EXTRUSION DE PLASTICOS
EXTRUSION
I. I. Conceptos
II. II. Principios básicos
III. III. Partes constituyentes de la extrusora
IV. IV. Diseño general y Tipos de husillos
V. V. Diámetro y longitud del husillo
VI. VI. Velocidad del husillo
VII. Placa rompedora, malla y dado
VIII. VIII. Condiciones de operación para una determinada resina
IX. Bibliografía
Introducción
Gran parte de los materiales plásticos han encontrado infinidad de mercados y una asombrosa variedad de aplicaciones en diversos campos industriales. Estos materiales poseen unas características muy interesantes, tales como intercambiabilidad de piezas, excelente acabado, propiedades eléctricas y mecánicas adecuadas, gran variedad de color, poco peso, aislamiento térmico, rápida producción y bajo costo.
Uno de los procesos para la obtención de materiales plásticos es la extrusión.
La extrusión es probablemente el proceso más versátil en la industria de los plásticos y también es una operación de alta calidad.
I. Conceptos
¿Qué es la extrusión?
La palabra extrusión viene de dos vocablos latinos, “ex” fuera y “trudere”, que significa empujar hacia (empujar hacia afuera o forzar a salir).
La operación de extrusión es la acción de forzar a un material plastificado, por la acción del calor y la presión, a pasar a través de un orificio o dado ( boquilla, matriz), que le proporcionará una forma determinada. El equipo debe ser capaz de proveer suficiente presión sobre el material en forma continua y uniforme, debe contar con medios para ablandar o acondicionar en alguna forma para que éste sea extruible.
Es un proceso por el cual es posible obtener productos acabados o semiacabados en régimen continuo. Los productos son perfiles y presentan diferentes formas.
El material debe ser tal que una vez acondicionado en forma adecuada, fluirá bajo presión y calor, solidificará cuando estas condiciones se eliminen, o bien, se puede hacer que solidifique como resultado de algún cambio fisico-dinámico que se pueda efectuar en forma continua. Existen tres tipos comerciales de extrusión, y son: pistón y cilindro, bombas de varios tipos y husillos giratorios.
Para nuestro caso estudiaremos la extrusión de plásticos con un husillo giratorio
Características de los plásticos a extruir
Desde la perspectiva de su uso , se seleccionará:
- temperatura de servicio del producto
- condiciones mecánicas y medioambientales
- condiciones químicas
Desde la perspectiva de proceso del plástico, se seleccionará:
- tipo de resina y forma de presentación
- tipo o geometría del producto terminado
- cantidad de resina a procesar
- índice de fluidez
- condiciones y variales de proceso
Tipos de plásticos a extruir
En general existen 16 materiales o grupos de materiales que se procesan comercialmente por las técnicas de extrusión.
1. Resinas acrílicas (polimetacrilato de metilo)
2. Copolímeros ABS (copolímero del acrilonitrilo-butadieno-estireno)
3. Plásticos de caseína
4. Materiales Celuloicos
5. Espumas de PS, PVC y espumas de poliolefinas
6. Poliacetales
7. Poliamidas (incluyendo poliuretanos lineales)
8. Policarbonatos
9. Polietilenos (alta, mediana y baja densidad)
10. Polipropileno
11. Poliestireno (incluyendo poliestirenos modificados)
12. Materiales basados en PVC
13. Plásticos vinílicos
14. Resinas fluorocarbónicas
15. Materiales termofijos
16. Elastómeros ( hules)
Presentación del Plástico a extruir
El tamaño y presentación del compuesto para la mayoría de los plásticos (Pellets) se da en: esferas, cilindros o cubos regulares de 1/8 plg (3 mm) o 3/32 plg (2.3 mm)
Los materiales para extrusión frecuentemente son suministrados por los fabricantes en forma de compuestos especialmente formulados. Estos materiales se presentan en forma de gránulos o pellets, pueden contener estabilizadores al calor y a la luz, lubricantes, pigmentos, plastificantes y otros aditivos (además de las resinas básicas), los cuales mejoran las propiedades de extrusión o dan las características requeridas para el producto final en particular. El compuesto debe estar adecuadamente estabilizado al calor y a la luz, de tal manera que no haya degradación en la máquina de extrusión o durante su servicio como producto terminado.
Fusión del plástico
Los plásticos funden por acción mecánica (fricción de plástico con las paredes del husillo y el cañón) en combinación con la elevación de su temperatura por medio de calentamiento del cañón. La acción mecánica incluye los esfuerzos de corte y el arrastre, que empujan al plástico hacia la boquilla e implica un incremento en la presión, como se presenta en la siguiente figura.
