. (capa externa/capa interna) 4. Temperatura Relación de espesores 5. Velocidad de extrusión total 6. Apertura del dado (h).

 

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Se encontró que las variables más importantes son: 1. Temperatura (y viscosidad) de la capa externa 2. Relación de espesores (capa externa/capa interna) 3. Velocidad de extrusión total 4. Apertura del dado (h) Las cuatro variables seleccionadas como importantes se modificaron independientemente para  produc  pro ducir ir desde des de fluj fl ujoo est establ ablee has hasta ta flujo fl ujo in inest establ ablee en la lá lámi mina na de ABS ABSPS PSA ABS. BS. En cad cadaa caso cas o se cambiaba una sola variable, manteniendo las demás constantes. El punto de inestabilidad interfacial incipiente se determinó visualmente, de manera relativamente subjetiva. El esfuerzo de corte interfacial se calculó a partir de las condiciones de coextrusión (conocidas) en el punto de inestabilidad incipiente y de las constantes del material plástico K y n. Estas constantes se determinaron previamente utilizando un reómetro capilar. Se encontró que la inestabilidad de flujo interfacial aparecía cuando el esfuerzo de corte interfacial era aproximadamente igual a 500000 dinas/cm2 , sin importar cuál de las cuatro variables analizadas  perma  per manec necía ía con const stant antee o era er a m modi odifi ficad cada. a. Es Este te val valor or de 50000 50 00000 din dinas/ as/cm cm 2 se refiere exclusivamente al sistema ABSPSABS estudiado y podrá ser diferente di ferente para diversos sistemas. En consecuencia, la inestabilidad de flujo interfacial puede ser reducida o eliminada al disminuir el esfuerzo de corte interfacial, y esto se logra de la siguiente manera, considerando que: 6η Q  σ  =   2 wH

(1.4.3.1)

(a). Aumentando el espesor de la capa externa (b). Aumentando la apertura del dado (c). Disminuyendo la velocidad de extrusión total (d). Disminuyendo la viscosidad de la capa externa 1.4.4. Inestabilidades originadas por diferencias di ferencias en viscosidad. Cuando dos fluidos nonewtonianos con diferente viscosidad se hacen fluir a través de un canal [por ejemplo, LDPE (menor viscosidad) y PS (mayor viscosidad), a través de un canal rectangular o de un canal circular] sucede lo de siguiente: medida quey el flujo avanza, el fluido de menor viscosidad tiende a envolver al fluido mayor aviscosidad, además este envolvimiento será mayor entre mayor sea la diferencia de viscosidades y la longitud del canal. Por ejemplo, la figura 1.4.4.1 1.4.4.1 muestra el flujo laminar de dos corrientes adya adyacentes centes de plás plástico tico fundido a través de un dado rectangular. Se observa que el fluido A (menor viscosidad) tiende a envolver al fluido B (mayor viscosidad), y además este envolvimiento se hace más notorio al aumentar la longitud del canal.

 

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  Figura 1.4.4.1. Flujo laminar de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado rectangular Igualmente, la figura 1.4.4. 1.4.4.22 ilustra una se sección cción transver transversal sal de dos corrientes aadyacentes dyacentes de  plást  plá stic icoo fun fundid didoo a travé tr avéss de un dad dadoo circu ci rcula lar. r. El plást plá stic icoo A (menor (me nor visco vi scosid sidad) ad) ti tiend endee a envol env olver ver al  plást  plá stic icoo B (m (mayo ayorr vis viscos cosid idad) ad),, y est estee env envol olvi vimi mient entoo se hac hacee ta tambi mbién én más notori not orioo al aument aum entar ar la longitud del canal.

Figura 1.4.4.2. Sección transversal de dos corrientes adyacentes de plástico fundido a través de un dado circular Tratar de igualar las viscosidades de dos fluidos nonewtonianos no es cosa simple. Esto se debe a que la viscosidad de dichos materiales depende de la temperatura y de la velocidad de corte. Por ejemplo, bajo unas condiciones de operación se pueden tener viscosidades similares, pero al cambiar alguna de estas condiciones (temperatura o velocidad de corte) las viscosidades tenderán a ser diferentes. Esto se observa en las dos siguientes figuras. En la figura 1.4.4.3 se observa que la relación entre las viscosidades del HPDE y del PS es diferente a dos temperaturas diferentes (200 y 240°C). Así, los perfiles de las interfases que se pudieran obtener serán diferentes cuando se tenga flujo adyacente de estas dos corrientes a las dos temperaturas citadas.

 

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  Figura 1.4.4.3 Relación entre las viscosidades del HPDE y del PS. En la figura 1.4.4.4 los polímeros A y B fluyen a través de un dado como dos corrientes adyacentes, a una determinada velocidad de corte, mostrando una sección transversal que semeja dos semicírculos. Sin embargo, a velocidades de corte menores A es menos viscoso y tiende a envolver a B, y a velocidades de corte mayores B es menos viscoso y tiende a envolver a A.

Figura 1.4.4.4. Polímeros A y B fluyendo a través de un dado como dos corrientes adyacentes, a una determinada velocidad de corte. 1.4.5. Adhesión interfacial en coextrusión. Cuando una lámina o película coextruida es enfriada y las diferentes capas se solidifican, éstas  pueden  pue den perm pe rmane anece cerr unid un idas as fuert fu ertem ement ente, e, o bien bi en pueden pue den sep separ arars arsee (p (pel elar arse) se) fác fácil ilme ment ntee una un a de otra. otr a. Algunos pares de polímeros exhiben una fuerte adhesión interfacial, mientras que otros sólo muestran una débil adhesión interfacial.

 

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Cuando dos corrientes de plástico fundido se unen, se forma una   interfase entre los dos fluidos, la cual es transportada bajo presión  hasta la salida del dado. Estas condiciones favorecen un íntimo y   completo contacto interfacial entre los dos fluidos. Esto va acompañado    por una un a ci cier erta ta interpenetración molecular, ya que segmentos de plástico de una fase se difunden a través de la interfase hacia la otra fase    plást  pl ástic ica. a. Sin Si n emb embar argo, go, esta est a inter int erpen penet etra ració ciónn está est á li limi mitad tadaa termodinámicamente y depende de la miscibilidad o inmiscibilidad entre las dos  fases. El alcance de la interpenetración molecular es uno de los factores   que determinan la adhesión interfacial, pero los procesos de solidificación también están involucrados. Dos capas adyacentes  pueden  pue den sol solid idif ific icar ar a dife di feren rente tess te temp mper eratu aturas ras,, a difer di ferent entes es veloci vel ocidad dades es y por mecani mec anism smos os dife di feren rentes tes,, afectando así la estructura y las propiedades de la  interfase. Por ejemplo, si la capa A cristalizó cuando la capa B es  todavía un fluido, segmentos de A que habían penetrado hacia B pueden   retraerse de nuevo hacia la capa A y disminuir esa adhesión interfacial.   En el caso general de coextrusión de multicapas, utilizando dos  pol  polím ímero eross escogi esc ogido doss al azar, aza r, no se conoce una teoría cuantitativa que pueda predec      ial en la película solidificada. En ocasiones sucede que un arreglo deseado de multicapas muestra   una adhesión pobre entre dos capas adyacentes, con la consecuente separación de dichas capas. Esta debilidad puede remediarse si se  introduce una capa delgada de un tercer polímero que muestre una   buena adhesión hacia los dos materiales anteriores [capa adhesiva polimérica]. El mejor candidato paradelformar adhesivamostrar entre loscompatibilidad dos polímeros con A y ambas B siempre un copolímero en bloque tipo una AB capa que pudiera fasesserá y así funcionar como un fuerte adhesivo entre las fases A y B. Sin embargo, en la mayoría de los casos ésta sólo es una solución hipotética, ya que el copolímero indicado puede comúnmente no estar disponible en el mercado. En la práctica, la selección del polímero para formar la capa adhesiva depende de la experiencia. La tabla 1.4.5.1 muestra una guía cualitativa del grado de adhesión que se puede lograr durante la coextrusión de diversos polímeros. Ocasionalmente se utilizan las mezclas de polimeros para formar una capa adhesiva entre dos capas diferentes que muestran pobre adhesión entre sí. Con frecuencia la adhesión entre dos capas puede optimizarse al utilizar como capa adhesiva una mezcla de polímeros compatibles. Por ejemplo, un copolímero en bloque de estirenobutadieno se adhiere muy bien al poliestireno y a sus copolímeros,  peroo no muest  per mu estra ra adh adhere erenci nciaa al pol polie ieti tile leno. no. Sin Si n emb embarg argo, o, una un a mezcl mez claa del copolí cop olíme mero ro de estir est ireno eno butadieno con un copolímero de etileno(vinil acetato) puede ser muy efectiva como capa adhesiva entre una capa de poliestireno y otra de polietileno. Una mezcla del copolímero etileno(ácido acrílico) con un copolímero de etileno(viril acetato) puede funcionar muy bien como capa adhesiva entre un capa de nylon y otra de policloruro de vinilo. Por otro lado, se han utilizado mezclas de dos polímeros incompatibles C y D como una capa adhesiva entre capas de los mismos polímeros incompatibles C y D. Sin embargo, la adhesión que se obtiene es relativamente pobre.

 

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Tabla 1.4.5.1. Guía cualitativa del grado de adhesión que se puede lograr durante la coextrusión de diversos polímeros.

PP, polipropileno PS, poliestireno cristal HIPS, poliestireno de alto impacto i mpacto ABS, acrilonitrilobutadienoestireno (terpolimero) uPVC, policloruro de vinilo  pPVC,  pPV C, polic pol iclo loru ruro ro de vinil vi niloo VCVdC, (cloruro de vinilo)(cloruro de vinilideno) (copolimero) PC, policarbonato PU, poliuretano PA6, poliamida,6 (nylon,6) EAA, ettileno(ácido acrílico) (copolimero) EVA, etileno(vinil acetato) (copolimero) SBS, estirenobutadienoestireno (copolimero de bloque) CPE, polietileno dorado  

 

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1.4.6. Propiedades de láminas y películas de multicapas. 1.4.6.1. Permeabilidad de láminas y películas de multicapas. La permeación (o flujo) (le gases y vapor de agua a través de una película de plástico depende de la  perme  per meabi abili lidad dad P del plást pl ástic icoo y del esp espeso esorr e de la pel pelíc ícul ula, a, así com comoo de la dife di fere renci nciaa de pr presi esione oness  parci  par cial ales es del gas en cuesti cue stión ón en ambos amb os la lados dos de la pel pelíc ícul ulaa P 1 y P 2 , es decir:   −     =   1  2       =

(1.4.6.1.1)   

 



(1.4.6.1.2)

La permeación a través de una película compuesta por varias capas se calcula tratándola como un  paquet  paq uetee ddee res resis iste tenci ncias as en serie ser ie,, de modo mo do que la per perme meabi abili lidad dad de la pelíc pel ícul ulaa compu com puest estaa eess igua i guall a: e e   e 1  = 1 + 2 + ............ +  n Perm Permea eabi bili lida dadd P1 P2 Pn

(1.4.6.1.3)

En estado estable, la permeación es uniforme a través de la película, pero la concentración de gas exhibe una discontinuidad en cada interfase. La permeabilidad de un dado polímero depende también del grado de cristalización y, además, de la morfología cristalina. Se ha encontrado también que películas con múltiples capas "barrera" (impermeables) pueden retener sus propiedades barrera incluso después de maltrato severo. Por ejemplo, una película con varias capas de SARAN (tipo especial de policloruro de vinilideno) puede retener sus propiedades barrera aun después de severo maltrato a bajas temperaturas; sin embargo, una película de igual espesor, pero de una sola capa de SARAN, sí muestra una catastrófica pérdida de sus propiedades barrera después de dicho maltrato. La tabla 1.4.6.1.1 muestra la permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de oxígeno. Se observa que 0.025 mm de SARAN proveen una barrera equivalente a 0.100 mm de resina de nitrilo, mm de nylon, a 1.0 mm de PVCdelgadas rígido ydea resinas cerca decon 25.0 mm de poliestireno, po lietilenoa o0.250 polipropileno. Con frecuencia, capas buenas propiedades barrera son coextruidas con gruesas capas de polietileno, poliestireno o polipropileno para producir  pelíc  pel ícul ulas as con buena bu enass propi pr opieda edades des bar barrer rera, a, y aadem demás ás con al algun gunas as otras ot ras pr propi opieda edades des esp especí ecífi fica cas. s. La tabla 1.4.6.1.2 1.4.6.1.2 reporta la permeabilidad de estos mismos plás plásticos ticos para la transmisión transmisión de vapor de agua; con excepción del SARAN, el orden cambia significativamente. Los materiales higroscópicos, como el nitrilo, el etileno(vinil acetato) y el poliéster, son barreras pobres para el vapor de agua. Sin embargo el polietileno y el polipropileno son excelentes barreras contra el vapor de agua.

 

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Tabla 1.4.6.1.1. Permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de oxígeno.

Tabla 1.4.6.1.2. Permeabilidad de diferentes plásticos para la transmisión de vapor de agua

1.4.6.2. Propiedades mecánicas mecánicas de láminas l áminas y películas de multicapas. Consideremos una lámina coextruida, compuesta por una capa intermedia de un plástico de alto módulo y baja elongación, emparedada (con buena adhesión) entre dos capas de un plástico de bajo módulo y alta elongación. Cuando esta lámina se somete a una prueba de tensiónelongación, las capas de plástico de alta elongación pueden actuar previniendo la propagación de fracturas transversales en la capa de plástico de baja elongación. Con esto, la capa de baja elongación puede alcanzar el punto de cedencia dúctil, y así la lámina coextruida podrá ser estirada hasta una alta elongación. Este efecto se llama "reforzamiento mutuo de intercapas" (Figura 1.4.6.2.1).

 

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  Figura 1.4.6.2.1. Efecto del "reforzamiento mutuo de intercapas". En otras ocasiones interacción puede Un plástico de alta elongación puede comportarse como unesta plástico quebradizo en ser una contraria. lámina coextruida de multicapas. En este caso, el material de alta elongación no es capaz de bloquear la propagación de las fracturas en el material cíe baja elongación. Por ejemplo, dos capas externas de poliestireno cristal sobre una capa interna de poliestireno de alto impacto pueden formar una lámina coextruida que muestre un compor tamiento quebradizo. Este comportamiento se llama "destrucción mutua de intercapas". Para que estas interacciones (de reforzamiento o destrucción) se lleven a cabo se requiere de cierta adhesión en las interfaces de la película o lámina de multicapas. Sin embargo, entre más delgadas sean las capas mayor será la influencia de una capa sobre la otra. Además, entre más delgadas sean las capas menor será el grado de adhesión requerido para que una capa tenga influencia sobre la otra.  Al igual que en las películas de una sola capa, las propiedades mecánicas mecánicas de una película coextruida de multicapas dependen del grado de orientación molecular. Un cierto grado de orientación puede incrementar las propiedades mecánicas de las capas individuales y, por tanto, incrementar las  propie  pro piedad dades es de la pel pelíc ícul ulaa ddee mul m ulti ticap capas. as.   1.4.7. Coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas. 1.4.7.1. Métodos de coextrusión . Existen dos procesos para la producción de láminas y películas plásticas de multicapas: multi capas: (a). Extrusión de película tubular utilizando un dado anular (b). Extrusión de lámina y película plana utilizando utili zando un dado rectangular (de rendija). 

