El cizallamiento se produce cuando dos fuerzas actúan en sentidos opuestos y generan fricción y calor mientras el material avanza por la extrusora.
Comprender el cizallamiento en la extrusión
El cizallamiento en la extrusión se produce cuando las capas de material se deslizan entre sí dentro de la extrusora. Genera fricción y calor que ayudan a dar forma al producto.
Definición del cizallamiento en la extrusión
El cizallamiento es la fuerza que hace que las capas de material se desplacen unas contra otras durante la extrusión. Puede compararse con frotarse las manos: las manos ejercen las fuerzas y la fricción entre ellas es el cizallamiento.
En una extrusora, el cizallamiento genera calor por fricción. Este calor ayuda a fundir y mezclar el material mientras avanza por la máquina. El esfuerzo cortante es la fuerza por unidad de superficie que causa este deslizamiento.
Cómo se generan las fuerzas de cizallamiento
La extrusora genera fuerzas de cizallamiento mediante la rotación del husillo contra la pared del cilindro. Al girar, el husillo empuja el material hacia delante mientras el cilindro permanece inmóvil. Esto genera fricción entre las capas de material.
El material también experimenta cizallamiento cerca de la salida de la matriz. Una mayor velocidad del husillo aumenta las fuerzas de cizallamiento, lo que afecta tanto a la temperatura como al flujo del material.
Flujo de cizallamiento frente a otros tipos de flujo
El flujo de cizallamiento implica el deslizamiento paralelo de las capas. Se diferencia del flujo de tracción, en el que el material se estira en una dirección. En la extrusión se producen ambos tipos, pero el flujo de cizallamiento predomina dentro del cilindro y la matriz.
Velocidad de cizallamiento y su función en el proceso de extrusión
La velocidad de cizallamiento mide la rapidez con la que las capas de polímero se desplazan entre sí durante la extrusión. Varía según la velocidad del husillo, el tamaño del canal y el flujo de material a través de la matriz.
¿Qué es la velocidad de cizallamiento?
La velocidad de cizallamiento indica con qué rapidez se desplaza una capa de plástico fundido respecto a otra adyacente. Se calcula dividiendo la diferencia de velocidad entre las capas por la distancia que las separa. La unidad se expresa en segundos inversos (s⁻¹).
Cuando el husillo de la extrusora gira, impulsa el polímero por canales de distintos tamaños. El material que se desplaza rápidamente por un espacio estrecho genera altas velocidades de cizallamiento. El material que se desplaza lentamente por un espacio amplio produce velocidades de cizallamiento bajas.
Factores que afectan a la velocidad de cizallamiento
Velocidad del husillo influye directamente en la velocidad de cizallamiento. Una mayor velocidad de rotación del husillo aumenta la rapidez con la que las capas de polímero se deslizan entre sí.
El tamaño del espacio también importa. Los canales estrechos entre los filetes del husillo y la pared del cilindro generan más cizallamiento que los espacios amplios. La abertura de la matriz también afecta a la velocidad de cizallamiento aparente en los puntos de salida.
Intervalo de velocidad de cizallamiento en procesos industriales
Las extrusoras de un solo husillo suele funcionar entre 100-500 s⁻¹ para películas y la extrusión de perfiles. El canal del husillo junto a la pared del cilindro puede alcanzar 200 s⁻¹ durante el funcionamiento normal.
En puntos concretos se alcanzan valores superiores. Según el tipo de proceso, la salida de la matriz puede elevar la velocidad de cizallamiento a 1,000-10,000 s⁻¹.
Control del cizallamiento mediante el diseño de la extrusora
La cantidad de cizallamiento del proceso de extrusión depende conjuntamente del diseño del husillo, las temperaturas del cilindro, y de la geometría de la matriz.
Influencia del diseño del husillo en el cizallamiento
El diseño del husillo es el principal factor que controla el cizallamiento en la extrusión. La profundidad y el paso del filete determinan cuánto material se empuja y mezcla. Los canales profundos generan menos cizallamiento, mientras que los canales poco profundos lo aumentan.
También importa el espacio entre el husillo y la pared del cilindro. Una holgura menor produce más cizallamiento cuando pasa el material. Algunos diseños de husillo incluyen secciones especiales de mezcla que añaden un cizallamiento controlado para mejorar la homogeneidad del material. La velocidad del husillo también afecta al cizallamiento: las velocidades mayores generan más fricción y calor.
