Extrusoras de tornillo sencillo alcanzan potencia de extrusoras de doble tornillo

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Hoy, un alto porcentaje de plásticos se encuentra mezclado con niveles sustanciales de rellenos. Estos compuestos generalmente se producen en extrusoras de doble tornillo (TSCE, "Twin Screw Extruders"), en particular extrusores corrotantes entrecruzados con tornillos y barril modulares. Las TSCE son máquinas de gran capacidad que pueden procesar un amplio rango de materiales. Este artículo presenta una nueva extrusora para mezclado que es esencialmente una extrusora mezcladora de un solo tornillo (SSCE, "Single Screw Compounding Extruder"), con muchas de las características de una TSCE. La recientemente desarrollada SSCETM usa múltiples puertos a lo largo del barril para una adición por etapas de los ingredientes de mezcla y para la remoción de volátiles. Se usa alimentación dosificada para controlar la energía de entrada y la mezcla; esto permite a la máquina correr a altas velocidades del tornillo. Con componentes de baja viscosidad, es posible lograr que la velocidad del tornillo alcance valores hasta de 1000 rpm. La SSCE usa la acción de mezclado elongacional para lograr eficientes mezclados dispersivo y distributivo. Esto le permite alcanzar una capacidad de mezcla comparable a la de la TSCE. Como resultado, la SSCE ofrece una alternativa atractiva frente a la TSCE.

Mezclado en extrusoras de uno y dos tornillos
Dado que la mayoría del trabajo de mezclado se ejecuta en extrusoras de dos tornillos corrotantes, generalmente se asume que estas máquinas tienen mayor capacidad de mezclado que las de tornillos simples. Sin embargo, la capacidad de mezclado de las extrusoras de doble tornillo es altamente dependiente del diseño de tornillo particular que es empleado. Varios trabajadores han estudiado el comportamiento de mezclado de extrusoras de doble tornillo. Estos trabajadores han encontrado que cuando los tornillos son usados sin secciones de mezclado (i.e. Tornillos transportadores simples) la capacidad mezcladora de la extrusora de doble tornillo es bastante pobre. Sin embargo, cuando las secciones de mezclado son incorporadas en el diseño del tornillo la capacidad de mezclado puede ser mejorada significativamente.

La situación respecto al mezclado es bastante similar en extrusoras de un solo tornillo. Cuando se emplean tornillos transportadores simples (sin elementos de mezclado) la capacidad del tornillo extrusor sencillo es bastante pobre. Sin embargo, cuando son empleados elementos de mezclado, la capacidad de mezcla puede mejorar significativamente. Hay muchos elementos de mezclado diferentes que son usados en los tornillos extrusores sencillos], tales como mezcladores de cavidades, mezcladores de pines, mezcladores de hélices ranuradas y mezcladores de profundidad de canal variable.

El elemento más común en tornillos gemelos corrotantes es el "elemento de amasado". La sección transversal del elemento de amasado es la misma que para los elementos transportadores; la diferencia es que el elemento de amasado tiene un ángulo de hélice de 90°. Los discos de amasado generalmente son agrupados juntos para formar un "bloque de amasado". Los discos son usualmente escalonados de tal forma que el bloque de amasado puede tener un escalonado hacia delante, un escalonado neutral o un escalonado hacia atrás. La figura 1 muestra dos bloques de amasado para un tornillo bi-lobal (de doble hélice); un bloque tiene un ángulo de 30 grados (hacia la izquierda) y el otro tiene un ángulo escalonado de 90 grados. En una geometría de tornillo bi-lobal un ángulo de escalonado de 90 grados resulta en un bloque de amasado neutral. Esto significa que no hay acción de bombeo hacia delante o hacia atrás en el bloque de amasado. Como resultado, el flujo hacia delante en un bloque de amasado neutral tiene que ser logrado por una diferencia de presiones a través de éste.

