Laboratorio de Procesamiento de Plsticos

EXTRUSIN DE TERMOPLSTICOS

1. OBJETIVOS

1.1. Reconocer las variables caractersticas del proceso de extrusin en relacin con el material, la mquina y el producto.

1.2. Reconocer la influencia de la velocidad de rotacin del husillo de extrusin y de la contrapresin del cabezal sobre el comportamiento de la extrusora, en especial sobre el flujo msico resultante [Kg/hora]

1.3. Obtener las curvas caractersticas de operacin de la extrusora.

1.4. Describir el comportamiento de una extrusora.

2. MARCO TEORICO

El proceso de la extrusin consiste, bsicamente, en la fusin de un material termoplstico, forzndolo a pasar a travs de una boquilla o dado conformador para producir un artculo continuo de corte seccional deseado. No siempre la forma final del artculo extrudido corresponde a la del dado conformador del husillo, sino que es necesario un tratamiento posterior, el cual puede ser a base de presin, temperatura o maquinado.

La extrusin es un proceso continuo y por consiguiente representa uno de los mtodos ms rentables por unidad de volumen de material, para el procesamiento de plsticos y es ampliamente usado en la industria de los mismos. Sin embargo, esta limitado a materiales termoplsticos y a formas continuas de estos, tales como filamentos, varillas, perfiles, pelculas, etc. Las caractersticas fsico qumicas de cada termoplstico fija en parte las condiciones de su extrusin.

2.1 HUSILLO

Tiene como misin transportar, fundir, levantar presin y homogenizar la masa fundida. Es decir, es el encargado de entregar el polmero fundido al cabezal con la presin necesaria para lograr que este fluya a travs de l. La zona de homogenizacin del husillo es de una profundidad de canal constante y cuando es adecuadamente diseada, es esta zona es la que controla el flujo msico o produccin de la extrusora y es la responsable de mantener constante la produccin en la punta del husillo, exactamente, antes del cabezal.

La homogenizacin en la masa fundida en extrusin se debe entender como la dispersin de aglomerados, es decir, fusin final de las partculas de slido, distribucin y mezcla homognea de los componentes tales como, pigmentos, aditivos, etc., y la unificacin de la temperatura del extrudo.

El husillo comprende las siguientes zonas:

2.1.1. Zona de alimentacinEl material se encuentra en grano sin fundir, por lo tanto ocupa mucho volumen, la profundidad del tornillo es constante y en esta zona se recibe, se transporta y se comprime el material que viene de la tolva, adems se eliminan el aire y gases. En esta zona se presenta poca presin.

Para alcanzar un mayor transporte de grnulos en la zona de alimentacin se recomienda:

Canal profunda en comparacin con el resto del husillo. Bajo grado de friccin entre grnulos y el husillo. Alto grado de friccin entre grnulos y el barril. Optimo ngulo de hlice.

2.1.2. Zona de transicin o compresin.Esta zona tiene una profundidad de canal decreciente. En esta zona el material es fundido y compacto gracias a la variabilidad en la profundidad del filete.

2.1.3. Zona de dosificacinLa profundidad del tornillo es constante y su funcin es homogenizar el material fundido y con ello suministrar a la regin de dado material de calidad homognea a temperatura y presin uniforme.Algunos husillos poseen venteo, el cual es un hueco en el barril y es utilizado para materiales que desprenden gases (PET, Nylon). El venteo se debe ubicar en la zona de alimentacin, ya que aqu la presin es igual a cero.

Para imponer restricciones para el flujo del plstico fundido en la zona de dosificacin se requiere:

Disminucin de la profundidad del canal. Disminucin del ancho del canal. Agua de enfriamiento para el husillo.

Hay una serie de condiciones que deben cumplir todos los husillos, y por ende todas las extrusoras:

Permitir un transporte constante sin grandes pulsaciones. Producir una masa fundida trmica y mecnicamente homognea. Permitir la transformacin del material por debajo de su lmite de degradacin trmica, qumica y mecnica.

