La madera: ¿una resina más?

La investigación y desarrollo de procesos para formar compuestos de plásticos y madera es una de las áreas más activas de la industria de los plásticos en el presente. El volumen de la demanda de productos plásticos rellenos con fibras celulósicas, especialmente las de madera, ha venido creciendo en los años recientes. Algunos procesos de preparación de materiales compuestos que han demostrado ser eficientes en otras aplicaciones están siendo ahora adaptados para procesar matrices poliméricas embebidas con fibras; los compuestos así formados tienen un alto contenido de relleno y combinan las propiedades más deseables de los plásticos con la apariencia de los acabados en madera. Sus productos pueden ser transformados posteriormente de la misma manera como se trabaja la madera corriente; es decir, se pueden cortar, clavar o atornillar. Así mismo, se pueden perforar y maquinar. Pero, al mismo tiempo, se pueden termoformar como los plásticos.

El relleno de madera generalmente se mezcla con la matriz polimérica en extrusores de tornillos gemelos, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de la resina a bajo costo. Esto se logra aplicando mezclados distributivos y dispersivos a los componentes de las mezclas. Sin embargo, dado que los rellenos de madera son sensibles al calor y a los esfuerzos cortantes generados por la rotación del tornillo, es necesario escoger estrategias de extrusión que desarrollen un mezclado suficiente pero que a la vez minimicen la degradación de las fibras y la resina en la máquina.

Recientemente, Krauss-Maffei lanzó un nuevo extrusor de tornillos gemelos de dos etapas en tandem, modelo KMD 133-36 WPC, que combina madera sin secar con resinas de PVC, PE o PP en polvo o en forma granulada en la misma garganta de alimentación del equipo. La primera etapa consiste de un sistema corrotacional cuya función es la de efectuar un secado de la mezcla en una distancia de L/D 9:1, con un diámetro de 177mm. La garganta de alimentación es enfriada permanentemente y un sistema de aceite calienta o enfría los tornillos. Debido a que esta sección no tiene un punto de venteo, la humedad es retirada cuando la mezcla pasa a la segunda sección del extrusor de tornillos gemelos. La segunda sección está constituida por un sistema de tornillos contrarrotacionales de 133mm de diámetro y con una longitud L/D de 36:1. En la segunda sección se cuenta con dos puntos de venteo, la primera opera a la presión atmósferica y en la segunda se aplica alto vacío (de hasta 28 pulgadas de agua). El constructor afirma que la productividad de la máquina es de 2.000 lb/hr cuando la mezcla se compone de un 60% de fibra de madera con PVC, 1.800 lb/hr cuando la resina es HDPE, y 1.600 lb/hr cuando la resina es PP.

La experiencia de Krauss-Maffei para trabajar con el extrusor de L/D 36:1 se remonta a algunos años atrás y por lo tanto, esta compañía afirma que su tecnología ya está bien cimentada en el mercado. La zona inicial del extrusor es suficientemente larga para adaptar térmicamente al material sin someterlo a esfuerzos cortantes indeseables y las dos zonas de venteo han reportado beneficios decisivos para la buena calidad de los productos, afirman representantes de Krauss-Maffei.

El uso de los extrusores de tornillos gemelos corrotacionales para el procesamiento de polímeros rellenos con fibra de madera es una tendencia que ha marcado el trabajo de la compañía Sino-Alloy Machinery. Su modelo PSM 72 de tornillos gemelos de 72mm de diámetro y L/D 44:1, puede fabricar concentrado con un contenido de hasta 60% de madera. En esta máquina, la harina de madera se alimenta inicialmente sola con el objeto de calentarla y remover la humedad. Luego, la resina se alimenta aguas abajo en el extrusor para efectuar la mezcla con el relleno. De acuerdo con este fabricante, sus extrusores se caracterizan por contar con una caja reductora de alto torque, que permite una mayor productividad (T = 9.550 P/2n; donde T es el torque en N-m; P la potencia del motor en kW; y n la máxima velocidad del tornillo en rpm). La compañía afirma ofrecer máquinas con velocidades de 600 rpm y para el futuro piensan que la velocidad preferida por mercado será de 1.200 rpm. La máquina PSM tiene tornillos con hélices intercaladas con intersticios uniformes y que ofrecen un tiempo de residencia reducido a la resina, a la vez que evitan la generación de puntos calientes. Esta serie de extrusores también se distingue porque la profundidad de los filetes es alta: Da/Di de 1,55 (Da es diámetro externo y Di el diámetro interno del filete). Entre más profundo es el canal, mayor es la productividad.

