Una matriz en el procesamiento de polímeros es un restrictor o canal de metal capaz de proporcionar un perfil de sección transversal constante a una corriente de polímero líquido . Esto permite el procesamiento continuo de formas como láminas, películas, tubos, varillas y otros perfiles más complejos. Este es un proceso continuo, que permite una producción constante (asumiendo un suministro constante de polímero fundido), en contraposición a un proceso secuencial (no constante) como el moldeo por inyección .
Proceso
La formación de matrices ocurre típicamente inmediatamente después de que el polímero fundido ha salido de una extrusora . El proceso más básico implica guiar la corriente de polímero fundido bajo presión a través de una matriz, que tiene tres regiones distintas: colector, aproximación y labio. El "colector" sirve para canalizar el polímero fundido desde su punto de extrusión inicial hasta una forma casi neta del producto final. La región de "aproximación" guía aún más la masa fundida a la forma final y comienza a corregir cualquier flujo no uniforme . Finalmente, el 'labio' forma la masa fundida en la sección transversal final deseada y compensa cualquier asimetría de flujo restante. Después de salir del borde de la matriz, el polímero fundido se hinchará antes de curar. El hinchamiento de la matriz es una expansión de la masa fundida a medida que se libera la presión y depende de la química del polímero y el diseño de la matriz. Después del curado, la pieza sólida y continua se coloca en un rodillo de recogida o se corta en tramos transportables, según el tipo de pieza. Este proceso puede variar significativamente según el tipo de troquel y el proceso de extrusión. [1]
Extrusión de láminas / películas
Hay dos tipos principales de matrices que se utilizan en la extrusión de láminas planas: en forma de T y perchas. Una matriz en forma de T consta de dos brazos que se extienden en ángulo recto desde el canal de extrusión inicial; estos brazos tienen una pequeña hendidura a lo largo de su longitud para permitir que fluya el polímero fundido. Luego, la masa fundida se adelgaza aún más mediante un acercamiento corto y plano antes de empujarla a través de los labios del dado. Esta configuración puede causar un flujo no uniforme a lo ancho de la hoja extruida, con la masa fundida en el centro fluyendo más rápido que la masa fundida en los bordes de la matriz, lo que resulta en pandeo y otros defectos después de salir de la matriz. [2]
Un diseño más moderno es el troquel para perchero. Este dado se diferencia del dado en forma de T en que los brazos no están en ángulo recto con la dirección de entrada; en cambio, los brazos están en un ángulo menos profundo y, a menudo, están curvados. Los brazos también tienen un diámetro variable, disminuyendo a un radio más pequeño más lejos del canal de entrada. La parte de aproximación de los troqueles de percha es más larga que sus contrapartes en forma de T, lo que reduce aún más la falta de uniformidad del flujo. Finalmente, la masa fundida se extruye a través de los labios como en la matriz en forma de T.
Para productos como láminas o películas de plástico, el enfriamiento se logra tirando a través de un conjunto de rodillos de enfriamiento (también conocidos como rodillos de enfriamiento o calandria), generalmente 3 o 4 en número. En la extrusión de láminas, estos rollos no solo brindan el enfriamiento necesario, sino que también ayudan a determinar el grosor de la lámina y la textura de la superficie (en el caso de rollos estructurados, es decir, lisos, levantados, con celdillas, etc.). Un defecto de procesamiento común conocido como nervio puede ocurrir cuando el tiempo de contacto entre los rodillos y el extruido es demasiado breve, lo que resulta en un tiempo de enfriamiento insuficiente.
La coextrusión es común en la extrusión de láminas y películas, lo que permite una producción rápida de piezas de varias capas. Esto se logra uniendo múltiples polímeros fundidos en el colector o en la etapa de aproximación. Pueden formarse capas de diferentes espesores introduciendo masas fundidas a diferentes velocidades de flujo o diferentes tamaños de colectores.