Figura 2.1 Tornillo Extrusor

2.1.4. Lneas caractersticas del husilloEl flujo del polmetro fundido en la zona de dosificacin se produce por la interaccin de tres mecanismos de transporte (Ver figura 2.2). El primero es el mecanismo de transporte por arrastre del fundido (Gs), el cual es el producto del movimiento relativo de las superficies de contacto, que son este caso, el husillo y el cilindro. Tal mecanismo supone que el material polimrico se adhiere a ambas superficies, de las cuales, una se encuentra en movimiento (el husillo) y la otra se encuentra esttica (el cilindro). El resultado es el flujo de masa fundida en direccin a la resultante de la componente de velocidad, que en un husillo rotando en el sentido correcto, el resultado es el flujo en direccin al cabezal. El segundo mecanismo de transporte es el flujo de presin (Gp). Este mecanismo parte tambin de la suposicin de una total adherencia del polmero a las superficies que limitan el flujo, y es producido entre las diferencias de presin entre estos dos puntos; desde el punto de mayor hacia el punto de menor presin, lo que genera, en la extrusin convencional una tendencia a fluir en direccin a la tolva ya que se esta construyendo presin hacia la punta de husillo. El tercer mecanismo es el de flujo de perdida (Ge) que es el resultado del flujo de polmero fundido a travs del juego radial del filete devolvindose hacia los canales anteriores. Cuando los juegos radiales se encuentran ajustados a las recomendaciones de diseo, el flujo de perdida se puede despreciar y en la medida en que el husillo se desgasta, este flujo adquiere importancia. No solo esto, la reduccin en la produccin habitual de una maquina extrusora es un indicio claro del desgaste del sistema husillo cilindro.

El flujo total que puede entregar una extrusora esta determinado entonces por la siguiente ecuacin:

Figura 2.2. Mecanismos de transporte involucrados en el flujo de polmero fundido.

G : Flujo volumtrico de la extrusora (cm3 / seg.)Gs: Flujo volumtrico de arrastre (cm3 / seg.)Gp: Flujo volumtrico de presin (cm3 / seg.)Ge: Flujo volumtrico de prdida (cm3 / seg.)

El flujo de arrastre, producido por la accin de rotacin del husillo, responde a la siguiente ecuacin:

Donde:

Vh: Componente de la velocidad tangencial del polmero en el sentido del canal (cm / seg.)b: Ancho del canal (cm)h: Profundidad del canal (cm)

El ancho del canal puede calcularse a partir del paso (s), el ancho del filete (e) y el ngulo de paso () como :

La componente de la velocidad tangencial en el sentido del canal se obtiene a partir del dimetro del husillo (D) y su velocidad de rotacin (N), as como el ngulo de paso referenciado anteriormente.

Usando el dimetro en centmetros y la velocidad de rotacin del husillo en r.p.m.

El flujo de presin, debido a la diferencia de presiones entre los diferentes puntos en el sentido axial del husillo, puede ser calculado usando la siguiente ecuacin:

Donde:

P: Diferencia de presiones entre 0 y L: La viscosidad a la temperatura del fundido (Pa. s)L: Longitud del husillo (mm)

La presencia de ambos mecanismos de transporte tiene por consiguiente las siguientes implicaciones:

Mientras mayor es la velocidad del husillo, manteniendo constante todos los dems parmetros operativos de la mquina, el flujo msico de polmero que se obtiene de la extrusora se incrementa, por el incremento del flujo de arrastre. Por el contrario, cuando se incrementa la contrapresin en la extrusora, lo cual puede lograrse restringiendo ms el cabezal o disminuyendo la temperatura de la masa fundida, la produccin de la extrusora se reduce por el incremento del flujo de presin.

Existen por lo tanto dos puntos extremos que limitan la operacin del husillo, para una velocidad de rotacin determinada del husillo. Estos lmites estn constituidos por el punto de operacin donde el flujo volumtrico de salida, o produccin de la mquina extrusora es cero (0) y por el punto de operacin que hace mximo el flujo a la salida de la extrusora. El primer punto se presenta cuando el flujo de presin es igual al flujo de arrastre y el segundo, cuando el cambio de presin de la mquina es cero (descarga libre). El primero ocurre cuando el sistema husillo cabezal, est sometido a la mxima restriccin y presenta la mxima presin que el husillo puede generar a la velocidad de rotacin empleada.

