Plasticos Manufactura

Plásticos

El procesamiento de los plásticos y elastómeros comprende operaciones similares a las utilizadas en el formado y moldeo de metales. El procesamiento de hules y elastómeros empezó en el siglo XIX con el descubrimiento de la vulcanización, realizado por C. Goodyear en 1839. Los plásticos comenzaron a desarrollarse en la década de 1920; su rápido crecimiento en la década de 1940 y siguientes produjo avances importantes en el diseño y la manufactura de diversos equipos de procesamiento para fabricar grandes cantidades de productos de consumo e industriales. En la década de 1970 empezaron a introducirse los plásticos reforzados, lo que llevó a un rápido avance en el uso de materiales compositor, con propiedades únicas y los retos concurrentes para su producción

Esquema de los procesos de formado y moldeo de plástico, elastómeros y materiales compositos.

Extrusión

En la extrusión, que constituye el volumen más grande de plásticos producidos, las mate-rias primas en forma de pellets, gránulos o polvo termoplástico se colocan en una tolva y alimentan el barril de un extrusor de tornillo. Dicho barril se equipa con un tornillo helicoidal que mezcla los pellets y los transporta hacia el dado. La fricción inter-na por la acción mecánica del tornillo calienta y funde los pellets. La acción del tornillo también aumenta la presión dentro del barril. Los tornillos tienen tres secciones diferentes:

1. Sección de alimentación: transporta el material de la tolva a la región central del barril.

2. Sección de fusión (también conocida como sección de compresión o transición): en ella, el calor generado por el cizallamiento viscoso de los pellets de plástico y los calentadores externos hace que empiece la fusión.

3. Sección de bombeo: aquí ocurre un cizallamiento adicional (a alta velocidad) y la fusión por el aumento de presión que se produce en la matriz.

Esquema de un extrusor de tornillo

Diversos procesos de extrusión

Existen múltiples variaciones del proceso básico de extrusión para producir los siguientes tipos de productos.

Tubos y tubería de plástico.

Éstos se producen en un extrusor con un dado de araña, como se muestra en la figura 19.4a (ver también fig. 15.8 para detalles). Los refuerzos de fibra tejida o de alambre también se pueden alimentar mediante matrices especialmente diseñadas para esta operación para producir mangueras reforzadas que requieren soportar presiones superiores. La extrusión de tubos también es un primer paso necesario para otros procesos relacionados con éste, como el moldeo de extrusión por soplado y la película soplada

Tubería de plástico rígido.

Extruida mediante un proceso en el que la matriz se gira, la tubería de plástico rígido provoca que el polímero se cizalle y oriente biaxialmente durante la extrusión. Como resultado, el tubo tiene más resistencia al aplastamiento y una mayor relación de resistencia a peso que los tubos extruidos de manera convencional.

Coextrusión.

Como se muestra en la figura 19.4b, la coextrusión comprende la extrusión simultánea de dos o más polímeros a través de una matriz simple. Por lo tanto, la sección transversal del producto contiene diferentes polímeros, cada uno con sus propias características y función. Es común utilizar la coextrusión en formas como láminas planas, películas y tubos; se usa además de manera específica en empaques de alimentos, en los que distintas capas de polímeros tienen diferentes funciones, como

(a) ser inertes para los alimentos,

(b) servir de barrera a fluidos como el agua o el aceite, y

(c) etiquetar el producto.

Cable eléctrico con recubrimiento plástico.

El cable eléctrico de alambre y las cintas también se extruyen y recubren con plástico mediante este proceso. El alambre se alimenta por la abertura del dado a una velocidad controlada, junto con el plástico extrudido, para producir un recubrimiento uniforme. Los sujetadores para papel forrados de plástico también se fabrican por medio de extrusión. Con el propósito de asegurar el aislamiento apropiado, se verifica de manera continua la resistencia de los cables eléctricos extrudidos conforme salen del dado; también se marcan automáticamente con un rodillo para identificar el tipo específico de cable.

Láminas y películas de polímeros.

Éstos se pueden producir por medio de un da-do de extrusión plana diseñado especialmente. También conocido como dado de gancho para ropa, está diseñado para distribuir el polímero fundido de manera uniforme a lo ancho. El polímero se extruye forzándolo a través del dado, después de lo cual se hace pasar la lámina extruida primero sobre rodillos enfriados con agua y luego por un par de rodillos de extracción recubiertos con hule. Por lo general, la lámina de polímero tiene un espesor mayor a 0.5 mm y la película tiene un espesor menor a 0.5 mm

Películas delgadas de polímero.

