Herramientas de extrusora doble husillo mejoran dispersión de pigmentos

Las extrusoras doble husillo corrotantes (TSE) son excepcionalmente adecuadas para el procesamiento de masterbatch de color, puesto que ofrecen una excelente dispersión a altas tasas de rendimiento, elevados niveles de carga pigmentaria, larga vida útil de las piezas del husillo y barril, y un funcionamiento sencillo de la máquina.

Dicho esto, el procesamiento de masterbatch de color implica un conjunto de retos, como la manipulación de las materias primas, la dispersión de los pigmentos y la limpieza entre los cambios de color. En este artículo se analizan las herramientas disponibles para producir masterbatch de color de alta calidad, así como las técnicas para superar los retos de procesamiento y maximizar el rendimiento y la calidad del producto.

La TSE, considerada una “caja de herramientas”, proporciona al operario o al ingeniero de procesos una variedad de piezas que pueden modificarse y moverse para adaptarse a una tarea específica. La producción de dispersiones de pigmentos de alta calidad está ampliamente probada en las TSE, pero no todos los pigmentos se comportan y procesan de la misma manera. La forma de manipular los pigmentos y de tratarlos dentro de la TSE es crucial para el rendimiento del producto final.

En primer lugar, aunque una TSE se considere como un equipo de una sola pieza, esta incluye varias operaciones unitarias separadas. Para entender cómo lograr el mejor rendimiento, es crucial examinar más de cerca cada operación unitaria de la TSE.

Este artículo se enfocará principalmente en compuestos de masterbatches de alimentación dividida, en lugar del método de premezcla, aunque ambos son formas aceptables de producir masterbatch de color.

Unidad de operación: alimentación aguas arriba

En primer lugar, es importante conocer la materia prima. La elección de los alimentadores (alimentadores doble tornillo, monotornillo, entre otros) depende del comportamiento de la materia prima. Una vez elegidos los alimentadores apropiados para cada materia prima, la entrada de este material en la TSE puede ser el siguiente reto. De acuerdo con la materia prima, la fluidificación y aireación del material pueden producirse antes de que se introduzca en la máquina.

La posición de los alimentadores por encima de la TSE desempeña un papel muy importante para minimizar la fluidificación y aireación de la materia prima. Junto con el polvo se arrastra mucho aire (no tanto con los pellets) que necesita un lugar para escapar. Si no hay filtros o un sistema central de aspiración conectado al sistema de alimentación, el gas que se escapa de la extrusora impedirá la entrada de la materia prima.

Como regla general, no debe entrar más del 15 % de un pigmento en polvo en la alimentación principal de la TSE.

En cuanto a la aireación de la materia prima, la altura del alimentador por encima de la extrusora también es crucial. Una vez que la materia prima entra en el alimentador, existe la posibilidad de que el polvo se compacte un poco y aumente su densidad aparente. A medida que el alimentador comienza a alimentar el material, dependiendo de la altura sobre la extrusora, la materia prima se aireará, lo que a su vez disminuirá la densidad aparente y causará problemas en la entrada.

Como regla general, no debe entrar más del 15 % de un pigmento en polvo en el alimento principal de la TSE para evitar problemas de alimentación. Sin embargo, si ya cuenta con masterbatch de color en pellets, entonces no encontrará problemas de alimentación.

Para cargas de pigmento en polvo superiores al 20 % y hasta el 80 %, se recomienda encarecidamente la alimentación dividida entre el alimentador principal y los alimentadores laterales, en los que se pueden colocar varios alimentadores laterales para añadir el pigmento de color.

Unidad de operación: fusión

La fusión del polímero dentro de la TSE está influenciada por una serie de factores, como el calentamiento externo, la fricción interna y, o, la transferencia de calor del polímero fundido.

Una TSE está configurada con un número determinado de zonas que incluyen el calentamiento y el enfriamiento del proceso interno, que absorben o eliminan la energía del sistema. Por supuesto, a medida que aumenta el tamaño de la extrusora, el efecto del calentamiento externo se reduce debido a la disminución de la relación superficie-volumen.

Otra influencia es la fricción interna que se produce en el interior de la TSE entre los gránulos de polímero, las partículas de polvo o entre el material y los elementos del tornillo.

La fricción y el esfuerzo de cizallamiento se pueden producir en los estrechos huecos de los bloques de amasado. Esto está totalmente influido por el tipo de perfil de tornillo instalado, por la tasa de rendimiento y la velocidad del husillo de la extrusora. La transferencia de calor en el polímero fundido contribuye a encapsular cualquier polímero no fundido para ayudar a crear una fusión completa.

El diseño de la zona de amasado y mezclado está totalmente determinado por el tipo de polímero que se procesa, pero puede incluir una variedad de elementos de amasado. Estos pueden incluir elementos de amasado de tres y dos vuelos a 45° (transporte), elementos de amasado de dos vuelos a 90° (neutro) y, o, elementos inversos de amasado o transporte (retención).

La combinación de estos elementos proporciona la cantidad necesaria de energía mecánica y el tiempo de permanencia para fundir y homogeneizar eficazmente un polímero antes de que se desplace más adelante. Los elementos inversos (de retención) presurizan la masa fundida dentro de la TSE. Es importante diseñar esta sección para no cizallar en exceso y degradar el polímero. También es fundamental tener en cuenta que, una vez que el material sale de la sección de fusión, debe estar completamente fundido para proporcionar la adecuada humectación del pigmento de color que se introduce aguas abajo.

