El proceso de extrusión incluye la producción de aislamiento y revestimiento. Los métodos de producción de aislamiento incluyen recubrimiento, envoltura, extrusión y combinaciones de los mismos. Actualmente, la producción de aislamiento implica principalmente el recubrimiento (para alambres enrollados, que ya no están sujetos a regulaciones de licencia de producción) y la extrusión (para alambres y cables).
I. Proceso de extrusión de plástico
1. Método de extrusión continua
El equipo de extrusión es generalmente un extrusor de un solo tornillo. Antes de la extrusión, se debe comprobar que el plástico no contenga humedad ni impurezas. Luego, el tornillo se precalienta antes de agregarlo a la tolva. Durante la extrusión, el plástico de la tolva ingresa al barril por gravedad o por el tornillo de alimentación. Bajo el empuje del tornillo giratorio, es impulsado continuamente hacia adelante, pasando gradualmente de la sección de precalentamiento a la sección de homogeneización.
Simultáneamente, el plástico es agitado y extruido por el tornillo, y bajo el calor externo del cilindro y la fricción cortante entre el plástico y el equipo, se transforma en un estado de flujo viscoso, formando un flujo continuo y uniforme en el canal del tornillo. Bajo la temperatura especificada, el plástico se transforma de un estado sólido a una sustancia fundida y maleable. Impulsado o agitado por un tornillo, el plástico completamente plastificado se empuja hacia el cabezal de la matriz. El flujo de material que llega al cabezal del troquel pasa a través del espacio anular entre el núcleo del troquel y el manguito del troquel, y se extruye desde la abertura del manguito del troquel, recubriendo el conductor o núcleo del alambre para formar una capa o funda aislante densa y continua. Después de enfriar y solidificar, se convierte en un producto de alambres y cables.
II. Tres etapas del proceso de extrusión
La base más importante para la extrusión de plástico es la plasticidad del plástico. El proceso de plastificación en una extrusora es un proceso físico complejo que incluye mezcla, trituración, fusión, plastificación, desgasificación, compactación y conformación final. Este proceso de extrusión continua a menudo se divide artificialmente en diferentes etapas en función de las diferentes reacciones del plástico:
1. Etapa de Plastificación (Mezcla, Fusión y Homogeneización del Plástico)
Esto se completa dentro del cilindro del extrusor. Mediante la rotación del tornillo, el plástico se transforma de un sólido granular a un fluido plástico viscoso. El plástico recibe calor durante la etapa de plastificación de dos fuentes: calentamiento eléctrico externo del cilindro y calor por fricción generado por la rotación del tornillo.
2. Etapa de Moldeo (Moldeo por Extrusión de Plásticos)
Esta etapa tiene lugar dentro del cabezal del troquel. Debido a la rotación y la presión del tornillo, el fluido viscoso es empujado hacia el cabezal del troquel. A través del molde dentro del cabezal de la matriz, el fluido viscoso se transforma en materiales extruidos de varios tamaños y formas, cubriendo el núcleo del alambre o conductor.
3. Etapa de Conformación (Enfriamiento y Curado de la Capa de Plástico)
Esta etapa se lleva a cabo en un tanque de agua de refrigeración o en tuberías de refrigeración. Después del enfriamiento, la capa de plástico extruido cambia de un estado plástico amorfo a un estado sólido conformado.
III. Cambios en el flujo del plástico durante la etapa de plastificación
Durante la etapa de plastificación, a medida que el plástico se mueve a lo largo del eje del tornillo hacia el cabezal del troquel, sufre cambios de temperatura, presión, viscosidad e incluso estructura química. Estos cambios difieren en diferentes secciones del tornillo. Según los cambios de estado físico durante el flujo del plástico, la etapa de plastificación se divide artificialmente en las siguientes tres etapas.
1. En la sección de alimentación:
Primero, proporciona una temperatura de ablandamiento para el plástico sólido granular. En segundo lugar, el esfuerzo cortante generado entre el tornillo giratorio y el cilindro estacionario actúa sobre los gránulos de plástico, rompiendo el plástico ablandado. Lo más importante es que la rotación del tornillo genera un empuje suficientemente grande, continuo y estable y una fuerza de fricción inversa para formar una presión de extrusión continua y estable. Esto logra la agitación y homogeneización del plástico roto e inicia el intercambio de calor inicial, sentando así las bases para una extrusión continua y estable. El empuje generado en esta etapa afecta directamente la calidad y el rendimiento de la extrusión.
