Históricamente, las extrusoras de doble tornillo se han utilizado para compuestos, extrusión de perfiles (en particular PVC en doble tornillo cónico o contrarrotante paralelo), desvolatilización, y extrusión reactiva. Recientemente, el doble tornillo está encontrando uso en otras aplicaciones de extrusión, conforme los procesadores están entendiendo la ventaja económica de formular sus propios compuestos y extruirlos directamente en productos acabados tales como laminas o películas, espuma, reciclado y otras formas extruidas.
El gráfico en la Tabla 15.1 compara las aplicaciones de extrusión de doble tornillo para compuestos y extrusión de perfiles con el equipo utilizado y las condiciones de procesamiento. Algunas comparaciones son muy evidentes, mientras que otros requieren explicación. En compuestos, el porcentaje de llenado de tornillo es bajo debido a la alta velocidad y el tiempo de residencia corto en la extrusora.
El uso de doble tornillos se compara con la extrusión mono tornillo, donde se hace una importante cantidad de compuestos y extrusión de perfiles.
Los tornillos tangenciales son extrusoras de doble tornillo, contrarrotantes, paralelos, no entrelazados. Estos se utilizan principalmente para compuestos, desgasificación, y extrusión reactiva; ellos no se utilizan en extrusión de perfiles.
15.1 Compuestos
El principal uso para la extrusión de doble tornillo sigue siendo la fabricación de compuestos de resinas y formulaciones (principalmente co-rotante) o la extrusión de perfiles de PVC rígido para la fachada de la casa, canalones, bajantes, tuberías, pisos, y los perfiles de ventana (los cuales usan extrusoras contrarrotantes, cónicas y paralelas). En compuestos, cada usuario se desarrolla la configuración de tornillo para aplicaciones particulares, y esa configuración de tornillo es tratada como información patentada.
La flexibilidad y versatilidad de extrusores de doble tornillo esta demostrada por su
- Capacidad para alimentar líquidos fácilmente
- Alimentación aguas abajo
- Alimentación aguas abajo positiva con una extrusora de alimentación lateral
- Fácil adición de ingredientes a diferentes puertos de alimentación con los alimentadores gravimétricos o volumétricos
- Ventilación por vacío para la eliminación de sustancias volátiles
- Capacidad para desarrollar mezclado dispersivo y/o distributivo
- Facilidad de modificar diseños de tornillo para optimizar un diseño de tornillo patentado para cumplir con un objetivo específico
Los altos niveles de aditivos (concentrados de color, cargas (1), retardantes de llama, etc.) se pueden dividir en múltiples corrientes de alimentación lateral para dispersar uniformemente los aditivos en altas concentraciones. Se pueden añadir aguas abajo fibra de refuerzo (2,3,4) y cargas, a la masa fundida para minimizar el desgaste por la relación de aspecto de partícula o fibra que se produce normalmente cuando se añade fibra o carga con gránulos fríos en la garganta de alimentación del extrusor. Además, los refuerzos no están expuestos a la región de alto cizallamiento asociada con la fusión de la resina.
La adición aguas abajo permite incorporar un mezclado distributivo en el diseño de tornillo después de que la adición de fibra para distribuir adecuadamente las fibras y romper los haces de fibras, sin destruir la longitud de la fibra.
El mismo enfoque de adición aguas abajo se utiliza para los aditivos sensibles al cizallamiento. Los agentes de soplado, microesferas, u otros aditivos pueden ser destruidos en la garganta de alimentación del extrusor o dañados en la sección de fusión debido al alto cizallamiento. Se pueden optimizar los diseños de tornillo para mezclar suavemente los ingredientes dentro del fundido, mientras que proporciona la mejor distribución y dispersión de aditivo en el producto final.
