Solución de problemas de mezclado en tornillos sencillos

Las extrusoras de tornillo simple son las máquinas escogidas para múltiples aplicaciones donde se requiere fundir y presurizar la resina. Esta elección está basada en muchas razones, que incluyen costos de adquisición y mantenimiento, simplicidad de operación y habilidad de generar presión. En todos los casos, se espera que la descarga de la máquina sea homogénea en composición, color y temperatura. Si la descarga no es homogénea, pueden presentarse defectos que incrementarán el costo de manufactura.

El mezclado en las extrusoras de tornillo sencillo ocurre durante varias etapas del proceso, incluyendo la composición de la mezcla de alimentación, el proceso de fusión y el paso por dispositivos de mezcla (tales como el mezclador tipo Maddock). El objetivo de este artículo es mostrar cómo el proceso de fusión afecta el desempeño del mezclado total en una extrusora de tornillo sencillo. Una vez que este proceso de fusión y sus limitaciones sean comprendidas, se presentarán varios métodos de solución de los problemas que pueden ocurrir.

Mezcla primaria durante el proceso de fusión
El primer gran nivel de mezcla de una extrusora de plastificación ocurre durante el proceso de fusión. Este mecanismo se muestra claramente en el experimento de solidificación de Maddock, cuya fotografía se presenta en la (Vea Figura 1) . Dicho experimento de solidificación fue realizado operando la extrusora hasta llegar a un estado estable, y deteniendo entonces la rotación del tornillo para enfriar el barril en forma simultánea; así se logró una solidificación del polímero fundido en los canales del tornillo. En seguida, el tornillo con el polímero solidificado se extrajo del barril y fue examinado. Una pequeña cantidad de polímero pigmentado oscuro (rojo) se añadió a la resina base en una proporción de 100 a 1, para demarcar regiones que fueran sólidas o fundidas antes de detener la rotación del tornillo.

Como se muestra en esta figura, los gránulos de ABS natural (blanco) fueron compactados en una cama sólida, y dentro de la cama sólida estaban incluidas pequeñas cantidades de gránulos sólidos del concentrado oscuro. La plastificación (o fusión) estaba ocurriendo en una delgada película de fundido dentro de la cama sólida y la pared del barril. El material recién fundido y altamente viscoso era entonces transportado por el movimiento del tornillo rotante hacia la piscina de fundido, al lado izquierdo del canal.

Como se indica en la figura 1 , la piscina de fundido estaba en su mayor parte coloreada, con algunas trazas pequeñas de resina natural fundida, indicando la gran eficiencia del proceso de mezclado primario durante la fusión. La piscina fue fundida con la resina mezclada antes de que empezara el experimento de solidificación.

El término mezclado primario se usa acá para designar el primer gran mezclado que ocurre entre las diferentes partículas sólidas que entran a la máquina. Para tornillos convencionales de hélice sencilla, Benkreira [3] demostró que la mayoría del mezclado ocurre durante el proceso de fusión, y que sólo se presentan niveles bajos de mezclado adicional en los canales aguas abajo. Como se mostrará luego, si no ocurre una mezcla completa dentro del extrusor, se incurrirá en defectos significativos debido a un mezclado pobre. A medida que la mezcla progresa aguas abajo, el ancho de la cama sólida se vuelve más y más pequeño, hasta que toda la resina queda completamente fundida. Si la cama sólida se rompe a mitad del camino durante el proceso de fusión, la tasa de fusión puede ser reducida a un nivel que permitirá que algún material sólido fluya cerca de la punta del tornillo, o que se descargue fuera con el extruido.