Draiswerke, la compañía que diseñó el mezclador de alta velocidad Gelimat, ha incursionado con este equipo en el campo de la preparación de compuestos de plásticos y fibras de madera. La energía mecánica proporcionada por el mezclador funde la resina y proporciona suficiente calor para secar las fibras de madera. La compañía afirma que este equipo puede preparar concentrados hasta con un 80% de contenido de relleno. Para Draiswerke, el mezclador Gelimat cuenta con muchas aplicaciones en el sector del reciclaje de materiales plásticos. La preparación de las mezclas con madera, afirma, se puede efectuar a un costo muy bajo y con resultados excelentes de calidad para aplicaciones en la industria de la construcción. Gelimat opera con un principio termocinético que permite preparar mezclas en pocos segundos y en este sentido se compara ventajosamente con los sistemas tradicionales de extrusión. Esto sin necesidad de emplear sistemas de secado especiales, como sí ocurre en la extrusión tradicional. Por lo tanto, Gelimat reemplaza a los extrusores de tornillos gemelos excepto en la función de dar forma al material fundido. Para ello, es suficiente adicionar un granulador o un extrusor de barril corto que incremente la presión del material y lo dosifique en un dado de formación. El equipo está disponible en tamaños desde un litro hasta 250 litros. El tiempo de procesamiento es corto, los requerimientos de mantenimiento bajos, igualmente lo es la inversión de capital y como beneficios, de acuerdo con esta compañía, el usuario obtiene una alta dispersión y homogeneidad de la mezcla en un proceso que puede ser realizado de manera totalmente automática.

Combinación de fibras de madera con fibras largas
Una tendencia reciente en la fabricación de compuestos de fibra de madera es la combinación de las fibras celulósicas con rellenos de lana de vidrio, con el objeto de incrementar la resistencia mecánica de los perfiles largos de madera plástica. Entre las compañías que ofrecen ahora esta posibilidad están Leistritz y Coperion Corporation (antes Werner & Pfleiderer). Esta última compañía está explorando combinaciones novedosas para efectuar procesos de pultrusión con fibras largas de bambú o de lana de vidrio en conjunto con una matriz rellena con madera. El tipo de extrusor empleado en esta aplicación es el denominado MEGAvolume, un extrusor de tornillos gemelos corrotacionales. Coperion también esta realizando pruebas con otras fibras naturales como celulosa, kenaf y espigas de trigo. El proceso se inicia alimentando harina de madera sin secar en la garganta del extrusor; en los primeros cuatro a seis segmentos ocurre el calentamiento del material para extraerle la humedad. Luego, consecutivamente se agregan la resina, colores y aditivos en el extrusor, a través de varios puertos de entrada. El producto fundido se pasa después a través de una bomba de tornillo simple. Recientemente, Coperion ha adoptado la estrategia de fundir en primer término el material plástico y luego adicionar el relleno de madera, antes de que la mezcla entre al dado formador; de esta manera se busca disminuir la cantidad de fibra en la máquina.

