La extrusión de plásticos es un proceso de fabricación de gran volumen en el que el plástico en bruto se funde y se le da forma en un perfil continuo. La extrusión produce artículos como tuberías, burletes, cercas, barandillas de terrazas, marcos de ventanas, películas y láminas de plástico, revestimientos termoplásticos y aislamiento de cables.
Este proceso comienza alimentando material plástico (pellets, gránulos, escamas o polvos) desde una tolva al cilindro de la extrusora. El material se funde gradualmente mediante la energía mecánica generada al girar los tornillos y mediante calentadores dispuestos a lo largo del cilindro. Luego, el polímero fundido se introduce en una matriz, que le da una forma que se endurece durante el enfriamiento.
HISTORIA
extrusión de tuberías
Los primeros precursores de la extrusora moderna se desarrollaron a principios del siglo XIX. En 1820, Thomas Hancock inventó un “masticador” de caucho diseñado para recuperar restos de caucho procesados, y en 1836 Edwin Chaffee desarrolló una máquina de dos rodillos para mezclar aditivos en caucho. La primera extrusión termoplástica fue realizada en 1935 por Paul Troester y su esposa Ashley Gershoff en Hamburgo, Alemania. Poco después, Roberto Colombo de LMP desarrolló las primeras extrusoras de doble tornillo en Italia.
PROCESO
En la extrusión de plásticos, el material compuesto en bruto suele adoptar la forma de nurdles (pequeñas perlas, a menudo llamadas resina) que se alimentan por gravedad desde una tolva montada en la parte superior al cilindro del extrusor. A menudo se utilizan aditivos como colorantes e inhibidores de UV (en forma líquida o en gránulos) que se pueden mezclar con la resina antes de llegar a la tolva. El proceso tiene mucho en común con el moldeo por inyección de plástico desde el punto de vista de la tecnología de extrusión, aunque se diferencia en que suele ser un proceso continuo. Si bien la pultrusión puede ofrecer muchos perfiles similares en longitudes continuas, generalmente con refuerzo adicional, esto se logra sacando el producto terminado de una matriz en lugar de extruir el polímero fundido a través de una matriz.
El material ingresa a través de la garganta de alimentación (una abertura cerca de la parte trasera del cilindro) y entra en contacto con el tornillo. El tornillo giratorio (que normalmente gira, por ejemplo, a 120 rpm) fuerza las perlas de plástico hacia el interior del cilindro calentado. La temperatura de extrusión deseada rara vez es igual a la temperatura establecida del cilindro debido al calentamiento viscoso y otros efectos. En la mayoría de los procesos, se establece un perfil de calentamiento para el barril en el que tres o más zonas de calentamiento independientes controladas por PID aumentan gradualmente la temperatura del barril desde la parte trasera (por donde entra el plástico) hacia el frente. Esto permite que las perlas de plástico se derritan gradualmente a medida que se empujan a través del cilindro y reduce el riesgo de sobrecalentamiento que puede causar degradación en el polímero.
El calor adicional lo aporta la intensa presión y fricción que se producen dentro del cañón. De hecho, si una línea de extrusión procesa ciertos materiales lo suficientemente rápido, los calentadores se pueden apagar y la temperatura de la masa fundida se puede mantener únicamente mediante presión y fricción dentro del barril. En la mayoría de las extrusoras, hay ventiladores de refrigeración para mantener la temperatura por debajo de un valor establecido si se genera demasiado calor. Si la refrigeración por aire forzado resulta insuficiente, se emplean camisas de refrigeración integradas.
Extrusora de plástico cortada por la mitad para mostrar los componentes.
En la parte delantera del cilindro, el plástico fundido sale del tornillo y viaja a través de un paquete de malla para eliminar cualquier contaminante del fundido. Las pantallas están reforzadas por una placa rompedora (un disco de metal grueso con muchos agujeros perforados), ya que la presión en este punto puede exceder los 5000 psi (34 MPa). El conjunto del paquete de criba/placa rompedora también sirve para crear contrapresión en el barril. Se requiere contrapresión para una fusión uniforme y una mezcla adecuada del polímero, y la presión que se genera se puede "modificar" variando la composición del paquete de mallas (el número de mallas, el tamaño del tejido del alambre y otros parámetros). Esta combinación de placa rompedora y paquete de criba también elimina la “memoria rotacional” del plástico fundido y crea, en su lugar, una “memoria longitudinal”.
