Extrusión: los hechos detrás de los excesos de temperatura en el barril

El exceso de temperatura en las zonas es una preocupación común de casi todos los operadores de extrusión. La respuesta más común es procurar más enfriamiento en la zona afectada, incluso usando agua helada.  Eso puede o no funcionar a favor del proceso. Todo sobrecalentamiento en alguna zona indica que el polímero en el interior de la pared del cilindro está a una temperatura más alta que el valor ajustado para el cilindro. Como el cilindro es un buen conductor de calor y el polímero es un conductor muy pobre, es lógico que parte del calentamiento por cizallamiento cerca de la pared sea absorbido por el cilindro.  Si los ajustes del barril están muy por debajo de la temperatura interna de masa, la temperatura del barril aumenta por encima de la configuración. La facilidad con la que se puede cambiar la temperatura de masa simplemente cambiando la configuración del barril parece ser donde se produce el malentendido.

En general, es difícil superar los efectos del tornillo y el motor de accionamiento reduciendo las temperaturas del barril, ya que la potencia de accionamiento suele ser de cuatro a 20 veces la capacidad máxima de enfriamiento del barril, dependiendo del tamaño del extrusor y del tipo de enfriamiento.  

Cuanto más grande es la extrusora, menor es el enfriamiento efectivo del barril, ya que la masa de polímero en el tornillo aumenta exponencialmente con el tamaño del tornillo en comparación con el área superficial del barril disponible para el enfriamiento.  El enfriamiento extraerá calor del barril pero no necesariamente del proceso debido a la baja conductividad térmica del polímero. De hecho, el sobreenfriamiento puede aumentar la disipación viscosa al enfriar el polímero cerca de la pared del cilindro, lo que requiere más torque.

El par del motor del extrusor es usado en gran medida para vencer la resistencia del tornillo a rotar en el polímero viscoso.  La energía eléctrica utilizada se convierte en fuerza de rotación para girar el tornillo. La fuerza de rotación se convierte de nuevo en un aumento de la temperatura del polímero mediante calentamiento por cizallamiento.  Esta energía termina en gran parte en el polímero. Cuanto mayor es la resistencia a la rotación, mayor es el requerimiento de par de entrada y más calor ingresa al polímero. La viscosidad del polímero fundido entre el tornillo y el cilindro determina la resistencia a la rotación y el requisito de par resultante, independiente de la cantidad de sólidos en el tornillo.  Eso explica por qué es más difícil fundir en el mismo tornillo un polímero de 25 MI que 2 MI del mismo polímero.  Es más difícil obtener energía en el polímero debido al menor requisito de torque.

Para ilustrar de otra manera, piense en un cilindro sólido girando dentro de un tubo hueco con un poco de aceite lubricante en el medio.  El torque para girar el cilindro (tornillo) es en gran parte una función del aceite lubricante.

Si se tiene un lubricante de muy baja viscosidad, el requisito de torque es bajo y la entrada de energía es baja.  El enfriamiento excesivo del tubo puede aumentar la viscosidad del lubricante y aumentar el requisito de torque.  Esto se convierte en una ambigüedad ya que cuanto más calor se extrae en el enfriamiento del barril, más viscosa se vuelve la película y más energía debe poner el tornillo en la película para poder girar.

El resultado global depende del efecto de la temperatura sobre la viscosidad de ese polímero y la efectividad del enfriamiento del cilindro.  Para los polímeros cuya viscosidad se ve menos afectada por la temperatura, es más fácil reducir la temperatura global de la masa fundida hasta cierto punto con el enfriamiento del barril.  La propiedad que refleja la respuesta de la viscosidad de los polímeros a la temperatura, se denomina índice de consistencia.  Para un fluido de ley de potencia, que se adapta a la mayoría de los polímeros, el comportamiento de la viscosidad es una función de su consistencia (m), coeficiente de ley de potencia (n) y rata de cizalladura.  Esta es descrita por la ecuación de Ostwald de Waele:

Viscosidad (μ) = mγn-1
m = consistencia
γ = Rata de cizalladura
n = Coeficiente de ley de potencia

El índice de consistencia está determinado por la intersección en una gráfica lineal de rata de cizalladura y viscosidad a 1 seg-1. El resultado no es un valor fijo y depende de la temperatura de la masa, por lo que es un valor que no está disponible para el procesamiento diario a menos que tenga datos de reología extensos para modelarlo. Sin embargo, se ha comprobado que es útil simplemente notar la separación entre las curvas de viscosidad a diferentes temperaturas, que es una indicación del efecto de la temperatura en la viscosidad. La consistencia está relacionada con la ubicación vertical de la curva de viscosidad a una temperatura específica.

Por ejemplo, la curva en el gráfico (parte superior) muestra un cambio de 3000 poises con un cambio de 20 ° C, o 150 poises por ° C. Ese sería un grado moderado de sensibilidad a la temperatura y la resina tendería a mantener su viscosidad con el cambio de temperatura y permitiría la posibilidad de cierto grado de enfriamiento de la masa desde el cilindro. De los 11 polímeros que verifiqué, los cambios de viscosidad van de 10 poises por ° C a 1080 poises por ° C a rata de cizalladura iguales.

Así usted pueda ajustar arbitrariamente las zona para controlar la temperatura de la masa como si estuviera usando un horno, esto a veces no producirá ningún cambio o aumentos en la temperatura de la masa. El uso de curvas de viscosidad a diferentes temperaturas puede ayudarlo a determinar qué efecto puede proporcionar el enfriamiento del barril. Como se mencionó, es sorprendentemente difícil cambiar la temperatura de la masa significativamente con las zonas de enfriamiento del barril trabajando contra el efecto abrumador del tornillo y el motor debido a la mala conductividad térmica del polímero y al calentamiento continuo por cizallamiento que ocurre en la holgura los filetes y el cilindro.

Como resultado, la selección arbitraria de la temperatura de la zona de barril y / o el sobreenfriamiento pueden ocasionar problemas como funcionamiento errático, inestabilidad a medida que el enfriamiento se enciende y apaga, alto desgaste, baja homogeneidad de la masa fundida y desperdicio de energía. El consumo de energía se ve especialmente afectado, ya que se está inyectando energía con la rotación y extrayéndolo con el enfriamiento del barril. No es inusual encontrar extrusoras que usan un 20% más de potencia total (calefacción y refrigeración) de la necesaria debido a tales condiciones.

Encontrar la mejor configuración de barril requiere la evaluación de cada uno de estos aspectos negativos del sobreenfriamiento en comparación con los efectos sobre la temperatura de masa.  Por ejemplo, no es una práctica operativa inteligente utilizar un 20% más de potencia para tratar de lograr unos pocos grados menos de temperatura de fusión.  La comparación de las curvas de viscosidad a diferentes temperaturas será una guía sobre qué hacer con las zonas de su barril.  

Para cambios importantes en las temperaturas de masa, el diseño del tornillo generalmente es donde se encuentra la solución.  Para los polímeros con un alto cambio de viscosidad con la temperatura, es probable que el problema de excesos de temperatura en las zonas solo pueda resolverse con el diseño del tornillo.