 

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1.4.7.2. Dados anulares para la coextrusión de película plástica de multicapas. El proceso de coextrusión de película tubular (por soplado) es ampliamente utilizado y muchas de las coextrusiones de dos y tres tr es capas fueron producidas primeramente por este proceso.  El diseño de dados tubulares para coextrusión requiere de la formación de capas concéntricas uniformes en el anillo del dado. Algunos diseños de dados para coextrusión de película tubular se ilustran en las figuras fi guras 1.4.7.2.1, 1.4.7.2.2 y 1.4.7.2.3. En la figura los polímeros y B sefundido unen enesundistribuida adaptador por (adelante de undel maniful) y la corriente de 1.4.7.2.1 capas concéntricas del A plástico el mandril dado para  produc  pro ducir ir dos do s cap capas as anula an ulares res de extru ext ruido ido.. El esp espeso esorr de cada cad a capa cap a es deter det ermi minad nadoo por po r el fl fluj ujoo volumétrico de cada polímero, proveniente de cada extrusor.

Figura 1.4.7.2.1. Dado para coextrusión de película tubular con un solo maniful. En la figura 1.4.7.2.2 se muestra un diseño de un dado anular con manifules individuales para cada  polím  pol ímer ero. o. Est Estos os di dist stri ribu buyen yen con concén céntr tric icam ament entee las capas cap as de lo loss polím pol ímero eross A y B ant antes es de que qu e se s e uunan nan más adelante en la parte plana del dado. Cada maniful debe estar bien diseñado para obtener uniformidad en las capas.

Figura 1.4.7.2.2. Dado anular con manifules individuales i ndividuales para cada polímero.

 

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En la figura 1.4.7.2.3 se muestra un tercer diseño, que incluye un número de manifules de distribución toroidal para el número requerido de capas. A medida que la corriente de plástico fundido fluye hacia la salida del dado, las capas se van extruyendo una sobre otra en forma secuencial.

Figura 1.4.7.2.3 1.4.7.2.3. . Diseño de dado que que incluye un número de manifules de distribución distribución toroidal para el número requerido de capas Estos diseños de dados tubulares llegan a ser bastante complicados para coextrusiones de más de tres capas. Sin embargo, mucha de la película para empaque con dos o tres capas se produce utilizando cualquiera de estos tipos de dados anulares. 1.4.7.3. Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas plásticas de multicapas. Láminas y películas coextruidas pueden también ser producidas utilizando un dado de rendija. La lámina producida en este proceso puede ser estirada (mientras el plástico permanece caliente) hasta obtener el espesor requerido, para obtener finalmente una lámina o película. Existen dos métodos  paraa la coe  par coext xtrus rusió iónn de d e lámi l ámina na o pelí p elícul cula, a, con un dad dadoo de d e rrend endij ija: a: (a). En el primer caso se utiliza un dado con tantos manifules como capas tenga la película. Cada maniful se extiende a todo lo ancho del dado. Además, estos manifules combinan las corrientes de  plást  plá stic icoo fun fundid didoo just j ustoo ant antes es de lo loss labi l abios os del dad dado. o. La fi figur guraa 1.4. 1 .4.7.3 7.3.1 .1 muestra  muestra un diseño de un (lado (l ado de este tipo.

Figura 1.4.7.3.1. Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas  plást  pl ástic icas as de mult mu ltic icapa apass o con ta tant ntos os ma mani niful fules es com comoo ccapa apass teng t engaa llaa pelí p elícul cula. a.

 

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  (b). En el segundo caso, más nuevo y ampliamente utilizado, se utiliza un dado convencional con un solo maniful, en combinación con un bloque de alimentación que introduce una corriente de  plást  plá stic icoo fundi fu ndido do en cap capas as prear pr earre regl glada adas, s, como com o se mue muest stra ra en la fi figur guraa 1. 1.4.7 4.7.3. .3.2. 2. En este est e métod mét odoo se lleva a cabo una deformación de la corriente de plástico fundido dentro del dado (comprimiendo y desparramando), manteniendo la integridad de cada capa.

Figura 1.4.7.3.2. Dados rectangulares (de rendija) para la coextrusión de láminas y películas  plást  plá stic icas as de mul multi ticap capas as con un solo sol o manif man iful ul,, en com combi binac nació iónn con un bloqu bl oquee de alimentación que introduce una corriente de plástico fundido en capas  prear  pr earreg regla ladas das.. Cada uno de estos dos sistemas tiene sus ventajas y desventajas. La mayor ventaja del dado multimaniful es su capacidad para extruir polímeros con propiedades reológicas muy diferentes entre sí. La principal desventaja es su complejidad, su costo y las dificultades de operación cuando se utiliza para coextrusión de más de tres tr es capas. Por otro lado, la mayor ventaja del dado con bloque de alimentación es su facilidad para eximir' una gran variedad de productos que tengan desde dos hasta varios cientos de capas; la desventaja es que requiere de polímeros con viscosidades similares entre sí para obtener capas uniformes. La figura 1.4.7.3.3 ilustra un bloque de alimen alimentación. tación. Un puerto de alimentación alimentación dosifica las cap capas as de dos o más polímeros hacia el canal del dado. El puerto de alimentación además puede subdividir y arreglar las corrientes de plástico fundido provenientes de cada extrusor en casi cualquier patrón de distribución de capas. (Con frecuencia es posible cambiar el patrón de distribución de capas sustituyendo simplemente el puerto de alimentación). Las corrientes de plástico fundido se combinan a la salida del puerto de alimentación para formar la corriente de multicapas que fluye en forma laminar l aminar hacia la salida del dado. Además, al suceder este flujo se disminuye el espesor de cada capa, al tiempo que cada una de ellas se desparrama para cubrir el dado a todo lo ancho. Este método ha sido utilizado comercialmente para fabricar película de hasta cinco y seis capas diferentes, utilizando hasta cinco y seis extrusores conectados conectados al bloque de alimentación.

 

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Figura 1.4.7.3.3. Bloque de alimentación.

 

1.4.7.4. Selección de polímeros para p ara coextrusión. Como el proceso de coextrusión se basa en la ocurrencia de un flujo laminar de una corriente de varias capas de plástico fundido, la adecuada selección de los diferentes plásticos es muy importante. Para dicha selección se deben considerar los siguientes factores: (a). Obviamente, los polímeros deben ser seleccionados con el objetivo de obtener las propiedades finales deseadas, por ejemplo: propiedades mecánicas, permeabilidad, habilidad para sellar con calor y resistencia química y resistencia a factores f actores de intemperie. También se deben considerar operaciones posteriores a la coextrusión: por ejemplo, si la lámina de multicapas va a ser termoformada, ésta debe tener cierta resistencia cuando esté reblandecida para poder ser termoformada. (b). Casi siempre se requiere de una adhesión perfecta entre las diferentes capas de polímero. Con frecuencia se utiliza una capa de un polímero adhesivo que se adhiere a las otras dos capas de  polím  pol ímero ero,, y ssee ccoex oextr truy uyee ccomo omo una cap capaa int i nterm ermedi edia. a. (c). Relacionada con la adhesión está la habilidad para reciclar plásticos recuperados de desperdicio industrial procedentes principalmente de los mismos procesos de coextrusión). Esta es una consideración económica muy importante. (d).Por último, se deben considerar las propiedades de flujo (reológicas) de los diferentes plásticos que se usarán en un de proceso de coextrusión. particularmente importante cuando se utiliza un bloque alimentación, ya queEstolases capas deben fluir y desparramarse uniformemente, siguiendo un patrón de flujo laminar. Lo primordial en este caso es que las viscosidades de los diferentes plásticos deben ser relativamente r elativamente similares entre sí. 1.4.7.5. Reciclado del desperdicio. La reutilización de los desperdicios de la coextrusión es de una importante consideración (económica). El reciclado de desperdicios de combinaciones de polímeros compatibles es casi directo, siempre y cuando la cantidad del reciclado sea controlada y se mantenga en un nivel consistente con las propiedades físicas y mecánicas. Por ejemplo, cuando se tiene una lámina coextruida de poliestireno (PS) y poliestireno   de alto impacto (HIPS) o una lámina coextruida de estirenoacrilónitrilo (SAN) y acrilonitrilobutadienoestireno (ABS), el desperdicio de cualquiera de estas dos láminas puede ser mezclado con material virgen (con HIPS o con ABS, según corresponda) y extruido de nuevo en la capa modificada con hule (HIPS o ABS). La dilución de esta capa puede causar disminución en la resistencia al impacto, pero esto pudiera ser aceptable si aun así se cumple con los requerimientos del producto final.

 

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El reciclado de desperdicios de combinaciones de polímeros incompatibles es un problema más difícil, ya que esto puede causar severas pérdidas de las propiedades mecánicas. En algunas ocasiones las capas que actúan como capas adhesivas pueden actuar como agentes compatibilizantes en la mezcla del reciclado y el polímero original. El reciclado de combinaciones de polímeros incompatibles, usualmente en la capa elastomérica, ha sido demostrado para ciertas combinaciones de polímeros, tales como ABSPS, PSEVAPE, PSSBSSARAN y PEEVASARAN. Sin embargo, esto es difícil y debe manejarse con cuidado. La compatibilidad de desperdicios de combinaciones de polímeros incompatibles puede incrementarse de la siguiente forma: (1). Modificación química de los polímeros o copolímeros para lograr mayor compatibilidad, es decir, mayor adhesión. (2). Uso de compatibilizantes, tales como el polietileno dorado, para promover la adhesión. (3). Mezclado intenso (existe evidencia de que la pérdida en propiedades es menor cuando el desperdicio y la resina virgen son sometidos a un mezclado intenso). 1.4.7.6 . Algunas aplicaciones. Una de las primeras coextrusiones realizadas tuvo la finalidad de obtener una película de tres capas (LDPEPPLDPE) para envolver pan. El LDPE tenía la característica de sellar con calor en las líneas de empaque de alta velocidad, mientras el PP proporcionaba la resistencia y la rigidez necesarias. Además, debido a su mayor temperatura de fusión evitaba que se rompiera la película durante el sellado térmico. La adhesión entre LDPE y PP es generalmente pobre. Sin embargo, en  pelíc  pel ícul ulas as del delgad gadas as para par a eemp mpaca acarr produ pr oduct ctos os de baja baj a ddens ensid idad ad (como (co mo el pan) pan ) ésta ést a era acept ace ptabl able. e. Otras aplicaciones para películas coextruidas de LDPEEVA, CPELDPE y LDPEHDPE fueron bolsas de trabajo pesado, fertilizantes y diversos productos químicos. Estas combinaciones estaban diseñadas para sellar con calor y para cierta resistencia mecánica y resistencia química. Cuando se requería una capa externa con un alto coeficiente de fricción se utilizaba CPE. También se han encontrado aplicaciones para películas de EVAHDPE y EVAPP para empaque de botanas, comida y cereales. La figura 1.4.7.6.1 muestra algunas combinaciones de multicapas y algunas de las  propie  pro piedad dades es funci fun cion onal ales es de cada cad a uuna na de estas est as est estru ructu cturas ras..

Figura 1.4.7.6.1. Algunas combinaciones de multicapas y algunas de las propiedades funcionales

de cada una de estas estructuras.  

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1.5. Rejillas altamente orientadas. Las rejillas de plástico han experimentado un desarrollo sumamente importante  en particular en la ingeniería civil. Su atractivo consiste en que la estructura abierta de la rejilla permite que las  partí  par tícul culas as del suelo su elo se entrel ent relace acenn por po r la lass abe abert rtur uras, as, pr prop opor orci ciona onando ndo un re refu fuerz erzoo sumame sum ament ntee resistente al suelo. Estas georejillas bajo el nombre comercial "Tensar", se usan en la actualidad  paraa la con  par const stru rucci cción ón de pis pista tass de ater at erri rizaj zajee y des despeg pegue, ue, apoyos apo yos de te terr rrapl aplén, én, re repar paraci acione oness de derrumbamiento, etc. Lasímer rejillas de alcanzan su alta deUna las placa moléculas del  pol  polím eroo ddur urant anteplástico e el proce pr oceso so de fab fabri rica cació ción, n,resistencia el cua cuall ssee gracias m mues uestr traaaenlalaorientación fi figur guraa 1.5. 1 .5.1. 1. pl aca obteni obt enida da  por ext extru rusió sión, n, con una toler to leranc ancia ia mu muyy fina fi na y una est estru ructu ctura ra contr con trol olada ada,, ti tiene ene un mo model deloo de agu aguje jero ross estampado en ella. La forma del agujero y el modelo puede cambiarse dependiendo dependiendo de los requisitos que se exijan al producto final. La hoja perforada se puede estirar en una sola dirección para dar secciones delgadas de polímero altamente orientado, con una resistencia a la tracción similar a la del acero maleable. Este tipo de rejilla puede usarse en usos donde se requiera una elevada resistencia uniaxial. En otros casos, donde se requiera una elevada resistencia biaxial, la lámina se somete a un segunda operación de estirado en la dirección transversal. Las ventajas de las rejillas sumamente orientadas consisten en que son ligeras y muy fáciles de manejar. La ventaja de obtener una estructura molecular altamente orientada es evidente cuando se compara la rigidez ri gidez de una rejilla de polietileno de alta alta den densidad, sidad, PEAD (~10 GN/m2 ) con la rigidez de un polietileno no orientado (~1 GN/m 2), es decir 10 veces menos.

Figura 1.5.1. Proceso de fabricación de rejillas de plástico. 2. Moldeo por soplado. 2.1. Fundamentos. El moldeo por soplado es la técnica que se usa para producir botellas y otros recipientes, que son fundamentalmente formas huecas simples. Hay dos subdivisiones principales, el moldeo por extrusiónsoplado y el moldeo por inyecciónsoplado. El moldeo por extrusiónsoplado fue inicialmente la técnica más importante, pero en la actualidad el moldeo por inyecciónsoplado ha adquirido gran importancia para la producción de bbotellas otellas de bebidas carbona carbonatadas, tadas, especialmente, especialmente,

utilizando polietilentereftalato (PET).  

