Cómo superar condiciones límite en compounding de doble tornillo

Las extrusoras de doble husillo (TSE, por sus siglas en inglés), corrotantes y engranadas, mezclan plásticos con aditivos y cargas para impartir las propiedades deseadas al producto final. La mezcla dispersiva/distributiva y la desgasificación se realizan estratégicamente en la sección de proceso del TSE. Como en la mayoría de las operaciones de manufactura en un sistema de doble husillo, el objetivo suele ser operar a la máxima velocidad posible sin comprometer la calidad del producto.

Una “condición límite” es el parámetro operativo que impide alcanzar mayores tasas de producción. Un ejemplo simple es la velocidad de los husillos en revoluciones por minuto (rpm); si la velocidad aumenta de 400 a 800 rpm, la producción podría duplicarse, siempre que no se encuentre otra condición límite.

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Ejemplos típicos de condiciones límite:

1. 

   Fig. 1. Elemento de un husillo de doble tornillo (TSE) con eje estriado asimétrico.
   
    
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.

   Par (torque). Un proceso limitado por el par ocurre cuando el motor no tiene suficiente potencia (kW o hp) para girar los husillos y bombear el material a través de la sección de proceso del TSE y el sistema de troquel/frontal. La transmisión del par está limitada por el eje del husillo, cuyo valor se expresa en newton-metros (Nm) o su equivalente para ambos ejes. Factores de diseño incluyen dimensiones de la sección transversal del eje, metalurgia, geometría de estrías y endurecimiento del eje. Los ejes asimétricos estriados de última generación transmiten la potencia del motor al aislar un vector de fuerza tangencial hacia los husillos.

Procesar formulaciones de polietileno de alta densidad (HDPE) o polipropileno (PP) con índices de fluidez fraccionales puede estar limitado por el par. En estos casos, un TSE con un par nominal mayor (manteniendo los demás factores constantes) puede operar a una velocidad mayor que uno con un par nominal menor. Para aumentar la producción en un proceso limitado por el par, se pueden eliminar elementos de amasado y aumentar la temperatura en la zona de fusión.

2. 

   Fig. 2. Volumen libre (en naranja) de una sección de proceso Leistritz ZSE-MAXX.

   
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.
   Volumen. Un proceso está limitado en este aspecto cuando el volumen libre en el TSE impide que se dosifique más material en la sección de proceso. La razón entre el diámetro externo e interno de los husillos (OD/ID) es un indicador del volumen libre disponible en un TSE para un diámetro dado.

Como los fabricantes de TSE no estandarizan los tamaños de husillos, el mejor indicador es la capacidad volumétrica (cc/diámetro). Por ejemplo, al comparar un TSE de 70 mm con una razón OD/ID de 1.55 (240 cc/diámetro) con un ZSE-75 MAXX con OD/ID de 1.66 (300 cc/diámetro), se puede esperar un aumento del 30 % en la producción si todo lo demás permanece constante.

Otros factores para aumentar la tasa de producción en un proceso limitado por volumen incluyen mejorar la densidad de alimentación mediante equipos de manejo de materiales, minimizar la distancia de caída del alimentador gravimétrico al TSE (o alimentador lateral), utilizar husillos de alimentación laterales de mayor tamaño con tolvas baffleadas, aplicar asistencia de vacío, ajustar los perfiles de temperatura del barril y modificar el diseño de los husillos y los respiraderos en la sección de proceso del TSE.

3. 

   Fig. 3. Mecanismo de mezclado en elementos anchos de mezcla/amasado para mezcla dispersiva.

   
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.
   Transferencia de masa-mezcla dispersiva. La necesidad de mezcla dispersiva en formulaciones de masterbatch de color para películas delgadas o fibras puede constituir una condición límite. La mezcla dispersiva se basa en las fuerzas aplicadas por los husillos rotatorios a la matriz polimérica. Los elementos de amasado anchos acentúan la mezcla extensional y los efectos de corte planar, lo que mejora la mezcla dispersiva. En comparación, los elementos de amasado estrechos facilitan una alta tasa de división con efectos extensionales mínimos, que favorecen la mezcla distributiva.
4. 

   Fig. 4. Ejemplos de bloques de amasado. Los discos estrechos favorecen la mezcla distributiva, mientras que los discos anchos favorecen la mezcla dispersiva.

   
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.
   Transferencia de masa-desvolatilización y eliminación de gases. Los TSE son adecuados para la desvolatilización, ya que el gradiente de presión en la sección de proceso se puede diseñar para alcanzar presión cero bajo los respiraderos y evitar el arrastre de material. La desvolatilización es un proceso limitado por la transferencia de masa, donde se eliminan monómeros no reaccionados, solventes, agua u otros contaminantes volátiles del fundido polimérico (hasta un 25 % es viable).

Para mejorar la eficiencia de desvolatilización se pueden secuenciar los respiraderos, aplicar vacío y ajustar la velocidad de los husillos. A velocidades altas, la degradación de la formulación puede convertirse en un problema.

5. 

   Fig. 5. Columnas de ventilación calentadas, equipadas para conexión al vacío en una sección de proceso ZSE-MAXX.

   
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.
   Escasez/costo de materias primas en la fase de I+D. En el desarrollo temprano, los materiales pueden ser escasos y costosos, lo que representa un reto para extruir muestras escalables. Para el procesamiento de pequeñas cantidades, los TSE pueden utilizar husillos de bajo volumen (razón OD/ID de 1.2/1 con capacidad volumétrica de 1 cc/diámetro) y mecanismos de alimentación especializados para microlotes (por ejemplo, 50 gramos) para permitir la generación de muestras representativas para escalado.
6. 

   Fig. 6. Alimentador de microémbolo patentado para el procesamiento de pequeños lotes en un extrusor de doble husillo (TSE).

   
   Fuente: Leistritz Extrusion USA.
   Limitaciones en equipos de proceso. Un sistema de TSE es tan fuerte como su eslabón más débil. Existen múltiples flujos de alimentación en el extrusor de doble husillo y una variedad de equipos auxiliares. Además, el troquel y el sistema aguas abajo están conectados al frente del TSE. Si alguno de estos componentes falla en su desempeño, la producción total del sistema (en kg/h) se verá limitada por ese equipo en particular.