La fabricación de masterbatch negro para colorar tubos exige una tecnología de preparación particularmente sofisticada

El color negro es un reto

Matthias Weinmann, Business Segment Manager de Masterbatch e Instalaciones STS de Coperion 03/06/2013

Amplios ensayos en el centro de tecnología de Coperion demuestran que las instalaciones de preparación de la serie ZSK Megavolume Plus producen masterbatch negro de una muy alta calidad del producto. Adicionalmente, estas instalaciones alcanzan altos rendimientos. Lo mismo es decisivo para obtener bajos costes de preparación específicos.

La fabricación de masterbatch negro (Figura 1) es una tarea de tratamiento sumamente exigente, en la cual se deben dispersar negros de humo especiales en un plástico portador. La preparación comprende tres etapas de proceso, las cuales se ejecutan en parte consecutivamente, y en parte también simultáneamente: la humectación, la separación y la distribución de las partículas de negro de humo. El negro de humo empleado para masterbatch negro está compuesto de nanopartículas de un tamaño de 10 a 300 nm. Estas partículas están acumuladas formando aglomerados, los cuales deberán ser separados durante la preparación de los compuestos.

Figura 1: Masterbatch de negro de humo para colorar tubos de HDPE. Foto: Coperion, Stuttgart/Alemania.

La fabricación de masterbatch negro para colorar tubos exige una tecnología de preparación particularmente sofisticada. Frecuentemente, los tubos están compuestos de polietileno de elevado peso molecular de alta densidad (HDPE), de una alta viscosidad de la fusión. Debido a las propiedades requeridas del tubo, también el plástico portador deberá mostrar una viscosidad similar de la fusión, lo que dificulta la dispersión del negro de humo.

En vista de estos desafíos, se recomienda la aplicación de la técnica de alimentación disociada (en inglés split feed) para la preparación de compuestos de masterbatch de negro de humo. En ésta, el negro de humo es agregado al plástico ya fundido. Por lo mismo, el proceso destaca por su cuidadoso modo de trabajo. Además, ofrece ventajas de calidad y productividad.

Como se muestra en el esquema del proceso en la Figura 2, en la primera etapa del extrusor de preparación de compuestos se funde el plástico portador. Después, con la ayuda de una alimentación lateral de dos ejes (ZS-B), los pigmentos de negro de humo son agregados de modo dosificado y, a continuación, los mismos son mezclados cuidadosamente con el plástico fundido. La alimentación del producto dividida en dos caudales también proporciona un mayor rendimiento. Debido a la alta viscosidad del masterbatch fundido de negro de humo, se recomienda establecer la presión de masa fundida requerida para la granulación bajo agua por medio de una bomba de masa fundida.

Figura 2: Estructura típica de una instalación de preparación y granulación para la fabricación de masterbatch negro (esquema). 1: Instalación de dosificación para el plástico portador; 2: Instalación de dosificación para aditivos; 3: Instalación de dosificación; 4: Alimentación lateral de dos ejes (ZS-B) para agregar el negro de humo; 5: ZSK Megavolume Plus; 6: Desgasificación; 7: Válvula de arranque; 8: Granulación bajo agua; 9: Extracción de agua del granulado; 10: Secador de granulados.

Megavolume: fabricación cuidadosa y productiva

Los valores característicos decisivos de una extrusora de doble husillo en lo referente a la tecnología de procesos son los siguientes:

La relación Da/Di del diámetro exterior (Da) y del diámetro interior (Di) del tornillo sin fin (Figura 3).
El par específico M_d/a³; en que ‘M_d’ es el par transmitido por los ejes de husillo, y ‘a’ la distancia entre los ejes.

Figura 3: Datos característicos de la geometría de la extrusora de doble husillo ZSK (véanse las explicaciones en el texto).

