Proceso de Mezcla en Mezcladores Internos

Dimensionamiento de las cargas

Para que se haga un correcto dimensionamiento de las cargas de un determinado compuesto de caucho es necesario conocer:

El peso (P) de la carga a mezclar es dado por la expresión:

Este peso de la carga se debe considerar teórico. Hay que confirmar el peso óptimo de la carga en la práctica, en el mezclador. Con efecto, la tipología de los ingredientes ocupados, la relación entre ingredientes sólidos y líquidos, la presencia de mayor o menor cantidad de ingredientes resinosos, de ingredientes cerosos, etc. Puede influenciar decisivamente el desarrollo de las tensiones en la cámara de mezcla, por lo tanto, en la elevación del valor de la potencia consumida. Lo que se recomienda el proceder a la mezcla de una carga con el peso teórico y observar lo que se pasa con la oscilación del pistón y can la evolución de los demás parámetros de la mezcla: temperatura, potencia, energía consumida y tiempo, necesarios para obtener un grado de dispersión aceptable.

Si el pistón no oscilar unos 2.5 a 3 cm (un oído bien entrenado escucha las batidas de esa oscilación), eso puede significar que la carga o es superior o inferior al ideal. Para facilitar esa observación, debe existir una marca referencial del pistón en posición inferior. Si el pistón se mantiene en una posición arriba del referencial, la carga tendrá un peso superior al ideal. Si el pistón se mantiene permanentemente apoyado en su posición inferior, eso significa que el peso de la carga es inferior al ideal.

Para encontrar el peso ideal de la carga, se deben retirar (en el caso de que el peso de la carga sea superior al ideal) o adicionar (en el caso de que el peso de la carga sea inferior al ideal) fracciones de 1% del peso teórico de la carga, sucesivamente, hasta que se observe una correcta oscilación del pistón.

El volumen V es indicado por el fabricante del mezclador. Pero, al final de algunos años de servicio, es conveniente hacer la confirmación del volumen. En efecto, durante el servicio, va a ocurrir un desgaste progresivo de la pared interior de la cámara de mezcla y de la superficie de los rotores, aunque sean revestidos por aleaciones de acero especiales, de elevada dureza y resistencia a la abrasión. En la Tabla 6 se presenta la influencia del desgaste de mezclador en el volumen de la cámara en litros.

 

Tabla 6 – Influencia en el desgaste en el volumen de la carga
Situación del mezclador	Separación entre el rotor y la cámara (mm)	Volumen de la cámara (litros)
Mezclador nuevo, desgaste de 0 mm	4.76	233.5
Desgaste de 3 mm	7.94	243.4
Desgaste de 6 mm	11.11	253.3
Desgaste de 9 mm	14.285	265.0

 

El volumen de la carga de un mezclador interno puede ser estimado por un método experimental muy sencillo, el cual consiste en llenar, casi completamente, la cámara de mezcla con un compuesto de densidad conocida e ir adicionando sucesivamente pequeñas cantidades de compuesto hasta que se obtenga una oscilación del pistón de aproximadamente 2.5 a 5 cm. Dividiendo el peso del compuesto introducido en la cámara por su densidad, se obtiene el volumen, en litros, de la cámara de mezcla.

Se supone que la densidad del compuesto es conocida. Pero si no lo es, se puede calcular teóricamente, como se indicó en la Tabla 1 (ver en La Operación de Mezcla). Para el efecto es necesario conocer la densidad de todos los ingredientes del compuesto.

El factor de llenado f varía, por lo general, entre 0.6 y 0.9. El factor f = 0.6 se ocupa para compuestos de alta viscosidad, muy cargados o de elevada dureza; se ocupa también para polímero o compuesto muy sensibles a la temperatura. El factor f = 0.9 se ocupa para compuestos de baja viscosidad, muy poco cargados o de baja dureza.

En la Tabla 7 se indican los factores de llenado f para algunos tipos de polímeros y de compuestos.

 

Tabla 7 – Factor de llenado f
Tipo de polímero o de compuesto	Factor f
Caucho CR	0.6
Compuesto de alta viscosidad	0.6
Plastificación de NR	0.7
Cauchos NR, SBR, IIR, BR	0.8
Caucho EPDM	0.9
Compuesto de baja viscosidad	0.9

 

Criterios para descarga (término del ciclo de mezcla)

Existen básicamente cuatro criterios para establecer el tiempo de descarga del compuesto mezclado:

La descarga por tiempo es el proceso más antiguo, pero se encuentra en desuso. En esta técnica la carga es descargada cuando se alcanza un tiempo previamente establecido, tiempo que haya probado con la experiencia que, al ser alcanzado, el compuesto presenta un estado satisfactorio de dispersión y de homogeneización. En este proceso se desprecian el nivel de temperatura alcanzado y las variaciones de viscosidad del compuesto.

La descarga por temperatura fue la técnica que siguió a la descarga por tiempo. Es un poco más perfecta, ya que impide que la descarga se haga a temperaturas eventualmente peligrosas para el compuesto. La evolución de la temperatura a lo largo del proceso de mezcla va a ser un reflejo de la mayor o menor viscosidad del polímero y, más propiamente, del compuesto. A una mayor viscosidad corresponde una subida más rápida de la temperatura, como resultado de mayores tensiones de corte durante la mezcla y mayor atrito interno; a una menor viscosidad corresponde una velocidad de subida de temperatura más lenta, como resultado de menores tensiones de corte y menor atrito interno a lo largo del tiempo de mezcla.

