6.2. Extrusión

6.2.
Extrusión
6.2.0. Introducción
Descripción de una extrusora de husillo único:
También existen extrusoras de dos husillos y otras configuraciones.
Zonas por las que pasa el material:
0. Tolva (hopper). Puede disponer de sistema de calefacción y/o secado
para materiales hisgroscópicos.
1. Zona de alimentación (feed zone): husillo cilíndrico. Se produce el
transporte del material y se precalienta por el rozamiento entre granos.
2. Zona de compresión o plastificación (compression zone): husillo
troncocónico. La altura de los filetes del husillo se reduce
progresivamente para compactar el material y expulsar el aire atrapado
hacia la zona de alimentación.
3. Zona de dosificación o bombeo (metering zone): husillo cilíndrico.
4. Plato rompedor (breaker plate): placas perforadas + tamices
metálicos.
5. Boquilla o hilera (die): contiene torpedo para perfiles huecos.
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•
El cilindro puede contener venteos para eliminar los productos gaseosos.
•
Típicamente: ~10 -1000 kg/h. Velocidad: ~50 – 150 rpm. Consumo: 0,1 – 0,2
kwh/kg.
•
Regulación de la temperatura: con resistencias y/o circuitos de aceite.
•
Superficie interna del cilindro resistente a la corrosión y la abrasión: acero
nitrurado o alto contenido en Cr.
•
Hay dos tipos de extrusoras de dos husillos:
o
Giro de los husillos en sentido contrario: mezcla esencialmente en la
zona central del ocho. Menor calentamiento. Apropiadas para PVC.
o
Giro en el mismo sentido. Mayor cizalla y calentamiento. Apropiadas
para poliolefinas.
6.2.1. Principios de funcionamiento de las extrusoras monousillo:
zona de bombeo
•
Modelo para el flujo en la zona de bombeo:
o
Análisis del canal entre los filetes del husillo:
o
Análisis del flujo en el canal entre los filetes del husillo (modelo de
Placas Paralelas):
a) Flujo de arrastre: fluido newtoniano sobre un sistema de
referencia que se mueve con el husillo (en el cálculo: husillo fijo
y cilindro rotando con velocidad angular constante).
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VZ =Vcosϕ
QA =
VZ Wh D πDNWh D cosϕ
,
=
2
120
con N en r.p.m.
b) Flujo opuesto por diferencia de presión:
3
Wh D ∆p
QP =
,
12η ZD
con N en r.p.m.
c) Flujo resultante:
3
πDNWh D cosϕ Wh D ∆p
K
Q D =Q A − Q P =
−
= K1 N − 2 ∆p
120
12η ZD
η
Q D =K1 N −
K2
∆p
η
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Perfil de velocidades (válido para fluido newtoniano):
v S (y) =
y
(h − y 2 ) dp
VZ − D
hD
2η
dz
Velocidad de deformación en la pared del cilindro:
⎛ dv ⎞
V h ∆p πDNcosϕ h D ∆p
γ& W = ⎜ z ⎟
= Z− D
=
−
60h D
2η ZD
⎝ dy ⎠ y→h D h D 2η ZD
•
(*!)
Generalmente, ϕ=17,7º, ya que:
o
Para ese valor el paso ∏ coincide con el diámetro D.
o
En las zonas de alimentación y plastificación, el husillo trabaja
transportando sólidos y para esa función el ángulo óptimo es ~17-20º.
6.2.2. Efectos térmicos de la zona de compresión. Plastificación
•
•
Proceso de plastificación en la zona de compresión:
o
Se produce disminución progresiva de h.
o
Los mayores esfuerzos de rozamiento y cortantes se producen cerca de
la superficie interna del cilindro (mayor gradiente de velocidades).
o
Plastificación por aumento de temperatura
Modelo de Tadmor. Sin tener en cuenta reducción de h.
