Enfriamiento y Solidificación de Polímeros

Una vez que el material fundido ha adquirido la forma final deseada, debe enfriarse. Hay dos posibilidades para llevar a cabo esta etapa:

  • Que la solidificación del sistema se produzca mediante reacción química (para termoestables).
  • Que se produzca simplemente por enfriamiento del polímero (para termoplásticos).

Solidificación por Reacción Química (Termoestables)

Los diferentes tipos de reacciones químicas que pueden darse para conseguir la solidificación se basan en provocar la polimerización, plastificación o entrecruzamiento del fundido. Esto puede lograrse de varias maneras:

  • Mediante resina líquida con agentes entrecruzantes (normalmente peróxidos, que son iniciadores de radicales libres) junto a aditivos iniciadores y activadores. En este caso, el entrecruzamiento se lleva a cabo directamente en el molde.
  • Con polvos de molde, donde se parte de materiales sólidos con cierto grado de polimerización y el entrecruzamiento finaliza en el molde.
  • Con plastisoles de PVC con plastificantes. El material se introduce dentro del molde y, con calor, se produce la gelificación del sistema.

Enfriamiento de Termoplásticos

En el caso de los termoplásticos, el enfriamiento se lleva a cabo mediante eliminación de calor por conducción o convección. Es importante destacar que el trabajo mecánico realizado no contribuye al enfriamiento del mismo.

Mezclado de Polímeros

Mezclado Distributivo vs. Dispersivo

La diferencia entre el mezclado distributivo (extensivo) y el dispersivo (intensivo) radica en su mecanismo y resultado:

  • Mezclado Distributivo (Extensivo)

    Consiste en mezclar los componentes de una formulación mediante agitación, obteniendo una mezcla que, teóricamente, podría ser separada. Requiere equipos sencillos, como un mezclador con aspas que gire a velocidad moderada y sin necesidad de aplicar calor.

  • Mezclado Dispersivo (Intensivo)

    Implica una dispersión mucho más íntima. Generalmente, conlleva un cambio de estado físico de los componentes. El polímero debe estar fundido en el mezclador, por lo que son necesarias temperaturas elevadas y, además, requiere altos niveles de cizalla. Los mezcladores son mucho más complejos (ejemplo: mezclador Banbury).

Aplicaciones del Mezclado

El mezclado extensivo se prefiere al intensivo cuando el método de transformación implique cizalla elevada y, en concreto, en el caso de formulación de materiales termoestables. Por el contrario, el mezclado intensivo es preferible al extensivo cuando se requiera una distribución completamente uniforme de los aditivos de la formulación.

Mecanismos de Flujo en el Mezclado

Existen dos tipos de mecanismos de mezclado:

  • Flujo laminar extensional
  • Flujo laminar por cizalla

El más adecuado es el extensional porque produce un tamaño de partícula más pequeño. No obstante, aunque en la práctica se use este, tiene una pequeña contribución del flujo laminar por cizalla.

Componentes Clave de una Extrusora

A continuación, se describen los principales componentes de una extrusora:

Tolva
Embudo a través del cual se introduce el polímero en la extrusora (normalmente en pellets).
Garganta de alimentación
Conecta la tolva con la máquina. Suele estar provista de un sistema de refrigeración para evitar que los pellets queden adheridos en las paredes de la tolva.
Cilindro
Contiene el tornillo. Su superficie es rugosa para favorecer el avance del polímero. Contiene distintos elementos de regulación de temperatura (normalmente por resistencias) que actúan de forma independiente en función de las necesidades del proceso.
Tornillo
Cilindro metálico alargado rodeado de un filete helicoidal que actúa como tornillo de Arquímedes. Normalmente no tiene sección constante. Su función es transportar, calentar, comprimir y mezclar el polímero.
Plato rompedor y filtros
Sistema de placas perforadas entre las que se disponen tamices o filtros. Transforman el flujo helicoidal en flujo paralelo, homogeneizan la temperatura, evitan el paso de partículas sólidas y contaminantes, y crean una contrapresión.
Cabezal
Es la pieza situada al final del cilindro que sujeta la boquilla y contiene el plato rompedor. Debe facilitar el flujo del fundido hacia la boquilla.
Boquilla
Sección hueca cuya forma determina la forma de salida del polímero extruido.

