6.2. Extrusión

6.2. Extrusión
6.2.0. Introducción
Descripción de una extrusora de husillo único:
También existen extrusoras de dos husillos y otras configuraciones.
Zonas por las que pasa el material:
0. Tolva (hopper). Puede disponer de sistema de calefacción y/o secado
para materiales hisgroscópicos.
1. Zona de alimentación (feed zone): husillo cilíndrico. Se produce el
transporte del material y se precalienta por el rozamiento entre granos.
2. Zona de compresión o plastificación (compression zone): husillo
troncocónico. La altura de los filetes del husillo se reduce
progresivamente para compactar el material y expulsar el aire atrapado
hacia la zona de alimentación.
3. Zona de dosificación o bombeo (metering zone): husillo cilíndrico.
4. Plato rompedor (breaker plate): placas perforadas + tamices
metálicos.
5. Boquilla o hilera (die): contiene torpedo para perfiles huecos.
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• El cilindro puede contener venteos para eliminar los productos gaseosos.
• Típicamente: ~10 -1000 kg/h. Velocidad: ~50 – 150 rpm. Consumo: 0,1 – 0,2
kwh/kg.
• Regulación de la temperatura: con resistencias y/o circuitos de aceite.
• Superficie interna del cilindro resistente a la corrosión y la abrasión: acero
nitrurado o alto contenido en Cr.
• Hay dos tipos de extrusoras de dos husillos:
o Giro de los husillos en sentido contrario: mezcla esencialmente en la
zona central del ocho. Menor calentamiento. Apropiadas para PVC.
o Giro en el mismo sentido. Mayor cizalla y calentamiento. Apropiadas
para poliolefinas.
6.2.1. Principios de funcionamiento de las extrusoras monousillo:
zona de bombeo
• Modelo para el flujo en la zona de bombeo:
o Análisis del canal entre los filetes del husillo:
o Análisis del flujo en el canal entre los filetes del husillo (modelo de
Placas Paralelas):
a) Flujo de arrastre: fluido newtoniano sobre un sistema de
referencia que se mueve con el husillo (en el cálculo: husillo fijo
y cilindro rotando con velocidad angular constante).
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V=Vcosϕ
Z
VWh Z D πDNWh Dcosϕ
Q A = =
, con N en r.p.m.
2 120
b) Flujo opuesto por diferencia de presión:
3
Wh D ∆p
Q= P
12η ZD
c) Flujo resultante:
, con N en r.p.m.
πDNWh Dcosϕ 3
Wh D ∆pK2
D A P
120 12η ZD
1
η
Q =Q − Q = − = K N− ∆p
K
η
2
Q D=K1N−∆p grpb Transparenicas de clase. 6.2 Extrusión. 3 de 18

Perfil de velocidades (válido para fluido newtoniano):
y
v S (y) =
h
• Generalmente, ϕ=17,7º, ya que:
D
V
Z
(h
−
D
2
− y ) dp
2η
dz
Velocidad de deformación en la pared del cilindro:
⎛dv ⎞ V h ∆p πDNcosϕ h ∆p
z Z D D
γ& W = ⎜ ⎟ = − = − (*!)
⎝ dy ⎠ h y h D 2η ZD 60hD 2η Z
→
D
D
o Para ese valor el paso ∏ coincide con el diámetro D.
o En las zonas de alimentación y plastificación, el husillo trabaja
transportando sólidos y para esa función el ángulo óptimo es ~17-20º.
6.2.2. Efectos térmicos de la zona de compresión. Plastificación
• Proceso de plastificación en la zona de compresión:
o Se produce disminución progresiva de h.
o Los mayores esfuerzos de rozamiento y cortantes se producen cerca de
la superficie interna del cilindro (mayor gradiente de velocidades).
o Plastificación por aumento de temperatura
• Modelo de Tadmor. Sin tener en cuenta reducción de h.
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Calentamiento
del sólido de
Ts a Tm
o Velocidad del sólido en el canal:
V
SZ
m&
=
ρ Wh
s
o Velocidad relativa entre sólido y cilindro (teorema del coseno):
o Balance de masa:
2 2
1/2
Vrel = (V + VSZ
− 2V∙VSZcosϕ)
ρ xv dz = ρ
o Balance de energía:
ρ
S
S
v
S
Fusión
del sólido
(a Tm)
S
[c
p
(T
m
m
V
2
X
VX
VS
x
δdz
k
‐ T ) + λ ] =
s
Calentamiento
por conducción
en líquido
l
(T
W
δ
− T
m
δ
) Vrel
+ η
2δ
Generación
de calor
viscosa
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2

o De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener los valores de δ y
vS:
v
S
Φ =
Φ
= ,
ρ x
s
V
X
ρ
m
[k
2[c
X m ρ V
2Φ x
δ =
m
p
(T
(T
W
m
η
− Tm
) + V
2
‐ T ) + λ]
s
2
rel
o Fracción de sección sin fundir a lo largo del canal:
x
W
⎛ Φz W ⎞
= ⎜ ⎟
⎜
1 −
⎟
⎝ 2m&
⎠
2
o Longitud de canal necesaria para plastificación completa (x=0):
2m&
Z ≥
Φ W
o Estudio del perfil de temperaturas en la capa de polímero fundido:
Número adimensional de Brinkmann: relación entre generación
de calor viscoso y transmisión por conducción:
Br =
k
m
ηVrel
(T − T
W
2
m
)
Mientras Br