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  Los sopladores de vidrio usaron durante siglos el fundamento del moldeo por soplado. Se forma un tubo semihundido, éste se atenaza entre las dos mitades de un molde y se inyecta aire para llenar el molde. Se enfrían las superficies del molde de modo que el producto solidifique rápidamente, mientras está aún bajo la presión del aire y se obtenga la forma del molde. Luego se recupera el  produc  pro ducto to abr abrie iend ndoo eell mo mold lde. e. 2.2.Moldeo por extrusiónsoplado. En ison, elon,moldeo porceextrusiónsoplado, inicialmente un tubomed semifundido de oplástico, denominado  par  paris se produ pr oduce direc di rectam tament entee a part pa rtir ir del ext extrus rusor or por medio io de un dad dado anula anu lar, r, del cual cua l sale sal e caliente y blando. A continuación, un molde se cierra alrededor del parison y se procede a su inflado, mediante la boquilla de soplado, para que tome la forma del molde. Esto se muestra en la figura 2.2.1.

Figura 2.2.1. Moldeo por soplado. Etapas  

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Aunque este proceso se usa, principalmente, para la producción de objetos huecos tales como botellas y frascos (Figura 2.2.2 ), no esta restringido a pequeños artículos huecos. Tanques de almacenaje domésticos de agua fría, bidones, contenedores, etc, se fabrican por moldeo por soplado. Los principales materiales usados son el cloruro de polivinilo, el polietileno, el polipropileno y el PET.

Figura 2.2.2. Artículos fabricados por moldeo por soplado. La extrusiónsoplado puede ser continua, en cuyo caso la máquina de extrusión suministra continuamente el polímero fundido a través del dado anular y la forma intermedia (Macarrón o Parison) que se obtiene se corta, con una longitud determinada, y se mueve hacia el molde o el molde se mueve llevando la forma intermedia. En la mayoría de los casos el conjunto del molde se mueve con relación al dado. El parison se aprisiona por medio de las dos partes del molde (semimoldes), cuya superficie interior corresponde a la superficie exterior del objeto deseado. Cuando el molde se ha cerrado alrededor del parison, un cuchillo caliente lo corta y lo separa de la máquina extrusora y el molde se aleja para su inflado mediante la inyección de aire comprimido, y enfriándose seguidamente. seguidamente. El molde se abre, se expulsa eell objeto y empieza uunn nuevo ciclo. En términos generales, losparedes 2/3 deldel tiempo queMientras dura el tanto, ciclo se emplea enparison el enfriamiento la pieza conformada contra las molde. el siguiente habrá sidodeproducido y el mismo molde puede moverse hacia atrás para recogerlo o, en sistemas multimolde, habría sido recogido por otro molde. En algunas máquinas el molde es fijo y se corta la longitud requerida de parison, la cual se transporta al molde mediante el brazo de un robot. Pero, la extrusión también puede ser intermitente, cuando el molde se queda bajo el punto de extrusión. La primera disposición es la más común ya que permite mayor producción. Los elementos que constituyen un equipo de moldeo por soplado son: la extrusora, el cabezal y el molde. La extrusora es diferente de las utilizadas para la extrusión en continuo. El husillo o tornillo debe tener una capacidad ddee plastificación gran grande de y relaciones relaciones de co compresión mpresión entre 2.5 2.5 y 4, disponiendo de las típicas zonas de: alimentación, compresión y dosificación. (Esta última últi ma alcanza la mitad de la

longitud total, con el fin de asegurar una buena regularidad del caudal del extruido).  

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  El cabezal, unido a la extrusora mediante el plato rompedor y un paquete de filtros, soporta el núcleo o torpedo que está perforado para posibilitar el paso del aire de soplado. La hilera suele ser cónica abierta hacia el exterior, en vez de cilíndrica, como en las extrusoras de tubos. Mediante un mecanismo de desplazamiento axial del núcleo en el curso del proceso de extrusión, se puede obtener un macarrón extruido con espesor variable en función de la altura, de forma que, al expandirse, el espesor del objeto final resulte uniforme. El molde, en dos mitades, debe aprisionar el macarrón por su extremo inferior al cerrar, de forma que no pueda escapar soplado,delsoldando la parteforma del macarrón aprisionado sin que se formen rebabas. Para el elloairelasdeparedes fondo tienen de cuchillas con la inclinación adecuada, efectuando primero una soldadura correcta y, después, el corte del material sobrante. En general la forma de los objetos debe carecer de aristas vivas para que no se desgarre el material. m aterial. Para facilitar el enfriamiento y solidificación del material ya conformado, los moldes suelen ir  provis  pro visto toss de can canal ales es de ref refri riger geraci ación, ón, rep repar arti tido doss de form fo rmaa que qu e el enfri enf riami amient entoo sea lo más má s unifo uni form rmee  posib  pos ible le en toda to da la mas masa. a. Cuando se pretende obtener grandes series de piezas de pequeñas dimensiones, suelen utilizarse máquinas de inyección y soplado, que precisan de dos moldes consecutivos: uno de preforma, llenado por inyección, y otro final de soplado y enfriamiento. Para piezas grandes, las máquinas suelen disponer de un acumulador en el que se prepara el tubo extruido y, cuando el molde está listo, se introduce rápidamente, sin necesidad de interrumpir la extrusión. De esta forma se evita un escurrido (fluencia viscosa) del material por su propio peso, que daría lugar a variaciones de espesor. En la figura 2.2.3 se muestra la disposición más común, con una extrusión hacia abajo. Esto hace que la geometría del parison sea compleja. En primer lugar sus dimensiones serán mayores que las del anillo, debido al fenómeno de hinchamiento en el dado. En segundo lugar pueden haber deformidades (por ejemplo, tipo cortina) debido a defectos de flujo. En tercer lugar, y dado que la mayor parte de máquinas expulsan el parison verticalmente hacia abajo, durante el retardo entre la extrusión y el inflado, el peso del parison causa su estirado, lo que limita la longitud de los artículos que pueden ser producidos por moldeo por soplado si se cuelga libremente el parison.

Figura 2.2.3. Forma común de moldeo por extrusión soplado. Dichos efectos se oponen hasta cierto grado, pero actúan en conjunto para dar formas intermedias con pared gruesa en su parte inferior y delgada en su parte superior. Al comenzar la extrusión de la forma intermedia, ela hinchamiento enedia eladado aumenta de las.4paredes. Posteriormente elo  pes  peso o cre creci cient entee estir est ira la for forma ma in inte term rmedi y la ade adelga lgaza. za. elEnespesor la fi figur gura a 2.2.4 2.2 se mu muest estra ra el dispos dis posit itiv ivo que se usa para contrarrestar estos efectos, que consiste en un mandril variable que se llama variador de la forma intermedia y varía el espesor de pared durante la extrusión.

 

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  Figura 2.2.4. Variador de la forma. La compleja combinación de hinchamiento y adelgazamiento hace difícil producir artículos con un espesor uniforme de la pared. Esto es, en particular, verdadero cuando el parison cilíndrico es inflado en un molde irregular, ya que el estirado desigual causa un adelgazamiento adicional. En la mayor parte de casos, por lo tanto, para obtener artículos por moldeo por soplado de forma satisfactoria es necesario producir una distribución controlada y no uniforme del espesor en el  paris  par ison, on, lo que nos no s ddar ará, á, pos poste teri rior ormen mente, te, un esp espeso esorr uunif niform ormee eenn el e l art artíc ícul uloo iinfl nflado ado.. Durante el proceso de moldeo, la velocidad de inflado y la presión deben ser seleccionadas con cuidado, de modo que el parison no se rompa. El inflado del parison es, generalmente, rápido pero el tiempo de ciclo total es dictado por el enfriamiento del fundido, cuando este se pone en contacto con el molde. Han sido utilizados varios métodos con el fin de mejorar la velocidad de enfriamiento, por ejemplo la inyección de dióxido de carbono líquido, de aire frío o de aire húmedo a alta presión. Estos métodos, por lo general, proporcionan una reducción significativa del tiempo de ciclo, pero como llaa velocidad de enfriamiento afecta a las propiedades mecánicas y a la estabilidad dimensional del  produc  pro ducto to mol molde deado ado,, es nec necesa esari rioo tr trata atarr de opt optim imiz izar ar el enf enfri riami amient entoo en té térmi rminos nos de vel veloci ocidad dad de  produc  pro ducci ción ón y ccali alidad dad.. 2.3. Análisis de moldeo por soplado. El producto hueco se elabora a partir de la forma intermedia, expandiéndola con aire. Es clara la similitud con el soplado de película. La uniformidad del espesor de la pared del producto soplado depende de los mismos aspectos estabilizantes. Una vez más, el comportamiento elástico es importante. Al ver el número de Débora:     

= Tiempo de relajación del material   a las condiciones dominantes Escala de tiempo del proceso

(2.3.1)

 

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Si el procedimiento es fundamentalmente elástico y, por tanto, se estabiliza por rigidización por tracción, Ndeb de b  > 1. Esto se puede lograr al usar: 1. Una temperatura inferior, la cual aumentaría el tiempo de relajación. 2. Al reducir la duración del proceso, es decir, soplando rápidamente. rápidamente. Por lo común, la primera opción no es factible y por ello se sopla rápidamente. Sin embargo, un soplado muy rápido puede romper el material, si se excede la resistencia que tiene a la tracción el  polím  pol ímer eroo bland bl andoo de la form fo rmaa in inte terme rmedi diaa o pue puede de atrap at rapar ar burbuj bur bujas as de ai aire re entre ent re la super sup erfi fici ciee del molde y ladepieza moldeada, provocaría daños enn el producto. seizar acostumbra en los,  pro  proces cesos os ma manuf nufact actur ura, a, es loneces necual cesari ario o algun al gunaa con condi dició ción fa favor vorabl ablee para parComo a optim opt imiz ar lo loss re resul sulta tados dos, dicha condición por lo común, es la experiencia que se tenga en la planta. Es sencillo calcular el espesor de la pared de una botella soplada si se conocen las dimensiones del dado y la magnitud del hinchamiento que hay en él. En la figura 2.3.1 se muestra una sección transversal de una forma intermedia que emerge de un dado tubular: después se sopla para formar una botella y se debe determinar una expresión para calcular el espesor de pared de la botella. También se puede determinar cuál es la presión máxima con la que se puede soplar sin romper la forma intermedia. En la figura 2.3.1 se tiene: Dd = Diámetro del dado (medio) Di  = Diámetro de la forma intermedia m Diámetro del molde hDd  = =Ancho del anillo del dado hi = Espesor de la forma intermedia h = Espesor de la pared de la pieza moldeada

Figura 2.3.1. Análisis de moldeo por soplado.

 

Cuando el plástico fundido sale del dado se produce un hinchamiento debido a la recuperación de las deformaciones elásticas del fundido. Se utiliza la relación siguiente: 2

   =   

donde: BSH  = Hinchamiento del espesor (= h 1 /h d )

(2.3.2)

BST  = Hinchamiento del diámetro (= D 1/D d)  

34

 

  Por tanto: 2

  2 =  1  (2.3.3)   : 1 =   (   )        Ahora consideremos la situación donde el parison es inflado y alcanza las dimensiones del molde cilíndrico de diámetro, D m  Teniendo en cuenta la figura 2.3.1 y asumiendo que el volumen  perma  per manec necee ccons onsta tant ntee y ddesp espre reci ciand andoo los l os efect ef ectos os de est estir irado ado,, ssee ttie iene: ne: 1

π 11

    = π   

(2.3.4)

Despejando h de la expresión (2.3.4) y teniendo en cuenta (2.3.3) y la definición de B ST : =

 1  

1 =

1 

(

 2

)=

       

 (  2 )

 

(2.3.5)

luego: 3    =           

(2.3.6)

Esta expresión permite calcular el espesor de las piezas moldeadas por soplado conociendo las dimensiones del dado, la relación de hinchamiento y el diámetro de molde. También se puede determinar cuál es la presión máxima con la que se puede soplar sin romper la forma intermedia. Para ello se puede utilizar la fórmula de Barlow, La fórmula de Barlow que relaciona la tensión tangencial, las dimensiones y la presión interna: σ !   =

 

  2

(2.3.7)

donde:

σ t  " Tensión tangencial, P = Presión interna, D m = Diámetro de la l a pieza h = espesor de la pared. 2.4. Moldeo por soplado con estirado por extrusión. La orientación molecular tiene un efecto muy grande sobre las propiedades de un artículo de moldeado. Durante el moldeo por soplado convencional, el inflado del parison causa la orientación molecular en la dirección radial. Sin embargo, un estirado biaxial del plástico antes de que comience a enfriarse en el molde, proporciona mejoras aún más significativas en la calidad de las botellas obtenidas mediante moldeo por soplado.. Las ventajas incluyen: mejora de las propiedades mecánicas, mayor claridad y características ante la infiltración superiores (Menos permeables). También se pueden disminuir los costes mediante el empleo plásticos de grados inferiores o espesores más delgados de la pared. En el moldeo por soplado la orientación biaxial puede lograrse mediante: (a). Estirado longitudinal del parison antes de que sea aprisonado por el molde e inflado (b). Obteniendo una preforma de la botella en un molde y que luego se estira longitudinalmente antes de su inflado en un segundo molde. (Figura 2.4.1).

 

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Figura 2.4.1. Moldeo por soplado con estirado.

