La mezcla estática en la producción y transformación de plásticos

La tecnología de mezcla Sulzer aplicada al campo de los polímeros desde hace muchos años, tiene ahora una gran aplicación en el campo de la inyección y extrusión. En este artículo se describen aplicaciones que abarcan desde adhesivos hasta la producción de polímeros.

Durante este último año los mezcladores estáticos se han utilizado cada vez más en la producción de polímeros y en la transformación de plásticos. De hecho, hoy es difícil imaginar plantas modernas de la industria de fabricación o transformación de plásticos que no utilicen tales mezcladores.

Las ventajas operativas resultantes son la capacidad de producir productos de alta calidad a bajo costo, y al mismo tiempo el aumento de la flexibilidad del proceso.

Aparte de estos aspectos, la utilización del mezclador estático tiene una serie de ventajas adicionales tales como: estar prácticamente exento de trabajos de mantenimiento, tener un volumen pequeño, un consumo energético insignificante y un bajo coste de inversión.

El principio del mezclador estático

Lo único que se mueve en el interior de un mezclador estático son las sustancias que deben mezclarse, dispersarse o que deben reaccionar una con la otra. Los elementos de mezcla están fijados al conducto, mientras la bomba mantiene las sustancias en movimiento (fig. 1).


Figura 1
Mezclador estático para la mezcla en línea de los procesos continuos

La geometría de los elementos de mezcla es tal que el fluido tratado se mezcla, une y transporta continuamente.

De este modo, se produce una mezcla reproducible, siguiendo un principio geométrico, con características de un flujo pistón ideal y con un tiempo de residencia mínimo. Estos factores han contribuido a un consciente incremento de la utilización del mezclador estático. La energía para la mezcla la proporciona la bomba y es calculada en función de las sustancias, caudal y pérdida de carga.

Como el mezclador estático Sulzer genera un esfuerzo cortante uniforme sobre la sección completa del flujo, la energía introducida en el mezclador se transfiere exactamente donde es necesaria. Esta optimización significa que el requerimiento de energía es 10 veces menor que la de un sistema dinámico. La Tab. 1 muestra algunos valores típicos de la pérdida de carga en el mezclador estático Sulzer en función del campo de aplicación.

El mezclador estático puede ser instalado en la tubería existente.

La necesidad de mantenimiento del mezclador estático es prácticamente nula dado que carece de partes móviles. En la producción de polímeros y su transformación, se tratan y mueven sustancias de alta viscosidad hasta formar una solución. Los fluidos de alta viscosidad tienen un flujo con características laminares, lo que supone la formación de estratos paralelos a la dirección del flujo. Sin una influencia externa, no se obtiene una mezcla transversal de los componentes hacia el interior del conducto.


Figura 2
Mezclas de dos resinas epoxis en un mezclador SMX. El corte transversal a lo largo de toda la longitud del mezclador muestran el rápido aumento de los estrados formados

Por esto, la mezcla de fluidos de alta viscosidad requiere una unidad de mezcla. Para tales aplicaciones, han sido utilizados con éxito, los mezcladores estáticos tipo SMX. La estructura del mezclador SMX consiste en un conjunto de láminas que generan una continua transposición del flujo de las paredes al centro y del centro a la pared del conducto. Esto significa que con una reducida longitud y con un tiempo limitado de residencia el mezclador estático Sulzer SMX está en situación de crear una mezcla reproducible (fig. 2). La calidad de la mezcla obtenida depende en gran parte de varios factores del proceso, pero está determinada principalmente por el número de elementos de mezcla implicados.

La extrusión de termoplásticos

Para poder extruir productos de alta calidad es de suma importancia que la distribución de la temperatura, color y viscosidad en el interior del polímero fundido esté entre unos valores limitados. Esto significa que el grado de homogeneidad del fundido tiene una influencia notable sobre la calidad y la economía de la totalidad del proceso de extrusión.

Con el uso de la extrusora podemos encontrar en el interior del polímero fundido, diferentes gradientes de temperatura, más o menos elevados. Tales variaciones de la homogeneidad generan variaciones en el espesor del producto extruido así como deformación y corrugación de la superficie.

Para eliminar tales efectos colaterales, el mezclador estático Sulzer para extrusión, modelo SSM-X, se instala entre la cabeza de la extrusora (después del husillo) y la hilera (fig. 3). El mezclador SSM-X, consistente en una serie de elementos de mezcla tipo SMX, mejora la homogeneidad de la temperatura, color y viscosidad hasta en un factor de 5.


Figura 3
Mezclador para la extrusión instalado antes de la hilera.

Como resultado, se obtiene un producto extruido prácticamente perfecto. Con ello, la cantidad de colorante, así como el coste de manutención se reducen sustancialmente.

Aplicaciones

• 
  
  
• Extrusiones de granza, película y perfiles de PP, PE, PS, PC, etc.
  
  
• La calidad de la superficie así como los espesores y la distribución del color mejoran.
  
  
• Homogeneización del flujo en la cavidad de la cabeza para soplado y extrusión de película de PP, PE y PET.
  
  
• Las líneas de flujo se eliminan. Esto se traduce en que se reducen las diferencias en el espesor de la película así como las diferencias de peso. Esto nos lleva a un ahorro de materiales, al tiempo de operación y a una reducción de los rechazos.
  
  
• Durante la extrusión de granza PE, PS o PC expandidos, la delicada mezcla en el interior del SSM-X le da uniformidad a la estructura y al espesor del material extruido.

