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PROCESOS

D EC O N T O R M A D O PARAPLASTICOS

C O N T E N I D OD E LC A P í T U L O fr"¡lrdiclos de los polínreros Propiedades Extrusión 1 5 . 2 . 1P r o c e s oYs e q u i P o s 1 5 . 2 . 2A n á l i s i sd e l a e x t r t ¡ s i ó n extrtlirlt¡s y prclclttclos clelos d¿rclos 15.2.3Configuraciones 15.2.4 Defectosen la extrt¡sión 1 s . 3 P r o c l u c c i ódne l á m i n a sy p e l í c u l a s 1 5 . 4 P r o c J u c c i ódne f i l a m e n t o ys f i b r a s( h i l a t r r l e r i ¡ ) 1 5 . s Procesosde recubrinrietrto Moldeo por inyecciórr 1 5. 6 15.6.1 Procesos Y equiPo 1 5 . 6 . 2E l m o l c l e 1 5 . 6 . 3M á q u i n a sd e m o l c l e op o r i r r y e c c i ó t t 15 . 6 . 4 C o n t r a c c i ó n 15.1 15.2

15.7

15 . 8

15 . 6 . 5 D e f e c t o se n m o l t l e o p o r i n y e c c i o t r 1 5 . 6 . 6 o t r o s f l r o c e s o sc l e n t , r l c l c ol l o r i l l y t x t i t i t t M o l r l e o p o r c o n l p r e s i ó ny t r a n s f e r e r r c l a 1 5 . 7 . 1 M c ¡ l d e oP o r c o m P r e s i ó n 1 5 . 7. 2 M o l d e o p o r t r a n s f e r e l r c i . t M o l c l e o p o r s o p l a c l oy l n o l c l e or c l t a ti t ¡ t l ¡ l

15.U..1Molcleopor soPlaclcr 15 . 8 . 2 M o l r l e or o t a c i o t l . l l 1 5 . 9 Termoiornrado (colado)de plástic-o 1 5 . 1 0 Fr-rnclición cle¡ltllíttteros cleesl)tlnras y forrnaclo 1 s . 1 Procesalniento cleesPutnado 15.11.1 Proc-esos cleconfornlaclcr 15.11.2 Procesos 15.12 Consideraciones llarael cliseñocle¡rrocltlctos 15 . 12 . 1 C o n s i c l e r a c i o ngeesn e r a l e s 15 . 12 . 2 P l á s t i c oesx t r u i c l o s 15 . 12 . 3 P a r t e sr r t o l c l e a c l a s

paraplásticos de conformado Proceso

309

partes [-9s plásticgspueden ser conformadosen una amplia variedad de productos,como para alambres aislantes seccionesextruidas, hojas y películas, recubrimientos rnolcleaclas, el ingredienteprineléctricosy fibras para textiles.Además,los plásticosson frecuentemente ci¡lal cleetros ntaterialescotno pinturas,barnices,adhesivosy varios compuestoscon matriz las tecnologíasde conformado de estos procle pglínrero.En este capítulo consicleraremos cluctos,posponiendolas pinturas,barnices,adhesivosy los compuestospara capítulospostey riores.Muchgs procesoscleconfornradode plásticospuedenadaptarseal hule (capítulo l6) , o l i m é r i c a( c a p í t u l o| 7 ) . a c o n l p u c s t o sc n l l t a t r i z p tecnológicay comercialde estosprocesosde confonnadoderiva del crecienLa ir¡¡ror.tanci¿r te valor ¿e les ¡raterialesque se procesan.Las aplicacionesde los plásticosse han incrementado que paralos nretaleso los cerámicosdurantelos últimos 50 años.En reali¡ruchg r¡irs riipitlarnelrte de darl, nl¡chas ¡rarteshechasanteriormentede rnetalse hacenahorade plásticoy de compuestos recipientesplásticoshan sustituidoen gran partea los ¡rlástic.s.Lo nrisl¡o sucedecon el viclrio;los de productos.El volumen total de polílneros(plásticosy hules) excede tle vidrir. c¡ el envasaclo de los metales, ahgraal cle les nretales(el tonelajees todavíamucho menor debido a la densidad por las cuales razones varias identificar rnayor).Poclemos ar'q¡e el yol¡¡ren es consiclerablernente Ios proccsosdc forllraclocleplírsticoSoninlportarttes:

casi ililnitadade formasparalas piezas' Inilent¡llavnrieclacl l'alnlentetlo son ltecesarioslos formadosposteriores. ntenos Aurrqtrepara formrarplásticosse requiereusualmenteel calentamiento,se necesita son mucho másbajas de procesamiento (preparalos nletales,porquelas ternperaturas t,rtcr.,q,ítr ¡raralos plírsticos. el manejodel productose simen el procesatniento, usaclas A c¿rrsade las bajasternperaturas plásticoson de una sola de procesamiento ¡rlil'icatlur-a¡tela protlucción.Muchos nrétoclos sustancialmente (¡rore.jeinplo, nrolcleo) .¡rcr.,t.i

v

Flujo del Polímero

en de |a viscoelasticidad en e| dado,unamanifestación 15'3 Dilatación F|GURA extrusión' de dado del salir al aquí comosemuestra fundidos, polímeros para una seccióntransversalcircttlarpor La dilataciónen el dado puedemedirsefácilmente mediodelarelacióndedilatación,quesedefinecomo:

r':

D, lt

(15.3)

extruida,pulg (rnm)Y D¿= de la seccióntransversal dondef s=f&zón de dilatación;Dr=diámetro del tiem(mm). La cantidadde dilataciónen el dado depende diámetro"delorificio del daclo,pulg reduce se dado el en el canal del clado.La dilatación po que el polímero fundido p.r*unece en se logra por medio de ttn canal más largo' aumentandoel tiempo en el canal,y esto de flujo de la fusión es una meclidaampliamente índice de flujo de la fusión El índice del polímero.La disposicióngeneralpara características usadaque relacionael flujo y la viscosidacl en tt¡r la operacióncleextrusión.El polímerose calienta ensayarun polímerofunclidoes similar a diámetro parfluir a travésclela aberturadel dado tle tln cilindro a temperaturaT y luego se hace

