3. Introduccion Al Mezclado de Polimeros Abr Jul 2013

Universidad Simn Bolvar Procesamiento de Polmeros (MC-2510)

INTRODUCCIN AL MEZCLADO DE POLMEROS

El proceso de mezclado se consigue mediante distribucin y/o dispersin de un componente

minoritario en un componente mayoritario (matriz).

El componente minoritario se considera como la fase distribuida o dispersa en forma de

gotas, filamentos o aglomerados.

Tipos fundamentales de mezcla: lquido-lquido, slido-lquido y slido-slido

De all es que se definen dos tipos de mezclas:

Mezclas extensivas o distributivas

Mezclas intensivas o dispersivas

EL PROCESO DE MEZCLADO

MWCNT/PC Polymer 51 (12) 2708 (2010)


Mezclas extensivas o distributivas (blending):

consiste en combinar todos los ingredientes antes de ser

mezclados. El resultado es una mezcla de polvos, los

cuales pueden ser separados individualmente. En la

prctica, es un trabajo difcil.

Mezclas intensivas o dispersivas (compounding): este

tipo de mezcla incluye una dispersin de los aditivos dentro

de la matriz polimrica. Suele requerir un cambio fsico de

los componentes logrado con altas fuerzas de corte y que

el polmero debe estar en estado fundido o cauchoso

durante el mezclado. Este cambio implica reduccin del

tamao de partculas o deformacin.

PP + pigmento inorgnico

Para obtener productos satisfactorios es necesario una buena dispersin y buena distribucin.

Caucho + negro de humo +

CaCO3


TIPOS DE MEZCLADO

TIPOS DE MEZCLADO

Buena dispersin

Mala distribucin

Mala dispersin

Buena distribucin

Mezclado eficiente

Buena dispersin

Buena distribucin

Tamao uniforme

Mala dispersin

Mala distribucin


MEZCLADO DISTRIBUTIVO Y DISPERSIVO

ROTURA DE GOTAS DEL FUNDIDO

Generalmente, las gotas en el interior de una matriz incompatible tienden a

permanecer esfricas.

Pero, si el mezclador aplica una tensin sobre las gotas puede llegar a deformarlas

y, si la tensin es suficiente, puede tambin llegar a dispersarlas.

Las gotas se dispersarn cuando la tensin superficial no pueda mantener su forma

en el fluido y los filamentos se rompan en gotas ms pequeas.

Este fenmeno de dispersin y distribucin contina repitindose hasta que la

tensin aplicada no sea capaz de superar la tensin superficial de las nuevas

gotas formadas.


SRCa

La rotura de la gota viene gobernada por un parmetro llamado Nmero

de Capilaridad (Ca) que depende de:

la tensin o esferzo aplicado sobre la gota

R dimensin caracterstica de la gota

(adimensional)

s la tensin superficial



Representa la relacin entre las fuerzas viscosas que tienden a

deformar (y romper) la gota con respecto a las fuerzas de tensin

superficial que tienden a mantener unida la gota


Sin embargo, en el fluido antes de romperse se produce

una elongacin o deformacin de las gotas hasta que

llega un momento en que la nueva forma cilndrica

llega a ser inestable y empiezan a aparecer pequeas

perturbaciones en la superficie que llevan a la

aparicin de una serie de ondas conocidas como

inestabilidad de Rayleigh que van aumentando hasta

llegar a la rotura.

La rotura se produce cuando el nmero de capilaridad

alcanza un valor crtico.




La calidad del mezclado depende en parte de lo que se quiera

mezclar. Se pueden hacer tres clases de mezclas:

Mezclas homogneas de polmeros compatibles

Caucho natural y poliisopreno

Mezclas monofsicas de polmeros parcialmente incompatibles

PE y poliisobutileno

PE y PP (5% de PE en PP)

PC y PET

Mezclas multifsicas de polmeros incompatibles (se recomienda el uso de agentes

compatibilizantes)

PE/PS

PA/PE

PP/PS

TIPOS DE MEZCLADO: POLMEROS CON POLMEROS


EQUIPOS DE MEZCLADO

MEZCLADORES DISCONTINUOS

RODILLOS AMASADORES

MEZCLADOR INTERNO O BANBURY

Muy usado en la industria del caucho


EQUIPOS DE MEZCLADO


La cuchilla del Banbury tiene forma de

pera pero la proyeccin es un espiral a

lo largo del eje y las dos espirales se

intercalan y rotan en direcciones

opuestas. La combinacin de

esfuerzos produce mezclas altamente

homogneas.


