Tendencias y tecnologías en compounding

En el "compounding", una resina de polímero fundida es combinada con rellenos, refuerzos, otros polímeros, pigmentos, modificadores, entre otros aditivos, para mejorar las propiedades, reducir costos o mejorar la procesabilidad.

Dependiendo de los constituyentes de la mezcla elaborada, los productos de este proceso se pueden clasificar como mezclas de polímeros, formulaciones de polímeros y polímeros rellenos o compuestos.

Las mezclas de polímeros son combinaciones de polímeros estructuralmente diferentes. Dependiendo de la miscibilidad de los componentes, estas mezclas se pueden componer usualmente de dos o más partes y una o más fases.

Las formulaciones de polímeros involucran aditivos de bajo peso molecular, sólidos o líquidos que son miscibles o inmiscibles con el polímero en el estado fundido o el estado sólido. Estos aditivos se pueden usar a bajas concentraciones (menores a 10% peso), como los estabilizantes, agentes de entrecruzamiento, antioxidantes, estabilizantes, pigmentos, aditivos conductivos, agentes antiestática, agentes nucleantes, lubricantes, agentes soplantes, etc., o a altas concentraciones, de hasta 50% peso, para plastificantes y ciertos retardantes de llama.

Los polímeros rellenos o compuestos son mezclas de polímeros con aditivos orgánicos o inorgánicos con ciertas geometrías: fibras, hojuelas, esferas o partículas. Los compuestos contienen dos o más componentes y dos o más fases. Los rellenos generalmente se usan para mejorar las propiedades mecánicas o bajar costos.

En el "compounding" hay dos mecanismos de mezclado que fijan el tipo de equipo y la configuración del mezclador: el mezclado dispersivo y el mezclado distributivo. En el primero se busca reducir el tamaño de un componente cohesivo, mientras que en el segundo, se busca distribuir el componente en el volumen de la mezcla. Este proceso se puede llevar a cabo en equipos "batch" o continuos.
El procesamiento de compuestos en extrusoras se compone de los siguientes pasos: pretratamiento o premezcla de los componentes (opcional), alimentación, fundido, mezclado de dispersión y/o distribución, reacción (opcional), venteo, presurización y paso al dado de extrusión, que usualmente es de hilo para granular el compuesto.

El mercado, en la actualidad
A continuación se presentan algunas tecnologías y aplicaciones de diferentes fabricantes de equipos para "compounding".

La nueva generación de extrusoras de doble tornillo Reitruder, de Reifenhäuser, se basa en el concepto de extrusión directa, de tal forma que se procesa el material desde las materias primas hasta el producto final en un solo proceso de producción. Al compararse con compuestos premezclados, la extrusión directa ahorra hasta 30% en costos de materia prima y mejora las propiedades del producto. La serie Reitruder viene con tornillos corrotantes y de geometría adaptada para los cambios en requerimientos al aumentar la profundidad del canal y al rediseñar la zona de alimentación. Con estas medidas se puede mejorar la alimentación e hojuelas de PET y remoler y aumentar el volumen de rellenos. Este diseño aumenta la capacidad de entrega con menor consumo específico de energía. El diseño del venteo permite utilizar materiales hasta con un 12% de humedad, lo que permite ahorrar en costos de presecado. Adicionalmente, al añadir un Bitruder con tornillos contrarrotatorios se puede lograr el procesamiento con rellenos como talco o tiza con grados de relleno de hasta 70%.

Por su parte, Davis-Standard LLC ofrece sistemas de "compounding" monotornillo. Los sistemas se diseñan de forma personalizada para cada cliente con base en la alimentación de sólidos, compresión y fundido, mezclado, venteo, descompresión y granulado. Se fabrican extrusoras con diseños de alimentación en caliente o en frío.
Las extrusoras cuentan con reductores de engranajes de trabajo pesado, tolvas de alimentación especialmente diseñadas, venteo sencillo o múltiple, diseños de tornillos probados y sistemas avanzados de control. El rango de extrusoras se encuentra entre 30 mm y 305 mm. Incluyen además sistemas de alimentación específicos para cada proceso y se incluyen sistemas completos para alimentación volumétrica, gravimétrica y mezclado en peso de acuerdo con la necesidad.