El mecanismo de la mezcla durante el proceso de fundido fue claramente demostrado por Benkeria [3] en 1992. En este mecanismo, las partículas sólidas se mueven hacia abajo en el canal en la dirección z a la velocidad de la cama de sólidos. A medida que la fusión ocurre en la superficie, los gránulos expuestos a la interfaz sólido-fundido sufren un cambio de fase (fundido) y se transfieren a la película de fundido, como se muestra en la  figura 2 . Este material recién fundido se acelera entonces y es forzado a elongarse. La elongación ocurre porque el movimiento del barril relativo al tornillo es considerablemente mayor que el de la cama sólida, y va en una dirección diferente. Esto significa que a medida que el elemento de fluido se mueve fuera de la cama debido a la introducción de material recién fundido, las componentes de flujo que van a través del canal (V_bx) y en dirección aguas abajo (V_bz) lo aceleran y comprimen. La elongación hace que el material forme una delgada estría, como se muestra en las figuras 1 y 2

Como se indica en la figura 2 , el espesor de la película de fundido se incrementa en la dirección de flujo que atraviesa el canal. Esto se debe al flujo de fundido que está ocurriendo a través del ancho de la cama. A medida que el nuevo material fundido se mueve lejos de la interfaz sólido-fundido debido a la continua fusión en la misma, su velocidad se incrementa, provocando la elongación del elemento de fluido.

Los cambios de procesos que afecten este mecanismo de fusión claramente cambiarán la capacidad de mezclado primario del tornillo. Las deficiencias en la mezcla primaria ocurren en todos los procesos, y necesitan ser mitigadas o producirán un defecto en la estructura final.

Solución de problemas de mezclado
Una causa común para que se presente un mezclado pobre usando tornillos convencionales de hélice sencilla, es la operación de la extrusora a tasas superiores a la capacidad del tornillo. Por ejemplo, un tornillo convencional de una única hélice fue operado para mezclar ABS pigmentado de blanco con un concentrado negro de ABS, en una relación de 100 a 1. El extrusor fue operado a velocidades de 30 a 150 rpm y se tomaron muestras de extruido para examinar visualmente la calidad de la mezcla. La ubicación de estas muestras de secciones transversales se muestra en la&nbsp figura 3. Como se observa en la  figura 4 , a velocidades del tornillo de 30 a 60 rpm el extruido en esencia no contenía partículas sólidas (regiones blancas) y tenía relativamente pequeñas cantidades de material pobremente mezclado. A medida que la velocidad del tornillo se incrementaba más y más, sin embargo, empezó a volverse obvia la presencia de partículas sólidas o fragmentos de gránulos. Los sólidos se hicieron evidentes por el diámetro no uniforme de la corriente de extruido y por las muestras de las secciones transversales. Además, los niveles de partículas sólidas en el extruido se incrementaron a medida que la velocidad del tornillo sobrepasaba 90 rpm, aunque algunas trazas de partículas sólidas empezaron a aparecer a 80 rpm.

Entonces, la operación de una extrusora a velocidades superiores a los límites operacionales del tornillo puede generar que aparezcan sólidos en la descarga. Dado que hay considerablemente más gránulos blancos que negros, los fragmentos probablemente causaran que aparezca una veta blanca en el artículo final. Aunque no es popular en una planta de producción, la mejor medida para mejorar el mezclado en este caso es reducir la tasa de producción de la línea disminuyendo la velocidad del tornillo. Como se discutirá posteriormente, la adición de un mezclador secundario o el uso de un tornillo de alto desempeño mitigará el problema.

El ejemplo descrito arriba usando una resina natural o blanca con un concentrado de color, claramente ilustra los problemas de mezcla asociados con una fusión inapropiada. Aunque no se presenta aquí, el concepto puede extenderse a otros sistemas de mezclado, tales como la preparación de gránulos de resina, y la incorporación de aditivos como retardantes de llama o plastificantes. Desde un punto de vista estadístico, la mezcla inapropiada causará que una gran porción de la resina sólida se descargue sin haber sido aditivada por el componente menor. Además, la descarga de sólidos generará un alto gradiente térmico en el extruido.

