Anteriormente, vimos como el enemigo invisible, es un problema para cualquier proceso de transformación, debido a que el agua alojada en la estructura molecular de los materiales promueve defectos superficiales y en algunos casos la degradación hidrolítica, lo que provoca la disminución de propiedades físicas y químicas de la pieza.
Aun cuando el proceso de secado de plásticos se emplea para múltiples materiales, es necesario puntualizar el tipo de secado que estos necesitan, para hacer esto, partiremos de una clasificación respecto a la afinidad de la materia prima con el agua. Esta clasificación divide en dos grupos a los plásticos, estos son los:
- Plásticos higroscópicos
- Plásticos no higroscópicos
Los plásticos higroscópicos se caracterizan por tener una elevada afinidad con las moléculas de agua, es decir, que tienden a realizar uniones causadas por la polaridad de algunas moléculas de la cadena del polímero y el agua. La polaridad es característica de ciertas moléculas, en ellas la densidad eléctrica se encuentra en una distribución no proporcional, causando que existan zonas con cargas parciales, positivas y negativas, provocando que, al igual que un imán, atraigan moléculas polarizadas con cargas parciales opuestas a la de la zona involucrada.
Los materiales plásticos higroscópicos ocupan una larga lista, cada uno con especificaciones y tolerancias del porcentaje de humedad máximo admisible para procesarlo.
A continuación, se mencionan algunos de los polímeros higroscópicos más procesados:
- Polietilén Tereftalato (PET)
- Policarbonato (PC)
- Polióxido de Metileno (POM)
- Poliamida (PA)
- Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
- Polimetil Metacrilato (PMMA)
- Polibutilén Tereftalato (PBT)
Los defectos causados por humedad se presentan de diferente forma en cada uno de los materiales, de aquí parte una subclasificación de defectos para materiales higroscópicos. Los defectos causados son:
- Defectos estéticos
- Defectos de desempeño
Cualquiera de los dos tipos de defectos antes mencionados, se presenta cuando algún material higroscópico es expuesto a condiciones húmedas (El vapor de agua viene del medio ambiente) y no es preparado previo a su procesamiento a través de equipos de secado.
Determinación de humedad en un material higroscópico
Conociendo las posibles consecuencias al no secar un material, se vuelve de gran importancia conocer su contenido inicial de agua, así como el contenido de agua necesario para procesar el material sin que presente ninguno de los defectos antes mencionados.
Resulta relativamente fácil conocer si un material polimérico se encuentra húmedo, al conocer su naturaleza y exponerlo a un ambiente no controlado, se promueve la sorción de agua, sin embargo, el qué tan húmedo se encuentre es una pregunta frecuente.
Variables de secado
Conociendo el valor de humedad contenida de los materiales y teniendo como referencia los valores recomendados de humedad para procesamiento que cada fabricante sugiere, se procede a acondicionar la materia prima por medio de equipos de secado.
En estos equipos se lleva a cabo la remoción de la humedad a través de un principio de funcionamiento relativamente sencillo, el cual consiste en crear un gradiente de concentraciones y presiones parciales, para tal propósito se controlan las condiciones del ambiente en el cual se encuentra alojado el material. El gradiente que se emplea en este caso se encuentra invertido, en vez de que la mayor concentración de vapor se encuentre en el ambiente como en condiciones normales, aquí se promueve un entorno seco, obligando a que la humedad del pellet migre a su entorno y el material quede seco como resultado de esto.
Fig. Unidad individual para secado de plásticos.
Clasificación
Conociendo el por qué y cómo secar los plásticos ahora es necesario saber ¿con qué secarlos? Esto a razón de que una de las inversiones más importantes cuando se tiene una planta de transformación de plásticos y se trabaja con polímeros higroscópicos, es el sistema de secado ya que su eficiencia energética y espacial influye en la calidad y cantidad de piezas que es posible producir.
Los equipos de secado tienen múltiples clasificaciones de acuerdo con las cuales se agrupan, sin embargo, en el presente texto profundizaremos en la clasificación basada en los principios de funcionamiento de los equipos.
