Tecnologías para la preparación efectiva de compuestos plásticos

Mezclar un polímero con uno o más componentes para producir gránulos o perfiles que posteriormente se utilizan en la elaboración de un producto final requiere características especiales en la maquinaria para lograr mixturas homogéneas e incorporar con éxito pigmentos, rellenos, aditivos u otros materiales. Encuentre en este artículo una rápida y breve revisión del estado del arte en maquinaria para fabricación de compuestos. En este campo se destacan varios ejemplos dedicados al mercado de la madera plástica.

Algunas opciones en el mercado 
La nueva generación de extrusoras de tornillos gemelos de  Amut tiene una configuración en la cual los filetes se compenetran y las cajas reductoras son de alto desempeño. Estas son características ideales para el procesamiento de mezclas de PVC para obtener productos acabados como perfiles, tubería y láminas. Los diámetros de tornillo varían entre 55 y 170 mm con longitudes entre 20D y 26D. También de Amut, la nueva serie Max de extrusoras de tornillos gemelos, que corresponde a la cuarta generación de diseños contra rotacionales modelo BA 92 Nomax, fue desarrollada para la extrusión de perfiles de ventanas con PVC y está equipada con motores de alto torque para producir 400 kg/hr de producto. Otro modelo de esta serie es el BA 76 Cemax, destinado también al mercado de perfiles para ventanas. Las máquinas están equipadas con sistemas de alimentación gravimétricos totalmente integrados en el tablero de control y los programas de computación Amut.

American Maplan ofrece una amplia gama de extrusoras de tornillos gemelos contra rotacionales con capacidades entre 50 y 5.000 libras por hora, apropiada para procesar PVC. Estas máquinas contienen uno de dos medios de calentamiento, uno activo y el otro pasivo. En el primero, el aceite con temperatura controlada circula a través del centro de los tornillos. De esta manera, se logra una ventana de temperaturas más amplia. Con el método pasivo, el medio dentro del tornillo es agua y la temperatura  es aquella que resulta del proceso.

Con respecto a la producción de concentrados con sistemas de poliolefinas bimodales, Coperion desarrolló bombas de engranajes de mayor capacidad, como las modelo MP 360 de 360mm de diámetro. También, introdujo el concepto de extrusores de dos etapas, modelo ZSK-NT, para procesar polietilenos bimodales. Las velocidades de producción son realmente elevadas, en el rango de 30 a 55 toneladas por hora. Esta serie de máquinas se componen de dos extrusoras de tornillos gemelos. La primera, relativamente más rápida, sirve como unidad de plastificación. La segunda extrusora, más lenta, ofrece un mayor tiempo de residencia para lograr una homogenización superior de los dos tipos de polietilenos.

Así mismo, Coperion le está apostando a mayores velocidades de producción. Por ejemplo, el modelo ZSK MEGAvolumen PLUS cuenta con tornillos de 76 mm, con una razón de diámetros de 1,8 y alto torque: de 8,7 a 11,3 Nm/cm3. Los esfuerzos internos son reducidos gracias a la profundidad de los filetes. Entre las aplicaciones están el procesamiento de PVC plastificado y no plastificado y compuestos de polietileno con retardantes de llama sin halógenos o rellenos con minerales.

La nueva serie de extrusoras STS, Standard Twin-Screw, de Coperion ya lleva en el mercado alrededor de cuatro años, con más de 100 unidades en producción industrial instaladas en el mundo.  Estas máquinas cuentan con tornillos de diámetro 35 a 95 mm y velocidades de producción de 100 k/h hasta 2.500 k/h.

JSW, Japan Steel Works, presenta su diseño “NIC” de extrusoras de tornillos gemelos, que tiene el propósito de mejorar la función de amasado, el cual se realiza en el espacio entre el cilindro y la parte superior de los filetes. La innovación de este nuevo diseño se realizó en la estructura de los canales. Las aplicaciones incluyen la mezcla de resinas a nivel micro y las dispersiones de rellenos sólidos minerales. Entre las ventajas, JSW reporta un desempeño superior en amasado, ahorros de energía, excelente trabajo en dispersiones y una mayor capacidad de procesamiento.

