(c).

MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS
TEMA 7.- MÉTODOS DE PROCESADO
UNA DE LAS CARACTERÍSTICAS MÁS DESTACADAS DE
LOS MATERIALES PLÁSTICOS ES LA
GRAN FACILIDAD Y ECONOMÍA CON LA QUE PUEDEN
SER PROCESADOS
A PARTIR DE UNAS MATERIAS PRIMAS
CONVENIENTEMENTE PREPARADAS, A LAS QUE SE LES
HAN AÑADIDO LOS PIGMENTOS, CARGAS Y ADITIVOS
NECESARIOS PARA CADA APLICACIÓN.
EN ALGUNOS CASOS PUEDEN PRODUCIRSE ARTÍCULOS
SEMIACABADOS COMO PLANCHAS Y BARRAS Y
POSTERIORMENTE OBTENER LA FORMA DESEADA
USANDO MÉTODOS CONVENCIONALES TALES COMO
MECANIZADO MEDIANTE MÁQUINAS HERRAMIENTAS Y
SOLDADURA.
SIN EMBARGO, EN LA MAYORÍA DE LOS CASOS EL
PRODUCTO FINAL,
QUE PUEDE SER BASTANTE COMPLEJO EN SU FORMA,
SE OBTIENE EN UNA SOLA OPERACIÓN,
↓CON MUY POCO DESPERDICIO DE MATERIAL,
COMO POR EJEMPLO LA FABRICACIÓN DE TUBERÍA
POR EXTRUSIÓN (PROCESO CONTINUO) O
LA FABRICACIÓN DE TELÉFONOS POR MOLDEO POR
INYECCIÓN (CICLO REPETITIVO DE ETAPAS)
↓
LAS ETAPAS PRINCIPALES EN TODOS LOS PROCESOS DE ELABORACIÓN DE LOS
MATERIALES PLÁSTICOS SON:
(I).- FUSIÓN
(II).- MEZCLADO Y HOMOGENIZACIÓN
(III).- TRANSPORTE DEL FUNDIDO.
LAS TRES ETAPAS ANTERIORES,
USUALMENTE, SE LOGRAN POR
MEDIO DE
UN TORNILLO DE ARQUÍMEDES
QUE IMPLICA LA DISPERSIÓN DE
LOS ESTABILIZANTES,
PIGMENTOS Y OTROS ADITIVOS,
LA EXCLUSIÓN DEL AIRE Y LOS
VOLATILES Y
LA TRANSFORMACIÓN DE LA
ALIMENTACIÓN EN FORMA DE
POLVO O GRÁNULOS EN UN
FUNDIDO UNIFORME
(IV) .-CONFORMADO PRIMARIO
ESTE PUEDE SER LOGRADO, EN DOS DIMENSIONES, POR EL FLUJO DEL FUNDIDO A
TRAVÉS DE UN DADO O BOQUILLA Y EN TRES DIMENSIONES POR EL FLUJO EN UN
MOLDE DE VARIAS PARTES O POR PRENSADO EN UN MOLDE ABIERTO.
ALGUNOS TERMOESTABLES SON PROCESADOS, SIMPLEMENTE, POR VERTIDO EN UN
MOLDE ABIERTO.
(V). - CONFORMADO SECUNDARIO
ESTE PUEDE IMPLICAR EL CORTE O
EL ARRASTRE DE UNA MASA DE
POLÍMERO, COMO OCURRE EN LA
PRODUCCIÓN DE FIBRAS,
PELÍCULAS O EL MOLDEO POR
SOPLADO
MOLDEO POR SOPLADO
(VI).- ESTABILIZACIÓN DE LA FORMA
PARA LOS TERMOPLÁSTICOS ESTO
CONSISTE EN EL PROCESO DE
ENFRIAMIENTO (Y DE AHÍ LA
SOLIDIFICACIÓN), MIENTRAS QUE
PARA LOS TERMOESTABLES Y
ELASTÓMEROS ES EL PROCESO DE
CURADO (ENTRECRUZADO DE LAS
CADENAS)
(VII).- OPERACIONES DE ACABADO
ESTAS PUEDEN INCLUIR EL TEMPLADO, EL MECANIZADO O EL RECUBRIMIENTO
EXTRUSION
LAS MÁQUINAS DE EXTRUSIÓN CONSTAN DE UN CILINDRO O BARRIL EN CUYO
INTERIOR SE ALOJA UN HUSILLO O TORNILLO, QUE AL GIRAR RECOGE EL MATERIAL DE
LA TOLVA DE ALIMENTACIÓN, LO HACE AVANZAR A LO LARGO DEL CILINDRO, LE
SOMETE A IMPORTANTES ESFUERZOS DE CIZALLA A LA VEZ QUE LO COMPRIME Y LO
DOSIFICA A TRAVÉS DE UN PLATO ROMPEDOR HASTA LA BOQUILLA O DADO QUE
PROPORCIONA EL PERFIL O LA FORMA FINAL DESEADA.
PARA HACER CADA FUNCIÓN
MÁS EFICIENTE SE DIVIDE EL
EXTRUSOR EN TRES ZONAS:
ALIMENTACIÓN, COMPRESIÓN
Y DOSIFICACIÓN.
LA ZONA DE DOSIFICACIÓN VA
SEGUIDA POR EL CABEZAL Y
EL DADO
(L/D)=16:1 A 32:1
LA “RAÍZ” O NÚCLEO DEL TORNILLO ES DE DIÁMETRO VARIABLE, DE MANERA QUE EL
