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Producción química: El mundo de los plásticos

Enviado por ivan_escalona



Partes: 1, 2

Indice
1. Introducción
2. Historia
3. Incidencia Económica
4. Acronimos
5. Proceso De Transformación
6. Extrusión
7. Película Tubular
8. Extrusión de tubo y perfil
9. Extrusión de lámina y película en dado plano
10. Recubrimiento de cable
11. Soplado
12. Descripción del equipo

1. Introducción

¿En que pensamos cuando decimos o escuchamos la palabra plástico?
Hace cien años, al mencionar el término plástico, éste se podía entender como algo relativo a la reproducción de formas o las artes plásticas, la pintura, la escultura, el moldeado. En la actualidad, esta palabra se utiliza con mayor frecuencia y tiene un significado que implica no sólo arte, sino también tecnología y ciencia.
PLASTICOS es una palabra que deriva del griego "Plastikos" que significa "Capaz de ser Moldeado", sin embargo, esta definición no es suficiente para describir de forma clara a la gran variedad de materiales que así se denominan.
Técnicamente los plásticos son sustancias de origen orgánico formadas por largas cadenas macromoleculares que contienen en su estructura carbono e hidrógeno principalmente. Se obtienen mediante reacciones químicas entre diferentes materias primas de origen sintético o natural. Es posible moldearlos mediante procesos de transformación aplicando calor y presión.
Los plásticos son parte de la gran familia de los Polímeros.
Polímeros es una palabra de origen latín que significa Poli = muchas y meros = partes, de los cuales se derivan también otros productos como los adhesivos, recubrimientos y pinturas.

2. Historia

El desarrollo de los plásticos cuando se descubrió que las resinas naturales podían emplearse para elaborar objetos de uso práctico. Estas resinas como el betún, la gutapercha, la goma laca y el ámbar, son extraídas de ciertos árboles, y se tienen referencias de que ya se utilizaban en Egipto, Babilonia, la India, Grecia y China. En América se conocía otro material utilizado por sus habitantes antes de la llegada de Colón, conocido como hule o caucho.
El hule y otras resinas presentaban algunos inconvenientes y, por lo tanto, su aplicación resultaba limitada. Sin embargo, después de muchos años de trabajos e investigaciones se llegaron a obtener resinas semisintéticas, mediante tratamientos químicos y físicos de resinas naturales.
Se puede decir que la primera resina semisintética fue el hule vulcanizado, obtenida por Charles Goodyear en 1839 al hacer reaccionar azufre con la resina natural caliente. El producto obtenido resultó ser muy resistente a los cambios de temperatura
y a los esfuerzos mecánicos.
A mediados del siglo XIX, el inventor inglés Alexander Parkes obtuvo accidentalmente l nitrocelulosa, mediante la reacción de la celulosa con ácido nítrico y sulfúrico, y la llamó "Parkesina", que con aceite de ricino se podía moldear. Sin embargo debido a su flamabilidad, no tuvo éxito comercial.
Alrededor de 1860, en los Estados Unidos surgió el primer plástico de importancia comercial gracias a un concurso para encontrar un material que sustituyen al marfil en la fabricación de las bolas de billar (en esa época se utilizaban tanto marfil, que se sacrificaba 12,000 elefantes anualmente para cubrir la demanda). Casualmente los hermanos Hyatt trabajaban con el algodón tratado con ácido nítrico, siendo un producto muy peligroso que podía utilizarse como explosivo. Aprovechando la idea de Parkes, sustituyeron el aceito de ricino por alcanfor y al producto obtenido le llamaron "Celuloide", el cual hizo posible la producción de varios artículos como peines, bolas de billar y películas fotográficas.
Otro plástico semisintética que tuvo buena aceptación comercial fue el que desarrollaron Krische y Spitteler en 1897, debido a la demanda de pizarrones blanco en las escuelas alemanas. Este material se fabricó a base de Caseína, una proteína extraída de la leche al hacerla reaccionar con formaldehído. Su principal aplicación fue la elaboración de botones.
En 1899 Leo H. Baeklan, descubrió una resina considerado totalmente sintética, "la baquelita", la cual se obtienen mediante la reacción del fenol con formaldehído.
Aunque en el siglo XIX se observó en diversos laboratorios que, por acción de la luz o del calor, muchas sustancias simples,
gaseosas o líquidas se convertían en compuestos viscosos o incluso sólidos, nunca se imaginó el alcance que tendrían estos cambios como nuevas vías de obtención de plásticos.
El siglo XX puede considerarse como el inicio de "La Era del Plástico", ya que en esta época la obtención y comercialización de los plásticos sintéticos ha sido continuamente incrementadas y el registro de patente se presenta en número creciente. La consecución de plásticos sintéticos se originó de la Química Orgánica que se encontraba entonces en pleno auge.
En 1907 salió al mercado la resina fenólica "Baquelita", mientras Staundinger trabajaba en la fabricación de poliestireno y Otto Rhom enfocaba sus estudios al acrílico, que para 1930 ya se producían industrialmente.
Por su parte el PVC, aunque había sido sintetizado desde 1872 por Bauman, fue hasta 1920 cuando Waldo Semon, mezclándolo con otros compuestos, obtuvo una masa parecida al caucho, iniciándose así la comercialización del PVC en 1938.
El químico Herman Staundinger, premio Nobel de 1953 con sus trabajos revolucionarios iniciados en 1920, demostró que muchos productos naturales y todos los plásticos, contienen macromoléculas. Este descubrimiento hizo que se considerara como el "Padre de los Plásticos".
Muchos laboratorios de Universidades y grandes Industrias Químicas concentraron sus esfuerzos en el desarrollo de nuevos plásticos, aprendiendo las técnicas para encausar y dirigir casi la voluntad las reacciones químicas.
Entre los años de 1930 y 1950, debido a la segunda Guerra Mundial surge la necesidad de desarrollar nuevos materiales que cumplan con mejores propiedades, mayor resistencia, menor costo y que sustituyeran a otros que escaseaban. Es en este período, cuando surgieron plásticos como el Nylon, Polietileno de Baja densidad y el Teflón en un sector de gran volumen, y la industria química adquirió de suministrador importante de materiales.
Otro momento exitosos dentro de la historia de los plásticos fue en 1952, cuando K. Ziegler, premio Nobel en 1964 junto con G. Natta, descubren que el etileno en fase gaseosa resultaba muy lento para reaccionar. Ambos logran su polimerización de manera más rápida por contacto con determinadas substancias catalizadas a presión normal y temperatura baja. Por su parte, G. Natta descubrió en 1954 que estos catalizadores y otros similares daban lugar a las macromoléculas de los plásticos con un lato ordenamiento.
La década de los sesenta se distinguió porque se lograron fabricar algunos plásticos mediante nuevos procesos, aumentando de manera considerable el número de materiales disponibles. Dentro de este grupo destacan las llamadas "resinas reactivas" como: Resinas Epoxi, Poliésteres Insaturados, y principalmente Poliuretanos, que generalmente se suministran en forma líquida, requiriendo del uso de métodos de transformación especiales.
En los años siguientes, el desarrollo se enfocó a la investigación química sistemática, con atención especial a la modificación de plásticos ya conocidos mediante espumación, cambios de estructura química, copolimerización, mezcla con otros polímeros y con elementos de carga y de refuerzo.
En los años setentas y ochentas se inició la producción de plásticos de altas propiedades como la Polisulfornas, Poliariletercetonas y Polímeros de Cristal Líquido. Algunas investigaciones en este campo siguen abiertas.
Las tendencias actuales van enfocadas al desarrollo de catalizadores para mejorar las propiedades de los materiales y la investigación de las mezclas y aleaciones de polímeros con el fin de combinar las propiedades de los ya existentes.

