procesamiento Polimeros

8/12/2019 procesamiento Polimeros

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TEMA 3. BASES DEL PROCESADO DEPOLMEROS

1. PRINCIPALES TCNICAS DE TRANSFORMACIN DEPLSTICOS .............................................................................................. 86

1.1. Extrusin .......................................................................................... 861.2. Inyeccin.......................................................................................... 871.3. Moldeo por soplado ......................................................................... 881.4. Moldeo rotacional ............................................................................ 901.5. Moldeo por compresin ................................................................... 921.6. Termoconformado ........................................................................... 93

2. OPERACIONES UNITARIAS EN EL PROCESADO DE POLMEROS952.1. Manejo de slidos ............................................................................ 952.2. Calentamiento y fusin de polmeros .............................................. 96

2.3. Flujo a travs de canales .................................................................. 972.4. Solidificacin o endurecimiento ...................................................... 982.4.1. Solidificacin qumica .......................................................... 992.4.2. Enfriamiento de termoplsticos ............................................ 99

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA ....................................................... 100

Resumen

En este tema se describen brevemente las tcnicas de transformacin que setratarn con mayor detalle en los temas siguientes y as como cada una de lasoperaciones unitarias en el procesado de polmeros comunes a todas lastcnicas de transformacin.


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Tecnologa de Polmeros. M. Beltrn y A. Marcilla

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1. PRINCIPALES TCNICAS DE TRANSFORMACIN DEPLSTICOS

En los siguientes temas se van a estudiar los mtodos ms empleados para la transformacin de plsticos, como son la inyeccin, extrusin,

soplado, moldeo rotacional, compresin y termoconformado. A continuacinse da una visin general de los diferentes procesos de transformacin.

1.1. EXTRUSIN

El proceso de extrusin se utiliza ampliamente en la industria de plsticos para la produccin en continuo de piezas con seccin constante demateriales termoplsticos (y algunos termoestables). Se utiliza tambin pararecubrimiento de superficies y en el moldeo por soplado y termoconformado

para la obtencin de las preformas. Consiste en obligar a un material fundido

a pasar a travs de una boquilla o matriz que tiene la forma adecuada, paraobtener el diseo deseado. El equipo debe ser capaz de proporcionar sobre elmaterial suficiente presin de una forma continua, uniforme y reblandecer yacondicionar el material de forma que pueda ser extrudo. Para ello serequiere de una mquina compuesta de un cilindro y un husillo o tornillo de

plastificacin que gira dentro del cilindro, como se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1. Mquina convencional de extrusin con husillo.


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Tema 3. Bases del procesado de polmeros

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El material granulado o en forma de polvo se carga en una tolva, desdela cual se alimenta al cilindro, donde el husillo se encarga de introducirlo,transportarlo hacia adelante y comprimirlo. El calentamiento hasta la fusin serealiza desde la cara exterior del cilindro, mediante elementos calefactores ydesde el interior por conversin del esfuerzo en calor. De esta forma elmaterial termoplstico funde (se plastifica) y al salir del cilindro a travs deuna boquilla recibe la forma de sta. En una lnea completa de extrusin,adems debe existir un sistema de enfriamiento del material que sale de lamquina, as como equipos de tensionado y recogida. El resultado es un perfil(a veces se le llama semifabricado o preforma).

1.2. INYECCIN

El moldeo por inyeccin es, quizs, el mtodo de moldeo mscaracterstico de la industria de plsticos. Consiste bsicamente en fundir unmaterial plstico en condiciones adecuadas e introducirlo a presin en lascavidades de un molde donde se enfra a una temperatura apta para que las

piezas puedan ser extradas sin deformarse. En el moldeo por inyeccin sonde gran importancia las caractersticas de los polmeros tales como pesomolecular y distribucin, configuracin qumica y morfologa, cristalinidad,estabilidad, etc. El comportamiento reolgico de los materiales esfundamental en el moldeo por inyeccin; puede darse el caso, por ejemplo, deque un plstico demasiado viscoso no llene el molde a velocidades de cizalla

bajas, pero que pueda llenarlo si se modifican las condiciones de procesado.