2. En la sección de fusión:
En esta sección el plástico encuentra una temperatura más alta, que es la fuente de calor. Además del calentamiento puntual fuera del cilindro, también influye el calor por fricción procedente de la rotación del tornillo. El empuje de la sección de alimentación y la fuerza de reacción de la sección de homogeneización hacen que el plástico refluya durante su movimiento hacia adelante. Este reflujo no sólo homogeneiza aún más el material sino que también aumenta el intercambio de calor del plástico, logrando el equilibrio térmico superficial. Debido a que la temperatura de funcionamiento en esta etapa excede la temperatura reológica del plástico y el tiempo de funcionamiento es relativamente largo, el plástico sufre una transición de fase. El material en contacto con el cilindro calentado comienza a fundirse, formando una película de polímero fundido en la superficie interna del cilindro. Cuando el espesor de la película fundida excede el espacio entre la punta del tornillo y el cilindro, el tornillo giratorio la raspa y se acumula frente al tornillo que avanza, formando un charco fundido.
Debido al movimiento relativo entre el cilindro y la raíz del tornillo, el baño fundido genera un flujo circulante de material. Detrás de la punta del tornillo hay una base sólida (plástico sólido). A medida que el material avanza a lo largo del canal del tornillo, la profundidad del canal del tornillo en la sección de fusión disminuye gradualmente hacia la sección de homogeneización. El lecho sólido se presiona continuamente hacia la pared interior del barril, acelerando el proceso de transferencia de calor desde el barril al lecho sólido. Simultáneamente, la rotación del tornillo ejerce un efecto de cizallamiento sobre la película fundida en la pared interior del cilindro, provocando que se funda el material en la interfaz entre la película fundida y el lecho sólido. La anchura del lecho sólido disminuye gradualmente hasta desaparecer por completo, es decir, cambia de un estado sólido a un estado de flujo viscoso. En esta etapa, la estructura molecular del plástico sufre un cambio fundamental. La tensión intermolecular está extremadamente relajada. Si es un polímero cristalino, las regiones cristalinas comienzan a disminuir y las regiones amorfas aumentan. A excepción de las moléculas muy grandes, la mayor parte ha completado la plastificación, la llamada "plastificación preliminar". Además, bajo presión, se expulsa el gas contenido en el material sólido, consiguiéndose una compactación previa.
3. En el apartado de homogeneización:
Esta sección tiene la profundidad de rosca más baja, lo que significa que el volumen del canal del tornillo es el más pequeño. Por tanto, esta es la sección donde la presión entre el tornillo y el cilindro es mayor. Además, el empuje del tornillo y las fuerzas de reacción de la placa de criba, etc., son la zona de contacto directo entre el plástico y el cilindro. Esta sección también tiene la temperatura de extrusión más alta, por lo que las presiones radiales y axiales sobre el plástico son mayores en esta etapa. Esta alta presión es suficiente para expulsar todo el gas contenido en el plástico y compactar la masa fundida, haciéndola densa. Es por eso que esta sección se llama "sección de homogeneización de presión".
IV. Estado de flujo de los plásticos durante la extrusión
Durante la extrusión, la rotación del tornillo empuja el plástico hacia adelante, mientras el cilindro permanece estacionario. Esto crea un movimiento relativo entre el tornillo y el cilindro, generando una fricción que arrastra el plástico hacia adelante. Además, la resistencia de la matriz, la pantalla perforada y el filtro en el cabezal de la matriz crea una fuerza de reacción sobre el plástico a medida que avanza, complicando aún más el flujo de plástico dentro del tornillo y el cilindro. Generalmente se considera que el estado de flujo del plástico consta de los siguientes cuatro patrones de flujo:
1. Flujo hacia adelante: Esto se refiere al flujo de plástico a lo largo de la ranura del tornillo hacia el cabezal del troquel. Se genera por la fuerza de empuje del tornillo giratorio y es el más importante de los cuatro patrones de flujo. La magnitud del flujo directo determina directamente el volumen de extrusión.