Temperatura del cilindro y niveles de cizallamiento
La temperatura del cilindro actúa junto con el cizallamiento para fundir correctamente el material. A temperaturas más bajas se necesita más cizallamiento para calentarlo. Las temperaturas más altas reducen la necesidad de cizallamiento mecánico. Es necesario encontrar el equilibrio adecuado para fundir uniformemente el material sin degradarlo.
Geometría de la matriz de extrusión y cizallamiento
La matriz de extrusión genera su propio cizallamiento cuando el material fluye por ella. Un diámetro de matriz menor aumenta las velocidades de cizallamiento. Las matrices modernas tipo araña generan menos cizallamiento que los antiguos diseños en espiral, lo que ayuda a evitar la degradación del material.
Impacto del cizallamiento en las propiedades de los materiales y la calidad del producto
El cizallamiento afecta directamente al comportamiento de los polímeros durante la extrusión, desde el flujo de la masa fundida hasta la resistencia y durabilidad del producto final.
Cizallamiento, viscosidad y comportamiento de la masa fundida de polímero
Al aplicar cizallamiento a los materiales poliméricos, cambia su viscosidad. La mayoría de las masas fundidas de polímero son pseudoplásticas, lo que significa que fluyen con mayor facilidad al aumentar la velocidad de cizallamiento. Este comportamiento ayuda al material a desplazarse por el cilindro y la matriz de la extrusora.
El índice de fluidez del polímero indica la facilidad con la que fluye en condiciones específicas. Una mayor velocidad de cizallamiento reduce la viscosidad y acelera el flujo de la masa fundida por el equipo.
Fusión y flujo inducidos por el cizallamiento
El cizallamiento genera calor por fricción entre las cadenas de polímero. Este calor ayuda a fundir las partículas sólidas y mantiene la masa fundida a la temperatura de procesamiento. La energía mecánica del husillo giratorio se convierte en energía térmica, que contribuye al proceso de fusión junto con los calentadores del cilindro.
Degradación del polímero y cizallamiento
Un cizallamiento excesivo rompe las cadenas moleculares, lo que provoca la degradación del polímero. Cada material tiene una velocidad de cizallamiento crítica que no debe superarse. Excederla reduce el peso molecular y debilita las propiedades mecánicas del producto final.
Efecto del cizallamiento en la calidad del producto
El cizallamiento controlado mejora la calidad del producto al proporcionar una mezcla uniforme y propiedades constantes. Sin embargo, un cizallamiento excesivo daña la estructura molecular y reduce la resistencia, la resistencia al impacto y la durabilidad de los productos terminados.
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Preguntas frecuentes
¿Cómo afecta el cizallamiento al flujo del material dentro de una extrusora?
El cizallamiento controla el movimiento del material por el cilindro de la extrusora. El husillo giratorio crea capas de material que se deslizan entre sí a diferentes velocidades. Este movimiento impulsa el material hacia delante y, al mismo tiempo, lo mezcla y funde.
¿Qué causa el esfuerzo cortante y la velocidad de cizallamiento durante la extrusión?
La rotación del husillo contra la pared del cilindro genera esfuerzo cortante en el material. La velocidad de cizallamiento mide la rapidez relativa de estas capas. Ambos fenómenos se producen porque el husillo fuerza el paso del material a gran velocidad por espacios estrechos.
¿Cómo puede afectar un cizallamiento elevado al aumento de temperatura y a la calidad de la masa fundida durante la extrusión?
Un cizallamiento elevado genera fricción entre las capas de material y, por tanto, calor. Esto puede elevar la temperatura más de 100°F sin calentamiento externo. Un cizallamiento excesivo puede sobrecalentar el material, mientras que uno insuficiente quizá no lo funda por completo.
¿Cuál es la diferencia entre esfuerzo cortante y velocidad de cizallamiento en la extrusión de polímeros?
El esfuerzo cortante es la fuerza aplicada al material. La velocidad de cizallamiento es la rapidez a la que las capas se deslizan entre sí.
¿Cómo modifican el diseño y la velocidad del husillo la cantidad de cizallamiento generado?
Los canales profundos del husillo reducen el cizallamiento, mientras que los poco profundos lo aumentan. Al hacer girar el husillo más rápido, se genera más cizallamiento.
¿Cómo se pueden medir o estimar las condiciones de cizallamiento en una línea de extrusión?
Puede calcular la velocidad de cizallamiento utilizando las dimensiones de la matriz, el caudal de producción y las propiedades del material.
