Proceso de extrusión de caucho: cómo funcionan las líneas de producción

Ambos procesos empujan el material a través de una matriz para crear un perfil continuo, pero la extrusión de caucho requiere un paso de vulcanización (curado) posterior que la extrusión de plástico no requiere. El caucho permanece termoestable después de la vulcanización (no se puede fundir ni volver a formar), mientras que los perfiles termoplásticos se pueden reprocesar. Las extrusoras de caucho también funcionan a velocidades de tornillo más bajas y presiones más altas, y la viscosidad Mooney del compuesto a la temperatura de procesamiento suele ser mucho más alta que la del plástico fundido.

El tiempo de preparación depende en gran medida de la complejidad del cambio de matriz, la similitud del nuevo compuesto con el anterior y si la línea utiliza un sistema de gestión de recetas. Un simple cambio de perfil en una línea bien organizada con provisiones de precalentamiento puede tardar tan solo entre 20 y 30 minutos. Una coextrusión compleja con un sistema compuesto completamente diferente, que requiere lavado y purga del compuesto, puede tardar entre 3 y 4 horas. Invertir en abrazaderas de troquel de cambio rápido y recetas de rampa de temperatura estandarizadas reduce significativamente el tiempo de cambio.

El hinchamiento del troquel (también llamado hinchamiento postextrusión o efecto Barus) es la recuperación elástica del compuesto de caucho cuando sale de la constricción del troquel. El caucho es viscoelástico: almacena tensión elástica durante el flujo a través de la base de la matriz, y esa tensión se recupera una vez que se elimina la restricción, lo que hace que el extruido se hinche más allá de las dimensiones de la matriz. El hinchamiento del dado puede variar desde un pequeño porcentaje hasta más del 30%, dependiendo de la elasticidad del compuesto, la longitud de la superficie del dado y la temperatura de procesamiento. Se compensa diseñando la abertura de la matriz más pequeña que las dimensiones del perfil deseadas; el factor de compensación exacto se determina empíricamente para cada combinación de compuesto y matriz y se ajusta modificando la geometría de la superficie de la matriz.

Sí, pero con modificaciones. El caucho de silicona de alta consistencia (HCR) tiene un comportamiento reológico muy diferente al de los cauchos orgánicos rellenos de negro de carbón: tiene una viscosidad mucho menor a la temperatura de procesamiento y es más sensible al aire atrapado. Las líneas de silicona suelen utilizar extrusoras de alimentación en frío con relaciones L/D más altas (hasta 20:1) y ventilación al vacío para evitar la porosidad. El túnel de curado de silicona normalmente utiliza aire caliente a 200-220 °C en lugar de vapor, porque la silicona no es adecuada para el curado con vapor. También se requiere un poscurado (horno secundario) a 200 °C durante varias horas para completar la reticulación y eliminar los subproductos volátiles.

El rendimiento depende en gran medida del tamaño del perfil, el compuesto y el método de curado. Una línea de EPDM de alimentación en frío de 90 mm que produce un burlete para automóviles de complejidad media podría funcionar a una velocidad de 8 a 15 m/min con un rendimiento de 150 a 350 kg/h. Una pequeña línea de tubos de silicona médica (extrusora de 30 mm) puede funcionar a una velocidad de 2 a 6 m/min, pero produce un producto muy liviano. Las líneas de banda de rodadura de neumáticos grandes pueden alcanzar velocidades de producción superiores a 2.000 kg/h en extrusoras de cilindro de 200 mm. En última instancia, la velocidad de la línea está limitada por la longitud de la zona de curado y el tiempo mínimo de permanencia requerido para vulcanizar completamente el compuesto.

Scorch es la vulcanización prematura del compuesto mientras aún está dentro del cilindro o matriz del extrusor, antes de que se le haya dado forma y se haya curado intencionalmente. Aparece como una superficie rugosa, grumos o partículas duras en el extruido. El chamuscado se desencadena por una temperatura excesiva del compuesto (generalmente por encima de 120 a 130 °C para sistemas curados con azufre), un tiempo de residencia excesivo (por ejemplo, cuando la línea se detiene con el compuesto caliente en el barril) o una seguridad insuficiente contra el chamuscado en la formulación del compuesto. La prevención implica: mantener las temperaturas del cilindro y del troquel dentro de las especificaciones, usar compuestos formulados con un tiempo de quemado Mooney (t5) adecuado para las condiciones del proceso y purgar el cilindro rápidamente durante cualquier parada prolongada.

Los vehículos eléctricos crean nuevas demandas para las líneas de producción de extrusión de caucho más allá de los burletes tradicionales. Los módulos de batería requieren sellos perimetrales con una resistencia al endurecimiento por compresión muy alta (para mantener la fuerza de sellado durante décadas), juntas de canal de gestión térmica y aislamiento de cables de alto voltaje extruido de silicona retardante de llama especializada o compuestos de EPDM. Algunas cubiertas de baterías de vehículos eléctricos utilizan sellos de EPDM coextruidos con capas conductoras integradas para la conexión a tierra, una función que no es necesaria en los vehículos con motor de combustión interna. El mercado de vehículos eléctricos está impulsando la demanda de tolerancias dimensionales más estrictas y especificaciones de rendimiento de compuestos mejoradas en la extrusión de caucho.

En líneas de microextrusión de precisión, cordones de caucho y tubos con diámetros exteriores tan pequeños como 0,3–0,5 mm Se pueden producir, normalmente en silicona, para aplicaciones médicas o de sensores. Las líneas de producción estándar procesan perfiles de hasta aproximadamente 2 mm de sección transversal sin grandes dificultades. Los perfiles muy pequeños están limitados por la maquinabilidad de la matriz, la estabilidad dimensional bajo embutición y la dificultad de mantener una alimentación constante a tasas de rendimiento muy bajas.

Un programa de mantenimiento estructurado generalmente incluye: inspección diaria de las hélices y del orificio del cañón en busca de desgaste (documentado con galga de espesores o boroscopio); lubricación semanal de cadenas de transmisión y rodillos de extracción; calibración mensual de sensores de temperatura y transductores de presión; inspección trimestral de la holgura entre el tornillo y el cilindro (la tolerancia de desgaste normal es de hasta 0,003 × D antes de que se recomiende el reemplazo); y revisión anual del aceite de la caja de cambios del extrusor y revisiones de los cojinetes del motor. La frecuencia de limpieza del troquel depende del compuesto: los compuestos rellenos de negro de humo pueden requerir una limpieza del troquel cada 4 a 8 horas de funcionamiento, mientras que los compuestos más limpios pueden funcionar 24 horas entre limpiezas.

Se instala una bomba de engranajes de fusión (también llamada bomba de engranajes de caucho o bomba de refuerzo) entre el cabezal del extrusor y el troquel. Proporciona un flujo volumétrico de compuesto constante y sin pulsaciones al troquel, independientemente de las fluctuaciones de la velocidad del tornillo o la variación de la contrapresión. Esto desacopla la función plastificante del extrusor de la función dosificadora de flujo del troquel, reduciendo normalmente la variación dimensional en 50–70% y permitir que la extrusora funcione a presiones más bajas y más estables, lo que prolonga la vida útil del tornillo y del cilindro y reduce el riesgo de quemaduras. Las bombas de engranajes son más rentables para perfiles de alta precisión o alto valor donde la variación dimensional causa directamente rechazos.