Solucionar problemas en extrusión a través del material

Las mezclas de materiales, los diferentes tipos de aditivos y las cargas de relleno pueden afectar la fluidez y mejorar la resistencia de fundido.

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Muchas veces buscamos solucionar problemas de extrusión a través del cabezal, del husillo o de la parametrización del proceso. Sin embargo, en algunas ocasiones vale la pena también considerar lo que está pasando con la resina.

El proceso de extrusión es, ante todo, un proceso de mezcla y homogenización. Todo lo que hacemos en el proceso va en función de lograr una masa fundida de condiciones uniformes, que pueda extruirse en la forma que necesitamos en el cabezal sin tener defectos de ruptura o hinchamiento exagerado. Y los “ingredientes” que añadimos para ser mezclados tienen un efecto importante sobre la habilidad del material para mezclarse y fundirse. De hecho, existen algunos materiales que podemos añadir a la mezcla que van a favorecer la homogenización o la estabilidad del fundido, e incluso evitar fenómenos de fractura, al actuar como lubricantes, o afectando los procesos de enfriamiento y cristalización.

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¿Cómo encontrar la mezcla perfecta para extrusión?

Para lograr una homogenización completa, es importante siempre considerar el parámetro de viscosidad. La viscosidad, que describe básicamente la resistencia que tiene un material polimérico a fluir bajo ciertas condiciones de esfuerzo, puede afectarse en gran medida por las resinas o aditivos que incluimos en la mezcla. Nuestro trabajo en la generación de una correcta homogenización empieza por entender de qué manera podemos afectar la viscosidad del fundido que tenemos. En ocasiones, si tenemos problemas de dispersión o de homogenización vale la pena darle “una ayuda” al fundido, introduciendo un material que haga las veces de facilitador.

Uno de los ejemplos más comunes está en trabajar polietileno. Existe un amplio portafolio de resinas de polietileno, que tienen diferentes densidades y viscosidades. A veces una pequeña diferencia en densidad puede tener un impacto importante en la fluidez y la resistencia del fundido. También, el tipo de polimerización afecta de manera importante las propiedades del material y por tanto la respuesta del fundido. Si tenemos un polietileno lineal de baja densidad (PELBD), podemos esperar un comportamiento diferente al de un polietileno de baja (PEBD), que tiene ramificaciones más largas en su cadena.
Entonces, por ejemplo, si se requiere mejorar la productividad de un extruido en PEBD podemos añadir una mezcla de cierto porcentaje de PELBD, lo que permitirá incrementar la velocidad de rotación del husillo sin afectar la fractura de fundido. En este caso cada material otorga unas propiedades de fundido diferentes, y aporta ciertas características. La proporción se puede ajustar ensayando mezclas e incrementando el porcentaje gradualmente, empezando por ejemplo con un 10 %. Poco a poco se puede ir aumentando el porcentaje, validando las demás propiedades del material fundido, y el resultado final que se tenga en las propiedades del producto extruido.

En general, siempre es mejor utilizar en menor proporción el componente menos viscoso de la mezcla, ya que este actuará como lubricante para mejorar la fluidez, y será más fácil de dispersar.

También puede ser bueno mezclar un material de la misma familia pero con diferentes densidades. Las densidades pueden afectar la cristalización y la tasa de enfriamiento del material, así como el hinchamiento. Lo importante al hacer este tipo de ensayos es siempre tener claro qué se está persiguiendo, para poder saber en qué dirección mover la mezcla.

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Uso de aditivos en extrusión

Los aditivos son materiales que están diseñados para modificar las propiedades del producto final o las propiedades de procesamiento. Los aditivos modificadores de propiedades brindan un atributo específico a la materia prima procesada, que puede ser color, protección UV o estabilización, entre otros. Este tipo de aditivos permanecen fijados dentro del producto, aunque pueden consumirse, como los estabilizantes y antioxidantes, y puede requerirse una segunda dosificación si se usa molido en la mezcla. También hay aditivos que se usan como ayudas de proceso, y que migran después de que el producto ha sido fabricado.

Los aditivos tienen un efecto sobre la viscosidad y la densidad del material trabajado. En general, asumimos que al añadir una fracción tan pequeña de aditivos (por debajo del 3 % en general) no vamos a afectar las propiedades de fluidez o contracción del material. Sin embargo, la verdad es que aún en pequeñas cantidades los aditivos pueden generar grandes modificaciones en las resinas.

Es importante recordar que el “carrier” (el material base sobre el cual se hace la mezcla del ingrediente activo) normalmente tiene longitudes de cadena mucho más cortas que la resina base. Esto hace que se comporte como un lubricante y que genere una afectación de la viscosidad y la resistencia del fundido.

Cargas de relleno

Finalmente, cuando se quiere afectar la densidad del material o el costo, es posible usar cargas de relleno; tanto para incrementar la densidad, como cuando se usa carbonato de calcio, como para aligerar y reducir la densidad, cuando se usan agentes espumantes.

El uso de carbonato de calcio es una práctica común en la reducción de costos de productos extruidos. Sin embargo, al seleccionar el carbonato de calcio es importante saber que hay diferentes factores que pueden afectar tanto la procesabilidad como las propiedades del producto terminado. Factores como la relación de aspecto de la carga (si la partícula es más plana, más alargada o si tiene una forma más redondeada), o por ejemplo la dispersión del tamaño de partícula, afectan el resultado final. Un tamaño de partícula más disperso, donde hay mucha diversidad en el tamaño promedio, por ejemplo, afecta la nucleación y el crecimiento de cristales en el producto extruido. Así mismo, partículas tipo “hojuela” pueden afectar la fluidez de manera diferente que partículas tipo “esfera”. Así que, si bien en general el carbonato de calcio va a limitar la fluidez y aumentar la viscosidad al ser una carga de refuerzo, dependiendo de su naturaleza y de la geometría de las partículas podemos esperar interacciones y reacciones diferentes de cada tipo específico de carbonato de calcio.

Finalmente, es posible utilizar agentes espumantes para disminuir la densidad del producto fundido y para incrementar la fluidez. El agente espumante es una manera de reducir dramáticamente la viscosidad del fundido, aún en muy pequeñas dosificaciones. Los agentes espumantes químicos pueden añadirse como ayudas de proceso, aunque el objetivo no sea espumar, y se dosifican como cualquier otro masterbatch.