Inyección de termoplástico y de elastómeros termoplásticos

Ya sea en la extrusión como en la inyección, es muy importante tener una buena homogeneización del flujo para poder obtener piezas acabadas de óptima calidad.

Con la instalación de un mezclador estático Sulzer SMK-X (consistente en una serie de elementos SMX) en el husillo de una prensa de inyección, el flujo se mezcla antes de entrar en la inyección (fig. 4). Esto reduce las deshomogeneidades en la distribución de temperatura, viscosidad y color. Las piezas producidas tienen unas dimensiones más precisas en ausencia e deformaciones, con una sensible reducción de las líneas de flujo. Una intensa mezcla proporciona por otro lado, una mejor dispersión del color que afecta a su vez a la coloración final, permitiendo un ahorro de master fino al 40 %. Como las variaciones de temperatura se compensan continuamente, es posible trabajar con temperaturas medias del flujo ligeramente más elevadas. La menor viscosidad resultante aumenta las características de fluidez del polímero en la inyección. Esto asegura una mejor calidad con menor pérdida de carga. Una reducción de las presiones alarga la duración del husillo y de la válvula antirretorno. Además, aumentan significativamente las posibilidades de utilizar husillos universales.


Figura 4
Mezclador para la extrusión instalado antes de la hilera.

En el apartado de aplicaciones, se puede decir que, hoy en día, el mezclador Sulzer para inyección se utiliza también con los polímeros termoplásticos. En particular, es muy apreciado el hecho de que máquinas de inyección estándar son capaces de trabajar con una gran gama de polímeros y colores sin dificultad, gracias al mezclador estático Sulzer.

Transformaciones de resina reactiva y adhesivos

A causa del enorme aumento de la utilización de los componentes plásticos en la industria automovilística y de los productos industriales consumibles, han sido necesarios nuevos métodos de fijación. En lugar de la fijación con husillo y soldadura, hoy en día se utilizan mayoritariamente adhesivos para el montaje y fijación de varios componentes.

Los adhesivos sellantes pueden ser divididos principalmente en dos categorías: Adhesivos con "enlaces físicos" y con "enlaces químicos".

En los adhesivos con enlaces físicos la unión se produce únicamente por la evaporación del disolvente. En los adhesivos con enlaces químicos la reacción tiene lugar mediante la simple exposición a los rayos ultravioleta, por contacto con la humedad del área o con metales que catalizan los enlaces. Tales adhesivos son llamados adhesivos de un componente. Los adhesivos y resinas que reaccionan mediante adición de aditivos endurecedores son llamados adhesivos bi-componentes.

Por razones de higiene ambiental, son preferidos adhesivos de uno o dos componentes. Un gran número de estas resinas y adhesivos, para poder iniciar la reacción, necesitan de la ayuda de un iniciador o agente inductor. El mezclador Sulzer para resinas SHM ha sido diseñado para la mezcla en continuo de tales aditivos a la resina, adhesivos y colas.

El mezclador SHM consta de una serie de elementos de mezcla SMXG. Los elementos de mezcla se insertan en un conducto que contiene a su vez en su interior un tubo de plástico. Esta configuración permite una más fácil extracción de los elementos de mezcla aunque se haya endurecido la resina en el interior del mezclador. Así, los elementos de mezcla pueden pulirse y ser reutilizados. La excelente capacidad de mezcla del SMXG produce una mezcla de alta calidad en un mínimo volumen. A causa de la baja retro-mezcla y baja generación de calor en los conductos, la reacción de endurecimiento se realiza uniformemente. El pequeño peso y las reducidas dimensiones del mezclador tienen un impacto positivo sobre sus características. La robustez mecánica le garantiza un amplio rango de operación. La óptima calidad de autolimpieza del mezclador da la posibilidad de la utilización de pequeños volúmenes de compuestos neutros con mínimas pérdidas.

Aplicaciones

• Adición de activadores o agentes endurecedores por PU y polisulfitos para la producción de adhesivo y pegamento para ventanillas en la industria automovilística. El mezclador SHM se instala directamente frente al husillo sea en implante manual o bien en línea automatizada o robotizada.
  
  
• Adición de agentes expandidores del poliol
  
  
• Mezcla de poliol e isocianato
  
  
• Adición de agentes endurecedores en resinas epoxi o poliéster
  
  
• Mezcla de colorantes y aditivos varios en pegamento y adhesivos (fijación de cristales en ventanas)
  
  
• Adición de pigmentos en pasta y catalizadores sobre resinas poliéster.
  
  
• Adición de colorantes y catalizadores a la pasta de silicona en la producción de cartuchos dispensadores
  
  
• Adición de activadores sobre adhesivas de poliuretanos
  
  
  
  

  Valores típicos de pérdida de carga en un mezclador SMX durante la mezcla y dispersión de fluidos en régimen laminar
  Campo de aplicación	Tipo de mezclador	Pérdida de carga
  Homogeneización de fluidos de alta viscosidad	SMX	5-30
  Mezcla de fluidos viscosos con viscosidad similar	SMX	5-20
  Mezcla de aditivos de baja viscosidad solubles en fluidos viscosos	SMX	10-50
  Mezcla de aditivos de baja viscosidad parcialmente solubles en fluidos viscosos	SMX	20-100
  Dispersión de aditivos de baja viscosidad insolubles en fluidos viscosos	SMX	10-300

  
  
  
  
  

Arno Signer y Alberto Guerini
Sulzer