Coperion afirma que el extrusor MEGAvolume es una máquina adecuada para procesar materiales de baja densidad, con un bajo consumo de energía. Este concepto permite la operación de algunos materiales con productividades que superan varias veces las que se obtiene en máquinas convencionales de especificaciones similares. Entre las características más sobresalientes del diseño del extrusor está el intercalado cerrado de los filetes de los tornillos gemelos, que operan en el modo corrotacional. Cuando se incrementa la profundidad de los filetes de los tornillos (a un valor de Do/Di igual a 1,8), el volumen libre se incrementa en un 40%, en comparación con el modelo ZSK MEGAcompounder de la misma compañía (que tiene un valor de Do/Di de 1,55). Adicionalmente, la velocidad de los tornillos se ha llevado a 1.800 rpm, lo cual se traduce en una mayor capacidad de producción. Estas características de diseño del modelo MEGAvolume son deseables para el procesamiento de polímeros con altas cargas de rellenos, como afirma la compañía, incluyendo también las aplicaciones en las cuales la densidad a granel del material procesado es baja. Debido a que el área expuesta de los tornillos es superior, los procesos de transferencia de calor y de volatilización se benefician aún más.

Extrusion Tek Milacron afirma que los extrusores de tornillos gemelos corrotacionales no son la única manera de procesar la harina de madera. Milacron promueve el empleo de extrusores de tornillos gemelos cónicos contrarrotacionales para alcanzar la extrusión directa de productos de compuestos de madera; entre ellos, perfiles de madera plástica. El proceso de extrusión denominado TimberEx de Milacron, procesa materiales celulósicos empleando el sistema V-MEDS-L (sigla en inglés que significa sistema vertical mejorado de dosificación de materiales). Este sistema es una unidad de premezclado continua que dosifica la composición del compuesto, calienta el material para secarlo y luego lo alimenta al extrusor cónico. Así, el modelo CM140Z MEDS, por ejemplo, opera maximizando el llenado de los tornillos del extrusor, para alcanzar una productividad de más de 1.700 lb/hr de manera consistente. Milacron también ha experimentado con mezclas de harina de madera y fibras largas de lana de vidrio cortadas. Para lograr este objetivo, adicionó un segundo punto de venteo en su extrusor de tornillos cónicos, que mejora la remoción de la humedad y genera mayor productividad. Un aparato de limpieza remueve las partículas de madera que normalmente se acumulan en el punto de venteo.

Otra empresa que está interesada en el procesamiento de las mezclas de harina de madera con fibras de lana de vidrio es Entek Extruders. La intención en este caso es lograr el refuerzo de tableros plásticos. En el proceso de Entek, se funde primero el material plástico y luego, aguas abajo en el extrusor, se alimenta la harina de madera. Las fibras de lana de vidrio se adicionan justamente antes del dado. Entek está realizando pruebas con contenidos de fibra de vidrio que se elevan hasta un 10%, manteniendo el contenido de madera entre un 30% y un 70%. La estrategia de Entek es la de utilizar tornillos corrotacionales para esta aplicación.

Otra empresa, Farrel Corporation, ha realizado también pruebas para mezclar harina de madera con fibras de lana de vidrio. Para ello ha empleado equipos de extrusión de tornillos gemelos corrotacionales. La harina de madera se alimenta sin secar empleando un mezclador continuo CP que dosifica un 20% de la harina en una matriz de resina. El compuesto mezclado y fundido se alimenta de manera gravimétrica en la garganta del equipo de extrusión; en este momento se adiciona la lana de vidrio. El sistema puede ser usado para conformar un proceso de extrusión directa.

La tecnología de NFM de Welding Engineers para el procesamiento de compuestos rellenos con fibras de madera consta de los tornillos gemelos corrotacionales TEM de NFM, los cuales son construidos bajo licencia de Toshiba, de Japón. Los modelos TEM están disponibles en tamaños que van desde 26 a 240 mm de diámetro y en longitudes que abarcan el rango hasta L/D 48:1, con tres zonas de venteo. Estos extrusores pueden procesar fibra de madera sin secar y adicionar al mismo tiempo gránulos de concentrados, colorantes y aditivos, a través de un sistema de alimentación gravimétrica. Los sistemas pueden ser empleados para hacer concentrados en forma de gránulos o pueden fabricar productos terminados por extrusión directa.