 

2.5. Moldeo por soplado con estirado por inyección. En los últimos tiempos se ha desarrollado el proceso de moldeo por soplado con estirado, utilizando el moldeo por inyección, para alcanzar los mismos objetivos que en el apartado anterior. Hoy en día es usa extensamente para la fabricación de botellas de refrescos. Las etapas del proceso se muestran en la figura 2.5.1. Primeramente, se obtiene una preforma por moldeo por inyección, que posteriormente se infla para producir la forma de botella. En la mayor  parte  par te de cas casos, os, la se segun gunda da etapa et apa de in infl flado ado ti tiene ene lug lugar ar inmedi inm ediat atam ament entee despu des pués és del mold mo ldeo eo por po r inyección, pero en otros las preformas se retiran de la máquina de moldeo por inyección y  poste  pos teri rior orme ment ntee ssee cali c alient entan an de nuevo nu evo par paraa ssuu infl i nflado ado.. Las ventajas del moldeo de soplado por inyección son: (i). El parison obtenido puede tener un espesor de la pared cuidadosamente controlado,  puede  pue de asegur ase gurar ar un esp espeso esorr uni unifo form rmee de d e la l a ppar ared ed en la botell bot ellaa iinfl nflada ada.. (ii). Es posible tener el detalle intrincado en el cuello de botella. (iii). No hay ningún adorno o destello (comparar con el moldeo por soplado en extrusión).

lo que

 

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  Figura 2.5.1. Secuencia de las etapas en soplado por moldeo por in yección. 2.6. Características del producto. Uno de los efectos que tienen los grandes coeficientes de expansión expansión térmica en los polímeros es una gran contracción cuando se enfría la pieza moldeada. Dicha contracción se incrementa por los cambios de densidad que se generan cuando cristalizan los polímeros semicristalinos. Las consideraciones económicas del procedimiento demandan ciclos de producción rápidos, la pieza

tiene que salir del molde en el menor tiempo posible y a la mayor ma yor temperatura, pero todo esto tiende  

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a producir contracciones en el producto. Inversamen Inversamente, te, un tiempo mu muyy largo de retención dentro del molde, que permite un enfriamiento más completo y crea mejor superficie y dimensiones del  produc  pro ducto, to, in incr creme ement ntaa los lo s costo cos toss de produ pr oducci cción. ón. No pue pueden den de defi fini nirs rsee re regl glas as rí rígid gidas as y segur seg uras as con respecto al equilibrio que pueda haber entre estos factores conflictivos. La mejor apariencia de la superficie, por lo común un acabado lustroso, se obtiene a partir de una superficie del molde ligeramente rugosa. Al interior del molde se le da un tratamiento con chorro de arena. Una característica una botella sopladadeeslas suparedes. rigidez, La la cual depende de la rigidez de las paredes, y ésta importante a su vez, esdefunción del espesor rigidez de cualquier parte se relaciona con su espesor elevado al cubo. También depende del módulo de flexión del material, el cual, para los polímeros, se relaciona con el grado de cristalinidad. La rigidez y la densidad de las botellas de polietileno no sólo varían entre los diversos grados de  polie  pol ieti tile leno, no, sin sinoo tam tambi bién én den dentr troo de un mi mismo smo lote, lot e, si varía var íann la lass condi con dici cione oness de pr proce ocedi dimi mient ento. o. Las botellas que se empaquetan ligeramente calientes en cajas serán más rígidas que las que se desmoldearon calientes y se dejaron enfriar al aire antes de empacarse. Estas a su vez son más rígidas que las que se enfriaron totalmente en el molde, especialmente si se usó agua de enfriamiento refrigerada. La razón, desde luego, es que el enfriamiento más lento permite que se formen más y mayores cristales. Entonces, sacar del molde y empacar el material ligeramente caliente podría ser el método más económico no sólo porque acorta el tiempo del ciclo, sino también t ambién porque puede elaborarse una botella ligeramente más delgada para lograr una rigidez determinada. De la misma forma, algunas veces es más económico moldear botellas a partir del polietíleno de alta densidad, aun cuando es un polímero más caro que el polietileno de baja densidad, ya que su mayor cristalinidad permite obtener botellas más delgadas y rígidas; este ahorro contrarresta la desventaja del alto costo por kilogramo. Aunque esto depende de los costos relativos actualizados de los dos  polím  pol ímer eros. os. Est Estos os efect ef ectos os se ilust il ustra rann en la figur fi guraa 2.6. 2 .6.1. 1.

Figura 2.6.1. Relaciones entre la densidad, el espesor y la rigidez del polietileno. Las botellas forman el mayor grupo de productos elaborados mediante moldeo por soplado, pero también hay otros productos. Estos incluyen i ncluyen grandes piezas moldeadas por soplado, como tambores  par  para a pro produc ducto tos s quí quími micos cos,de , inclu in cluso sode produ pr oducto ctoss esp especi eciale alesde s par para a ácidos áci dos,, ta tanqu nques es de expans exp ansió iónn de refrigerantes, protectores luces semáforos, tanques gasolina.

 

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El moldeo por soplado es un método general para producir artículos huecos sin costura. Estos artículos no pueden elaborarse mediante moldeo por inyección, ya que no pueden sacarse del molde a menos que sean de forma cilíndrica, o sea, sin cuellos estrechos. En la figura 2.6.2 se muestran algunas maneras de aumentar la producción.

Figura 2.6.2. Acomodo de alta producción para el moldeo por soplado: (a) carrusel de moldes (b) estación del moldeo múltiple. (c) equipos que se alternan para ensamblar moldes. 2.7. ¿Por qué polietilentereftalato (PET) y por qué sopladoestirado?. El problema con los polímeros que se usan para contener bebidas carbonatadas es el de soportar la  presi  pr esión ón del di dióxi óxido do de car carbo bono. no. La Coc Cocaa Col Cola, a, que qu e es una bebid beb idaa muy mu y ca carb rbona onata tada, da, conti con tiene ene cuatr cua troo volúmenes de dióxido de carbono por cada volumen de líquido. La presión en el espacio frontal por encima del líquido puede exceder 5 atmósferas a altas temperaturas, pordeejemplo, interiorsin: de un automóvil que esté a pleno sol. El r equisito principal requisito es, entonces, el soportar en estaelpresión 1. Pérdida de gas (depende de la permeabilidad del polímero al gas.) 2. Que se rompa o estrelle el envase 3. Que se deforme. Entre los polímeros que se usan comúnmente para la elaboración de botellas, el polietilentereftalato es impermeable (Tabla 2.7.1). Para elaborar un artículo satisfactorio a partir del polietilentereftalato o de cualquier polímero cristalizable, se debe lograr la estructura cristalina. Esta es la función del método de soplado/estirado para fabricar botellas de polietilentereftalato. Este polímero es un ejemplo de polímero cuya cristalinidad puede controlarse por el método de obtención: algunos otros  polím  pol ímer eros os cri crist stali alino nos, s, por ejemp ej emplo lo,, el aceta ace tal,l, el nyl nylon, on, cr crist istali alizan zan espont esp ontáne áneame ament ntee y por po r eso no  pueden  pue den man manuf ufact actur urars arsee ddee est estaa m mane anera ra..

 

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  Tabla 2.7.1. Permeabilidad relativa de varios v arios polímeros a los gases. Polímero Permeabilidad relativa Polietilentereftalato 1 Cloruro de polivinilo 2 Polietileno de alta densidad (PEAD)(HDPE) 52 Polipropileno (Orientado) 57 Polietileno de alta densidad (PEBD)(LDPE)

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Si se funde el polietilentereftalato entre 250 y 280 °C y se enfría rápidamente, se obtiene un sólido amorfo, que tiene una temperatura de transición vítrea T g  " 80 °C y que empieza a reblandecer por encima de dicha temperatura. Si se enfría lentamente el material fundido, se forman grandes cristales esferulíticos que generan una sustancia dura y opaca con un punto de fusión cristalino, T fc   ## de 265 °C. Si se recalienta el sólido amorfo por encima de su temperatura de transición vítrea T g (95  100 °C) y luego se estira, se forman cristales laminares pequeños que se generan por esfuerzos y se obtiene una sustancia transparente. El material es ahora mucho más tenaz y más fuerte que las formas amorfas o la cristalina esferulítica. Si ahora se calienta el producto cristalino orientado, hasta alrededor de 150 °C, se intensifica el grado de cristalinidad, mejoran las propiedades físicas y se tolera mejor la temperatura. labla etapa de estabilización térmica del proceso, que utiliza  par  para a la las s fibr fi bras as y pel pelíc ícul ulas. as. Esta En laes ta tabl a 2.7 2.7.2, .2, se re resum sumen en est estas as et etapa apas s de tr trat atami amient entoosepar para a el  polie  pol ieti tile lent nter ereft eftal alato ato.. Las botel bo tella lass que no se estabi est abili lizan zan té térm rmic icame ament nte, e, sólo sól o son so n est establ ables es ha hasta sta uno unoss 60 °C. Tabla 2.7.2. Efectos de variar la cristalinidad en el polietilentereftalato. polietil entereftalato.

La película estabilizada térmicamente se usa para alimentos de "cuézase en la bolsa" y es estable hasta 100 °C. Es importante resaltar r esaltar que los polímeros cristalizables, como el polietilentereftalato polietil entereftalato y el polipropileno, cuando se usan en el proceso de sopladoestirado, deben enfriarse rápidamente hasta el estado sólido amorfo y, luego, recalentarse, por encima de su temperatura de transición par a que los lo s eesfu sfuerz erzos os provo pr ovoque quenn la l a ccri rist stali alizac zació ión. n. vítrea T g  para Los polímeros que no cristalizan se pueden moldear por sopladoestirado. La orientación de las cadenas del polímero mejora algunas de sus propiedades, pero puede tratarse a partir del enfriamiento del material fundido. Si se intenta hacer esto con el polietilentereftalato como por simple enfriamiento a 100 °C, se forman núcleos esferulíticos durante el enfriamiento y en el sopladoestirado no se generarán bien las propiedades de la cristalinidad inducida por esfuerzo. Además, los cristales esferulíticos son grandes, lo que hace que el producto sea menos ttransparente, ransparente, indeseable en botellas y películas.

 

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  3. Termoformado. 3.1.Introducción. En esta técnica de conformado de los materiales termoplásticos se parte de materiales semielaborados (preforma) en forma de filmes o láminas que se reblandecen por efecto del calor y se adaptan contra un molde mediante presión de aire, vacío o mediante un contramolde. Es el  proced  pro cedim imie ient ntoo má máss genera gen eralm lment entee ado adopt ptado ado par paraa la fa fabri bricac cación ión de pieza pi ezass mold mo ldead eadas as de gr gran an superficie, de paredes delgadas y en series que no necesariamente deben ser muy grandes.

En el termoformado, se calienta una preforma que, por lo común, es una lámina de polímero obtenida por extrusión o por calandrado (Figura 3.1.1), hasta que se reblandece y, luego, se deforma mediante una fuerza que se aplica al molde, donde se enfría. Esta es otra técnica de conformado donde el comportamiento que predomina es de tracción o de alargamiento.

Figura 3.1.1. Obtención de láminas por extrusión o calandrado. El estirado que experimenta el material durante su deformación va a conducir a una disminución y a una heterogeneidad del espesor del producto acabado. La búsqueda de una repartición ideal de los espesores es el origen de las diferentes variantes del ciclo de termoformado.  No to todos dos lo loss mat mater erial iales es son apt aptos os para pa ra el te term rmof oform ormado ado.. En gener gen eral al se requi req uiere erenn ciert cie rtas as características térmicas que favorezcan el calentamientoenfriamiento rápido (bajo calor específico)

y buena transmisión del calor (alta conductividad térmica). Así, por ejemplo, el PEAD y BD no se utilizan habitualmente, sí, en cambio, el PS, PVC, ABS y PMMA.  

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  Un factor importante en el conformado con vacio es, que el polímero caliente no pase demasiado  pronto  pro nto al estado est ado fl flui uido, do, ya que ent entonc onces es la lá lámi mina, na, dur durant antee el tr trans anspor porte te al molde, mol de, puede pue de def defor orma mars rsee demasiado por estiramiento. De ahí, que el polímero debe mostrar un amplio intervalo de temperatura en que su comportamiento sea de tipo gomoso (Módulo prácticamente constante), como se muestra en la figura 3.1.2. Por esta razón, polímeros amorfos como el cloruro de polivinilo, PS, PMMA, PC, ABS, etc. son adecuados para conformación por termoformado, ya que presentan una amplia zona de comportamiento gomoso. En los polímeros semicristalinos la región con comportamiento similar a la goma, en gran parte esta enmascarada por la cristalinidad por encima de la temperatura de transición vítreagomosa (Figura 3.1.2). Los polímeros semicritalinos presentan una ggran ran variación de las propiedades mecánicas alrededor de la temperatura de fusión y poseen, por tanto, una zona de conformado mucho más reducida, ello exige un mayor control, asi como una gran homogeneidad de la temperatura de la lamina. Con el PE y el PP, la conformación con vacío es, por lo tanto, t anto, una operación crítica, en la cual las condiciones del proceso deben ser controladas con sumo cuidado. Grados sólo altos moleculares muestran el comportamiento suficiente parecido a la goma encima de su punto de fusión para permitir un  proces  pro cesoo qque ue for forma ma hoja. hoj a. El PA, PETP PE TP y PBTP P BTP no pue puede de ser con confo form rmado adoss medi m ediant antee esta est a ttécn écnic ica. a.

Figura 3.1.2. Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las técnicas de  proces  pro cesado ado..

 

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  Figura 3.1.2. Regiones de temperatura en las que pueden aplicarse varias de las técnicas de  proces  pro cesado ado.. 3.2.Conformado al vacío. La geometría de la pieza a fabricar va a imponer el tipo de molde y, por tanto, el tipo de termoformado. Se distingue el conformado positivo y negativo. En algunos casos, un mismo molde  puede  pue de prese pr esent ntar ar una part pa rtee pos posit itiv ivaa y otra ot ra neg negat ativa iva.. El negati neg ativo vo es más corri cor rient entee pa para ra la fa fabri bricac cació iónn de vasos, etc. Para aplicaciones que necesitan grandes espesores de lámina es más normal el conformado positivo, es el caso de bañeras, cubas y puertas de refrigerador, refri gerador, etc. En este técnica de procesado una lamina de material termoplástico, cuyo espesor esta comprendido entre 0.025 mm y 6.5 mm, se sujeta mediante una brida a la caja del molde. A continuación, un  pan  panel el cal calent entado adorrláminas se coloca col oca encim imaa espesor de la lá lámi mina na para par a pr preca ecale lent ntarl arlaa hasta has ta por al alcan canzar zar la lados plast pl astic icid ad necesaria. Para de enc mayor es esencial tener calefacción ambos deidad la lámina.

 

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Después de que alcanza el ablandamiento suficiente se hace el vacío, reduciendo la presión de aire en el espacio existente entre ella y un molde, con lo que la presión atmosférica adapta la hoja contra las paredes del molde (Se crea una diferencia de presión entre las dos caras de la lámina o de la  placa)  pla ca).. A All llíí ssee enf enfrí ríaa lo l o ssuf ufic icie ient ntee ppara ara con conser servar var su forma fo rma y segu s eguid idame ament ntee se s e eext xtra rae. e. La técnica más simple simple de conformado en vac vacío ío se muestra en la figura 3.2. 3.2.11 en la cual se denomina como conformado conformado negativo y es capaz de traba trabajar jar con una pprofundidad rofundidad que es (1/31/2) de la anchura máxima.

Figura 3.2.1. Termoformado. Conformación al vacío y calentamiento. En algunos casos el conformado negativo puede no ser el adecuado debido, por ejemplo, a que en la forma de la figura 3.2.1, se podría tener un espesor de la pared en las esquinas bastante menor que cerca de la brida de sujección. Si esto no fuera aceptable entonces la misma forma básica podría ser  produc  pro ducid idaa por po r con confor forma mado do pos posit itiv ivo. o. En est estee cas casoo un mol molde de posit pos itiv ivoo es emp empuj ujado ado ha hacia cia la lá lámin minaa  preca  pr ecale lent ntada ada,, ant antes es de que el vac vacío ío sea apl aplic icado ado.. Est Estoo da una mejor me jor dist di stri ribu buci ción ón de mater ma terial ial y  pueden  pue den se serr confo con form rmada adass form fo rmas as más má s prof pr ofund undas, as, siend si endoo posib pos ible less rel relaci acion ones es (Profundidad/Anchura)=1. Este método de termoformado también se denomina como conformado en caída caída (Drape forming) forming) (Figura 3.2.2).

 

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  (a) (b) Figura 3.2.2. (a). Esquema de una máquina de termoformado con molde positivo. (b). Conformado sobre un molde positivo. Otro método alternativo es tener un molde negativo, como se muestra en la figura 3.2.3, pero después de la etapa de calentamiento y antes de la aplicación del vacío, un punzón baja y dirige la lámina hacia la cavidad. A continuación es cuando se aplica el vacío y el resultado es una distribución de espesores más uniforme de la pared. Esta técnica se denomina conformado asistido mediante punzón. Hay que señalar, que tanto en el conformado positivo como en el asistido mediante punzón, se realiza un preestirado de la lámina que mejora las características del material, aparte de una mejor distribución de los espesores de la pared.