En la ZSK Megavolume Plus, la relación de los diámetros, D_a/D_i = 1,8, es alrededor de un 16% mayor que en la ZSK Mc¹⁸ (D_a/D_i = 1,55), de modo que el volumen libre en la sección de proceso es aprox. un 40% más grande. Lo mismo, a la misma velocidad de los husillos, permite un rendimiento de hasta un 40% mayor en el caso de un suministro de productos a granel de baja densidad aparente. En concreto, con la ZSK Megavolume Plus es posible la incorporación de grandes porciones de negro de humo, de hasta 50% en peso en el material portador y, en el caso de tipos especiales de negro de humo, aún más. Además, la velocidad de cizallamiento y, de este modo, el esfuerzo térmico de la masa fundida permanecen bajos, también teniendo en cuenta que la viscosidad de la fusión aumenta considerablemente al agregar negro de humo. La velocidad de cizallamiento significantemente más baja también permite una velocidad más alta de los husillos, lo que permite un rendimiento todavía más alto.

Ensayos en el centro de tecnología: alto rendimiento...

En su centro de tecnología, Coperion fabricó masterbatch negro con diferentes plásticos portadores, p. ej. HDPE, LDPE o LLDPE, y con diferentes tipos de negros de humo. Se utilizó una ZSK 54 Megavolume PLUS de un diámetro del husillo de 54 mm y una longitud del proceso de 44 D (Figura 4). El negro de humo y los agentes dispersantes, por ejemplo estearatos para mejorar la humectación del negro de humo, fueron dosificados y suministrados al plástico fundido por medio de una ZSB en la 4ª caja del extrusor. En todo caso, el material portador fue HDPE de un MFI (2,16 kg/190 °C) de aprox. 12 g/10 min. Como negro de humo se utilizó el negro de humo perlado de un fabricante renombrado; el volumen agregado fue de 40% en peso.

Figura 4: Ejemplo de una ZSK Megavolume Plus para la fabricación de masterbatch negro, equipada lista para el funcionamiento.

A una velocidad de los husillos de 900 rpm, el rendimiento máximo fue de 650 kg/h. La ampliación a una instalación de producción con husillos de 76 mm produjo un rendimiento máximo de 1.800 kg/h. No es posible alcanzar unos rendimientos tan altos en combinación con una muy buena calidad de dispersión en caso de utilizar husillos de una profundidad de paso más pequeña (p. ej. D_a/D_i = 1,55).

... y alta calidad de dispersión según EN ISO 18553

Todas las muestras fueron evaluadas según EN ISO 18553: ‘Evaluación de la distribución de negro de humo en tubos, piezas moldeadas y compuestos de moldeo de poliolefinas’. Con este objetivo, se fabrica una muestra del masterbatch de negro de humo, la cual presenta un contenido de negro de humo de menos de 3% en peso. Bajo el microscopio, con un aumento de 100 veces, se determina el tamaño y la cantidad de aglomerados de negro de humo en seis puntos diferentes de un corte con microtomo de esta muestra y, clasificados en categorías de tamaño escalonadas a partir de 0,5 µm, se evalúa éstos en conformidad con la cuadrícula de la norma. Según la EN ISO 18553, con lo mismo se obtendrá una nota de evaluación media. Para satisfacer las exigencias habituales del mercado, la nota deberá ser más baja que 3.

Como muestran los resultados resumidos en la Tabla 1, la mejor muestra (N° 16) alcanza un valor de 0,83 en la calidad de dispersión. Con unas notas entre 1,08 y 1,5, también todas las demás muestras son significantemente mejores de lo que exige el mercado.

Tabla 1: Evaluación de la calidad de dispersión de muestras de masterbatch negro (HDPE + 40% en peso de negro de humo perlado) según EN ISO 18553, probada en 6 diferentes puntos, designados a1 a c2, de cada una de las muestras.

Ventaja para el usuario: la rentabilidad

Adicionalmente a la buena calidad del producto, la serie de instalaciones ZSK Megavolume Plus también destaca por su alta rentabilidad. Las características decisivas para lo mismo son, además del gran rendimiento, la baja altura de construcción y la mínima demanda de espacio, el fácil manejo y la alta disponibilidad de las máquinas, la óptima autolimpieza debido al engranaje estrecho de los husillos, así como la fácil intercambiabilidad de los elementos de husillo y de las carcasas de husillo.