3. Incidencia Económica

En la época actual resultaría difícil imaginar que alguno de los sectores de nuestra vida diaria, de la economía o de la técnica, pudiera prescindir de los plásticos. Sólo basta con observar a nuestro alrededor y analizar cuántos objetos son de plástico para visualizar la importancia económica que tienen estos materiales.
Dicha importancia se refleja en los índices de crecimiento que, mantenidos a lo largo de algunos años desde principios de siglo, superan a casi todas las demás actividades industriales y grupos de materiales. En 1990 la producción mundial de plásticos alcanzó los 100 millones de tonelada y para el año 2,000 llegará a 160 millones de toneladas.
Como se observa en la Figura 1.1, el consumo de plásticos sólo se encuentra por abajo del consumo del hierro y acero, pero debe tomarse en cuenta que estos tienen una densidad entre seis y sietes veces mayor a la de los plásticos. Por esta razón, el volumen producido de plásticos fue mayor al del acero.
Los plásticos seguirán creciendo en consumo pues abarcando mercado del vidrio, papel y metales debido a sus buenas propiedades y su relación costo-beneficio.
Con base en los datos, México debe cambiar para ya no ser sólo un exportador de petróleo. Aunque este recurso es un buen negocio en el presente, si se agrega valor, se convierte en un negocio más interesante.
Actualmente, México es el cuarto productor mundial de petróleo, con alrededor de un millón de barriles diarios. Esta producción podría alcanzar mayores utilidades convirtiéndose en productos petroquímicos y plásticos. Es decir, al invertir un millón de Pesos en la extracción de petróleo se obtienen 800 mil Pesos de Utilidad. Invertir esa misma cantidad en Petroquímicos genera 1.2 millones de Pesos y al hacerlo en la transformación de plásticos se obtienen 15 millones de Pesos.
Esta es una de las razones del porqué los países industrializados, a pesar de no contar con petróleo tiene altos ingresos de divisas. Además, dentro de los petroquímicos, la fibras y las resinas representan el mayor valor económico en México, comparado con el volumen de fertilizantes, donde su costo de producción es muy alto y su utilidad muy baja.

4. Acronimos

La denominación de los plásticos se basa en los monómeros que se utilizaron en su fabricación, es decir, en sus materias primas.
En los homopolímeros termoplásticos se antepone el prefijo "poli" por ejemplo:
Monómero Inicial ® Metil Metacrilato
Nombre de Polímero ® Polimetil Metacrilato
Como se puede observar, los nombres químicos de los polímeros con frecuencia son muy largo y difíciles de utilizar. Para aligerar este problemas se introdujeron las "siglas" o acrónimos. Para ejemplo citado, su acrónimo es:
Nombre del Polímero ® Polimetil Metacrilato
Acrónimo ® PMMA.

5. Proceso De Transformación

Generalidades
Historia
A la par del descubrimiento y síntesis de los materiales plásticos, la creatividad del hombre ha ideado formas para moldearlos con el objeto de satisfacer sus necesidades. Por ejemplo: la sustitución de los materiales tradicionales como el vidrio, metal, madera o cerámica, por otros nuevos que permiten obtener una mejoría de propiedades, facilidad de obtención y, por las necesidades del presente siglo, la posibilidad de implementar producciones masivas de artículos de alto consumo a bajo costo.