Los aditivos líquidos, tales como concentrados de color, plastificantes, lubricantes, aceite mineral, etc., se añaden fácilmente aguas abajo con la extrusión de doble tornillo. Dependiendo de cuanto líquido se añade y su estabilidad térmica, el líquido se puede añadir en más de una ubicación a lo largo del cilindro para proporcionar la concentración apropiada en el producto final y la mezcla adecuada. Los mezcladores de engranajes colocados ya sea directamente debajo el puerto de inyección de líquido o más lejos aguas abajo, mezclan eficazmente el líquido en la resina fundida.
Si la concentración de líquido es alta, la adición se puede dividir en mitades o terceras partes, con una mitad o dos tercios agregados en el primer puerto de inyección de líquido y la ultima mitad o tercio añadido en un segundo puerto de inyección líquida más lejos aguas abajo. Los elementos de mezcla adecuados en el tornillo proporcionan una distribución óptima.
Se usan diferentes configuraciones de alimentador para añadir componentes a diferentes puntos de entrada a lo largo de la extrusora. Algunas instalaciones tienen un altillo o segundo piso sobre la extrusora, sosteniendo los equipos de alimentación. Las corrientes de alimentación fluyen libremente por gravedad a través de tuberías a las zonas de alimentación de la extrusora. Los alimentadores se mueven fácilmente de un lugar de alimentación a otro para entregar el material a diferentes lugares de la extrusora.
Acrison Inc. hace un mezclador continuo (5), mostrado en la Fig. 15.1, que es un canal con un transportador de tornillo.
Los diferentes alimentadores están alineados sobre la cubeta en varios lugares, entregando una tasa de alimentación constante a la cubeta, de donde es retirada continuamente por el transportador de tornillo de alimentación árida directamente a la extrusora. Esto permite a los alimentadores agregar fácilmente múltiples ingredientes a una corriente de alimentación que va directamente a la garganta de alimentación del extrusor en la primera sección del cilindro o de una extrusora de alimentación lateral aguas abajo.
Hay varios sistemas de alimentación disponibles para alimentar múltiples corrientes de resina y aditivos en una abertura de alimentación de la extrusora. Los alimentadores han estado suspendidos en la estructura sobre la extrusora para suministrar resina en los diversos puntos de suministro. Diferentes enfoques funcionan, pero todos los enfoques están guiados por los siguientes requerimientos:
- Espacio disponible
- Capacidad para limpiar el equipo entre corridas
- Sistema para entregar resina o aditivos a la tolva de alimentación
- Flexibilidad para cambiar las ubicaciones del alimentador
- La necesidad de calibrar y cambiar de una posición a otra
Otras aplicaciones en compuestos incluyen aleación o mezcla de dos o más sistemas de resinas diferentes. Los componentes de la mezcla puede ser una mezcla física en la que una o más resinas se dispersan en una resina portadora (6). El soporte es la fase continua. Bajo una foto microscópica, se puede observar la fase no continua como pequeñas islas dispersadas en la resina de matriz continua grande . La adición y la dispersión de una segunda o tercera resina en la fase continua determina el desempeño de la propiedad del compuesto, basado en el tamaño de la fase dispersa y la adhesión a la fase continua.
Con un extrusor de doble tornillo, las secciones de mezcla se pueden modificar para proporcionar la dispersión adecuada de la fase no continua o dispersa en la fase continua. Aleación es la mezcla de dos diferentes sistemas de resina con dos temperaturas de transición vítrea distintas, por ejemplo, poliestireno y óxido de polifenileno, en un extrusor para producir un tercer componente con la temperatura de transición de vidrio.
Un ejemplo de aleación es Noryl®, que se produce mediante la mezcla de poliestireno y óxido de polifenileno en una extrusora de doble tornillo. Al igual que con la mezcla, el mezclado durante la aleación es crítica para obtener la mezcla y el tamaño de partícula apropiado. Para alear o mezclar resinas, se pueden añadir todas las resinas a la sección 1 del cilindro o la segunda resina se puede añadir aguas abajo, dependiendo de su estabilidad térmica. Si tres resinas están involucradas, dos se pueden añadir a la garganta de alimentación en la sección 1 del cilindro, y el tercer componente aguas abajo.