Cuando se busca determinar la curva de operacin de una extrusora determinada, los parmetros geomtricos, tales como, el ancho del canal, la longitud de la zona, la profundidad del canal, el dimetro del husillo y el paso, permanecen constantes. Por tal motivo, la ecuacin caracterstica del husillo ser nicamente funcin de la velocidad de rotacin del husillo (N), de la restriccin impuesta por el cabezal, que para un flujo msico dado se encuentra determinado por el cambio de presin en el husillo (o consumo de presin en el cabezal), y por todos los factores que modifican la viscosidad del polmero, entre los cuales se encuentra la temperatura de la masa fundida, que depende de la disipacin viscosa en el polmero y de la temperatura del barril prefijada para el procesamiento y tipo de polmero a utilizar, como lo muestra el siguiente anlisis:

= Gs = f(N)

Gp = f(P/)

Y por lo tanto,

G = f(N) - f(P/), donde f y f son constantes.Por otro lado, se observa que el flujo volumtrico de la extrusora es una funcin directamente proporcional a la velocidad de rotacin del husillo, lo que indica que un aumento de dicha velocidad repercute en un incremento en la produccin de la extrusora, manteniendo constante el cambio de presin.

Graficando en un diagrama cartesiano, en forma esquemtica, ubicando en el eje X el cambio de presin y en el eje Y el flujo volumtrico producido por la extrusora, la forma de las lneas caractersticas del husillo es como se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3. Lneas caractersticas del husillo para un fluido newtoniano

2.1.5. Lneas caractersticas del cabezal

Contrariamente a lo que ocurra con el husillo, el flujo del polmero fundido a travs del cabezal es producto nicamente del flujo de presin, resultado de la diferencia de presiones entre la punta del husillo (el cual se encuentra a presin atmosfrica). Por este motivo es claro observar que cuando la contrapresin es cero, no existe el flujo de polmero a travs del cabezal, y este, se incrementa en relacin directa con el incremento de presin en la punta del husillo o contrapresin. Sin embargo, el requerimiento de presin para el flujo del polmero a una determinada velocidad, depender de que tan restringido se encuentra el cabezal (W). Si la restriccin es grande, los requerimientos de presin aumentan, ya que la fuerza necesaria para empujar el polmero a travs del cabezal tambin aumenta. Por el contrario, si la restriccin disminuye (lo que implica un cabezal ms abierto), la necesidades de presin disminuyen, de manera tal que las lneas caractersticas del cabezal se inclinan ms. Existe por lo tanto, una relacin lineal entre la cada de presin y el flujo volumtrico para la misma restriccin del cabezal (la cual puede asociarse a la misma abertura de la ranura en el cabezal). En medida en que crece la cada de presin, se incrementa la produccin de la extrusora. El punto donde se interceptan la lnea caracterstica del husillo con la lnea caracterstica del cabezal es conocido como punto de operacin de la extrusora para las condiciones de operacin establecidas (velocidad de rotacin del husillo, abertura del cabezal y temperatura de la masa fundida).

La ecuacin que explica la relacin entre estos parmetros, para el caso de un fluido newtoniano es la siguiente:

Para poder realizar un anlisis mas aproximado a la realidad, debe considerarse el comportamiento reolgico del polmero, para lo cual deben considerarse los modelos de prediccin de la viscosidad. El mas utilizado y mas ampliamente estudiado es la ley de potencia. Una representacin de la ecuacin que describe el comportamiento del cabezal puede ser obtenido a travs de dicho modelo, como se muestra en la siguiente ecuacin:

, m : Parmetros de la ley de potencias

Figura 2.4: Lneas caractersticas delFigura 2.5: Lneas caractersticas del cabezal para un fluido newtonianocabezal para fluidos no newtonianos

2.2. Diagramas de operacin de mquinas de extrusin

Los equipos de extrusin estn compuestos por una unidad constructora de presin (husillo) y una unidad consumidora de presin (cabezal). El comportamiento del husillo y del cabezal es determinado por las condiciones de operacin seleccionadas, el requerimiento de produccin, el tipo de polmero que se pretende procesar y el diseo geomtrico de ambos. Por tal motivo, la evaluacin de desempeo husillo cabezal es necesaria para lograr un adecuado control del proceso de extrusin.

