Todo lo que siempre quiso saber sobre el enfriamiento por extrusión

Agarre Allan | 12 de enero de 2023

La columna de extrusión de este mes es sobre fría, apropiada para enero. A menudo, la extrusión es fría y húmeda, lo que es aún más apropiado este año.

Para que un termoplástico se ablande lo suficiente como para extruirse, debe calentarse: el termo en termoplástico. Antes de continuar, aclaremos dos cosas.

Primero,El calor es una forma de energía , por lo que se puede contar y medir. La energía tiene muchas formas, pero no aparece ni desaparece. sin magia Se puede medir en calorías: el calor que eleva un gramo de agua 1°C. Es una cantidad pequeña, por lo que es común usar letras mayúsculas: calorías (Cal) o calorías (Kal o Kcal) para representar 1000 calorías pequeñas. Si usa julios: 4,2 julios = 1 caloría.

Los números se conocen desde hace mucho tiempo, pero a veces se ignoran o se evitan cuando contar no es bienvenido. Lo mismo para las personas que no quieren contar las calorías de los alimentos, lo cual no es científico pero permite otros placeres de comer, como el gusto y la "libertad" de seguir el impulso y la imagen, como "Si es verde, es bueno para ti". "

Los científicos también podemos disfrutar de la comida, incluso si contamos las calorías: 9 Kcal/gramo de grasas o aceites y 4 Kcal/gramo de proteínas y carbohidratos (almidón, azúcares), si se digieren y están disponibles. Sí, las grasas son nutrientes como fuentes de energía, y las proteínas son lo mismo que los almidones y los azúcares, pero la imagen pública dice lo contrario. El agua, 80 % para la carne y variable en las verduras, también es buena para ti, pero no es una fuente de energía. Entonces, no cuenta. Internet y las etiquetas de los alimentos están llenos de esta información, pero recuerda que es por gramo, por lo que la cantidad que comes es importante. Alrededor de 30 gramos = una onza y 454 gramos = 1 libra, así que no dejes que los gramos te detengan.

El segundo elemento para aclarar esescalas de temperatura . Necesitamos hablar tanto C como F, y si tenemos un indicador o punto de datos, saber cuáles son las unidades. Es fácil: 5°C = 9°F y 0°C son 32°F (el agua se congela en hielo, las mismas moléculas pero estructura organizada). Fahrenheit (F) inventó el termómetro en 1717, pero Celsius (C) basó la escala en la congelación y ebullición del agua en la costa de Suecia, igual que en el nivel del mar en EE. UU. (varía con la altitud, pero él no lo sabía).

Volvamos a los plásticos. Para entender el enfriamiento, debemos entender el calentamiento. No existe el frío: enfriar significa eliminar energía. Se necesitan alrededor de 138 Kcal (0,16 kWh) para calentar 2,2 lb (1 kilogramo) de polietileno de baja densidad (LDPE) desde una temperatura ambiente de 73 °F (25 °C) hasta una temperatura de extrusión de 410 °F (210 °C). ). Eso es alrededor de 0,61 Kcal por libra. Estos números son ideales, pero en el mundo real hay pérdidas reales; si no tengo otra información, supongo que se necesita el doble de esto. Por lo general, todavía es muy poco para preocuparse por el costo, pero no por el sobrecalentamiento.

La mayor parte de esta energía proviene del motor a medida que supera la fricción para mover el tornillo hacia adelante en la masa fundida pegajosa. Algunos provienen de calentadores de troquel y también de calentadores de barril para plásticos de alta temperatura como PET y nailon. Esos números incluyen tanto el aumento de la temperatura como la ruptura de la cristalinidad, que es de alrededor del 40 % para el LDPE.

Es difícil encontrar tales datos incluso en Internet. Yo uso Rao & O'Brien (Hanser, 1998), y los científicos de polímeros conocerán otras fuentes, pero las extrusoras no se preocupan mucho por eso, ya que la mayoría de las máquinas pueden agregar calor más que suficiente. Sin embargo, lleva a un malentendido común que la mayor parte del calor proviene de los calentadores de barril, porque esas son las temperaturas que regulamos tanto con los calentadores como con el enfriamiento por aire o agua.

Pero la prominencia del calor del barril es cierto solo para máquinas muy pequeñas, o cualquier máquina que funcione lentamente, algunas de recubrimiento por extrusión, algunas gemelas y polímeros de alta temperatura, como se señaló anteriormente. Los calentadores son necesarios para el arranque y son útiles para mantener las cosas estables, pero generalmente no son una fuente importante de calor. La temperatura del cañón trasero es crítica por otra razón: controla el deslizamiento de los perdigones en las paredes del cañón en la(s) primera(s) zona(s) y, por lo tanto, controla la velocidad de entrada/salida.

Las extrusoras de barril ranurado son un caso especial importante, a menudo utilizado para PE de alta densidad (HD). Si tienes uno, obtén más información sobre cómo funciona. La primera zona está refrigerada por agua para evitar que se pegue y se derrita allí. Con los barriles simples, también puede haber enfriamiento para evitar que se peguen los pasajes de entrada de alimentación, pero a menos que haya ranuras, esto rara vez se controla de cerca.