Battenfeld-Cincinnati, con su serie de 28 L/D y sistema modular permite que los clientes puedan tener una solución personalizada para sus necesidades. Las extrusoras BEX 2-28D cuentan con una ventana de procesamiento amplia para la plastificación de los compuestos de PVC. La relación L/D permite tener un tiempo de residencia suficiente y una gran área de transferencia de calor, además cuenta con una tecnología de motor y engranajes confiable y segura.
Konos, serie de extrusoras cónicas de doble tornillo de Battenfeld - Cincinnati, es la quinta generación de este tipo de máquinas y es el sucesor a los modelos Titan. La serie modular permite adaptarse a las necesidades de cada cliente, permite una ventana de procesamiento más amplia y alta flexibilidad gracias a su plastificación homogénea y gradual. Cuenta con motores AC de bajo consumo de energía, diferentes geometrías de tornillo, sistema de enfriamiento del tornillo Intracool libre de mantenimiento y barril 100% aislado con sistema de enfriamiento por aire apc. Viene en diámetros de tornillo de 38 a 72 mm, entregas entre 20 y 270 kg/h para perfiles de PVC y entre 30 y 500 kg/h para tubería de PVC.

La serie de máquinas de "compounding" ZSK, de Coperion, cuenta con equipos de alta capacidad y sistemas de granulado bajo el agua, además del concepto de dos etapas para el "compounding" de PE. Coperion ha instalado varias de sus máquinas alrededor del mundo, destacando la máquina ZSK 380 instalada en Arabia Saudita, capaz de lograr producciones de PP compuesto de hasta 72 toneladas/hora. La ZSK 380 cuenta con doble tornillo de 380 mm capaz de generar la presión necesaria sin tener que usar una bomba de fundido adicional. Por otra parte, la ZSK NT, capaz de producir 55 toneladas/hora de compuesto de HDPE bi-modal y multi-modal. En el sistema de dos etapas, en la primera etapa el material es fundido y en la segunda etapa, un tornillo a velocidades relativamente bajas y altos tiempos de residencia, se encarga de homogenizar la mezcla.
Recientemente fueron enviadas a Treffert GmbH & Co. KG  en Alemania las tres máquinas ZSK MEGAcompounders, con diámetros de tornillo de 26 mm. Con esta nueva adquisición, Treffert completa 22 máquinas de "compounding" ZSK para la producción de "masterbatches" y compuestos especiales. Las tres máquinas serán usadas en la producción de "masterbatches" de grado alto. Dos de las máquinas serán usadas en el proceso de premezcla y la tercera está equipada con un alimentador lateral ZS-B y varios alimentadores gravimétricos para el proceso de alimentación dividida. Estas máquinas se destacan por ser modulares, para facilitar el procesamiento de distintos materiales y formulaciones y la limpieza de sus partes.

Pequeña escala y laboratorio
C.W. Brabender destaca dos sistemas de extrusión de doble tornillo tamaño laboratorio para el procesamiento de compuestos: el TSE 20/40 y el TSE 12/36.
Dependiendo del tamaño de la extrusora, el material a ensayar y la tarea de procesamiento, el TSE 20/40 puede lograr capacidades de procesamiento de hasta 20 kg/h. Se pueden adaptar unidades de medición y control o sistemas de dosificación gravimétrica, volumétrica o líquida, y equipos de postproceso. La TSE 20/40 está disponible con longitudes de barril de 20 o 40 D. Los puertos de dosificación o venteo están localizados a 10 D, 20 D y 30 D con la capacidad de alimentación lateral a 12 D y 22 D. El barril está dividido horizontalmente y se puede abrir desde ambos lados. Esta extrusora está diseñada para aplicaciones de investigación y desarrollo.

El Brabender Mini-Compounder TSE 12/36 es un sistema miniatura de extrusora de doble tornillo corrotante para aplicaciones en la industria química y farmacéutica en el desarrollo de nuevos productos. Esta miniextrusora cuenta con un motor de 2.4 kW de entrega y velocidades máximas de 600 RPM.
La unidad de procesamiento cuenta con tornillos segmentados. El diseño modular del tornillo permite optimizar la aplicación de "compounding" al usar varios elementos de cizalla, mezclado o distribución en el tornillo.  Estos elementos son intercambiables dependiendo de la aplicación.