6.2.3. Efecto de la restricción del flujo del fundido por la hilera
o Caída de presión a lo largo de la hilera:
o Considerando exclusivamente la hilera:
Kʹ
Q = Δp
η
W>>h
D
h
WH
Kʹ =
12L
R
Kʹ
8L
π
=
4
h
3
h
γ& W
=
6Q
2
WH
4Q
& γ W = 3
πR
o En realidad, por la variación de la viscosidad en función de la presión y
de la temperatura, la relación entre ∆p y Q no es lineal.
o En realidad, las curvas no son rectas, puesto que la viscosidad varía con
la presión, con la velocidad de deformación y con la temperatura.
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6.2.4. Parámetros que determinan el punto de funcionamiento de
las extrusoras
Objetivo: maximizar caudal con la menor presión .
a) Viscosidad del material: depende
esencialmente de la velocidad de deformación
y de la temperatura.
Se trabaja a la mayor temperatura que
garantiza que no hay degradación térmica.
T habitual de trabajo: ver Tabla 6.3.
PVC: 170-190ºC, η=1060-500 Pa·s.
LDPE: 160-210ºC, η=100-50 Pa·s.
PEEK: 360-400ºC, η=480-350 Pa·s.
b) Velocidad de giro del husillo: determina el
caudal y la presión.
Se trabaja a la mayor velocidad que
garantiza:
• Que no hay degradación mecánica
[disminución de MW por rotura de
cadenas].
• Que no se produce rotura del fundido
(melt fracture).
c) Geometría de la hilera:
relación entre presión y caudal.
determina la
Se trabaja con el mayor diámetro Dh y
menor longitud Lh., limitados por la aparcición
de:
• hinchamiento,
• inestabilidades del flujo,
• defectos superficiales.
d) Geometría del husillo: Se consigue mayor
caudal con mayor longitud de la zona de
bombeo LD y con mayor altura de los filetes
del husillo hD.
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6.2.5. Flujo del fundido por la hilera. Boquillas
• El material adquiere la forma (casi) definitiva en la hilera.
o Hileras divergentes para la obtención de chapas (e>1mm), hojas
(0,1

o Tipos de flujo:
• Hinchamiento por recuperación viscoelástica. El tramo final recto de la hilera
debe ser suficientemente largo para minimizarlo.
• Se realiza un enfriamiento controlado del extruido. Se produce la cristalización
en los materiales semicristalinos. Puede llevarse a cabo un estirado uni- o
bidireccional que orienta las cristalitas y da lugar a una anisotropía que puede
ser útil.
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6.2.6. Defectos e inestabilidades del flujo
1. Piel rugosa (shark skin): desde áspera y mate hasta pequeñas grietas.
o Se achaca al aumento brusco de velocidad en la periferia del fundido al
salir de la hilera.
o Efecto aumenta cuanto más estrecha sea la distribución de pesos
moleculares y cuanto mayor sea la viscosidad.
o Soluciones:
Aumento de la temperatura del material y reducción de la
velocidad
Empleo de lubricante externo
Coextrusión de una piel de material con menor viscosidad
(menor Mw).
2. Rotura del fundido (melt fracture). Transparencias específicas.
6.2.7. Efectos térmicos en la hilera
• En la hilera se genera calor por efecto de la viscosidad.
• Importancia de temperatura homogénea a la salida de hileras divergentes para
obtener material homogéneo.
• Números adimensionales:
Número de Brinkman:
Número de Cameron:
2
ηv
Br = (~ generación calor/transmisión)
k(T − T )
W 0
ρc
kL
Ca = (~ transmisión/almacenamiento)
2
p vR
• En hileras de extrusión de filmes con Ca>>1 y Br

6.2.8. Enfriamiento y calibración del extruido
• Conformación definitiva:
o Estirado: velocidad de recogida superior a la de salida de la hilera.
Tractores sin fin oruga (caterpillar) para extruidos rígidos.
Enrollado en rodillos para extruidos flexibles.
o Frotamiento con superficie metálica: calibrador o rodillos.
• Enfriamiento: transmisión de calor del polímero al fluido que lo enfría.
Ta
Convección:
dq
= h tA(Ta
- T
dt
Tw
Número adimensional de Biot:
w
)
s
Ti
Conducción:
dq k m
= A(Ti
- T
dt s
h ts
Bi =
k
Para evitar tensiones y discontinuidades morfológicas, Bi no muy alto,
Bi