El nacimiento de los procesos de moldeo de materiales plásticos, se remota a épocas bíblicas con el uso del bitúmen, para la confección de la canasta en la que se puso al patriarca hebreo Moisés en el río Nilo y en el uso de este material en vez de cemento para edificar Babilonia. Al seguir el curso de la historia, se detectan otros uso de resinas naturales como el ámbar en joyería en la antigua roma, la laca como recubrimiento en la India, pelotas de hule natural para juegos rituales en América Central, y otras. En 1839, Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del hule con azufre, pero aún no se puede hablar de procesos de moldeo comerciales o industriales.
En 1868 Parkes,, en Londres, idea el moldeo de nitrato de celulosa utilizando rodillo, una pequeña cantidad de solvente y calor para plastificar el compuesto. Los intento para el desarrollo de productos y proceso para moldear continuaron, y en 1872 se patenta la primer máquina de inyección, para moldear nitrato de celulosa, pero debido a la flamabilidad de este material y peligrosidad de trabajar, el proceso no se desarrolló.

Al término del siglo XIX, los únicos materiales plásticos disponible para usos prácticos eran el Shellac (laca), la Gutta Percha, la Ebonita y el Celuloide, el ámbar y el bitúmen, moldeados en formas artesanales.
En 1926, la expansión de materiales poliméricos y las experiencias en el diseño de máquinas para procesarlos, estimulan la creación de máquinas con aplicación industrial, en la construcción y fabricación en serie de inyectores de émbolo impulsada por la Síntesis del Poliestireno (PS) y Acrílico (PMMA).
En 1935 Paul Toroester, en Alemania, construye una máquina extrusora de termoplásticos, basada en diseños anteriores para el procesamiento de hules. A Partir de estas fechas inicia el uso de electricidad para el calentamiento, que sustituye al vapor. En Italia se genera el concepto del uso de husillos gemelos. En 1938, se concibe la idea industrial de termoformado, y en 1940 el moldeo por soplado. A la fecha, se cuenta con la existencia de cientos de polímeros patentados; de ellos aproximadamente 30 son imprescindibles. Los productos manufacturados con plásticos, son obtenidos por más de 20 procesos de moldeo distintos aproximadamente 10 gobiernan la mayor parte del volumen de plásticos transformados.

Clasificación
Para facilitar el estudio de los proceso de Transformación se clasifican en:
Procesos para Termoplásticos:

  • Extrusión
  • Inyección
  • Soplado
  • termoformado
  • Calandreo
  • Sinterizado
  • Recubrimiento por Cuchilla
  • Inmersión

Procesos para Termofijo

  • Laminado
  • Transferencia
  • Embobinado de filamiento continuo
  • Pultrusión

Procesos para Termoplásticos y Termofijos:

  • Vaciado
  • Rotomoldeo
  • Compresión
  • Espreado
  • RIM

Aunque existe un número mayor de procesos de moldeo de plásticos, los anteriores se pueden encontrar con más frecuencia.
Otra clasificación de los procesos de transformación se basa en los cambios del estado que sufre el plásticos dentro de la maquinaria. Así, podemos encontrar las siguiente división:

  • Procesos Primarios
  • Procesos Secundarios

En primer caso, el plástico es moldeado a través de un proceso térmico donde el material para por el estado líquido y finalmente se solidifica, mientras que en los procesos secundarios se utilizan medios mecánicos o neumáticos para formar el artículo final sin pasar por la fusión del plástico.
Con base en estos criterios, los procesos de transformación principales se clasificacm como:
Procesos primarios:

  • Extrusión
  • Inyección
  • Soplado
  • Calandreo
  • Inmersión
  • Rotomoldeo
  • Compresión

Procesos Secundarios

  • Termoformado
  • Doblado
  • Corte
  • Torneado
  • Barrenado

6. Extrusión

Definición
Es un proceso continuo, en que la resina es fundida por la acción de temperatura y fricción, es forzada a pasar por un dado que el proporciona una forma definida, y enfriada finalmente para evitar deformaciones permanentes. Se fabrican por este proceso: tubos, perfiles, películas, manguera, láminas, filamentos y pellets.

Ventajas y restricciones
Presenta alta productividad y es el proceso más importantes de obtención de formas plásticas en volumen de producción. Su operación es de las más sencillas, ya que una vez establecidas las condiciones de operación es de las más sencillas, ya que una vez establecidas las condiciones de operación, la producción continúa sin problemas siempre y cuando no exista una disturbio mayor. El costo de la maquinaria de extrusión es moderado, en comparación con otros procesos como inyección, soplado o Calandreo, y con una buena flexibilidad para cambios de productos sin necesidad de hacer inversiones mayores.
La restricción principal es que los productos obtenidos por extracción deben tener una sección transversal constante en cualquier punto de su longitud (tubo, lámina) o periódica (tubería corrugada); quedan excluidos todos aquellos con formas irregulares o no uniformes. La mayor parte de los productos obtenidos de una líneas de extrusión requieren de procesos posteriores con el fin de habilitar adecuadamente el artículo, como en el caso del sellado y cortado, para la obtención de bolsas a partir de película tubular o la formación de la unión o socket en el caso de tubería.

Aplicaciones Actuales
A continuación, se enlistan productos que encuentran en el mercado, transformados por el proceso de extrusión:
Película tubular

  • Bolsa (comercial, supermercado)
  • Película plástica para uso diverso
  • Película para arropado de cultivos
  • Bolsa para envase de alimentos y productos de alto consumos

Tubería

  • Tubería para condición de agua y drenaje
  • Manguea para jardín
  • Maguera para uso médico
  • Popotes

Recubrimiento

  • Alambre para uso eléctrico y telefónico

Perfil

  • Hojas para persiana
  • Ventanería
  • Canales de flujo de Agua

Lámina y Película Plana

  • Raffia
  • Manteles para mesa e individuales
  • Cinta Adhesiva
  • Flejes para embalaje

Monofilamento

  • Filamentos
  • Alfombra (Filamento de las alfombras)

Importancia En El Mercado
En México, el proceso de extrusión es el más importante tomando en cuenta el volumen de plástico transformado. En 1995, más del 50% de todo el plástico moldeado se obtuvo por este proceso, son considerar que los procesos de soplado y termoformado involucran una fase de extrusión.