Otra aplicación donde la dispersión y el tamaño de partícula son importantes es la mezcla de modificadores de impacto en una matriz de resina para modificar sus propiedades de impacto. El tamaño de partícula, la distribución de tamaño de partícula, y la adhesión de las partículas a la matriz es fundamental en la obtención del máximo desempeño de la propiedad.
Es critico donde se añade el modificador de impacto y el mezclado apropiado para dispersar el modificador de impacto en la fase continua.
La producción de concentrado de color se lleva a cabo añadiendo colores en la garganta de alimentación o aguas abajo a la resina fundida. Los colorantes pueden ser líquidos o sólidos, dependiendo del colorante, la resina con que se mezcla, y su estabilidad térmica.
15,2 Extrusión Reactiva y Desgasificación
La extrusión reactiva (7,8,9) y la desgasificación se llevan a cabo en extrusores de doble tornillo co-rotantes, paralelos, entrelazados y extrusores de doble tornillo contrarrotantes, no entrelazados . La extrusión reactiva se produce cuando se añaden dos o más componentes a un extrusor y una reacción química tiene lugar en la extrusora. Las reacciones típicas realizadas en un extrusor incluyen:
- Reticulación
- Injerto
- Policondensación
- Polimerización a granel
- Funcionalización de cadena principal de resina
- Compatibilización
- Despolimerización o degradación controlada
La extrusión reactiva se realiza actualmente con varios sistemas de resinas comercialmente disponibles para producir nuevos polímeros, o mediante la combinación de dos o más polímeros no compatibles con un tercer material para compatibilizar los primeros dos y producir un producto con propiedades únicas. algunos materiales comercialmente disponibles hechos por extrusión reactiva son
- El polipropileno con injerto de anhídrido maleico
- Noryl GTX
- Nylon con injerto de anhídrido maleico
- Poliuretanos
- Despolimerización de polipropileno
Las ventajas de utilizar un extrusor como reactor son:
- Facilidad de correr a alta temperatura para acelerar la reacción
- Adición secuencial de ingredientes para llevar a cabo la secuencia de adición deseada
- Mezclado dispersivo y distributivo eficiente en la ubicación adecuada
- El contacto íntimo de los diversos ingredientes que resultan de bajo volumen en la zona de reacción de la extrusora
- Tiempo de reacción controlado logrado con la distribución estrecha del tiempo de residencia
- Mayor velocidad de reacción mediante el control de la temperatura de reacción
- Capacidad para lograr la reacción en un medio de alta viscosidad y aún así tener una buena mezcla
La desventaja más importante es que el tiempo de reacción y la cinética de reacción tienen que ser cortos debido a la longitud del extrusor. Para obtener una tasa de producción razonable, se requieren tiempos de reacción cortos para que coincida con el tiempo de residencia relativamente corto en la extrusora. Se pueden añadir secciones de cilindro adicionales para aumentar la longitud del extrusor y el tiempo de reacción; sin embargo, con alta producción, solamente están disponibles aumentos incrementales en el tiempo de reacción. Y ellos son bastante caros.
Obviamente, el criterio más importante es controlar la reacción química en la extrusora. Esto requiere la estequiometría correcta para reacciones de adición, tales como el injerto o la producción de poliuretano, que son controlados por las tasas de corrientes de alimentación de ingredientes. Las reacciones de policondensación son controlados por la eliminación de agua; en consecuencia, la desvolatilización y la ventilación son críticos para la secuencia de reacción.
La reología controlada de los polímeros usa la adición de peróxido al polipropileno para reducir el peso molecular del polímero, que depende de la relación de peróxido a polipropileno. También puede ser necesario proporcionar un ambiente libre de oxígeno. Los requisitos de reacción deben ser entendidos para diseñar la configuración de tornillo y cilindro delextrusor para cumplir los objetivos.