EQUIPOS DE MEZCLADO



CARACTERIZACIN DE UNA MEZCLA

Una mezcla puede ser, generalmente, caracterizada o evaluada segn:

Uniformidad: un indicador de la uniformidad es la distribucin de la concentracin de las partculas en un tamao de muestra adecuada.


Textura: Percepcin visual de la no-uniformidad de la mezcla. Depende del tamao de la muestra.

Se puede tener una misma uniformidad pero diferente textura.

Estructura Local: se evala la mezcla a nivel de tamao y forma de la partcula. Se debe usar una escala de examinacin del mismo orden de magnitud que

el menor tamao de partcula. El microscopio es la va ms comn.

La evaluacin o caracterizacin de una mezcla se puede hacer mediante dos

mtodos:

1. Visual o cualitativo



2. Mtodo Instrumental Propiedades fsicas: resistencia a la tensin,

resistencia a la friccin, clculo de Mdulo de

Elasticidad y resistencia al impacto.

Propiedades viscoelsticas: viscosidad

variable y flujo discontinuo

Propiedades de campo: Extrusin (pelculas,

tubos, perfiles), cadas de lneas (presencia de

grumos), puntos visibles, lneas de flujo

frecuentes, torque variable, ojos de pescado

(PVC partculas infusibles). Inyeccin: piezas

deformadas y mala distribucin. Termoformado:

grumos en el fondo de la pieza, piezas

incompletas por falta de estirabilidad (

dispersin, elasticidad) y diferente espesor a

lo largo de la pieza

Microscopio electrnico: Similar al

anterior con mayor precisin en el

barrido



Intensidad de Segregacin: a menor intensidad, mejor

distribucin. EFECTO DISTRIBUTIVO

Escala de Segregacin: a menor escala, mejor mezclado y

menor tamao de partcula. EFECTO DISPERSIVO



Mejor

distribucin

Efecto

dispersivo



Depende del estado fsico de los componentes:

Mezclado de resinas lquidas:

Pinturas (acrlicas, vinlicas, etc)

Adhesivos (cianoacrilatos, fenlicos, etc) + aditivos como: cargas, colorantes,

lubricantes, etc.

Mezclado de compuestos slidos:

Granular: PS, PE + masterbatch

Polvos: PVC + aditivos

Mezclado por fusin:

Polimezclas

Termoplsticos reforzados

Fabricacin de masterbatch

TIPOS DE MEZCLADO


Es el movimiento irregular en el seno de una masa fluida, producto del

cizallamiento generado por un agitador, generando la dispersin de los

ingredientes.

Fines de la Agitacin:

Suspensin de partculas slidas

Agitar lquidos miscibles

Dispersin de un gas dentro de un lquido

Emulsin suspensin de lquidos inmiscibles

Equipos de Agitacin:

Tanques o recipientes generalmente cilndricos

Uso de placas deflectoras cortaflujos para eliminar vrtices

Altura del lquido (Hl) similar dimetro del tanque (Dt)

Dimetro del tanque (Dt) similar a 3 veces el dimetro del agitador (Da)

Mezclado de lquidos


TIPOS DE AGITADORES


AGITADORES DE ALTA VELOCIDAD

Agitador de hlice

2,3,4 aspas

500-1000 rpm

Econmicos

Uso de cortaflujos para mejorar eficiencia (se eliminan vrtices)

Flujo axial

Sistema Liquido-liquido de baja viscosidad

Placa

deflectora


En un tanque agitado se presentan tres tipos de flujo:

Flujo longitudinal o axial

Flujo radial

Flujo tangencial

Longitudinal y radial favorecen el mezclado

Tangencial favorece la formacin de vrtices o remolinos, lo cual no es recomendable.


TIPOS DE FLUJO EN TANQUES AGITADOS

TIPOS DE FLUJOS

Flujo Laminar: es aquel donde las partculas se mueven sin que haya una

mezcla significativa entre ellas.

Flujo turbulento: es aquel donde los movimientos del fluido son de forma

irregular permitiendo que las partculas se mezclen entre s.