Después de pasar a través de la placa rompedora, el plástico fundido ingresa al troquel. El troquel es lo que le da al producto final su perfil y debe diseñarse de manera que el plástico fundido fluya uniformemente desde un perfil cilíndrico hasta la forma del perfil del producto. El flujo desigual en esta etapa puede producir un producto con tensiones residuales no deseadas en ciertos puntos del perfil que pueden causar deformaciones al enfriarse. Se puede crear una amplia variedad de formas, restringidas a perfiles continuos.
Ahora se debe enfriar el producto y esto generalmente se logra pasando el extruido a través de un baño de agua. Los plásticos son muy buenos aislantes térmicos y, por tanto, difíciles de enfriar rápidamente. En comparación con el acero, el plástico disipa el calor 2.000 veces más lentamente. En una línea de extrusión de tubos o tuberías, un vacío cuidadosamente controlado actúa sobre un baño de agua sellado para evitar que el tubo o tubería recién formado y aún fundido colapse. Para productos como láminas de plástico, el enfriamiento se logra pasando a través de un conjunto de rodillos de enfriamiento. Para películas y láminas muy delgadas, el enfriamiento por aire puede ser eficaz como etapa de enfriamiento inicial, como en la extrusión de películas sopladas.
Las extrusoras de plástico también se utilizan ampliamente para reprocesar residuos de plástico reciclado u otras materias primas después de limpiarlos, clasificarlos y/o mezclarlos. Este material comúnmente se extruye en filamentos adecuados para cortarlos en perlas o gránulos para usarlos como precursor en un procesamiento posterior.
DISEÑO DE TORNILLO
Hay cinco zonas posibles en un tornillo termoplástico. Dado que la terminología no está estandarizada en la industria, es posible que diferentes nombres se refieran a estas zonas. Los diferentes tipos de polímero tendrán diferentes diseños de tornillos y algunos no incorporarán todas las zonas posibles.
Un simple tornillo de extrusión de plástico
Tornillos extrusores de Boston Matthews
La mayoría de los tornillos tienen estas tres zonas:
● Zona de alimentación (también llamada zona de transporte de sólidos): esta zona alimenta la resina al extrusor y la profundidad del canal suele ser la misma en toda la zona.
● Zona de fusión (también llamada zona de transición o compresión): en esta sección se funde la mayor parte del polímero y la profundidad del canal se hace progresivamente menor.
● Zona de dosificación (también llamada zona de transporte de material fundido): esta zona funde las últimas partículas y se mezcla hasta obtener una temperatura y composición uniformes. Al igual que la zona de alimentación, la profundidad del canal es constante en toda esta zona.
Además, un tornillo ventilado (de dos etapas) tiene:
● Zona de descompresión. En esta zona, aproximadamente a dos tercios del tornillo, el canal se vuelve repentinamente más profundo, lo que alivia la presión y permite que los gases atrapados (humedad, aire, disolventes o reactivos) sean extraídos mediante vacío.
● Segunda zona de medición. Esta zona es similar a la primera zona de medición, pero con mayor profundidad de canal. Sirve para represurizar la masa fundida para hacerla pasar por la resistencia de las mallas y el troquel.
A menudo, la longitud del tornillo se hace referencia a su diámetro como relación L:D. Por ejemplo, un tornillo de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro en 24:1 tendrá 144 pulgadas (12 pies) de largo y en 32:1 tendrá 192 pulgadas (16 pies) de largo. Es común una relación L:D de 25:1, pero algunas máquinas llegan hasta 40:1 para obtener más mezcla y más producción con el mismo diámetro de tornillo. Los tornillos de dos etapas (con ventilación) suelen tener una proporción de 36:1 para tener en cuenta las dos zonas adicionales.
Cada zona está equipada con uno o más termopares o RTD en la pared del barril para control de temperatura. El "perfil de temperatura", es decir, la temperatura de cada zona, es muy importante para la calidad y las características del extruido final.
MATERIALES TÍPICOS DE EXTRUSIÓN
Tubería de HDPE durante la extrusión. El material de HDPE proviene del calentador, pasa al troquel y luego al tanque de enfriamiento. Este tubo conducto Acu-Power está coextruido: interior negro con una fina cubierta naranja, para designar cables de alimentación.
Los materiales plásticos típicos que se utilizan en la extrusión incluyen, entre otros: polietileno (PE), polipropileno, acetal, acrílico, nailon (poliamidas), poliestireno, cloruro de polivinilo (PVC), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y policarbonato.[4 ]
TIPOS DE Matrices
Existe una variedad de troqueles utilizados en la extrusión de plásticos. Si bien puede haber diferencias significativas entre los tipos de matrices y su complejidad, todas las matrices permiten la extrusión continua de polímero fundido, a diferencia del procesamiento no continuo como el moldeo por inyección.