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o
Velocidad del sólido en el canal:
VSZ =
o
m
&
ρ s Wh
Velocidad relativa entre sólido y cilindro (teorema del coseno):
Vrel = (V 2 + VSZ − 2V∙VSZ cosϕ ) 1/2
2
o
Balance de masa:
VX
δ
VS
x
ρ S xv S dz = ρ m
o
Calentamiento
del sólido de
Ts a Tm
VX
δdz
2
Balance de energía:
Fusión
del sólido
(a Tm)
Calentamiento
por conducción
en líquido
Generación
de calor
viscosa
V
k (T − Tm )
+ η rel
ρ S v S [c p (Tm ‐ Ts ) + λ ] = l W
2δ
δ
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2
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o
De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener los valores de δ y
vS:
vS =
ρs x
δ=
,
η
2
Vrel ]
2
2[c p (Tm ‐ Ts ) + λ ]
Fracción de sección sin fundir a lo largo del canal:
Φz W ⎞
x ⎛
⎟
= ⎜⎜ 1 −
2m
W ⎝
& ⎟⎠
o
2
Longitud de canal necesaria para plastificación completa (Æx=0):
Z≥
o
2Φ x
VX ρ m
VX ρ m [k m (TW − Tm ) +
Φ=
o
Φ
2m
&
Φ W
Estudio del perfil de temperaturas en la capa de polímero fundido:
ƒ
Número adimensional de Brinkmann: relación entre generación
de calor viscoso y transmisión por conducción:
2
Br =
ƒ
ηVrel
k m (TW − Tm )
Mientras Br<2, temperatura del polímero por debajo de TW: no
peligro de sobrecalietamiento. Máxima velocidad relativa para
Br≤2:
Vrel, máx =
ƒ
2k m (TW − Tm )
η
Límites habituales de Vrel (situación práctica de trabajo):
•
Vrel=50m/min TP más estables
•
Vrel=10-20m/min TP fácilmente termodegradables: PVC,
PMMA, ABS.
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6.2.3. Efecto de la restricción del flujo del fundido por la hilera
o
Caída de presión a lo largo de la hilera:
o
Considerando exclusivamente la hilera:
Q=
Kʹ
Δp
η
h
Kʹ =
W>>h
D
WH 3
12L h
Kʹ =
πR 4
8L h
γ&W =
6Q
WH 2
γ&W =
4Q
πR 3
o
En realidad, por la variación de la viscosidad en función de la presión y
de la temperatura, la relación entre ∆p y Q no es lineal.
o
En realidad, las curvas no son rectas, puesto que la viscosidad varía con
la presión, con la velocidad de deformación y con la temperatura.
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6.2.4. Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de
las extrusoras
Objetivo: maximizar caudal con la menor presión Å.
a) Viscosidad
del
material:
depende
esencialmente de la velocidad de deformación
y de la temperatura.
Æ Se trabaja a la mayor temperatura que
garantiza que no hay degradación térmica.
T habitual de trabajo: ver Tabla 6.3.
PVC: 170-190ºC, η=1060-500 Pa·s.
LDPE: 160-210ºC, η=100-50 Pa·s.
PEEK: 360-400ºC, η=480-350 Pa·s.
b) Velocidad de giro del husillo: determina el
caudal y la presión.
Æ Se trabaja a la mayor velocidad que
garantiza:
•
Que no hay degradación mecánica
[disminución de MW por rotura de
cadenas].
•
Que no se produce rotura del fundido
(melt fracture).
c) Geometría de la hilera: determina
relación entre presión y caudal.
la
Æ Se trabaja con el mayor diámetro Dh y
menor longitud Lh., limitados por la aparcición
de:
•
hinchamiento,
•
inestabilidades del flujo,
•
defectos superficiales.
d) Geometría del husillo: Se consigue mayor
caudal con mayor longitud de la zona de
bombeo LD y con mayor altura de los filetes
del husillo hD.
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6.2.5. Flujo del fundido por la hilera. Boquillas
•
El material adquiere la forma (casi) definitiva en la hilera.
o
Hileras divergentes para la obtención de chapas (e>1mm), hojas
(0,1<e<1mm) y filmes (e<0,1mm), con un ancho de hasta 2m.
Diseño encaminado a obtener condiciones ~ homogéneas a la salida:
o
•
o
Distribuidor de flujo
o
Tornillos de control de separación de labios
Hileras convergentes: conviene inclinación <10º. Modelo de Patín de
Reynolds.
o
Torpedo para perfiles huecos: se emplea un
canal convergente para homogeneizar el
fluido.
o
Distribuidor helicoidal: para tubos de paredes
finas y filmes soplados
o
Obtención de granza: se acopla una cortadora a la salida de la hilera
para obtener cilindros de ~3mm, que tienden a redondearse durante el
enfriamiento.