La acción mezcladora de los bloques de amasado depende del número de discos, de su espesor y del ángulo de escalonado. Los discos de amasado anchos favorecen el mezclado dispersivo porque hay más material sometido a altos esfuerzos en la medida en que es forzado sobre la cresta del disco de amasado. El mezclado dispersivo implica rompimiento de racimos cohesivos tales como sólidos aglomerados o gotas de líquido. El objetivo del mezclado dispersivo es reducir el tamaño de los aglomerados o gotas por debajo de un tamaño de dominio crítico [este tamaño de dominio crítico usualmente está alrededor de 1 micrón (10-6metros)]. Los discos de amasado delgados favorecen el mezclado distributivo porque más material es redireccionado hasta alcanzar la cresta del disco de amasado (el material tomará el camino que le oponga menos resistencia). Con discos de amasado delgados hay división significativa y reorientación del fluido. Esto resulta en un buen mezclado distributivo. El objetivo del mezclado distributivo es alcanzar una composición uniforme en cualquier parte del fluido.

Aunque los bloques de amasado con discos delgados logran un buen mezclado distributivo, se encontró que la acción mezcladora no era suficientemente buena para la demanda de ciertas aplicaciones. Esto ha llevado al uso de elementos mezcladores ranurados dentro de las extrusoras de doble tornillo. La figura 2 muestra un ejemplo de un mezclador ranurado con muescas en ángulo maquinadas en anillos circunferenciales. La desventaja de los mezcladores ranurados en extrusoras de doble tornillo es que no son completamente auto limpiables. Los elementos de transporte regulares y los discos de amasado son generalmente hechos para auto limpieza completa.

En realidad, los elementos mezcladores ranurados han sido utilizados en extrusoras de un solo tornillo durante muchas décadas, ejemplos son los mezcladores de Dulmage y Saxton desarrollados alrededor de 1960. Entonces, el uso de mezcladores ranurados en extrusoras de doble tornillo representa el uso de tecnología de extrusión de tornillo sencillo en extrusoras de doble tornillo. Una de las características únicas del mezclado en bloques de amasado es la acción elongacional que toma lugar a medida que el material se aproxima a la cresta del disco de amasado, como se ve en la figura 3. El material en la piscina del lóbulo es acelerado en la medida en que se mueve hacia el pico del disco de amasado debido a la forma de cuña del canal. Esta aceleración crea flujo en compresión o elongación. Es ampliamente conocido que el flujo elongacional es más eficiente para el mezclado que el flujo en corte, en particular para el mezclado dispersivo. Esto explica por qué las extrusoras de doble tornillo corrotantes son ampliamente usadas para operaciones de mezclado

Cuando se examina la figura 3 es obvio que la misma acción elongacional puede ser lograda en una extrusora de un solo tornillo como se muestra en la  figura 4. Esta es la base de la tecnología de mezclado CRD, desarrollada por Rauwendaal. Esta tecnología fue descrita en un artículo anterior en Tecnología del Plástico. Con los elementos de mezclado CRD es posible lograr un nivel de mezclado dispersivo y distributivo en extrusoras de tornillo sencillo comparable con el de extrusoras de doble tornillo.

Nueva extrusora mezcladora de tornillo sencillo
Ahora es posible lograr la misma capacidad de mezclado en extrusoras de tornillo sencillo que en extrusoras de doble tornillo. Como resultado, es razonable tomar ventaja de esta capacidad y desarrollar extrusoras de mezclado de tornillo sencillo. Recientemente, una nueva extrusora de mezclado fue desarrollada y es esencialmente una extrusora de tornillo sencillo (SSCE, Single Screw Compounding Extruder") con muchas de las características de una TSCE. Esta máquina es el resultado de un esfuerzo desarrollado en conjunto por Rollepaal Machinefabriek, Dedemsvaart, Netherlands y Rauwendaal Extrusion Engineering, Inc., Los Altos Hills, California.

La recientemente desarrollada SSCE usa múltiples puertos a lo largo del barril para la adición por etapas de los ingredientes de mezcla y para la remoción de volátiles. Es importante tener múltiples puertos si el compuesto tiene que manejar altos niveles de relleno, del orden de 50-60%. Añadir polímero y relleno a través del mismo puerto de entrada rápidamente genera problemas de alimentación, desgaste y mezclado pobre. La adición de relleno aguas abajo permite altos niveles de llenado, reduce la abrasión y mejora el mezclado. La longitud del extrusor tiene que incrementarse a medida que se añaden más puertos aguas abajo; sin embargo, los puertos aguas abajo añaden versatilidad al extrusor.