15,2lExtrusión 313 Sección parámetrosdel ensayoestánnormalizadospor orgaticular D, bajo una presión especificada.Los de ta fusión IFF (en inglés meltflow index, MFI) nizacionesralescomo la ASTM . El índice deflujo a través del orificio del dado durante un periodo se define como el peso del material que fluye especificado. compleja que dependede la temperatura El ínclicede flujo de la fusión mide una propiedad diferentes tipos de polímero; sin embary de la velocidad de corte. No debe usarsepara cofnparar dentro de un tipo de polímero dado, por ejemplo go, es apropiado para comparar diferentes grados que distinguediferenciasen el peso molecular de polietileno. para estepropósito,es un medio útil "t p"ro molecular y el grado de polimenzación un polímero. A medida que disminuye el MFI, no ,l"p"nde solamentede la temperaturay de la aurnenta'. La viscosicladde un polímero fundido velocidaclde corte, sino también de su pesomolecular'

EXTRUSI La fundamentalpara metales,cerámicosy polímeros' El procesode conformadopor extrusión es del orificio el cual se fuer)aal material a fluir a través ertt.usitites un procesocleconrpresiónen queda transversal y continuo, cuya forma de la sección tle un clatlopara generaru' protlucto largo que se usa un proceso de conformación de polímeros determi'ada por la forma dll orificio. Es (pero rara vez con termofijos) para producir masiampliamentecon termoplásticosy elastómeros perfiles estructurales(como molduras de venvamenteartículoscomo tubos, ductos, mangueras, continuos,recubrimientosde alambresy cables tanas y puertas),láminas y películas,filamentos se lleva a cabo como un procesocontinuo; la eléctricos.para este tipo de productos,la extrusión en las longitudesdeseadas'En esta sección extrusitin (productoextruidoi ," corta inmediatamente los proy en varias seccionessiguientesexaminaremos cubrimos los procesosde extrusiónbásica, cesosbasadosen la extrusión'

15. 2 . 1 Procesos Y equiPos extrusión' alimentaen forma de pelets a un cilindro de E' la extr.usió' de polímerosel material se giratodel orificio de un dado por medio de un tornillo c*'.e se calientay se le hacefluir a través son el extrusor Los dos componentesprincipalesdel rio(gusa'r). corno se ilustraen la figura 15.4. que del extrusor,sino una herramientaespecial cilirrlr. y cl t.rnillo. El claclono es un com¡ionente clebefabr.icarseconelperfilparticularaproducir. y d e un extrusor(detorni l l oúni co)parapl ásti cos F I G URA15. 4 c o m ¡ro n e n reysc a ra c te rís ti c a s di buj o' del La. re l a c i ó nL /D e s táre d u c i d ap a ramayorcl ari dad elas t ónr er os Tolva Peletsde Plástico Calefactores

I

Secciónde alimentación

t

I l*

Secciónde comPresión

Polfmerofundldo

314

paraplásticos de conformado CapÍtulo15 / Procesos (25 a 150 fluctúa típicamenteentre l'0 y 6'0 pulg El diámetro interno del cilindro extrusor ente I diámetro,con una relación LID usualmente mm). El cilindro es largo con respectoa su valoresI materialestermoplásticos,mientrasque los 30. Las relacionesmás grandesse usanpara localiz¿ que contieneeI Áarcrial de alimentación se bajos de L/Dson para Jlastómeros.La tolva por gravedadsobreel tornillo giratorio' Qü€lrlür un extremodel cilindro. Los peletsse alimentan calerJadoreseléctricos para fundir inicialmente el material a lo largo del cilindro. Se utilizan subsiguientedel materialgenerael calor adicic peletssólidos;el mezcladoy el trabajomecánico s mezcladáy la acción cortantegeneranel calor que mantienela fusión. En algunor-.uros, el externo.De hecho,en algunoscasosel cilin ciente,de maneraque no se requierecalentamiento el.sobrecalentamientodel polímero' debp ser enfriado externamentepara prevenir la aberturadel dado por la acción del El material se transport" u ,runésdel cilindro hacia ' rev/min. El tornillo tiene varias funciones 60 a gira aproximadamente que extrusor, tornillo Las seccionesy las funcionesson: I ) sec't divide en seccionesque coresponden a cadafunción. desdela puertade la tolva y se precalienta;2)' de alimentación,enla cual el materialse mueve consistencialíquida, el aire atrapadoentre ción de compresión dondeelpolímero adquiereuna y 3) sec'cióndosificadora' en la cua pelets se extrae de la fusión y el material se comprime; presión para bombearlaa través del orificio homogeneiza lafusión y se desanolla suficiente dado. geornetríay su velocidadde rotación.[-a La operacióndel tornino estádeterminadapor su la figura 15.5.El tornillo consisteen pal geometríatípica de un tornillo extrusorse describeen que conducenel polímero fundido' El canal tl o aspasespirales(roscas)con canalesentre ellas, las paletasempujan el material hacia ¡ un ancho wc y una profundidaddr. Al girar el tornillo, Aunque no se aprecia en el diagramt lante a través del canal desde la tolva hasta el dado. cilind ro D con un pequeñoclaro de aproximi diámetro de la paleta es más pequeñoque el del es limitar la fuga de la fusión haciaatri mente0.002 pulg (0.05 mm). La funcidn de esteclaro tiene un anchol4'ly estáhechade aceroendul travésdel canal conductor.La pared de la paleta el interiordel cilindro. El tornillo tieneun p do pararesistirel desgasteal girar y al Íozarcontra el ángulode la h( cercanoal diámetro D.El ángulode la paletaA es cuyo valor es generalmente del tornillo y puededeterminarsemediantela relación:

paso tanA:

FICURA15.5

(r s . 4 )

nD

D e t a l l e sd e u n t o r n i l l o e x t r t l s o rd e n t r o d e l c i l i l r d r t i '

