El control de la formación de geles en el proceso de extrusión

Los geles son defectos que se manifiestan en el acabado de los productos plásticos en forma de cuerpos extraños, y afectan su desempeño debido a que en algunas zonas reducen el espesor de pared. Son más críticos cuando se presentan en películas que cuando se presentan en cuerpos tridimensionales.

Tratamos en esta oportunidad el tema debido a la importancia que tiene en varios sectores de la industria de los plásticos y al hecho de que su formación está relacionada con los aditivos de ayuda de proceso que hemos venido revisando en las últimas columnas de Análisis.

Los geles son pequeñas masas de plástico que contienen productos de polimerización cruzada entre moléculas vecinas. Como las uniones entre estas moléculas son de carácter químico, no son reversibles y por lo tanto no son susceptibles de fundirse por exposición al calor. Es decir, los geles se conservan en estado sólido en los procesos de extrusión. Los geles son productos de degradación que pueden ser generados durante el proceso de producción del polímero en la planta del fabricante de la resina o pueden ser formados en el proceso de extrusión [1]. Algunas resinas son más propensas que otras a formar geles debido a la arquitectura de su estructura molecular, que puede permitir la ocurrencia de reacciones de oxidación en presencia de aire.

La degradación de las resinas es un fenómeno común en los procesos de transformación de plásticos, especialmente en el de extrusión, y se da en forma de rotura de las cadenas moleculares, acompañada de algún grado de re-polimerización mediante la unión química de cadenas vecinas. Esta situación se agrava en la medida en que el polímero es sometido a altas temperaturas de extrusión por periodos de tiempo demasiado largos. Como se mencionó antes, algunos polímeros son más propensos a sufrir reacciones de cruzamiento químico y por ende, a la formación de geles. La literatura especializada hace mención de las razones por las cuales los polímeros resultantes de la polimerización en cadena pueden mostrar esta tendencia. Entre ellos están los polietilenos de toda clase, el polipropileno y el PVC, para citar unos cuantos. Igualmente, los polímeros de condensación como las poliamidas, poliésteres y los poliuretanos, por ejemplo, tienen la posibilidad de formar geles bajo las mismas condiciones de procesamiento.

En todos estos casos, las moléculas muestran puntos débiles que son particularmente susceptibles de sufrir procesos de oxidación con el oxígeno del aire. De aquí resulta evidente que todos estos polímeros requieren contener aditivos estabilizadores que los protejan contra la degradación oxidativa de las moléculas.

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Si los geles están presentes con anticipación al proceso de extrusión, la situación debe ser examinada por el fabricante de la resina en conjunto con su cliente. Si por el contrario los geles son generados en el proceso de extrusión, por ejemplo, en la planta del procesador, éste debe revisar en primer término dos parámetros importantes: la temperatura de proceso y el tiempo de residencia de la resina dentro de la máquina. Pueden existir puntos dentro del equipo en donde la resina sufre un recalentamiento. Estos puntos son generalmente lugares en donde la resina se detiene y no fluye a la misma velocidad promedio de la masa.

La distribución de los tiempos de residencia de la resina en el proceso de extrusión es pues un factor de diseño importante dentro de la máquina. Con base en este precepto, se puede concluir que las distribuciones angostas son más favorables que las de tipo ancho, pues las primeras reducen la oportunidad para formar geles.

Una forma de reducir el tiempo de residencia consiste en aumentar las revoluciones del tornillo en el extrusor, pero se debe tener cuidado por cuanto al aumentar las revoluciones por minuto del tornillo aumenta el nivel de cizalladura en la masa de la resina y, por ende, la posibilidad de crear puntos calientes. Debe haber por lo tanto un balance entre el manejo del tiempo de residencia y la temperatura del proceso para evitar la formación de geles.

Otro parámetro que debe ser vigilado por el procesador es la presión del proceso de extrusión. Entre mayor sea ésta al final del tornillo, mayor es la tendencia a formar geles. La presión aumenta al incrementarse la velocidad del tornillo y la vez puede ser sintomática de un tiempo de residencia alto si la salida de la resina desde el extrusor está de alguna manera estrangulada.

Por otro lado, los puntos muertos en la máquina de extrusión pueden ser el resultado de un diseño no adecuado de sus partes. El flujo de la resina debe ocurrir sin acumulaciones de material en volúmenes muertos a lo largo del tornillo, elementos de mezclado, tubos conectores, filtro y dado.

Otras situaciones potenciales que pueden llevar a la formación de geles incluyen a las resinas de baja calidad, procedimientos no apropiados de apagado de la máquina, tiempos de precalentamiento excesivos durante el arranque, excesivo uso de material recuperado, contaminación de la resina o uso de concentrado y aditivos incompatibles con la resina.

Una vez superadas las revisiones indicadas del proceso de extrusión, si el problema persiste, se tiene la opción de usar aditivos de ayuda de proceso como los fluoropolímeros. En las ediciones anteriores de esta columna indicamos cómo estos mismos aditivos pueden ser la solución para corregir defectos como la piel de tiburón, la fractura de los polímeros en estado fundido y la formación de depósitos en los dados de extrusión. La supresión de la formación de geles es pues la cuarta acción benéfica atribuible a los fluoropolímeros. El principio de acción es el mismo que el explicado para los otros defectos. Los investigadores creen que el aditivo forma un recubrimiento sobre las superficie metálica interna del equipo que previene que la resina se adhiera sobre la misma. Y no solamente la resina no se adhiere al equipo sino que tampoco lo pueden hacer los residuos de material oxidado y otros aditivos presentes en la masa fundida. Estas adhesiones, en caso de presentarse, serían semilla para la formación de geles en el proceso de extrusión. Adicionalmente, los fabricantes de este tipo de aditivos creen que ellos ayudan a remover sedimentos presentes en las paredes del equipo, que se formaron antes de emplear los fluoropolímeros. Se trata pues de una acción adicional que lleva a purgar el equipo. Otro tipo de aditivo que es sugerido para reducir la formación de geles en extrusión es el empleo de agentes antioxidantes.

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