Principios de funcionamiento
En esta clasificación se consideran las condiciones de proceso como el factor principal, debido a que los métodos de secado de plásticos son múltiples e incluyen varías tecnologías, algunas rudimentarias y otras un tanto sofisticadas, en cada una de ellas varían los mecanismos de transferencia de calor y el medio de eliminación del vapor de agua.
Las configuraciones de los equipos disponibles para eliminar el agua de los plásticos se clasifican en dos segmentos:
• Directos
• Indirectos
a) Directos
En estos tipos de equipos se elimina la humedad del material por medio del contacto con un fluido secante, usualmente un gas que calienta el pellet y remueve la humedad de él, incorporando el vapor de agua en la corriente y retirándolo, ya sea a un medio secante o a la atmósfera, de acuerdo con la configuración y tipo de equipo de secado directo. La mayoría de los secadores de este tipo emplean una corriente de aire seco y caliente para quitar la humedad.
Dependiendo del tamaño y tipo de material, es posible encontrar a estos tipos de secadores en configuraciones de secado continuo o intermitente, un factor importante a considerar son las horas máximas de secado recomendados por el proveedor o fabricante de la materia prima, ya que la sensibilidad térmica de cada polímero varía, por lo que un tiempo estándar para un material puede ser excesivo para otro tipo, promoviendo su degradación térmica antes de ser procesado.
Los equipos de secado que se encuentran en esta clasificación se dividen en tres tipos de equipos, estos son:
• Secadores de aire comprimido
• Secadores de aire caliente
•Deshumidificadores
De aire comprimido
Este tipo de secadores poseen una construcción sencilla, con pocos elementos movibles y de fácil operación, su principio de funcionamiento se basa en la reducción del punto de rocío por medio de la expansión del aire comprimido en la etapa previa de admisión, con esta expansión se logran puntos de rocío un par de grados por debajo de las condiciones ambientales, por lo que el punto de rocío que ofrece el equipo se encuentra limitado a las condiciones atmosféricas donde se encuentre montada la planta, por lo que el equipo no es capaz de entregar aire más seco con un punto de rocío cercano al estándar de -40°C. Recientemente este tipo de secadores se han acoplado a arreglos de membranas, en donde se aprovecha la sinergia de los principios de funcionamiento para quitar la humedad. En general los secadores de aire comprimido son poco eficientes para la remoción de humedad de los polímeros higroscópicos, por lo que sólo son empleados para retirar la humedad superficial.
De aire caliente
Son equipos de secado con una construcción sencilla en comparación con otros equipos, este tipo de secadores emplean como medio de calentamiento y remoción de la humedad una corriente de aire tomada del ambiente, la cual es calentada hasta una temperatura determinada y posteriormente es bombeada hacia el contenedor.
Las condiciones de punto de rocío y humedad relativa no son controladas, lo que convierte a los secadores de aire presurizado en un equipo de secado de baja eficiencia, debido a que el sistema de secado con aire caliente se encuentra expuesto a las condiciones ambientales, no es conveniente emplearlo en lugares donde existe elevada humedad, ya que no hay forma de disminuir la humedad del aire empleado para el proceso.
Los secadores de aire caliente son empleados solamente para remover la humedad de materiales con un índice de absorción bajo, o aquellos que solo retengan de manera superficial la humedad, como las poliolefinas.
Los secadores de aire caliente usualmente están montados en una configuración de tolva secadora, estos se constituyen por un filtro de entrada, un compresor de aire, un calentador y un filtro de salida.
Deshumidificadores
Los Dehumidificadores, Deshumidificantes o Secadores Desecantes son un tipo de secador que incorpora varios elementos que promueven un estricto control de las condiciones de proceso dentro del dispositivo.
En esta configuración se emplea un arreglo de circuito cerrado, es decir que el volumen con el que se está secando se recircula de manera indefinida, incorporando un aire fresco de manera periódica, además de un agente desecante que remueve la humedad absorbida por el aire, haciéndolo apto para atrapar más humedad en él cuando se recircule.
