Elegir el mejor proceso de extrusión para aplicaciones de embalaje de rafia y tejido

Volker Schöppner | 28 de julio de 2017

En los últimos años, se han producido muchos avances importantes en el sector de embalajes tejidos y de rafia, incluidos avances en resinas, mayores capacidades de las líneas de extrusión y mejoras en la velocidad del proceso. Sin embargo, los costos de las materias primas y la energía siguen siendo motivo de preocupación. El uso de cargas minerales, como un masterbatch de carbonato de calcio (CCMB), puede mejorar la productividad y reducir los costos.

Un dilema importante para los procesadores es elegir el equipo adecuado (ya sea una extrusora de casquillo liso o ranurado) cuando se utiliza un alto porcentaje de CCMB. Un factor importante en la selección de la extrusora es comprender el efecto de agregar el relleno/CCMB a una matriz polimérica, lo que cambia significativamente las propiedades de procesamiento.

Antes de analizar el efecto de los niveles de dosificación de CCMB cuando se utilizan extrusoras de casquillo liso y ranurado, es importante definir algunos términos:

La adición de CCMB también afecta la densidad y viscosidad de la matriz polimérica resultante.

En resumen, agregar CCMB al polímero afecta la conductividad térmica, el calor específico, la densidad y la viscosidad de la matriz polimérica resultante.

La matriz polimérica resultante de poliolefina y CCMB tiene una viscosidad reducida, ya que la mayor fricción interna de las partículas de CaCO3 en la matriz polimérica aumenta el cizallamiento, reduciendo la viscosidad de la masa fundida. Los cambios en la viscosidad aumentan la tensión de corte en la extrusora, que es la base principal de la conversión de energía mecánica a térmica en una extrusora de un solo tornillo. CaCO3 en PP acelera la transferencia de calor y reduce la cantidad de energía necesaria para calentar o enfriar la mezcla. Así, el calor se propagará más rápido en una matriz polimérica con un mayor porcentaje de CCMB.

En resumen, un mayor relleno/CCMB en la matriz polimérica:

Las extrusoras de un solo tornillo transportan gránulos de polímero mediante fricción. En virtud de su contacto con los balines, el cañón arrastra el material sobre el tornillo contra la hélice, haciendo avanzar los balines. En una extrusora equipada con un casquillo liso, los gránulos actúan como cojinetes de bolas: como el contacto entre el cilindro y la superficie del gránulo es mínimo, se produce una cantidad significativa de deslizamiento, lo que hace que los gránulos giren y se deslicen. Dado que la relación de compresión es la principal responsable del transporte de los pellets, debe mantenerse en el lado superior. Los gránulos siguen una trayectoria helicoidal en la sección de transporte de sólidos del tornillo sin fin con casquillo liso y son empujados a lo largo de una hélice del tornillo, tomando un camino lento y sinuoso.

Además, en la zona de transporte de sólidos de una extrusora de casquillo liso existe una presión muy baja. Normalmente, la presión aumenta a través de la sección de fusión del tornillo y alcanza su punto más alto al final de la transición. Por tanto, existe una limitación en la acumulación de presión en extrusoras de casquillo liso.

Es bien sabido que aumentar la velocidad del tornillo utilizando un cilindro con casquillo liso tiende a aumentar la temperatura de fusión. La sección de compresión del tornillo es en gran medida responsable del aumento de la temperatura de fusión. Teniendo en cuenta el bajo rendimiento específico de la máquina de casquillo liso, la temperatura de fusión se convierte en una limitación cuando se utilizan altas velocidades de tornillo.

En un casquillo ranurado, se añaden múltiples ranuras al orificio del cilindro debajo de la tolva y a la zona de transporte de sólidos. Los pellets quedan atrapados en las ranuras y avanzan contra la hélice del tornillo. Esto aumenta sustancialmente el transporte de los pellets, ya que avanzan en las ranuras mediante el empuje de la hélice del tornillo. Incluso con relaciones de compresión típicamente bajas, una extrusora de casquillo ranurado logra un transporte de masa fundida específica mayor en comparación con una extrusora de casquillo liso.

Además, la sección de alimentación ranurada genera una alta presión de bombeo debido al aumento de la capacidad de transporte. Así, en una extrusora de casquillo ranurado, la generación de presión ya no es función de la sección dosificadora del tornillo. La sección ranurada también produce una gran cantidad de calor/energía basada en la fricción para la fusión, lo que resulta en un intenso enfriamiento por agua y eliminación del exceso de calor. Este alto rendimiento específico relacionado con la velocidad del tornillo ayuda a lograr una temperatura de fusión baja. En consecuencia, porcentajes variables de mezclas maestras de relleno de calcio en diferentes polímeros base [PE o PP o cualquier otra resina portadora elastomérica] en mezclas de PP o HDPE para extrusión dan como resultado una mejor consistencia del proceso y calidad de la masa fundida de salida utilizando un casquillo de alimentación ranurado.

Cuando se procesa el material con alto contenido de relleno/CCMB, el CaCO3 y otros aditivos/pigmentos se desprenden del tornillo con el tiempo, acumulándose como tiza en una pizarra. En un casquillo liso, como la presión en la sección inicial es muy baja, es difícil raspar el contenido de masilla y los residuos acumulados, como si se limpiara suavemente la tiza de una pizarra. Esto puede provocar un tiempo de inactividad de la máquina. Con un casquillo ranurado, la alta acumulación de presión inicial puede eliminar el contenido y los residuos de CaCO3 acumulados, lo que lleva a un proceso más estable.

Desafíos de diseño en el diseño de extrusoras de casquillo ranurado

El mayor desafío es minimizar el desgaste de las ranuras y del tornillo en la sección de transporte de pellets. El diseño del tornillo proporciona una solución: una sección de alimentación especialmente diseñada puede disminuir la presión y reducir el desgaste, ya que el desgaste abrasivo es proporcional a la presión que actúa sobre la superficie.

Un segundo desafío consiste en lograr una calidad adecuada de la masa fundida, lo que requiere una buena distribución del CaCO3 en la masa fundida. Una vez más, la geometría del tornillo es importante. Los husillos modernos para máquinas con casquillo ranurado de alto rendimiento son husillos de barrera para una buena fusión y están equipados con secciones de mezcla para mejorar la homogeneidad de la temperatura.

Conclusión

Las extrusoras de casquillo liso tienen limitaciones en la acumulación de presión y una temperatura de fusión más alta bajo altas tasas de producción. Las extrusoras de casquillos ranurados tienen claras ventajas en términos de mayor generación de presión y menores temperaturas de fusión. Las mayores capacidades de proceso permiten el manejo de cambios en las propiedades del material, como una mayor conductividad térmica y variaciones en la viscosidad con la adición de una mezcla maestra de relleno con mayor contenido de CaCO3 a los materiales de poliolefina. Las máquinas modernas con casquillo ranurado utilizan tornillos especialmente diseñados para reducir la presión en la sección de alimentación y reducir el desgaste.

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner, Kunststofftechnik Paderborn, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn. Schöppner se licenció en ingeniería en la Universidad de Paderborn en Alemania. Después de ocupar varios puestos en la industria, regresó a la universidad en 2007, donde es profesor de procesamiento de polímeros. Trabaja en extrusión, con un enfoque específico en simulación de extrusión. Se le puede contactar por correo electrónico en [email protected].

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