El proceso, en lo que a moldeo se refiere, puede dividirse en dos fases,en la primera tiene lugar la fusin del material y en la segunda la inyeccin enel molde. En las mquinas convencionales como la de la figura 3.2, el materialde moldeo, en forma de grnulos o granza, entra en el cilindro de calefaccina travs de una tolva de alimentacin situada en la parte posterior del cilindro.El material se calienta y funde en el cilindro de calefaccin, al mismo tiempoque circula hacia la parte anterior de ste, gracias al movimiento rotatorio deltornillo de plastificacin que se encuentra en el interior del cilindro, de formasimilar a como ocurre en el proceso de extrusin. Sin embargo, en el proceso

de inyeccin el material plastificado va quedando acumulado en la parte


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anterior del tornillo, para lo cual, el tornillo debe retroceder lentamentemientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundidoacumulado delante del tornillo, se detiene el giro y el tornillo realiza unmovimiento axial hacia adelante, con lo que el material fundido sale por la

boquilla de inyeccin hacia el molde, que en ese momento debe encontrarsecerrado. De esta forma el tornillo acta como tornillo plastificador y ademscomo mbolo de inyeccin. El molde se encuentra refrigerado y en elmomento de la inyeccin del material debe estar cerrado. El tornillo

permanecer en posicin avanzada hasta que el material que se encuentra enlos canales de alimentacin del molde tenga suficiente consistencia para evitarsu retroceso hacia la mquina de inyeccin. Una vez que el tornillo retrocedecomienza a plastificar nuevamente material para el siguiente ciclo. El moldese mantiene cerrado el tiempo suficiente para que el material se enfre a unatemperatura tal que la pieza pueda ser extrada sin que sufra deformaciones.Cuando esto sucede se abre el molde y se extrae la pieza de modo que elmolde queda preparado para el ciclo siguiente.

Figura 3.2. Mquina convencional de inyeccin.

1.3. M OLDEO POR SOPLADO

Mediante el proceso de soplado pueden fabricarse cuerpos huecos comoson depsitos de combustibles, bidones, tablas de surf, depsitos de aceite decalefaccin y botellas. El proceso consiste bsicamente en insuflar aire en una

preforma tubular fundida que se encuentra en el interior del molde. Se empleaexclusivamente con materiales termoplsticos.


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Para ello son necesarias dos piezas fundamentales: una extrusora o unainyectora y una unidad de soplado. El funcionamiento del proceso de sopladose esquematiza en la figura 3.3, para el caso de la extrusin soplado.


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Figura 3.3. Proceso de extrusin-soplado.

La extrusora transforma el plstico en una masa fundida homognea,como se ha descrito anteriormente. El cabezal adosado a ella desva la masahasta la direccin vertical, para despus hacerla pasar por una boquilla que laconvierte en una preforma tubular. Esta preforma queda entonces pendiendohacia abajo. El molde de soplado consta de dos partes mviles con la formadel negativo de la pieza a moldear. Una vez que la preforma tiene la longitudsuficiente, el molde se cierra en torno a ella. Seguidamente el molde sedesplaza hacia la unidad de soplado donde el cabezal de soplado penetradentro del molde y de la preforma, de forma que el cabezal da forma a laregin del cuello del cuerpo hueco y al mismo tiempo le insufla aire. Esto

origina una presin que obliga al material a estamparse contra las paredes delmolde, adoptando la forma deseada. El molde debe permitir la evacuacin delaire entre la pieza la cavidad. La pieza se enfra en el molde de donde esextrada una vez que ha adquirido la consistencia adecuada.

1.4. M OLDEO ROTACIONAL

El moldeo rotacional o rotomoldeo es un mtodo para transformar plsticos, que generalmente se encuentran en polvo o en forma de pastalquida, para producir artculos huecos. En este proceso el plstico fro funde

sobre las paredes de un molde metlico caliente que gira en torno a dos ejes,


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donde ms tarde se enfra hasta que adquiere consistencia para poder serdesmoldeado. Se puede emplear indistintamente para materialestermoplsticos y termoestables.

En rotomoldeo, a diferencia de lo que ocurre con las dems tcnicas detransformacin, el calentamiento y enfriamiento del plstico tienen lugar en elinterior de un molde en el que no se aplica presin. De una forma simple el

proceso se puede describir normalmente, tal y como se muestra en la figura3.4: Una cantidad de plstico fro, se introduce en una mitad del moldetambin fro. El molde se cierra y se hace rotar biaxialmente en el interior delhorno. Como la superficie metlica del molde se calienta el plstico que seencuentra en el interior comienza a pegarse por las paredes del molde. Cuandoel plstico ha fundido, la superficie interna del molde debe estarcompletamente recubierta por el mismo. En ese momento puede comenzar laetapa de enfriamiento mientras contina la rotacin biaxial del molde. Unavez solidificado el plstico se abre el molde y se extrae la pieza.