 

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Figura 3.2.3. Conformado asistido mediante punzón

 

Los calentadores usados en el termoformado son, por lo general, del tipo infrarrojo con potencias específicas entre 10 y 30 kW/m 2 En los bordes de la lámina, donde se sujeta con la brida, es necesario un aporte de calor suplementario con el fin de compensar las pérdidas de calor adicionales en dicha región. La clave en el conformado a vacío es lograr un calentamiento tal que la temperatura de la lámina sea uniforme. Uno de la atractivos principales del conformado a vacío es, que como se trabaja a la presión atmosférica, los moldes no tienen porque ser muy resistentes. Materiales como el yeso, la madera y resinas termoestables han sido usados satisfactoriamente. Sin embargo, para capacidades de  produc  pro ducci ción ón el eleva evadas das en las que qu e un enfri enf riami amient entoo ráp rápido ido se hace hac e esenci ese ncial, al, es necesa nec esari rioo la util ut iliz izaci ación ón de moldes metálicos. La experiencia ha mostrado que el metal más satisfactorio es el aluminio, ya que se conforma con facilidad, tiene una conductividad elevada, puede ser pulido y tiene una vida casi ilimitada. Los materiales que pueden ser conformados a vacío satisfactoriamente son: el poliestireno, el ABS, el cloruro de polivinilo, el acrílico, el policarbonato, el polipropileno y el polietileno de baja y alta densidad. Las láminas coextruidas de plásticos diferentes y laminados l aminados multicolores también se usan extensamente hoy en día. Uno de los desarrollos más recientes es el termoformado del PET cristalizable, para usos a altas temperaturas como son las bandejas para hornos. La lámina de PET se fabrica en forma amorfa y luego durante el termoformado cristaliza. El prodcuto así obtenido es capaz de permanecer rígido a temperaturas elevadas.

 

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  3.3.Conformado a presión. El conformado a presión es, generalmente, similar al conformado en vacío pero la presión es aplicada encima de la lámina, en vez de realizar el vacío debajo de ello. La ventaja es que se pueden usar presiones más altas en el conformado de la lámina y que permite controlar mejor la variación de presión con el tiempo. Un sistema típico se muestra en la figura 3.3.1 y en la actualidad esta técnica es una alternativa atractiva al moldeo por inyección para la fabricación de artículos de gran área.

Figura 3.3.1. Termoformado. Conformación a presión. Molde negativo. 3.4. Analisis del termoformado. Si una lámina de un material termoplástico es ablandada mediante la aplicación de calor y luego se le aplica una presion por una de sus caras para generar una superficie libre, se encuentra que la  pieza  pie za form fo rmada ada tiene ti ene un esp espeso esorr unif un iform orme. e. Por lo ta tanto nto,, un simpl si mplee balanc bal ancee de volum vol umen en nos  propor  pro porci ciona onará rá el esp espeso esorr de la pieza pi eza prod pr oduci ucida da en est estee pr proce oceso so de confo con form rmado ado.. Sin Si n embar emb argo, go, en la mayoría de los procesos de termoformado la situación es más compleja, debido a que emplean un molde relativamente frío para producir la forma deseada. El efecto de esto es una pieza que tiene una gran variación de espesor, ya que la lámina se congela en cualquier grosor ha sido estirado a cuando esto toca el molde.

 

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Consideremos el el termoformado de una lámina pplástica lástica de espe espesor, sor, h0 # en un molde cónico como el mostrado en la figura 3.4.1.(a). En un instante, t, el plástico está en contacto con el molde una distancia, S, y el resto de la lámina forma un casquete esférico de radio, R  # y espesor, h. De la geometría del molde se deduce que el radio, R, viene dado por:   =

 − α 

 

α   α 

(3.4.1)

Por su parte, parte, el área del ccasquete asquete esférico esférico,, A, es:   = π   ( −  α )

(3.4.2)

En un instante instante posterior, ( t + dt), la lámina tomará la forma mostrada mostrada en la figura 3.4.1.b. El cambio del del espesor de la lam lamina ina durante eese se período de tiempo in infinitesimal finitesimal puede estimarse asumiendo que el volumen permanece constante. π   ( − α )  = π  +   (−  α ) (  +  ) + π    α

  (3.4.3)

Sustituyendo r = α   y R por el valor da dado do en (3.4.1), la exp expresión resión (3.4.3) se transforma en: α α  α  =  −      −  α  (  − α )



(3.4.4)

Esta ecuación puede ser integrada con la condición límite,  =   cuando S = 0, obteniéndose el espesor, h, a una distancia, S, a lo largo de la gen generatriz eratriz del molde cónico:   α −

  − α    =          

Figura 3.4.1. Análisis del termoformado. t ermoformado.

(3.4.5)

 

48

 

Ahora consideremos otra vez la condición límite anterior, que es cuando la lámina ablandada entra en contacto con el molde y forma un casquete casquete esférico que no toca los lados del cono. cono. El balance de volumen nos da:      − α )           (   (3.4.6)     =    α     por ta tant nto, o,  α   =  ( −  α    )  (3.4.7) Sustituyendo este valor de  en la l a ecuación (4.4.5) se obtiene:

  − α   =   ( −  α )     α

 α −

  

(3.4.8)

o bien:  

 α −

 + α    −   =         

(3.4.9)

Esta ecuación puede puede ser usada para calcular la distribución distribución del espesor de la pared de piezas en formas de cono cono truncad truncadas as profun profundas, das, pero hay que se señalar ñalar que su derivación derivación sólo es válida hhasta asta el punto en que el casquete esférico toca el centro de la base. A partir de entonces el análisis implica un balance de volumen con con enfriamiento (congelación) sobre la base y los lados del cono. 3.5. Esfuerzos y orientación en el material. La deformación de la lámina se debe hacer cuando esté blanda, pero no fundida. En este aspecto, el  proced  pro cedim imie ient ntoo se aseme ase meja ja a la ext extrus rusió ión nsop sopla lado. do. Se deb debee te tene nerr la resist res istenc encia ia mecán me cánic icaa sufi su fici cient entee con el fin de mantener la coherencia de la lámina. Si se sobrepasa el esfuerzo de rotura, se forma un hoyo y se detiene el procedimiento. Se produce una orientación biaxial considerable lo que confiere buenas propiedades al producto. También es una fuente de inestabilidad inherente, en el sentido de que las formas que se hacen al vacío son "irreversibles". El patrón ideal de deformación sería como el que se indica en la figura fi gura 3.5.1. En ésta se muestra una  pieza  pie za mol molde deada ada de espeso esp esorr uni unifor forme me.. Para Par a conse co nsegui guirlo rlo se re reque queri rirí ríaa un mat materi erial al que se ex exten tendie diera ra fácilmente hasta alcanzar la deformación que se necesitara y seguir con una rigidización rápida para estabilizar el flujo. Sin embargo, los materiales poliméricos en realidad no se comportan de esa manera. El procedimiento es un flujo de superficie libre por alargamiento, similar al moldeo por soplado y al soplado de películas. El espesor se controla mejor cuando se tiene control sobre las condiciones de rigidización por tracción. Estas se generan cuando hay comportamiento elástico que se presenta si el material se deforma rápidamente y entonces se logran los mejores resultados, al igual que con el moldeo por soplado, al aplicar rápidamente la fuerza de deformación. En la conformación al vacío, esto significa aplicar rápidamente el vacío. Por eso, una planta de conformación al vacío está equipada con un gran depósito de vacío que tiene una capacidad de por lo menos cuatro veces el volumen de aire que se elimina de la cavidad del molde.

 

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  Figura 3.5.1.Patrón ideal de deformación. La importancia de la rigidización por tracción radica en que conforme disminuye el espesor en cualquier punto, se incremente el esfuerzo en esa región; esto provoca rigidización, que a su vez disminuye el flujo, de modo que el flujo principal se mueve hacia una zona de menor esfuerzo. Esto genera un espesor más uniforme. El material tiende a alimentarse desde los lados, en donde la expansión, y en consecuencia la tracción, es menor (un estiramiento de aproximadamente 2:1), hacia las esquinas, en donde son mayores la expansión y la tracción (un estiramiento de aproximadamente 5:1). La inestabilidad que se crea en este momento se debe a la formación elástica rápida. Si se piensa de nuevo en el concepto del número de Débora, el tiempo de duración del proceso es mucho menor que el de relajación. El esfuerzo elástico queda entonces "congelado" y puede liberarse bajo las condiciones apropiadas. Estas condiciones pueden pueden encontrarse cuando la pieza moldeada se calienta  por enc encim imaa de su tem temper perat atur uraa d e tr trans ansici ición ón vítrea vít rea,, T g, lo cual permite el suficiente movimiento molecular para liberar el esfuerzo congelado, o quizá cuando se somete al ataque de disolventes. Entonces intenta recuperar su forma original. La forma más estable es por lo común, la que se  produc  pro ducee a la te temp mpera eratu tura ra más alt altaa de ext extru rusi sión ón y la de la lá lámi mina. na. Un ej ejemp emplo lo de esta est a cl clase ase de comportamiento está en los vasos de poliestireno que se forman al vacío y se usan en las máquinas despachadoras de bebidas calientes. Estos vasos son muy buenos cuando se usan para ese fin; sin embargo, si se usa uno de ellos para tomar una bebida (fuera de la máquina) cuando se usa agua hirviente de una jarra, se llega muy rápidamente a la temperatura de transición vítrea, T g, del  polie  pol iest stir ireno eno y ssee def defor orma ma el vaso. vas o. La mayor ma yor def deform ormaci ación ón se ha hace ce en lo loss bordes bor des,, en donde do nde es mí míni nima ma la orientación estabilizante. 3.6. Usos. El moldeo por vacío es en la actualidad una técnica bien determinada y pueden identificarse tres clases principales de producto. Contenedores de pared delgada (Figura 3.6.1). Son artículos como vasos, envases, etc. La línea de conformado se halla en la línea con el extrusor de laminación. Se controla exactamente el espesor de la lámina y las condiciones de extrusión generalmente para reducir el desperdicio.

 

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  Figura 3.6.1. Contenedores de pared delgada Moldeados técnicos de gran tamaño. En este caso, el uso de los productos es más especializado y además la escala del conformado es mucho mayor. Los materiales son, con frecuencia, más complejos. Estos incluyen, además de termoplásticos simples, materiales compuestos, láminas obtenidas por coextrusión y materiales laminados. Desde luego, todos debenrevestimientos ser termoplásticos para que funcione Entre los productos se incluyen: lanchas, de congelador, puertas el deprocedimiento. cocheras y tinas de baño domésticas. Estos productos son ejemplos de piezas moldeadas de estampado profundo de gran área. Las hojas que se requieren son por lo común, de hasta 3 m de ancho y el diseño y control del dado del extrusor es un factor clave para controlar la calidad.

Figura 3.6.2. Moldeados técnicos de gran tamaño Empaques con película y tipo burbuja. El envase de este tipo se usa en modernas presentaciones para ventas de una gran variedad de artículos domésticos, que van desde los de ferretería como clavos, tornillos y herramientas hasta artículos de tocador como rasuradoras desechables. Los empaques con película son aquéllos donde una capa fina de material flexible se estira apretadamente sobre los artículos colocados en una base rígida. Los empaques tipo burbuja son hojas preformadas que siguen la forma del artículo que se ha de sellan enenlaelbase después introducir el artículo. modificación de regular, la burbujacon es el empacar; empaque se "global" cual se usadeuna ampolla bastante Una rígida y de forma frecuencia, hemisférica.

 

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En la figura 3.6.3 pueden verse diferentes productos fabricados mediante la técnica de termoformado.

Figura 3.6.3. Diferentes productos fabricados mediante la técnica t écnica de termoformado. 3.7. Materiales. Los termoplásticos que se usan ampliamente en la termoformación son el acrilonitrilo  butadieno  estireno, el acrílico (polimetilmetacrilato), las poliolefinas, el poliestireno de alto impacto y el

cloruro de polivinilo.  

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Aquí se encuentran los polímeros amorfos en un terreno propicio. El acrilonittilo  butadieno  estireno y el polimetilmetacrilato se comportan bien. Los avances en años recientes incluyen la utilización de láminas obtenidas por coextrusión o laminación para usos especiales. Un ejemplo es el material que se usa para los refrigeradores. Originalmente, en los cuerpos de refrigerador formados al vacío se uso el poliestireno de superalto impacto. Hubo problemas con este material debido al agrietamiento por esfuerzos y condiciones ambientales adversas en presencia de leche, grasas y aceites. También hubo algo de ataque sobre el poliestireno de alto impacto por el aislante de espuma de poliuretano. El  butadieno  estireno es mejorlustroso, en estosresistente aspectos, apero caro.contenido La solución fueacrilonitrilo usar acrilonitrilo  butadieno  estireno los mucho aceites,más de alto de acrilonitrilo, pero caro, para la superficie sometida a coextrusión con acrilonitrilo butadieno estireno, o bien, poliestireno de alto impacto más barato y de bajo contenido de acrilonitrilo, que también se conforma más fácilmente al vacío. En la tabla 3.7.1 se muestran algunos ejemplos. Tabla 3.7.1 Algunos ejemplos de materiales en el conformado al vacío.

En la tabla 3.7.2 se dan las características de termoformabilidad de algunos polímeros corrientes. Tabla 3.7.2. Características de termoformabilidad de algunos polímeros corrientes.

 

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4. Calandrado. 4.1.Introducción. El estado gomoso se localiza entre los estados vítreo y fundido. Todos los polímeros amorfos lo  prese  pr esent ntan an en al algún gún grado. gra do. Com Comoo se obs observ ervaa en la figur fi guraa 4.1.1, 4.1 .1, lo anteri ant erior or se tr tradu aduce ce por la pr prese esenci nciaa de una meseta de la curva del módulo de elasticidad en función de la temperatura. t emperatura.

Figura 4.1.1.Estados vítreo, gomoso y fundido de un polímero amorfo y uno cristalino.  