Desgasificación en Extrusoras

Los materiales que presenten humedades en equilibrio muy altas pueden ser secados antes de introducirse en la extrusora, pero este proceso es muy lento. Por lo tanto, se suele desgasificar en la extrusora de forma más rápida. Esto se puede llevar a cabo gracias a un orificio de venteo en el cilindro. Este tipo de extrusoras deben estar diseñadas de forma que la presión en esta zona coincida con la presión atmosférica para evitar la salida de material por el orificio.

Tornillo Barrera: Características y Ventajas

La característica principal de un tornillo barrera es un segundo filete en el canal del tornillo que, en la zona de fusión, separa el fundido del lecho del material sólido. La holgura entre el filete de barrera y el cilindro permite el paso al fundido, pero no a las partículas sólidas. Gracias a su perfil de presión “creado” a lo largo del tornillo, se alcanzan altos niveles de fusión y rendimiento, junto con un excelente caudal. El favorable perfil de presión reduce el desgaste y la pérdida de energía, además de proporcionar un espacio más amplio de procesamiento.

Transporte de Sólidos en la Extrusora

El material sólido con el que se alimenta la extrusora se transporta en dos regiones separadas: la tolva y la propia extrusora.

Transporte en la Tolva

El transporte sólido en la tolva constituye un flujo por gravedad, bajo la acción del propio peso de las partículas. Se puede dar un flujo en masa (si todo el material se mueve hacia la salida) o un flujo de tipo embudo (donde el material más cercano a la tolva permanece estancado).

Transporte en la Extrusora

Una vez que el material cae en el interior de la extrusora, el mecanismo de transporte pasa a estar inducido por arrastre. Hay dos fuerzas de fricción principales que actúan sobre la masa sólida:

  • En la superficie del cilindro.
  • En la superficie del tornillo.

La fricción con el cilindro es la que genera el movimiento del material. De acuerdo con lo expuesto, el transporte de sólido mejora si aumenta la fricción con el cilindro y disminuye con el tornillo.

Ventajas y Desventajas de Cilindros Rugosos/Estriados

  • Cilindros Rugosos

    Para una misma caída de presión, el caudal obtenido es mayor que si fuera liso, además de proporcionar mayor estabilidad.

  • Cilindros Estriados

    Permiten utilizar polímeros con pesos moleculares elevados y difíciles de transportar. Sin embargo, las fuerzas de cizalla generadas en los mismos son mucho mayores que en los lisos, por lo que el consumo del motor será mayor y se puede producir una fusión prematura del material, lo que afectará las propiedades finales del mismo.

Gradiente de Presión y Zona de Fusión

Existe un gradiente de presión a lo largo de una extrusora, aumentando paulatinamente según se avanza en el proceso. La longitud de cada una de las zonas depende de las propiedades del material. Así, por ejemplo, la longitud de la zona de fusión estará determinada por las propiedades del polímero: si funde rápido, esta zona será corta, ya que no necesita una estancia prolongada para conseguir el objetivo. En caso de que no funda fácilmente, se deberá aumentar la longitud de esta zona.

Zona de Dosificación y Tipos de Flujo en el Tornillo

La zona de dosificación comienza cuando todas las partículas de polímero han fundido. De hecho, la profundidad del canal es uniforme en esta zona, por lo que no debe quedar sólido; de lo contrario, sería difícil eliminar el aire.

El estudio del movimiento de un material viscoso en el tornillo de una extrusora se simplifica considerando tres tipos de flujo:

  1. Flujo de Arrastre

    Debido a la fricción del material con el tornillo y las paredes del cilindro. Es el principal responsable del movimiento.