Para medir como se est comportando el fluido se emplean el parmetro

adimensional del Nmero de Reynolds. El cual relaciona los parmetros

fsicos que describen las condiciones de flujo como velocidad y viscosidad.

NRe = r D v / h

Donde:

r = densidad, D = dimetro, v = velocidad de fluido y h = viscosidad

NRe < 104 Rgimen de flujo laminar

NRe > 104 Rgimen de flujo turbulento


TIPOS DE FLUJOS

Para evitar los vrtices se deben colocar cortaflujos

Descentrar el agitador

Inclinar el agitador

Pala plana Hlice


TIPOS DE FLUJO EN TANQUES AGITADOS

P = Q H g

P = Potencia

Q = Velocidad de flujo volumtrico del lquido

H = Carga (o altura) del lquido

= Densidad

g = Aceleracin debida a la gravedad

La potencia de un lquido ejercida por medio de

una bomba viene dada por la siguiente

expresin:


CONSIDERACIONES SOBRE EL MEZCLADO DE LQUIDOS

Tanto la componente radial como la longitudinal contribuyen, generalmente, a

la mezcla, pero no siempre la componente rotatoria.

La velocidad de flujo creada, en un depsito, por un mezclador tiene tres

componentes:

Una componente radial que acta en direccin perpendicular al eje.

Una componente longitudinal o axial que acta paralelamente al eje.

Una componente rotatoria que acta en direccin tangencial al crculo de rotacin del eje.


CONSIDERACIONES SOBRE EL MEZCLADO DE LQUIDOS

AGITADOR DE TURBINA

Ideal para lquidos viscosos (200-1000 poises)

Flujo radial (1)

Flujo axial cuando se colocan placas deflectoras (2)

Impulsan el lquido radialmente contra las paredes laterales del tanque. All la

corriente se divide:

1. Una parte fluye hacia abajo hasta el fondo y vuelve al rodete por la parte

inferior.

2. Otra fluye hacia la superficie del lquido y regresa al rodete por la parte

superior.

Se tienen dos corrientes de circulacin separadas.

2

1

Placa

deflectora


Estn constituidos por un componente impulsor con ms de cuatro hojas,

montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio.


AGITADOR DE TURBINA

1000-2000 rpm

Flujo radial

Uso de discos rugosos o dentados para generar flujo tangencial


AGITADOR DE DISCOS

Poco usados

< 500 rpm

Flujo radial (no dan lugar a corrientes verticales)

Consiste en una o ms aspas, fijas a un eje

giratorio, que crea corrientes en el lquido; estas

corrientes deben recorrer todo el recipiente de

mezcla, pero solo en sentido radial no vertical.

LIMITANTE

Para conseguir la mezcla en un tiempo moderado,

la velocidad de un flujo volumtrico debe ser tal que

se barra el volumen del depsito de mezcla en un

tiempo razonable.

AGITADORES DE BAJA VELOCIDAD

AGITADOR DE PALETAS


ALGUNOS TIPOS DE AGITADORES DE PALAS O PALETAS

AGITADOR DE PALA PLANA

AGITADOR DE REJA


PALA DE GIRO OPUESTO

AGITADOR DE ANCLA


ALGUNOS TIPOS DE AGITADORES DE PALAS O PALETAS


TIPOS DE AGITADORES EN FUNCION DE LA VISCOSIDAD

Los equipos utilizados para el mezclado de polmeros slidos se pueden

clasificar en:

a.- Equipos para mezclado distributivo

Mezclador de cintas

Turbomezclador

Mezclador tipo sigma

Molino de bolas

MEZCLADO DE SLIDOS


MEZCLADOR DE CINTAS (RIBBON BLENDER)

Construido en forma de media caa

Provisto de aspas en forma de cintas que giran a

baja velocidad.

Se calienta con vapor.

Se usa para mezclar PVC slido rgido

Los ciclos de mezclado suelen ser de 30 a 45

min

Se producen mezclas secas con buenas

uniformidad

LIMITANTE:

Se forman grnulos de material

Aparecen puntos duros sobre la superficie del

producto terminado


Es usado para preparar PVC rgido y

flexible

No se necesita calentamiento previo de

los lquidos

Aumento de temperatura por friccin

Ciclos de mezclado: 6-15 min.

