Desafíos y soluciones en la extrusión de polímeros cargados

Los procesadores han estado extruyendo polímeros cargados durante muchos años. Históricamente, el porcentaje de carga generalmente ha sido inferior al 30% en peso, o solo 10-15% en volumen, porque los rellenos tienen una gravedad específica de 3 a 10 veces la del polímero.

Más recientemente, he trabajado con algunos compuestos nuevos que contienen hasta un 85% de relleno en peso, lo que da como resultado más carga que polímero en volumen. Estas mezclas generalmente no funcionan bien en tornillos con diseños tradicionales.

Principio básico de la alimentación de sólidos y su importancia

Recuerde el principio básico de la alimentación de sólidos: para que las partículas de polímero fluyan hacia adelante, el material debe tener menos arrastre por fricción en el tornillo que en el barril o cañón. El área superficial del tornillo suele ser sustancialmente mayor que el área del cilindro en la sección de alimentación; esa relación se conoce como relación de aspecto.

Para compensar el efecto de la relación de aspecto, el arrastre necesario para mover las partículas de polímero hacia adelante se crea típicamente calentando el barril o alterando el acabado de la superficie del mismo para un mayor arrastre.

Sin embargo, muchos de los rellenos típicos son angulares o irregulares en su forma de partícula, y bastante abrasivos, lo que dificulta aumentar la fricción en la pared del cilindro lo suficiente como para compensar el arrastre en la superficie del tornillo cuando la relación de aspecto puede ser 1.25: 1 hasta 1.35: 1.

Agregar calor a la pared del barril puede empeorar la situación al fundir un poco de polímero cerca de la pared del barril y disminuir la resistencia del cañón en relación con la resistencia del tornillo. En algunos casos podría ser necesario revertir esencialmente el proceso normal de alimentación de sólidos para reducir el arrastre por fricción contra la superficie del tornillo mediante técnicas tales como precalentamiento del polímero, o mediante el uso de tornillos calentados, revestimientos o ayudas de proceso.

Relación de compresión en husillos convencionales y su impacto

La relación de compresión o compresión en los husillos convencionales para polímeros es necesaria debido a la eficacia de alimentación generalmente baja de los gránulos de polímero y los efectos, tanto de  de la formación de masa fundida como de la eliminación de masa fundida, permitiendo que la masa fundida fluya más rápido que el sólido.

Por el contrario, algunas geometrías de partículas de carga mejoran la eficiencia de alimentación de sólidos porque no se deslizan entre sí. Esto resulta en que se necesita una menor compresión para lograr la velocidad de alimentación requerida.

Dado que los rellenos no se derriten, no fluyen, y las propiedades de flujo de la mezcla se convierten en una combinación de propiedades de partículas sólidas y flujo de fundido normal. Como resultado, los husillos con secciones de compresión que se usan normalmente para polímeros puros pueden simplemente taponar el canal con relleno a medida que el volumen se reduce a lo largo de la longitud del husillo debido a la falta de flujo del relleno.

Además, a medida que avanza la compresión, la cantidad relativamente pequeña de polímero en el compuesto cargado se puede expulsar, dejando nada más que una carga compactada.

Dado que un tornillo es esencialmente una cuña en espiral, incluso sin compresión, el relleno puede compactarse tan fuertemente que puede detener el disco o incluso romper el tornillo. Como resultado, a menudo se han encontrado efectivos los husillos con compresión cero o incluso negativa.

Calentamiento por cizallamiento y su rol en la fusión

Una vez que se ha establecido la alimentación, la fusión se vuelve más fácil en algunos aspectos y más difícil en otros. Sin la compresión normal del canal, el mecanismo de fusión convencional se ve comprometido en gran medida, y la fusión se basa más en el calentamiento conductivo que en el calentamiento por cizallamiento.

Los diseños de tornillos que básicamente ruedan o rompen el lecho de polímero hacia arriba en el canal de tornillo para exponer más superficie, son a menudo más efectivos incluso que los diseños de barrera o los mezcladores de alto cizallamiento.

Como la mayoría de las cargas tienen un calor específico más bajo que los polímeros, la cantidad de energía requerida para elevar una libra de la mezcla a la temperatura de procesamiento se reduce considerablemente. Además, la mayoría de las cargas tienen una conductividad térmica más alta que los polímeros, lo que ayuda a calentar y fundir.

Una vez que se completa la fusión, el calentamiento por cizallamiento se vuelve más problemático, ya que las altas cargas de rellenos en casi todos los casos aumentan enormemente la viscosidad y reducen el adelgazamiento por cizalladura, por lo que deben reducirse las longitudes de sección después de la terminación de la fusión. Los cambios aguas arriba y aguas abajo son para otra discusión.

Los rellenos afectan la entrada al tornillo debido al puenteo / compactación y causan una mayor caída de presión a través de las herramientas del polímero de mayor viscosidad. El desarrollo de presión en el tornillo también es menos predecible y más variable debido a la discontinuidad en la fusión causada por la carga y su recorrido de la pared del barril.

Desafortunadamente, hay pocas reglas generales a seguir para los diseños de tornillos para procesar altas dosificaciones de relleno. Mucho depende de las características de las partículas del relleno, los porcentajes de los componentes de las mezclas, la viscosidad del polímero fundido, la velocidad de fusión de la mezcla y la temperatura del tornillo y el cilindro.

Solo tenga en cuenta que contenidos de carga muy altos requerirán algunos cambios de husillo, en los equipos aguas arriba y aguas abajo, y procedimientos operativos. No se sorprenda si toma algunas iteraciones.