¿Cómo optimizar el proceso de extrusión de PELBD?

La motivación para la realización del presente trabajo radica en las grandes diferencias de procesabilidad que existen entre los tipos de polietilenos disponibles comercialmente. Tales diferencias hacen que intentar procesar todos los polietilenos de manera similar sea una tarea difícil y traiga como consecuencia una baja eficiencia en la utilización de los equipos y la energía necesaria para su operación. Se pretende generar una serie de recomendaciones para guiar al procesador en la búsqueda de unas condiciones de operación óptimas para su proceso productivo.

En el método seguido, el objetivo es explorar el efecto del perfil de temperatura en el proceso de extrusión de un PELBD típico (Dowlex 2045A). Se analizó cómo la variación sistemática de las temperaturas afectaba algunos indicadores de eficiencia propuestos. Se empleó un grado de PELBD con alto contenido de estabilizantes térmicos, con el fin de poder expandir el rango de temperaturas en las cuales es posible operar sin incurrir en degradación térmica. El proceso post-extrusión empleado es el soplado de película, puesto que el tipo de resina empleado se recomienda para tal aplicación.

Procedimiento Experimental
El equipo empleado es una estación de laboratorio Brabender PLE 331, acoplada a un sistema de soplado del mismo fabricante. La extrusora es de ¾" in, 25L/D, con un tornillo de paso constante y una relación de compresión 3,5:1.

Las variables medidas son: el torque registrado sobre el tornillo de la extrusora, indicador directo de la potencia consumida en la operación; la presión en la cabeza del tornillo, donde se alcanzan los niveles más altos del proceso, y la cantidad de material que está entregando la extrusora por unidad de tiempo. Adicionalmente se observan otras variables que no son directamente cuantificables, como el aspecto de la película en términos de brillo y textura, que son indicadores de la posible presencia de fractura del fundido.

Las demás variables post extrusión que determinan las características de la película producida fueron mantenidas constantes. La velocidad de halado se fijó en 2.6 m/min, y el BUR (Blow Up Ratio) o relación de soplado se mantuvo en 2.5, lo que dio como resultado un ancho de la película aplanada de 10cm.

El equipo Brabender empleado, descrito anteriormente, cuenta con cuatro zonas independientes para el control de temperatura, tres en la extrusora y una en el cabezal. Las tres primeras tienen un sistema de calefacción eléctrico de alta potencia, y un sistema de enfriamiento por aire comprimido que permite tener diferencias de temperatura de hasta 100°C entre zonas adyacentes.

El dado de soplado es de 1" de diámetro y 20 milésimas de pulgada de apertura (die gap). El aire de enfriamiento sale a un ángulo de 30 grados y sólo es posible variar su velocidad. En la figura 1 se presenta un esquema ilustrativo de la distribución del equipo.

Consideraciones Teóricas
Aproximadamente el 80% de la energía consumida por el proceso de extrusión la provee el motor que mueve el tornillo. Cualquier intento de optimización energética del proceso necesariamente debe apuntar hacia la reducción del torque por unidad de masa entregada. Otros factores del proceso como controlabilidad y estabilidad deben ser tenidos en cuenta simultáneamente.

El torque es una medida fiel del consumo de energía a través del tornillo. Sin embargo es muy importante resaltar que, teóricamente, para una velocidad constante del tornillo, el consumo de energía a través de éste será proporcional al torque:

Potencia µ Torque x Velocidad del Tornillo

Por lo tanto, cualquier comparación debe ser hecha para una velocidad fija del tornillo, de manera que el torque sea la forma directa de medir la entrada de energía al proceso.

Considerando lo anterior, se definen dos indicadores en función del torque; es importante conocer cuánta masa de material es posible procesar por unidad de energía entregada, así que el primero de los indicadores propuestos es el cociente entre el torque y los gramos por minuto producidos por la máquina (Entrega/Torque, en unidades de gr/min-Nm).

El segundo indicador es similar: hace uso de la constancia de la relación entre masa entregada y velocidad de tornillo, estableciendo una eficiencia que es independiente de la producción, permitiendo comparar entre diferentes velocidades de tornillo (Entrega Especifica/Torque, gr/min-Nm/RPM).

El coeficiente de fricción entre el polímero sólido y el barril de la extrusora es de gran importancia para el funcionamiento de la zona de transporte de sólidos. Este hecho es muy importante cuando se extruye una resina con alto nivel de aditivos o cargas, puesto que éstas pueden llegar a modificar sustancialmente el punto de ablandamiento del material. Adicionalmente habría que tener en cuenta su tendencia a ubicarse en la superficie externa del polímero.

