Fusión en extrusoras de husillo simple: proceso y factores clave

Hay dos cosas importantes por considerar cuando se procesan polímeros con muy alto índice de fluidez: la dificultad creciente de su fusión y el efecto magnificado de la presión del cabezal. Este artículo se centrará en la fusión.

Fusión y viscosidad en polímeros de alto índice de fluidez

Cuando el índice de fluidez es muy alto significa que la viscosidad de la fusión es muy baja. El diseño de husillo generalmente tiene que modificarse para acomodarse a esa diferencia. Como he señalado en columnas anteriores, la fusión en un extrusor de husillo simple se produce principalmente como resultado de la disipación viscosa (o cizalla) del polímero (ver ilustración).

Tanto en un husillo de filetes convencional o en un husillo de barrera, el principio de fusión es esencialmente el mismo. El polímero no fundido se arrastra contra la pared del cilindro por la rotación del husillo, generando un esfuerzo de cizalla en la resina sólida de desarrollo.

Esto se calienta para iniciar la fusión. La fusión continua, se facilita por la compresión o disminución de la profundidad del canal del husillo, que trae los sólidos más cerca de la pared del cilindro para crear una región renovada de polímero viscoso, donde la cizalla transforma la energía mecánica o rotación en calor en el polímero.

Transferencia de energía en la fusión de polímeros

Hay muchas otras interacciones que se suceden en el canal del husillo de manera simultánea, pero vamos simplificar las cosas y a quedarnos con el proceso de fusión básico. Una vez se inicia la fusión, siempre hay una película o cama de polímero fundido contra la pared del cilindro. Toda la fuerza de cizalla o torque de la unidad debe transferirse a través de esa cama de fundido.

Mientras menos viscosa sea la película, menor será la resistencia a la rotación del husillo y más baja será la energía que entra en el sistema desde la unidad. El resultado es que es más difícil transferir la energía necesaria para llevar los polímeros de muy alto flujo a su temperatura de procesamiento. Sin embargo, las resinas de alto flujo requieren un cantidad de energía similar, si no idéntica, por cada libra para llegar a su temperatura de proceso — la misma que los polímeros de bajo flujo, de hecho, ya que su calor específico en gran parte no tiene relación con la velocidad del fluidez (MFR).

El polímero sólido gira con el husillo como un husillo de madera simple. Piense en un cilindro sólido compuesto por el husillo y el polímero sólido girando dentro de un cilindro hueco con una película viscosa en medio. Esto debe dejar claro que gran parte de la fuerza o esfuerzo de torsión necesaria para girar el husillo, independientemente de su diseño, depende de la resistencia de la película del fundido.

A medida que disminuye la viscosidad de la película, es más fácil girar el husillo. Mientras sea más fácil girar el husillo, menos energía se necesita para hacer la rotación y menor energía va al polímero. De hecho, en un diseño de husillo determinado, la única variable para la entrada de energía desde la unidad es la viscosidad de la película a lo largo del cilindro, si no se tiene en cuenta el calor que se sale y entra del cilindro.

Efectos de la viscosidad en la producción de husillos

Para compensar la baja viscosidad de la película, los husillos deben tener menor producción específica (producción/revolución por hora del husillo). Esto permite que más energía por unidad de producción entre en el sistema cuando la producción específica se reduce para compensar la viscosidad reducida. Otros cambios en el diseño de husillo también pueden ser beneficiosos, como husillos más largos, compresión más agresiva y secciones de mezcla de alta cizalla.

El hecho de que toda la energía que entre en que el sistema desde la unidad deba pasar a través de la película fundida es un concepto que generalmente no entienden muchos operarios, que por desgracia todavía creen que la transferencia de calor viene principalmente de los calentadores de cilindro.

Consideraciones sobre el tamaño de husillos y transferencia de calor

En columnas anteriores señalé que para husillos muy pequeños (menos de 2 pulgadas de diámetro), el calor que se conduce desde el cilindro debe tenerse en cuenta, pero cuando los husillos aumentan de tamaño esto se reduce a un efecto menor. Por ejemplo, una extrusora típica 4.5 pulgadas, 30: 1 de L/D con una unidad de 250 hp (o 186 kW) estaría equipada con 70-85 kW en calefacción del barril. Si los calentadores estuvieran encendidos todo el tiempo y se mantuviera la eficiencia de transferencia de calor normal, los calentadores sólo representarían 20 a 30% de la energía disponible de la unidad de 250 hp.

Al momento de procesar polímeros de fluidez muy alta, asegúrese de revisar el diseño de husillo. Si no se adapta a la viscosidad baja, puede producir un fundido de mala calidad y rendimientos reducidos. No espere el mismo nivel de rendimiento de sus husillos de baja fluidez solo porque es el mismo tipo de polímero.