Las bolsas de plástico comunes y otros productos de polímeros de película delgada se fabrican con película soplada, que se fabrica a partir de un tubo de pared delgada producido por un extrusor En este proceso se extruye un tubo de modo continuo y vertical hacia arriba; después se expande en forma de globo, soplando aire a través del centro del dado de extrusión hasta que se llega al espesor deseado de la película. Debido a la orientación molecular de los termoplásticos, en este proceso se desarrolla una línea mate en el globo, con el cual se reduce su transparencia. Por lo regular, el globo se enfría con aire proveniente de un anillo de enfriamiento que está a su alrededor, el cual también puede actuar como barrera para evitar una expansión mayor del globo, controlando así sus dimensiones.

Películas de plástico.

Las películas de plástico, en particular el politetrafluoroetileno (PTFE; nombre comercial: Teflón), pueden producirse mediante el rasurado de la circunferencia de una palanquilla de plástico redonda utilizando navajas diseñadas especial-mente, igual a como se produce la chapa de una pieza grande de madera redonda. El proceso se conoce como pelado

Pellets.

Utilizadas como materia prima para otros métodos de procesamiento de plásticos que se describen en este capítulo, los pellets también se fabrican por extrusión. Se extruye una barra sólida de diámetro pequeño en forma continua y después se corta en secciones cortas (pellets). Con algunas modificaciones, los extrusores también se pueden usar como fundidores simples para otros procesos de moldeo, como el moldeo por inyección y por soplado.

Producción de fibras de polímeros para refuerzo

Las fibras de polímeros tienen diversas aplicaciones importantes. Además de utilizarse como refuerzo en materiales compositor, se emplean en una amplia variedad de productos de consumo e industriales, incluyendo ropa, alfombras, telas, cuerdas y empaques. La mayoría de las fibras sintéticas utilizadas en los plásticos reforzados son polímeros que se extruyen a través de los pequeños agujeros de un dispositivo conocido como cabeza de hilar (parecido a una regadera), a fin de formar filamentos continuos de polímero semisólido. El extrusor fuerza el polímero a través de la cabeza de hilar, que puede tener de uno a varios cientos de agujeros. Si los polímeros son termoplásticos, primero se funden en el extrusor. Los polímeros termo-fijos también se pueden formar como fibras disolviéndolos o tratándolos químicamente primero, de manera que puedan extruirse. Estas operaciones se efectúan a altas velocidades de producción y con una confiabilidad muy grande. Conforme salen los filamentos de los agujeros en la cabeza de hilar, el polímero líquido pasa primero a un estado gomoso y después se solidifica. Este proceso de extrusión y solidificación de filamentos continuos se conoce como rechazado. El término también se utiliza para la producción de textiles naturales (como el algodón o la lana), en el que las piezas de fibra cortadas se trenzan como hilados. Existen cuatro métodos de torcido de fibras: torcido fundido, en húmedo, en seco y en gel.

1. En el torcido fundido, el polímero se funde para extruirlo a través de la cabeza de hilar y después se solidifica directamente por enfriamiento. Una cabeza de hilar característica de esta operación tiene unos 50 agujeros de 0.25 mm (0.01 pulgada) de diámetro y alrededor de 5 mm (0.2 pulgada) de es-pesor. Las fibras que emergen de la cabeza de hilar se enfrían mediante convección de aire forzado y se jalan simultáneamente, de manera que su diámetro final se vuelve mucho más pequeño que la abertura de la cabeza de hilar. Los polímeros (como nailon, olefina, poliéster y PVC) se producen de esta manera. Debido a las importantes aplicaciones de las fibras de nailon y poliéster, el torcido fundido es el proceso más importante de manufactura de fibras. Las fibras torcidas fundidas también pueden extruirse de la cabeza de hilar en varias otras secciones transversales, como en el triángulo de lados curvos y en formas pentagonales, octagonales y huecas. Las fibras huecas atrapan el aire y, así, proporcionan aislamiento térmico adicional, mientras que otras secciones transversales tienen aplicaciones específicas.

2. El torcido en húmedo es el proceso más antiguo de producción de fibras y se utiliza para polímeros que se disuelven en un solvente. Las cabezas de hilar se sumergen en un baño químico; conforme emergen los filamentos, se precipitan en el baño químico, produciendo

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