Primeras Aproximaciones
Existe gran cantidad de literatura técnica recomendando condiciones de extrusión para una resina en particular. Estas recomendaciones generalmente vienen en términos del perfil de temperatura empleado, pero desafortunadamente son rangos amplios que es necesario estrechar por medio de la experimentación en planta, restringida en la mayoría de los casos.

Aunque no es lo más común, un perfil plano (constante) de temperaturas es un buen punto de partida para evaluar la procesabilidad de una resina. El procedimiento seguido, entonces, fue fijar la velocidad de rotación del tornillo en 45 RPM, y variar las temperaturas de las diferentes zonas del barril para determinar el efecto sobre la eficiencia de extrusión. En la tabla 1 se presentan las temperaturas para cada zona, y los resultados obtenidos en torque, presión, e indicadores de eficiencia. En la figura 2 se grafican los datos de presión contra perfil de temperatura.

Los indicadores de eficiencia previamente definidos son muy útiles en el análisis de la extrusión con perfiles de temperatura constantes, como se ve en la figura 3.

Como se puede ver la eficiencia del proceso es ampliamente incrementada cuando se aumentan las temperaturas del barril. Sin embargo esta eficiencia es ligeramente menor debido al incremento del consumo de energía en las resistencias del barril, que no se tiene en cuenta. Este efecto debe tener como resultado que la eficiencia global tenga un máximo.

Sin tomar en consideración la eficiencia energética de la operación, hay dos limites en las condiciones de operación:

• Por debajo de 160°C las propiedades ópticas de la película no son satisfactorias (esto varía con la apertura de labios de cada máquina, y para este caso en particular se tiene una apertura de labios muy baja).
• Por encima de 260°C, la resistencia del fundido es tan baja que es complicado iniciar la operación. Sin embargo si el soplador (blower) aun no está cerca de su capacidad límite es recomendable iniciar la operación a temperatura un poco más baja y luego llevarla a los niveles más altos posibles, para obtener mejores propiedades ópticas en la película.
• En una primera aproximación se pueden proponer dos reglas para optimizar la operación:
• En límites para los cuales es posible operar establemente, se recomienda una temperatura de fundido lo más alta posible.
• Si la productividad de la línea no se ve comprometida se recomienda correr a velocidades de tornillo intermedias.

El siguiente paso lógico en el análisis es intentar aislar los efectos de la temperatura de cada una de las zonas en el proceso global.

Zona de transporte de sólidos
Por definición la zona de transporte de sólidos es la que se extiende desde la finalización de la tolva hasta donde la raíz del tornillo empieza a incrementarse. La función de esta zona es la de proveer una cantidad apropiada de material sólido para alimentar a las demás zonas de la máquina. Adicionalmente debe ser capaz de extraer el aire a medida que la masa sólida se va cohesionando. La importancia de esta zona se ve claramente en la tabla 2.

El perfil descendente de 240 - 220 - 200 se fijó puesto que la extrusora no puede mantener diferencias de temperatura mayores a 100ºC entre zonas adyacentes. La temperatura del cabezal de 240ºC se escogió porque es la máxima a la cual es posible arrancar la línea sin inconvenientes.

Es interesante notar que un descenso en la temperatura de 60°C causa un incremento bastante apreciable de la entrega de la extrusora, y consecuentemente una elevación del torque registrado por el motor, aunque las revoluciones estén fijas. Esto puede ser explicado por la variación del coeficiente de fricción entre el polímero y el barril con la temperatura, tanto de éste último como de los sólidos. Tadmor [2] muestra como el parámetro para LDPE y LLDPE tiene un máximo alrededor de 100°C, lo que causa un significativo incremento en la capacidad de bombeo de la extrusora.

Al aumentar la capacidad de bombeo de la máquina se pierde algo en términos de estabilidad; las lecturas de torque y presión de cabeza presentan una variabilidad mayor; sin embargo se considera que en operación con un paquete de mallas apropiado estos efectos necesariamente se van a ver atenuados.

Como conclusión de este análisis se puede decir que la temperatura de la zona de alimentación se puede emplear para controlar la entrega de la extrusora, dejando las revoluciones fijas. Los indicadores de eficiencia del proceso muestran cómo a temperaturas más altas la eficiencia se incrementa, así que sería recomendable trabajar a una temperatura lo más alta posible. Obviamente estos resultados no son extrapolables a extrusoras con barril ranurado (grooved barrel).

Zonas de transporte de fundido y cabezal
El propósito principal de la tercera zona de la extrusora es proveer un flujo de material fundido estable, y a la presión necesaria para que éste pase por el cabezal. La temperatura debe ser lo suficientemente alta como para evitar la aparición de defectos superficiales del tipo fractura del fundido, conocido también como piel de naranja o piel de tiburón.

La serie de datos de la tabla 3 muestra cómo un incremento en la temperatura del fundido en las dos últimas zonas causa una elevación de la eficiencia; el resultado debe ser mirado con reservas puesto que el incremento en la potencia disipada en las resistencias no se está teniendo en cuenta.

