La extrusión de plásticos es un proceso de fabricación de gran volumen en el que el plástico crudo se funde y se le da forma de un perfil continuo . La extrusión produce artículos como tuberías, burletes , cercas, barandillas de terraza , marcos de ventanas , películas y láminas de plástico, revestimientos termoplásticos y aislamiento de cables.
Este proceso comienza con la introducción de material plástico (pellets, gránulos, copos o polvos) desde una tolva hasta el cilindro de la extrusora. El material se funde gradualmente mediante la energía mecánica generada por los tornillos giratorios y por los calentadores dispuestos a lo largo del cilindro. A continuación, el polímero fundido se introduce en una matriz, que le da una forma que se endurece durante el enfriamiento. [1]
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 el caucho . [2] La primera extrusión de termoplásticos 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. [3]
En la extrusión de plásticos, la materia prima compuesta se presenta habitualmente en forma de gránulos (pequeñas perlas, a menudo llamadas resina) que se introducen por gravedad desde una tolva montada en la parte superior hasta el cilindro de la extrusora. A menudo se utilizan aditivos como colorantes e inhibidores de rayos ultravioleta (en forma líquida o en gránulos) que se pueden mezclar con la resina antes de que llegue 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 la extrusora, aunque se diferencia en que suele ser un proceso continuo. Si bien la pultrusión puede ofrecer muchos perfiles similares en longitudes continuas, normalmente con refuerzo añadido, esto se consigue sacando el producto terminado de una matriz en lugar de extrudir el polímero fundido a través de una matriz.
El material entra a través de la garganta de alimentación (una abertura cerca de la parte trasera del barril) y entra en contacto con el tornillo. El tornillo giratorio (que normalmente gira a, por ejemplo, 120 rpm) empuja las perlas de plástico hacia adelante dentro del barril calentado. La temperatura de extrusión deseada rara vez es igual a la temperatura establecida del barril 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 (donde ingresa el plástico) hasta la parte delantera. Esto permite que las perlas de plástico se fundan gradualmente a medida que son empujadas a través del barril y reduce el riesgo de sobrecalentamiento que puede causar la degradación del polímero .
El calor adicional se debe a la intensa presión y fricción que se produce en el interior del cilindro. De hecho, si una línea de extrusión procesa determinados materiales a una velocidad suficiente, los calentadores se pueden apagar y la temperatura de fusión se puede mantener únicamente mediante la presión y la fricción dentro del cilindro. 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 el enfriamiento por aire forzado resulta insuficiente, se utilizan camisas de refrigeración moldeadas.
En la parte delantera del cañón, el plástico fundido sale del tornillo y pasa por un paquete de mallas para eliminar cualquier contaminante presente en la masa fundida. Las mallas están reforzadas por una placa rompedora (un disco metálico grueso con muchos agujeros perforados a través de él) ya que la presión en este punto puede superar los 5000 psi (34 MPa ). El conjunto de placa rompedora y paquete de mallas también sirve para crear contrapresión en el cañón. La contrapresión es necesaria para una fusión uniforme y una mezcla adecuada del polímero, y la cantidad de presión generada se puede "ajustar" variando la composición del paquete de mallas (la cantidad de mallas, el tamaño de su trama de alambre y otros parámetros). Esta combinación de placa rompedora y paquete de mallas también elimina la "memoria rotacional" del plástico fundido y crea, en su lugar, una "memoria longitudinal".
Después de pasar por la placa de ruptura, el plástico fundido entra en la matriz. La matriz es lo que le da al producto final su perfil y debe estar diseñada de manera que el plástico fundido fluya uniformemente desde un perfil cilíndrico hasta la forma del perfil del producto. Un 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 es necesario enfriar el producto, y esto se consigue normalmente haciendo pasar el material extruido a través de un baño de agua. Los plásticos son muy buenos aislantes térmicos y, por tanto, son difíciles de enfriar rápidamente. En comparación con el acero , el plástico conduce su calor 2.000 veces más lentamente. En una línea de extrusión de tubos o tuberías, un baño de agua sellado se somete a un vacío cuidadosamente controlado para evitar que el tubo o la tubería recién formados y aún fundidos colapsen. Para productos como las láminas de plástico, el enfriamiento se consigue haciéndolas pasar a través de un conjunto de rodillos de enfriamiento. Para películas y láminas muy finas, 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 desechos plásticos reciclados u otras materias primas después de limpiarlas, clasificarlas o mezclarlas. Este material se extruye comúnmente en filamentos adecuados para cortarlos en perlas o gránulos para usarlos como precursores para un procesamiento posterior.