El mecanismo de mezclado y fundido presentado en la  figura 1 trabaja bien para el proceso y mantiene una cama sólida continua. En la práctica, sin embargo, la cama sólida frecuentemente se rompe en la dirección transversal del canal, permitiendo que algunos fragmentos de fluyan aguas abajo. La tasa de fusión y el nivel de mezclado que pueden experimentar estos fragmentos es considerablemente reducido. Como se muestra en la  figura 4 , estos fragmentos producen extruidos pobremente mezclados. Sin embargo, existen numerosos dispositivos para minimizar el rompimiento de la cama sólida y para atrapar y fundir fragmentos sólidos.

Los tornillos de fusión de barrera se usan en parte para mantener la continuidad de la cama sólida mientras que se mantiene una alta tasa de fusión [5,6]. En estos diseños, una segunda hélice se posiciona entre la piscina de fundido y la cama de sólido, y el material recién fundido se transporta desde el canal de sólidos hasta el canal de fundidos a través de una separación restringida, que es la hélice de barrera. Implementar un tornillo de barrera, sin embargo, no suele ser una tarea sencilla, debido a que el posicionamiento inadecuado de la hélice de barrera en la sección de entrada puede causar una restricción de flujo, reduciendo la tasa específica hasta en un 50%, causando degradación del material debido a la presencia de canales vacíos, y disminuyendo el desempeño de mezcla del tornillo [7]. Una posible solución a este problema es eliminar la restricción modificando la entrada de la sección de barrera.

La operación del extrusor a altas tasas de presión de descarga es otro método para mejorar la calidad de mezcla del extruido. Para un tornillo de una sola etapa, incrementar la presión de descarga incrementará la presión en la zona de fundido y mejorará la relación de fusión, a la vez que reducirá la tendencia a la ruptura de la cama de sólido. Además, incrementar la presión de descarga mejorará la mezcla en la sección completa de fundido, pero a una extensión menor. El efecto puede lograrse a través del uso de una válvula de control o del posicionamiento de mezcladores estáticos en la línea de transferencia. Incrementar la presión de descarga, sin embargo, puede ser difícil para muchos procesos, y puede incrementar así mismo la temperatura de descarga.

Los mezcladores aguas abajo que pueden atrapar y fundir los fragmentos sólidos, de la misma forma en que lo hace un mezclador tipo Maddock, son efectivos mitigando el efecto de mezclado pobre. Una visión esquemática de un mezclador Maddock con las flautas de flujo paralelas al eje del tornillo se presenta en la  figura 5. La separación que debe existir entre la hélice del tornillo posicionada entre la flauta de flujo de entrada y la flauta de flujo de salida es crítica. Todo el material debe fluir a través de esta separación. Si la separación es demasiado grande, algunos fragmentos sólidos de tamaño mediano y pequeño no serán atrapados y fundidos por el dispositivo. Si la separación es demasiado pequeña, puede generarse un alto gradiente de presión y existe la posibilidad de que la temperatura de la resina se incremente por encima de sus capacidades térmicas, y ésta se degrade.

**B2BIMGEMB**1**Como regla general, la separación de la hélice mezcladora de un mezclador Maddock con las flautas paralelas al eje del tornillo, no debe ser menor que el punto donde el gradiente de presión a través de la hélice es cero: donde h es la separación de la hélice del tornillo, n_f es el número de flautas dentro del flujo (o saliendo del flujo), y L_m es la longitud axial de la hélice de mezclador. Las dimensiones geométricas de la sección de alimentación del tornillo son como sigue: p es el número de inicios de vueltas, H es la profundidad del canal, W es el ancho del canal, L es la longitud de avance, D es el diámetro del barril y q es el ángulo de la hélice.

Este cálculo establece la tasa de flujo de arrastre en el canal de dosificación. Como ejemplo, la mínima separación que podría usarse para la zona de alimentación de un extrusor de 63,5 mm de diámetro (D) con hélice simple (p=1), paso cuadrado (L=63,5 mm) sería 0.39 mm (h). El ancho de la sección de alimentación (W) y su profundidad (H) en este caso, son 54 y 3 mm, respectivamente. El mezclador Maddock tiene 4 flautas de entrada y cuatro flautas de salida (n_f = 4), y tiene una longitud axial de mezclado de 100 mm (L_m). Entonces, si el extrusor está descargando a un bajo nivel de sólidos como el que se muestra en la figura 4  a 120 rpm, la hélice de mezclado puede disminuirse a 0.39 mm. Para la mayoría de las aplicaciones, la separación será algo superior a este valor; sería entonces necesario remover el tornillo de servicio, y aplicar soldadura a la hélice de mezclado para reducirla a una separación de 0.39 mm.

