El efecto de la selección de materiales en un proceso de coextrusión

El efecto de la selección de materiales en un proceso de coextrusión

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La coextrusión es un proceso que permite combinar las mejores propiedades de varios materiales dentro de una misma estructura. Se recurre a este proceso generalmente para obtener una estructura a más bajo costo o con propiedades que no pueden ser obtenidas con un producto mono-capa o con una mezcla. A pesar de sus beneficios, la coextrusión trae consigo unos problemas muy singulares.

Este artículo describe un estudio de caso, en el cual se utilizaron herramientas de simulación (Compuplast Virtual Extrusion Laboratory Software - FLOW 2000) para comprender y finalmente resolver un problema asociado específicamente con la coextrusión. El problema ocurría al coextruir una estructura de tres capas: la capa superior constituida por PETG, una base adhesiva de PEBD en la capa central y una capa inferior originalmente en PEBD. La composición porcentual del producto era 20% de PETG, 10% de la base adhesiva y 70% de PEBD. Los experimentos fueron realizados en una línea de laboratorio con un dado de 250mm de ancho.

Inicialmente, fueron realizados numerosos ensayos con el fin de obtener un producto aceptable, pero en varias ocasiones se logró un producto como el mostrado en la Figura 1 . La muestra final tenía distorsión superficial (oleaje) y presentaba pequeñas fisuras. Como la manipulación de las condiciones de proceso no permitió dar una solución positiva al problema, el objetivo se dirigió hacia cambiar el material utilizado en la capa de PEBD. No obstante, esto no condujo a ningún resultado aceptable. Cuando esta iniciativa falló, la compañía finalmente decidió abordar una aproximación más científica al desarrollo del producto a través de la simulación del flujo.

Experimentos y simulaciones
Fueron realizados varios ensayos de laboratorio para determinar las condiciones de operación estable, pero al final este camino no tuvo éxito. La razón de la falla inicial se puede explicar fácilmente a través de algunos análisis de la reología y los campos de flujo.

La Figura 2 muestra una comparación de las viscosidades del PETG, del adhesivo y del PEBD. Es claro que existe una gran diferencia en las viscosidades de ambas capas, el PETG es mucho más viscoso. Por lo tanto, eran previsibles los problemas durante la extrusión en bloque cuando estos materiales fluyeran juntos por un largo periodo de tiempo.

En la Figura 3  se muestra el esquema de flujo para un caso 2D.
Aún si el problema es en realidad 3D, es posible obtener la información y la solución a partir de la simulación 2D. Hasta el momento, no existe una solución 3D disponible para esta clase de problemas. El campo de flujo en la Figura 3 muestra la forma de la sección transversal sobre el plano de simetría del dado (línea central). Como el foco del problema se centra en los efectos de las 3 capas dentro del dado, las dimensiones exactas del dado fueron usadas, pero la sección de alimentación en bloque fue omitida y, en cambio, se utilizaron las entradas simples de la Figura 3 para simular la unión de las 3 capas.

El PEBD fluye con una mayor velocidad que el PETG. Esto debido, obviamente, a la diferencia de viscosidades de cizalla. Después de que el producto sale del dado, las velocidades deben ser balanceadas hasta una sola velocidad de arrastre. Esto significa que el PEBD va a ser desacelerado y el PETG será estirado. La desaceleración es ligeramente compensada por el hinchamiento, pero este hinchamiento se presenta hasta ciertos límites. A partir de la experiencia hemos encontrado que si se espera que el material se hinche más del 50%, este prefiere corrugarse. La corrugación es simplemente la compensación de la ecuación de continuidad por longitud en lugar de espesor (oleaje). Esta es la razón por la cual la muestra en la Figura 1 presenta ese acabado superficial. Por la otra parte, el material de PETG se estira. Si el estiramiento es muy grande y el material no puede contener esta deformación entonces se rompe. En este punto debe mencionarse que la velocidad de cizallada sobre la pared en el canal de distribución es 10s-1aproximadamente y en la boquilla del dado cercana a 300s-1. La muestra en la Figura 1 también presenta pequeñas fisuras en la capa de PETG. Esta muestra de película no presentó tampoco mucha encapsulación debido a que el bloque de alimentación fue "perfilado" para compensar dicho efecto.

