Muere hinchado

En dinámica de fluidos y ciencia de polímeros , la hinchazón de la matriz (también llamada hinchazón del extruido o efecto Barus ) es lo que sucede cuando un polímero fundido sale de una matriz de extrusión con una abertura mayor que la que acaba de atravesar. Puede parecer contraintuitivo. El material fue forzado a pasar por un canal estrecho, por lo que cabría esperar que se mantuviera estrecho. Sin embargo, se expande, a veces de forma drástica. El efecto Barus recibe su nombre del físico Carl Barus , quien lo describió en 1893. ^{[ 1 ]}

Para cualquiera que diseñe una matriz o intente mantener tolerancias estrictas en una tubería o película extruida, la hinchazón de la matriz no es una curiosidad académica. Es un problema práctico que debe tenerse en cuenta en el diseño en cada ocasión. ^{[ 2 ]}

La relación de hinchamiento del troquel B es la forma estándar de cuantificar el efecto:

${\displaystyle B={\frac {D_{\text{ex}}}{D_{0}}}}$

donde D _ex es el diámetro del extruido después de su salida y D ₀ es el diámetro de la abertura de la boquilla. ^{[ 2 ]} Un fluido newtoniano simple se hincha un poco solo por el reordenamiento del perfil de velocidad, dando B alrededor de 1,1 a 1,2. Los polímeros fundidos son un asunto completamente distinto. Debido a que son viscoelásticos , la recuperación elástica domina, y B generalmente se sitúa entre 2 y 3, lo que significa que el área de la sección transversal puede aumentar entre un 50 y un 300 por ciento. ^{[ 3 ]}

La razón radica en la memoria. Las cadenas de polímeros son moléculas largas y enredadas que recuerdan su forma anterior. Antes de entrar en el molde, se encuentran en una conformación relajada, aproximadamente esférica, que maximiza la entropía . Dentro del molde, la aceleración y constricción repentinas las estiran y alinean en la dirección del flujo. Se acumula energía elástica. Los enredos de las cadenas que no han tenido tiempo de deslizarse actúan como enlaces cruzados temporales, manteniendo la tensión almacenada. ^{[ 4 ]}

Cuando las cadenas salen de la matriz y las paredes desaparecen, la energía almacenada se libera y el material retrocede hacia afuera. Cuanto más largas sean las cadenas y más rápido se empujen, menos tiempo tendrán las cadenas para desenredarse dentro de la matriz, y más elástica estará la masa fundida al salir. Una matriz muy larga con un flujo lento permite que las cadenas se desenreden y se asienten, reduciendo así la hinchazón. Una matriz corta que funciona a alta velocidad prácticamente no les da tiempo; la hinchazón es máxima.

Varias variables influyen en el resultado:

• Peso molecular y distribución del peso molecular: cadenas más largas y una distribución más amplia implican mayor elasticidad y mayor hinchazón. ^{[ 2 ]}
• Relación longitud-diámetro (L/D) de la matriz: una matriz más larga implica un mayor tiempo de residencia, lo que significa mayor relajación y menor hinchazón.
• El caudal, al ejercer mayor presión, almacena más energía elástica y aumenta la hinchazón, hasta el punto en que comienza la fractura por fusión .
• A mayor temperatura, los materiales se derriten más rápido, por lo que la hinchazón tiende a disminuir a medida que aumenta la temperatura.
• Ángulo de entrada de la matriz: una entrada aguda y abrupta crea una deformación extensional mayor que una conicidad gradual, lo que carga el metal fundido con una mayor tensión almacenada incluso antes de que llegue a la zona de contacto. ^{[ 2 ]}
• Rellenos y nanocompuestos: las partículas sólidas y los refuerzos de nanocompuestos restringen la movilidad de la cadena y generalmente reducen la hinchazón en comparación con el material sin relleno. ^{[ 5 ]}

El método estándar es la reometría capilar . El polímero se funde y se fuerza a través de un capilar cilíndrico a una velocidad de cizallamiento conocida, y el diámetro del extrudido se mide justo después de la salida, generalmente con un micrómetro láser o un sistema de imagen. A partir de esos dos valores se obtiene B directamente. ^{[ 6 ]}

Medirlo parece sencillo. En la práctica es complicado, porque el extruido sigue hinchándose y deformándose después de salir, y el punto en el que se mide es importante.

La hinchazón de la matriz es la razón por la que las matrices de extrusión nunca se fabrican con las dimensiones exactas del producto final. La abertura de la matriz debe ser ligeramente menor para que, tras la hinchazón, el extruido alcance el tamaño correcto. Un error en B implica paredes de tubería demasiado gruesas o delgadas, películas fuera de calibre y perfiles que no se ajustan a la aplicación prevista. Los ingenieros de procesos lo controlan ajustando la relación L/D de la matriz, la temperatura de fusión y la velocidad del husillo, e incorporando una reducción de tamaño después de la matriz para que el extruido vuelva a las dimensiones objetivo. ^{[ 2 ]}

• Extrusión de polímeros
• Fractura por fusión
• Deslizamiento de pared
• Viscoelasticidad
• Diferencias de estrés normales
• Efecto Weissenberg