  2. Flujo de Presión

    Opuesto al anterior y debido a la diferencia de presión entre la tolva y el cabezal de la máquina. Esta última originada por la restricción que impone la boquilla o el plato rompedor.

  3. Flujo de Fuga

    Tiene lugar entre el cilindro y el filete del tornillo. Es también opuesto al de arrastre y originado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo.

Flujo Helicoidal

El flujo helicoidal se puede considerar la suma de dos o más componentes:

  • Flujo de arrastre entre dos planos paralelos (estático y móvil).
  • Flujo de presión entre dos planos paralelos, pero de sentido contrario.
  • Flujo de fuga en la holgura del husillo. Este último es el menos importante, llegando a ser incluso despreciable.

Ciclo de Inyección en Máquinas Convencionales

El ciclo de inyección en una máquina convencional está formado por las siguientes ocho etapas:

  1. Cierre del molde: El sistema de cierre ejecuta el movimiento necesario y cierra el molde.
  2. Avance de la unidad de inyección: La unidad, que hasta ese momento se encuentra separada del molde, avanza hasta el bebedero.
  3. Inyección: El pistón o husillo realiza la inyección del material en el molde.
  4. Compactación: Se produce una contracción del material como consecuencia del enfriamiento. Para mantener la presión en el interior del molde, se introduce lentamente algo más de material con el objeto de compensar esta contracción.
  5. Retroceso de la unidad: Una vez que el material solidifica en la entrada de la cavidad, la unidad retrocede y el husillo comienza a girar para plastificar el material para el siguiente ciclo.
  6. Enfriamiento: Tiempo necesario para solidificar el polímero que ocupa las cavidades del molde. Generalmente, se toma este tiempo desde que acaba la etapa de compactación hasta la apertura del molde. Sin embargo, el enfriamiento del material comienza tan pronto como el polímero toca las paredes frías del molde y finaliza cuando se extrae la pieza.
  7. Apertura del molde.
  8. Extracción de la pieza.

Variación del Volumen Específico en el Moldeo por Inyección

En la figura (no incluida en el texto original) se muestra cómo varía el volumen específico de un polímero semicristalino en función de la temperatura para diferentes valores de presión.

En el caso que se describe, el llenado se produce a 240ºC y, durante esta etapa, la presión en la cavidad aumenta rápidamente desde 0 a un valor comprendido entre 30 y 65 MPa. El material apenas se enfría.

A lo largo de la fase de compactación (1-2), la presión apenas varía, ya que el tornillo permanece en posición avanzada introduciendo material para compensar la contracción, de forma que el material, todavía fundido, se enfría por una isobara.

Entre los puntos 2-3, el material cristaliza mientras continúa la fase de compactación. Una vez que el material ha solidificado (3), la unidad de inyección retrocede, puesto que la entrada de la cavidad está cerrada. En este momento, el material queda aislado en el interior del molde y continúa enfriándose. Simultáneamente, disminuye la presión a la que está sometido, como consecuencia de la bajada de temperatura (3-4). Una vez que la presión en el interior del molde se ha igualado a la presión atmosférica y con el material suficientemente frío, se procede a desmoldar sin riesgo de que la pieza se deforme.

Optimización de la Calidad de la Pieza Inyectada

La calidad de la pieza será óptima cuando se obtenga la mínima diferencia entre el valor del volumen específico en el momento en que la temperatura se iguala a la del molde y la presión a la atmosférica. La evolución será la adecuada cuando la simultaneidad entre la disminución de temperatura y de presión dé como resultado un volumen específico adecuado a temperatura ambiente. Esto supone que gran parte de la contracción de la pieza sea compensada con material fundido inyectado.

Un ejemplo de mala definición del ciclo de inyección se daría si la entrada de la cavidad solidifica prematuramente, impidiendo la correcta compactación y compensación de la contracción.