2. Flujo hacia atrás (contraflujo): Su dirección es exactamente opuesta al flujo hacia adelante. Es causado por la presión (fuerza de reacción del movimiento hacia adelante del plástico) generada en el área del cabezal del troquel debido a la resistencia del troquel, la pantalla y el filtro en el cabezal del troquel. 3. **Reflujo bajo presión:** Este es el flujo de plástico a lo largo del eje, perpendicular a las ranuras de los tornillos. También se forma por la acción de empuje del tornillo giratorio. Su flujo se ve obstaculizado por la resistencia de las paredes laterales de las ranuras del tornillo. Debido a la resistencia mutua de las roscas en ambos lados y al tornillo giratorio que hace que el plástico gire dentro de las ranuras, se forma un flujo circular. Por tanto, el flujo cruzado es esencialmente un flujo circular.
El flujo circulante es inseparable de la mezcla y plastificación del plástico en estado fundido dentro del barril. El flujo circulante agita y mezcla el material en el cilindro y facilita el intercambio de calor entre el cilindro y el material, lo cual es importante para mejorar la calidad de la extrusión, pero tiene poco efecto sobre el caudal de extrusión.
4.Flujo de fuga: Esto también es causado por la resistencia del troquel, la malla y el filtro en el cabezal del troquel. Sin embargo, no se trata del flujo dentro de las ranuras del tornillo, sino más bien de un reflujo formado en el espacio entre el tornillo y el cilindro. También puede provocar una pérdida de capacidad de producción. Debido a que el espacio entre el tornillo y el cilindro suele ser muy pequeño, el caudal de fuga es mucho menor que el del flujo directo e inverso en condiciones normales.
Durante la extrusión, las fugas afectarán el volumen de extrusión; una mayor fuga disminuirá el volumen de extrusión. Los cuatro estados de fluidez del plástico no aparecen de forma aislada. Para una partícula de plástico determinada, no existe un verdadero flujo inverso ni una circulación cerrada. El flujo real de plástico fundido en la ranura del tornillo es una combinación de los cuatro estados de flujo anteriores, que fluyen hacia adelante en una trayectoria helicoidal.
5. Calidad de extrusión
La calidad de la extrusión se refiere principalmente a si el plástico está bien plastificado y si las dimensiones geométricas son uniformes, es decir, si el espesor radial es consistente y el diámetro exterior axial es uniforme. Los factores que determinan la plastificación, además del plástico en sí, incluyen principalmente la temperatura, la velocidad de deformación por cizallamiento y el tiempo de aplicación. Las temperaturas de extrusión excesivamente altas no solo provocan fluctuaciones en la presión de extrusión sino que también provocan la descomposición del plástico e incluso pueden provocar accidentes en el equipo. Si bien reducir la profundidad de la ranura del tornillo y aumentar la relación longitud-diámetro del tornillo es beneficioso para el intercambio de calor y extiende el tiempo de calentamiento, cumpliendo así con el requisito de plastificación uniforme, afectará el volumen de extrusión y creará dificultades en la fabricación y el ensamblaje del tornillo.
Por lo tanto, un factor crucial para garantizar una plastificación uniforme es aumentar la tasa de deformación por corte generada por la rotación del tornillo sobre el plástico. De esta forma se consigue un mezclado mecánico uniforme y un intercambio de calor equilibrado durante la extrusión, garantizando así una plastificación uniforme. La magnitud de esta tasa de deformación está determinada por la fuerza de deformación cortante entre el tornillo y el cilindro. Por lo tanto, mientras se mantiene el volumen de extrusión requerido, la profundidad de la ranura del tornillo se puede aumentar aumentando la velocidad del tornillo.
Además, la holgura entre el tornillo y el cilindro también afecta la calidad de la extrusión. Un espacio libre excesivo aumenta el reflujo y las fugas del plástico, provocando fluctuaciones en la presión de extrusión y afectando el volumen de extrusión. Además, este aumento del reflujo puede provocar un sobrecalentamiento del plástico, lo que provocaría quemaduras o dificultades en el moldeo.