De acuerdo con Berstorff, se está observando un interés creciente en la fabricación de compuestos reactivos de TPE y TPV, debido a la disponibilidad reciente de cauchos EPDM en forma granulada. Los nuevos compuestos TPE conforman dos categorías: los copolímeros de bloque en donde una fase rígida se dispersa en una matriz elástica y los copolímeros en donde las fases se invierten. La fase elástica normalmente se cura en la sección de mezclado de los extrusores de tornillos gemelos. Berstorff desarrolló un elemento de mezclado para los compuestos reactivos de TPE, denominado mezclador UP. Este mezclador tiene un diseño similar a los elementos de barrera de los tornillos simples, los cual permite incrementar el mezclado elongacional de las fases rígida y elastomérica, a la vez que incrementa la productividad.

Krauss Maffei y Berstorff se unieron para desarrollar un extrusor de tornillos cónicos, modelo KMD 63K/P, que combinado con el modelo KMD 133-32/P, se emplea en la producción de perfiles de ventanas. El sistema puede producir dos perfiles simultáneamente a una velocidad de 1.760 libras por hora. Los tornillos cónicos permiten la coextrusión de recubrimientos de color o de capas de resina virgen.   

La compañía de origen suizo Buss AG  se ha enfocado en el segmento de compuestos plásticos altamente sensibles y especializados que cubren compuestos de PVC para aplicaciones en las industrias médica y eléctrica. La empresa también tiene líneas especializadas para fabricar compuestos a base de poliolefinas y otras resinas con retardantes de llama y características especiales para la extrusión de cables. Así mismo, la empresa se ha concentrado en el desarrollo de tecnologías para la fabricación de compuestos con requerimientos exigentes de rellenos como negro carbón para masterbatch. De acuerdo con la compañía, para todas estas aplicaciones, ofrece diferentes versiones de su línea BUSS Kneader, que fue introducida el mercado hace más de sesenta años.

Las extrusoras BUSS Kneader se caracterizan por proveer un amasado intensivo con los dientes, y un tornillo de amasado que realiza una oscilación axial con cada revolución. Para permitir estos dos movimientos de forma simultánea, los filetes de los tornillos tienen aberturas por las que los dientes de amasado pasan. La combinación de accionamiento rotacional y axial genera una mezcla altamente dispersiva.

Un avance decisivo para la fabricación de compuestos de PVC fue lograda hace algunos años con la línea quantec Kneader, que incorpora una tecnología de tornillos con cuatro filetes en lugar de tres. Desde su debut en K 2004, la línea quantec ha sido tan exitosa, que sólo el año pasado Buss vendió 25 sistemas y espera exceder la cifra en 2008. La compañía aguarda un éxito comparable con la nueva línea MX Kneader, que fue lanzada en K 2007. Esta máquina fue inicialmente concebida para la producción de compuestos para cables en altos grados de poliolefinas y además ideales para otras especialidades en el sector de cables, pero su alcance se extiende también a otros segmentos industriales.

A finales de 2007, Buss lanzó al mercado la línea quantec Kneader EV version (EV = Expanded Volume). La capacidad de su sección de procesamiento es 20 % mayor, así es que a la misma velocidad del tornillo se incrementa el tiempo de residencia del fundido. De esta forma es posible mejorar la dispersión para recetas en PVC, que se ve reflejada en mejor calidad de los productos terminados.

Spirex ha desarrollado e implementado varios componentes patentados para la mezcla, que pueden ser adaptados y diseñados para aplicaciones específicas. Spirex presentó en Alemania un amplio rango de mezcladores patentados: Pulsar-Mixer, Pulsar II-Mixer, Z-Mixer y V-Mixer.

