Comprender la fusión en extrusoras de un solo husillo

A lo largo de los años he hablado con muchas personas expertas en extrusión que no entienden cómo los husillos simples funden el polímero, o cómo el accionamiento del extrusor suministra esa energía. Muchos piensan que los calentadores de cilindro suministran gran parte de la energía que ingresa al polímero, lo cual es desconcertante para mí... y es completamente equivocado.

Para ser justos, resulta difícil visualizar la fusión con el tornillo girando en el cilindro debido a la geometría. Pero si inviertes el punto de observación e imaginas que el cilindro gira alrededor del tornillo, puedes visualizar con más claridad las fuerzas involucradas.

Es lo mismo que imaginar al Sol girando alrededor de la Tierra cuando sabemos bien que es lo contrario. En una extrusora real, el tornillo por lo general gira en sentido contrario a las agujas del reloj, cuando se ve desde el extremo de la unidad (o en el sentido de las agujas del reloj desde el extremo de descarga), y el cilindro es estacionario. Pero si invertimos el punto de observación como si estuviéramos “ubicados” en el tornillo, el cilindro parecería girar en el sentido de las agujas del reloj alrededor de un tornillo estacionario.

Inicialmente, se requiere calentar el cilindro antes del arranque para llenar el tornillo con polímero fundido y obtener una temperatura superficial con la que el polímero se adhiera al cilindro. A partir de entonces, casi toda la energía que ingresa al polímero proviene de la energía requerida para girar el tornillo en relación con el cilindro, o en nuestro caso “inverso”, el cilindro en relación con el tornillo. Debido al calentamiento inicial, el polímero se pega al cilindro y es empujado hacia adelante por el ángulo de los filetes del tornillo. Una vez comenzada la rotación del tornillo, el polímero se funde casi por completo por cizallamiento.

El “cizallamiento” se define como la aplicación de una fuerza que distorsiona una superficie de un objeto en relación con otra superficie. El cizallamiento de un objeto introduce calor en él. En una extrusora, la fuerza de distorsión para cortar el polímero requiere energía para girar el tornillo en la capa de polímero viscoso. La energía de rotación del accionamiento se convierte de energía mecánica a térmica a través del cizallamiento poniendo calor en el polímero.

La velocidad de cizallamiento, proporcional a la velocidad de rotación y al grosor del objeto, logra el máximo cerca de la superficie del cilindro y cero en la raíz del tornillo, como se muestra en la Fig. 1.

La cantidad de cizallamiento es entonces proporcional a la viscosidad del polímero a varias temperaturas durante el cizallamiento. El uso de una profundidad de canal que se reduce gradualmente en la “sección de compresión” del tornillo fuerza cualquier polímero no fundido hacia la pared del cilindro, donde obtiene el máximo cizallamiento.

En la secuencia 1-5 mostrada en la Fig. 2:

1. El canal de tornillo se llena con polímero no fundido que sale de la garganta de alimentación.
2. Debido al calentamiento del cilindro, se forma una película delgada de fundido en la pared del cilindro.
3. Esa película delgada se corta por la rotación relativa del cilindro y el tornillo.
4. El proceso continúa con la ayuda del diseño del tornillo a medida que se reduce la profundidad del canal (sección de compresión), lo que fuerza al fundido a ir hacia el cilindro y maximizar el cizallamiento de la masa fundida.
5. Con el diseño de tornillo adecuado para ese polímero, todo el fundido se puede convertir para fundirse a la temperatura de procesamiento adecuada de manera controlada.

Incluso después de alcanzar el punto de fusión o ablandamiento, el cizallamiento continúa debido a la viscosidad del fundido. La mayor parte de la potencia de accionamiento en una extrusora de un solo tornillo se utiliza para girar el tornillo en el polímero. La distribución típica de la potencia de accionamiento es de 85-90 % en la fusión, y el resto para la mezcla, presurización y avance. Los calentadores de barril no contribuyen casi nada a la fusión una vez que comienza la rotación del tornillo. De hecho, para muchas operaciones de extrusión, los calentadores de cilindro están en modo de enfriamiento la mayor parte del tiempo.

Cada polímero requiere una cantidad diferente de energía de accionamiento en función de la cantidad de energía requerida para elevar su temperatura al nivel deseado. El calor específico del polímero determina esa cantidad de energía.

En el diseño de tornillos, la viscosidad del polímero mientras se corta determina la energía introducida por cada revolución del tornillo. La viscosidad disminuye a medida que el polímero pasa de sólido a fundido. La temperatura inicial del polímero especifica la cantidad total de energía requerida del accionamiento del tornillo. Por ejemplo, los polímeros precalentados requieren menos energía de la unidad.