La extrusión de compuestos de fibras largas
Los compuestos termoplásticas de fibras largas exhiben propiedades mecánicas que reflejan más aquellas de los rellenos de refuerzo que las de la resina que sirve como matriz. Las propiedades de resistencia a tensión, flexión e impacto se elevan significativamente y superan a las de las fibras cortas en un amplio rango de resinas base. También ofrecen excelente comportamiento con respecto a la fatiga y a la duración de la resistencia en el tiempo, por lo que resultan ser excelentes reemplazos de los materiales estructurales metálicos. La mayor parte de las aplicaciones de fabricación de compuestos de fibra larga en extrusión directa (DLFT, de las siglas en inglés), está destinada a la formación de partes de gran tamaño para la industria automotriz (considerando que una pieza de ‘gran tamaño’ pesa al menos un kilo). Los compuestos más usados son los de polipropileno reforzado con lana de vidrio de fibra larga. El método preferido para fabricar los compuestos es el continuo en conjunción con un sistema automático de moldeo por compresión o por inyección. El mercado de compuestos para extrusión directa era de cerca de 40 millones de libras en el 2.001 y se espera que crezca a 75 millones de libras en el año 2.006, de acuerdo con un informe de Owens Corning Automotive, de Toledo, Ohio. De acuerdo con esta misma fuente, el mercado de materiales compuestos para extrusión no directa, sino a través de concentrados granulados, era de 27 millones de libras en el 2.001 y crecerá a cerca de las 70 millones de libras en el año 2.006. El uso de láminas termoplásticas reforzadas con fibra de vidrio tejida en mantas disminuirá desde un valor de 70 millones de libras a 60 millones de libras en el mismo periodo.

A pesar de que la maquinaria de fabricación de los compuestos reforzados con fibras largas para extrusión directa ha estado más orientada a la fabricación de piezas grandes, New Castle Industries (hoy una empresa de Xaloy, Inc., de Pulasky, Virginia) ha venido estudiando durante cuatro años en colaboración con la Universidad de Maryland, en Collage Park, el empleo de un extrusor de tornillos gemelos con mecanismo reciprocante que pueda ser incorporado en una máquina de inyección de piezas pequeñas. El extrusor es del tipo contrarrotacional en las tres cuartas partes iniciales de la máquina. Los filetes de los tornillos no llegan a intercalarse entre sí. Las fibras partidas se alimentan en el extrusor en el momento en que la resina ya está fundida, usando una sección con mezclado especial que evita el cizallamiento de la fibra. En la última cuarta parte del extrusor sólo uno de los tornillos se extiende hacia adelante, conformando la cámara de acumulación de compuesto para el proceso de inyección. Como los filetes de los tornillos no se intercalan entre sí, el tornillo más largo puede actuar como inyector para pasar el material acumulado hacia el molde de la máquina inyectora. El tornillo más corto se mantiene en posición de descanso durante esta operación. Al mismo tiempo, durante el periodo de inyección, los tornillos suspenden la rotación. La rotación sólo se activa para efectuar la plastificación del compuesto. Las otras secciones de la inyectora se asemejan mucho a la de una máquina convencional de inyección, por lo que el sistema puede ser instalado en muchos de los equipos ya existentes. New Castle Industries, desarrolló también un tornillo con la raíz totalmente encapsulada con una aleación de Stillite #6 para protegerlo contra el desgaste cuando está en contacto con refuerzos de fibra larga de vidrio. El revestimiento de Stillite se puede reparar fácilmente, lo cual es una ventaja muy grande sobre otros tipos de tratamientos, como el acero nitrurado y el acero de herramientas. Este proceso puede ser aplicado sobre tornillos nuevos o usados.