La misma tendencia que se halló para la zona de alimentación de la extrusora se evidencia para las de adelante. Sin embargo la ventaja más significativa que se observa al incrementar la temperatura de estas zonas es una mejora sustancial de las características ópticas de las películas producidas, que se hacen evidentes por encima de 220°C.

La temperatura de fundido en estas zonas se puede estimar por medio de cálculos sencillos en unos 10°C por encima de la de las superficies metálicas.

Zona de fusión o transición
En este estudio la zona de fusión no se analizó con detenimiento. Se fijó en valores que siguieran una progresión lineal con respecto a los de las zonas de adelante, puesto que se consideran suficientemente altos para permitir una adecuada fusión del material, que es, finalmente, la función de esta zona.

Perfil recomendado
Reuniendo todos los datos generados en este estudio se hace posible generar un perfil de temperatura óptimo, no solo en términos energéticos, sino también en términos de la calidad de la película obtenida, como se ve en la tabla 4.

Los valores se presentan como rangos para tener en cuenta de alguna manera, el hecho de no estar contabilizando la energía que se gasta en calefacción. En la tabla 5 se presentan los indicadores de eficiencia para el perfil recomendado junto con los correspondientes para uno convencional, con el fin de establecer cuánto se podría mejorar la eficiencia energética del proceso por la modificación del perfil de temperaturas propuesto.

Es muy importante tener en cuenta que las revoluciones van a ser generalmente más elevadas que 45 RPM para un equipo industrial, y esto va a tener como consecuencia que la temperatura del fundido sea un poco más alta que lo predicho de acuerdo con los experimentos mostrados, por lo que se haría necesario un ajuste detallado del perfil de acuerdo con el tipo máquina particular.

Se observa claramente cómo es posible obtener un incremento en eficiencia energética de aproximadamente 10%, por el cambio en las temperaturas del barril.

Cambio de eficiencia con la velocidad del tornillo 
Es interesante estudiar el comportamiento de los parámetros de eficiencia con cambios en la velocidad de rotación del tornillo; en el presente trabajo, este ejercicio se llevó a cabo para un perfil de temperaturas plano de 140ºC, tan sólo 20ºC por encima de la temperatura de fusión del material. Un perfil como éste es relativamente riesgoso para un equipo industrial, puesto que aunque la resina se calienta algunos grados por encima de la temperatura de las resistencias, debido a disipación viscosa, un error en alguno de los controles podría causar que la viscosidad del polímero dentro de la máquina se elevara apreciablemente, con la consecuente sobrecarga del motor.

A esta temperatura se observa de forma muy clara el fenómeno de fractura del fundido (el cual aparece gradualmente al venir de un perfil plano mas elevado), y la operación se hace complicada de controlar en todo el rango de RPMs estudiado, que va desde 30 hasta 120. La uniformidad de los indicadores como torque y presión contrasta con la presencia de material aparentemente no fundido en la película que se extruye, haciendo que esta condición de operación no sea bajo ningún punto de vista viable.

En la tabla 6 se presentan los resultados correspondientes a la extrusión a baja temperatura. Para la velocidad más baja no fue posible medir la entrega de la extrusora debido a inestabilidad del proceso; pero como para un perfil de temperatura y una resina dados existe una relación lineal entre las revoluciones del tornillo y la entrega de material, es posible hallar una constante de proporcionalidad. Para esta configuración particular se halló que la constante de proporcionalidad tiene un valor de 0.525 gr/min/RPM, y este valor fue usado para calcular la entrega a 45 RPM, teniendo las correspondientes a 120, 90 y 60 RPMs.

Teóricamente el torque debería ser constante con respecto a las revoluciones del tornillo. Sin embargo se observa cómo aumenta con las revoluciones, lo cual puede ser explicado si se piensa que a altas velocidades la capacidad de fusión de la extrusora se ve sobrepasada por la capacidad de bombeo, haciendo que en promedio la resina se extruya más fría, y aumente por ende el torque.

Lo anterior haría lógico pensar que es más eficiente extruir a velocidades bajas, porque se pueden obtener más gramos por minuto por RPM y por unidad de torque; pero obviamente a velocidades bajas la producción también es mas baja. Con el propósito de establecer comparaciones, se presentan los dos indicadores; el dividido por la velocidad del tornillo y el total. Ver los resultados graficados en la figura 4 .

La presión en la cabeza del tornillo es frecuentemente un factor importante en la operación de la extrusora, puesto que dicta cuándo se debe efectuar un cambio de mallas. En la figura 5 se presenta un gráfico que muestra cómo varía este parámetro con la velocidad del tornillo para el perfil de temperatura inicial.