Extrusión de tubería de HDPE: Microprocesos relacionados con el espacio de aire

Dinámica y retos de la extrusión de tubos de HDPE

El HDPE utilizado en tuberías es un polímero cristalino que contiene entre un 60 y un 80 % de cristalinidad. El procesamiento se lleva a cabo a unos 200°C, cuando todas las estructuras cristalinas se transforman en una estructura no definida a medida que el material sale del troquel. Los plásticos extruidos a menudo tienen una viscosidad más alta del material fundido, lo que permite que el extruido mantenga la forma que le ha sido dada por el troquel.
El espacio de aire es un área crítica en la que el extruido se encuentra entre el troquel de extrusión y la entrada al dimensionador, en la que el operador ve la extrusión por primera vez.
Como explicado en gran detalle por el ingeniero Yashodan Kanade en el 2020, hay muchos microprocesos que ocurren en esta área que tienen lugar simultáneamente dentro del espacio de aire:

• Hinchazón del troquel
• Retiro
• Aumento de la densidad
• Fractura de material fundido (en determinadas condiciones)
• Contacto con el aire y oxidación de la superficie
• Estiramiento mientras el extruido está caliente (orientación del material fundido)
• Diseño de resonancia (en algunos casos)
• Recocido mientras el material está caliente antes de entrar en el dimensionador
• Dimensionamiento al vacío o dimensionamiento a presión
• Enfriamiento por debajo de la temperatura establecida

Idealmente, la extrusión de la tubería de HDPE debe tener la misma densidad y temperatura a lo largo de la circunferencia y la distancia del espacio de aire debe mantenerse constante.
El área del espacio es donde el HDPE caliente entra en contacto con el oxígeno del aire, lo que causa la degradación oxidativa en la superficie. La prevención de la oxidación no es muy eficaz en el espacio de aire porque la mayoría de los aldehídos y los ácidos se forman aquí.
Esta variación de la matriz de HDPE depende de lo siguiente:

• HDPE utilizado: cuanto mayor sea el MFI (índice de flujo de fusión por sus siglas en inglés), menor será el incremento del troquel
• Espacio del troquel: cuanto más pequeño sea el espacio, mayor aumentará el troquel
• Pared recta del troquel (land): cuanto más larga sea la pared recta del troquel, menor será el incremento del troquel
• La excentricidad en la pared de la tubería causará variación en el incremento del troquel
• Temperatura de la extrusión: cuanto mayor sea la temperatura, menor será el incremento del troquel

Fusión de fractura y drenaje de resonancia en la extrusión de tuberías de HDPE

Hay dos tipos de variabilidad en el espacio de aire durante la extrusión de las tuberías de HDPE: la fractura del fundido y la resonancia de drenaje. Ambos dan como resultado una disminución de la calidad de la extrusión, lo que generalmente limita la productividad.
Causan deterioro de la superficie, que va desde rugosidad simple (piel de tiburón), hasta configuraciones helicoidales aleatorias o distorsiones macroscópicas (fractura del material fundido).
La fractura de material fundido puede provocar fallos de tracción, deformación de la extrusión y fenómenos de deslizamiento del polímero en las superficies del troquel.
El diseño de la resonancia es de naturaleza más cíclica, con pulsaciones en el diámetro de la extrusión. Solo se produce cuando la relación de reducción y/o la tasa de reducción alcanzan un valor crítico a una tasa de rendimiento fija. Su gravedad de la resonancia aumenta con un aumento en la relación de reducción y/o velocidad hasta que se rompe la extrusión.
A medida que el extruido pasa a través del espacio de aire, otra zona inmóvil es la entrada del extruido en el depósito de vacío. Esto es muy exigente, ya que la entrada del depósito de refrigeración está ocupada con agua corriente. El agua suele estar bajo un control estricto mediante el uso de presas, diafragmas y diques para mantener el flujo de agua lo más constante posible para evitar el contacto inestable del agua con el cono de fusión.
Aquí, la superficie exterior del producto extruido se altera de un estado líquido viscoso a alta temperatura a un estado sólido: primero, el extruido hace contacto con el agua del tanque de enfriamiento creando una condición irreversible en el producto.