La primera fusión que se presenta en el sistema ocurre en la pared interna del cañón, en forma de una delgada película, resultado del incremento en la temperatura del material y posteriormente de la fricción.
Cuando esta película crece, es desprendida de la pared del cañón por el giro del husillo, en un movimiento de ida y vuelta seguido de un barrido, formando un patrón semejante a un remolino o rotatorio sin perder el arrastre final. Esto continúa hasta que se funde todo el polímero.
La fusión y arrastre del material se comporta como sigue: si el material se adhiere al husillo y resbala sobre la pared del cañón, entonces el arrastre es cero, y el material gira con el husillo. Sin embargo, el material no resbala con la pared del cañón y resbala con el husillo, entonces el arrastre es máximo y ocurre el transporte de material.
En la realidad el polímero experimenta, fricción tanto en la pared del cañón como en el husillo y las fuerzas de fricción determinan el arrastre que sufrirá el plástico.
El plástico como fluido
El plástico, se calienta hasta su temperatura de fusión y de esta manera puede fluir dentro del extrusor.
EL material debe fluir en forma de una masa fundida homogénea que no tenga partículas duras, no mezcladas o mezcladas imperfectamente, de modo especial en el caso de los materiales de vinilo y no debe mostrar una indebida tendencia a pegarse a las paredes de metal calentadas de la máquina de extrusión.
Fluido
Los plásticos al ser fundidos fluyen y presentan viscosidad.
El fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte; por tanto, en ausencia de éste, no habrá deformación.
La reología estudia los fenómenos relacionados con el flujo y la deformación de los materiales.
Isaac Newton fue el primero en definir el flujo viscoso.
Los plásticos presentan un comportamiento de flujo no newtoniano.
Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con el gradiente de tensión que se aplica, no tiene un valor de viscosidad definido y constante, es independiente del tiempo, con esfuerzo umbral, a diferencia de un fluido newtoniano.
El husillo, cuando gira, trata de desenroscarse y salir del cilindro hacia atrás. No puede irse porque un cojinete grande lo mantiene en su posición. En vez, el empuje del tornillo provoca que el material salga a través del cabezal.
Todo el cabezal actúa como una resistencia al flujo. Lo más la resistencia, lo mas el tornillo debe trabajar para empujar el material (se requiere más fuerza para girar el tornillo).
El operador del extrusor controla las temperaturas del cilindro, cabezal y boquilla, y a veces también las temperaturas del tornillo y del material en la tolva. El cilindro se divide en zonas, cada una con sus controles de calefacción y enfriamiento. Las temperaturas de estas zonas no tienen que coincidir con las temperaturas del material adentro, pero se seleccionan según se necesite en cada zona.
La zona de alimentación es especialmente importante ya que afecta la velocidad de alimentación y por lo tanto, puede controlar la producción.
Las temperaturas del cabezal y la boquilla normalmente son más o menos iguales a la temperatura del material plastificado adentro.
Índice de fluidez
n El índice de fluidez es una prueba reológica básica que se realiza a un polímero para conocer su fluidez. Se mide en g/10 min. Se define como la cantidad de material (medido en gramos) que fluye a través del orificio de un dado capilar en 10 minutos, manteniendo constantes presión y temperatura estándares.
n El índice de fluidez consiste en tomar una cantidad de polímero a una temperatura conocida arriba de su Tg y obligarlo con la fuerza de gravedad y un peso dado a través de un orificio por un tiempo determinado, (según la norma que se utilice, e.g. ASTM).
n La prueba no dura diez minutos, sino que puede durar un minuto o menos, pero de forma continua y luego se ajusta el valor a las unidades adecuadas.
n La fluidez del polímero es función de:
n Presión utilizada (peso del émbolo)
n Diámetro del orificio
n Viscosidad del material
n Este índice es de vital importancia para quienes hacen moldeo por inyección, extrusión, rotomoldeo u otro proceso que implique el confeccionamiento de una pieza termoplástica.
El índice de fluidez para poliolefinas se recomoienda cercano a 1 o por debajo, los índices de fluidez para resinas superiores a dos se utilizan
II. Principios básicos
La extrusión es la acción de forzar el paso de un plástico, por medio de presión, a través de un “dado” o “boquilla”. El proceso es muy utilizado para producir longitudes de termoplásticos con secciones transversales constantes como:
- Películas
- Tuberías
- Mangueras
- Fibras
- Películas
- Películas
- Bolsas
- Popotes y filamentos
- Hojas para persianas
- Ventanería
- Canales de flujo de agua
- Cañuelas
- Cintas adhesivas