Enfriamiento en extrusión: ¿cuánta agua es necesaria?

Algo que a menudo se malinterpreta en una extrusora es el enfriamiento por agua de la garganta de alimentación y el tornillo. Muchos operarios no entienden el delicado equilibrio de las fuerzas de fricción en la extrusora y cómo los cambios —aparentemente menores en el flujo de refrigerante— pueden afectar el rendimiento.

Fricción y velocidad de alimentación en extrusoras

Piensan que ayudan a reducir la temperatura de fusión con más agua (o con agua más fría). Así, si un poco de agua de enfriamiento es buena, probablemente mucha sea mejor, ¿verdad? Nada podría estar más lejos de la realidad.

El principio rector de la alimentación de sólidos es: cuanto mayor sea la fricción del polímero en la pared de la garganta de alimentación, y cuanto menor sea la fricción del polímero en el tornillo, mejor será la velocidad de alimentación. Por lo tanto, en el área de alimentación de sólidos, el polímero debe adherirse al cilindro y deslizarse sobre el tornillo para una velocidad de alimentación óptima.

El papel de la garganta de alimentación en la extrusión

Recuerde que en cualquier extrusora que tenga una garganta de alimentación separada, las partículas de polímero pasan a través de la garganta de alimentación antes de llegar al cilindro. En consecuencia, la velocidad de avance se determina casi de inmediato a medida que el polímero entra en la abertura de alimentación y depende de la fricción y la diferencia de área de superficie. A menos que tenga una extrusora de cilindro ranurado, el único ajuste disponible para mejorar la resistencia por fricción en la pared del cilindro es la temperatura de la garganta de alimentación.

Casi sin excepción, el aumento en la temperatura de la garganta de alimentación aumenta el arrastre por fricción del polímero en la pared al aumentar el área de contacto del polímero. Si esto parece contrario a su práctica actual, es importante tener en cuenta que las máquinas de moldeo por inyección se alimentan bien y ni siquiera tienen una garganta de alimentación o proporcionan una opción para enfriar el tornillo.

Igualmente, es interesante que las extrusoras sin una garganta de alimentación separada —aquellas con un puerto de alimentación directamente en el cilindro—, a menudo presentan una tasa 20-30 % mayor que las extrusoras que tienen una garganta de alimentación separada y usan tornillos idénticos.

Temperatura óptima: ensayo y error

Parece razonable concluir que establecer una temperatura de alimentación lo más alta posible daría como resultado la mejor velocidad de alimentación. En ese escenario, cuando se detiene el tornillo, el polímero podría fundirse en la garganta de alimentación a medida que el calor se retroalimenta desde el cilindro, ya que todo es acero altamente conductor.

En pocas palabras: para desarrollar la velocidad de alimentación más alta posible y no fundir el material en la garganta de alimentación, la temperatura óptima de la garganta de alimentación se determina, en gran medida, por ensayo y error.

No se ha publicado ningún nivel de temperatura —ni siquiera para polímeros específicos— debido a las muchas variaciones en la geometría y el diseño de la garganta de alimentación, sin mencionar los muchos tamaños y geometrías de pellets. Con los cientos de perfiles de temperatura del cilindro publicados, ninguno muestra alguna temperatura sugerida de alimentación, por lo que los operadores no tienen literalmente ninguna orientación.

Y luego está el remolido, que complica las cosas, ya que la alimentación de este material puede optimizarse a una temperatura ligeramente diferente. Por fortuna, las extrusoras de cilindro liso suelen tener más del doble de superficie de contacto con el polímero en el cilindro que en el tornillo en la zona de alimentación de sólidos.

Entonces, excepto en los polímeros con temperaturas de fusión o reblandecimiento muy bajas, por lo general no es un gran problema usar calor para obtener más fricción contra el cilindro que el tornillo para permitir que el polímero se mueva a través del tornillo sin ningún enfriamiento del tornillo.