Una vez que el plástico está lo suficientemente caliente como para salir del troquel, se debe eliminar el calor sin distorsionar las dimensiones del producto. Hay tres refrigerantes principales: agua, aire y una superficie de metal enfriada, como un rodillo. Los fluidos de transferencia de calor se utilizan donde se desean temperaturas superiores a 100 °C, como en el interior de algunos rollos para líneas de láminas.

Para la mayoría de los perfiles, incluidos tubos y tuberías, el agua es suficiente, con un dispositivo de dimensionamiento en la entrada y tanques de agua largos (canales) que alimentan un extractor, un cortador o una bobinadora. Una impresora también puede estar en esa línea.

Estos productos normalmente se enfrían con agua en la superficie exterior de la masa fundida emergente. Tenga en cuenta que algunos polímeros flotan y todos los tubos se empujarán hacia arriba si se sumergen, por lo que los rociados alrededor permiten una uniformidad total. Con la inmersión total hay contacto total, pero puede ser necesario empujar hacia abajo y puede distorsionar el producto.

El grosor importa, ya que el calor se mueve lentamente a través del plástico y en proporción a la diferencia de temperatura, por lo que más grueso = más lento. Todos los plásticos se encogen cuando se enfrían, especialmente los semicristalinos. Si se enfría demasiado rápido, habrá más estrés en el producto, lo que puede o no importar (puede probar esto con termorretráctil).

Los dispositivos de dimensionamiento pueden tener refrigeración separada, incluso aquellos que pueden variar las dimensiones del producto sobre la marcha. Se puede aplicar un anillo de agua al producto a medida que ingresa al calibrador para causar un poco de contracción y lubricar su entrada.

Se puede usar vacío en el dimensionamiento, ya sea para sacar el plástico caliente a dimensiones metálicas fijas (manguito de dimensionamiento) o, con productos huecos como tuberías, para reducir la presión en el espacio de aire de modo que la presión del aire dentro del producto hueco lo empuje hacia afuera para ajustarse. al hardware del medidor. Demasiado vacío puede ralentizar o detener el movimiento deslizante, por lo que se necesita un buen control de la presión y materiales lubricantes.

El compuesto y algunos filamentos pueden extruirse hacia abajo en un tanque de agua. El ajuste de nivel controla la distancia entre la matriz y el agua, y la temperatura de la matriz, el derretimiento y el agua importan.

Los mezcladores de mayor rendimiento pueden tener refrigeración interna, donde el agua está dentro y debajo de un troquel redondo con una hoja de corte giratoria en el interior que arroja los gránulos calientes a la corriente de agua. Los troqueles en línea, una o dos filas de orificios, generalmente se estiran como hilos a través de un tanque de agua externo, aunque los hilos de los troqueles redondos también se pueden enfriar.

El mayor uso del aire como refrigerante es en la película delgada soplada (tubular), donde un tubo caliente sale de la matriz hacia arriba (algunos van hacia abajo o hacia los lados) y un anillo de aire sopla aire en la superficie emergente, que también se expande y adelgazamiento por la presión del aire interno. El aire exterior se puede enfriar para obtener una producción más rápida. Como se trata de un gran mercado, existen muchas variaciones de este principio, en particular, el enfriamiento por burbujas internas y la extrusión hacia abajo con agua y aire como refrigerantes. Los iris extraen el aire caliente de la superficie para que el aire más frío pueda entrar y ganar velocidad.

Las superficies de rollos de metal son comunes para enfriar la mayoría de las láminas planas, recubrimientos por extrusión y algunas películas. Los más comunes para la hoja son las pilas de varios rollos; la mayoría se colocan verticalmente, y algunos están en ángulo, incluso horizontales, y pueden permitir que la masa fundida caiga en un pellizco. Las películas delgadas y los recubrimientos pueden tener solo un gran rodillo de enfriamiento con el que el plástico entra en contacto cuando sale de la matriz (distancia ajustable).

Las verticales a menudo corren por la pila, con la superficie inferior de plástico golpeando primero el rollo del medio, rodeándolo y luego enfriando la otra superficie del rollo debajo del primero. El rodillo superior no se enfría mucho pero aplica presión al extruido emergente; también puede precalentar, estampar y/o aplicar una capa de laminación. Cuando la superficie superior es crítica, el sistema puede subir por la pila, manteniendo la primera superficie enfriada siempre en el lado superior y, por lo tanto, sin hacer contacto con los rodillos de soporte.

En el enfriamiento por rodillos, las temperaturas del agua se controlan de cerca con intercambiadores de calor, si es necesario. Preste atención a las diferencias en el extremo central de las temperaturas del troquel, que en los troqueles planos puede ser más fácil de manejar en/sobre el troquel (brecha, aislamiento puntual y calentamiento y ajustes) que en el enfriamiento. Dichos cambios de troquel también pueden ser útiles para otros troqueles, no solo los planos, y todos pueden necesitar un termómetro infrarrojo de ángulo estrecho.