Extrusión de película soplada
La fabricación de películas plásticas para productos como bolsas de la compra y láminas continuas se logra mediante una línea de películas sopladas. [3] El polímero fundido de una extrusora se alimenta a través de una matriz vertical con una abertura anular. Hay varios tipos de matrices que se pueden utilizar, según los requisitos finales de calidad de la película y las características del polímero fundido: matrices de araña, cruceta y espiral.
Una matriz de araña consiste en un mandril interno conectado a la pared exterior de la matriz por varias "patas", y es un diseño moderadamente complejo. La película resultante presentará líneas de soldadura dondequiera que estuvieran presentes las patas. Estas líneas de soldadura son más débiles que el polímero circundante y también pueden tener diferentes características ópticas, como la turbidez. Esta debilidad se debe a la curación incompleta de la matriz molecular del polímero. Además, un gradiente de presión producido por las patas de la araña provocará un hinchamiento de la matriz no uniforme, lo que dará como resultado un espesor de película no uniforme.
Un troquel de cruceta divide el flujo de masa fundida en dos en la entrada del colector, recombinándolos en el lado opuesto de un mandril central cilíndrico. Este diseño relativamente simple da como resultado un flujo no simétrico, ya que las moléculas tardan más en llegar al lado opuesto que al lado cerrado del mandril. Como tal, la película resultante no tendrá un espesor uniforme. Para reducir esta falta de uniformidad, se pueden variar los diámetros de entrada y se pueden agregar varios insertos para minimizar las regiones estancadas.
Un troquel en espiral es el más complejo de los tres tipos principales de troqueles de película soplada. El polímero fundido se distribuye uniformemente en varios tubos de alimentación, que se enrollan alrededor de un mandril central. Cada uno de estos tubos de alimentación está conectado al espacio entre el mandril y las paredes exteriores de la matriz; los tubos de alimentación disminuyen gradualmente de diámetro a medida que giran en espiral alrededor del mandril. Al mismo tiempo, aumenta el espacio entre el mandril y las paredes exteriores de la matriz. Esto permite que el polímero se derrita en capas y se mezcle, dando como resultado un perfil de masa fundida uniforme libre de líneas de soldadura. Este diseño de troquel produce las películas más uniformes, pero también es el más caro.
La presión de aire se introduce a través de la boquilla de extrusión de modo que después de que el polímero fundido abandona el borde de la boquilla, se expande en circunferencia. El tubo también se estira a lo largo de su longitud más rápido de lo que se extruye. Esto conduce a un adelgazamiento de la película a medida que se expande tanto en la dirección de estirado (o máquina) como en la dirección transversal (o de aro). La relación entre el diámetro soplado y el diámetro extruido se conoce como relación de soplado y afecta las propiedades físicas resultantes de la película, como la rigidez y la resistencia. El espesor de la película y la relación de soplado se pueden variar alterando la velocidad de recogida de los rodillos, la presión interna en el tubo soplado y la velocidad de extrusión de la masa fundida.
A medida que la película se estira hacia arriba, se enfría mediante un anillo de sopladores de aire para que la masa fundida se convierta primero en un sólido viscoelástico amorfo y luego en un sólido semicristalino, en lo que se conoce como la línea de congelación . Después de la solidificación, el tubo de película soplada continúa enfriándose mientras es tirado hacia arriba por varios juegos de rodillos, desinflando la película para formar un tubo plano. Luego, la película plana se enrolla en un carrete antes de su posterior procesamiento o envío. La altura de la línea de la película es a menudo 10 veces el diámetro del tubo soplado o más; son posibles líneas de película de más de 30 metros.
Una vez que el tubo de película está completamente enfriado, varios rodillos de presión lo recogen. El ancho de la película plana doblada resultante es igual a la mitad de la circunferencia del tubo soplado. Luego, la película se enrolla como un tubo aplanado o se divide inmediatamente en dos piezas separadas. En este punto, la película está lista para su procesamiento posterior, como la impresión o el corte en la forma final.