La alimentación dosificada es usada para controlar la energía de entrada y el mezclado. La alimentación dosificada ofrece un número importante de ventajas: permite ajustar el grado de relleno en el extrusor y esto permite controlar la energía de entrada. El control de la energía de entrada se traduce en control del grado de mezclado y de la temperatura de fusión. Entonces, la alimentación dosificada amplía la ventana de proceso; e.g., permite al extrusor correr a mayores velocidades mientras mantiene el control de la temperatura.

La alimentación dosificada permite a la máquina correr a altas velocidad del tornillo, que puede alcanzar las 1,000 rpm con compuestos de baja viscosidad. Los tornillos de alta velocidad resultan en alta producción. Por ejemplo, una SSCE de 60 mm puede entregar caudales de hasta 1,000 kilogramos por hora. En extrusoras convencionales de tornillo sencillo este caudal típicamente requiere un diámetro de tornillo de cuando menos 150 mm. Obviamente, las altas velocidades de rotación no pueden ser logradas con todos los compuestos. La velocidad a la que puede rotar el tornillo con un compuesto está determinada primariamente por la viscosidad del fundido.

La  figura 5 muestra una SSCE de cuatro etapas. El primer puerto de alimentación es usado para la adición del polímero; los rellenos se añaden aguas debajo de este puerto. Para trabajo pesado de mezclado con altos niveles de relleno, de 50-60%, la SSCE es equipada con dos puertos aguas abajo para la adición del relleno. Cuando se añaden altos niveles de relleno a la corriente de polímero es inevitable que se introduzca aire en conjunto con el relleno. Como resultado, es necesario incorporar un puerto de degasificación aguas debajo de los puertos de relleno. La degasificación debería ser asistida por vacío para incrementar la efectividad de la devolatilización.

Con cuatro puertos a lo largo extrusor el tornillo tiene que tener un diseño de cuatro etapas. La primera etapa es usada para la fusión del polímero. Un elemento de mezclado dispersivo es usado hacia el final de la primera etapa para asegurar que el polímero se funda completamente. La sección de alimentación de la segunda etapa debe ser suficientemente profunda como para acomodar la cantidad de relleno introducida en este punto. La segunda etapa usa una sección de mezclado distributivo / dispersivo para incorporar, mezclar y dispersar el relleno en la matriz de polímero. La tercera etapa es básicamente un duplicado de la segunda etapa porque cumple la misma función. La cuarta etapa es usada para remover los volátiles del compuesto y para generar la presión requerida para forzar el material a través del dado. Una sección de mezclado distributivo es usada en la cuarta etapa del tornillo. Si se requiere un mezclado superior al normal, se requiere un elemento de mezclado VIP que puede ser localizado en la descarga del tornillo. La acción entrecruzada del mezclador VIP provee la mejor acción de mezclado posible sobre una longitud axial corta. La  figura 6 muestra una sección de mezclado VIP.

Uno de los beneficios de una SSE sobre una TSE corrotante es que la SSE tiene mejor capacidad de generación de presión que la TSE. Esto es particularmente ventajoso en la extrusión directa, i.e. combinando el mezclado y la extrusión de producto final en una operación. La limitada capacidad de desarrollo de presión de la TSE generalmente requiere el uso de una bomba de engranajes o de una bomba de tornillo de descarga simple en la extrusión directa. De otro lado, dado que la SSE tiene una buena capacidad de generación de presión es posible desarrollar extrusión directa sin el uso de las bombas de engranajes. Si se requiere un control dimensional muy bueno puede ser aún ventajoso usar una bomba de engranajes por su buena capacidad de dosificación.

La SSCE usa la acción de mezclado elongacional para alcanzar mezclado dispersivo y distributivo eficiente. Esto permite a la SSCE alcanzar una capacidad de mezclado comparable al la de la TSCE. La diferencia más importante entre la SSCE y la TSCE es el costo. El precio de una SSCE es aproximadamente la mitad de la de la TSCE, mientras que el costo de correr la SSCE es sustancialmente menor como resultado de la simplificación en el mantenimiento, reducción de repuesto, y reducción del desgaste. Dado que la SSCE puede desarrollar esencialmente las mismas tareas de mezclado que la TSCE a un costo sustancialmente menor, ofrece una relación atractiva de costo/desempeño.