La descarga por potencia se basa en la evolución de la potencia consumida durante el proceso de mezcla. Normalmente la potencia es creciente durante el ciclo de mezcla, excepto en los periodos en la adición, de algunos tipos de ingredientes, que provoca disminución o en los momentos en los cuales el pistón es subido, para realizar operaciones de limpieza de los ingredientes acumulados en su parte superior. Concluida la dispersión de los ingredientes, la potencia consumida disminuye al fin de algún tiempo (Figura 41). La descarga se hace a un valor de consumo de potencia predefinido.

Fig. 41 – Evolución de la potencia consumida en función del tiempo

 

En la descarga por energía total consumida, la descarga se hace cuando la energía fornecida al compuesto alcanza un determinado valor. El valor de energía consumida es función de la evolución de la temperatura y de su efecto en las variaciones de viscosidad del compuesto. Obviamente es también función del tipo y cantidad de los ingredientes que se dispersan en la matriz polimérica. Esta técnica exige equipos de medida adecuados (medidor/registrador del consumo integrado de potencia).

La descarga por potencia corresponde, de cierta manera, al criterio más adecuado. En los compuestos basados en caucho natural, este criterio presenta una mayor validad y justificación, pues que la viscosidad del compuesto, íntimamente relacionada con la viscosidad del caucho natural, puede disminuir más o menos rápidamente, lo que depende del valor de su índice de retención de plasticidad (PRI – Plasticity Retention Index), índice que mide, al final, la resistencia del caucho natural a la oxidación.

Recordemos que el valor PRI es el cociente de los índices de plasticidad Wallace P30 y P0, multiplicado por 100, siendo P30 el valor de la plasticidad Wallace medido después de un envejecimiento del caucho natural en horno, durante 30 minutos a 140 °C y P0 es el valor de la plasticidad Wallace del caucho no envejecido; cuanto más elevado sea el valor del PRI, más resistente es el caucho natural al proceso de oxidación.

En los compuestos basados en cauchos sintéticos, la variación de viscosidad es muy pequeña y la aplicabilidad del método de descarga por potencia parece que perdería un poco su justificación en favor del método de descarga por consumo total de energía.

Pero, en realidad, la aplicación práctica de este método, aisladamente, no es posible. En efecto, a lo largo del ciclo de mezcla el valor de potencia seleccionado para la descarga se puede alcanzar por variadas veces, en momentos en los cuales la mezcla está bien lejos de ser completada (ver en la Figura 41 los puntos a, b y c). Y así, va a ser necesario establecer, en simultaneo, otros criterios de descarga y eses criterios son la temperatura, la energía total consumida y el tiempo, o sean, los demás criterios antes referidos.

Para el efecto, va a ser necesario establecer:

 

En atención a estos factores, las empresas desarrollan procedimientos de descarga que contemplan los cuatro parámetros referidos, todo dependiendo del tipo de compuesto de caucho, de los equipos utilizados y de su correcto desempeño y también del tipo de secuencia utilizada en el proceso.

 

Ciclos de mezcla

En los mezcladores internos las temperaturas alcanzadas son relativamente elevadas – en muchos casos del orden de los 160 a 180 °C. En estas condiciones no es recomendable adicionar el agente de vulcanización y algunos tipos de aceleradores como, por ejemplo, los tiurames y los dadores de azufre.

El tipo de secuencia del proceso se debe elegir de acuerdo con las características del compuesto y con los tipos y características de los equipos disponibles, tal como vimos antes (proceso de mezcla directo, en dos pasos, en tres o más pasos).

 

Tiempo de mezcla, potencia consumida y temperatura en función de los parámetros del mezclador, de la viscosidad del compuesto de caucho y del factor de llenado.

En la Figura 42 se representan, de manera esquemática, las variaciones de los tiempos de mezcla, de la potencia consumida y de la temperatura en función de algunos parámetros variables del mezclador interno (velocidad de los rotores y presión del pistón) y de la viscosidad del compuesto de caucho y de la dimensión de la carga – que es una función del factor de llenado f considerado.

Esos efectos son los siguientes:

Fig. 42 – Tiempo de mezcla, potencia consumida y temperatura en función de varios parámetros.

 

Secuencia de adición de ingredientes

Con la excepción del caucho de EPDM (que ocupa frecuentemente un proceso de mezcla con una secuencia de adición de ingredientes inversa – es el llamado método upside down), los restantes tipos de caucho utilizan el proceso dicho normal, o sea, con la secuencia típica que en seguida se ejemplifica (Tabla 8) (ciclo típico), con un proceso de descarga por temperatura:

 

Tabla 8 – Secuencia de adición de los ingredientes
Tiempo	Ingredientes
0 min	Cargar el caucho o cauchos.
1 a 1 ½ min	Cargar la mitad da la carga, la mitad del aceite, el óxido de zinc, ácido esteárico, antioxidantes, antiozonantes, ceras de protección y otros adictivos (pequeñas cantidades).
3 min	Cargar las otras fracciones de la carga y del aceite.
5 min	Subir el pistón y limpiar. Cargar ingredientes en falta, excepto el azufre y algunos tipos de aceleradores.
6 min	Subir pistón e limpiar.
	Descargar cuando la temperatura alcanzar 145 °C

 

Después de este paso de la mezcla, el compuesto de caucho puede tener la secuencia más adecuada de las que antes se han referido, tiendo por objetivo los artículos a producir.