CANAL EN ESPIRAL VARÍA EN PROFUNDIDAD.
EN GENERAL, LA PROFUNDIDAD DEL CANAL DISMINUYE DESDE EL EXTREMO DE
ALIMENTACIÓN HASTA EL EXTREMO DEL DADO
LA FINALIDAD DEL CONJUNTO TORNILLO-CILINDRO ES:
(1).- PRESURIZAR EL MATERIAL
(2).- FUNDIR O PLASTIFICAR EL POLÍMERO (CALENTAR)
(3).- ASEGURAR UNA MEZCLA ADECUADA (HOMOGENEIZACIÓN)
(4).- ACTUAR COMO MEDIO DE TRANSPORTE DEL POLÍMERO FUNDIDO HACIA EL DADO
DEBIDO AL MOVIMIENTO RELATIVO
ENTRE EL TORNILLO Y EL CILINDRO,
EL MATERIAL SE MEZCLA
ÍNTIMAMENTE, SE CALIENTA POR
EFECTO, NO SÓLO DEL CALOR
APLICADO AL CILINDRO, SINO,
SOBRE TODO, POR LA ENERGÍA
DISIPADA POR LOS ESFUERZOS
CORTANTES.
El DADO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA RESISTENCIA AL FLUJO. ENTRE MÁS
LARGO Y PEQUEÑO SEA EL ORIFICIO DE PASO, MAYOR SERÁ LA RESISTENCIA Y MAYOR
SERÁ LA POTENCIA NECESARIA PARA EMPUJAR EL MATERIAL FUNDIDO A SU TRAVÉS
EL DADO TIENE COMO FUNCIÓN EL OBTENER LA
FORMA FINAL DESEADA DEL MATERIAL EXTRUIDO
(AUNQUE PUEDE REALIZARSE UN CONFORMADO
POSTERIOR).
EL DADO ESTA CALENTADO EXTERNAMENTE Y DEBE
ASEGURAR QUE EL FLUJO DE MATERIAL FUNDIDO
CAMBIE DE FORMA SUAVEMENTE DESDE LA
CONFIGURACIÓN PROVENIENTE DEL TORNILLO HASTA
LA FORMA DESEADA DEL PRODUCTO FINAL.
POR EJEMPLO, PARA LA PRODUCCIÓN DE BARRAS
CIRCULARES SE REQUIERE UN DADO DE FORMA
TRONCOCÓNICA
UNA VEZ QUE SALE DEL DADO, EL FLUIDO DEBE SER ENFRIADO
RÁPIDAMENTE PARA MANTENER LA FORMA QUE SE OBTIENE.
EXTRUSION
UNA CONSECUENCIA DE QUE DISMINUYA LA PROFUNDIDAD DEL CANAL ES EL
INCREMENTO DE LA PRESIÓN A LO LARGO DEL EXTRUSOR , QUE ES LA
QUE IMPULSA EL MATERIAL FUNDIDO A PASAR A TRAVÉS DEL DADO.
EXTRUSION
Feed zone
To pre-heat polymer & supply correct
quantity. Uniform (“large”) depth
A
B
C
D
Compression zone
- To compact & melt the polymer
- Screw depth gradually decreases
(often linear)
Metering zone
- To produce a homogeneous (mixed)
melt & maintain constant pressure &
temperature at die
- Uniform (“small”) depth
Para un polímero que funde poco a poco,
como por ejemplo, el polietileno de baja
densidad, es apropiado un tornillo como el
que se muestra en la figura a, con la longitud
total dividida en tres zonas iguales
Los tornillos de este tipo se conocen a
menudo como tornillos para polietileno.
Tipos de extrusor:
(a).- Tradicional de tres zonas
(b).- De tres zonas con una sección de aireación
(c).- Tipo PVC para polímeros amorfos
(d).- Tipo Nylon para polímeros cristalinos con punto de fusión abrupto.
Placa rompedora y juego de mallas.
1.- EVITAR EL PASO DE MATERIAL
EXTRAÑO, POR EJEMPLO,
POLÍMERO NO FUNDIDO, POLVOS,
CUERPOS EXTRAÑOS.
2.- CREAR UN FRENTE DE PRESIÓN
CUANDO SE OPONE UNA
RESISTENCIA AL BOMBEO DE LA
ZONA ANTERIOR, REGULARIZANDO
ASÍ EL FLUJO DEL MATERIAL.
Esta presión es la que proporciona
la fuerza impulsora para vencer la
resistencia del dado.
3.- ELIMINAR LA “MEMORIA DE
GIRO” DEL MATERIAL FUNDIDO, ES
DECIR TRANSFORMAR EL FLUJO
HELICOIDAL DEL MATERIAL EN
FLUJO PARALELO MÁS REGULAR