Características de desgaste
Una de las consideraciones importantes en las extrusoras de mezclado es el comportamiento de desgaste. Una desventaja de la TSE es que la distribución de presión circunferencial no puede ser balanceada completamente porque la distribución de presión es inherentemente asimétrica. Esto es particularmente cierto para las TSE contrarrotantes. Sin embargo, es también cierto para TSE corrotantes. En una SSE es posible obtener una distribución de presión completamente balanceada si se emplea una geometría de tornillo multi-hélice. La  figura 7 ilustra la distribución de presión en una SSE (izquierda) y en una TSE (derecha) usando una geometría de tornillo de doble hélice . En la SSE la distribución de presión es simétrica. Como resultado, el tornillo puede ser centrado en el barril de la extrusora. La distribución de presión rota con el tornillo; sin embargo, la distribución de presión es simétrica en cualquier posición del tornillo.

En la TSE la distribución de presión es inherentemente asimétrica porque la región entrecruzada cambia el campo local de presión. Como resultado, en una TSE existe inherentemente una mayor posibilidad de que el tornillo se deflecte hacia el barril. Esto resultaría en un contacto metal-metal y puede llevar a tasas de desgaste significativas. La SSE, por lo tanto, tiene mejores características de abrasión que la TSE. Otra ventaja de la SSE sobre la TSE es el hecho de que puede tener un gran número de hélices paralelas. No es inusual que los elementos de mezclados en una SSE empleen seis u ocho vueltas paralelas; esto no es posible en una TSE corrotante entrecruzada sin eliminar la acción de auto limpieza. El número práctico máximo de hélices en TSE corrotantes, entrecruzadas de alta producción es dos. Con tres o más hélices la profundidad del canal se reduce provocando incapacidad de alcanzar altos flujos de material.

Tener mayor número de hélices con una SSE provee, al menos, dos beneficios importantes. La acción de mezclado puede ser mejorada con mezcladores multi-hélice. Además, con mayor número de vueltas hay una mayor superficie de rodamiento para el tornillo, y se reduce la posibilidad de abrasión. Dado que la elección de la profundidad del canal en una SSE no está restringida cono en una TSE, es posible lograr altos caudales en una SSE aun con elementos multi-hélice del tornillo. La figura 8 muestra el caudal como función de la velocidad del tornillo para varios tamaños de la SSCE. Una SSCE de 60 mm será capaz de entregar una producción de 1,000 kilogramos por hora a una velocidad de rotación del tornillo de 1,000 rpm. Velocidades tan altas sólo pueden ser logradas con compuestos de baja velocidad. Con mayores viscosidades la velocidad del tornillo tiene que ser reducida como se indica en la  figura 8. Una SSCE de 90 mm puede entregar un caudal de aproximadamente 3,000 kilogramos por hora a 1,000 rpm. Una SSCE de 120 mm podrá alcanzar un caudal de alrededor de 4,000 - 5,000 kilogramos por hora a una velocidad de tornillo de alrededor de 400-600 rpm.

Conclusiones
La nueva extrusora mezcladora de un solo tornillo es capaz de efectuar trabajo pesado de mezclado de polímeros con altas proporciones de relleno. Incorporando dispositivos para mezclado elongacional la SSCE puede alcanzar la capacidad de mezclado de extrusoras mezcladoras de doble tornillo, TSCE. La SSCE usa múltiples puertos para adición por etapas de ingredientes, y alimentación dosificada para control del consumo de energía, mezclado y temperatura de fusión.

El precio de una SSCE es significativamente menor que el de una TSCE, y el costo de correr una SSCE es menor como resultado de simplificación en el mantenimiento, reducción en el costo de repuestos, y mejoramiento de las características de abrasión. Dado que la SSCE puede desempeñar esencialmente las mismas tareas de mezclado que una TSCE a un costo sustancialmente menor, ofrece una relación atractiva de costo-desempeño. La  tabla 1 compara las características de tres diferentes tipos de extrusoras de mezclado.

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