Comparativa técnica entre extrusoras de un solo y doble tornillo

La mezcla en tornillos simples está limitada, primero, por los canales que el polímero sigue por el tornillo. La velocidad de cizallamiento y la velocidad resultante aguas abajo son máximas en el cilindro o en la parte superior del canal, y mínimas o potencialmente nulas en la raíz del tornillo.

A menudo me preguntan por qué el rendimiento de la mezcla o del material compuesto en una extrusora de doble tornillo paralelo contrarrotante no se puede alcanzar en una extrusora de un solo tornillo. Intentaré explicar por qué.

Ventajas de la extrusora de doble tornillo contrarrotante en la mezcla de polímeros

En primer lugar, el doble tornillo puede transferir varias veces todo el canal lleno de polímero de un tornillo a otro, lo que permite la mezcla de canal completo. Esto se puede hacer mientras se imparte poco cizallamiento a la mayor parte del polímero transferido y un cizallamiento muy alto a solo un pequeño segmento del polímero simplemente cambiando las profundidades de los canales opuestos o con lóbulos mezcladores.

Contenido destacado

Reciclaje de plásticos en LATAM: tensiones, avances y regulación LEER MÁS

Hablemos de plásticos: reciclaje químico y balance de masa LEER MÁS

De manufactura a proveedor de precisión: la trayectoria de Coplainsa LEER MÁS

Además, los tornillos se ejecutan sin necesidad para que haya volumen disponible para tales transferencias. También se hace con muy poca caída de presión y la consiguiente pérdida de rendimiento debido a los filetes entrelazados.

En los tornillos simples, la caída de presión a través de áreas de alto cizallamiento, necesaria para una mezcla intensiva, es una limitación debido a la pérdida de rendimiento y a la elevación de la temperatura de fusión. Al repetir ese proceso varias veces, la mezcla del tornillo doble se puede hacer bastante intensiva y completa sin sobrecalentarse.

Independientemente del tipo de extrusora, se requiere una mezcla intensiva con alto cizallamiento para dispersar por completo los aditivos o, incluso, otros polímeros, ya que muchos materiales solo son parcialmente miscibles entre sí o forman aglomerados que requieren un alto cizallamiento para romperlos.

La mezcla en tornillos simples está limitada, primero, por los canales que el polímero sigue por el tornillo. La velocidad de cizallamiento y la velocidad aguas abajo resultante son máximas en el cilindro o en la parte superior del canal, y mínimas o potencialmente cero en la raíz del tornillo. Debido a que el polímero se adhiere con fuerza al cilindro y a las superficies del tornillo después de fundirse, el cizallamiento desarrollado por el polímero que gira con el tornillo en el cilindro es la fuerza de movimiento.

Esencialmente, en un equilibrio de fuerza sobre el polímero, el cilindro gira alrededor del tornillo y la superficie móvil del cilindro en contacto con el polímero proporciona el transporte. En la figura adjunta, estos se muestran como V_b y V₀.

Cierta estratificación de la velocidad también da como resultado solo una “rotación” parcial del polímero en el canal. Eso por sí solo hace que sea difícil mezclar completamente el contenido del canal de tornillo. Además, el contenido del canal tiende a permanecer en la misma posición radial en el canal de un solo tornillo debido al adelgazamiento continuo del cizallamiento de la viscosidad que disminuye desde el cilindro hasta la raíz del tornillo.

Los resistentes al flujo elevan la temperatura y reducen el rendimiento

Para tratar de superar esta limitación se utilizan varios tipos de mezcladores y filetes adicionales, que ofrezcan alguna interrupción y redirección del flujo de fusión del polímero. Sin embargo, estos dispositivos causan resistencia al flujo y reducen el rendimiento, además de elevar la temperatura de fusión. Todo el polímero debe fluir a través de dichos dispositivos repetidamente para lograr la uniformidad de la mezcla.

Los tornillos gemelos pueden aplicar un alto cizallamiento en pequeños incrementos a través de múltiples cambios en la profundidad del canal y, o, lóbulos de mezcla, mientras someten la masa de fusión total a un cizallamiento limitado. Esto es difícil y, en la mayoría de los casos, imposible con el tornillo simple, ya que requiere una holgura estricta o una restricción en el canal para desarrollar las altas tasas de cizallamiento.

Los tornillos simples deben tener profundidades de canal específicas para alcanzar el rendimiento y la temperatura de fusión deseadas. Esto limita el uso de múltiples áreas de alto cizallamiento, muy útiles en los tornillos gemelos debido a la rotación de tornillo a tornillo que permite un alto cizallamiento en una pequeña porción del polímero al transferir el polímero al otro canal.

Limitaciones de mezcla en extrusoras de un solo tornillo y el papel del mezclador Maddock

Muchos diseños de mezcla de un solo tornillo y de filete de barrera proporcionan algún incremento de mezcla en tornillos simples, aunque la mayoría ayuda principalmente a la fusión, al bloquear el paso de la masa no fundida.

Curiosamente, uno de los primeros y más frecuentes mezcladores utilizados con tornillos simples es el mezclador tipo Maddock, que combina los dos principios del doble tornillo. Uno es la “rotación” completa de toda la masa fundida y la aplicación de un alto cizallamiento a corto plazo a medida que el polímero pasa sobre una barrera desde los canales de entrada hasta los de salida.

Tuve la suerte de participar en algunas de las primeras fabricaciones de los mezcladores Maddock y en las pruebas en el laboratorio de Union Carbide en Nueva Jersey. Las características de la mezcla de doble tornillo se consideraron en su momento en el diseño. El concepto de mezclador fue patentado originalmente por Gene Leroy, de Union Carbide, y luego desarrollado y popularizado por Bruce Maddock. Ofrecía una rotación completa del polímero y cantidades limitadas de alto cizallamiento.

Aunque bastante efectivo en principio, se limita principalmente a una aplicación de “una sola vez” porque su caída de presión inherente reduce la producción y aumenta la temperatura de fusión lo suficiente como para que sea difícil el uso de múltiples secciones. También hay diseños de Maddock en espiral, pero solo ofrecen una ligera mejora en la caída de presión. Muchos de los otros mezcladores de un solo tornillo simplemente dividen la masa fundida a bajo cizallamiento, homogeneizando la temperatura sin el alto cizallamiento necesario para una mezcla intensiva.

Acerca del autor

Jim Frankland

Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en todo tipo de procesos de extrusión durante más de 40 años. Ahora es presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Contacto: jim.frankland@comcast.net o (724) 651-9196.