Direcciónde flujo de l a fusi ón

15.2lExtrusión 315 Sección del cilindro El incrementode presiónque se aplicaal polímerofundidoen las tressecciones se determinaen granpartepor la profundidaddel canaldr. En la figura 15.4,d, es relativamente de polímero grandeen la ,...-ión de alimentaciónparapermitir la admisiónde grandescantidades aplicandoasípre4 sereducegradualmente, granularen el cilindro.En la secciónde compresión, y la presión sióncrecienteen el polímeroal serfundido.En la seccióndosificadota,drespequeño En la alcanzaunrnáximoal restringirseel flujo por el empaquede la pantallay la placade sostén' del tornillo se muestranigualesen longitud;estoes apropiadopara figura 15. ,las tressecciones como el polietilenode baja densidadPEBD (en inglés un polímeroque funde gradualmente, Parapolímeros sondiferentes. óptimasde lassecciones laslongitudes LDpE).paraoiro, polímeros, de fusión, punto específico en un comoel nylon,la fusiónocuffemásbienabruptamente cristalinos Los polímerosamorfoscomoel es apropiadauna seccióncortade compresión. en collsecuencia paraestosmatequeel LDPE,y lazonadecompresión clorurode polivinilofundenmáslentamente paracada tomillo del rialesdebetomarcasila longitudenteradeltomillo.Aunqueel diseñoóptimo general.Estosdi;iñ;. materiales diferenti es una prácticacomúnusartornillosde propósito de hacer necesidad la y evita un compromisoentrelos diferentesmateriales se señosrepresentan con los parosdel equipo' cambiosde tornillo,asociados frecuentes del dado' El avancede los polímerosa lo largo del cilindro conducefinalmentea la zona seriede cribasde, Antesde alcanzarel dado,la fusiónpasaa travésde una malla,la cual es una por un plato rígido (llamadoplato rompedor)que contienepequeñosagujerosi alambresoportadas y terronesdurosde la fusión,2) acuhular axiales.La mallafuncionaiara t) iittrar contaminantes el flujo del polímerofundidoy borrarsu memoi y 3) enderezar presiónen la seccióndosificadora se relacionacon la ria del movimientocircular impuestopor el tornillo. Esta última función el polímero haciala izquierda, del polímero;si át nu.¡ono fueraenderezado viscoelástica propiedacl la y distorsionar a a crecer podríarecuperarsusgiros á.ntro de la cámaladeextrusión,tendiendo extrusión de tornillo Lo que hemosdescritohastaaquí es una máquinaconvencionalde extrusión un lugar sinrple.Es necesariomencionarlos extusores de tornillo doble porqueestosocupan del cilindro'Los importanteen la industria.En estasmáquinas,los tomillos sonparalelosdentro parael PVC rígido,un polímero adaptados ¿e tornillosgemelosparecenespecialmente extrusores mayormezclado' querequieren,un y paramateriales difícil de extruirnorntalmente,

1 5 . 2 . 2 A n á l i s i sd e l a e x t r u s i ó n simpliticada varios En esta sección desarrollamosmodelos matemáticospara describir en forma aspectosde la extrusiónde polímeros. fuerzaalpolímero Flujo fundido en el extrusor Al girar el tomillo dentro del cilindro, se Arqufmedes.pl prinfundido a ,.roverseen dirección al dado; el sistemaoperacomo un tornillo de de la fricción entreel lfquido viscipal rrecanisrnocletransportees el fluio por arrasti, queresulta con respectoa la otra, l) el cilindro estacoso y las clossuperficiesopuestasque se mueven una puedeparecerseal flujo de fluido que ocurre ciorrarioy 2) elcanalcleltornillo giratorio. El arreglo por un líquido viscoso,como se ilustraen entreuna placaestacionariay una-placamóvil *.puruáu v, se infiere que la velocidadpromedio la figura 3.l7.Dado que la placamóvil tieneuna velocidad clel fluido es yf2, generandouna velocidadde flujo volumétrico

(r5.5)

Q,t:O.Sudut

pulg3/seg1m3/seg);v = velocidadde la clonclee¿ = velocidad tle flujo vorumétrico por arrastre, placas,pulg (m); y w = anchode placa movible, pulg/seg(rn/s);¿/= distanciaque separalas dos se puedencom' en dirección a la velocidad,pulg (m). Estosparámetros ras placasperpendicurares .

5

316

paraplásticos de conformado Capftulo15/ Procesos parar a aquellosen el canal,definidos por el tornillo dro estacionario.

de extrusiónrotatorio y la superficiedel cil

D : rr DN cosA d:d, w : u),:: (r D tanA - tt)f) cosA

( r5.6) ( l s.7) ( r5.8)

(mm); N = velocidadde rotación del tornillo donde D = diámetrode la paletadel tornillo, pulg (mm); t^'r= anchodel canaldel tornillo' pulg rev/seg;4 = profundidaddel canardel tornillo, pulg pulg (mm)' Si asumimosque el (mm); A = ángulode la paleta;y wf =ancho det üor¿ede la paleta, es pequeño,entoncesla última de estas anchodel borde ¿e la paletaes'deípreciabledebido a que ecuacionesse reducea:

u),.: n D ¡anAcosA n DsenA

(15.e)

variasidentidades (15.5)y usando (15.6),(15.7)y (15.9)en la ecuación lasecuaciones al sustituir tenemos: trigonométricas ' (ls.r0) 0¿ : o'5n2D2N d,'senAcosA hacia adelanteclel fluido, esta Si no hay fuerzaspresentesque se oponganal movintiento la velocitladde flujo de la l'usiónclentro ecuaciónpodría suministraruna destripción razonablede a travésclela corrientehaciaadelante' del extrusor.Sin embargo,al comprimii el polímerofundido transportede material por arrastreen la el dado crea una contrapresión,enel cilindro que reduceel a contrapresión,dependede las ecuación 15.10.Esta reducciónde flujo, a la que llamaremosfTujo y del gradientede presióna lo largo dimensionesdel tornillo, de la viscosidaddel polímero fundido se puedenresumiren la ecuaciónIl I ] del cilindro. Estasdependencias

r Ddl sen2A Q¡:

n,t(#)