El control de las condiciones de operación se lleva a cabo por múltiples medios, sin embargo, el más influyente es la presencia de agentes desecantes, los cuales ofrecen una ventaja de proceso respecto al control del punto de rocío del aire. Además de secar el aire, también se calienta para que este sea empleado como medio de transmisión de calor y simultáneamente esto incremente su capacidad de retención de humedad, es decir, que su punto de saturación se eleva haciéndolo más receptivo.
Existen diferentes tipos de equipos desecantes, estos varían en la forma en la que se encuentra acoplado el medio desecante. Se identifican en la actualidad dos tipos de configuraciones que poseen la mayor parte del mercado respecto a esta operación:
• Columnas gemelas desecantes
• Rotor desecante
Las diferencias entre estos equipos residen en las múltiples combinaciones y configuraciones del material desecante para hacer más eficiente el proceso, reduciendo los tiempos de secado y regeneración que estos materiales necesitan para mantener el punto de rocío cercano a los -40°C.
Los materiales desecantes son de naturaleza inorgánica, los más comunes son silicatos, alúminas y zeolitas, soportadas en arcillas o sustratos inorgánicos. A diferencia de los plásticos, estos materiales no son higroscópicos y la retención de humedad se logra porque poseen una gran área superficial, lo que facilita la absorción en los microporos de los materiales.
Fig. Unidad de secado del tipo Deshumidificador.
Las columnas gemelas desecantes o camas gemelas son el diseño predominante en los desecadores, así como uno de los primeros ofrecidos al mercado, su configuración está dispuesta para mantener siempre una cama de desecante lista para el proceso, sin necesidad de interrumpir la remoción de la humedad.
En este equipo de secado su funcionamiento y eficiencia se basa en camas de material desecante contenido en dos columnas, la configuración de éstas es de donde el equipo obtiene su nombre, se encuentran montadas de manera paralela y son comunicadas por válvulas de cuatro pasos, y es por medio de ellas que se varía la dirección de flujo del aire de proceso de una torre a otra. Las camas desecantes están conformadas por esferas de arcilla embebidas con alguno de los diversos materiales desecantes mencionados.
Esta configuración provee aire con un punto de rocío de hasta -40°C, sin embargo, su estabilidad es variable durante los cambios de cama desecante por la incidencia del aire en una cama totalmente seca y caliente, causando cambios en la temperatura de salida, otras de las causas más comunes es el rebasar el número de ciclos o tiempo de vida prospectado para el secador, pues en este punto la arcilla aglomerante comienza a perder sus propiedades y comienza a causar variaciones en la capacidad de retención de humedad y por lo tanto en la eficiencia de secado.
Rotor desecante
Esta configuración emplea el mismo material desecante, pero con una configuración diferente, la cual optimiza tiempos de ciclo y el proceso en general. En vez de emplear el material aglomerado por arcilla se emplea la red cristalina depositada en un sustrato, el cual usualmente es enrollado para obtener la configuración de rotor.
El arreglo estructural del sustrato emula la geometría de un panal con el propósito de incrementar el área superficial de contacto y por lo tanto la capacidad de adsorción, el sustrato con el desecante es sellado y cubierto por láminas de acero, que protegen el perímetro del arreglo, dejando expuesta solamente el área transversal destinada para hacer incidir el flujo de aire.
Este tipo de secador desecante ofrece una mejora del proceso, la cual se encuentra en función de la configuración y arreglo del rotor desecante, su acomodo estructural permite optimizar el proceso de adsorción de humedad y regeneración del arreglo cristalino desecante del rotor, ya que es posible dividir en tres zonas principales la superficie, la primera destinada para el secado, la segunda para la regeneración y la tercera para el enfriamiento de la zona regenerada, todo esto de manera simultánea sin necesidad de interrumpir el proceso.
Con este acomodo se aprovecha toda el área transversal del arreglo cristalino, para tener la mayor productividad respecto al caudal seco, se ajustan las zonas con un decremento progresivo, siendo el área de secado la más grande y la de enfriamiento la más pequeña, con esta proporción se tienen transiciones suaves cuando se cambia de una zona a otra lo que en consecuencia provee de una elevada estabilidad de proceso y por lo tanto del punto de rocío de -40°C.