Figura 3.4. Esquema del proceso de rotomoldeo.

El competidor directo del rotomoldeo para la fabricacin de artculoshuecos es el soplado. Mediante rotomoldeo se pueden fabricar artculos msgrandes que mediante soplado, sin embargo, para piezas que pueden ser


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fabricadas por los dos procesos, el soplado suele resultar ms rentable que elrotomoldeo. El rotomoldeo presentan las ventajas de que las piezas fabricadas

pueden tener formas ms complejas, se pueden emplear simultneamentemoldes de distinto tamao y forma, y adems como no se emplea presin losmoldes resultan relativamente baratos y las piezas estn libres de tensiones.Por otra parte, en el caso del rotomoldeo los materiales deben estar finamente

pulverizados, las etapas de carga y descarga del material se realizan a mano ylos ciclos son relativamente lentos.

1.5. M OLDEO POR COMPRESIN

La industria transformadora de plsticos utiliza el moldeo porcompresin para moldear materiales termoestables. En la figura 3.5 semuestra una prensa empleada en moldeo por compresin. Puede considerarseque el ciclo comienza con la apertura del molde para la extraccin de la piezaobtenida en el ciclo anterior. Una vez limpio el molde se colocan en l lasinserciones metlicas si las hubiere y se introduce el material de moldeo, bienen forma de polvo o en forma de pastilla; se cierra el molde caliente y seaplica presin. En ocasiones se abre despus un instante para permitir la salidade humedad y materias voltiles que pudieran haber quedado atrapadas o quese generan durante el entrecruzamiento del material. Finalmente, se aplicatoda la presin al molde caliente y se mantiene el tiempo necesario hasta queel material haya curado totalmente.


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Figura 3.5. Prensa para moldeo por compresin.

1.6. T ERMOCONFORMADO

El termoconformado es un proceso de moldeo de preformas determoplsticos que generalmente se encuentran en forma de lmina o plancha.El proceso de moldeo del semifabricado o preforma se desarrolla en tresetapas, tal y como se muestra en la figura 3.6. En el primer paso el material secalienta, generalmente por radiacin infrarroja, aunque tambin se puedecalentar mediante conveccin o conduccin. A continuacin se tensa encimade un bastidor y, por medio de aire a presin o vaco, se estampa o se presionasobre las paredes de un molde fro.


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Se distingue entre procesos en positivo y en negativo, segn sea la caraexterior o interior de la pieza la que se moldea. El proceso en negativo es elque queda reflejado en la figura 3.6. Este proceso se emplea para moldear

piezas muy grandes que difcilmente se podran obtener por otra tcnica. La principal desventaja del proceso es que solo una de las caras de la pieza copiaexactamente la forma del molde.

Figura 3.6. Proceso de termoconformado.


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2. OPERACIONES UNITARIAS EN EL PROCESADO DEPOLMEROS

Bajo el trmino de operaciones unitarias en procesado de polmerosse engloban todas aquellas operaciones comunes en las distintas tcnicas de

transformacin, como son manejo y transporte de slidos, fusin, transportede fluidos y solidificacin, que se describen a continuacin.

En alguno de los libros que aparecen en la bibliografa recomendada serealiza un tratamiento muy riguroso de las distintas operaciones unitarias, loque requiere plantear y resolver simultneamente las ecuaciones detransferencia cantidad de movimiento y energa en procesos no isotermos, yteniendo en cuenta adems que los polmeros fundidos o en disolucin sonmateriales compresibles y no Newtonianos. Desde el punto de vista delingeniero qumico es una visin muy adecuada, si bien ese tratamiento

riguroso excede en mucho de los objetivos de este tema, donde slo se pretende dar una breve descripcin de estas operaciones unitarias.

2.1. MANEJO DE SLIDOS

La mayora de los polmeros se suministran a los transformadores enforma de slidos particulados. Esta es la forma ms conveniente demanejarlos, transportarlo, mezclarlos, almacenarlos y ms importante, de

procesarlos en la maquinaria existente. Las formas ms frecuentes son los pelets o granza, en una gran variedad de formas, como cubos, cilindros,

esferas, lentejas o elipsoides, as como polvos o granulados. La granza seobtiene al final del proceso de polimerizacin en etapas especiales. Laeleccin del proceso de granceado depende de la naturaleza del polmero,

produccin requerida y caractersticas del proceso. Los procesos ms comunesson los de cortado del extruido bajo corriente de agua o aire, el cortado en frode tiras. Los tamaos tpicos oscilan entre 3 y 6 mm. Los pelets normalmentecontienen todos los aditivos requeridos para el posterior procesado delmaterial y son las forma normalmente preferida como alimentacin para lasmquinas de transformado como extrusores, inyectores y mquinas desoplado. Otros procesos requieren otro tipo de alimentaciones, as porejemplo, el moldeo rotacional requiere de alimentacin en forma de polvo de


