Extrusión: viscosidad en polímeros no newtonianos

La viscosidad para polímeros no newtonianos es una combinación de aumento de la temperatura y la velocidad de cizallamiento, como se describe en la siguiente relación:

η = mγn-1

donde la viscosidad (η) es igual al índice de consistencia (m) por la velocidad de cizalla (γ) y el índice de la ley de potencia (n) menos 1.

Efectos del índice de consistencia en polímeros

Generalmente, solo los expertos en reología discuten los efectos del índice de consistencia. El índice de consistencia, o cambio de la viscosidad con el aumento de la temperatura, depende en gran medida de la entrada de energía al polímero mediante el cizallamiento de la rotación del husillo.

Es decir, a medida que la cizalla aumenta la temperatura del polímero por disipación viscosa o conversión de la potencia mecánica a temperatura, la viscosidad disminuye adicionalmente debido a la temperatura más alta y se agrega al adelgazamiento por cizallamiento. El índice de consistencia describe esa tasa de disminución debido al aumento de la temperatura.

Relación entre cizallamiento y temperatura

Las curvas de velocidad de cizallamiento en el gráfico adjunto ilustran los efectos de la cizalla y la temperatura sobre la viscosidad. Las curvas individuales se deben solo al cizallamiento, mientras que el espaciado entre las líneas es el efecto de temperatura sobre la viscosidad. 

La tabla adjunta muestra los valores del índice de consistencia y el coeficiente de ley de potencia para varios polímeros comunes a temperaturas en su rango de procesamiento. 

Las características de adelgazamiento por cizallamiento de varios polímeros a menudo se clasifican únicamente por el coeficiente de la ley de potencia, pero el índice de consistencia puede tener un efecto igual de significativo en la viscosidad final y tiene que ser considerado.

Como muestra la lista de polímeros de la tabla, las viscosidades calculadas del gráfico a velocidades de cizallamiento de 100 sec-1 no entran en el mismo orden que los coeficientes de ley de potencia debido a ese efecto de índice de consistencia.

Como resultado, dos polímeros de un índice de fusión o flujo de fusión similar pueden tener viscosidades muy diferentes a las velocidades de cizallamiento elevadas durante el procesamiento. Las mediciones de índice de fusión y flujo de fusión por reómetro capilar tienen tasas de cizallamiento muy bajas, donde el adelgazamiento por cizallamiento es casi inexistente.

Comparativa entre HDPE y PP en viscosidad

Debido al efecto multiplicador del coeficiente de la ley de potencia y el índice de consistencia, un HDPE y un PP a velocidades de cizallamiento idénticas y temperaturas ligeramente diferentes pueden tener una diferencia en la viscosidad donde el HDPE es tres veces más viscoso que el PP. Esto significa que la temperatura de fusión del HDPE en el mismo diseño de husillo va a ser mucho más alta que la del PP.

El uso del simple cálculo de la viscosidad puede ayudar en gran medida en el análisis de los requisitos de potencia del extrusor, la temperatura de fusión y el flujo del polímero para diferentes polímeros sin el uso de gráficos de velocidad de cizallamiento/viscosidad.

Curiosamente, algunos polímeros pueden alcanzar una velocidad de cizallamiento casi autógena o adiabática donde la viscosidad disminuye proporcional a la velocidad de cizallamiento o a la velocidad del husillo, de modo que se minimiza un mayor calentamiento a través de una disipación viscosa y el requisito de potencia aumenta sólo una pequeña cantidad.

Por ejemplo, procesé PP a 1500 rpm en un husillo con temperaturas de fusión normales, y el aumento del requisito de potencia se mantuvo en gran medida proporcional a la salida debido al efecto autógeno. Sin embargo, eso no sucede con muchos polímeros.

El cálculo real de la carga del motor utilizando la viscosidad calculada es bastante complicado y generalmente requiere simulación por ordenador. Sin embargo, la viscosidad calculada puede ser una herramienta útil para la aproximación de la viscosidad y los requisitos de potencia del husillo resultantes cuando se combina con los cálculos para la disipación viscosa de diferentes polímeros en extrusoras de un solo husillo de diferentes tamaños y relaciones L/ D.

Los datos de coeficiente de ley de potencia y consistencia se pueden encontrar en Internet o en los proveedores de polímeros.