Composite Products, Inc., está comercializando sus desarrollos para fabricar productos de compuestos reforzados con fibras largas en línea. Su tecnología permite producir continuamente estos compuestos con resinas termoplásticas y refuerzos de fibra de vidrio en longitudes que varían entre media y dos pulgadas. Otros refuerzos que pueden ser usados con la tecnología de esta compañía son las fibras de carbón y las naturales. La clave de la tecnología de CPI, de acuerdo con sus propias afirmaciones, es la separación que efectúan de la resina fundida y el momento de introducir las fibras de refuerzo en el extrusor, para efectos de retener la longitud deseada de las fibras. Esto permite lograr el máximo de propiedades mecánicas en los productos terminados. La aplicación más reciente se refiere a la fabricación en línea del compuesto reforzado en una máquina de inyección. En este caso, el compuesto contiene un 40% de lana de vidrio de fibra larga. A diferencia de los procesos de moldeo que emplean compuestos de termoplásticos reforzados preparados fuera de línea, la tecnología de CPI prepara la mezcla de compuesto a moldear para ser entregada en línea a las unidades de inyección o de moldeo por compresión. Se pueden emplear termoplásticos virgen o reciclados, con aditivos, colorantes y varios tipos de refuerzos. CPI emplea un tornillo simple de operación continua para preparar el compuesto. El material es acumulado en un cilindro de inyección que actúa en una operación de una sola etapa; el cilindro cuenta con un anillo cheque que se cierra a medida que el pistón del cilindro llena el molde. En este momento, el tornillo continúa su operación para llenar el espacio situado detrás del pistón; el compuesto formado pasa a la parte delantera del pistón en el momento que éste retrocede después de llenar el molde. Este sistema es apropiado para hacer piezas de menor tamaño. Entre las aplicaciones de esta tecnología de CPI figuran la fabricación de partes para diseños de muebles de oficina de Herman Millar, sillas de Milsco y marcos para sillas de teatro de Visteon.

Berstorff emplea su línea de extrusores corrotacionales ZE de tornillos gemelos para fabricar compuestos de polipropileno y fibra de vidrio que luego convierte en lámina para termoformación de piezas para la industria automotriz. El proceso se realiza plastificando primero el polipropileno, el cual es sometido a una primera sección de venteo, y agregándole después el relleno de fibra de vidrio. La alimentación del relleno tiene un diseño especial en donde la fibra es mojada primero con una cantidad de resina fundida empleando unos rodillos contrarrotacionales que alimentan el refuerzo en la mitad del extrusor. La resina fundida es obtenida del mismo extrusor principal por medio de un canal que desvía el flujo. Las fibras son sometidas en estos rodillos a diferentes patrones de cizalladura que determinan el nivel de mojado con la resina fundida. La sección de impregnación de la fibra tiene una longitud de 8D y luego está seguida de una sección de mezclado que es corta y que cuenta con un una segunda zona de venteo. El compuesto es moldeado en un dado plano de extrusión de un metro de ancho y es pulido entre dos bandas de presión y de enfriamiento. Este sistema fue desarrollado en conjunto con la empresa Quadrant Plastic Composites AG, de Lenzburg, Suiza, que fabrica láminas con polipropileno reforzado con un espesor de hasta 5mm, a una velocidad de producción que llega a 4.000 lb/hr. El contenido de refuerzo puede variar entre el 23 y el 40%.

Otra empresa que también está trabajando en la extrusión directa de compuestos reforzados con fibra larga de vidrio es Leistritz. Sus equipos están diseñados para fabricar láminas y perfiles a partir de la extrusión con tornillos gemelos autolimpiantes bilobales. Los elementos de amasado son este caso anchos para lograr una mejor dispersión. Cuando las fibras entran al extrusor, unos bloques de amasado más angostos proporcionan la acción distributiva de mezclado, con la cual las fibras se abren con un mínimo de daño. Los elementos del extrusor son fabricados con carburo de vanadio para obtener una mejor protección. La fibra de vidrio se alimenta lateralmente en el extrusor y es sometida a un solo puerto de venteo para efectos de secado. Si se emplea un extrusor sin bomba de engranajes, la variación de las dimensiones puede darse en un +/-10%, debido a las fluctuaciones de la presión. Sin embargo, las bombas de engranaje generan daños en las fibras de refuerzo, como lo asegura Leistritz. Esta compañía afirma haber resuelto el problema de la fluctuación de la presión en extrusión de resinas reforzadas con fibra de vidrio empleando una bomba especial de tornillo simple, con una longitud L/D de 10:1. La bomba cuenta con filetes profundos y compresión nula en el tornillo.