Hay cinco zonas posibles en un tornillo termoplástico. Dado que la terminología no está estandarizada en la industria, se pueden usar distintos nombres para referirse a estas zonas. Los distintos tipos de polímeros tendrán distintos diseños de tornillos, algunos de los cuales no incorporan todas las zonas posibles.
La mayoría de los tornillos tienen estas tres zonas:
Además, un tornillo ventilado (de dos etapas) tiene:
A menudo, la longitud del tornillo se refiere a su diámetro como una relación L:D. Por ejemplo, un tornillo de 6 pulgadas de diámetro (150 mm) con una relación de 24:1 tendrá una longitud de 144 pulgadas (12 pies), y con una relación de 32:1 tendrá una longitud de 192 pulgadas (16 pies). Una relación L:D de 25:1 es común, pero algunas máquinas llegan hasta 40:1 para lograr una mayor mezcla y una mayor producción con el mismo diámetro de tornillo. Los tornillos de dos etapas (ventilados) suelen tener una relación 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 el control de la temperatura. El "perfil de temperatura", es decir, la temperatura de cada zona, es muy importante para la calidad y las características del producto extruido final.
Los materiales plásticos típicos que se utilizan en la extrusión incluyen, entre otros: polietileno (PE), polipropileno , poliacetal , acrílico , nailon (poliamidas), poliestireno , cloruro de polivinilo (PVC), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y policarbonato . [4]
Existen diversos moldes que se utilizan en la extrusión de plásticos. Si bien puede haber diferencias significativas entre los tipos de moldes y la complejidad, todos ellos permiten la extrusión continua de polímero fundido, a diferencia del procesamiento discontinuo, como el moldeo por inyección .
La fabricación de películas plásticas para productos como paquetes de alimentos, bolsas de compras y láminas continuas se logra utilizando una línea de película soplada. [5]
Este proceso es el mismo que un proceso de extrusión regular hasta el troquel. Hay tres tipos principales de troqueles utilizados en este proceso: anular (o de cruceta), araña y espiral. Los troqueles anulares son los más simples y dependen de que la masa fundida del polímero se canalice alrededor de toda la sección transversal del troquel antes de salir del mismo; esto puede dar como resultado un flujo desigual. Los troqueles araña consisten en un mandril central unido al anillo exterior del troquel a través de una serie de "patas"; si bien el flujo es más simétrico que en los troqueles anulares, se producen varias líneas de soldadura que debilitan la película. Los troqueles espirales eliminan el problema de las líneas de soldadura y el flujo asimétrico, pero son, con diferencia, los más complejos. [6]
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 presión de aire y el tubo se estira hacia arriba con rodillos, estirando el plástico tanto en la dirección transversal como en la de estiramiento. El estiramiento y el soplado hacen que la película sea más delgada que el tubo extruido y también alinean preferentemente las cadenas moleculares de polímero en la dirección en la que se ve 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 estiramiento, lo que produce 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 se cristaliza en lo que se conoce como la línea de congelación . A medida que la película continúa enfriándose, pasa por varios conjuntos de rodillos de presión para aplanarla y formar un tubo plano, que luego se puede enrollar o cortar en dos o más rollos de láminas.
La extrusión de láminas o películas se utiliza para extruir láminas o películas de plástico que son demasiado gruesas para ser sopladas. Se utilizan dos tipos de matrices: en forma de T y en forma de percha. El propósito de estas matrices es reorientar y guiar el flujo de polímero fundido desde una única salida redonda del extrusor a un flujo plano, delgado. En ambos tipos de matrices se garantiza un flujo constante y uniforme en toda el área de la sección transversal de la matriz. El enfriamiento se realiza normalmente tirando a través de un conjunto de rodillos de enfriamiento ( rodillos de calandria o "enfriadores"). En la extrusión de láminas, estos rodillos no solo proporcionan el enfriamiento necesario, sino que también determinan el espesor de la lámina y la textura de la superficie. [7] A menudo se utiliza la coextrusión para aplicar una o más capas sobre un material base para obtener propiedades específicas como la absorción de rayos UV, la textura, la resistencia a la permeación de oxígeno o la reflexión de energía.