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  Cuando se habla del estado gomoso, es decir, similar al caucho, en el tratamiento, es importante darse cuenta que sea un material "elástico". Este material sería, desde luego, imposible de transformar, ya que se recuperaría elásticamente de cualquier procedimiento que lo deformara. Este comportamiento "elástico" se debe a la reticulación de las cadenas de los polímeros. En el caucho vulcanizado los enlaces de reticulación o transversales son uniones químicas, las cuales, se consideran permanentes para propósitos prácticos. En los cauchos termoplásticos, los enlaces transversales son físicos y débiles. La mayoría los cauchos comunes (es de decir, los que noy antes se clasifican como termoplásticos) tienen también estedecomportamiento aún antes vulcanizarse de que se inicie su tratamiento, pero es transitorio y lábil. l ábil. Los enlaces transversales débiles pueden listarse como sigue: 1. Estructuras gelificadas del caucho natural, antes del tratamiento. Estas se deben a los muy altos  pesosm  pes osmol olecu ecula lare ress (100 ( 100000 0000) 0) que qu e ggene eneran ran un alto al to gr grado ado de enmar enm araña añami mient ento; o; 2. Estructuras cristalinas del policloropreno (Neopreno) 3. Enlaces de hidrógeno en los l os elastómeros del poliuretano 4. Regiones microcristalinas del cloruro de polivinilo plastificado 5. Segmentos separados de fase rígida de los cauchos termoplásticos, por ejemplo, el estireno en los copolímeros estirenobutadienoestireno. estirenobutadienoestireno. En las primeras etapas del tratamiento de un caucho tienen que romperse estos enlaces cruzados temporales mediante la acción mecánica y con calor, esta etapa del tratamiento se conoce como "calentamiento" o "rompimiento". El resultado es un material de módulo muy parecido al del material original, pero con una recuperación elástica mínima, o sea, como una pasta. Los polímeros que poseen una larga meseta en esta región gomosa se usan para los procesos característicos del caucho. Entre ellos se incluyen el cloruro de polivinilo plastificado así como el caucho natural y los elastómeros que se diseñan a la medida y que se producen sintéticamente. 4.2.Procedimiento de calandrado. El procedimiento de calandrado se basa en el flujo de un material termoplástico con con comportamiento viscoelástico, a temperatura elevada, entre al menos dos cilindros. La experiencia muestra que solamente el calandrado con 4 cilindros permite controlar correctamente la calidad de las películas o láminas. En un calandra de 4 cilindros (Figura 4.2.1), la masa plástica fundida,  proven  pro venie ient ntee del mezcl mez clado ador rgel gelif ific icado ador, r, pas pasaa de un cilin cil indr droa oa otro ot ro por tr tres es entre ent rehi hier erros ros que qu e son so n cad cadaa vez más estrechos, lo que entraña un reflujo antes de cada entrehierro y al mismo tiempo un alargamiento de la lámina. El calandrado es un procedimiento que se aplica únicamente a los polímeros gomosos, incluyendo al cloruro de polivinilo plastificado, así como a los cauchos sintéticos y naturales. En el calandrado se requiere fundamentalmente que el polímero esté en el estado gomoso y mediante este procedimiento se obtiene una película o una lámina de plásticos, del calibre preciso, por la compresión que se le somete cuando se hace le pasar a través de la abertura de rodillos rotatorios que giran en sentido contrario y cuya velocidad de giro se puede ajustar de forma independiente. Por lo común, se requiere más de una pasada para darle a la lámina la precisión que se necesita. Entonces, se usan máquinas de rodillos múltiples. En la figura 4.2.1 se muestran algunas disposiciones en que se colocan estos rodillos. En la figura 4.2.1 se muestra la trayectoria que sigue el polímero gomoso dentro de la máquina. La  prime  pri mera ra lá lámi mina na se form fo rmaa cua cuando ndo el ma mate teri rial al pasa pa sa por la pr prim imera era lí líne neaa de conta con tacto cto entre ent re lo loss ro rodil dillo los, s, directamente desde la alimentación, la cual puede hacerse con un molino de dos rodillos o un

extrusor.  

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En la segunda línea de contacto entre rodillos se hace pasar, a menudo, la lámina sin comprimirla. En el tercer contacto se vuelve a hacer la lámina, donde gira un banco "lápiz". En buenas condiciones, el grosor de esta lámina se controla dentro de ± 0 .02 mm. Se prefiere el diseño en L invertida para láminas gruesas porque están más tiempo en la máquina, lo que permite calentarla completamente. Por otro lado, el diseño de Z inclinada ofrece un corto recorrido térmico para láminas delgadas o sensibles al calor.

Figura 4.2.1. Disposiciones comunes de rodillos para calandras de cuatro rodillos. Es evidente que las calandras para plásticos y cauchos, en cuanto a sus principios, son similares a los molinos de dos rodillos. Sus rodillos están separados una distancia fija (aunque se puede ajustar), o sea, no "flotan". Contrariamente a la creencia general, estas máquinas no son una modificación de las máquinas llamadas "calandras" de la industria textil. El nombre correcto de las máquinas textiles es "prensas rotatorias": son máquinas de presión constante cuyos rodillos flotan. Las calandrias para plásticos y cauchos son máquinas de calibración constante en las cuales se modifica la fuerza que mantiene la calibración según el material que se manufactura. Las fuerzas que se generan de esta manera entre los rodillos pueden ser considerables. El valor de las fuerzas de separación que se generan en una lámina de 100 m de calibre, es de 30 a 40 toneladas, y para una de 50 m, es de 70 toneladas. Esto es suficiente para doblar los rodillos y causar que el espacio entre ellos se curve en forma convexa, lo cual da una lámina de calibre no uniforme, de bordecuando a borde. lámina no sirve para cumplir mayoría objetivos, debido que se distorsiona se Esa enrolla. Cuando se desenrolla de la nuevo, tienedeellos centro abolsado. Paraa mantener un espacio de separación paralelo en el procedimiento se compensa la flexión de los

rodillos (Figura 4.2.2) de varias maneras:  

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(a). Al conformar en el rodillo una curva opuesta para compensar (b). Cargar antes los extremos de los rodillos para obtener una flexión compensatoria (c). Cruzar ligeramente los ejes de los rodillos r odillos para obtener orillas más gruesas.

Figura 4.2.2. Métodos para contrarrestar el doblez de rodillos: (a) conformar el rodillo (b) precarga; (c) ejes cruzados. De estos métodos, conformar de alguna manera el contorno es el más simple y el único método si la máquina no tiene las condiciones necesarias para doblar los rodillos o cruzar los ejes, pero es el menos versátil. Un contorno o forma determinada sólo será útil para pocos materiales y espesores. Además, a esmerilar es un procedimiento laborioso y, a menudo, importante no compensarvolver de más la deformación porque se obtendrá una lámina cóncava.caro. EstoEstambién causará distorsión al enrollar y la lámina tendrá orillas onduladas al desenrollar. Los dispositivos que  permi  per mite tenn dobla dob larr rodil ro dillo loss o cru cruzar zar ejes eje s in incr creme ementa ntann el cos costo to del capit cap ital al de una un a máqui má quina na ya de por sí costosa: sin embargo, la mayoría de las máquinas modernas tienen ya sea uno o dos de estos aditamentos. Las calandras se usan para producir láminas. Para artículos de caucho, éstas se ensamblan de diversas maneras para muchos productos, por ejemplo, neumáticos, bandas. Las láminas de cloruro de polivinilo encuentran más a menudo usos directos, por ejemplo, en cortinas de baño, impermeables y otras vestimentas y lienzos; en calibres más gruesos, como cubiertas de pisos. Las calandras para caucho funcionan a una temperatura de rodillos de alrededor de 110 °C, la cual mantiene un buen estado gomoso durante el tratamiento sin riesgo de vulcanización prematura. Las calandras para cloruro de polivinilo funcionan f uncionan a temperaturas que se aproximan a los lo s 200 °C, que es cuando el cloruro de polivinilo plastificado se comporta como un caucho: es realmente el primer caucho termoplástico. En la figura 4.2.3 se muestra una distribución común de una planta de calandrado de cloruro de  poliv  pol ivin inil ilo. o. Exi Existe stenn línea lí neass de cal caland andra rado do par paraa el PVC plast pl astif ific icad adoo y para par a el PVC rí rígid gidoo (n (noo  plast  pla stif ific icado ado)) (Fi (Figur guraa 4.2.4 4. 2.4.a .a y b)La b) La ma mater teria ia prima pri ma ent entra ra en el punto pun to de arranq arr anque ue y unos uno s poc pocos os minutos después, la lámina terminada se enrolla en el extremo de la línea. l ínea. La lámina calandrada tiene, por lo común, alta orientación y comportamiento anisotrópico en sus  propie  pro piedad dades es físi fí sicas cas.. Des Desde de luego lu ego,, el proce pr oceso so es alt altam ament entee li linea neal.l. El polí po límer meroo se ali alinea nea a lo la larg rgoo de la lámina, en la dirección de la máquina. Hay componentes de tracción importantes conforme la lámina deja la zona de compresión y también hay fuerzas predominantemente cortantes dentro de la misma Lasider superficie de lámina mejor mate, aun rodillos  pul  pulid idos. os.zona. Se con consid eraa que est este e aca acaba bado do ma mate te,, escalandrada sim simil ilar ar al tiene efect efe ctooun de d e acabado "piel "pi el de ti tibu burón rón" " en con la ex extr trusi usión ón y se debe a roturas por tracción a muy pequeña escala que se producen cuando la lámina sale de

entre los rodillos.  

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Puesto que el calandrado es un método para producir láminas y película debe considerarse como competencia directa de los métodos basados en la extrusión. En general, el soplado de película y la extrusión son métodos preferidos para materiales tales como el polietileno, polipropileno y  polie  pol iest stir ireno eno.. Si Sinn emb embar argo, go, el cal caland andrad radoo ti tiene ene la vent ventaj ajaa pr prin incip cipal al de causar cau sar muy mu y poca poc a degrad deg radaci ación ón termica y entonces se usa extensamente para materiales sensibles el calor, como es el caso del cloruro de polivinilo.

Figura 4.2.3. Planta de calandrado del cloruro de polivinilo.

 

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Figura 4.2.4. (a). Línea de ccalandrado alandrado para el PVC plastificado. (b). Línea de calandrado para el PVC rígido (no pplastificado). lastificado). Los procedimientos existentes son discontinuos, de ahí la presencia de dos mezcladores en paralelo en una instalación de calandrado. Los intentos de utilización de mezcladores continuos no han sido satisfactorios debido a que los reglajes r eglajes son delicados y los caudales débiles. Los mezcladores discontinuos son de dos tipos: velocidad lenta (300800 rpm) y de velocidad elevada (15003000 rpm). En la figura 4.2.5 puede verse el esquema de un mezclador de velocidad rápida. La gelificación del PVC es la acción que consiste en llevar al polímero a una homogeneidad a escala de algunas micras y a disminuir la viscosidad a un valor lo suficientemente bajo como para  permi  per miti tirr su puest pue staa en obra. ob ra. En la figur fi guraa 4.2 4.2.6 .6 se mu muest estran ran dos do s ti tipos pos de gel gelif ific icado adore ress en conti con tinuo nuo:: el mezclador continuo de Farrel y el extrusor planetario de Berstorff.

 

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  Figura 4.2.5. Esquema de un mezclador m ezclador de velocidad rápida.

Figura 4.2.6. Gelificadores continuos: (a). Mezclador M ezclador continuo de Farrel

(b). Extrusor planetario de Berstorff.  

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Existen diferentes geometrías de la calandra en función de los productos con los que se va a trabajar. En la tabla t abla 4.2.1 se resumen las configuraciones más utilizadas. Tabla 4.2.1. Diferentes configuraciones de las calandras en función del producto a trabajar. t rabajar.

4.3. Análisis del calandrado. Un análisis detallado del calandrado, que incluye el estudio del flujo del polimero fundido entre los dos cilindros rotatorios es muy complejo, sin embargo para la mayoría de los casos prácticos se  puede  pue de lo logr grar ar una un a eexa xacti ctitud tud sufici suf icient entee uusan sando do un mo model deloo newto new toni niano ano simpl si mple. e. Las sup supos osic icion iones es que se realizan son: (i). El flujo es estacionario y laminar. (ii). El flujo es isotérmico. (iii). El fluido es incompresible. (iv). No hay deslizamiento entre el polimero fundido f undido y los rodillos. Si la separación entre los rodillos es pequeña en comparación con su radio, entonces en cualquier sección definida por la distancia x el problema puede analizarse como el flujo entre dos planos  paral  par alel elos os separa sep arados dos una dis distan tanci ciaa h. El perfi per fill de vel veloci ocidad dades es en cua cualq lqui uier er secci sec ción ón es la suma sum a de dos componentes:: la componente del flujo de arrastre y la del flujo de presión. componentes

 

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Figura 4.3.1. Flujo de fundido entre los rodillos del calandrado. Perfil de d e presión. Para un fluido entre dos planos paralelos, cada uno de los cuales se mueve a una velocidad V d, la componente de velocidad del flujo de arrastre es igual a V d . En el caso del calandrado con rodillos de radio R y girando a una velocidad de rotación N (rps), la velocidad de arrastre vendrá dada por:   = 2π   

(4.3.1.1)

Por su parte, la componente de la velocidad debida al flujo de presión entre los dos planos paralelos es: 2 1   2     VP =  $ −      2η  %   2  

Por tanto la velocidad total será: V = +

1  

(4.3.1.2)

$

2

2    −

(4.3.1.3)

   

VT

 2     

 $ 2η  % 

(4.3.1.3)

 

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Considerando una unidad de anchura de los cilindros el caudal de salida, viene dado por: 



Q = 2 ∫0   $ = 2 ∫0   2

2

2    2   1    2        +   $ −    % = h     −   η  % η  % 12 2 2        

(4.3.1.4)

Y puesto que, por ootra tra parte, la salida es es:: Vd H, resulta:

  2   V dH = h     − 12η  %   

(4.3.1.5)

de donde:   %

=

12η (  −  )   3    

(4.3.1.6)



Si h = H de la expresión anterior se deduce que:

  %

 = 0

Para determinar el modo en que varia la presión p resión en función de la variable x, es necesario expresar h como función de x: h(x) = H 0  + 2   −   2 − % 2    (4.3.1.7)





Desarrollando en serie la función f(x) = (  2 − % 2  ) 

( 

2

1 2   2

− %  )

(  1 ) −1 1 = (  )    (  2 )  2  % 2  + 2 1 2   2

1

1

2

usando la serie binomial se tiene:

1 2 ( 2 − 1)   2  (  12 ) −2 ( ) ( 2!