Descripción Del Proceso
Dentro del proceso de extrusión, varias partes debe identificarse con el fin de aprender sus funciones principales, saber sus características en el caso de elegir un equipo y detectar en donde se puede generar un problema en el momento de la operación.
La extrusión, por su versatilidad y amplia aplicación, suele dividirse en varios tipos, dependiendo de la forma del dado y del productos extruído.
Así la extrusión puede ser:

  • De tubo y perfil
  • De película tubular
  • De lámina y película plana
  • Recubrimiento de cable
  • De Monofilamento
  • Para pelletización y fabricación de compuestos

Independientemente del tipo de extrusión quiera analizar, todos guardan similitud hasta llegar al dado extrusor. Básicamente, una de extrusión consta de un eje metálico central con álabes helicoidales llamado husillo o tordillo, instalado dentro de un cilindro metálico revestido con una camisa de resistencias eléctricas.
En un extremo del cilindro se encuentra un orificio de entrada para la materia prima, donde se instala una tolva para la materia prima, donde se instala una tolva de alimentación, generalmente de forma cónica; en ese mismo extremo se encuentra el sistema de accionamiento del husillo, compuesto por un motor y un sistema de reducción de velocidad.
En la punta del tornillo, se ubica la salida del material y el dado que forma finalmente plástico.

Descripción del equipo
Tolva
La tolva es el depósito de materia prima en donde se colocan los pellets de material plástico para la alimentación continua del extrusor.
Debe tener dimensiones adecuadas para ser completamente funcional; los diseños mal planeados, principalmente en los ángulos de bajada de material, pueden provocar estancamientos de material y paros en la producción.
En materiales que se compactan fácilmente, una tolva con sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo los puentes de material formados y permitiendo la caída del material a la garganta de alimentación.
Si el material a procesar es problemático aún con la tolva con sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo puentes de material formados y permitiendo la caída del material a la garganta de alimentación.
Si el material a procesar es problemático aún con la tolva en vibración, la tolva tipo cramer es la única que puede formar el material a fluir, empleando un tornillo para lograr la alimentación.
Las tolvas de secado son usadas para eliminar la humedad del material que está siendo procesado, sustituyen a equipos de secado independientes de la máquina. En sistemas de extrusión con mayor grado de automatización, se cuenta con sistemas de transporte de material desde contenedores hasta la tolva, por medios neumáticos o mecánicos. Otros equipos auxiliares on los dosificadores de aditivos a la tolva y los imanes o magnetos para la obstrucción del paso de materiales ferrosos, que puedan dañar el husillo y otras partes internas del extrusor.

Barril O Cañón
Es un cilindro metálico que aloja al husillo y constituye el cuerpo principal de una máquina de extrusión. El barril debe tener una compatibilidad y resistencia al material que esté procesando, es decir, ser de un metal con la dureza necesaria para reducir al mínimo cualquier desgaste.
La dureza del cañón se consigue utilizando aceros de diferentes tipos y cuando es necesario se aplican métodos de endurecimiento superficial de las paredes internas del cañón, que son las que están expuestas a los efectos de la abrasión y la corrosión durante la operación del equipo.
El cañón cuenta con resistencias eléctricas que proporcionan una parte de la energía térmica que el material requiere para ser fundido. El sistema de resistencias, en algunos casos va complementado con un sistema de enfriamiento que puede ser flujo de líquido o por ventiladores de aire. Todo el sistema de calentamiento es controlado desde un tablero, donde las temperatura de proceso se establecen en función del tipo de material y del producto deseado.
Para la mejor conservación de la temperatura a lo largo del cañón y prevenir cambios en la calidad de la producción por variaciones en la temperatura ambiente, se acostumbra aislar el cuerpo del cañón con algún material de baja conductividad térmica como la fibra de vidrio o el fieltro.

Husillo
Gracias a los intensos estudios del comportamiento del flujo de los polímeros, el husillo ha evolucionado ampliamente desde el auge de la industrial plástica hasta el grado de convertirse en la parte que contiene la mayor tecnología dentro de una máquina de extrusión.
Por esto, es la pieza que en el alto grado determina el éxito de una operación de extrusión. Con base al diagrama, se describen a continuación las dimensiones fundamentales para un husillo y que, en los diferente diseños, varían en función de la propiedades de flujo de polímero fundido que se espera de la extrusora. Todas la dimensiones que a continuación se detallarán son muy importante de considerar cuando se analice la compra de una equipo nuevo.

  1. alabes o Filetes
  2. Los álabes o filetes, que recorren el husillo de un extremo al otro, son los verdaderos impulsores del material a través del extrusor. Las dimensiones y formas que éstos tengan, determinará el tipo de material que se pueda procesar y la calidad de mezclado de la masa al salir del equipo.

    Profundidad del Filete en la Zona de Alimentación
    Es la distancia entre el extremo del filete y la parte central o raíz del husillo. En esta parte, los filetes son muy pronunciados con el objeto de transportar una gran cantidad de material al interior del extrusor, aceptado el material sin fundir y aire que está atrapado entre el material sólido.

    Profundidad del Filete en la zona de Descarga o Dosificación
    En la mayoría de los casos, es muchos menor a la profundidad de filete en la alimentación. Ellos tienen como consecuencia la reducción del volumen en que el material es transportado, ejerciendo una compresión sobre el material plástico. Esta compresión es útil para mejorar el mezclado del material y para la expulsión del aire que entra junto con la materia prima alimentada.

