Cristian Daniel Moncada Gil234536

Ingeniería Mecánica

PROCESAMIENTO DE POLIMEROS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

CONTENIDO

I.Definiciones y conceptos preliminares.

II.Análisis del articuloIII.ConclusionesIV.Referencias

I. Definiciones y conceptos preliminares.

• Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí.

• La mayoría de los polímeros se basan en el carbono (compuestos orgánicos).

• Datan de alrededor de la mitad del siglo XIX.

Polímeros

Termoplásticos*

Con la temperatura se vuelven líquidos

viscosos

Soportan ciclos de calentamiento

Termofijos

No toleran ciclos repetitivos de calentamiento

Elastómeros

Presentan alargamiento

elástico extremo

• Es posible moldearlos en formas intrincadas, por lo general sin mayor procesamiento.

• Densidad baja.

• Buenas relaciones de resistencia a peso (No todos).

• Costos.

• Requieren menos energía para producirse.

• Resistencia elevada a la corrosión.

• Baja conductividad eléctrica y térmica.

• Ciertos plásticos son traslúcidos o transparentes.

Razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros

Desventajas

• Baja resistencia

• Temperaturas de funcionamiento limitadas.

• Debilidad a la radiación (No todos).

• Presenta propiedades viscoelesticas.

Fundamentos de la ciencia y tecnología de los polímeros

• Enlaces primarios fuertes – enlace covalente.

• La imbricación de los filamentos largos se da por enlaces Van der Waals.

Polimerización por adición.

Polimerización por etapas. Groover M. (2007)

Estructuras de los polímeros

Groover M. (2007)

Cristalinidad

• Porcentaje de cristalinidad menor a 100%.

• Entre mas cristalino un polímero, mas denso, mas rígido, mas tenas, mas resistente.

• Si es transparente en estado amorfo, se vuelve opaco cuando se cristaliza.

Groover M. (2007)

Comportamiento térmico de los polímeros

• Tm: temperatura de fusión.• Tg: Temperatura de transición al vidio.

Groover M. (2007)

Fundición de polímeros.

• Para dar forma a un polímero termoplásticoéste debe calentarse de modo que se suavicehasta adquirir la consistencia de un líquido(polímero fundido).

• Viscosidad elevada por su alto peso molecular.

• Para un polímero fundido, la viscosidad decrece con la velocidad de corte

• La viscosidad de un polímero fundido también se ve afectada por la temperatura.

• Usar un prepolímero (o monómero) de peso molecular bajo y polimerizarlo en el molde para que forme un termoplástico de peso molecular elevado.

• Verter un plastisol (suspensión líquida de partículas finas de una resina termoplástica) en un molde calentado para que forme un gel y se solidifique.

• Artículo libre de esfuerzos residuales.

Groover M. (2007)

Inyección de polímeros.• El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un

polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde se solidifica.

• Producción discreta

• Es posible obtener formas complejas e intrincadas.

Groover M. (2007)

1) El molde se cierra y se sujeta.2) Se inyecta un disparo de fundido a alta presión hacia la cavidad del

molde.3) El tornillo gira y se retrae con la válvula de retención de vapor

abierta para permitir que polímero nuevo fluya hacia la partedelantera del barril.

4) El molde se abre, y la pieza se expulsa y retira.

Groover M. (2007)

Moldeo por soplado.

Extrusión de la preforma.

Introducción dela preforma enel molde desoplado

Introducción delaire mediante elperno desoplado.

Enfriamientode la pieza enel interior delmolde.

Desmoldeo

Parison

• Es un proceso en el que se utiliza presión del aire para inflar plástico. suave dentro de la cavidad de un molde.

• La tecnología proviene de la industria del vidrio.

• La secuencia es automática.iq.ua.es/TPO/Tema3.pdf

Moldeo rotacional (rotomoldeo).

• El moldeo rotacional utiliza la gravedad a fin de lograr una forma hueca.