2 2

)

 

(4.3.1.8)

y quedándonos solamente con los dos primeros términos del desarrollo:

(  2 − % 2  ) 

1

2

=    

1 1 2  

2

 

(4.3.1.9)

que sustituida en (4.3.1.7) nos da:

   %2  1 2    h(x) = H 0 + 2   −  + %   = H 0 1 +      2     0 

(4.3.1.10)

Sustituyendo este valor de h(x) en la expresión (4.3.1.6 ):

   % 2  12η      0 −   +     12η  3 (  0 −  ) + 12η   2 % 2    =  =   2 3 2 3 %   + % ( )   %  0 +     0      Integrando se obtiene: 2

(4.3.1.11)

P(x) = 12 η R 3Vd (H 0 – H) ∫

%

%

  2 3 + 12 η R 2Vd ∫ 2   2 3 siendo: a =   0  2 ( + % ) ( + % )

(4.3.1.12)

 

63

 

  y como: % 2 − 3  %   +   = ∫ (2 + %2 ) 2( − 1)2 ( 2 + %2 )  −1 (2 − 2)2  ∫ (2 +  %2 )  −1 %

y

∫ (



2

%

 

+ % 2 )

∫ (

=

−2

2

 

%

+ % 2 ) −1

a

2

   −2

∫ (

2

 

%

+ % 2 )

resulta: 3 %  % 3      !&    +   =   +  ∫ ( 2 + % 2 )3 4 2 (2 + %2 )2 8 4 (2 + %2 ) 85   %

∫ (

2 2

%

 

+ % 2 )3

P(x)= −

=

3 %  % 3 1      3 !&       !&       +      2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 8 ( + % ) 2 (  + % ) 2  8     4( + % )  %

2 3η     

  0

 %

  + (  0 + % 2 )2

  %  3η   (  4  0 − 3 )   % 3η   ( 4  0 − 3 ) !&    +    + C   0 + % 2 2  02    2  02  0 0   (  −  0 )  queda:

Y como la presión es nula para x = C=

3η       0

(    − 0 )   

 

3η  (4   0 − 3 ) 2  02

( − 0 )

   

  



   −  0  3η   ( 4  0 − 3 )   !&         2  02  0 0   (4.3.1.13)

El perfil de presión tiene la forma que se muestra en la figura 4.3.1. El valor máximo de la presión se obtiene igualando i gualando a cero la derivada de la presión, que nos da:   0 −   + 

 % 2

= 0 

,

 

 

   %2  =  0 1 +    de donde:    0  

 % = ±

(  −  0 ) 

Y sustituyendo el valor de  % = − (  −  0 )  en la expresión que nos da la presión, nos queda:  −  0      3η     2ω    4  0 − 3  ω  !&  P max  =  −  +       0



  0



0

 0

 

(4.3.1.14)

siendo: ω  =

(  −  0 )      

(4.3.1.15)

 

64

 

  5. Moldeo rotacional. 5.1. Introducción. Principios del moldeo rotacional. El moldeado rotacional, como el moldeo por soplado, se usa para producir artículos huecos. Sin embargo, los principios en cada técnica son bastante diferentes (Figura 5.1.1).

Figura 5.1.1. Etapas del moldeo rotacional. En el moldeo rotacional una carga de polvo plástico, pesada cuidadosamente, se coloca en la mitad de un molde metálico.

La cantidad de polvo, M, puede determinarse con la ayuda de la fórmula siguiente:

=  ρ  

(5.1.1)

donde: S = Superficie de la pared interna i nterna del molde. e = Espesor de la pieza a fabricar ρ = Densidad del polímero A continuación, las dos mitades del molde se sujetan con abrazaderas y se calientan en un horno. Durante la etapa de calentamiento el molde se gira alrededor de dos ejes, aproximadamente,  perpen  per pendi dicul cular ares es entre ent re si y a una un a vvelo eloci cidad dad de 240 24 0 rpm. r pm. El molde en rotación y de tamaño, forma, espe espesor sor y material variables, esta situad situadoo en el interior de un horno cuyalatemperatura esta programada. El calor sefundido/aire) transfiere por que conducción la pared molde hacia mezcla (polvo de plástico/material esta endesde contacto con del la superficie de la pared.

 

65

 

Durante la rotación del molde el material se desplaza y cae debido a la gravedad y su movimiento esta influenciado por diversos factores entre los cuales se pueden citar: el rozamiento del material con la pared del molde y las dimensiones de las partículas de polvo. Después de un tiempo el material plástico estará suficientemente ablandado y las partículas de polvo son lo suficientemente viscosas y se adhieren ssobre obre la supe superficie rficie del molde formando una capa homogénea homogénea sobre su superficie. Cuando el polvo esta completamente fundido y el material repartido de forma homogénea el molde se enfría mientras todavía sigue girando. El enfriamiento puede realizarse con aire forzado, chorro de agua entre o unalacombinación los dos. piezaEsta ssufre ufre unaderetracción y se fforma orma una capa de pero aire aislante superficie deldemolde y laLa pieza. capa aire no favorece el enfriamiento si la posterior extracción de la pieza del molde. El enfriamiento se lleva hasta que el polímero solidifica y ya puede puede mantener su forma La etapa final final es extraer el artículo del molde molde.. La figura 5.1.2 muestra el mecanismo de fusión de una partícula y su adhesión sobre la superficie interna del molde.

Figura 5.1.2. Mecanismo de formación de la primera capa de polímero sobre la superficie interna del molde El proceso fue desarrollado en los años 1940 para su empleo con los plastisoles de vinilo en forma líquida. Pero no fue hasta principios de los años 1960 que este proceso se uso satisfactoriamente con los polvos de polietileno. Hoy día una gama de materiales como el nilón, el policarbonato, el ABS, el poliestireno de alto impacto y el polipropileno puede ser procesados mediante esta técnica,  peroo el ma  per mate teri rial al más má s ccom omún ún es el pol poliet ietil ileno eno.. El proceso es atractivo por ciertas razones. En primer lugar, como se trabaja a una presión baja los moldes son, generalmente, simples y relativamente baratos. También los artículos tienen un espesor muy uniforme, pueden contener refuerzos, están prácticamente libres de tensión y su superficie  puede  pue de te tener ner textu tex tura ra si se desea. des ea. El empleo de este método de conformado crece regularmente, porque aunque el ciclo del proceso es másducir lento el del por inyección o elían del por golpe, puede  pro  produc ir artí arcomparado tícul culos os mu muyycon gra g rande ndes, s, demoldeo gran gr an esp espeso esor, r, que no pod podía n sermoldeo pro produc ducid idos ossoplado económ eco nómic icam ament ente e por ninguna otra técnica. Espesores de pared de 10 mm no son un problema para el moldeo rotacional.

 

66

 

Existe una gran variedad de modos por los cuales las etapas descritas pueden realizarse. Por ejemplo, en algunos casos (en particular para artículos muy grandes) el proceso entero ocurre en un horno. Sin embargo, el modo más común es el que se muestra en la figura 5.1.3.a. El molde se encuentra en el extremo de un brazo que primero lleva el molde frío, que contiene el polvo del  plást  plá stic ico, o, al int inter erio iorr de un hor horno no don donde de se cal calie ient nta. a. Durante el calentamiento del molde se hace girar alrededor del eje del brazo y también sobre su  propio  pro pio ej ejee (Fi (Figur guraa 5.1 5.1.3. .3.b). b). Despué Des puéss de un ti tiemp empoo prede pr edete term rmin inado ado en el horn ho rno, o, el br brazo azo tr trasl aslada ada el molde hacia la cámara de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento es muy importante. Un enfriamiento rápido es deseable para motivos económicos. Pero esto puede causar problemas de alabeo. Normalmente, por lo tanto, el molde al  princi  pri ncipi pioo se enf enfrí ríaa sop soplan lando do aire ai re y des despu pués és roci ro ciand andoo agu agua. a. La veloci vel ocidad dad de enf enfri riam amie iento nto ti tiene ene un efecto tan importante sobre la calidad del producto, que hasta la dirección de los chorros de aire sobre el molde, durante la etapa de enfriamiento gradual inicial, puede decidir el éxito o no del  proces  pro ceso. o. Como muestra la figura 5.1.1.a, normalmente, existen tres brazos de modo que cuando uno esté en la etapa de calentamiento, el otro está en la de enfriamiento. Es importante señalar que el moldeo rotacional no es una técnica de colado centrífugo. Las velocidades de rotación, generalmente, estan por debajo de 20 rpm, con una relación r elación aproximada de 4 a 1, entre velocidad de rotación alrededor del brazo y alrededor del eje del molde. También, como todas las superficies del molde no estan equidistantes del centro de rotación, cualquier fuerza centrífuga generada tendería a causar variaciones grandes en el espesor de la pared. De hecho, para asegurar la uniformidad del espesor, la práctica de diseño normal es que el punto de intersección del eje principal (brazo) y del secundario (eje del molde) no coincida con el centroide del molde.

 

67

 

  Figura 5.1.3. (a). Técnica de moldeo rotacional, (b). Rotación típica de los moldes El calentamiento de los moldes se puede realizar usando infrarrojos, liquidos calientes, la llama de combustión de gas o la convección de aire caliente. Este último método es el más común. La temperatura del horno esta, por lo general, en el intervalo de 250  450°C y como el molde esta frío cuando entra en el horno, se necesita un cierto tiempo para alcanzar la temperatura que fundira al  plást  plá stic ico. o. Est Estee tiem t iempo po pue puede de ser est estim imado ado así así..

 

68

 

Cuando el molde se coloca en el horno, la entrada de calor (o la l a pérdida) por unidad de ti tiempo empo debe ser igual al cambio de la energía interna del material (en este caso el molde), es decir    ( −  )   =  ρ      

(5.1.2)

donde: h = Coeficiente de transferencia de calor convectivo A = Area de la superficie de molde   =  = Temperatura del horno T = Temperatura del molde  ρ   = Densidad del material de dell molde    = Calor específico del material de molde V Volumen de las paredes del molde t = Tiempo Reordenando la ecuación (6.1) e integrando se obtiene:

∫



   



 

 

=  ρ  ∫       −    

     = − ρ     −−       

  −    − ρ   β       −    =         

(5.1.3)

donde     es la temperatura inicial del molde y  β   es la relación entre el área de la superficie superficie y el volumen (A/V).  Esta ecuación sugiere sugiere que haya un aumento expo exponencial nencial de la temperatura del molde cua cuando ndo entra en el horno, y , a menudo, en la práctica esto eslo que ocurre. 5.2.Ventajas e inconvenientes del moldeo rotacional. Comparación con otros métodos de fabricación Entre las ventajas del moldeo rotacional se pueden citar las siguientes: 1. Los moldes son de concepción relativamente simple y poco costosos con relación a los moldes de los procedimientos clásicos. Esto se debe a que en el moldeo rotacional no se trabaja con altas presiones, con lo que no es necesaria una elevada resistencia del molde. 2. En ausencia de presión no existen tensiones residuales de origen mecánico en la pieza. 3. No hay pérdida de material.

 

69

 

4. La máquina del moldeo rotacional es simple y económica. Por ejemplo, su coste es tres veces más pequeño que el coste de una máquina de in inyección yección equivalente. equivalente. 5. Pueden obtenerse piezas relativamente complicadas. Esta técnica esta particularmente adaptada  paraa pi  par piez ezas as de gran gr an ta tamañ mañoo y de d e eleva el evado do esp espeso esor. r. Se pueden pue den fa fabr bric icar ar pieza pi ezass de 0. 0.22 a 50000 500 00 li litr tros os Recientemente también se pueden pueden obtener piezas multica multicapas, pas, recargadas y espumosas (Con aire atrapado). 6. El tiempo ciclo es bastante elevado, por lo que este procedimiento puede adaptarse muy bien  par a efectu  para efe ctuar ar la puest pue staa en obra obr a de pieza pi ezass en paral par alelo elo con ci ciert ertas as mod modif ific icaci acione oness quí quími micas cas.. Se habla entonces de moldeo rotacional reactivo y dicha posibilidad es una de las particularidades de ese procedimiento. 7. Inserciones en pplástico lástico (o metálicas) pueden fijarse con con facilidad sobre el molde y moldea moldeadas das rotacionalmente. 8. Es posible el moldeo rotacional de materiales compuestos. 9. Las líneas de soldadura, debidas a los planos de unión, pueden evitarse fácilmente. 10. Pueden conseguirse finos detalles detall es superficiales. Por otra partes, la técnica de moldeo rotacional tiene ciertos límites de utilización, que conviene tener en cuenta: 1. El tiempo de ciclo (15 – 40 minutos) es elevado en comparación con otras técnicas de conformado, de ahi la baja cadencia de producción. 2. El número de materiales que es adecuado para esta técnica es limitado. Actualmente, el 90 % de los productos obtenidos por moldeo rotacional son de polietileno. Sin embargo, la gama de materiales utilizables va en constante aumento. 3. El precio de los materiales de partida es relativamente elevado pues se precisa una operación de molienda con el fin de obtener un polvo. 4. Es dificil de obtener variaciones bruscas de espesor 5. Para materiales con temperatura de fusión (o temperatura t emperatura de transición del estado gomosoestado liquido) muy elevada, el riesgo de degradación no es despreciable. En la tabla 5.2.1 se da una comparación entre el moldeo rotacional, el termoformado y la extrusión (Inyección)soplado.

 

70

 

Tabla 5.2.1. Comparación entre el moldeo rotacional, el termoformado y la extrusión (Inyección) soplado.

5.3. Aplicaciones. En la figura 5.3.1 se muestran algunos objetos que se obtienen por moldeo rotacional.

Figura 5.3.1. Ejemplos de piezas obtenidas por moldeo rotacional.

 

71

 

6. Moldeo por compresión. 6.1. Introducción. El moldeo por compresión es la técnica más antigua para producir en masa materiales plásticos. El método por compresión se usa casi exclusivamente para moldear los termoestables, aunque éstos se transforman también por el método de moldeo por inyección. El proceso también puede usarse con los termoplásticos, pero es menos común. El único termoplástico importante que se moldea por compresión es el disco fonográfico de larga duración (LP) que se hace con el copolímero cloruro de polivinilo negro. La razón principal de que se use este proceso con este producto se encuentra en el bajo nivel de orientación que tienen las  piezas  pie zas que qu e se molde mol dean an con este est e métod mét odo. o. Es dif difíc ícil il pro produ duci cirr disco di scoss plano pl anoss y del delgad gados os com comoo lo loss fonográficos sin que se tuerzan al usar el moldeo por inyección. la orientación produce distorsiones en forma de plato o de silla de montar que son indeseables en el producto. Con el moldeo por compresión se obtienen los discos planos que tuvieron mucho éxito durante 40 años, aunque en la actualidad, los discos compactos que se hacen con moldeo por inyección los están desplazando del mercado. El disco compacto se elabora a partir de una clase especial de policarbonato de bajo peso molecular  paraa asegur  par ase gurar ar bue buenas nas propi pr opieda edades des de fluj fl ujo. o. En est estee asp aspect ecto, o, se rep repit itee la histo hi stori riaa de su predec pre deceso esor, r, el disco negro, para el cual se creó el copolímero especial cloruro de polivinilo/acetato de polivinilo en la compañía British Geon, para obtener buenas propiedades de moldeo. Los materiales que se usan en la técnica de moldeo por compresión son las resinas termoestables y el caucho vulcanizable. Las primeras caen dentro de las l as siguientes categorías principales: 1. Resinas de fenolformaldehído (las "fenólicas") 2. Resinas de ureaformaldehído 3. Resinas de melaminaformaldehído 4. Resinas epóxicas 5. Siliconas 6. Dialilftalato y otros compuestos alquidálicos 7. Poliésteres insaturados. 6.2. Moldeo por compresión. Los fundamentos del moldeo por compresión pueden describirse de la siguiente forma (Figura 6.2.1): 1. El molde se sujeta entre las platinas calientes de una prensa hidráulica. 2. Se coloca una cantidad prepesada de termoestable, parcialmente polimerizado, en la mitad inferior del molde. La carga puede ser como polvo o como una torta tort a preformada. 3. La prensa se cierra con presión suficiente para evitar o minimizar la fuga de material en la división del molde. 4. El compuesto se reblandece y fluye para amoldarse al recipiente. Entonces se produce el curado químico conforme la temperatura interna del molde se vuelve bastante alta. El uso de calor y  presi  pr esión ón ace acele lera ra la poli po lime meri rizac zació iónn del te term rmoes oesta tabl blee y una un a vez que se ha com compl plet etado ado el entrecruzado (Curado) el artículo es sólido y puede ser extraido del molde mientras todavía esta caliente. 5. Si es necesario, se enfría, aunque para la gran mayoría de los l os termoestables, no es necesario. 6. La prensa se abre y se saca la pieza moldeada. Por lo común, se quita el molde de la prensa y se

abre en el banco para extraer la pieza moldeada. Se carga con un lote nuevo antes de volver a colocarlo en la prensa para comenzar el siguiente ciclo.  