    Relación de Compresión
    Como la profundidades de los álabes no son constantes, las diferencias que diseñan dependiendo del tipo de material a procesar, ya que los plásticos tienen comportamiento distintos al fluir.
    La relación entre la profundidad del filete en la alimentación y la profundidad del filete en la descarga, se denomina relación de compresión. El resultado de este cociente es siempre mayor a uno y puede llegar incluso hasta 4.5 en cierto materiales.

    Tienen una importancia especial; influye en el desempeño productivo de la máquina y en el costo de ésta. Funcionalmente, al aumentar la longitud del husillo y consecuentemente la del extrusor, también aumenta la capacidad de plastificación y la productividad de la máquina. Esto significa que operando dos extrusores en las mismas condiciones de R.P.M. y temperatura que sólo se distingan en longitud no tenga capacidad de fundir o plastificar el material después de recorrer todo el extrusor, mientras que el extrusor de mayor longitud ocupará la longitud adicional para continuar la plastificación y dosificará el material perfectamente fundido, en condiciones de fluir por el dado.
    Otro aspecto que se mejora al incrementar la longitud es la calidad de mezclado y homogeneización del material. De esta forma, en un extrusor pequeño la longitud es suficiente para fundir el material al llegar al final del mismo y el plástico se dosifica mal mezclado.
    En las mismas condiciones, un extrusor mayor fundirá el material antes de llegar al final y en el espacio sobrante seguirá mezclando hasta entregarlo homogéneo. Esto es importante cuando se procesan materiales pigmentado o con lotes maestros (master batch), de cargas o aditivos que requieran incorporarse perfectamente en el producto.

  3. Longitud
  4. Diámetro

Es la dimensión que influye directamente en la capacidad de producción de la máquina generalmente crece en proporción con la longitud del equipo. A diámetros mayores, la capacidad en kg/hr es presumiblemente superior. Al incrementar esta dimensión debe hacerlo también la longitud de husillo, ya que el aumento de la productividad debe ser apoyada por una mejor capacidad de plastificación.
Como consecuencia de la importancia que tienen la longitud y el diámetro del equipo, y con base en la estrecha relación que guardan entre sí, se acostumbre especificar las dimensiones principales del husillo como una relación longitud / diámetro (L/D). Comercialmente las relaciones L / D más comunes van desde fuera de este rango también está disponible.

7. Película Tubular

Consiste típicamente en: extrusora, cabezal o dado, anillo de aire de enfriamiento, dispositivo estabilizador o calibrador de película, dispositivo estabilizador o calibrador película, dispositivo de colapsamiento de la burbuja, rodillo de tiro superior, embobinadora y una torre estructural que soporta las partes anteriores.

  1. Dado o Cabezal para película tubular
  2. El cabezal de una línea de película soplada, puede definirse como un núcleo y una envolvente cilíndricos y concéntricos, separados por un espacio que puede oscilar entre los 0.6 y 3.8 mm, llamado abertura o tolerancia. Ambas estructuras metálicas están controladas en temperatura por una serie de resistencias eléctricas.
    La función del cabezal es ofrecer al polímero fundido la forma de un tubo de pared delgada de espesor constante a lo largo de u circunferencia, que se transforma en una película por la acción de una expansión longitudinal y transversal al llegar a la zona de formación de la burbuja.
    De la construcción del cabezal para película tubular, las siguientes parte son de gran importancia:

    Ranura de Flujo Helicoidal
    En el diseño de un cabezal, se observa la inconveniencia de tener flujos totalmente longitudinales, ya que las partes sólidas que dividen el paso del material y que son inevitables en el ensamble del cabezal, pueden producir líneas de unión o soldadura visibles a la salida del cabezal.
    Este defecto puede ser eliminado al practicar ranuras helicoidales en el cuerpo del mandril o parte central del cabezal.
    Las ranuras que se promueven un efecto de movimiento lateral del material, que en conjunto con el movimiento ascendente longitudinal, provoca el desvanecimiento de cualquier defecto por la presencia de objetos estáticos previos y, por consiguiente, homogeneiza la salida del material por el cabezal.

    Tornillos de Calibración de Espesor
    Se utiliza para instalar de manera perfectamente concéntrica las partes componente del cabezal, lo cual es indispensable después de una labor de desensamble para su limpieza y mantenimiento.

  3. Anillo de Enfriamiento

Por la acción del extrusor, el polímero fundido abandona el cabezal, toma el perfil tubular de los labios del dado y continúa modificándose con un estiramiento longitudinal por acción del tiro de unos rodillos superiores y una expansión lateral por efecto de la presión del aire atrapado dentro de la burbuja.
Si el cabezal se encuentra uniformemente centrado y calentado y el material sale homogéneo, la película se forma con un espesor y diámetros constante.

El material extruído recibe un enfriamiento superficial mediante una corriente de aire proveniente del dispositivo llamado anillo de enfriamiento.
El anillo de enfriamiento cumple con las siguientes funciones:

  • Llevar el material fundido al estado sólido
  • Estabilizar a la burbuja en diámetro y forma circular
  • Reducir la altura de la burbuja
  • En cierto casos, proporcionar claridad a la película, deteniendo la cristalización del polímero
  • Mejorar la productividad.

