Principios importantes de las materias primas plásticas
1. Principios mecánicos
El mecanismo básico de extrusión es simple: un tornillo gira en el cilindro y empuja el plástico hacia adelante. El tornillo es en realidad un bisel o rampa que envuelve la capa central. El objetivo es aumentar la presión para superar una mayor resistencia. En lo que respecta a una extrusora, hay tres tipos de resistencia que deben superarse: la fricción entre las partículas sólidas (alimentación) y la fricción entre ellas durante las primeras vueltas de rotación del tornillo (área de alimentación); La fuerza de adhesión sobre la pared del barril; la resistencia al flujo interno cuando la masa fundida se empuja hacia adelante.
La mayoría de los tornillos individuales tienen rosca a la derecha, como los tornillos y pernos que se utilizan en carpintería y maquinaria. Si lo miras desde atrás, están girando en la dirección opuesta porque están haciendo todo lo posible para girar hacia afuera del cilindro. En algunas extrusoras de doble tornillo, los dos tornillos giran en direcciones opuestas en los dos cilindros y se cruzan, por lo que uno debe estar orientado hacia la derecha y el otro hacia la izquierda. En otros tornillos gemelos entrelazados, ambos tornillos giran en la misma dirección y deben tener la misma orientación. Sin embargo, en cualquier caso hay un cojinete de empuje para absorber la fuerza hacia atrás y el principio de Newton sigue siendo válido.
2. Principios térmicos
Los plásticos extruibles son termoplásticos: se funden cuando se calientan y se solidifican nuevamente cuando se enfrían. ¿De dónde viene el calor para derretir el plástico? El precalentamiento de alimentación y los calentadores de cilindro/molde pueden funcionar y son importantes en el arranque, pero la energía de entrada del motor (el calor por fricción generado en el cilindro cuando el motor gira el tornillo contra la resistencia de la masa fundida viscosa) es toda la fuente de calor más importante para los plásticos. , excepto para sistemas pequeños, tornillos de baja velocidad, plásticos con alta temperatura de fusión y aplicaciones de recubrimiento por extrusión.
Al igual que con todas las demás operaciones, es importante darse cuenta de que el calentador del barril no es la principal fuente de calor en la operación y, por lo tanto, contribuye menos a la extrusión de lo que podríamos esperar (ver Principio 11). La temperatura del cilindro trasero aún puede ser importante porque afecta el engranaje o la tasa de transferencia de sólidos en la alimentación. Las temperaturas de los troqueles y moldes generalmente deben ser iguales o cercanas a la temperatura de fusión deseada, a menos que se utilicen para un propósito específico como barnizado, distribución de fluidos o control de presión.
3. Principio de desaceleración
En la mayoría de extrusoras, los cambios en la velocidad del tornillo se logran ajustando la velocidad del motor. El motor normalmente gira a máxima velocidad alrededor de 1750 rpm, pero esto es demasiado rápido para un tornillo extrusor. Si se girara a una velocidad tan alta, se generaría demasiado calor por fricción y el tiempo de residencia del plástico sería demasiado corto para producir una masa fundida uniforme y bien agitada. Las relaciones de reducción típicas están entre 10:1 y 20:1. La primera etapa puede usar engranajes o poleas, pero la segunda etapa usa engranajes y el tornillo está ubicado en el centro del último engranaje grande.
A veces, la tasa de desaceleración no se adapta correctamente a la tarea (habrá demasiada energía que no se puede utilizar) y es posible agregar un bloque de poleas entre el motor y la primera etapa de desaceleración que cambia el máximo. velocidad. Esto aumenta la velocidad del tornillo más allá del límite anterior o reduce la velocidad máxima permitiendo que el sistema funcione a un mayor porcentaje de la velocidad máxima. Esto aumentará la energía disponible, reducirá el amperaje y evitará problemas en el motor. En ambos casos, dependiendo del material y sus necesidades de refrigeración, se podrá incrementar el rendimiento. 4. La alimentación actúa como refrigerante
La extrusión es la transferencia de energía desde un motor (a veces desde un calentador) al plástico frío, convirtiéndolo así de sólido a fundido. La alimentación de entrada es más fría que las temperaturas de la superficie del cilindro y del tornillo en la zona de alimentación. La superficie de la raíz del tornillo también se enfría mediante la alimentación y se aísla de la pared del cilindro mediante las partículas de plástico de la alimentación (y el aire entre las partículas). Si el tornillo se detiene repentinamente, la alimentación también se detiene y la superficie del tornillo se calienta más en la zona de alimentación porque el calor retrocede desde el extremo frontal más caliente. Esto puede causar adhesión o formación de puentes de partículas en las raíces.