72

 

En la práctica, a menudo, se calienta antes el compuesto para disminuir el tiempo que dura el ciclo de moldeo y facilitar el flujo en el molde. Puede Puede llevarse a cabo en entre tre 60 y 100 °C Se usan: 1. Calentadores de infrarrojo 2. Hornos de calentamiento dieléctrico HF (o sea, hornos de microondas) m icroondas) 3. Un tornillo caliente, que también compacta 4. Calentamiento por convección en un horno de aire caliente.

Figura 6.2.1. Principio del moldeo por compresión. El ciclo de moldeo incluye, i ncluye, a menudo, una etapa "de respiro" o descompresión. La presión se alivia momentáneamente para liberar las sustancias volátiles (aire y productos gaseosos atrapados) y, luego, se incrementa de nuevo para "expulsar" los gases. Los tiempos de ciclo pueden ser largos (hasta varios minutos), entonces es deseable tener moldes multicavidad para aumentar la capacidad de producción. Por consiguiente, consiguiente, los moldes tienen un área proyectada grande, grande, con lo que fuerza de cierre necesaria necesaria podría estar en eell rango de 100  500 toneladas, con el fin de dar los 7 – 25 2 MN/m   de presión necesaria en la cavidad. Las temperaturas son del orden de 130 a 200 ºC para la mayoría de las resinas termoestables y también para los cauchos. Los termoplásticos, que rara vez se moldean por compresión, generalmente requieren temperaturas más altas, por ejemplo, 230 °C para el polipropileno. La presión de moldeo varía según el material. Igual que con el moldeo por inyección, se requiere mantener la prensa cerrada lo cual depende de las propiedades del material que se moldea, en especial, de sus propiedades de flujo. En la tabla 6.2.1 se muestran algunos ejemplos. Tabla 6.2.1. Presiones para moldear termoestables. MATERIAL

PRESION MPa Lb/pulg

Compuesto de moldeo en pasta y fenólicos de fflujo Poliesteres insaturados granulares lujo suave suave 610 1418 9001500 20004000

Urea  formaldehído, melaminaformaldehido, fenolicos 2040 30006000 Materiales más rígidos 4055 60008000  

73

 

  Las presiones que se indican en la tabla 6.2.1 son las que se aplican a la pieza moldeada. Se calculan a partir de la fuerza de carga y el área de la pieza. Éstas no deben confundirse con las  presi  pr esione oness de d e lín l ínea ea hidrá hi drául ulic icas, as, que qu e hhay ay en algun al gunas as prens pr ensas as com comoo le lect ctur uras as de manóm ma nómet etro ro.. Las últim últ imas as  pueden  pue den con conve vert rtir irse se si sise se obs obser erva va el ta tama maño ño del emp empuja ujador dor mecáni mec ánico, co, la pr presi esión ón hidrá hid ráuli ulica, ca, se cal calcul culaa la fuerza y se aplica ésta al área del molde. Las dos características del moldeo por compresión que lo distinguen del moldeo por inyección son: 1. Genera pocos desperdicios (2 a 5 %, aunque es iirrecuperable). rrecuperable). 2. La baja orientación en las piezas moldeadas; las ventajas del producto que se tienen con esto son: (a). Los rellenos fibrosos se distribuyen bien y no se alteran u orientan durante el tratamiento. (b). El producto tiene bajos esfuerzos residuales; de ahí que se fabriquen discos de fonógrafo por moldeo de compresión, como se mencionó antes (c). Se mantienen las propiedades mecánicas y eléctricas debido a que hay poco flujo de corte que  provoq  pro voque ue que qu e ssee form f ormen en pistas pis tas conduc con ducto toras ras (d). El costo de mantenimiento del molde es bajo; se desgasta poco debido a las bajas fuerzas de corte, en comparación con el moldeo por inyección donde el desgaste del molde puede resultar caro (e). Los costos de capital y herramental son más bajos; la planta y las herramientas son simples. 6.3. Análisis del moldeo por compresión. Si el material está a una temperatura uniforme en el molde, entonces el proceso puede ser analizado del modo siguiente. Consideremos una "torta" de resina entre las l as placas de compresión de la prensa, como se muestra en la figura 6.3.1. Cuando una fuerza constante, F, se aplica a la placa superior la resina fluye como consecuencia del gradiente de presión. Si se asume comportamiento newtoniano, entonces la ecuación que nos da el flujo de presión es: 1    3   (6.3.1) (   =      12η   )  

Figura 6.3.1. Análisis del moldeo por compresión.

 

74

 

Para el elemento anular de radio, r, de la figura 6.3.1 es más conveniente usar coordenadas cilíndricas, con lo que la ecuación (6.3.1) se puede escribir como: (   =

1    (2π   )  3     12η     

(6.3.2)

Si la placa superior de la prensa baja una distancia, dH, el volumen desplazado es πr 2dH y el flujo de volumen es πr 2(dH/dt) Por tanto: 

π 2

!

1    =     (2π  )  3 12η     

(6.3.3)

y reordenando esta ecuación: 12η  

2    =  

  3 !

(6.3.4)

   

Esta ecuación diferencial se puede resolver del modo siguiente: 2     

=  *

 : * = + (  )

(6.3.5)

y separando variables:  =

 *

2

    

e integrando: 

∫0

 =

 *

 

2 ∫ 

o bien:   =

   

 *

 4(

2

−  2

)

(6.3.6)

La fuerza sobre el elemento es 2πrdr(P), con lo que la fuerza total, F, se obtiene integrando:  

 

= ∫0

Reordenando:  * = −

* =

8  π  

4

  *

∫0

=−

4

 

  π  * 4

(    −  ) 2π    = − 2

8π  2 2

 

2

 : 

8

= π  2  

Sustituyendo el valor de A en la ecuación (6.3.5) y teniendo en cuenta (6.3.4): 12η    3 ! 

8π  2  = −  2  

Separando variables e integrando: !

− ∫0 o bien:

2π  

2 !  =

3η  

 

∫  

 

 

5

0   

(6.3.7)

2π    1  1 1  !  = −    4   4  04  3η  2

(6.3.8)

 

75

 

  Puesto que H0 >>H, en la ecuación (6.3.8) se puede despreciar el término 1/H0 4  frente a 1/H4 , con lo que la fuerza de compactación puede aproximarse por: 3η  2      = 8π ! 4

(6.3.9)

donde H es la separación de las placas de la prensa en el instante t. 7. Moldeo por transferencia. tr ansferencia. El moldeo por transferencia es similar al moldeado por compresión, excepto que en vez de presionar el material en la cavidad, es presurizado en una cámara separada y luego forzado a pasar, a través t ravés de una abertura, en un molde cerrado. Los moldes de transferencia, por lo general, tienen multicavidades como se muestra en la l a figura 7.1. Las ventajas de moldeo por transferencia consisten en que el precalentamiento del material y la inyección por un orificio estrecho mejora la distribución de temperaturas en el material y acelera el curado (reacciones de entrecruzamiento). Por consiguiente, reduce el tiempo de ciclo y hay menos distorsión de los productos moldeados. La mejora de las características de flujo del material trae consigo que se pueden obtener, mediante esta técnica, formas más pequeñas y complejas.

Figura 7.1. Moldeo por transferencia de materiales termoestables. En la figura 7.2 puede verse la secuencia de operaciones del moldeo por transferencia de plásticos termoestables.

 

76

 

  Figura 7.2. Secuencia de operaciones del moldeo por transferencia t ransferencia de plásticos termoestables. El moldeo por transferencia se usa: 1. Para producir más fácilmente muchas partes pequeñas 2. Para reducir el daño o movimiento de las partes delicadas o delgadas del molde o de los insertos 3. Porque se considera más rápido debido a que transfiere mejor el calor a través de los bebederos. Esta técnica es particularmente particularmente adecuada para para la fabricación de piez piezas as de geometría compleja con espesores variables. En casos apropiados, el moldeo por transferencia ofrece estas ventajas; como se vio antes, ningún  proces  pro cesoo sim simpl plee es el mej mejor or par paraa tod todos os lo loss pro produc ductos tos,, y la la labo borr del in ingen genie iero ro de pr proce ocesos sos y del diseñador es encontrar el procedimiento más conveniente para cada caso particular. Para tomar una decisión, deben considerarse las desventajas del moldeo por transferencia en comparación con el moldeo por compresión común: 1. El flujo da lugar por lo común a una orientación indeseada del producto; también se incrementan los costos por desgaste y mantenimiento; 2. El equipamiento es bastante más complejo y, en consecuencia, más caro. Las espigas se desechan y hay poca probabilidad de tener un sistema de bebederos caliente.

 

77

 

6.2.

Extrusión

6.2.0.

Introducción

Descripción de una extrusora de husillo único:

También existen extrusoras de dos husillos y otras configuraciones. configuraciones. Zonas por las que pasa el material:

0.  Tolva  (hopper ). ). Puede disponer de sistema de calefacción y/o secado para materiales materiales hisgroscópicos. 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  (metering zone ): ): husillo cilíndrico. cilíndrico. 

4.  Plato rompedor   (breaker plate ): ): placas perforadas + tamices metálicos. 5.  Boquilla o hilera  (  (die  die ): ): contiene torpedo para perfiles huecos.

grpb Transparenicas de clase. 6.2 Extrusión.

1 de 18

 

 

•  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: 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:   Giro de los husillos en sentido contrario: mezcla esencialmente en la

o

zona central del ocho. Menor M enor calentamiento. Apropiadas Apropiadas para PVC.   Giro en el mismo sentido. Mayor cizalla y calentamiento. Apropiadas

o

para poliolefinas. poliolefinas.

6.2.1. Principios de funcionamiento de las extrusoras monousillo: zona de bombeo •  Modelo para el flujo en la zona de bombeo:    Análisis del canal entre entre los filetes filetes del husillo: husillo:

o

   Análisis del flujo en el canal entre los filetes del husillo (modelo de

o

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).

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2 de 18

  VZ=Vcosϕ   QA =

VZ Wh D   πDNW DNWh h D co cossϕ = , 2 120

con N en r.p.m.

b)  Flujo opuesto por diferencia de presión: 3

Q P = Wh D ∆p , 12η ZD

con N en r.p.m.

c)  Flujo resultante:

Q D =Q A

− QP =

Q D =K1 N −

K 2

πDNWh D cosϕ 120

−

Wh D

3

∆p

12η Z D

= K1 N −

K 2 

η

∆p  

∆p  

η

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Perfil de velocidades (válido para fluido newtoniano):

(h D − y 2 ) dp y VZ − v S (y) =   2 η dz hD

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 Velocidad de deformación deformación en la pared pared del cilindro: cilindro:

⎛ dv ⎞ γ& W = ⎜ z ⎟ ⎝ dy ⎠ y → h

=

V  Z

D

hD

−

hD

∆p

2η ZD

=

πDNcosϕ 60hD

−

hD

∆p

2η ZD

 

(*!)

•  Generalmente, ϕ=17,7º, ya que:   Para ese valor el paso

o

∏ coincide con el diámetro D.

  En las zonas de alimentación y plastificación, el husillo trabaja

o

transportando sólidos sólidos y para esa función el ángulo óptimo es ~17-20º.

6.2.2. Efectos térmicos de la zona de compresión. Plastifi Plastificación cación •  Proceso de plastificación en la zona de compresión:   Se produce disminución progresiva de h.

o

  Los mayores esfuerzos de rozamiento y cortantes se producen cerca de

o

la superficie interna del cilindro (mayor gradiente de velocidades).   Plastificación por aumento de temperatura

o

•  Modelo de Tadmor. Sin tener en cuenta reducción de h.

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     Velocidad del sólido en en el canal:

o

VSZ =

m &   ρ s Wh

   Velocidad relativa entre sólido sólido y cilindro cilindro (teorema (teorema del coseno): coseno):

o

2

Vrel = (V 2 + VSZ   − 2V∙VSZ cosϕ ) 1/2     Balance de masa:

o

VX 

δ 

VS 

x

ρ S xv S  dz  = ρ m

VX δdz 2  

  Balance de energía:

o

Calentamiento del sólido de Ts a Tm

Fusión del sólido (a Tm)

Calentamiento  por conducción en líquido

Generación de calor viscosa 2

V k (T − Tm ) ρ S v S [c p (Tm ‐ Ts ) + λ    ]= l W +  η rel   δ 2δ grpb Transparenicas de clase. 6.2 Extrusión.

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  De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener los valores de δ  y

o

vS:

vS =

Φ=

Φ ρs x

,

δ =

2Φ x   VX ρ m

 η 2 Vrel ] 2   2[c p (Tm ‐ Ts ) + λ ]

VX ρ m [k m (TW − Tm ) +

  Fracción de sección sin fundir a lo largo del canal:

o

2

x ⎛  Φz W  ⎞ ⎟   = ⎜⎜ 1 − 2m W ⎝  &  ⎠⎟   Longitud de canal necesaria para plastificación completa (x=0):

o

Z≥

  2m &   Φ W

  Estudio del perfil de temperaturas en la capa de polímero fundido:

o

 

Número adimensional de Brinkmann: relación entre generación de calor viscoso y transmisión por conducción: 2

 ηVrel   Br = k m (TW − Tm )

 

Mientras Br>h

D

  π R 4

Kʹ =

8L h

 

γ &W 

γ &W  

=

6Q   WH 2

=

4Q π  R

3

 

  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

o

la presión, con la velocidad de deformación y con la temperatura.

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6.2.4. Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de las extrusoras

Objetivo: maximizar caudal con la menor presión

.

del material: a)  Viscosidad depende esencialmente de la velocidad de deformación y de la temperatura.  

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.  

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.  

Se trabaja con el mayor diámetro Dh y menor longitud Lh., limitados por la aparcición de:

•  hinchamiento, •  inestabilidad inestabilidades es 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.

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6.2.5. Flujo del fundido por la hilera. Boquillas •  El material adquiere la forma (casi) definitiva en la hilera.   Hileras divergentes para la obtención de chapas (e>1mm), hojas

o

(0,1