Extrusión de película soplada
Extrusión por soplado de película plástica.
La fabricación de películas plásticas para productos como bolsas de compras y láminas continuas se logra mediante una línea de película soplada.
Este proceso es igual que un proceso de extrusión normal hasta la matriz. Hay tres tipos principales de matrices que se utilizan en este proceso: anular (o cruceta), araña y espiral. Los troqueles anulares son los más simples y se basan en que el polímero fundido se canalice alrededor de toda la sección transversal del troquel antes de salir del mismo; esto puede resultar en un flujo desigual. Los troqueles tipo araña constan de un mandril central unido al anillo exterior del troquel mediante varias “patas”; Si bien el flujo es más simétrico que en las matrices anulares, se producen una serie de líneas de soldadura que debilitan la película. Los troqueles en espiral eliminan el problema de las líneas de soldadura y el flujo asimétrico, pero son, con diferencia, los más complejos.
La masa fundida se enfría un poco antes de salir de la matriz para producir un tubo semisólido débil. El diámetro de este tubo se expande rápidamente mediante la presión del aire y el tubo se tira hacia arriba con rodillos, estirando el plástico tanto en la dirección transversal como en la dirección de estiramiento. El estirado y el soplado hacen que la película sea más delgada que el tubo extruido y también alinea preferentemente las cadenas moleculares del polímero en la dirección que presenta la mayor tensión plástica. Si la película se estira más de lo que se sopla (el diámetro final del tubo es cercano al diámetro extruido), las moléculas de polímero estarán muy alineadas con la dirección de extracción, lo que formará una película que es fuerte en esa dirección, pero débil en la dirección transversal. . Una película que tiene un diámetro significativamente mayor que el diámetro extruido tendrá más resistencia en la dirección transversal, pero menos en la dirección de estiramiento.
En el caso del polietileno y otros polímeros semicristalinos, a medida que la película se enfría, cristaliza en lo que se conoce como línea de escarcha. A medida que la película continúa enfriándose, se pasa a través de varios juegos de rodillos de presión para aplanarla y convertirla en un tubo plano, que luego se puede enrollar o cortar en dos o más rollos de lámina.
Extrusión de láminas/películas
La extrusión de láminas/películas se utiliza para extruir láminas o películas de plástico que son demasiado gruesas para ser sopladas. Se utilizan dos tipos de troqueles: en forma de T y de perchero. El propósito de estos troqueles es reorientar y guiar el flujo de polímero fundido desde una salida redonda única desde la extrusora hasta un flujo plano delgado y plano. En ambos tipos de troquel se garantiza un flujo constante y uniforme en toda el área de la sección transversal del troquel. El enfriamiento se realiza típicamente tirando a través de un conjunto de rodillos de enfriamiento (calandria o rodillos “enfriadores”). En la extrusión de láminas, estos rodillos no solo brindan el enfriamiento necesario sino que también determinan el espesor de la lámina y la textura de la superficie.[7] A menudo, la coextrusión se utiliza para aplicar una o más capas sobre un material base para obtener propiedades específicas como absorción de rayos UV, textura, resistencia a la permeación de oxígeno o reflexión de energía.
Un proceso común de post-extrusión para láminas de plástico es el termoformado, donde la lámina se calienta hasta que se ablanda (plástico) y se le da una nueva forma mediante un molde. Cuando se utiliza vacío, esto a menudo se describe como formación de vacío. La orientación (es decir, la capacidad/densidad disponible de la lámina para ser estirada en el molde, que puede variar en profundidades típicamente de 1 a 36 pulgadas) es muy importante y afecta en gran medida los tiempos del ciclo de formación para la mayoría de los plásticos.
Extrusión de tubos
Los tubos extruidos, como los tubos de PVC, se fabrican utilizando matrices muy similares a las que se utilizan en la extrusión de películas sopladas. Se puede aplicar presión positiva a las cavidades internas a través del pasador, o se puede aplicar presión negativa al diámetro exterior usando un medidor de vacío para garantizar las dimensiones finales correctas. Se pueden introducir lúmenes u orificios adicionales agregando los mandriles internos apropiados al troquel.
Una línea de extrusión médica de Boston Matthews
Las aplicaciones de tubos multicapa también están siempre presentes en la industria automotriz, la industria de plomería y calefacción y la industria del embalaje.
