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
¿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.
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.
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.
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
- 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
- Termoformado
- Doblado
- Corte
- Torneado
- Barrenado
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.
- alabes o Filetes
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.- Longitud
- 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.
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.
- Dado o Cabezal para película
tubular 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.- 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.
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.- Unidades de Calibración
- 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.
- Rodillos de Tiro
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.- 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.
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.
- Dado o Cabezal para la Tubería
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.- 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.
- Calibración de Tubería Pared
Lisa 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.- Calibración de Tubería
Corrugada - 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.
- 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.
- 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.
- 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)
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