Enfriamiento en extrusoras de plástico: mitos y realidades

Una de las cosas que a menudo se malinterpreta en un extrusor es el enfriamiento del agua de la garganta de alimentación y el husillo (o también llamado tornillo). Muchos operarios no entienden el delicado equilibrio de las fuerzas de fricción en el extrusor y cómo los cambios aparentemente menores en el flujo de refrigerante pueden afectar el rendimiento.

Muchos operarios piensan que simplemente están ayudando a reducir la temperatura de fusión con más agua (o más fría). De modo que, si un poco de agua de enfriamiento es bueno, mucho es probablemente mejor, ¿verdad? Nada podría estar más lejos de la verdad. 

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 menor sea la fricción del polímero en el husillo, 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 husillo para una velocidad de alimentación óptima. Tenga en cuenta que en cualquier extrusor 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 alimentación se determina casi inmediatamente a medida que el polímero entra en la abertura de alimentación y depende de la fricción y la diferencia de superficie. A menos que tenga un extrusor de cilindro ranurado, los únicos ajustes disponibles para mejorar la fricción en la pared del cilindro es la temperatura de la garganta de alimentación.

Sin casi ninguna excepción, el aumento de 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 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 tienen una tasa 20-30% mayor que las extrusoras que tienen una garganta de alimentación separada y usan husillos idénticos.

Parece razonable concluir que establecer una temperatura de la garganta de alimentación lo más alta posible resultaría en 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 alimenta del cilindro, ya que todo es acero altamente conductivo.

En resumen, para desarrollar la mayor tasa de alimentación 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 hay nivel de temperatura publicado disponible, incluso para polímeros específicos, debido a las muchas variaciones en la geometría y el diseño de la garganta de alimentación, por no mencionar los muchos tamaños y geometrías de pellets. Con los cientos de perfiles de temperatura del cilindro publicados, ninguno muestra una temperatura sugerida de la garganta de alimentación, por lo que los operarios no tienen literalmente ninguna orientación.

Y luego, para complicar las cosas, está el retriturado, ya que la alimentación de este material puede ser optimizada a una temperatura ligeramente diferente. Afortunadamente, las extrusoras de diámetro liso generalmente tienen más del doble de zona de contacto con el polímero en el cilindro que en el husillo en el área de alimentación de sólidos.

Por lo tanto, a excepción de los polímeros con puntos de fusión o ablandamiento muy bajos, por lo general no es un gran problema usar calor para obtener más fricción en el cilindro que en el husillo y así permitir que el polímero se mueva por el tornillo sin ningún enfriamiento del tornillo. La mayoría de los husillos de extrusión se producen con un agujero hueco como una opción disponible, pero rara vez es necesario enfriar los tornillos.

Es una buena práctica comenzar por establecer la superficie externa de la garganta de alimentación adyacente a la abertura de alimentación para que esté bastante caliente al tacto, alrededor de 125-130 F como condición inicial.

Dado que muy pocas extrusoras vienen equipadas con un indicador de temperatura en la garganta de alimentación, es un ajuste táctil para determinar la mejor temperatura a menos que tenga un pirómetro de contacto. Una temperatura de 130 F no la soporta nadie durante más de unos segundos.

Para encontrar la temperatura óptima de la garganta de alimentación, aumente gradualmente la temperatura en pequeños incrementos regulando el flujo de agua hasta que no vea ninguna mejora en la producción o estabilidad, y luego retroceda al ajuste anterior.

Realmente no tiene que estar demasiado preocupado por un pequeño fundido en la pared de la garganta de alimentación, ya que la rotación de los filetes lo eliminará rápidamente, igual que lo hará el siguiente filete inmediatamente después de la garganta de alimentación.

Debido a que se acopla directamente a un cilindro calentado a una temperatura muy por encima del punto de fusión, la garganta de alimentación naturalmente tiene un gradiente de temperatura que aumenta desde la abertura de alimentación a la brida del cilindro.

En muchos casos, el extremo de descarga de la garganta de alimentación está cerca o incluso por encima del punto de fusión o ablandamiento del polímero, incluso con enfriamiento por agua.

La moderación es la clave para encontrar la mejor temperatura, y puede tomar varios días "ajustar" hasta encontrar la temperatura ideal. Por ejemplo, cuando se procesa PEEK, un polímero de punto de fusión muy alto, una temperatura de la garganta de alimentación de aproximadamente 200 F proporciona la mejor salida y estabilidad. Para PE suele estar cerca de 130 F.

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

Sin embargo, hay algunas desventajas a tener en cuenta antes de agregar refrigerante al husillo (a menos que sea necesario). El enfriamiento del husillo aumenta el requisito de potencia, extiende la longitud de fusión e incorpora variaciones térmicas. Aún más dañino, si el agua de refrigeración se deja encendida al apagarse, se formará una capa de polímero endurecido en la raíz del tornillo que requiere tiempo de calentamiento adicional, reduce en gran medida la eficacia de la purga, e incluso puede permitir que se forme condensación en el tornillo, causando óxido cuando se apaga. Muchos tornillos tienen orificios en casi toda su longitud, multiplicando estos efectos a una distancia mayor.

Solo unos pocos polímeros que se degradan muy rápidamente a temperatura de procesamiento, como el PVC rígido, necesitan orificios de longitud completa, e incluso con tuberías especiales por lo que solo se enfría realmente la punta del tornillo. Como se señaló, la refrigeración del tornillo rara vez es necesaria debido al gran diferencial entre la garganta de alimentación y las áreas de superficie 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 requieren 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 5 y 10%)