Wayne Yellow Jacket ofrece extrusoras co-rotacionales de filetes intercalados, especiales para trabajos de desarrollo en la modificación de polímeros, para mejorar propiedades físicas, eléctricas, ópticas y químicas.  Las aplicaciones pueden incluir rellenos minerales, fibra de vidrio, concentrados de color y aditivos, aleaciones de polímeros, retardantes de llama, etc. Las operaciones pueden incluir también zonas de venteo y de reacción química. Los tamaños de los tornillos varían entre 19 mm y 50 mm.

Cincinnati Milacron ofrece su línea TC86 de tornillos con gran diámetro (176 mm, afilados hasta 86 mm, con una relación LD de 27:1) que tiene una zona de alimentación optimizada para lograr una transmisión calorífica uniforme y rápida desde el tornillo hasta el material. El diseño afilado del tornillo permite procesar materiales con baja densidad y crea una compresión “natural” que promueve el mojado de una gran cantidad de fibras contenidas en una cantidad pequeña de plástico. Los filetes profundos del tornillo optimizan el mezclado mientras reducen la fuerza de corte. Un alto torque a baja velocidad facilita un fundido homogéneo y una plastificación eficiente en la extrusión de vinilos. Los tornillos dobles cónicos generan presión positiva de bombeo para obtener una extrusión de calidad en PVC rígido o en la extrusión de compuestos de plástico y madera.  La compañía ofrece también otras líneas para preparación de compuestos con tornillos dobles, ya sean paralelos, cónicos o contra rotantes.

Un avance decisivo para la fabricación de compuestos de PVC fue lograda hace algunos años con la línea quantec Kneader, que incorpora una tecnología de tornillos con cuatro filetes en lugar de tres. Desde su debut en K 2004, la línea quantec ha sido tan exitosa, que sólo el año pasado Buss vendió 25 sistemas y espera exceder la cifra en 2008. La compañía aguarda un éxito comparable con la nueva línea MX Kneader, que fue lanzada en K 2007. Esta máquina fue inicialmente concebida para la producción de compuestos para cables en altos grados de poliolefinas y además ideales para otras especialidades en el sector de cables, pero su alcance se extiende también a otros segmentos industriales.

A finales de 2007, Buss lanzó al mercado la línea quantec Kneader EV version (EV = Expanded Volume). La capacidad de su sección de procesamiento es 20 % mayor, así es que a la misma velocidad del tornillo se incrementa el tiempo de residencia del fundido. De esta forma es posible mejorar la dispersión para recetas en PVC, que se ve reflejada en mejor calidad de los productos terminados.

Spirex ha desarrollado e implementado varios componentes patentados para la mezcla, que pueden ser adaptados y diseñados para aplicaciones específicas. Spirex presentó en Alemania un amplio rango de mezcladores patentados: Pulsar-Mixer, Pulsar II-Mixer, Z-Mixer y V-Mixer.

Wayne Yellow Jacket ofrece extrusoras co-rotacionales de filetes intercalados, especiales para trabajos de desarrollo en la modificación de polímeros, para mejorar propiedades físicas, eléctricas, ópticas y químicas.  Las aplicaciones pueden incluir rellenos minerales, fibra de vidrio, concentrados de color y aditivos, aleaciones de polímeros, retardantes de llama, etc. Las operaciones pueden incluir también zonas de venteo y de reacción química. Los tamaños de los tornillos varían entre 19 mm y 50 mm.

Cincinnati Milacron ofrece su línea TC86 de tornillos con gran diámetro (176 mm, afilados hasta 86 mm, con una relación LD de 27:1) que tiene una zona de alimentación optimizada para lograr una transmisión calorífica uniforme y rápida desde el tornillo hasta el material. El diseño afilado del tornillo permite procesar materiales con baja densidad y crea una compresión “natural” que promueve el mojado de una gran cantidad de fibras contenidas en una cantidad pequeña de plástico. Los filetes profundos del tornillo optimizan el mezclado mientras reducen la fuerza de corte. Un alto torque a baja velocidad facilita un fundido homogéneo y una plastificación eficiente en la extrusión de vinilos. Los tornillos dobles cónicos generan presión positiva de bombeo para obtener una extrusión de calidad en PVC rígido o en la extrusión de compuestos de plástico y madera.  La compañía ofrece también otras líneas para preparación de compuestos con tornillos dobles, ya sean paralelos, cónicos o contra rotantes.