Los perfiles de presin permiten determinar si la construccin de presin es adecuada y si la zona de dosificacin se encuentra sobrealimentada por las zonas restantes, o si por el contrario, succiona material de la zona de alimentacin y la zona de compresin.

El perfil de temperaturas a travs del polmero permitir determinar las velocidades de rotacin que pueden ocasionar problemas de degradacin o descomposicin o dificultades de homogenizacin por diferencias muy grandes de temperaturas entre las diferentes capas del polmero. Mientras mayores son las diferencias de temperatura, tambin es mayor el requerimiento de potencia para la homogenizacin.

Dada la dificultad para predecir el comportamiento de las lneas caractersticas del husillo y del cabezal, por el comportamiento reolgico de los polmeros, las curvas de operacin deben ser determinadas experimentalmente para el polmero deseado, a diferentes velocidades de rotacin del husillo y con diferentes restricciones del cabezal (Ver figura 2.6). La importancia de dichas curvas radica en que permiten determinar el punto de operacin adecuado para una produccin determinada de la extrusora.

Figura 2.6. Diagrama de operacin de una extrusora.

Las curvas caractersticas son de fcil manejo e interpretacin y existen tendencias independientes del tipo de fluido:

Bajo una resistencia del cabezal de extrusin constante, a mayor velocidad de rotacin, mayor flujo volumtrico. Si la resistencia del cabezal de extrusin aumenta (W2>W1), manteniendo invariable la velocidad de rotacin, la produccin de la mquina disminuye. Bajo una resistencia del cabezal de extrusin constante, a mayor velocidad de rotacin, se incrementan los requerimientos de presin en el cabezal. Si la resistencia del cabezal de extrusin aumenta (W2>W1), manteniendo invariable la velocidad de rotacin, la contrapresin para lograr el flujo del polmero fundido a travs del cabezal es mayor. Si adicionalmente el fluido es pseudoplstico, estos gradientes de presin sern an ms grandes.

El diagrama G vs. P (figura 2.6), la curva de velocidad de rotacin constante, es la curva del generador, es decir, el husillo y la curva a W constante, es la curva del consumidor, es decir, el cabezal de extrusin. En el caso de un fluido newtoniano se desplazan las lneas del generador paralelamente cuando cambia la velocidad de rotacin.

El rea ptima de trabajo est limitada por diferentes factores como la lnea que establece los puntos de operacin que generan la mnima homogeneidad permisible de la masa fundida, la lnea que une los puntos de operacin para los cuales, la disipacin de calor genera problemas de degradacin del polmero y la lnea que une los puntos de operacin que entregan la mnima rentabilidad permitida para el negocio (Ver figura 2.7).

Figura 2.7. Curva de operacin de una extrusora esquematizando los lmites de homogeneidad, temperatura mxima y rentabilidad.

2.2.1. Lmite de homogeneidadCuando se presentan deficiencias en la homogeneidad del fluido se pueden observar algunos de los siguientes efectos:

Defectos superficiales. Descalibre. Diferencias localizadas en las propiedades pticas y/o mecnicas. Falta dispersin de los pigmentos, etc.

Cualquiera de los anteriores problemas evidencian que las condiciones de operacin elegidas para dicha producciones encuentra por fuera de la ventana del proceso y que dicho punto a traspasado el lmite de homogeneidad.