(r5.ll)

pulg3/seg(m3/s)4 = viscosidad,lb-seg/pulgz1N-s/m2);tlpldl dondeQa=flujo a contrapresión, El se definieron previamente' gradienreae presián,gb/pulg2 )b;lgirr¿pul*l; y los otros términos tornillo a lo largo de su londel gradientede presiónreal en el ciiin¿ro es una función de la forma como una aproximación gitud; en la figura 15.6 se ilustraun perfil típico de presión.Si asumimos entoncesel gradientede figttra, la en que el perfil es una línearecta,indicadapo, iu líneapunteada la ecuaciónprevia se redttce¿t fresión se vuelve constanteplL, Y

(rs.l2)

Qo:

= longitucldel cilinclro,pttlg (nrnt). dondep - presiónestáticaen el cilindro lb/pulg2(MPa); y L

Extremode la tolva

lo Extremodel dado

a.

(Ú

.9 .(u a o c

:9 6

o fL

Aproximación Posiciónen el cilindro

F I C L J R A1 5 . ( r C r ¡ r l i e l l t et í ¡ r i t ' t r de presión en ull extrusor; la líne.r p t t t r t e a d ai n d i c a u l l a a p r o x i l l r a c i ó n l i n e a l p a r a f a c - i l i t a rl o s c á l c u l o s '

Sección15.2lExtrusión

317

Nóteseque esteflujo a contrapresiónno es realmenteun flujo por sí mismo, sino es una reducción un extrusor del flujo de arrastre.Entonces podemos calcular la magnitud del flujo de la fusión en como la tliferenciaentre el flujo de arrastrey el flujo a contrapresión: Q.,:Q¿-Qt

pn Ddl sen2A l;tL

(15.13)

2 - Q . , : 0 . 5 2 D zN d , ' s e n A c o s A

La ecuación 15.13 do'de e.r=velocidad de flujo resultantedel polírnero fundido en el extrusor. y el cilindro. Lapérpaletas las asunreque ¡ay una mínima pér.tlidadeftujo a travésdel claro entre a contrapresión,a dida de flujo d'ela fusión serápequeñacomparadacon el arrastrey con el flujo Inenosque el extrusorestédañado. en dos tipos: l) La ecuación 15.13 contiene muchos parámetrosque pueden dividirse son aquellos que parárnelrosde diseño y 2) parámetrosoperativos. Los parámetrosde diseño d, y el ángulo de canal del defirrenla geometríadel tornillo y del cilindro: diámetroD, profundidad operaciónde un extrusor' la hélice A. Estos factoresno se puedencambiar duranteel procesode el procesopara afectarel durante Los parámetrosoperativosson aquellosque sí se puedencambiar p, y la viscosidadde la flujo de salida; éstosincluyen la velocidad de rotación N, presión estática en que puedanmanipufusión n.Laviscosidad de la fusión solamentees controlableen la medida En propiedad. el siguienteejemplo larse la temperaturay la velocidad de corte para modificar esta veremoscómo desempeñansus papeleslos parámetros:

de fluio en extrusión 1 5 . 1 Velocidades Ejemplo gira a N = 60 rev/min' Un cilinclroextrusortiene un diámetroD = 3.0 pulg. El tornillo A = 20o' La pre( I rev/seg).La profundidaddel canald, = 0.25pulg, y el ángulode la paleta = pulg,la visal final del cilin drop = I 000 lblpulgz.Longituddel cilin droL 75 siónesrárica Determinela velocidadde flujo cosiclatltlel polírnerofundidoes de 150 x l0:4 lb-seglpulgz. tlel plásticoen el cilindro. volurttélt'ico calcularel flujo de arrastrey el flujo oPuestoa solución: usanrlola ecuación15.13podemos e tl e l c i l i n c l ro . c o rttt' :t¡rrc s i írtt

20) 1.0)(0-25)(sen20)(cos Qa : 0.5nt(3.t1)t( : 3.57pulg3/seg (sen20¡2 (3.0)(0.25)3 ( ( rn, - rr | 000) v l2(o.o¡5¡175) - l.2g puig3/seg - l'28 Q , : Q ¿ - Q t ,: 3 ' 5 7 - 2.29 pulg3lseg

s

escerode maneraqueel flujo Característicasdel extrusory el dado Si la contrapresión el flujo podríaigualaral flujo de arrastreQ¿,deter' rle la fusiónsealibre en el extrusor,entonces de operación el diseñoy los patámetros mi¡acfopor la ecuación15.10.Una vez que seestablecen comoQntxi Denotémosla extrusor. del posible máxima cleflujo (D, A, N, etc-.), esla capaciclad ést¿r Q ,n¡*- 0.5¡r2D2 N d,'senA cos A

(r5.14)

318

Capítufo15 lProcesosde conformadoparaplásticos

por otra parte,si la contrapresiónfueratan grandecomo paraanularel flujo, enlotlcesel flujtr a contrapresiónigualaría al flujo de arrastre,esto es Q., :

Qa - Qt, :0,

es decir Q¿ :

Qu

es Usandolas expresionesde Qa y Quen la ecuación15.13,podemosresolverp y determinarcuál la máxima presiónestáticapmáxquepodría anular el flujo en el extrusor: 6nDNL4cotA Pmáx:

d?