Las variables a controlar para llegar al mejor enfriamiento de la película son:

  • Volumen del aire
  • Velocidad del aire
  • Dirección del aire
  • Temperatura del aire

Los diseños de anillos de enfriamiento son variados, dependiendo del tipo de material que se vaya a procesar. Los diseños más complicados son los anillos con una y dos etapas de enfriamiento, que se eligen según los requerimientos de enfriamiento del proceso.
También en la parte de enfriamiento de la burbuja existen equipos con la opción de enfriamiento interno del producto. Es conveniente aclarar que el aire que se encuentra en el interior de la burbuja, en equipos convencionales, se mantiene sin reemplazo durante toda la operación de producción. Esto provoca que el enfriamiento principal sólo ocurra por la acción del anillo de enfriamiento.
En la operación de equipos con enfriamiento interno, el área de contacto se duplica, permitiendo aumentos de productividad del
30 al 59%, aunque se requiere de un cabezal especial y un segundo compresor para abastecer el enfriamiento interno.

  1. Las unidades de calibración ó dispositivos que controlan el diámetro de la burbuja se requieren cuando se trabaja con la opción de enfriamiento interno. Estas unidades constan de pequeños rodillos soportados por ejes curvos dispuestos alrededor de la burbuja y mantienen constantemente las dimensiones de ésta. Adicionalmente, un sensor de diámetro colocado justo arriba de la línea de enfriamiento, manda una señal para aumentar o reducir el volumen de aire; con ellos se puede lograr diferencia de ± 2 mm en el diámetro.
    Una ventaja más de la circulación interna de aire es la reducción de la tendencia de la película a adherirse o bloquearse internamente, gracias a la remoción de ciertos volátiles emitidos por el polímero caliente.
    En los equipos sin enfriamiento interno, debido a que la cantidad de aire en el interior de la burbuja es constante, generalmente no requieren más ajustes ocasionales de introducción o extracción de aire, para llevar la película nuevamente a las dimensiones específicas. En este caso, las variaciones en la temperatura ambiente a los largo del día, pueden provocar ligeras variaciones en el diámetro. Cuando un mayor control de dimensiones sea requerido, se puede usar la unidad o canasta de calibración.

  2. Unidades de Calibración
  3. Unidad de Tiro

Incluye un marco para colapsamiento de la burbuja y un rodillo de presión y jalado de la película, que al igual que el embobinador, son partes que no influyen en la productividad de una línea de extrusión, pero tienen influencia en la calidad de formado de la bobina de película.
La primera parte de la unidad de tiro que tiene contacto con la película es el marco de colapsamiento que tiene la función de:

  • Llevar a la película en forma de burbuja a una forma plana por medio de una disminución constante del área de paso
  • Evitar que durante el colapsamiento de la burbuja se formen pliegues o arrugas.

El marco de colapsamiento puede fabricarse de diversos materiales que van desde tiras de madera hasta rodillos de aluminio otros metales. Los parámetros principales para el buen desempeño de la unidad de colapsamiento es la fricción entre la película, el marco y los ángulos de colapsamiento de la burbuja.

  1. Rodillos de Tiro
  2. Aunque no afectan la productividad de la línea de extrusión, influyen en la calidad de la película final, ya que debe tirar uniformemente para no provocar variaciones en el espesor. La película debe oprimirse con la firmeza necesaria para evitar la fuga de aire que pueda causar un descenso en el diámetro final. Para el logro de esta última función, uno a ambos rodillos son de acero recubierto con hule y uno de ellos está refrigerando.

  3. Embobinadores

Las unidades de embobinado de película, son dispositivos para la capacitación del material producido para suministrarlo a máquinas de procesado final como impresoras, cortadoras, selladoras, etcétera.
Existen básicamente dos tipo de embobinadores

  • De contacto
  • Centrales

Embobinadores de Contacto
En el embobinador de contacto, el eje que porta el núcleo sobre el cual se enrollará la bobina, llamado rodillo de película, no está motorizado, pero gira por la transmisión del movimiento de otro rodillo (sobre el cual se recarga) que sí cuenta con un motor accionador llamado rodillo de contacto.
El rodillo de contacto es fijo y puede estar cromado o recubierto con hule, mientras que el rodillo de película no tiene un eje fijo y se mueve sobre un riel curvado que mantiene la presión constante entre los rodillos.
Este tipo de embobinador es el de mayor uso en la líneas de película soplada. Sus ventajas son: Simplicidad de operación y economía. Desventajas: Sólo produce bobinas apretadas y tiene dificultad para producir rollos de película angosta de gran longitud.

Embobinadores Centrales
En los embobinadores centrales, el rodillo de la película está motorizado, varía de velocidad al incrementarse el diámetro de la bobina, así como varía el torque para mantener constante la tensión en el producto. Todas estas variaciones son controladas por P.C.
El uso de sistemas computarizados vuelve al enrollado central costoso, y en cierta forma, más complicado de manejar en comparación con el embobinado de contacto. Entre las ventajas del sistema de embobinado central está la producción de bobinas de baja tensión de enrollado, que reduce la sensibilidad de los rollos al encogimiento post-enrollado.

Coextrusión De Película
El proceso de coextrusión de película tubular, cobra importancia por la gran versatilidad y variedad de películas que se pueden obtener. Entre sus usos se encuentra la combinación de propiedades de dos distintos polímeros para obtener un producto con la suma de sus ventajas en una película Sándwich, para obtener un espesor menor y reducir el costo del producto.
Las diferencias básicas entre una línea de extrusión de película y una coextrusión, se observan en la aparición de dos o más extrusores y la modificación del cabezal o dado con la adición de más canales de flujo compatibilidad física y condiciones de extrusión similares.
Cuando los polímeros que van a formar una película de varias capas tienen compatibilidad física es posible que se unan sin la necesidad de utilizar sustancias intermedias que funcionen con adhesivos. Por otra parte, si los materiales tienen condiciones de extrusión parecidas se tendrán menos problemas en los diseños del cabezal.

