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La extrusión es un proceso industrial que transforma polímeros y otros materiales en formas definidas, como tubos y tuberías para aplicaciones tan diversas como piezas de automóviles y juguetes. Se estudia a pequeña escala previo al diseño de máquinas industriales. Los materiales comunes para la extrusión son las poliolefinas, el polietileno y los copolímeros. Durante la extrusión, el material plástico térmico, conocido como alimentación sólida, se transporta, se mezcla y se funde. La sustancia pasa a través de un molde conocido como troquel, después de lo cual se enfría y vuelve a las propiedades no flexibles. Las extrusoras de laboratorio simples se pueden usar para investigar varios parámetros que afectan la salida del polímero utilizando un modelo de ley de potencia. Además, se pueden establecer relaciones entre las condiciones de funcionamiento y las desviaciones del comportamiento teórico, así como la forma extruida. Este video ilustrará cómo funciona una extrusora, cómo operarla y cómo usar el modelo de ley de potencia para evaluar el proceso.
La extrusora consta de una tolva, que alimenta los gránulos de polímero, un barril, compuesto por una cámara cilíndrica con elementos calefactores resistivos para controlar las diferentes zonas de temperatura, y un tornillo helicoidal que gira alrededor de la línea central. Los canales del tornillo son más anchos en el alimentador para promover la mezcla y la fusión. Sin embargo, los canales se vuelven cada vez más estrechos y poco profundos a lo largo del tornillo. El tornillo está diseñado para garantizar un transporte constante desde el alimentador, al tiempo que tiene en cuenta la reducción del volumen, la acumulación y la presión a medida que el alimento se derrite. El comportamiento de un polímero fundido depende de la temperatura, la presión y la viscosidad, que es la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de cizallamiento. Para la mayoría de los polímeros, la viscosidad disminuye tanto con la temperatura como con la velocidad de cizallamiento, lo que los convierte en fluidos no newtonianos. Específicamente, los polímeros fundidos suelen ser viscoelásticos y su flujo se describe mediante un modelo de ley de potencia. La ley de potencias contiene dos constantes empíricas. M es el módulo de viscosidad y depende en gran medida de la temperatura. Y n también puede variar con la temperatura. Las constantes de la ley de potencia se pueden calcular a partir del caudal volumétrico, la presión y la geometría. El caudal se establece pesando la salida de la matriz durante dos intervalos de tiempo. Ahora que ya sabes cómo funciona un extrusor, vamos a aplicar el modelo de la ley de potencia en un experimento real.
El material termoplástico utilizado en este experimento es un copolímero de polietileno de alta densidad, que contiene enlaces de etileno y una olefina de cadena larga. Para comenzar, encienda el escape. Tome los gránulos de polímero y llene la tolva del extrusor. Asegúrese de que el interruptor del motor esté apagado y luego encienda el interruptor principal. Los ajustes de temperatura deben ajustarse al material en uso. Ajuste la temperatura de la zona uno a alrededor de cinco a 20 grados Celsius por encima del punto de fusión del polímero, que es de aproximadamente 200 grados Celsius. Ajuste la temperatura de la zona tres, que es la temperatura del troquel cilíndrico, entre 220 y 250 grados centígrados. Finalmente, configure la temperatura de la zona dos para que esté entre las zonas uno y tres. Compruebe la temperatura de todas las zonas calentadas para ver si alcanzaron el punto de ajuste deseado. Una vez que se alcanzan los puntos de ajuste, espere un mínimo de una hora, una fase llamada remojo de calor. El remojo térmico garantiza la fusión de cualquier polímero sólido residual, que de otro modo puede ejercer una presión excesivamente alta sobre la matriz, lo que resulta en flujos inestables.