(ls.ts)

Los dos valores Q^ary pmáxson puntos a lo largo de los ejes del diagramaconocidoscomo característicasdel extru.sor(o carocterísticasdel tornillo o gusano) ilustraclosen la figura 15.7. Esto define la relaciónentrela presiónestáticay la velocidadde flujo en una máquinade extrusión con los parámetrosoperativos establecidos. Con un dadoen la máquinay el procesode extrusiónen operación,los valoresactualesde Q* estádetenninadapor las y p se lócalizaránen algúnlugarentrelos valoresextremos,la loc¿tlización del tamaño y la forma de depende dado característicasdel dado. La velocidadde flujo a travésdel la abertura,y de la presión aplicada para forzar la fusión a través de clicho dado. Esto se puede expresarcomo: Q, :

K .rl t

(rs.r6)

(m3/seg);p= presiónestática,lb/pulg2(trrtpa); dondeQ,= velocidadde flujo, pulg3/seg Y K, = facParaunaaberturacircularde dadode unalongitud tor de formaparael dado,pulgs/b-seg(msA,ls). como: puede calcular forma se factor de dadade canal,el K,:

nDl 1284L¿

(rs.r7)

dondeD¿= diámetrode la aberturadel dado,pulg (mm); 4 = viscosidadde la fusión lb-seg/pulg2 (Ns/m2); y La = longitud de la aberturadel dado putg (m). Para formas no redondas,el factor de forma del dado es menor que para la redondacon la misma áreade secciónlransversal,esto significa que se requieremayor presiónpara lograr la misma velocidaclde flujo. del dado. En la figura La relaciónentreQ*y p en la ecuación15.16se llama cero('íerístit'ct previasdel exfrusor.Los dos 15.7 éstase dibuja como una línearecta,añadidaa las características trazos se intersecan;los valores corespondientesde Q., yp se conocencomo punto de operaciórt para el procesode extrusión.

Característicasdel dado

Qm¿x

o i :9

Punto de operación

o f

o o

Característicasdel extrusor

E

o f

tr Presiónestática

1 5 . 7 C a r a c t e r í s t i ccal e l FICILJRA extrusor (tanrllién llarnada carar.terístic'.r r l e l t o r n i l k r ) y c . r r J c ' t e r í s t i cr'lae l t l ¿ < l t ¡ . El punto de operación del extrusor está e n l a i n t e r s e c c i ó nd e l a s d o s l í n e a s .

S ecci ón15.2/ Ext r usión

319

Ejemplo15.2 Características del extrusory del dado C o n s i d e r e l e x t r u s o r d ee l j e r n p l o1 5 . 1 ,e n e l c u a l D = 3 . 0 p u l g ,L = 7 5 p u l g , N = I r e v f s e g , d " 0.25 pulg y A =20'.El plásticofundido tiene una viscosidadde corte = 150 x lOa lb-seg/pulg2. Determinea) Q^e*y pmáx,b) el factor de forma Krparu una aberturade dado circular en la cualD¿ = 0.25 pulg y L¿ = 1.0 pulg, y c) los valoresde Q*y p en el punto de operación. Sofución: a) Q^a* estádado por la ecuación15.14 Q^^' :

Q a : A . 5 n 2D z N d . s e n A c o sA

- o.5n'(3.0)'(1.0)(0.25) (sen20)(cos 20) : 3.57pulg3/seg pmáx estácladapor la ecuación15.15 6nDNLcotA -

tl

ll máx

o ('

(0,0| 5) cot20 _ 6¡r(3.0)(75)(1,0) Q,2s)2 - 2796.6 tiU/pulg2/s y la abscis a paralascaracterísticas del entrela ordenada Estosdosvaloresdefinenla intersección extrusor. circulardel dadoconD¿=0.25pulgYLa= 1.0pulgsepuede b) El factorde formaparaunaabertura 15.17 determinar conla ecuación

^v 1 -

n (0.25)a

r28(o.ol5xl.o)

- 0.00639l6 del dado. Estefhctor tle fonna define la pendierrtede las características valores de Qry p,en las cualesse intersecanlas cac) El punto de operaciónestírdefinido por los del tornillo se pueden racterísticasdel tornillo con las característicasdel dado. Las características como: expresaren Ia ecuaciónde una línearectaentreQ^e*Y Pmáx, Qr :

Q ^ e ^-

-Q,^e^ P

( 1 5r.8 )

P máx

: 3.57 - 0.0012765¡t en la ecuación 15.16,usandoel valor de Kt del dado están correlacionadas Las características calculadoert la parteb). Q., :0.00639 |6P Con un sistemade ecuacionessimultáneastenemos: 0 . 0 0 6 3 91 6p - 3 . 5 7 - 0 . 0 01 2 76 5P p :

465.5 lib/pulg2/s

Si resolvenlospara Q, usandouna de las ecuacionesiniciales,obtenemos Q, :0.00639 16(465.5): 2.98 pulg3/seg

,,ffi

320

paraplásticos de conformado Capítulo15/ Procesos Si comparamoséstacon la otra ecuaciónpara verificación, - 0 . 0 0 1 2 7 6 5 ( 4 6 5 . 5: 2 ) '98 Qr :3.57

ffi

pulg3/seg

de losdadosy productosextruidos 1'5.2.3 Configuraciones transversalde la extrusión'Los perLa forma del orificio cleldado determinala forma de la sección de las extrusionesson: I ) perfiles sólidos; 2) files comunesdel dado y las formas correspondientes y alambres;4) láminasy películas perfileshuecos,tubospor ejemplo;3) recutrimientosde cables En la sección l5'3 se y 5) filamentos.Las primrrá, tres categorlasse cubrenen la presentesección. 15.4 se describela proexaminanmétodosde producciónde láminasy películas,y en la sección veces métodos diferentes de la ducción de filamentos. Estas últimas formas requieren algunas extrusión. perfiles sólidos Los perfilessólidosincluyenformasregulares,como seccionesredondas, moldurasparapuertasy ventanas'accesocuadradase irregulares,como los perfilesestructurales, una vista lateralde la secciónde rios automotricesy chapasdomésticas.En la figura 15.8se ilustra del dado, la fusión de poy un dado para producir estasformas sólidas.Al final del tomillo anfes para enderezarlas líneasde límero pasaa travésde un empaquecemidor y de una placa rompedora dado, forma diseñadageneralflujo. Luego fluye hacia el interior de la entradaconvergentedel que podríanpreen las esc¡uinas mentepara mantenerel flujo laminar y evitar los puntosnruertos del dado' misma sentarsecercadel orificio. La fusión fluye entoncesa travésde la abertura con alta viscosidadde Cuando el materialdeja el dado todavíaestá suave.Los polímeros el enfriado mantienenmejor la fusión son los mejorescandiáatospara Ia extrusión,ya que durante o pasandola extrusiónen una forma. El enfriado se realizapor sóplo de aire, por rociado con agua la aberturadel dado se hace cuba o depósitode agua.A fin de compensarla dilataciónen el dado, Algunasvecesseestide un largosuficientepararemoveralgo de la memoriadel polímerofundido. ra la extrusiónpara compensarla expansiónde la dilataciónen el clado. para formas no redondas,la aberturaclel dado se diseñaco¡l una sección ligeramenteclif'eprovee la correcciónde la fbrma' rente del perfil deseaclo,así el efecto de la expansiónen el clado La fbrrua de la seccióndel Esta corrección se ilustra en la figura 15.9 para una seccióncuaclracla. exhiben diferentesgradosde dado dependedel material a extruir, ya que los diferentespolímeros