En la práctica, extrusión reactiva es vista como varios procesos pequeños, cada uno dependiente del proceso anterior para producir el producto final correcto. Los componentes reactivos se combinan en una sección del extrusor; si un componente necesita precalentamiento y fundido antes de añadir el segundo componente, esto requiere una sección extrusora separada; los volátiles se eliminan en otra sección; el mezclado para asegurar completa reacción se produce en otra parte; y el producto final deberá ser homogenizado y extruido a través de un cabezal. Catalizadores o compatibilizadores pueden ser críticos en la secuencia de reacción; en consecuencia, la adición en el orden correcto, en cilindros de extrusores determinados, es esencial para la cinética de reacción.
Los extrusores de doble tornillo corrotantes, entrelazados y contrarrotantes no entrelazados se usan para la desvolatilización, para remover disolventes y el agua de las reacciones de polimerización, o para conducir las reacciones de polimerización hasta su finalización
Los extrusores de doble tornillo son significativamente más efectivos en la eliminación de alta concentración de compuestos volátiles, en comparación con extrusores mono tornillo. La desvolatilización es impulsado por buenos sellos de fundido y alto vacío para aislar las diferentes etapas dentro del extrusor. Para eliminar los altos niveles de solvente a concentraciones de partes por millón (ppm), se requieren altos vacíos en múltiples etapas, por lo que el material está sujeto a vacío tres o cuatro veces a lo largo de la longitud del cilindro del extrusor. Si se están eliminando solventes orgánicos, estos se condensan y reusan.
En algunas situaciones, se inyecta un agente de separación en la masa fundida de polímero para ayudar a la eliminación del solvente.
15.3 Perfiles y otras aplicaciones de extrusión de doble tornillo
Como se mencionó anteriormente, los extrusores de doble tornillo contrarrotantes, particularmente los cónicos, se utilizan en extrusión de perfiles rígidos de PVC para producir tuberías, perfiles de ventanas, revestimientos, y otros. Los extrusores contrarrotantes son particularmente eficaces para esta aplicación, por las siguientes razones
(Consulte la Tabla 15.1):
- Corren a baja velocidad del tornillo, generado bajo cizallamiento por calor.
- Su mecanismo de bombeo positivo desarrolla alta uniforme presión del cabezal.
- Proporcionan un mezclado superior para la formulación de PVC.
- Ellos tienen un alto llenado de tornillo.
Los extrusores de doble tornillo contrarrotantes funcionan muy bien en extrusión de perfiles de a causa de la alta, uniforme presión que se genera en el cabezal . Los dobles tornillos corrotantes están encontrando usos en aplicaciones de perfiles, laminas y películas con una bomba de engranajes añadida al extrusor para generar una presión suficiente y constante.
La ventaja de usar extrusores de doble husillo para estas aplicaciones es que la operación de extrusión a medida o cautiva pueden comprar resinas vírgenes y aditivos y hacer su propia compuesto antes de hacer láminas o películas. Anteriormente, un convertidor de película o lámina compraba un material preformulado de un fabricante para su operación. Es más rentable para producir el compuesto internamente e ir directamente a hacer lámina o película en una sola operación.
Además, este procedimiento tiene las ventajas añadidas de una menor historia de calor más la posibilidad de modificar y ajustar la formulación para optimizar la calidad y el desempeño del producto . Numerosos extrusores de doble tornillo corrotante se usan actualmente en aplicaciones de películas y láminas (10). La figura 15.2 muestra una configuración de coextrusión de American Leistritz usando un extrusor de doble tornillo en combinación con un extrusor mono tornillo de Merritt Davis para producir una lámina coextruida.