Otro equipo especialmente diseñado para laboratorio es ofrecido por Reimelt-Henschel MischSysteme, de Alemania.  El modelo RHC cuenta con un diseño especial para disminuir la fricción sin necesidad de emplear bloques de amasado. El volumen libre es alto, 1,62 comparado contra los valores típicos de 1,5 a 1,6. Los elementos de mezclado son especiales pues crean un flujo hacia atrás de una manera suave. Los biopolímeros pueden ser estudiados en este equipo.

Para extrusión de compuestos de plástico y madera,  Cincinnati Milacron lanzó en la feria K 2007 el nuevo sistema “Plug & Play”, cuya base es la extrusora TC86. “El sistema Plug and Play tiene todo lo necesario para que un transformador entre rápidamente al mercado de WPC y obtenga ganancias”, afirma Herb Hutchison, director de desarrollo de nuevos negocios de la división de sistemas de extrusión de Cincinnati Milacron. “El sistema tiene incluido equipo para manejo de materiales, equipo de transferencia, mezclado, secado y transporte, ajustes del cabezal y todo el sistema aguas abajo para enfriamiento y corte”, agregó.

Desde hace algunos años Coperion ha intentado trabajar compuestos con harina de madera sin secar, empleando extrusoras de tornillos gemelos paralelos, de la serie Megavolume. En el paso por los primeros cuatro a cinco segmentos del barril el material se seca. Luego se adicionan la resina, los aditivos y colores a través de puertos laterales. La mezcla es llevada luego a un segundo extrusor, esta vez de tornillo simple y que actúa como una bomba.  Coperion ha realizado trabajos con celulosa, espigas de trigo y fibra de lino. Otra alternativa también considerada por Coperion es la de iniciar el proceso trabajando la resina y agregando las fibras naturales a la masa fundida justamente antes del dado. En el primer caso, las fibras actúan como relleno y en el segundo, las fibras refuerzan el material por la acción de las fibras más largas. En el último caso también es necesario remover la humedad. El nivel de adición está entre el 40% y el 60%.

Reifenhauser lanzó recientemente  la línea de extrusión BiTrudex 75 para fabricar perfiles de madera plástica con una velocidad de 1,5 metros por minuto. La concentración de madera puede llegar al 80%, con un contenido de agua entre el 8% y el 20%. La extrusora de la línea corresponde al modelo Bitruder BT 75-30D, de tornillos contra rotacionales de filetes intercalados. Su diseño es óptimo para el procesamiento de fibras de madera  en matrices de poliolefinas. El material de la extrusora  ofrece una alta resistencia a la abrasión y fue desarrollado conjuntamente con la empresa Reiloy Metall. La tecnología de procesamiento fue desarrollada con base en la experiencia de Haller Formholz de Alemania.

Con motivo de la K, Cincinnati Extrusion GmbH, de Viena, mostró su modelo Fiberex A135-37D de venteo doble.Con su unidad de procesado de 37 D, su husillo especial Fiberex diseñado exclusivamente para WPC, y el regulador de la temperatura del husillo sin mantenimiento "Intracool", la unidad de procesado asegura una plastificación delicada y una homogenización óptima.

Las dos unidades activas de desgasificación, ambas con dispositivo de vacío y filtro doble para la limpieza durante la producción, se encargan de la eliminación de la humedad del espacio donde se realiza el proceso y colaboran así de forma decisiva en la alta calidad del producto final. Mediante diversos dispositivos la forma geométrica de la apertura para la desgasificación se puede ajustar con flexibilidad a todas las fórmulas deseadas. Se pueden procesar tanto compuestos premezclados de WPC y aglomerados de WPC con base de PVC, PE o PP, como productos reciclados que se generan durante la producción y que habitualmente contienen cierta humedad.

En este campo, Entek Extruders también ofrece soluciones, mediante su línea E-MAX.