La mayoría de los tornillos de extrusión se fabrican con un orificio hueco como una opción disponible, pero rara vez es necesario enfriar el tornillo.

Es una buena práctica comenzar colocando la superficie externa de la garganta de alimentación adyacente a la abertura de alimentación para que esté bastante caliente al tacto, aproximadamente 125-130 °F como condición inicial. Dado que muy pocas extrusoras vienen equipadas con un indicador de temperatura para la garganta de alimentación, es un ajuste táctil para determinar la mejor temperatura, a menos que tenga un pirómetro de contacto. Para cualquier persona será incómodo aguantar durante más de unos pocos segundos una temperatura de 130 °F.

Con el fin de encontrar la temperatura óptima de alimentación, aumente gradualmente la temperatura en pequeños incrementos, regulando el flujo de agua hasta que no sea evidente una mejora en la producción o la estabilidad; luego vuelva a la configuración anterior. En realidad, no tiene que preocuparse demasiado por una fusión menor en la pared de la garganta de alimentación, ya que la rotación del filete lo eliminará con rapidez, tal como lo hará en el próximo filete inmediatamente después de la garganta de alimentación.

Al estar acoplada de manera directa a un cilindro calentado a una temperatura muy por encima de la temperatura de fusión, la garganta de alimentación naturalmente tiene un gradiente de temperatura que aumenta desde la abertura de alimentación hasta la brida del cilindro.

En muchos casos, el extremo de descarga de la garganta de alimentación está cerca o, a veces, por encima de la temperatura de fusión o reblandecimiento del polímero, incluso con enfriamiento por agua. La moderación es la clave para encontrar la mejor temperatura, y puede requerir varios días de “ajustes” para encontrar la temperatura ideal.

Por ejemplo, cuando se procesa PEEK, un polímero de muy alto punto de fusión, una temperatura de alimentación de aproximadamente 200 °F proporciona la mejor producción y estabilidad. Para PE suele estar cerca de 130 °F.

El tornillo contribuye mejor a una alimentación óptima en condiciones opuestas a las de la garganta de alimentación. Los sólidos deben deslizarse lo más libremente posible sobre el tornillo para maximizar la velocidad de alimentación y la estabilidad de los sólidos. Casi todos los polímeros han disminuido la fricción con el acero a medida que se reduce la temperatura, por lo que parece lógico aplicar refrigeración interna por agua al tornillo, al menos a través de la sección de alimentación.

Tenga en cuenta las desventajas de la refrigeración

Sin embargo, hay algunas desventajas para tener en cuenta antes de agregar refrigerante al tornillo (a menos que sea necesario). El enfriamiento del tornillo aumenta el requisito de potencia, extiende la duración de la fusión y acumula variaciones térmicas.

Aún peor, si el agua de enfriamiento se deja encendida en el apagado, se formará una capa de polímero endurecido en la raíz del tornillo que requiere un tiempo de calentamiento adicional, reduce en gran medida la efectividad de la purga e, incluso, puede permitir que se forme condensación en el tornillo y causar oxidación cuando se apaga.

Muchos tornillos se perforan casi por completo y multiplican estos efectos a una distancia mayor. Solo unos pocos polímeros que se degradan muy rápidamente a la temperatura de procesamiento, como el PVC rígido, necesitan orificios de longitud completa, y aún así, con tuberías especiales, por lo que solo la punta del tornillo se enfría realmente.

Como se señaló, el enfriamiento del tornillo rara vez es necesario debido a la gran diferencia entre las áreas de superficie de la garganta de alimentación y del tornillo, y el efecto de enfriamiento del polímero frío en contacto con el tornillo.

No hay controladores de temperatura en la garganta de alimentación y el tornillo, pero eso no significa que no requieran un control preciso para un funcionamiento óptimo. Aunque esto puede parecer una complicación innecesaria, solo tiene que hacerse una vez para un polímero determinado y se ha demostrado que aumenta la producción hasta en un 30 % (pero más comúnmente entre un 5-10 %).