Velocidad de rotacin: 800-3000 rpm.

Relacin dimetro/ profundidad del

tanque (D:H = 1:1)

Las partculas de material son

aceleradas por la herramienta de

mezclado y movidas en forma

ascendente para descender en forma de

cascada

TURBOMEZCLADOR


Dos cuchillas en forma de Z o sigma rotan en direcciones contrarias a velocidades iguales diferentes.

Bordes dentados para producir desgarre

MEZCLADOR TIPO SIGMA


Recipiente cilndrico que contiene gran nmero de bolas de acero en diferentes tamaos

Proceso lento: varias horas de molienda para lograr destruir los aglomerados Mezclado dispersivo y mezclado distributivo.

MOLINO DE BOLAS


Objetivo:

Dispersar la resina en el plastificante junto con las cargas, pigmentos,

estabilizantes, etc.

Reducir el grado de aglomeracin de las partculas por accin de cizalla

continua

Equipos utilizados:

Mezcladores de baja velocidad (h > 20000 cps) Ej. Mezclador de paletas

Mezcladores de alta velocidad (h < 20000 cps) Ej. Mezclador de turbina

y Mezclador de alta intensidad (disco)

MEZCLADO DE PLASTISOLES


2 rodillos con ejes horizontales y separados que rotan a igual velocidad con

una relacin 1/1.1 a 1/1.4

Altos esfuerzos de corte en el espacio entre rodillos cuando giran en

direcciones opuestas

Mezclado dispersivo excelente en la direccin del eje de los rodillos

Mezclado distributivo?

Procedimiento de mezcla:

Pasar la cantidad apropiada de material por el espacio entre rodillos varias

veces, hasta que se forme una banda

Aadir los aditivos manualmente a lo largo de los rodillos

Se realizan cortes transversales

DISTRIBUTIVO

MOLINO DE RODILLOS


Cundo utilizar un molino de rodillos?

Para transformar la masa que salen del mezclador interno o banbury en lminas bandas ms fciles de manipular (Ej. Preformas)

Para la adicin de ingredientes sensibles (agentes vulcanizantes de cauchos) para reducir la posibilidad de un entrecruzamiento prematuro


MOLINO DE RODILLOS

Cmara cilndrica con 2 rotores que giran a velocidad ligeramente diferentes

para crear turbulencia

Pistn que mantiene la mezcla dentro de la cmara y que ejerce cierta presin

Calentamiento por disipacin viscosa

Sistema de enfriamiento para prevenir sobrecalentamiento

BANBURY


1. Molienda:

Accin que rompe grnulos y aglomerados.

Accin cortante de los rotores (dispersivo)

2. Amasado:

Distributivo

3. Corte longitudinal:

Fuerza que obliga al material a desplazarse hacia el centro de la cmara

Longitud desigual de las alas del rotor (distributivo)

4. Trasiego lateral:

Accin en la que una parte del material es empujado al lado opuesto de

la cmara (distributivo)

ACCIONES DE MEZCLADO EN UN MEZCLADOR INTERNO


1. Tamao de la mezcla

Cantidad ptima de material que se introduce en el mezclador (75 80% de su

capacidad mxima)

2. Velocidad de los rotores

Giran a velocidades distintas v1 = 2/3 v2.

Si aumenta la velocidad, disminuye el tiempo de mezcla.

Si aumenta la velocidad, aumenta el calentamiento viscoso por lo que puede

generarse degradacin

VARIABLES QUE AFECTAN EL MEZCLADO EN UN MEZCLADOR INTERNO


3. Presin del Compuesto

Es la que permite que haya accin de mezclado evitando que el compuesto patine

contra las paredes de la cmara, aumentando as la accin cortante



4. Refrigeracin:

5. Acabado de los rotores:

Un rotor spero proporciona MAYOR PRODUCCION que un rotor cromado, aunque la

DISPERSION es PEOR



6. Pistn:

Ejercer presin sobre mezclado

Accin de mezclado

Retencin de materiales dentro de la zona de accin de los rotores

Aumenta la friccin entre las paredes

Introducir los compuestos a travs del cuello cilindro

Al aumentar P pistn , aumenta la P cmara y se incrementa la Potencia



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BIBLIOGRAFIA


3. Introduccion Al Mezclado de Polimeros Abr Jul 2013

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