Extrusión overjacketing
La extrusión de sobrecapasado es un proceso de recubrimiento, en el que los alambres desnudos individuales o haces de alambres prerrecubiertos se recubren con una capa de polímero aislante. Se puede utilizar una amplia variedad de materiales, dependiendo de la aplicación específica. Para muchas aplicaciones, como cables aislados , el polímero debe ser un buen aislante, flexible y resistente al desgaste. [4]
En este proceso, se precalienta un alambre (o haz de alambres) por encima de la temperatura de transición vítrea o de fusión del recubrimiento de polímero que se va a aplicar. Esto es para asegurar la adhesión del nuevo recubrimiento. A continuación, este alambre desnudo precalentado se tira muy rápidamente a través de una matriz que coloca una fina capa de polímero alrededor del alambre. Debido a la geometría de las matrices utilizadas, son posibles velocidades de extrusión relativamente altas mientras se evita la fractura de la masa fundida. El alambre recién revestido se pasa luego a través de una llama de aire o gas para alisar la superficie del revestimiento y, finalmente, un baño de agua para enfriar completamente el alambre revestido. Los alambres revestidos ahora se enrollan para prepararlos para un procesamiento posterior, si se desea.
Hay dos tipos principales de matrices que se utilizan en la extrusión de sobrecamisado, ambos basados en un diseño general de cruceta. Independientemente del tipo de troquel utilizado, el polímero fundido se extruye a menudo a una velocidad menor que la velocidad del alambre desnudo que se estira a través del troquel, típicamente del orden de 1-4 veces la velocidad del fundido. Esto hace que la cubierta de polímero se extienda, se adelgace y se apriete alrededor del alambre central, aumentando la adhesión de la nueva capa.
El primer tipo de tinte es un troquel anular, o de tubería / revestimiento, que extruye un tubo de polímero que inicialmente no toca el alambre desnudo. Luego se aplica vacío al tubo de polímero aún fundido, lo que hace que se estire y se una a la superficie del alambre desnudo. Este tipo de troquel se usa típicamente para recubrir alambres muy delgados con revestimiento de polímero que es altamente viscoso.
El segundo tipo de troquel, conocido como troquel de presión, se basa en el contacto entre el polímero de revestimiento y el alambre desnudo dentro del troquel. En este tipo de troquel, se fuerza un anillo de polímero fundido bajo presión alrededor del alambre desnudo. Debido a la presión aplicada de la masa fundida, la abertura alrededor de la entrada del alambre desnudo debe ser muy pequeña, del orden de 0,05 mm. El tamaño de la abertura de salida controla el grosor del revestimiento resultante. Este tipo de troquel da como resultado un contacto más íntimo entre el revestimiento exterior y el alambre desnudo que el troquel de revestimiento.
Estirado de fibras (polímeros)
El estirado de fibras es un proceso híbrido, en el que se utiliza la gravedad u otra fuerza para alterar geométrica y mecánicamente las fibras extruidas. Este proceso no solo reduce la sección transversal de la fibra de polímero, sino que también aumenta la resistencia de las fibras al alinear las moléculas de polímero individuales.
Antes del estirado, el polímero fundido se empuja a través de un troquel con una gran cantidad de pequeños orificios, conocido como hilera. Normalmente, las fibras se enfrían al aire sin necesidad de curado. Si es necesario curar, hay dos métodos disponibles: centrifugado en seco y en húmedo. En la hilatura en húmedo, el polímero se disuelve y se extruye a través de una hilera en un baño químico. En el hilado en seco, se deja evaporar un disolvente a medida que se enfrían las fibras.
Normalmente, el estiramiento de la fibra se produce inmediatamente después del hilado. La aplicación de una fuerza externa, ya sea por gravedad o por rodillos tensores, hace que las fibras se contraigan lateralmente y se alarguen. Esto orienta las moléculas de polímero individuales a lo largo de la fibra, aumentando la resistencia. Se ha demostrado que el radio de las fibras disminuye de manera hiperbólica a medida que se alargan. Una vez que las fibras se solidifican, pueden comenzar a cristalizar, con cada grano inicialmente orientado al azar. El estiramiento adicional hará que los granos de cristal se alarguen y reorienten en la dirección del eje de tracción, fortaleciendo aún más las fibras.
