procesamiento de polimeros
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Generalidades del procesamiento de polimerosTRANSCRIPT
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Cristian Daniel Moncada Gil234536
Ingeniería Mecánica
PROCESAMIENTO DE POLIMEROS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
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CONTENIDO
I.Definiciones y conceptos preliminares.
II.Análisis del articuloIII.ConclusionesIV.Referencias
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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
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• 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
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Desventajas
• Baja resistencia
• Temperaturas de funcionamiento limitadas.
• Debilidad a la radiación (No todos).
• Presenta propiedades viscoelesticas.
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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)
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Estructuras de los polímeros
Groover M. (2007)
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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)
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Comportamiento térmico de los polímeros
• Tm: temperatura de fusión.• Tg: Temperatura de transición al vidio.
Groover M. (2007)
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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)
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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• 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.
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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)
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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
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Análisis del articulo.
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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.
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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.
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• 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.
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Malla de termocuplas usadas.
Arreglo experimental.
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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
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Resultados.
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Potencia total consumida en el proceso
• Tornillo BF
• HDPE
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• Tornillo BF
• HDPE
• Condición de temperaturaB
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• Motor apagado
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Base del modelo matemático
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Resultados del modelo matemático
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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.
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Simulación del flujo de masa y la energía usando FLOW 2000
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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.
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