Extrusión: desentrañando la tasa de fusión en polímeros

Los tornillos de procesamiento de polímeros se han utilizado ampliamente durante años, pero su rendimiento sigue siendo un misterio para las personas que los usan todos los días.

Por un lado, la tasa de fusión no está tan estrechamente relacionada con la geometría del tornillo como muchos sospecharían. Más bien, se relaciona más estrechamente con la velocidad periférica del tornillo, la temperatura del cilindro y las propiedades térmicas y de viscosidad del polímero.

Relación adimensional para describir la tasa de fusión

En la década de 1950, Tadmor, Klein y otros desarrollaron una relación adimensional para describir la tasa de fusión por unidad de distancia del canal descendente. En esta ecuación, cuanto mayor sea el valor de F, mayor será la tasa de fusión:

F= {Vbx rm[Km(Tb-Tm)+( μ÷2 Vj2)] / 2[Cs(Tm-Ts)+l] }0.5

Simplificada, esta ecuación es la raíz cuadrada del calor requerido para la fusión dividido entre el calor suministrado por la rotación del tornillo.

Observe que no hay términos de geometría de tornillo que se muestren en esta ecuación; la mayoría de los términos están relacionados con las propiedades del polímero o la temperatura del cilindro. La única incógnita es la viscosidad (μ), que cambia a lo largo del tornillo. Esto requiere una suposición para la viscosidad promedio de la masa fundida, que introduce una variable difícil de cuantificar sin mucha experiencia y datos.

Explicado más a fondo, la velocidad de fusión para el tornillo es proporcional a la raíz cuadrada de la mitad de la velocidad del cilindro en relación con el tornillo, más un cuarto de la viscosidad del cilindro multiplicada por la viscosidad en la película dividida entre la relación del calor transferido del cilindro a la película y el calor transferido de la película al sólido. Los dos últimos son generalmente bastante bajos debido a la mala conductividad térmica de los polímeros.

Tornillos lisos sin secciones de mezcla

Esto significa que la velocidad de fusión (F) es, en gran medida, independiente de la geometría del tornillo para tornillos “lisos” sin secciones de mezcla de tipo cizallamiento o filetes de barrera. Estos dispositivos se han desarrollado para mejorar la fusión simplemente al redistribuir el polímero en el canal para mejorar su proximidad al cilindro.

En esencia, así funcionan las barreras. Reposicionan la masa fundida del canal para mejorar la proximidad a la pared del cilindro y favorecer el calentamiento por cizallamiento de los sólidos atrapados en el volumen continuamente decreciente en el canal de sólidos.

Mezcladores de tipo cizallamiento

Lo mismo ocurre con los “mezcladores de tipo cizallamiento”, como las diversas configuraciones de los famosos mezcladores de estilo Maddock donde los sólidos son forzados por la geometría a una ubicación cerca de la pared del cilindro. Una vez más, cuanto más cerca se pueda reubicar el polímero no fundido a la pared del cilindro, mayor será la tasa de fusión.

La velocidad de cizallamiento (velocidad de fusión) es máxima en la pared del cilindro y cero en la parte inferior del canal (véase la ilustración).

La mala conductividad térmica de los polímeros reduce en gran medida la magnitud del calor transferido hacia o desde el cilindro. Además, la temperatura de la película en la pared del cilindro, por lo general, está cerca de la temperatura del cilindro, eliminando el diferencial de temperatura necesario para una transferencia de calor significativa. Eso indica que la mayor parte del calor que entra en la película proviene de la cizalla en el canal de la rotación del tornillo.

Si no fuera así, podría poner en marcha su extrusora casi inmediatamente después de encender el calentamiento del cilindro. En cambio, pueden pasar horas hasta alcanzar una condición de fusión que permita la puesta en marcha. Esto significa que, para tornillos simples, las tasas de fusión más altas requieren una mayor velocidad de tornillo o secciones de fusión más largas.

Mejoras en las tasas de fusión

Afortunadamente, las mejoras introducidas a partir de la década de 1950 en varios diseños de barrera y mezcladores de cizallamiento, que separan la masa fundida y la no fundida para aplicar selectivamente el cizallamiento a la no fundida permiten mejoras en las tasas de fusión sin aumentar mucho las velocidades de tornillo o una mayor L / D.

Si se examina de manera crítica cada uno de estos dispositivos, se comprobará que cada uno desplaza el polímero no fundido, acercándolo a la pared del cilindro para lograr mejores tasas de fusión.