Estabilidad de giro
En la práctica, no todos los polímeros son adecuados para el hilado o estirado de fibras. Esto es particularmente un problema en los polímeros de adelgazamiento extensional, donde la falla capilar o el estrechamiento pueden causar la separación de la masa fundida antes de la solidificación.
La resonancia de estirado es el problema más común que puede ocurrir durante el estirado del polímero fundido, independientemente de la idoneidad del polímero. La resonancia se produce cuando la tasa de flujo másico no es constante entre la hilera y el rodillo de recogida de fibras, a pesar de ser constante en cada uno de esos componentes individuales. Cuando el caudal másico no es constante, el diámetro de la fibra variará para adaptarse a la variación. Una vez iniciada, esta resonancia puede no corregirse por sí misma, requiriendo una parada completa de la línea de extrusión.
Se ha demostrado que la resonancia de estirado se produce una vez que se excede una relación de reducción crítica; esta relación depende del comportamiento del flujo (es decir, newtoniano, adelgazamiento por cizallamiento) y del comportamiento viscoelástico del fluido. Sin embargo, no se ha encontrado que la resonancia de extracción sea una función del caudal. Una masa fundida de polímero que se aproxima a un fluido newtoniano como el PET puede tener una relación de reducción de alrededor de 20, mientras que las masas fundidas de polímero viscoelástico y de gran dilución, como el polietileno, el poliestireno y el polipropileno, pueden tener relaciones de reducción críticas tan bajas como 3.
Formación de tubos
Las matrices formadoras de tubos permiten la extrusión continua de tubos y tuberías de paredes gruesas (en relación con la extrusión de película soplada) . [5] Las matrices en sí son casi idénticas a las que se utilizan en la extrusión de película soplada; la única diferencia importante es el espacio entre el mandril interior y la pared exterior de la matriz. Una vez que la masa fundida de polímero se extruye de la matriz, se retira mediante rodillos de recogida. El enfriamiento se logra mediante el uso de baños de agua o una gran cantidad de ventiladores de enfriamiento. Después de enfriar, el tubo se enrolla en carretes grandes (si es flexible) o se corta en longitudes preestablecidas y se apila (si está rígido).
Se deben fabricar tubos con múltiples lúmenes (orificios) para aplicaciones especiales. Para estas aplicaciones, el herramental se realiza colocando más de un mandril en el centro del troquel, para producir el número de lúmenes necesarios. En la mayoría de los casos, estos mandriles reciben presión de aire de diferentes fuentes. De esta manera, los tamaños de lumen individuales se pueden ajustar ajustando la presión a los mandriles individuales.
Extrusión de perfil
La extrusión de perfiles, la extrusión de formas complejas como canaletas de lluvia, soportes estructurales y otros componentes, trae consigo algunos de los diseños de matrices más complejos de cualquier proceso de extrusión. [6] Esta dificultad se debe a dos preocupaciones principales: producir el perfil inicial, todavía fundido, y luego controlar la contracción asimétrica y el hinchamiento de la matriz debido a los diferentes espesores de pared.
A diferencia de la extrusión de láminas, tubos y películas sopladas, las matrices utilizadas en la extrusión de perfiles rara vez son redondas o completamente planas. Mientras que un perfil redondo (o plano) tiene tasas de flujo uniformes a lo largo de todos los bordes, este no es el caso de formas más complejas. Tomemos, por ejemplo, el ejemplo de un perfil cuadrado simple, sólido. La velocidad de la masa fundida es más alta en el centro de la matriz y más lenta en los bordes y esquinas debido a la fricción entre la masa fundida y las paredes de la matriz. Al moverse desde el centro del dado hasta el punto medio de uno de los bordes, el gradiente de velocidad es alto, especialmente cerca de la pared exterior del dado. Sin embargo, al moverse del centro a una de las esquinas, el gradiente de velocidad es más gradual. Como resultado, el perfil cuadrado extruido experimentará más hinchamiento en los bordes que en las esquinas, lo que hará que el perfil una vez cuadrado se vuelva más circular. Esto se puede compensar inclinando los lados del dado para que se aproxime a la forma de una estrella de cuatro puntas; los lados del polímero fundido ahora se hincharán a las dimensiones deseadas.