En la siguiente solución se optó por utilizar otro material para la capa de PEBD. La comparación de las viscosidades se muestra en la Figura 4 . Puede observarse en esta ocasión que las curvas de viscosidad se cruzan y la selección de estos materiales tiene varias consecuencias interesantes. La primera consecuencia es que debido a las bajas velocidades de corte en el canal de distribución, el material de PETG tiene una menor viscosidad que el PEBD y por lo tanto éste tiende a encapsular al material de menor viscosidad en el canal de distribución. Como que el bloque de alimentación fue inicialmente "perfilado" para la condición contraria se puede apreciar una encapsulación en los bordes de una película de muestra como la presentada en la Figura 5

Otro punto interesante es cómo el perfil de velocidades cambia cuando el material fluye en diferentes secciones del dado. Esto es por las diferentes velocidades de cizalla en cada sección, que corresponden a diferentes puntos en las curvas de viscosidad. Puede observarse que a pesar del cambio de material, la viscosidad del PETG es nuevamente mayor en la boquilla del dado y, por lo tanto, las condiciones a la salida del dado (perfil de velocidad) no fueron modificadas en gran medida. En consecuencia, las muestras de película presentan fisuras y oleaje superficial como antes. En resumen, se puede decir que el segundo caso fue aún peor que el primer intento, porque además de las fisuras y del oleaje superficial se presentó encapsulación de gran magnitud.

La solución del problema
Es claro que existen principalmente dos grandes problemas a solucionar. Uno es prevenir la encapsulación en el canal de distribución y el otro está asociado con el reordenamiento del perfil de velocidad a la salida del dado.

El tema del perfil de velocidad puede ser solucionado si se encuentra un material de PE con una curva de viscosidad idéntica o muy similar a la del PETG. Desafortunadamente, tal PEBD de alta viscosidad con bajo adelgazamiento en corte no pudo ser encontrado. Una alternativa entonces es encontrar un material que tenga la viscosidad más cercana a la del PETG en la región de bajas velocidades de cizalla (cerca de 10s-1 en el distribuidor) y en la región de altas velocidades de cizalla (cerca de 300s-1 en la boquilla del dado). Si un material llega a ser candidato, se puede utilizar la simulación para evaluar los perfiles de velocidad influenciados por la diferencia de viscosidades y determinar si la desviación es aceptable. Un material de PEBD que estuviera lo suficientemente cerca no pudo ser encontrado. Esto, debido a que los materiales de PEBD generalmente son bastante pseudo-plásticos. No obstante, una prueba con algunos materiales de PELBD, que son menos seudo-plásticos, resultó en una mejor aproximación del comportamiento buscado (Figura 6). En la Figura 7 se observa que los perfiles de velocidad en el distribuidor y en la boquilla del dado son mucho más cercanos al perfil parabólico que se necesita para el buen procesamiento del material en tres capas. Los experimentos subsecuentes confirmaron que este material producía en realidad un producto más aceptable sin el oleaje y las distorsiones que se observaron en las series anteriores.

En este momento, es valioso mostrar la comparación de los tiempos empleados en los dos tipos de aproximaciones. La experimentación fue desarrollada en un periodo de 4 meses y no produjo ningún resultado aceptable. Por su parte, la simulación fue realizada en seis horas y condujo a una solución.

Por último, se recuerda al lector que el desarrollo del producto fue realizado inicialmente en una línea de laboratorio que probablemente no tendrá exactamente la misma geometría que la línea de producción. La ventaja adicional de la simulación radica en la facilidad de evaluar el éxito potencial en el escalado a la geometría de la línea de producción mientras se comprenden las condiciones críticas desde la línea de laboratorio.

Conclusiones
El caso de estudio presentado muestra la utilidad de la simulación durante el desarrollo de producto y, además, permite comprender con mayor facilidad algunos problemas del proceso de extrusión. La solución del problema parece ser relativamente sencilla y directa. "Encuentre el material con una viscosidad lo suficientemente cercana". De hecho, una gran parte de la simulación se utilizó para enunciar esta frase y encontrar, entre una gran cantidad de materiales potenciales, uno que deformara los perfiles de velocidad al menos en las secciones críticas.

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