Condiciones del flujo en la hilera:
o
Problema en polímeros cuyo coeficiente de rozamiento contra el acero
aumenta con la temperatura (PVC): calentamiento hasta pegado.
o
En los polímeros en los que se produce disminución del coeficiente: flujo
estable.
o
Pueden emplearse lubricantes externos.
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o
Tipos de flujo:
•
Hinchamiento por recuperación viscoelástica. El tramo final recto de la hilera
debe ser suficientemente largo para minimizarlo.
•
Se realiza un enfriamiento controlado del extruido. Se produce la cristalización
en los materiales semicristalinos. Puede llevarse a cabo un estirado uni- o
bidireccional que orienta las cristalitas y da lugar a una anisotropía que puede
ser útil.
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6.2.6. Defectos e inestabilidades del flujo
1. Piel rugosa (shark skin): desde áspera y mate hasta pequeñas grietas.
o
Se achaca al aumento brusco de velocidad en la periferia del fundido al
salir de la hilera.
o
Efecto aumenta cuanto más estrecha sea la distribución de pesos
moleculares y cuanto mayor sea la viscosidad.
o
Soluciones:
ƒ
Aumento de la temperatura del material y reducción de la
velocidad
ƒ
Empleo de lubricante externo
ƒ
Coextrusión de una piel de material con menor viscosidad
(menor Mw).
2. Rotura del fundido (melt fracture). Æ Transparencias específicas.
6.2.7. Efectos térmicos en la hilera
•
En la hilera se genera calor por efecto de la viscosidad.
•
Importancia de temperatura homogénea a la salida de hileras divergentes para
obtener material homogéneo.
•
Números adimensionales:
Número de Brinkman:
Número de Cameron:
ηv 2
Br =
k(TW − T0 )
kL
Ca =
ρc p vR 2
(~ generación calor/transmisión)
(~ transmisión/almacenamiento)
•
En hileras de extrusión de filmes con Ca>>1 y Br<<1: temperatura del fundido
depende esencialmente de Tw: necesidad de mantener refrigeración.
•
Si Ca<<1 y Br>>1, temperatura esencialmente controlada por generación de
calor interno.
•
Ejemplo de hilera:
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6.2.8. Enfriamiento y calibración del extruido
•
Conformación definitiva:
o
o
•
Estirado: velocidad de recogida superior a la de salida de la hilera.
ƒ
Tractores sin fin oruga (caterpillar) para extruidos rígidos.
ƒ
Enrollado en rodillos para extruidos flexibles.
Frotamiento con superficie metálica: calibrador o rodillos.
Enfriamiento: transmisión de calor del polímero al fluido que lo enfría.
s
Ta
Tw
Convección:
dq
= h t A(Ta - Tw )
dt
Ti
Conducción:
dq k m
A(Ti - Tw )
=
dt
s
Número adimensional de Biot:
Bi =
h ts
km
Para evitar tensiones y discontinuidades morfológicas, Bi no muy alto,
Bi<100.
ƒ
km ≈ 0,1 – 0,4 W/mºC.
ƒ
ht ≈ 10 – 30 W/m2ºC en aire [filmes]
≈ 1000 W/m2ºC en agua en circulación [tubos, perfiles]
≈ 500 W/m2ºC para calibradores metálicos refrigerados
≈ 1500 W/m2ºC con pulverización de agua [amorfos: PVC]
o
En perfiles gruesos, velocidad de producción limitada por el enfriamiento
del interior del perfil.
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o
•
En extrusión reactiva (gasificación o reticulación): reacciones deben
completarse antes del enfriamiento.
Operaciones fianles:
o
Impresión o marcado mediante tintas.
o
Corte
o
Control de calidad
o
Envasado
6.2.9. Modalidades particulares de la técnica de extrusión
•
Notas: PP, PVC, PET.
6.2.9.1. Extrusión de tubos y otros perfiles huecos
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•
Conformado definitivo:
o
Calibrador externo refrigerado. El tubo se adapta por presión interna o
por vacío mediante orificios.
o
Calibrador-mandril interno. Sirve como obturador si se aplica presión
interna.
•
Regulación precisa de la velocidad de estirado del sistema tractor.
•
Tubos de gran espesor y diámetro: extrusión vertical descendente. Permite
pulverización de agua en interior.
•
Tubos de muy gran diámetro (D>500mm): preferible moldeo centrífugo.