Este tipo de procedimiento está diseñado para materiales de baja a media viscosidad, con un nivel de sólidos relativamente bajo en el flujo. La aplicación actual, sin embargo, puede requerir una separación mayor; por tanto, el cálculo de la separación sólo sirve como referencia.

Los mezcladores tipo pasador trabajan bien para reorientaciones de los campos de flujo y mejoran la mezcla para corrientes completas de fundido, pero no tienen la habilidad de atrapar y fundir fragmentos pequeños de sólidos. Estos dispositivos están construidos soldando una serie de pequeños rodillos de metal estratégicamente posicionados en la raíz del tornillo. Dispositivos de mezclado como este, que no tienen la capacidad de atrapar y fundir partículas sólidas, pueden generar extruidos pobremente mezclados, especialmente a altas velocidades de tornillo. Los mezcladores de este tipo no deben ser usados si se espera que se produzcan fragmentos sólidos dentro de la corriente de fundido.

Masterbatches de color 
Para sistemas de masterbatch de color como el descrito arriba, la resina base usada para hacer el masterbatch puede afectar el desempeño de mezcla del proceso. Benkreira y Britton [12] han demostrado experimentalmente el efecto de la viscosidad de mezcla del masterbatch en la mezcla de color de estos sistemas.

En general, el masterbatch debería ser menos viscoso que la resina natural que va a ser coloreada. Esta diferencia de viscosidades incrementará preferencialmente los esfuerzos de la resina natural, de tal forma que la elongación del colorante sea efectiva durante el proceso de mezclado, como se muestra en la  figura 2. Sus experimentos de mezclado indicaron que la relación de viscosidad en las condiciones de procesamiento entre la resina natural y el portador de color debería ser tan alta como fuera posible.

Los masterbatches con muy baja viscosidad, sin embargo, pueden ser difíciles de producir, dado que el esfuerzo durante la operación de mezclado puede no ser suficientemente alto para dispersar los pigmentos. En general, la viscosidad de este aditivo debería ser la mitad de la de la resina natural, bajo condiciones de procesamiento. Si la viscosidad del masterbatch es mayor que la de la resina natural, es probable que aparezcan vetas de color. La mejor opción frente a este problema es cambiar a un masterbatch de menor viscosidad.

En muchos casos se comparan el índice de flujo del masterbatch (MFI) y el de la resina natural. Dado que estos índices son medidos a tasas de esfuerzo considerablemente inferiores a las que ocurren durante el procesamiento, normalmente no son los mejores indicadores de la selección del aditivo. El indicador que debe usarse es la viscosidad a la temperatura y tasa de corte que se presentan durante el procesamiento.

Tornillos de alto desempeño 
La tendencia industrial es operar líneas de manufactura a tasas de producción cada vez más altas. Para altas tasas de extrusión, se requiere en los tornillos una combinación de mayor velocidad de rotación y mayor profundidad en los canales de alimentación. Como se discutió previamente, la operación de un tornillo de hélice sencilla a velocidades relativamente altas hará que se descarguen algunos sólidos dentro del extruido, generando una mezcla pobre.

Incrementar la profundidad de la sección de alimentación incrementará la tasa específica del proceso, pero la capacidad de mezcla o la longitud de la zona de transición para el tornillo permanecerá invariable. Lo más probable es que las partículas sólidas se descarguen con el extruido.