Aplicación De Los Productos
A continuación, se enlistan algunos de los artículos terminado más comunes que se producen en una línea película tubular:

  • Bolsa comercial
  • Bolsa para empaque
  • Película para uso agrícola
  • Bolsa desprendible para autoservicio
  • Película encogible para embalaje
  • Bolsa para transporte de basura
  • Sacos industriales
  • Otros

La lista anterior sólo pretende ilustrar usos generales, sin embargo, los usos específicos son ilimitados, principalmente en el sector de envase, siendo el mercado que consume el mayor volumen de plásticos.

8. Extrusión de tubo y perfil

Componentes De La Línea
Este proceso consta de una extrusora con un diseño de barril y husillo adecuado al tipo de material que se quiera procesar. En la producción de tubo y perfil, el plástico de uso más común es el Policloruro de Vinilo (PVC), aunque la tubería de Polietileno es también usada por su bajo costo.
En el extremo del extrusor, un cabezal o dado conformará al polímero en estado plástico a las dimensiones del tubo o perfil requeridos. Sin embargo, para asegurar la exactitud de dimensiones del producto, se hace necesaria la instalación de la unidad de formación o calibración, en el cual, el tubo o perfil adquirirá las dimensiones que aseguren los posteriores ensambles o soldaduras que con ellos se hagan.
Una vez logradas las dimensiones del producto, una tina de enfriamiento remueve el calor excedente, evitando cualquier deformación posterior del producto. Antes de la tina de enfriamiento, no es posible aplicar ningún esfuerzo o presión al producto sin correr el riesgo de provocarle una deformación permanente. Junto a la tina de enfriamiento, un elemento de tiro aplica una tensión o jalado constante al material para que esté siempre en movimiento. Por último, dependiendo de la flexibilidad del producto, una unidad de corte o de enrollado prepara el producto para su distribución. A Continuación, se muestran arreglos típicos de líneas de extrusión de tubería flexible, perfil y tubería.

  1. Dado o Cabezal para la Tubería
  2. Cuatro tipos de cabezal se pueden distinguir en los equipos para la producción de tubería: el cabezal con mandril-araña, el cabezal mandril en espiral, el cabezal con alimentación lateral y el cabezal con alimentación lateral y el cabezal o dado con paquete de mallas. Cada uno de estos diseños proporciona diferente patrones de flujo para el plástico, debiendo seleccionar el tipo más adecuado para evitar efectos de degradación del polímero o defectos de calidad en el producto.
    El cabezal con mandril-araña es empleado en el procesamiento de PVC; éste material por su tendencia a la degradación, exige canales de flujo que no causen turbulencias ni estancamientos de material.

  3. Sistemas de Calibración de Tubería

Tienen la función de proporcionar al tubo el diámetro especificado y la forma circular que el producto requiere. Se puede distinguir dos tipos de sistemas de calibración, con base en la forma de la pared del tubo producido:

  • Calibración para la tubería de pared lisa
  • Calibración para tubería de pared corrugada

A su vez, cada uno de los sistemas anteriores se clasifican en los siguientes principios de funcionamiento:

  • Calibración externa utilizando vacío
  • Calibración interna utilizando presión

Las cuatro combinaciones resultante se explican con detalle a continuación.

  1. Calibración de Tubería Pared Lisa
  2. Calibración Externa (Vacío)
    Por el volumen de tubería que se produce por este método, es la forma de calibración que se encuentra con mayor frecuencia. En este tipo de calibración, el vacío provocado en la parte externa del tubo ocasiona una diferencia de presiones que hace que el polímero, aún moldeable por la temperatura elevada a que se encuentra, se mantenga en contacto con el tubo formador metálico, que tienen un diámetro interior igual al diámetro exterior que se especifica para el producto.
    La inmersión total o aspersión de agua de enfriamiento suministra la estabilidad fila para evitar deformaciones posteriores.

    Calibración Externa (Presión)
    En la calibración externa por presión, el mismo efecto de diferencia entre la presión exterior e interior del tubo plástico, promueve la formación del tubo contra las paredes del tubo de calibración, con la diferencia de que en este caso es aire el que se inyecta al interior del tubo que es extruído. La calibración externa por presión puede lograr mejores efectos, pero requiere de un diseño especial del cabezal para permitir la inyección de aire.

    Calibración Externa (Vacío)
    El proceso de formación de tubo corrugado por vacío tiene el mismo principio que para el tubo liso; se diferencian en los formadores tienen la pared ondulada y está en continuo movimiento, ya que el tubo no podría circular entre las muescas de las piezas formadoras. Este tipo de tubería no es muy común, ya que se utiliza principalmente en sectores industriales.

    Calibración Externa (Presión)
    En este tipo de calibración, el aire a presión penetra por conductos practicado en el cabeza y se inyectan en el tubo extruído aún caliente. La diferencia de presión provocada moldea la pared del plástico contra los formadores móviles, proporcionando al producto el corrugado requerido. En este diseño, se observa también el sello que impide parcialmente la fuga de aire de la zona de mayor presión, pero pequeñas porciones de aire escapan entre las depresiones de la pared del tubo, teniendo que ser repuesto constantemente para uniformizar la calidad del producto. Sistemas con mayor complejidad como los que cuentan con mayor enfriamiento interno, incrementan la productividad de esta líneas de extrusión.