Los bordes de los productos planos que se van a recortar pueden encerrarse y enfriarse con aire o hacerse más delgados para evitar un enfriamiento más lento y enviar menos recortes para volver a moler. Además, los ventiladores de aire sobre las superficies expuestas (incluidas las partes inferiores) pueden aumentar el enfriamiento.

Gran parte del moldeo por soplado es alimentado por extrusoras, y se aplican algunos de los comentarios anteriores, especialmente aquellos relacionados con tuberías. Sin embargo, el enfriamiento está en los moldes y está más relacionado con el moldeo por inyección que con la extrusión de tuberías.

Los fluidos refrigerantes se pueden refrigerar para un mejor enfriamiento, pero si están demasiado fríos, sus conductos de transporte pueden condensar el agua de la atmósfera y calentarse, por lo que el aislamiento puede pagarse solo. El aire enfriado para la película soplada es un costo operativo significativo a menos que esté bien administrado (con mediciones de temperatura y valores deseados conocidos).

La temperatura del alimento a menudo se descuida y es especialmente importante si el alimento se almacena al aire libre. Dicha variación (día-noche, estacional o provocada por el sol) se puede evitar precalentando el alimento, incluso si no es necesario eliminar la humedad, ya que la temperatura uniforme del alimento puede ser una ventaja suficiente para justificar su costo. Aísle la tolva y tal vez algunas líneas de transmisión para reducir la pérdida por radiación. La alimentación en polvo es un problema real pero superable.

El precalentamiento también es un remedio para los sistemas en los que el motor no genera suficiente calor y el cilindro y la matriz no pueden compensar o no están totalmente disponibles.

Preenfriar la alimentación puede ser útil para mantener constante la temperatura de la alimentación, pero es raro, ya que solo significa que se necesita más calor en la extrusión real.

Algunas líneas pueden dirigir el aire caliente desde alrededor del barril hacia la alimentación. No es común, pero es atractivo en climas muy fríos o donde los costos de energía son inusualmente altos. En gran parte de América del Norte, los costos de energía son lo suficientemente bajos como para desalentar tales ahorros, pero eso puede cambiar en el futuro, o incluso ahora si la administración está tratando de reducir la dependencia de la red eléctrica. Alguien debería saber cuánto se ganaría y no debería tener que adivinar.

Esto también se puede hacer con agua de enfriamiento, pero hay menos extrusoras enfriadas por agua y es posible que el ahorro de costos por sí solo no lo justifique.

La reutilización del calor del enfriamiento del producto no es común pero posible, y vale la pena prestar atención si puede aumentar la velocidad de producción y puede vender el aumento de manera rentable. La eficiencia de las líneas enfriadas por agua a menudo se puede optimizar haciendo pasar el producto a través de cortes que eliminan la capa de agua caliente alrededor del producto y, por lo tanto, fomentan el flujo de agua más fría cerca de las superficies del producto.

No olvide la contracción posterior al enfriamiento, que puede afectar la impresión y las dimensiones recortadas. No todo termina cuando puede apilarlo o rodarlo, ya que algunos plásticos se encogen durante horas o más después de enfriarse en línea, y parte de esto depende de la velocidad de ese enfriamiento.

Por último, pero no menos importante, muchos tornillos pueden refrigerarse internamente por líquido durante el funcionamiento mediante un intercambiador de calor para garantizar una temperatura de entrada constante. Eso no saca mucho calor del sistema, pero mejora la mezcla. Es reversible, no necesita maquinaria nueva, pero reducirá la producción por rpm. Si el aumento de la velocidad del tornillo puede recuperar la pérdida, esun ganar-ganar.

Sobre el Autor

Allan Griff es un ingeniero de extrusión veterano, comenzó en el servicio técnico para un importante proveedor de resinas y ahora trabaja por su cuenta durante muchos años como consultor, testigo experto en casos legales y, especialmente, como educador a través de seminarios web y seminarios, ambos públicos. e in-house, y ahora en su versión virtual. Escribió Tecnología de Extrusión de Plásticos, el primer libro práctico de extrusión en los Estados Unidos, así como el Manual Operativo de Extrusión de Plásticos, actualizado casi todos los años, y disponible en español, francés e inglés. Obtenga más información en su sitio web, www.griffex.com, o envíele un correo electrónico a [email protected].

No se planean seminarios en vivo en el futuro cercano, o tal vez nunca, ya que su seminario audiovisual virtual es incluso mejor que en vivo, dice Griff. Sin viajes, sin esperar fechas en vivo, las mismas diapositivas de PowerPoint pero con explicaciones de audio y una guía escrita. Mire a su propio ritmo; La asistencia en grupo se ofrece por un precio único, incluido el derecho a realizar consultas y obtener respuestas detalladas por correo electrónico. Llame al 301/758-7788 o envíe un correo electrónico [email protected] para obtener más información.

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