o En extrusión reactiva (gasificación o reticulación): reacciones deben
completarse antes del enfriamiento.
• Operaciones fianles:
o Impresión o marcado mediante tintas.
o Corte
o Control de calidad
o Envasado
6.2.9. Modalidades particulares de la técnica de extrusión
• Notas: PP, PVC, PET.
6.2.9.1. Extrusión de tubos y otros perfiles huecos
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• Conformado definitivo:
o Calibrador externo refrigerado. El tubo se adapta por presión interna o
por vacío mediante orificios.
o Calibrador-mandril interno. Sirve como obturador si se aplica presión
interna.
• Regulación precisa de la velocidad de estirado del sistema tractor.
• Tubos de gran espesor y diámetro: extrusión vertical descendente. Permite
pulverización de agua en interior.
• Tubos de muy gran diámetro (D>500mm): preferible moldeo centrífugo.
• Ejemplo: perfiles macizos de PVC celular (gasificantes químicos): se extruyen
como perfiles huecos y el interior se rellena por la expansión posterior.
• Ejemplo: tubos reticulados: el sistema a la salida de la extrusora, se añade un
sistema de reticulación que deforma en continuo la pared del tubo (forzado de
la deformación mediante vacío). Puede soldarse a un tubo interior para obtener
una superficie interior lisa, en cuyo caso el sistema de reticulación tiene tres
funciones: reticulación de la pared exterior, termofusión de los dos tubos y
enfriamiento.
Fabricación de tubos corrugados
6.2.9.2. Recubrimiento de cables
• Funciones del recubrimiento: aislamiento eléctrico, protección frente a corrosión
y desgaste.
• Sistemas de recubrimiento:
a) Recubrimiento a presión: adherencia entre recubrimiento y cable.
Generalmente, hilera perpendicular a husillo.
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Caudal del polímero impulsado por el bombeo de la extrusora (pressure
flow), por el arraste del cable (drag flow) y por el estirado del
recubrimiento consolidado (extensional flow).
b) Recubrimiento tubular: se extruye un tubo que se fija mediante vacío.
• Enfriamiento: baños de gran longitud. Velocidad habitual: 1km/min.
6.2.9.3. Extrusión de perfiles macizos
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• Diseño del interior de la hilera para obtener velocidad homogénea a la salida:
W1
• Generalmente, diseño de boquillas a partir de la experiencia para dar una forma
aproximada, y después las unidades de calibración conforman el material a las
dimensiones definitivas.
• Perfiles complicados: calibradores acoplados directamente a la hilera.
6.2.9.4. Tecnología de extrusión de filmes
• Para llegar a espesores muy pequeños (20-200µm) es necesario deformar el
extruido mediante estirado (flujo extesional).
• Tres técnicas:
W2
1. Laminación (casting): extrusión de lámina + rodillos de tiraje + rodillos
de enfriamiento + corte de bordes.
VT
Relación de tiraje: es la relación entre velocidades R =
h2
h1
T
Vh
o Gran ancho (por desperdicio de los bordes)
o Orientación longitudinal de las cristalitas: baja resistencia al
rasgado.
2. Extrusión y soplado (blowing): extrusión de tubo de paredes delgadas
(distribuidor helicoidal) + inyección de aire + guías + plegado.
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D
Relación de soplado: estirado transversal R =
Relación de estirado longitudinal:
V
T
R T = =
Vh
burbuja
S
D hilera
ρ
ρ
h
T
H/s
R
o Orientación biaxial equilibrada si Rs ≈ RT ≈ (H/s) 1/2 (≈1,8-4,5)
o Aconsejado: leer Ejercicio 6.6.
• Filmes soplados más irregulares (±8%) que los laminados (±4%), peor barrera
al oxígeno y mejores propiedades mecánicas.
3. Estirado biaxial: estirado longitudinal + calentamiento y estirado
transversal con sistema de cremallera. Para materiales con burbuja no
estable: PP, PA, PET.
6.2.9.5. Recubrimiento de sustratos (extrusion coating)
• Recubrimiento de lámina de otro material (papel, cartón, tejido, aluminio,…)
con film de plástico.
• LDPE empleado en ~90% de los casos.
• Proceso: se hace pasar el film+material base entre rodillos.
• Adherencia del recubrimiento:
o Necesidad de alta temperatura.
o En polímeros poco adherentes, oxidación al salir de la extrusora.
6.2.9.6. Extrusiones especiales
o Se pueden obtener redes a partir de esta técnica:
Mediante hileras dotadas de partes móviles
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S

6.2.9.7. Coextrusión
Rodillos provistos de púas + estirado biaxial.
• Obtención de materiales multicapa por coextrusión una única hilera.
• Ventaja: combinación de propiedades (p.ej. capa resistente mecánicamente +
capa debaja permeabilidad…).
• Ejemplos:
o Parisones (o mangas): para posterior moldeo por soplado (EBM).
o Recubrimientos multicapa de cables.
o Filmes multicapa (laminados o soplados).
• Espesor de cada capa regulado con estricciones en cada distribuidor.
• En caso de baja adherencia, pueden emplearse ionómeros como adhesivos.
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