comomaterial regulares paraformassólidas FIGURA15.g (a)Vistalateralde la secciónde un dadode extrusión

en el daclo es evidente en anlbas redondo; (b) vista frontal del dado con el perfil de la extrr¡sión.La clilatación para mayor claridad' omiten o se simplificaclas están dado del vistas.Algunos detalles de la construcción

Placa rompedora

Cilindroextrusor

Entradaconvergentedel dado Dado Arillode sujeción

Dado de extrusión Perfil de la extrusión

Tamañode la aberturadel dado (D¿paraforma redonda) Longitudde la del dado, L¿ abertura Polímerofundido (b)

Sección15.2lExtrusión

321

FIGU R A 15.9 (a)S ecci ó nt r ansver sal del dado mostrandoel perfil requerido paraobtener(b) un perfilcuadradode extrusión. Placa rompedora

SecciónA-A

Cilindrode extrusión - B Mafla Direcciónde flujo de la fusión

Sección B_B

3@

Patas de araña (3)

.4>

v - B

Patas de araña (3) Canaf de aire

_-------""-'

A I I

Entradade aire

huecascomo ductos FIC URA15. 10 V is t ala te radl e l c o rtec l eu n d a d od e e xtrusi ónparaformarsecci ones lugar;fa sección su en mandril el y tubos;la sección A-Aes una vistafrontafque muestracómo se sujeta dado causauna el en fa dilatación def dado; salir de tubularpoco antes B-B muestrala seccióntransversal (AlgLrnos simplificados.) están de construcción detalles mayoren el cliámetro. clime¡rsiírn

clilataciónen el clado.Se requiereconsiderablehabilidad y juicio para diseñar un dado para seccotnplejas. cionestranversales Perfiles huecos La extrusión de perfiles huecos,como tubos, ductos, manguerasy otras tfpleatlel dctltr seccignessimilares,requiereun mandril para dar la forma hueca.Una conflguraelón se muescomo se ilustraen l¿rfigura 15.10.El mandril se mantieneen su lugar usandouna araña, que soportanel rra er la secció¡ A-A de la figura. El polímero fundido fluye alrededorde las patas incluye fremandril El tubo. del ma'¿ril para volver a reunirse, formando la pared monolítica de la extrusión cuentelnenteun canal a través del cual se sopla aire para mantenerla forma hueca aguao jalando de abiertas cubas usando cluranteel e¡d¡recirniento. Los tubos y ductos se enfrían la extrusiónsuavemediantetanquesllenos de aguacon mangascalibradorasque limitan el diámetro exterior clel tubo, mientrasse mantienela presiónde aire en el interior. aisladoses y Recubrimientos de alambres y cables El recubrimientode alambres cables muestraen la figura l5' l I turode los procesoscleextrusiónde polímerosmás importante.Como se desnudo,mientrasésta para recubrinrie¡toclealambre. Lafusión de polímero se aplica al alambre

322

Capftulo 15 / Procesosde conformadopara plásticos Direcciónde fluio de la fusión

Polímerofundido

Placa romPedora

-". Secciones del dado

Tubo central

Salidadel mbre recubierto

Entradadel alambredesnudo

+

-+> v

v

Sello del vacío

I

I SecciónParcialdel vacío Y por eléctrico de alambre delcortede un dadopararecubrimiento FICURA15.11 Vistalateral simplificados' están construcción de Algunosdetalles extrusión. y el polímero para pasaa alta velocidada travésdel dado.Se aplica un ligero vacío entre el alambre durante el enfriapropiciar la adición del recubrimiento.El alambre provee la rigidez necesaria en grandes enreda se producto El miento, al pasarlo ya recubiertoa través de una cuba de agua. carretesa velocidadeshastade 10000 pie/min (50 m/seg).

15.2.4 Defectosen la extrusión peoreses la ft'actura de Los productosde extrusiónpuedensufrir numerososdefectos.Uno de los antesy duranteel flujo, la fusión inmediatamente fusión,en la cual los esfuerzosque actúansobre altamenteirregular' a travésdel dado, son tan altos que causanrupturasque originan una superficie por una agudareducción Como se indica en figura l5.li,la fracturade fusión puecleser causada contrastacon el flujo Esto la fusión. en la entradadel dado que causaun flujo turbulentoy rompe laminar uniformeen el dado gradualmenteconvergentede la figtrra 15.8. producto Un defectomuy común en extrusiónes la piel cletiburón, en la cual la superficiedel la pared cotl fricción la del daclo, se anuga al salir del dado.Conformela fusión atraviesala abertura

F f C U R A1 5 . 1 2 F r a c t u r a de la fusióncausadapor flujo turbulentoen la fusióna travésde una agudareduccióna la entradadel dado.