•
Ejemplo: perfiles macizos de PVC celular (gasificantes químicos): se extruyen
como perfiles huecos y el interior se rellena por la expansión posterior.
•
Ejemplo: tubos reticulados: el sistema a la salida de la extrusora, se añade un
sistema de reticulación que deforma en continuo la pared del tubo (forzado de
la deformación mediante vacío). Puede soldarse a un tubo interior para obtener
una superficie interior lisa, en cuyo caso el sistema de reticulación tiene tres
funciones: reticulación de la pared exterior, termofusión de los dos tubos y
enfriamiento.
Fabricación de tubos corrugados
6.2.9.2. Recubrimiento de cables
•
Funciones del recubrimiento: aislamiento eléctrico, protección frente a corrosión
y desgaste.
•
Sistemas de recubrimiento:
a) Recubrimiento a presión: adherencia entre recubrimiento y cable.
Generalmente, hilera perpendicular a husillo.
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Caudal del polímero impulsado por el bombeo de la extrusora (pressure
flow), por el arraste del cable (drag flow) y por el estirado del
recubrimiento consolidado (extensional flow).
b) Recubrimiento tubular: se extruye un tubo que se fija mediante vacío.
•
Enfriamiento: baños de gran longitud. Velocidad habitual: 1km/min.
6.2.9.3. Extrusión de perfiles macizos
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•
Diseño del interior de la hilera para obtener velocidad homogénea a la salida:
h1
h2
W1
W2
•
Generalmente, diseño de boquillas a partir de la experiencia para dar una forma
aproximada, y después las unidades de calibración conforman el material a las
dimensiones definitivas.
•
Perfiles complicados: calibradores acoplados directamente a la hilera.
6.2.9.4. Tecnología de extrusión de filmes
•
Para llegar a espesores muy pequeños (20-200µm) es necesario deformar el
extruido mediante estirado (flujo extesional).
•
Tres técnicas:
1. Laminación (casting): extrusión de lámina + rodillos de tiraje + rodillos
de enfriamiento + corte de bordes.
Relación de tiraje: es la relación entre velocidades R T =
VT
Vh
o
Gran ancho (por desperdicio de los bordes)
o
Orientación longitudinal de las cristalitas: baja resistencia al
rasgado.
2. Extrusión y soplado (blowing): extrusión de tubo de paredes delgadas
(distribuidor helicoidal) + inyección de aire + guías + plegado.
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Relación de soplado: estirado transversal R S =
Relación de estirado longitudinal: R T =
•
D burbuja
D hilera
VT ρ h H/s
=
Vh ρ T R S
o
Orientación biaxial equilibrada si Rs ≈ RT ≈ (H/s)1/2 (≈1,8-4,5)
o
Aconsejado: leer Ejercicio 6.6.
Filmes soplados más irregulares (±8%) que los laminados (±4%), peor barrera
al oxígeno y mejores propiedades mecánicas.
3. Estirado biaxial: estirado longitudinal + calentamiento y estirado
transversal con sistema de cremallera. Para materiales con burbuja no
estable: PP, PA, PET.
6.2.9.5. Recubrimiento de sustratos (extrusion coating)
•
Recubrimiento de lámina de otro material (papel, cartón, tejido, aluminio,…)
con film de plástico.
•
LDPE empleado en ~90% de los casos.
•
Proceso: se hace pasar el film+material base entre rodillos.
•
Adherencia del recubrimiento:
o
Necesidad de alta temperatura.
o
En polímeros poco adherentes, oxidación al salir de la extrusora.
6.2.9.6. Extrusiones especiales
o
Se pueden obtener redes a partir de esta técnica:
ƒ
Mediante hileras dotadas de partes móviles
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ƒ
Rodillos provistos de púas + estirado biaxial.
6.2.9.7. Coextrusión
•
Obtención de materiales multicapa por coextrusión una única hilera.
•
Ventaja: combinación de propiedades (p.ej. capa resistente mecánicamente +
capa debaja permeabilidad…).
•
Ejemplos:
o
Parisones (o mangas): para posterior moldeo por soplado (EBM).
o
Recubrimientos multicapa de cables.
o
Filmes multicapa (laminados o soplados).
•
Espesor de cada capa regulado con estricciones en cada distribuidor.
•
En caso de baja adherencia, pueden emplearse ionómeros como adhesivos.
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