extrusion cap6 21

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.

grpb Transparenicas de clase. 6.2 Extrusión. 1 de 18

• 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).


ZV =Vcosϕ

Z D DA

V Wh πDNWh cosQ = =2 120

ϕ, con N en r.p.m.

b) Flujo opuesto por diferencia de presión: 3

DP

D

Wh pQ =12 Z

∆η

, con N en r.p.m.

c) Flujo resultante:

3

D D 2D A P 1

D

DNWh cos Wh p KQ =Q Q = K N p120 12 Z

π ϕ ∆− − = − ∆

η η

2D 1

KQ =K N p− ∆η


Perfil de velocidades (válido para fluido newtoniano):

dzdp

2η)y(h

Vhy

(y)v2

DZ

DS

−−=

Velocidad de deformación en la pared del cilindro:

D

z Z D DW

D D D Dy h

dv V h p DNcos h p= =dy h 2 Z 60h 2 Z→

⎛ ⎞ ∆ π ϕ ∆γ − = −⎜ ⎟ η η⎝ ⎠& (*!)

• 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.


o Velocidad del sólido en el canal:

WhρmVs

SZ&=

o Velocidad relativa entre sólido y cilindro (teorema del coseno): 1/2

SZ2

SZ2

rel )cos2V∙VV(VV ϕ−+=

o Balance de masa:

VX

VS

δ

x

δdz2V

ρdzxvρ XmSS =

o Balance de energía:

Fusión del sólido

(a Tm)

Calentamiento por conducción

en líquido

Generación de calor viscosa

Calentamiento del sólido de

Ts a Tm

2δV

ηδ

)T(Tk])T‐(T[cvρ

2relmWl

smpSS +−

=+ λ


o De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener los valores de δ y vS:

xρv

sS

Φ= ,

mXρVx2Φδ =

])T‐(T2[c

]V2η

)T(T[kρVΦ

smp

2relmWmmX

λ+

+−=

o Fracción de sección sin fundir a lo largo del canal: 2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

m2WΦz1

Wx

&

o Longitud de canal necesaria para plastificación completa ( x=0):

WΦm2Z &≥

o Estudio del perfil de temperaturas en la capa de polímero fundido:

Número adimensional de Brinkmann: relación entre generación de calor viscoso y transmisión por conducción:

)T(TkηV

BrmWm

2rel

−=

Mientras Br<2, temperatura del polímero por debajo de TW: no

peligro de sobrecalietamiento. Máxima velocidad relativa para Br≤2:

η)T(T2k

V mWm −=máxrel ,

Límites habituales de Vrel (situación práctica de trabajo):

• Vrel=50m/min TP más estables

• Vrel=10-20m/min TP fácilmente termodegradables: PVC, PMMA, ABS.


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:

ΔpηKʹQ =

W>>h

h

h

3

12LWHKʹ= 2WH

6Q=Wγ&

D h

4

8LRKʹ π

= 3

4QRW π

γ =&

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.


6.2.4. Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de las extrusoras

Objetivo: maximizar caudal con la menor presión .

a) Viscosidad del material: depende esencialmente de la velocidad de deformación y de la temperatura.

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.

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 la relación entre presión y caudal.

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.


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 Distribuidor de flujo

o Tornillos de control de separación de labios

o 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.


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.


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:

Aumento de la temperatura del material y reducción de la velocidad

Empleo de lubricante externo

Coextrusión de una piel de material con menor viscosidad (menor Mw).

2. Rotura del fundido (melt fracture). 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: )Tk(T

ηvBr0W

2

−= (~ generación calor/transmisión)

Número de Cameron: 2

p vRρckLCa = (~ 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:


6.2.8. Enfriamiento y calibración del extruido

• Conformación definitiva:

o Estirado: velocidad de recogida superior a la de salida de la hilera.

Tractores sin fin oruga (caterpillar) para extruidos rígidos.

Enrollado en rodillos para extruidos flexibles.

o Frotamiento con superficie metálica: calibrador o rodillos.

• Enfriamiento: transmisión de calor del polímero al fluido que lo enfría.

TiTa

Conducción:

)T-A(Tkdtdq

wim

s=

Convección:

)T-A(Thdtdq

wat=

Tw

s

Número adimensional de Biot:

m

t

ksh

Bi =

Para evitar tensiones y discontinuidades morfológicas, Bi no muy alto, Bi<100.

km ≈ 0,1 – 0,4 W/mºC.

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.


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


• 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.


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


• Diseño del interior de la hilera para obtener velocidad homogénea a la salida:

W1 W2

h1 h2

• 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 velocidadesh

TT V

VR =

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.


Relación de soplado: estirado transversalhilera

burbujaS D

DR =

Relación de estirado longitudinal: ST

h

h

TT R

H/sρρ

VV

R ==

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:

Mediante hileras dotadas de partes móviles


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.


extrusion cap6 21

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