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la granulometra adecuada. Los polvos se pueden preparar directamente en el proceso de polimerizacin o por procesos posteriores de molienda en molinoso pulverizadores (molinos de martillos, de cuchillas, de chorro, etc.). Elmaterial de recortes suele triturarse en granulados de tamao variable que sesuele reprocesar mezclado con material virgen.

2.2. CALENTAMIENTO Y FUSIN DE POLMEROS

En la mayora de las tcnicas de transformacin el polmero estoriginalmente en estado slido y debe calentarse hasta su punto de fusin oreblandecimiento. La capacidad calorfica de los plsticos y el calor latente defusin tienen valores elevados, de modo que la cantidad de calor que hay queaplicar para fundir estos materiales es muy alta. En la tabla 3.1 se muestra elvalor del calor especfico de algunos polmeros en estado slido y en el casode los cristalinos se muestra el calor latente de fusin. Tambin se muestra la

temperatura habitual de procesado de estos polmeros y el calor que esnecesario aplicar a 1 kg de polmero que se encuentra a temperatura ambiente

para alcanzar la temperatura de procesado, calculado de la forma habitual (q =c p T + ). Como se puede apreciar el calor que es necesario aplicar en el caso

de los polmeros cristalinos es mayor que en el caso de los polmeros amorfos,en los que no hay fusin.

Tabla 3.1. Propiedades trmicas de algunos polmeros y cantidad de calornecesario para su procesado.

PolmeroCalor

especfico(kJ/kg/C)

Calor latentede fusin(kJ/kg)

Temperaturade procesado

(C)

Calorprocesado

(kJ/kg)HDPE 2.30 209 240 720

PP 1.93 100 250 550PS 1.34 --- 200 240

PVC 1.00 --- 180 160PMMA 1.47 --- 225 300

ABS 1.47 --- 225 300 Nailon6,6 1.67 130 280 570

El calor para conseguir la fusin en los procesos de transformacin puede proceder de dos fuentes. Lo ms frecuente es que sea aportado desde el


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exterior, por ejemplo por medio de resistencias elctricas, como ocurre en lasmquinas de extrusin o de inyeccin, o por la combustin de un gas que a suvez calienta hornos de conveccin forzada como en el caso del moldeorotacional. La segunda fuente de calor es el propio calor generado cuando seaplica una cizalla muy alta a un fluido muy viscoso. ste se conoce comocalor generado por disipacin viscosa y en los procesos en los que se realizaun trabajo importante sobre el polmero puede llegar a superar al caloraportado desde el exterior.

2.3. FLUJO A TRAVS DE CANALES

En el procesado de polmeros es frecuente que stos sean obligados afluir desde un punto a otro de la mquina a travs de canales de geometracilndrica. Si la longitud del canal es L y su radio R, la cada de presin a lolargo del canal es P y Q es el caudal de fluido que circula por el interior, elesfuerzo de cizalla y la velocidad de cizalla en la pared del canal se puedencalcular por medio de las siguientes expresiones:

Esfuerzo de cizalla en la pared

Velocidad de cizalla en la pared

De modo que de acuerdo con la expresin de Newton la viscosidad se puede calcular de la siguiente forma:

Que no es otra que la ecuacin de Poiseuille. Esta expresin puedeemplearse para determinar la viscosidad de un material que fluye a travs deuna conduccin de dimensiones conocidas cuando se aplica una cada de presin determinada entre los dos extremos de la conduccin, como es por

ejemplo el caso de un polmero fluyendo a travs de una boquilla de


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enfriamiento no se realiza hasta temperatura ambiente, basta con alcanzar unatemperatura a la que la pieza pueda ser desmoldeada sin que se deforme.

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA

Polymer Proccessing, Morton-Jones, D.H., Chapman & Hall, Londres,1991.

Polymer Processing. Principles and Design, Donal. G. Baird, Dimitris I.Collias, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998

Principles of Polymer Processing Z. Tadmor, C.G. Gogos, Wiley Interscience, New York 1979.

Polymer Processing Fundamentals Tim A. Osswald, Hanser Publishers, Munich, 1998

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