• Es una alternativa al moldeo por soplado

• Favorece configuraciones geométricas externas más complejas, piezas más grandes y cantidades de producción pequeñas

• Las velocidades rotacionales que se• emplean en el proceso son

relativamente bajas

• los moldes son simples y baratos

• Los ciclo de producción dura 10 minutos o más.

iq.ua.es/TPO/Tema3.pdf

Moldeo por compresión.

• Los moldes para moldeo por compresión generalmente son más sencillos que sus contrapartes para inyección.

• Proceso limitado a formas sencillas de la pieza

• Requiere poco mantenimiento

• Esfuerzos residuales bajos en las piezas moldeadas.

• Mayor duración del cicloGroover M. (2007) iq.ua.es/TPO/Tema3.pdf

Termo-conformado.

• El termoformado es un proceso en el que secalienta y deforma una hoja planatermoplástica para hacer que adquiera laforma deseada.

• El calentamiento se realiza con el empleode calentadores eléctricos radiantes,localizados a ambos lados de la hoja deplástico inicial, a una distanciaaproximada de 125 mm.

• Se clasifican en tres categorías básicas:Termoformado al vacío (primer metodo)Termoformado de presión (presiones de 3a 4 atm)Termoformado mecánico

• Puede usar moldes positivos y moldesnegativos.

Groover M. (2007) iq.ua.es/TPO/Tema3.pdf

Extrusión de polímeros.

• La extrusión es un proceso de compresión en el que se fuerza almaterial a fluir a través de un orificio

• Producto largo y continuo

• Se emplea mucho para termoplásticos y elastómeros (rara vez paratermofijos)

• Es común que el diámetro interno del barril del extrusor varíe entre25 y 150 mm.

• El barril es largo en relación con su diámetro, con razones L/D que, por lo general, están entre 10 y 30.

Groover M. (2007)

• Las razones más altas se emplean para materiales termoplásticos, entanto que los valores L/D más bajos son para los elastómeros.

• Se utilizan calentadores eléctricos para fundir al inicio los pelletssólidos; después, la mezcla y el trabajo mecánico del material generarácalor adicional.

• En ciertos casos el barril debe enfriarse desde el exterior a fin deimpedir el sobrecalentamiento del polímero.

• El tornillo tiene varias funciones y se divide en secciones que son: sección de alimentación, sección de compresión y sección de medición.

• La placa rompedora contiene agujeros axiales pequeños sirve para:

Filtrar los contaminantes y grumosGenerar presión en la sección de medición Borra el movimiento circular impuesto por el tornillo.

Otros métodos de procesado de polímeros.

Producción de hojas y película.

Producción de hojas y películas sopladas.

Producción de fibras y filamentos.

Groover M. (2007)

Factor de potencia.

http://www.infraguide.ca/power-factor/.cahttp://www.oru.com/energyandsafety/electricdelivery/powerfactor/calculatingp

owerfactor.html

http://focuscos.com/power-

factor-correction/

P = I x V Cos ø

Análisis del articulo.

Hipótesis y planteamiento.• Diagrama típico de

energía de unaextrusora.

• Usualmente lasperdidas asociadas almotor estáncuantificadas en un 14%para una extrusora deescala mediana.

• Máxima eficiencia delmotor a velocidadnominal pero en laindustria esto nuncaocurre.

P = I x V Cos ø

• Las perdidas asociadas al barril están cuantificadas en 8% para una extrusora de escala mediana.

Equipos y procedimiento.

• Los experimentos fueron realizados en una extrusora de tornillo sencillo de63,5 mm de diámetro.

• Se usaron 3 tornillos con geometrías diferentes:(GC) Tornillo de compresión gradual. Relación de compresión 3:1.(RC) Tornillo cónico de compresión rápida. Relación de compresión 3:1.(BF) Tornillo filete de barrena con un mezclador Maddock espiral.

Relación de compresión 2,5:1.

• La extrusora contaba con un adaptador de 38 mm de diámetro usando unanillo de sujeción.

• El barril fue separado en 4 zonas con temperaturas diferentes.

• El motor usado es de 460V DC, 50,0 HP @ 1600 RPM.

