¿Cómo evitar la degradación de los polímeros en extrusoras con venteo?

La extrusión con venteo representa retos particulares debido a los requerimientos especiales que se deben alcanzar para extruir un producto de buena calidad. En este artículo discutiremos un problema frecuente de la extrusión con venteo del que muy poca gente conoce: se trata del problema de la degradación causada por la variación de la longitud llena en la segunda etapa. Para explicar esta situación discutiremos cómo funciona un proceso de extrusión con venteo.

Sistema de extrusión con venteo
Una extrusora con venteo tiene una abertura en el barril en un punto cercano a los 2/3 de la longitud entre la abertura de alimentación y el extremo de descarga, a través del cual los gases se remueven del plástico fundido. Es importante que el plástico esté completamente fundido cuando llegue al orificio de venteo porque los elementos volátiles no pueden ser removidos efectivamente cuando hay plástico sin fundir. Una extrusora con un solo orificio de venteo usa un tornillo de extrusión de dos etapas como se muestra en la  Figura 1.

La primera etapa del tornillo consiste en una sección de alimentación con filete de baja profundidad, una sección de compresión y una sección de medición con filete de baja profundidad, que es donde el transporte y la fundición de los sólidos tienen lugar. La segunda etapa del tornillo consiste en una sección de extracción de filete profundo, una sección de compresión que disminuye gradualmente y una sección de bombeo de baja profundidad; la devolatilización tiene lugar en las secciones de compresión y extracción. El desarrollo de la presión toma lugar en la sección de bombeo. El canal del tornillo en el comienzo de la segunda etapa está parcialmente lleno para crear una condición de cero presión bajo el orificio de venteo. Esto se alcanza diseñando el tornillo de tal manera que la capacidad de transporte de material de la segunda etapa sea mayor que la de la primera. Si esta condición no se cumple, no habrá flujo ventilado.

Región parcialmente llena
La longitud de la región parcialmente llena se determina por la longitud llena en la segunda etapa del tornillo (ver Figura 1). La longitud llena depende de cuánta presión tenga que generar el tornillo. Para generar altas presiones en el barril se requiere una mayor longitud de relleno. Como resultado, esta longitud puede cambiar durante la extrusión cuando la presión en el barril varía. Esto se ilustra en la  Figura 2.

La  Figura 1 muestra la región llena con una condición de alta presión y la Figura 2 con una condición de baja presión. Cuando la región llenada se reduce mientras la extrusora está corriendo, se formará una película fundida en la raíz del tornillo exactamente aguas arriba de la longitud llena. Esta película fundida en el tornillo puede tener serias consecuencias.

Película de fundido sobre el tornillo
Bajo condiciones normales el fundido cercano a la superficie del tornillo será arrastrado por el plástico fundido que está llenando completa o parcialmente el canal. Sin embargo, cuando la longitud llena se reduce durante la operación, una película de fundido se formará sobre la superficie; esta película de fundido no puede ser arrastrada porque no hay plástico fundido por encima de ella. Como resultado, el material de la capa de fundido sobre el tornillo se queda estancado y después de un cierto período de tiempo, será degradado.

Finalmente, el material degradado podrá verse en el producto extruido. Cuando se presente demasiado material degradado, se llegará a tener un producto inaceptable. Un método para identificar este problema es extraer el tornillo y examinar la condición del plástico que todavía está pegado en él. Si hay señales claras de material degradado en la sección de compresión de la segunda etapa y en el comienzo de la sección de bombeo, entonces es casi seguro que el tornillo sufre del problema causado por una película de fundido estancada en su superficie.

Bajo condiciones normales de un canal del tornillo parcialmente lleno, hay un pozo de fundido en el lado del filete que empuja, una película de fundido contra el barril y una bolsa de gas entre el pozo de fundido y el lado del siguiente filete del tornillo. Esta condición se muestra en la  Figura 3.

En la condición normal hay un pozo de fundido empujado contra el flanco que imprime el movimiento en el filete y una película de fundido contra el interior de la superficie del barril. Esta película será renovada debido a la acción removedora del filete del tornillo. En condiciones normales, no hay película de fundido en la superficie del tornillo. La condición anormal es un poco diferente, tal como se muestra en la  Figura 4.

En la condición anormal una película de fundido se ha formado sobre el tornillo y esta capa de fundido no será arrastrada o removida debido a que lo único que hay es una bolsa de gas por encima de ella. Esto significa que la película sobre el tornillo estará completamente estancada mientras el canal permanezca parcialmente lleno. Dado que este material está sometido a temperaturas elevadas, su degradación ocurrirá en cuestión de horas.