A medida que el perfil deseado se vuelve más complejo, la matriz a su vez se vuelve más compleja. Se debe tener cuidado para minimizar las líneas de soldadura, así como asegurar el llenado completo de la matriz para evitar burbujas y otros defectos en el perfil extruido terminado. Una vez completada la extrusión inicial, el perfil de polímero fundido se enfría ligeramente antes de pasarlo por una boquilla de encolado. Esta matriz asegura que el perfil extruido cumpla con las especificaciones y pueda corregir la forma para que se ajuste a esas especificaciones. Una vez que se completa el dimensionamiento, el perfil se enfría antes de cualquier procesamiento adicional.
Coextrusión
En la práctica, muchas películas, láminas y otras piezas extruidas son de varias capas; esto permite optimizar una amplia gama de propiedades, como la permeabilidad al oxígeno, la resistencia y la rigidez. La principal dificultad de la coextrusión es cerrar la brecha en las propiedades entre cada capa. [7] Agregar una capa delgada de "compatibilidad" es una solución común para aliviar las incompatibilidades de viscosidad o rigidez. [8]
Hay dos tipos principales de matrices para la coextrusión: colector único y colector múltiple. Ambos tipos dependen de una extrusora separada para cada química de polímero. En matrices de múltiples colectores, cada capa se extruye por separado y solo se combina justo antes de los labios de la matriz. Este tipo de troquel es caro debido a las complejas herramientas necesarias, pero puede aliviar grandes diferencias en el comportamiento reológico entre las distintas capas. Las matrices de colector único forman las múltiples capas en una sola capa, lo que permite el contacto entre las capas de polímero durante un período de tiempo más largo. Esto asegura una unión óptima, pero tiene como consecuencia la necesidad de polímeros de mayor compatibilidad.
Hay dos tipos de defectos de procesamiento que pueden ocurrir durante la coextrusión. El primer defecto es la inestabilidad de la interfaz, que provoca formas de interfaz no deseadas. Esto puede provocar la "encapsulación" de la masa fundida de mayor viscosidad por la masa fundida de menor viscosidad, lo que conduce a un rendimiento final deficiente de la pieza extruida. La gravedad de este tipo de defecto es proporcional a la diferencia de viscosidades entre los dos polímeros fundidos. El otro tipo de defecto se forma a partir de oscilaciones en el flujo de la masa fundida, que provocan pequeños patrones en forma de ondas en la superficie de la masa fundida y reducen la transparencia óptica.
Referencias
- ^ Tadmor y Gogos (2006). Principios del procesamiento de polímeros . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-38770-1
- ^ Patente estadounidense No. 5395231 A
- ^ "CÓMO RESOLVER PROBLEMAS DE PELÍCULA SOPLADA" (PDF) . Lyondell Chemical Company . Consultado el 31 de agosto de 2012 .
- ^ Crawford, FJ (1998). Ingeniería de plásticos . Elsevier, ISBN 978-0-7506-3764-0 .
- ^ John Vogler (1984). Reciclaje de plásticos a pequeña escala . Publicación de tecnología intermedia.
- ^ Giles, Harold F .; Wagner, John R .; Mount, Eldridge M. (2005), Extrusión: la guía y manual de procesamiento definitivo , William Andrew, ISBN 978-0-8155-1473-2.
- ^ Rosato, Marlene G. (2000), Enciclopedia concisa de plásticos , Springer, ISBN 978-0-7923-8496-0.
- ^ Brydson, JA (1999). Materiales plásticos . Elsevier. ISBN 978-0-7506-4132-6