Para entender cómo lograr el mejor rendimiento es muy importante examinar de cerca cada una de las unidades de operación de la TSE.

Los avances en la tecnología de las TSE han abierto espacios para que el diseño de los elementos del husillo se aleje del perfil clásico de Erdmenger, utilizado ampliamente en la industria. La geometría de los denominados “elementos de husillo involutivos” ha cambiado, aunque mantiene el perfil autolimpiante que se encuentra en las TSE corrotantes. El uso de elementos involutivos, tanto en la sección de fusión como en la de mezcla posterior, reduce las limitaciones en la incorporación de relleno observadas en los diseños estándar. Los elementos involutivos le proporcionan al usuario la capacidad de suministrar un relleno o un pigmento de color en la alimentación principal de la TSE y de reducir al mismo tiempo el riesgo de una fusión insuficiente.

En cuanto a la mezcla aguas abajo, el uso de elementos involutivos también puede reducir las limitaciones al incorporar rellenos. En general, los elementos involutivos son una herramienta que los usuarios pueden utilizar para superar las limitaciones que encuentran al procesar con grandes cantidades de relleno o pigmentos.

Unidad de operación: Split-Feeding o alimentación dividida

Se mencionó antes que, dependiendo de la carga pigmentaria en una formulación, existe la posibilidad de introducir parte del pigmento en la alimentación principal de la TSE hasta en 15 %, aproximadamente, dependiendo de la forma y el tamaño de las partículas. Pero cuando se consideran cargas elevadas de pigmentos (hasta 80 %), existe la posibilidad de “dividir” el material entre la alimentación principal de la TSE y un alimentador lateral (a veces varios alimentadores laterales) situado aguas abajo. Las proporciones de la alimentación dividida dependen del tipo de material y del nivel de carga, pero al final se debe encontrar un balance que entregue los mejores resultados.

Unidad de operación: mezcla/ventilación aguas abajo

La sección de fusión es una herramienta muy importante para producir excelentes dispersiones de pigmentos en la TSE. Lo mismo ocurre con la sección de mezclado aguas abajo. Una vez que el pigmento se ha introducido eficazmente en la TSE y se ha producido una humectación adecuada de las partículas con el polímero fundido, el diseño de la sección o secciones de mezclado es crucial para distribuir y dispersar el pigmento.

Como ya se mencionó, el aire arrastra el pigmento cuando entra en un alimentador lateral, donde parte del aire se retira a través de un respiradero incluido en el propio barril del alimentador lateral.

Sin embargo, la mayor parte de ese aire arrastrado llega a la sección de mezcla, donde un diseño incorrecto podría hacer que el aire retrocediera y volviera al alimentador lateral e impidiera el flujo de material. El propósito de la sección de mezcla es humedecer el pigmento con la masa fundida y también transportar el aire arrastrado hacia abajo, donde se puede colocar un respiradero atmosférico para dejar escapar ese aire.

Unidad de operación: desgasificación

Ahora que el producto ha pasado por la mayoría de las operaciones, el material está muy cerca de salir de la TSE y entrar en el equipo aguas abajo. Un área que a veces se pasa por alto es la sección de desgasificación de la máquina. Esta importante operación elimina por medio de vacío las burbujas de aire o los volátiles de la masa fundida del polímero y proporciona un pellet no poroso y denso.

Si los gránulos o pellets finales fueran porosos, podría verse afectada la resistencia y durabilidad de la pieza moldeada final. La TSE ofrece una forma bastante sencilla de aplicar el vacío, que consiste en un barril abierto (o de ventilación) con una cúpula de vacío unida a un condensador y una bomba de vacío.

En algunos casos, independientemente del nivel de vacío que se aplique o de la velocidad del husillo, el material escapará por el puerto de ventilación de vacío, taponará la ventilación e impedirá una desgasificación adecuada. En este caso se utilizará un equipo que a veces se denomina unidad de desgasificación lateral (ZS-EG) para ayudar a mantener el material dentro de la TSE mientras se dejan escapar los gases para una desgasificación adecuada.

La desgasificación es una unidad de operación aguas abajo en donde se usa vacío para eliminar las burbujas de aire y, o, los volátiles del polímero para obtener un pellet denso y no poroso.

Unidad de operación: presurización y peletización

Normalmente, no se dedica mucho tiempo a considerar el diseño de la sección de presurización en la TSE. El flujo de polímero en esta sección es una combinación de flujo de arrastre hacia la punta del husillo debido a la rotación de este y un flujo de presión hacia atrás, lejos de la descarga de la TSE. Hay que tener en cuenta dónde se colocan los puertos de vacío, puesto que un aumento excesivo de la presión provocará problemas de desgasificación.

Por lo general, la peletización de masterbatch se realiza en forma de filamentos o bajo el agua. Las cargas más altas de pigmentos, cercanas al 80 %, pueden hacer que los filamentos sean muy frágiles, en cuyo caso la granulación bajo agua sería la mejor opción, pero todo depende del tipo de pigmento que se utilice.