  3. Calibración de Tubería Corrugada
  4. Unidad o Tina de Enfriamiento

Tiene por objeto remover el calor excedente que la tubería conserva a la salida del tanque de calibración. La importancia del enfriamiento, radica en la estabilidad que adquiere el plástico para no deformarse al pasar por la unidad de tiro, en donde el tubo se somete a presiones que podría producir alteraciones en la forma circular requerida. Se puede encontrar dos tipos de tinas de enfriamiento:

  • Enfriamiento por espreado
  • Enfriamiento por inmersión

Enfriamiento por Espreado
El tubo para por la unidad de enfriamiento, que consiste en una cámara donde numerosas boquillas instaladas rocían agua fría sobre la tubería. Este enfriamiento es usado para tubería de gran diámetro donde las velocidades de producción son bajas y la aspersión puede lograr un enfriamiento efectivo, por el tiempo de permanencia elevado del producto dentro de este equipo.

Enfriamiento por Inmersión
En el enfriamiento por inmersión, el tubo pasa por una tina llena de agua en constante enfriamiento; así se lleva acabo por un intercambio de calo también constante. A diferencia del enfriamiento por espreado, la inmersión es usada para tubería de diámetro, donde por la velocidades altas de extrusión se requiere de un enfriamiento intenso.
En ambos métodos, algunos autores sugieren el cálculo exacto de la longitud de la tina de enfriamiento, requiriendo datos como: diámetro, espesor, material de fabricación, velocidad de producción de la tubería y temperatura de agua de enfriamiento. También es común para los dos métodos, el uso de un enfriador y una bomba de recirculación, para poder enfriar el agua que se calienta por el contacto con el plástico, se devuelve a la tina de enfriamiento y se completa el ciclo.

  1. Unidad de Tiro

Una vez terminado el paso por la unidad del enfriamiento, la tubería pasa a la unidad del enfriamiento, la tubería pasa a la unidad de tiro donde se genera toda la fuerza que mantiene la plástico en movimiento dentro de una línea de extrusión. Se conocen tres tipo de unidades de tiro:

  • Por Oruga
  • De Bandas
  • De Ruedas o Rodillos

De estos tipos de unidades, las dos primeras se prefieren cuando el artículo producido es sensible a la presión, esto es, que pueda sufrir deformaciones bajo presiones moderadas o en productos de grandes dimensiones. Los sistemas por rodillos, son más sencillos y adecuados cuando es muy pequeña de área de contacto.

  1. Unidades de Corte

Existen varios tipos de unidades de corte, diseñadas para adecuarse al trabajo requerido en la producción de tubería flexible, la práctica común es formar rollos, lo cual reduce el trabajo de corte, mientras que en la producción de tubería rígida el corte del tubo debe hacerse con precisión en intervalos de longitud iguales.
Para la selección de unidades de corte de tubería rígida y flexible, será necesario tomar en cuenta los siguientes factores:

  • El diámetro y espesor de pared
  • La materia prima utilizada
  • La forma y calidad del corte
  • La longitud del Corte

De los puntos anterior, el diámetro y espesor de la pared con de mayor importancia.
Cuando se requiere un mejor terminado en el corte y aumentar la facilidad en el acoplamiento de tramos de tubo, se puede colocar un mecanismo que forma un chaflán a la tubería.
El tipo de guillotina usado en el corte de tubería semirrígida como PEAD, PP ó PEBD, es efectivo, pero puede conducir a ligeras deformaciones por acción de impacto de la cuchilla.
En los cortes por sierras, las pequeñas denticiones que cortan la tubería provocan al mismo tiempo la formación de pequeñas virutas que algunas veces permanece unidas al tubo.
Cuando se requiere evitar la formación de estos residuos, se utilizan mecanismos donde las cuchillas se insertan en la pared del tubo y giran a alta velocidad, produciendo sólo una viruta que por su tamaño relativamente grande se desprende de la tubería.

  1. Unidades de Enrollado

Se ocupa para materiales flexibles, que son los que no sufren una deformación permanente por ser enrollados. La tubería de Polioefinas y mangueras de PA y PVC flexible, son adecuadas para este proceso. A pesar de que no son sistemas muy complicados, se debe observar las siguientes consideraciones al emplear un embobinador de tubería:

  • El diámetro del carrete embobinador en su núcleo, no debe ser menor a 20 – 25 veces el diámetro exterior del tubo a enrollar, para evitar colapsamiento en el producto.
  • El diámetro exterior del carrete debe ser 10 a 20 cm mayor que el diámetro exterior formado por el producto enrollado.

Una sola estación de enrollado se puede usar con velocidades de extrusión menores a 2m/min, mínimo dos estaciones cuando se trabaje entre 2 y 20 m/min y estaciones automáticas y semiautomáticas a mayores velocidades.

Coextrusiones De Tuberia
Tiene su principal ventaja al poder usar materiales reciclados, pues produce tuberías en cuya parte interior se extruye material reciclado y una cubierta exterior de material virgen que conserva una buena apariencia del producto y contiene mayores cantidades de aditivos para la protección a los ataques del medio ambiente.
En algunos usos eléctricos y de drenaje es válida esta práctica, ya que se pueden obtener productos de menor costos con buenas propiedades para las aplicaciones a las que se dirigen.

Otro tipo de coextrusión se presenta en la tubería corrugada, que requiere flexibilidad y resistencia mecánica pero con un pared interior lisa para evitar los estancamientos de los líquidos que se transporten.

Aplicaciones De Los Productos
La tubería obtenida por los métodos anteriores tienen los siguientes usos:

  • Tubería Conduit (PVC, HDPE)
  • Tubería a presión (PVC, HDPE)
  • Tubería para instalaciones eléctricas (PV, HDPE, LDP)
  • Tubería de conducción de drenaje y desagüe
  • Tubería Industrial (PVC, HDPE, PP)
  • Tubería para drenaje doméstico (PV)
  • Tubería para gas (PVC, HDPE)
  • Tubería para conducción de agua potable (HDPE)
  • Tubería para agua de riego
  • Tubería para uso médico
  • Mangueras (PVC)

Partes: 1, 2

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