• Caja de engranajes con relación de transmisión de 13,6:1 y eficiencia del96%.

• Motor controlado por el programa MENTOR II.

• La presión del fundido fue medida con un sensor de presión TPT463E,ubicado cerca de la punta del tornillo.

• La potencia total consumida fue medida.

• La temperatura del fundido fue medida el diferentes posiciones radiales alfinal del adaptador de 38 mm usando una malla de termocuplas.

• La adquisición de datos se dio por medio de LabVIEW.

Malla de termocuplas usadas.

Arreglo experimental.

Materiales.• Polietileno de alta densidad virgen

(HDPE): Rigidex HD55050EA.Material semicristalino.Densidad: 0,950 g/cm3Indice de plujo del fundido (MFI): 4,0

g/10 min @ 190°C.

• Poliestireno virgen: Styrolution PS124N.

Material amorfoDensidad: 1040 g/cm3Flujo volumétrico del fundido (MVR):

12 cm3/10 min @ 200°C

Resultados.

Potencia total consumida en el proceso

• Tornillo BF

• HDPE

• Tornillo BF

• HDPE

• Condición de temperaturaB

• Motor apagado

Base del modelo matemático

Resultados del modelo matemático

Predicción del modelo matemático

• Predicción si se aumenta la temperatura de cada zona en 5°C apartir de la temperatura inicial dada en la condición B.

• Se evidencia un comportamiento complejo.

• Un incremento en la temperatura pude aumentar o disminuirla potencia requerida.

• El modelo podría usarse para optimizar el consumo de energíamientras se minimiza la variación de la temperatura delfundido.

Simulación del flujo de masa y la energía usando FLOW 2000

Conclusiones• El modelo propuesto muestra una alta concordancia con los

datos experimentales a lo largo de una amplia ventana deoperación.

• El modelo muestra que la velocidad del tornillo tiene una graninfluencia sobre la energía total demandada por el extrusor,confirmando los datos experimentales.

• La geometría del tornillo y el material usado tambiéndetermina de forma significativa la energía demandada por elextrusor.

• Es importante realizar el proceso con una alta velocidad derotación en el tornillo para lograr un factor de potencia alto ypor lo tanto una alta potencia.

• En general, la relación entre el gasto de energía total delextrusor y los otros parámetros del proceso es muycomplicada.

Bibliografía• Chamil Abeykoon, Adrian L. Kelly, Elaine C. Brown, Javier Vera-Sorroche, Phil D. Coates,

Eileen Harkin-Jones, Ken B. Howell, Jing Deng c, Kang Li, Mark Price. Investigation of the process energy demand in polymer extrusion: A brief review and an experimental study. University of Bradford, University Belfast 2014

• Chamil Abeykoon, Adrian L. Kelly, Javier Vera-Sorroche, Elaine C. Brown, Phil D. Coates, Jing Deng, Kang Li, Eileen Harkin-Jones, Mark Price. Process efficiency in polymer extrusion: Correlation between the energy demand and melt thermal stability. University of Bradford, University Belfast. 2014

• Callister W. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 2002.

• Groover M. Fundamentos de manufactura moderna. McGrawHill. 2007

• Morton Jones, D.H. Polymer Processing. Chapman & Hall. Londres. 1991.

• Donal G Baird, Dimitris I. Collias. Polymer Processing. Principles and Desing. John Wiley & Sons, Inc. New York. 1998.

• Z. Tadmor, C.G. Gogos. Principles of polymer processing. Wiley Interscience. New York. 1979

• Tim A. Osswald. Polymer processing fundamentals. Hanser Publishers. Munich. 1998.

• Calculating power factor. En pagina web: http://www.oru.com/energyandsafety/electricdelivery/powerfactor/calculatingpowerfactor.html. Revisado: 11/03/2015

• Power Factor Correction. En pagina web: http://focuscos.com/power-factor-correction/. Revisado: 11/03/2015.

• Power Factor. En pagina web: http://www.infraguide.ca/power-factor/.ca. Revisado: 11/03/2015.

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