Novo método melhora a mistura de polímeros na extrusão por parafuso

Nos processos de extrusão de plástico, a mistura uniforme é um fator fundamental na determinação da qualidade do produto. Isso se torna particularmente crucial ao incorporar masterbatches de cores de baixa porcentagem, onde a backmixing – a mistura axial de materiais em contrafluxo – desempenha um papel essencial. O processo exige que as partículas do masterbatch sofram uma redução drástica de tamanho, da escala milimétrica para a micrométrica, dentro da extrusora, apresentando desafios de mistura extraordinários.

A mistura por extrusão visa obter uma distribuição homogênea dos componentes, garantindo características consistentes do produto, como cor e propriedades mecânicas. Ao adicionar masterbatches de baixa concentração, a separação inicial das partículas pode exceder 100 mm. Para obter uma coloração uniforme, a espessura final das estrias deve atingir a escala micrométrica – uma redução de cinco ordens de grandeza que exige uma capacidade de mistura excepcional.

A análise tradicional concentra-se na mistura da seção transversal (dentro da seção transversal do canal do parafuso), governada pela taxa de cisalhamento de Couette:

γ = πDN/H

Onde D = diâmetro do cano, N = velocidade da rosca, H = profundidade do canal. Taxas de cisalhamento típicas (50-100 s⁻¹) combinadas com tempos de residência de 20 segundos produzem 1.000-2.000 unidades de deformação de cisalhamento total - suficientes para redução de estrias de três ordens, mas muitas vezes inadequadas para uniformidade visual.

A mistura axial (backmixing), por outro lado, é um fluxo acionado por pressão ao longo do eixo da extrusora. A compreensão desse mecanismo é vital para otimizar o design do parafuso.

Para fluidos de lei de potência (τ = m(γ')ⁿ), a velocidade adimensional φ=v/vmax relaciona-se à coordenada adimensional ξ=2y/H como:

φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)

Os fluidos newtonianos (n = 1) exibem perfis de velocidade parabólica com cisalhamento zero na linha central - criando zonas mortas de mistura. À medida que n diminui (comportamento de afinamento por cisalhamento), os perfis se aproximam do fluxo tampão, expandindo regiões de baixo cisalhamento e complicando a retromistura.

A análise RTD revela como os tempos de residência do material variam dentro da extrusora. Para fluxo de pressão de lei de potência entre placas paralelas:

v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]

A função RTD externa f(t)dt deriva da distribuição de velocidade, mostrando que o aumento do afinamento de cisalhamento (n inferior) estreita o RTD - reduzindo a eficiência da retromistura. Modelo RTD de parafuso único de Pinto-Tadmor para fluidos newtonianos:

F(θ) = 1 - (1 - θ)²(1 + 0,35θ + 0,135θ²)

demonstra como a geometria do parafuso restringe ainda mais os cenários de RTD versus placas paralelas, enfatizando os desafios de backmixing.

Os principais problemas surgem do cisalhamento axial próximo de zero nos centros dos canais dos parafusos. Soluções eficazes incluem:

• Pinos/slots de mistura:Interrompa os padrões de fluxo para redistribuir o material
• Misturadores de dentro para fora:Os voos de compensação transferem ativamente o material principal para as periferias do canal
• Misturadores CRD:Projetos especializados que promovem a troca radial-axial de materiais
• Redução do tamanho das partículas:Matéria-prima menor diminui a espessura inicial das estrias
• Corantes líquidos:Reduz o estriamento inicial, mas pode afetar a lubrificação do cano

A retromistura continua sendo a tarefa de mistura mais exigente da extrusão devido ao cisalhamento axial inerentemente baixo, particularmente nos centros dos canais e com materiais com redução de cisalhamento. Alcançar uma redução de estrias de cinco ordens requer dispositivos de mistura avançados (como misturadores de dentro para fora ou CRD) ou estrias iniciais reduzidas por meio de modificações na matéria-prima. Inovações futuras poderão combinar otimização geométrica com técnicas avançadas de manuseio de materiais para superar esses desafios persistentes.