LAS MOLÉCULAS DE UN PLÁSTICO CUALQUIERA CONSISTEN DE LARGAS
CADENAS QUE TIENDEN A TOMAR UNA CONFIGURACIÓN AL AZAR —EN
FORMA DE OVILLO—SIEMPRE QUE SEA POSIBLE
CUANDO ESTOS MATERIALES FLUYEN A TRAVÉS DE UN CANAL, LAS
MOLÉCULAS TIENDEN A ORIENTARSE, ES DECIR, A QUEDAR ALINEADAS EN
LA DIRECCIÓN DEL FLUJO. ASÍ, CUANDO EL PLÁSTICO FUNDIDO SALE DEL
DADO, MUCHAS DE SUS MOLÉCULAS HABRÁN SIDO ORIENTADAS EN LA
DIRECCIÓN DEL FLUJO.
A LA SALIDA, LAS MOLÉCULAS TIENDEN A TOMAR DE NUEVO UNA CONFIGURACIÓN AL
AZAR EN FORMA DE OVILLO, CAUSANDO ASÍ UNA CONTRACCIÓN EN LA DIRECCIÓN
LONGITUDINAL PARALELA AL FLUJO Y UNA EXPANSIÓN EN LA DIRECCIÓN RADIAL,
CONOCIDA COMO HINCHAMIENTO DEL EXTRUIDO
POR ESTA RAZÓN, LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LOS EXTRUIDOS SERÁ SIEMPRE
MAYOR QUE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL DADO (A MENOS QUE LA VELOCIDAD
LINEAL DE LA EXTRACION DEL EXTRUIDO SEA MAYOR QUE LA VELOCIDAD DE
EXTRUSIÓN)
BAJO CIRCUNSTANCIAS NORMALES, EL
HINCHAMIENTO DEL EXTRUIDO PUEDE
REDUCIRSE DE LA SIGUIENTE FORMA:
(I).- DISMINUYENDO LA VELOCIDAD DE
EXTRUSIÓN
(II).- AUMENTANDO LA TEMPERATURA DEL
PLÁSTICO FUNDIDO
(III).- AUMENTANDO LA LONGITUD
PARALELA DEL DADO
(IV).- AUMENTANDO LA VELOCIDAD DE
TIRON DE EXTRUIDO
CARACTERÍSTICAS DEL EXTRUSOR
EL FLUJO POR ARRASTRE DEL
MATERIAL FUNDIDO A LO LARGO DEL TORNILLO
ES EL RESULTADO DE LAS FUERZAS DE
FRICCIÓN, Y ES
EQUIVALENTE AL ARRASTRE VISCOSO
ENTRE LAS PLACAS ESTACIONARIA Y MÓVIL
SEPARADAS POR UN MEDIO VISCOSO.
ESTO CONSTITUYE LA COMPONENTE DE
TRANSPORTE DEL EXTRUSOR.
AL FLUJO DE ARRASTRE SE LE OPONE LA COMPONENTE DEL FLUJO
DE PRESIÓN, PRODUCIDO POR EL GRADIENTE DE PRESIÓN QUE HAY A LO
LARGO DEL EXTRUSOR. ES IMPORTANTE COMPRENDER QUE NO HAY
FLUJO REAL RESULTANTE DEBIDO A LA PRESIÓN, ÚNICAMENTE ES UNA
OPOSICIÓN.
EL COMPONENTE FINAL EN EL MODELO DE FLUJO ES EL FLUJO DE
FUGA. HAY UN ESPACIO FINITO ENTRE EL TORNILLO Y LA CAMISA A
TRAVÉS DEL CUAL SE PUEDE FUGAR EL MATERIAL. ESTE ES TAMBIÉN UN
FLUJO IMPULSADO POR EL GRADIENTE DE PRESIÓN QUE TAMBIÉN SE
OPONE AL FLUJO DE ARRASTRE
FLUJO TOTAL =
= FLUJO DE ARRASTRE - FLUJO DE PRESIÓN - FLUJO DE FUGA.
3
2

DH
sen
 P  2D 2 3
1
P
2
2
QT   D NHsen cos  

tag 
12
L
2
12e
L
δ
N (rps)
EXTRUSION
EXTRUSION
P 
P
QT  C1N  C2
 C4 
 

Curva característica de un extrusor.
EXTRUSION
K = Factor que depende de la forma
Q  C3
P
R
4
 C3  8L
EXTRUSION
Características del
extrusor y del dado.
Punto de operación.
La gráfica de la figura es muy útil, ya
que nos permite analizar el efecto que
producen los cambios de los valores
de los parámetros.
Las posiciones de las líneas de la
gráfica se modifican por cambios en
las condiciones de operación.
P 
P
QT  C1N  C2
 C4 
 

Q  C3
P

Un aumento en la viscosidad tiene un efecto opuesto sobre el
caudal de salida del tornillo y del dado, incrementa el del
tornillo y disminuye el del dado
PUEDE SER MECÁNICA O HIDRÁULICA
MOLDE DE
INYECCIÓN
Gate
Sprue