Por qué no hay un diseño de tornillo 'universal ' para todos los polímeros

Una pregunta común en el procesamiento de polímeros es: '¿Por qué no puede haber un diseño de tornillo que procese todos los plásticos? '

Si bien muchas personas asumen que 'Plastic ' es una sola categoría, en realidad cada tipo de polímero tiene comportamientos de procesamiento muy diferentes. Estas diferencias en las propiedades térmicas, la viscoelasticidad, la densidad y la fricción hacen que sea casi imposible diseñar un tornillo universal que funcione con una eficiencia máxima en todos los materiales.

Funciones centrales de un tornillo de extrusora

Cada tornillo de extrusora de un solo tornillo realiza tres funciones esenciales:

1. Transmitir sólido

2. Fusión

3. Medición y bombeo

Cada función está fuertemente influenciada por las propiedades inherentes del polímero que se está procesando. Es por eso que un diseño de tornillo optimizado para un polímero a menudo funciona mal con otro.

Estudio de caso: Requisitos de energía HDPE vs. HIPS

La comparación de polietileno de alta densidad (HDPE) con poliestireno de alto impacto (caderas) ilustra estas diferencias.

• Ambos tienen temperaturas de procesamiento similares, pero HDPE tiene un calor específico más alto (0.55 BTU/LB-° F) que las caderas (0.40 BTU/LB-° F). Esto significa que calentar HDPE requiere un 37.5% más de potencia que las caderas.

• Además, el HDPE es un material cristalino y requiere calor extra de fusión (100 BTU/lb) para fundirse, mientras que las caderas son amorfas sin un punto de fusión distinto.

• En general, HDPE necesita casi un 50% más de potencia total que las caderas para alcanzar la temperatura de procesamiento.

Efectos viscoelásticos y de densidad

Los polímeros también difieren en sus propiedades viscoelásticas, que controlan cómo la viscosidad responde a la temperatura y la velocidad de corte:

• Índice de ley de energía (N): sensibilidad a la tasa de corte

• Índice de consistencia (m): sensibilidad a la temperatura

Las caderas muestran una respuesta de viscosidad 50% mayor al cizallamiento que HDPE.

Las diferencias de densidad también importan. HDPE tiene ~ 90% de la densidad sólida del poliestireno pero solo el 77% de su densidad de masa fundida. Cuando HDPE se derrite, las estructuras cristalinas se descomponen, causando expansión del volumen y reduciendo el rendimiento (LBS/HR). Para compensar, los canales de tornillo para HDPE deben ser 38% más profundos con relaciones de compresión ajustadas. Sin embargo, la aplicación de este diseño a las caderas conduce a una fusión deficiente debido a su diferente comportamiento de viscosidad.

Características de fricción en la alimentación y el fusión

La eficiencia de la alimentación depende de la forma de pellets, la densidad aparente y la fricción interna (pellets-pellete) y la fricción externa (superficies de pellets a metal).

Los estudios muestran que el poliestireno tiene un coeficiente de fricción 50% más alto contra el acero que el HDPE, lo que cambia las tasas de alimentación y la compactación temprana de lecho sólido dentro del canal de tornillo. Esto afecta directamente la eficiencia de fusión.

El desafío de equilibrar las propiedades del polímero

El diseño de tornillos debe equilibrar estas diferencias, y a veces una propiedad compensa otra. Por ejemplo, mientras que HDPE y caderas se usan ampliamente, diseñar un tornillo que procese eficientemente ambos es extremadamente difícil. Extender esta idea a los polímeros con puntos de fusión más altos (como PC) o materiales higroscópicos que requieren prostitución previa hacen que el desafío sea aún mayor.

Cada variación en las propiedades del polímero puede influir significativamente en la eficiencia energética, la calidad de la fusión y el costo de producción. Por lo tanto, los tornillos deben adaptarse a polímeros específicos para un rendimiento óptimo.

Escala diseños de tornillos exitosos

Una vez que un tornillo está optimizado para un polímero específico, no es necesario rediseñarlo por completo para cada tamaño. A través de las relaciones de diseño de escala o escalada, la misma geometría se puede aplicar a otros diámetros de tornillo mientras se mantiene el rendimiento. Este método funciona de manera efectiva, excepto en rangos de tamaño extremo, lo que garantiza la consistencia en las necesidades de producción.

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