Extrusión Direcciónde flujo de la fusión -.-{>

v

S ecci ón15.3 l P roducci ónde l ámi nasy pe lí culas

Direcciónde flujo de la fusión

323

----.{>

v

(a)

(b)

del dado,ef cualpuede de la fusiónal fluira travésde la abertura 15.13 (a)Perfilde velocidacles FIGL,RA (b) del tallode bambú. formación pielde tiburóny llanrado al clefecto conclucir a travésde la seccióntransversal(figura 15.13).Esto procluceun perfil diferencialde velociclades ocasionaesf¡erzostensilesen la superficiedel materialque se estirapara igualar el movimiento más rápido ¿el núcleo central. Estos esfuerzoscausanrupturasmenoresque arugan la superficie. Si el graclientede velocidad se vuelve más grande,se forman marcasprominentesen la superficie que clanla aparienciade un tallo de bambú, de aquí el nombre de estedefecto más severo.

Las láminas y películastermoplásticasse producenpor numerososprocesos,los más importantes * son los basadosen el procesode extrusión.El término lámina se refiere a los materialescon un espesorentre0.020pulg (0.5 mm) hastacercade 0.5 pulg (12.5mm) y se usan paraproductostales como cristalespla¡os de ventanay material para termoformado(sección 15.9).El término pelícu' /rzse refiere a espesorespor debajode 0.020 pulg (0.5 mm). Se usanpelículasdelgadasparamaterial cleempaque(envolturas,bolsaspara abarrotesy bolsasde basura);las aplicacionesde películas rnás gruesasirrcluyencubiertasy revestimientos,por ejemplo cubiertasde albercasy revestle irrigaciórl. tirnielrtospnrac¿lt"tales 'ltltlos los ¡rrocesosque se exponetren esta secciónson continuos,operacionesde alta producción.Más clela nritadde las películasproducidashoy en día se hacende polietileno,en su maEl polipropileno,el cloruro de polivinilo y la celulosaregenerada(celofán) y'ría de baja dcnsiclad. utilizados,todosellos son polímerostermoplásticos. arnpliarnente so¡ otros r¡ater.iales Extrusión de lámina y película con dado de rendija Las láminasy las películasse protienela clucene¡ varios espesore,nlrdiunte extrusiónconvencional,usandoun dado cuya abertura cerforrna ¿e ¡¡a rencliiadelgada.La rendija puedetenerhasta l0 pies (3 m) de largo con un ancho Éste del dado. posible configuración una ilustra cano a 0.015 pulg (0.04 rnm). En la figura 15.14,se de que fluya i'cluye un conductodistribuidorque extiendela fusión de polfinero lateralmenfo'Bnteñ es la uniformidad a rravéscle la renclija(orificio clclgado).Una dificultad del método de extrusión experimentala que forma de drástico tlel espesora lo ancho del material. Esto se debe al cambio y de la temperatura fusión clepolínrerodurantesu paso a travésdel dado y a las variacionesde debido a que su la presión e¡ el claclo.Generahiente,los bordes de la película deben recortarse labiosajustaincluyen para los dados ayudara compensarestasvariaciones .rp.ro, es más grande. en el diagrama)que permitenalterarel anchode la rendija. bles (¡o mostraclos para alcanzar altas velocidaclesde producción es necesarioincorporar al procesode exlograconduciendo trusión,métodoseficientesde enfriamientoy recolecciónde la película;estose como la extrusiónhaciaun baño de templecon aguao sobrerodillos refrigerados inrnecliatar.¡rente importante más parece serel se rnuestraen la figura 15.15.El métodode los rodillos refrigerados * Errotras fuentesse cletrotnifraa estasdimenSiolrescomo hofaS'

. "''

324

de conformadoparaplásticos Capftulo15 / Procesos SecciónA-A

del flujoI Dirección de la fusión i Sacción8-B Conducto distribuidor

F

F

F

y pel íctrl as' F lc u R A 1 5 .1 4 C o n fi g u ra c i ópna ral a extrusi ónde l ámi nas

Cilindrode extrusión Cilindrode extrusión Rendijadel dado

Películaextruida

Rendijadel dado

Al secado y enrollado ,--> Al enrollado

-.-.-f>

v Rodillosrefrigerantes

la parasol i cl i fi car rá pi doo (b) rodi l l osrefri gerantes FIC URA15. 15 ( a)U s o d e b a ñ od e e n fri a m i e n to películafundidadespuésde la extrusión'

de los rodillos provocanel rápido enfriamientoy solidicomercialmente.Las bajastemperaturas cle alinrentaciónde los ficación en la extrusión,de hecho,el extrusorsirve como un clispositivo El procesoes notablepor rodillos refrigerantes,pero éstosson los que realmenteforman la película. puedenlograrseestre(5 susaltasvelocidad", á. producciónde hasta1000 pie/min rn/s).Además usadoen esteprochastoleranciasen el espesorde la película.Debicloal métodode enfriamiento ceso se le conoce como extrusión con rodillos refrigerontes' utilizado proceso de extrusión de película soplada Éste es otro procesoantpli¿tnrente la extrusióny parahacerpelículasdelgadasde polietilenoparaempaque.Su complejidadcombina referenciaal con describe el sopladopara producii un tubo de películadelgada;a continuaciónse tubo qtle se estirainmediadiagramade la t'igura15.16.El procesoempiezacon la extrusiónde ttn por inf'ladode aire a tamaño su tamentehacia urr]bu,y aún fundido, ,, .*punde simultáneamente más baja ("Jiost travésdel mandril del dado.Una línea del nivel de penetraciónde una temperatura largo de la burbujaque se line,,)marcala posicióndondeocurrela solidificacióndel polímeroa lo para Inantener mueve hacia arriba. La presión de aire dentro de la burbuja tiene qtle ser constante aprietanotra t¡ue presión, de rodillos uniformeel.espesorde la películay el diámetrocleltubo. Los Los rodillos guía y los vez el tubo antesde que haya enfiiado,mantienenel aire denfo del tubo.