Los extrusores de doble tornillo se usan para el procesamiento de artículos de espuma continuos en hojas o perfiles (11). El gas se inyecta en el polímero después de la zona de fusión, donde el sello de fundido evita que el gas de soplado regrese y salga de la extrusora. El material se introduce como un gas, líquido, o agente de soplado químico para generar el gas para la formación de espuma. Los agentes químicos de soplado generan gas a una temperatura de descomposición específica. Esto permite que el agente de soplado químico sólido sea introducido aguas abajo o en la garganta de alimentación a la temperatura de fusión apropiado en que se genera gas. El dióxido de carbono y nitrógeno se utilizan como gas y se inyectan directamente en la extrusora bajo presión.
La inyección directa de gas puede producir productos de menor densidad que los agentes de soplado químico. El gas tiene que ser soluble en la matriz de resina para lograr la densidad deseada de la espuma. El pentano es un líquido que se vaporiza a temperaturas muy bajas; se inyecta como un líquido y, tras la vaporización, forma un producto espumado.
Se requieren tres zonas de mezclado para dispersar adecuadamente el agente de expansión en la resina. En primer lugar, el sello dinámico o de sellado de fundido que evita que el gas se escape a través de la garganta de alimentación deben ser suficientes para evitar que el gas fluya hacia atrás a través de la abertura de alimentación. El sello de fundido es normalmente realizado con elementos de mezclado dispersivo y una barrera restrictiva. En la segunda zona de mezclado, el mezclado distributivo combina el gas con la resina fundida para distribuir de manera uniforme a lo largo de la masa fundida. La tercera zona de mezclado es para la homogenización final del fundido antes de salir del extrusor.
La extrusión de doble tornillo es un proceso más flexible y versátil que la extrusión mono tornillo. Desde que los extrusores de doble husillo cuestan mucho más que los extrusores mono tornillo, la extrusión de doble tornillo se justifica por el aumento de su capacidad y flexibilidad para llevar a cabo los proyectos y objetivos que no se pueden hacer con la extrusión mono tornillo.
Referencias y Créditos Fotográficos
1. Mack, Martin R., "Split Feed Compounding of Highly Filled Polymers," Plastics Engineering, p. 31, (Aug) 1990.
2. Grillo, J., Petrie, S., and Papazoglou, E., "The Effects of Polymer Viscoelasticity on Fiberglass Attrition When Compounding Fiberglass Strand on the Corotating Intermeshing Twin Screw Extruder," ANTECProceedings, p. 3380, 1993.
3. Grillo, J., Andersen, P., and Papazoglou, E., "Experimental Studies for Optimizing Screw and
Die Design When Compounding Fiberglass Strand on the Corotating Twin Screw Extruder," J. Reinforced. Plastics and Composites, p. 311, 12(March), 1993.
4. Grillo, I , Andersen, R, and Papazoglou, E., "Die Design for Compounding Fiberglass Strand on the Corotating Twin Screw Extruder," ANTEC Proceedings, p. 122, 1991.
5. Acrison Inc., Moonachie, NJ.
6. Mack, Martin, "Mixing of Incompatible Polymer Systems in Corotating Twin Screw Extruders,"
ANTEC Proceedings, 1989, paper 153.
7. Thiele, William, "Reactive Compounding with Your Extruder," Plastic. Formulation, and Compounding, 2(6), 1996.
8. Thiele, William, "Introducing the Twin Screw Extruder as a Continuous Reaction and Compatibilization Tool," NRC-CNRC Short Course on Compatibilization of Polymer Blends, Dec, 1995, Boucherville, Quebec.
9. Thiele, William, and Biesenberger, Jeffery, "Integrating Compounding and Reacting with Finished
Products Extrusion," Styrenics RETEC, Feb. 1995, Dallas, Texas.
10. Elliott, Bert, and Martin, Charles, "System Design/Integration for Direct Film and Sheet Extrusion from a Twin Screw Compounding Extruder," Film & Sheet Conference, Dec, 1997.
11. Thiele, William, "Twin Screw Extruders for Foam Processing," Foam Conference, Somerset, NJ, 1996.
Extracto de:
Extrusion - The Definitive Processing Guide and Handbook - Giles, Wagner, Mount - 2005 - Twin Screw Extrusion - Applications
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