Extrusión: la importancia de la temperatura del cilindro en la primera zona

Tal vez la parte menos comprendida del proceso de extrusión sea la eficacia de la temperatura del cilindro en la primera zona.

En la sección de alimentación de la extrusora, los sólidos siempre están muy por debajo de la temperatura de fusión (a menos que se alimente fundido) y el husillo los hace avanzar de forma similar a un taladro.

Se compactan a partir de las fuerzas de arrastre y fricción que actúan sobre las partículas. Durante la compresión se desarrolla cierta presión en el polímero sólido, ya que se ve obligado a entrar en contacto íntimo con la pared del cilindro.

Formación de la capa de polímero fundido

Con la rotación del tornillo y el deslizamiento/cizallamiento resultante de la masa compactada contra la pared del cilindro, así como un poco de calor conductor del cilindro, los sólidos adyacentes a la pared del cilindro acumulan suficiente energía para formar una fina capa de polímero fundido en esa superficie.

Esto ocurre, generalmente, de uno a tres diámetros a partir de la garganta de alimentación enfriada, que a menudo se conoce como “retraso en la fusión”. A partir de ese punto, la fuerza de reenvío o producción depende de que la película delgada arrastre los sólidos por debajo.

El papel de la fricción en la formación de la capa de fusión

Aunque el calor conductor del cilindro contribuye a la formación inicial de una capa de fusión o película, la mayor parte de la energía para iniciar el fundido proviene de la resistencia por fricción del polímero contra la pared del cilindro.

Esto se debe a que los polímeros son muy malos conductores de calor, como lo demuestra el hecho de que a menudo se requieren varias horas para fundir el polímero en un extrusor frío, antes de que pueda ser iniciado.

La importancia de la primera zona de cilindro

Una vez iniciado, la película de fusión se convierte en una capa intermedia entre el cilindro y los sólidos subyacentes. Esa capa absorbe la mayor parte de la energía del accionamiento. Eventualmente se forma un pozo de fusión en el lado de impulso del filete y el fundido avanza.

Como resultado, la primera zona de cilindro no siempre reacciona como cabría esperar. La zona de enfriamiento 1 por debajo del punto de fusión del polímero en particular retrasa la formación de fundido y, por lo tanto, acorta la longitud de fusión del extrusor y, probablemente, la producción. Dado que el cilindro es un alto conductor térmico en comparación con el polímero, extrae calor de la película si la temperatura se establece por debajo de la temperatura de fusión.

Efectos de la temperatura del cilindro en la producción

Por el contrario, si el cilindro se calienta muy por encima del punto de fusión, disminuye la viscosidad de la película y reduce su esfuerzo de cizallamiento, lo que resulta en un descenso en la velocidad de fusión y la producción. Ambas reacciones pueden ser lo opuesto a las intenciones probables del operario y solo sirven para reducir la fusión y la producción potencial.

Si nos fijamos en el equilibrio de fuerza en este sistema, la formación y viscosidad de la fusión inicial en la pared del cilindro determinan la producción del extrusor. Obviamente, la velocidad que pasa por la primera zona determina la tasa final de extrusión.

Potencia y función de los calentadores de cilindro

La potencia que entra en el polímero desde el accionamiento del extrusor es muchas veces la potencia total de todos los calentadores de cilindro de la mayoría de los extrusores de tamaño comercial, incluso en plena potencia de calentamiento. Así que los calentadores de cilindro son, esencialmente, para el arranque y algunos recortes del perfil de temperatura del cilindro.

Enfoque adiabático en la configuración del cilindro

Por eso prefiero el uso de un enfoque “adiabático” para la configuración del cilindro, con excepción de la primera zona de cilindro, que puede ser fundamental para inicializar la generación de película de fusión y la producción. Cuanto antes se pueda comenzar a fundir, más eficiente será todo el proceso, ya que alarga la longitud efectiva del tornillo.

Definición del enfoque adiabático

El enfoque adiabático se refiere a un perfil de temperatura del cilindro que no añade ni elimina mucho calor a la película fundida, una vez que se forma. En otras palabras, los controles de temperatura después de la primera zona se establecen de modo que, esencialmente, hacen un calentamiento o enfriamiento mínimo después del arranque.

La primera zona también tiene un efecto adicional en la velocidad de alimentación mediante la transferencia de calor a la garganta de alimentación. Una garganta más cálida mejora la fricción polímero a cilindro, lo que resulta en mayores velocidades de alimentación y una mejor estabilidad.

Una garganta de alimentación en frío extrae el calor desde el comienzo de la primera zona y reduce la fricción inicial de polímero a cilindro y la fusión temprana, lo que determina la producción. Un buen ajuste para la primera zona es una temperatura ligeramente superior al punto de fusión del polímero.

Eso hace dos cosas: evita la eliminación de calor al inicio de la fusión y evita, en gran medida, la reducción de la viscosidad de la fusión contra el cilindro.