Cuando se degrada la capa de fundido sobre el tornillo, puede no resultar en un problema inmediato para el producto extruído debido a que la película está estancada; en otras palabras: no se está moviendo hacia adelante. En el producto extruído habrá un problema si se recoge plástico degradado con el plástico fundido y se transporta hacia la descarga. Esto puede ocurrir cuando la longitud llena se incrementa de nuevo o cuando cambia el tamaño del pozo de fundido. Como resultado, algunos días después podría haber plástico degradado comenzando a contaminar el producto extruído.

¿Cómo puede ocurrir este problema?
Este problema puede ocurrir cuando la longitud llena de la segunda etapa cambia durante la operación de la extrusora. Hay varias causas que pueden generar un cambio en la longitud llena. Algunas de ellas son acumulaciones de contaminación en el conjunto de filtros, un cambio de configuración en este conjunto, un cambio en la configuración de la barra de choque, cambios en la configuración en la separación del dado, un cambio en temperatura, etc. En la  Figura 5, un diagrama de espina de pescado lista algunos de las posibles causas.

Claramente existe una multitud de causas de variación posibles en la longitud llena. La lista de causas posibles mostrada en la Figura 5 no es, de ninguna manera, exhaustiva. Sin embargo, la lista sí indica que es posible que ocurran cambios en la longitud llena y que, como resultado, pueda haber degradación en las operaciones de extrusión ventilada.

¿Cómo puede solucionarse este problema?
La clave para la solución de este problema es el entendimiento del mecanismo que hay detrás. Claramente, es muy importante minimizar la variación de la longitud llena en la segunda etapa cuando la extrusora está corriendo. Uno tendería a pensar que usando una bomba de fundido al final de la descarga, se haría menos probable este problema. Desafortunadamente, este no es necesariamente el caso. Con bombas de fundido, el conjunto de filtros se coloca generalmente antes de las bombas para evitar que la contaminación ingrese a ellas. Sin embargo, cuando se acumula contaminación en el conjunto de flitros, la resistencia al flujo se incrementa y consecuentemente sube la presión en el barril. Como resultado, las extrusoras asistidas por bombas de engranajes no son inmunes a este problema. Al hacer un cambio de filtro, la longitud llena se reducirá inevitablemente debido a que el conjunto limpio de filtros ofrece menos restricción.

Una forma simple de evitar el problema es limpiar el tornillo cada vez que el

conjunto de filtros se cambie. Sin embargo, esto podría no ser práctico cuando los cambios de filtros deben hacerse frecuentemente. Todo tipo de esfuerzo debería ser realizado para hacer correr la extrusora de manera que ocurran variaciones mínimas en la presión del barril. Esto puede lograrse cambiando los filtros más frecuentemente; un cambiador de filtros automático es muy útil cuando necesitan hacerse cambios frecuentes. Generalmente los agentes de purga no trabajan muy bien debido a que sólo funcionan en la región llena del tornillo, y no pueden limpiar una película en la superficie del tornillo dado que el agente no puede llegar hasta la película.

También es importante que el tornillo se diseñe de tal manera que su sección de bombeo tenga buena capacidad para generar presión. El diseño óptimo depende de la viscosidad del plástico fundido y en mayor grado, del adelgazamiento por cortante. Es importante tener una relación grande entre filete y flanco para reducir la posibilidad de atascamientos en el tornillo. También, un recubrimiento de baja fricción en el tornillo reducirá el atascamiento en esta pieza y por lo tanto la posibilidad de degradación.

Conclusiones
Puede haber degradación en extrusoras con venteo debido a que los cambios en la longitud llena pueden dejar una película estancada sobre la superficie del tornillo que se degradará con el tiempo. La mejor manera de solucionar este problema es correr la extrusora de manera que la presión en el barril varíe lo menos posible. Esto puede lograrse cambiando el conjunto de filtros antes de que haya cambiado demasiado la presión en el barril. Un cambio de más de 1000 psi (cerca de 7 MPa) es demasiado alto, generalmente. Un incremento de presión de unos cientos de psi (1 ó 2 MPa) es más apropiado.

La degradación también está afectada por el diseño del tornillo. La segunda etapa del tornillo, en particular la sección de bombeo, tiene que ser diseñada para que genere presión de manera eficiente. La cantidad de presión que tiene que generar el tornillo depende de la restricción en el dado; una gran restricción conlleva una alta presión en el cabezal del dado. Con una bomba de engranajes, el tornillo solamente necesita generar suficiente presión para llenar la bomba; ésta presión es baja por lo general. La bomba genera la mayoría de la presión y esto generalmente resulta en una operación más estable. El diseño óptimo depende de las propiedades del plástico fundido. Para un rango de plásticos, el tornillo debería ser diseñado para la viscosidad más baja del material. Tener una relación grande entre filete y flanco y un recubrimiento de baja fricción para el tornillo es benéfico para reducir el atascamiento en el tornillo y la degradación.