Encienda el motor. Ajuste la velocidad deseada usando el interruptor comenzando con RPM bajas. Y aumente gradualmente la velocidad a medida que se ve que el polímero sale de la matriz hasta que se alcance la velocidad deseada más baja. No exceda la presión del troquel de 3,000 psi. Haga funcionar la extrusora durante 10 minutos después de alcanzar la velocidad deseada. Revise periódicamente la tolva para asegurarse de que tenga suficientes gránulos de resina. Pesaje previamente los recipientes que se utilizarán para la recolección de muestras. Póngase guantes de seguridad. Con unas tijeras, corte con cuidado el extruido muy caliente en una bandeja preponderada y pese la masa de polímero que se extruyó entre los intervalos de tiempo medidos para calcular el caudal. Mida el diámetro de la cinta extruida con un micrómetro. Con el controlador de velocidad, ajuste el punto de ajuste a una nueva configuración y espere 10 minutos. Recopile muestras y datos como se realizó anteriormente. Para obtener el conjunto de datos a diferentes temperaturas, baje la velocidad y utilice los controladores de temperatura para ajustar el punto de ajuste de las zonas. Espere 15 minutos antes de recoger las muestras.
Apague el interruptor del motor de la extrusora y el interruptor principal. Usando la tasa de masa y la densidad de fusión del polímero, calcule el caudal volumétrico, Q. Use la ley de potencia para determinar el módulo de viscosidad, m, y el índice de ley de potencia, n, que mejor caracterizan el material a una temperatura de matriz dada. El eje entre estas dos ecuaciones es el equilibrio de momento, que relaciona el esfuerzo cortante con la caída de presión a través del cañón. Combine estas tres ecuaciones en una ecuación diferencial que se pueda resolver para obtener el caudal volumétrico. Linealiza esta ecuación y usa la regresión lineal y no lineal para encontrar m y n y comparar los resultados. Ahora, analicemos los datos y examinemos qué tan bien se ajustan al modelo de la ley de potencia y si son consistentes con el modelo.
La regresión lineal al modelo de ley de potencia se ve en este gráfico, que representa la relación entre la presión, P, y el caudal, Q. El coeficiente de determinación muestra un buen ajuste. El índice de la ley de potencia, n, y el módulo de viscosidad, m, indican que se trata de un pseudoplástico, es decir, a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, la viscosidad disminuye. Es más de 10 millones de veces más viscosa que el agua a temperatura ambiente y 10.000 veces más viscosa que la glicerina. El caudal pareció tener un ligero efecto en la relación de hinchamiento de la matriz, pero no en el deslizamiento del polímero. En resumen, muestra que el modelo de ley de potencia, junto con la ecuación del momento, describe adecuadamente el flujo de este fluido no newtoniano, indicando los cambios de flujo y viscosidad en respuesta a la velocidad y la temperatura del tornillo.
Existe una variedad de técnicas de extrusión que se utilizan tanto en procesos de habilidades industriales como en investigación de laboratorio para crear varios tipos de productos, que van desde tuberías y plásticos hasta biomateriales. Las extrusoras convierten los polímeros en formas simples. También pueden mezclar aditivos no poliméricos con la mezcla de polímeros. Se añaden aditivos para modificar las propiedades mecánicas del producto final, a menudo impartiendo más tenacidad. Algunos ejemplos son los plastificantes, los antioxidantes y los retardantes de llama. Los aditivos inorgánicos, como el talco o el carbono, son de uso limitado porque no se derriten. La extrusión también es la base de la impresión 3D, un proceso en el que una tinta termoplástica sale de una boquilla y se deposita sobre una superficie en muchas capas para crear un material tridimensional. Esta técnica versátil se está explorando en aplicaciones de bioingeniería para bioimprimir construcciones celulares específicas de tejidos. Otro uso clave de las extrusoras es alimentar productos a un molde de inyección, que fuerza el material hacia la cavidad del molde mediante presión. Es similar a la fundición a presión. Este proceso crea productos más especializados y, por lo tanto, tiene un rango de aplicación limitado. Además de tuberías, tubos y materiales de embalaje, la extrusión también se usa comúnmente para el procesamiento de alimentos. Los productos, como el pan, la pasta, los dulces, los cereales o los alimentos para mascotas, se extruyen en grandes cantidades. Los productos con alto contenido de almidón se procesan comúnmente en la extrusión de alimentos debido a sus perfiles de humedad y viscosidad.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la extrusión de polímeros. Ahora debe comprender el proceso de extrusión, cómo el flujo, la velocidad y la temperatura pueden afectar el proceso y cómo aplicar el modelo de ley de potencia para evaluarlo. Gracias por mirar.