Un proceso común de post-extrusión para láminas de plástico es el termoformado , en el que la lámina se calienta hasta que se ablanda (plástica) y se le da forma mediante un molde. Cuando se utiliza vacío, esto se suele describir como conformado al vacío . La orientación (es decir, la capacidad/densidad disponible de la lámina para ser estirada hacia el molde, que puede variar en profundidades de 1 a 36 pulgadas típicamente) es muy importante y afecta en gran medida los tiempos del ciclo de conformado para la mayoría de los plásticos.
Los tubos extruidos , como las tuberías de PVC, se fabrican utilizando matrices muy similares a las que se utilizan en la extrusión de película soplada. Se puede aplicar presión positiva a las cavidades internas a través del pasador, o se puede aplicar presión negativa al diámetro exterior utilizando un calibrador de vacío para garantizar las dimensiones finales correctas. Se pueden introducir lúmenes o agujeros adicionales añadiendo los mandriles internos adecuados a la matriz.
Las aplicaciones de tubos multicapa también están siempre presentes en la industria automotriz, la industria de plomería y calefacción y la industria del embalaje.
La extrusión de revestimiento permite aplicar una capa exterior de plástico sobre un cable o alambre existente. Este es el proceso típico para aislar cables.
Existen dos tipos diferentes de herramientas de troquelado que se utilizan para aplicar el revestimiento sobre un cable: el tubo (o revestimiento) y la presión. En las herramientas de revestimiento, el polímero fundido no toca el cable interior hasta inmediatamente antes de los labios de la matriz. En las herramientas de presión, el polímero fundido entra en contacto con el cable interior mucho antes de que llegue a los labios de la matriz; esto se hace a alta presión para garantizar una buena adhesión del polímero fundido. Si se requiere un contacto íntimo o adhesión entre la nueva capa y el cable existente, se utilizan herramientas de presión. Si no se desea o no es necesaria la adhesión, se utilizan herramientas de revestimiento.
La coextrusión es la extrusión simultánea de múltiples capas de material. Este tipo de extrusión utiliza dos o más extrusoras para fundir y entregar un volumen constante de diferentes plásticos viscosos a un solo cabezal de extrusión (matriz) que extruirá los materiales en la forma deseada. Esta tecnología se utiliza en cualquiera de los procesos descritos anteriormente (película soplada, revestimiento, tubos, láminas). El espesor de las capas se controla mediante las velocidades y tamaños relativos de las extrusoras individuales que entregan los materiales.
En muchos escenarios del mundo real, un único polímero no puede satisfacer todas las demandas de una aplicación. La extrusión compuesta permite extruir un material mezclado, pero la coextrusión conserva 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.
El recubrimiento por extrusión consiste en aplicar un proceso de soplado o de fundición de película 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 revistiéndolo 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.
La extrusión de compuestos es un proceso que mezcla uno o más polímeros con aditivos para obtener compuestos plásticos. Los materiales de partida pueden ser pellets, polvos o líquidos, pero el producto suele estar en forma de pellets para su uso en otros procesos de formación de plásticos, como la extrusión y el moldeo por inyección. Al igual que con la extrusión tradicional, existe una amplia gama de tamaños de máquinas en función de 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 de compuestos hace que las extrusoras de doble tornillo sean prácticamente obligatorias. [8] [9]
Existen dos subtipos de extrusoras de doble husillo: co-rotativas y contra-rotativas. Esta nomenclatura se refiere a la dirección relativa en la que gira cada husillo en comparación con el otro. En el modo co-rotativo, ambos husillos giran en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario; en el modo contra-rotativo, un husillo gira en el sentido de las agujas del reloj mientras que el otro gira en el sentido contrario. Se ha demostrado que, para un área de sección transversal y un grado de superposición (entrelazado) determinados, la velocidad axial y el grado de mezclado son mayores en las extrusoras dobles co-rotativas. Sin embargo, la acumulación de presión es mayor en las extrusoras contra-rotativas. [10] El diseño del husillo es comúnmente modular, ya que varios elementos de transporte y mezclado están dispuestos en los ejes para permitir una rápida reconfiguración para un cambio de proceso o el 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 [12- Mezcla de polímeros por James White, páginas 129-140]
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 enrollándolos en una bobina. Otra ventaja es la extrusión de tubos con acoplador integrado que incluye junta de goma. [11]