Los problemas de homogeneidad son generados por una insuficiente potencia de mezcla. Cuando la restriccin ofrecida por el cabezal es muy baja, la extrusora se encuentra prcticamente a descarga abierta. La contrapresin generada por el cabezal es muy pequea y las oscilaciones de presin producen por ende oscilaciones en el flujo del polmero a travs del cabezal, que repercuten sobre el acabado superficial y las dimensiones del extrudo. Por otro lado, a dichas restricciones, el flujo prcticamente libre del polmero no produce los esfuerzos suficientes para una adecuada mezcla de los componentes, ni una adecuada homogenizacin de la temperatura de la masa fundida, la cual puede generar diferencias localizadas en la velocidad de enfriamiento del polmero y de esta forma, diferencias localizadas de las propiedades pticas y mecnicas del producto final.

El rea a la izquierda de la curva de lmite de homogeneidad indica una mezcla insuficiente del material y el rea a la derecha de la curva lmite indica una mezcla aceptable. Sin embargo, como se puede apreciar, se tiene un rango de evaluacin importante dependiendo de los criterios a utilizar.

2.2.2. Lmite de temperatura Tmax.Para cualquier restriccin, puede existir una velocidad de rotacin del husillo que este generando una disipacin viscosa tal, que la temperatura de la masa fundida se incremente por encima del lmite de estabilidad trmica del polmero. Cuando esto ocurre, se pueden observar los siguientes efectos sobre el extrudo: Amarillento. Puntos negros. Incremento excesivo de la viscosidad del polmero. Disminucin excesiva de la viscosidad del polmero. Perdida de las propiedades mecnicas del extrudo. Deterioro de las propiedades pticas del extrudo, etc.

Los problemas presentes durante la operacin pueden deberse a la oxidacin, degradacin o reticulacin del material polimrico, y en algunas circunstancias, a la muy baja viscosidad del material, que no permite el procesamiento adecuado del polmero.

2.2.3. Lmite de rentabilidad

Este lmite es establecido por la compaa y depende de los costos de produccin, los costos fijos y los mrgenes de venta principalmente. Si se sobrepasa el lmite de rentabilidad (rea inferior de la curva), se est operando en el rango de la siguiente mquina ms pequea. Es decir, que se estara produciendo, por ejemplo, un pedido en una extrusora de D = 60mm, que perfectamente podra obtenerse en una de D = 45mm.

3. PROCEDIMIENTO

Se efectuarn 16 mediciones en la extrusora (igual puntos de operacin), 4 velocidades de rotacin: 30, 60, 90 y 120 r.p.m. y 4 restricciones o posiciones del cabezal, donde los parmetros a fijar para cada uno sern los siguientes:

Experimento Nro.NW

(1/min)(giros/grado)

13010/0

26010/0

39010/0

412010/0

5303/180

6603/180

7903/180

81203/180

9302/180

10602/180

11902/180

121202/180

13302/30

14602/30

15902/30

161202/30

La extrusora est dotada de numerosos censores, con los cuales se pueden captar y registrar los siguientes datos:

Flujo msico (kg/h) Torque de rotacin (N.m) Temperatura de la masa fundida (C) Perfil de presin a lo largo del cilindro (Bar)

4. PREGUNTAS Y RESULTADOS

4.1. Elaborar las siguientes grficas, con los datos obtenidos mediante los censores de la extrusora.

Presin vs. posicin del censor en el cilindro (L/D). A velocidad de rotacin del husillo constante, para cada una de las restricciones empleadas. De este tipo se elaborar una grfica a 90 r.p.m.

Presin vs. posicin del censor en el cilindro (L/D). Manteniendo la restriccin constante, para cada una de las velocidades de rotacin empleadas. De este tipo se elaborar una grfica a W = 2/180.

Temperatura de la masa fundida vs. posicin del censor a travs de la seccin transversal del cilindro. Manteniendo la restriccin constante para cada una de la velocidad de rotacin empleadas. De este tipo se elaborar una grfica a W = 2/180.

Temperatura de la masa fundida vs. posicin del censor a travs de la seccin transversal del cilindro. Manteniendo la velocidad de rotacin constante para cada una de las restricciones empleadas, de las cuales se elaborar una grfica a 90 r.p.m.

Curvas caractersticas de la extrusora. De este tipo se elaborar una grfica.

4.2. Obtener tericamente el flujo volumtrico (G) en cada restriccin, y comprelo con el experimental.