Extrusión sobre revestimiento
La extrusión sobre revestimiento permite la aplicación de una capa exterior de plástico sobre un alambre o cable existente. Este es el proceso típico para aislar cables.
Hay dos tipos diferentes de herramientas de matriz que se utilizan para recubrir un alambre, tubería (o revestimiento) y presión. En las herramientas de revestimiento, el polímero fundido no toca el alambre interior hasta inmediatamente antes de los labios del troquel. En las herramientas de presión, la masa fundida hace contacto con el alambre interno mucho antes de que llegue a los labios del troquel; esto se hace a alta presión para asegurar una buena adhesión de la masa fundida. Si se requiere contacto íntimo o adhesión entre la nueva capa y el alambre existente, se utilizan herramientas de presión. Si no se desea o no es necesaria la adhesión, se utiliza en su lugar herramientas de revestimiento.
Coextrusión
La coextrusión es la extrusión de múltiples capas de material simultáneamente. Este tipo de extrusión utiliza dos o más extrusoras para fundir y entregar un rendimiento volumétrico constante de diferentes plásticos viscosos a un único cabezal de extrusión (troquel) que extruirá los materiales en la forma deseada. Esta tecnología se utiliza en cualquiera de los procesos descritos anteriormente (película soplada, sobrerevestimiento, tubos, láminas). Los espesores de las capas están controlados por las velocidades y tamaños relativos de las extrusoras individuales que entregan los materiales.
Coextrusión de 5:5 capas de tubo cosmético “apretado”
En muchos escenarios del mundo real, un solo polímero no puede satisfacer todas las demandas de una aplicación. La extrusión compuesta permite extruir un material mezclado, pero la coextrusión retiene los materiales separados como capas diferentes en el producto extruido, lo que permite la colocación adecuada de materiales con diferentes propiedades, como permeabilidad al oxígeno, resistencia, rigidez y resistencia al desgaste.
Recubrimiento por extrusión
El recubrimiento por extrusión utiliza un proceso de película soplada o fundida para recubrir una capa adicional sobre un rollo de papel, papel de aluminio o película existente. Por ejemplo, este proceso se puede utilizar para mejorar las características del papel recubriéndolo con polietileno para hacerlo más resistente al agua. La capa extruida también se puede utilizar como adhesivo para unir otros dos materiales. Tetrapak es un ejemplo comercial de este proceso.
EXTRUSIONES COMPUESTAS
La extrusión compuesta es un proceso que mezcla uno o más polímeros con aditivos para obtener compuestos plásticos. Los alimentos pueden ser gránulos, polvo y/o líquidos, pero el producto suele estar en forma de gránulos, para usarse en otros procesos de formación de plástico, como extrusión y moldeo por inyección. Al igual que con la extrusión tradicional, existe una amplia gama de tamaños de máquinas según la aplicación y el rendimiento deseado. Si bien en la extrusión tradicional se pueden utilizar extrusoras de uno o dos tornillos, la necesidad de una mezcla adecuada en la extrusión compuesta hace que las extrusoras de doble tornillo sean casi obligatorias.
TIPOS DE EXTRUSORA
Hay dos subtipos de extrusoras de doble tornillo: co-rotativas y contrarrotativas. Esta nomenclatura se refiere a la dirección relativa en la que gira cada tornillo en comparación con el otro. En el modo de co-rotación, ambos tornillos giran en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario; En contrarrotación, un tornillo gira en el sentido de las agujas del reloj mientras que el otro gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Se ha demostrado que, para un área de sección transversal y un grado de superposición (entrelazado) dados, la velocidad axial y el grado de mezcla son mayores en extrusoras gemelas co-rotativas. Sin embargo, la acumulación de presión es mayor en las extrusoras contrarrotativas. El diseño del tornillo es comúnmente modular en el sentido de que varios elementos de transporte y mezcla están dispuestos en los ejes para permitir una reconfiguración rápida para un cambio de proceso o reemplazo de componentes individuales debido al desgaste o daño corrosivo. Los tamaños de las máquinas varían desde tan solo 12 mm hasta tan grandes como 380 mm.
VENTAJAS
Una gran ventaja de la extrusión es que se pueden fabricar perfiles, como tubos, de cualquier longitud. Si el material es suficientemente flexible, se pueden fabricar tubos de gran longitud, incluso enrollados en una bobina. Otra ventaja es la extrusión de tubos con acoplador integrado que incluye junta de goma.
Hora de publicación: 25 de febrero de 2022