5. En el área de alimentación, pegue al barril y deslice sobre el tornillo.
Para suavizar el transporte de partículas sólidas en el área de alimentación del barril de un solo extrusora de tornillo Cuando el volumen alcanza el máximo, las partículas deben adherirse al cilindro y deslizarse sobre el tornillo. Si las partículas se adhieren a la raíz del tornillo, no hay nada que las pueda sacar; el volumen del canal y la cantidad de sólidos que ingresan al tornillo se reducen. Otra razón de la mala adhesión en la raíz es que el plástico puede calentarse allí y producir gel y partículas contaminantes similares, o puede adherirse e interrumpirse intermitentemente a medida que cambia la velocidad de salida. La mayoría de los plásticos se deslizan naturalmente sobre la raíz porque están fríos cuando entran y la fricción aún no ha calentado la raíz tanto como las paredes del barril.
Algunos materiales tienen más probabilidades de adherirse que otros: PVC altamente plastificado, PET amorfo y ciertos polímeros a base de poliolefina que tienen propiedades adhesivas deseables para los usos finales.
Los barriles ranurados son un caso especial. El tanque se encuentra en la zona de alimentación, que está aislada térmicamente del resto del barril y enfriada profundamente por agua. Los hilos empujan las partículas hacia las ranuras y crean una alta presión en una distancia relativamente corta. Esto aumenta el margen de mordida para velocidades de tornillo más bajas con la misma salida, lo que resulta en menos calor por fricción generado en el extremo frontal y una temperatura de fusión más baja. Esto podría significar una producción más rápida en líneas de película soplada con enfriamiento limitado. La ranura es especialmente adecuada para HDPE, que es el plástico común más resbaladizo, excepto los plásticos perfluorados.
6. Los materiales son los que más cuestan
En algunos casos, los costos de materiales pueden representar el 80% del costo de producción, más que todos los demás factores combinados, excepto en algunos productos en los que la calidad. y los envases son particularmente importantes, como los catéteres médicos. Este principio lleva naturalmente a dos conclusiones: los convertidores deben reutilizar la mayor cantidad posible de recortes y desechos para reemplazar las materias primas, y cumplir con las tolerancias lo más estrictamente posible para evitar desviaciones del espesor objetivo y problemas del producto. 7. Los costos de energía son relativamente poco importantes
A pesar del atractivo y el problema real de una fábrica al mismo nivel que los crecientes costos de energía, la energía necesaria para hacer funcionar una extrusora sigue siendo la producción total, una fracción del costo. Este es siempre el caso porque los costos de material son tan altos y la extrusora es un sistema eficiente que si se introduce demasiada energía, el plástico rápidamente se calentará demasiado para procesarlo adecuadamente.
8. La presión al final del tornillo es muy importante
Esta presión refleja la resistencia de todos los objetos aguas abajo del tornillo: malla filtrante y placa trituradora de contaminación, tubo de suministro del adaptador. , agitador fijo (si es así) y el propio molde. Depende no sólo de la geometría de estos componentes sino también de la temperatura del sistema, lo que a su vez afecta la viscosidad de la resina y el rendimiento. Es independiente del diseño del tornillo, excepto cuando afecta la temperatura, la viscosidad y el rendimiento. Por razones de seguridad, es importante medir la temperatura; si es demasiado alta, la matriz y el molde pueden explotar y dañar a las personas o maquinaria cercanas.
Al fabricar piezas huecas, como tubos hechos con moldes de araña que utilizan soportes para colocar el núcleo, se deben crear altas presiones dentro del molde para ayudar a que las corrientes separadas se vuelvan a ensamblar. De lo contrario, el producto a lo largo de la línea de soldadura puede ser débil y causar problemas durante su uso.
9. Salida = desplazamiento de la última rosca +/- flujo de presión y fuga.
El desplazamiento de la última rosca se denomina flujo positivo, el cual sólo depende de la geometría del tornillo. , velocidad del tornillo y densidad del derretimiento. Está regulado por el flujo de presión y en realidad incluye el efecto de arrastre (representado por la presión máxima) que reduce la salida y cualquier efecto de sobremordida en la alimentación que aumenta la salida. Las fugas en las roscas pueden ocurrir en cualquiera de dos direcciones.
10. La velocidad de corte juega un papel importante en la viscosidad
Todos los plásticos comunes tienen propiedades de caída por corte, lo que significa que la viscosidad disminuye a medida que el plástico se mueve cada vez más rápido. Este efecto de algunos plásticos es particularmente evidente. Por ejemplo, el caudal de algunos PVC aumentará 10 veces o más cuando se duplique el empuje. El coeficiente de fusión es una medida de viscosidad comúnmente utilizada, pero está invertida (es decir, flujo/empuje en lugar de empuje/flujo). Desafortunadamente, esto se mide a velocidades de corte de 10 s-1 o menos y puede no ser una medición real en extrusoras con velocidades de flujo de fusión rápidas. El motor está opuesto al cilindro y el cilindro está opuesto al motor: ¿por qué el efecto de control del cilindro no siempre funciona como se esperaba, especialmente en la zona de medición? Si el cilindro se calienta, la viscosidad de la capa de material en la pared del cilindro se vuelve más pequeña y el motor requiere menos energía para funcionar en este cilindro más suave. La corriente (amperaje) del motor cae. Por el contrario, si el cilindro se enfría, la viscosidad de la masa fundida en la pared del cilindro aumenta, el motor debe girar con más fuerza y el amperaje aumenta.