Sección15.3 lProducciónde láminasy películas

325

Ftodillosde presión Rodillosaplanadores

Al carretede enrollado R o d i l l o sg u ía

Líneade + solidificación

PelículaplásticasoPlada

Dado del tubo

Exlrusor

de aire | ,n,,"0"

F IC U R A1 5 .t6

p ro c e s oc l es opl adode pel ícul adel gadatubul arparaal taproducci ón.

los rodillos de rodillos tle cor¡presiónse usantanlbiénparalirnitar el tubo sopladoy dirigirlo hacia compresión.El tubo plano es entoncesenrolladoen un carretefinal. mientras El efecto .1uepiocluceel sopladocon aire es estirarla películaen ambasdirecciones esto represense enf'rín.Cer¡o ,"rulto,lu, la películaadquierepropiedadesde resistenciaisotrópica, en una sola principalmente estira se material el t¿ru.¿r ve¡taja sobre otros procesosen los cuales de aire para presión y dirección.La facilidad con que puedecambiarsela velocidadde extrusión la con la controlar el ancho y el calibre áel material, son otras ventajasdel proceso.Comparándolo (por eso je fuertes más películas extrusiónen dado rendija, el método de película sopladaproduce del espesory la puedeusarseuna películainás delgaclapara empacarun producto),pero el control tubular (por forma en dejarse puede velocidaclde proclucciónson bajas.La película sopladafinal polfcular dÉlgBdnr do¡ eumlnl¡trnr pere ejenrplopara bolsasde basura)o puedencortarselos bordes paralelas. hojas y películasde hule (sección Calandrado El calandracloes un procesopara producir pasael materialiniahuladoscomo "i pvc plastificado.En el procesose 16.1.4)orermoplásticos y reducensu espesoral calibredeseacial a travésde una seriede rodillos que trabajanelmaterial El equipoes costoso'pero las velocidades clo.una clisposicióntípica se ilusrraen la figura 15.17. se aproximana 500 pie/min (2'5 m/seg)'se de producci(rnson altas;son posiblesvelocidadesque de los rodillos, presionesy velocidadesde requiere un estrechocontrol sobre las temperaturas al y altaprecisiónde calibraciónen la rotació'. E,lprocesoes notablepor su buen acabadosuperfici calandradoincluyencubiertasde PVC película.Los productosplásticoshechospor el procesode de albercas'botesinflablesy juguetes' parapisos.cortinasparabaños,mantelesde vinifo, cubiertas

326

de conformadoparaplásticos capítulo 15 / Procesos

I Uateriatde alimentación Y

MaterialPlano FIC U R A15.17 U na confi gtrraci ón típicade los rodillosen calandrado.

1 5 . 4 P R O D U C C IN D E F I L A M E N T OYSF I B R A S (HILANDERíA) de La aplicaciónmás importantede las fibras y filamentosson los textiles.Su tlso conlo material es un aplicacióncreciente,pero todavíapequeñaconrparada refuerzoen los plásticos(compuestos) es por con los textiles.Se puededefinir unafibra como una hebralargade material,cuya longitud de longitud lo menos 100 vecesmayor que el ancho de su secciónrecta.lJnfilantento es una fibra continua. Las fibras pueden ser naturaleso sintéticas.Las fibras sintéticasconstituyenactualmente los cercadelT5Vo del mercadode fibras, el poliésteres la más importante,seguidapor el nylon, el algodón acrílicosy el rayón.Las fibras naturalesconstituyencercadel257o del total producido, algoclón). del que la menor es el más importante(la producciónde lana es significativamente de El término hilandería es un vestigio de los métodos tradicionalesde estirado y torcido térmifibras naturalespara convertirlasen hitos o hilazas.En la producciónde fibras sintéticas,el de una a través no se refiere a los procesosde extrusiónde los polímerosfundidos o sus soluciones estiran y hilera (un dado cón múltiples agujerospequeños)para hacer filamentos, los ctlales se depensintéticas, fibras enrollanen una bobina. Hay tres variacionesprincipalesen el hilado cle diendo del polímeroque se procesa:l) hilaclofundido,2) hilado secadoy 3) hilado húmedo. El hitadofundictose usacuandoel polímeroinicial se puedeprocesarmediantecalentamiento, fusión y bombeoa travésde la hilera,a manerade una extrusiótrconvencional.Una hilera típi50 agujerosde diámetro0.010 ca tiene0.25 pulg (6.5 mm) clegruesoy contieneaproximadamente pulg (0.25 mm); los agujerosestánavellanados,y la perforaciónresultantetiene una relaciónLll) de solamente5/l o menor.Los filamentosque emanandel daclose estirany enfrían sintultáneamente al aire, antesde colectarsey devanarseen una bobina,eslo se ilttslraelt la figura 15.18. sigrtificativtlde los Mientrasel polímeroaún estáfundicloocurreun alargamientoy adelgazanlienttl filamentos,de maneraque el diámetrofinal del filamentodevanadoen la trobinaptredeser ta¡rsolo unadécimapartedel tamañoextruiclo.El hilaclofundiclose usa¡rarael poliéstery el nylon' qtle son las fibras sintéticasmás importantes.El hilado fundido es el nrás irnportanfede los tres procesos para fibras sintéticas. por En el hilado secado,el polímero inicial es una solucióncuyo solventepueclesepararse evaporación.La extrusiónse jala a travésde una cámaracalienteque remueveel solvente,por lo demás,la secuenciaes similara la previa.Las fibrasde acetatode celulosay de acrílicoseproducen medianteesteproceso.En el hilado húmeclo,el polímerotambiénes una solttción,exceptoque el solventeno es volátil. Parasepararel polímero,la extrusióndebepasara travésde un líquidoquímico que coagulao precipitael polímero en la forma de hilos coherentes,los cualesse colectanen bobinas.Estemétodose usa para producirrayón (fibrasde celulosaregeneracla).

Sección15.5 lProcesosde recubrimiento Tolva afimentadora

327

Gránulosde polímeros

Unidad calefactora Polímerofundido

Hilera

I Regiónde estiradofundido

-tJ

I

l

I

f . r r r a