Fig. Sistema de secado de deshumidificación de tipo Rotor.
b) Indirectos
Los secadores indirectos emplean diferentes tipos de fuentes de calor, así como mecanismos de transferencia, usualmente emplean la radiación o la conducción. Las paredes que contienen al polímero y separan al material de la fuente de calor, la cual usualmente es un arreglo de resistencias o quemadores, son los medios para calentar la cámara que aloja el material. La remoción de la humedad se realiza por el calentamiento del aire alojado también en la cámara, lo que provoca un desplazamiento de volumen por diferencia de densidades y aunque existe un flujo de aire, éste no es el suficiente para quitar la humedad de la mayoría de los plásticos higroscópicos.
Los equipos de secado aquí considerados son:
• Hornos
• Vacío
• Infrarrojo
Hornos
Los hornos son uno de los muchos equipos que funcionan bajo el principio de calefacción indirecta y estos son algunos de los equipos más abundantes en algunas empresas donde la producción es baja y los parámetros de calidad no son de elevada exigencia, su funcionamiento es sencillo y es ésta una de las razones de su proliferación. Los hornos u hornos de circulación de aire emplean un arreglo de resistencias como fuente de radiación, y cuentan con una cámara para alojar el material, éste es colocado sobre charolas y se exponen a un tiempo definido de secado a una determinada temperatura.
Estos equipos se encuentran limitados por las condiciones ambientales y en consecuencia su efectividad también es limitada. Es recomendable que el plástico no rebase los 3 centímetros de altura en cada charola, con el fin de asegurar buenos resultados en el tiempo especificado de acondicionamiento para cada material.
Fig. Horno de circulación de aire.
Vacío
En este tipo de secador se aplica calor de forma indirecta en una primera etapa para promover la migración de la humedad del plástico hacia la superficie, posteriormente se traslada el material a una cámara donde se ejerce vacío y se retira la humedad para ser colocado en un contenedor listo para ser empleado en el proceso de transformación, este tipo de secador emplea tiempos más cortos de secado y es energéticamente más eficiente.
Fig. Unidad de secado por vacío.
La ventaja competitiva de este secador reside en que éste emplea el vacío para generar un diferencial de presiones de vapor, siendo la premisa universal de horror vacui o miedo al vacío, la causante de esto. La reducción de la presión en la cámara donde el material está contenido y la búsqueda del sistema por equilibrarse, provocan la ebullición de la humedad a las condiciones del sistema. Es común utilizarlo en materiales sensibles al calor y que cristalizan fácilmente.
Por infrarrojo
Los secadores infrarrojos emplean la longitud de onda de este tipo de radiación para calentar y promover la migración de la humedad hacia la superficie del polímero, la pérdida de energía por este método es relativamente baja o inexistente.
La eficiencia de la transferencia se debe a que no hay un medio de transferencia en el que se esté perdiendo energía, la radiación electromagnética es proporcionada por lámparas infrarrojas y la longitud de onda emitida va desde 780 nm hasta 1 mm en promedio.
Fig. Las lámparas IR tienen diversas longitudes de onda.
En este tipo de secado la superficie sas longitudes de onda.expuesta es un factor importante, por lo que usualmente se emplean tambores rotativos, que lleven el material a secar en camas delgadas con suficiente superficie expuesta desde la admisión del material hasta su almacenamiento post-secado. En esta configuración, la humedad se extrae por medio de la radiación y se elimina por medio de una corriente de aire seco, la cual es coaxial con el sentido del proceso.
Estos son ampliamente usados para procesos que involucren el PET para láminas o filamentos, ya que por la naturaleza de la fuente de radiación son aptos para realizar la cristalización de PET amorfo, lo cual es especialmente útil para evitar llegar al punto de reblandecimiento durante su secado y ocurra una aglomeración la cual cristalizará.
Lector, acabas de leer la razón por la que algunos de los materiales plásticos absorben humedad, como se deben de tratar y con qué equipos tratarlo para tener la mejor calidad de tus productos y sacarles la máxima eficiencia a tus procesos.