Estas limitaciones han sido mitigadas por el desarrollo de tornillos de alto desempeño, que tiene la habilidad de completar el proceso de mezcla a altas tasas, descargar a bajas temperaturas y proveer una mejor calidad del extruido. Estos dispositivos trabajan forzando el material a fluir repetitivamente a través de regiones con separaciones relativamente pequeñas. A medida que el material pasa a través de estas separaciones, los residuos sólidos serán atrapados y forzados a fundirse antes de atravesar, o las partículas pequeñas serán sujetas a altos campos de esfuerzo elongacional y de cortante que ayudarán a su fusión. Todos los materiales deben fluir varias veces a través de estas regiones altamente restringidas; los valles en estas separaciones tienen a ser relativamente cortos en la dirección del flujo. Los canales principales más profundos permiten a los dispositivos mantener altas tasas específicas y bajas temperaturas de descarga, mientas que las regiones con bajas restricciones proveen un nivel de mezclado completando el proceso de fusión. Hay varios de estos dispositivos actualmente en el mercado.

Algunos de los tornillos de alto desempeño más ampliamente usados son el de Transferencia de Energía [13], el de Doble Onda [15], el Stratablend [16] y el Unimix [17]. En general, estos tornillos son diseñados reemplazando las sección de dosificación de un tornillo convencional o de un tornillo de barrera con una sección de alto desempeño. Los fragmentos sólidos que existen en la sección de fusión son fundidos y mezclados en la sección de alto desempeño aguas abajo.

Se recolectaron ejemplos de fluido de uno de estos tornillos de alto desempeño, y muestras de cortes de su sección transversal se presentan en la  figura 6. Como se indica en esta figura, los extruidos fueron muy bien mezclados a velocidades de tornillo cercanas a los 120 rpm. A 150 rpm, un nivel alto e inaceptable de sólidos fue descargado, como se indicaba por la cantidad de material blanco presente. Una comparación de estas dos vistas de secciones transversales con aquellas del tornillo convencional (figura 4) muestran la mezcla mejorada y las habilidades mejoradas de fusión de este diseño de alto desempeño. Las operaciones de proceso a altas tasas siempre deben considerar un diseño de alto desempeño para mitigar problemas de mezclado debidos a la baja fusión.

Discusión 
Las muestras de extruido y el experimento de solidificación (figura 1) muestran claramente la importancia del proceso de fusión en la calidad de mezclado de la descarga del extrusor. Los casos presentados aquí son para masterbatches de color en resinas blancas o naturales, pero el concepto aplica a cualquier mezcla de sólidos alimentada a través de la tolva de una extrusora. Se emplearon masterbatches de color porque con ellos es mucho más fácil visualizar variaciones en la composición o gradientes térmicos.

Para procesos existentes, los cambios principales que pueden presentarse para mejorar la mezcla son aquellos que promueven la mezcla temprana en los canales del tornillo. Para un diseño convencional de hélice sencilla, la mejor opción es simplemente disminuir la tasa de extruido o incrementar la presión de descarga. Para tornillos convencionales con mezcladores tipo Maddock, la mezcla mejorada ocurre por una combinación de la naturaleza dispersiva del mezclador y su capacidad de atrapar y fundir fragmentos sólidos que están en el flujo de fundido. Si una gran facción de fragmentos sólidos pasara a través del mezclador sin fundirse, la restricción en la hélice de mezclado necesitaría estudiarse, y posiblemente reducirse.

Un tornillo convencional con un mezclador simple, frecuentemente no es capaz de proveer altas tasas y bajas temperaturas de descarga con un extruido altamente mezclado. Para estas aplicaciones más demandantes, el procesador debería considerar usar un tornillo de alto desempeño que atrape la mezcla y funda estos fragmentos sólidos. Las vistas seccionales del extruido claramente muestran las mejoras que pueden lograrse con estas clases de dispositivo usados durante el proceso de plastificación

Conclusiones
La importancia del proceso de fundido en la mezcla es frecuentemente pasada por alto. El trabajo aquí presentado muestra claramente que la fusión apropiada es clave para tener una descarga de alta calidad para aplicaciones de formación aguas abajo.