Secado sin defectos en procesos de recubrimiento en flexografía

Publicado por la Asociación de Industriales Metalizadores, Recubridores y Laminadores (AIMCAL) y Conversión, B2Bportales

Convertidor pregunta:
"Nosotros secamos una diversidad de productos utilizando un secador de impacto de aire de un solo lado, con rodillos "danzarines" o locos en el lado seco. Frecuentemente, la capacidad se encuentra limitada por burbujas y quiebres en el recubrimiento seco, o por defectos en el recubrimiento que hemos rastreado hasta nuestro secador. Nos hemos visto obligados a reducir la temperatura y velocidad del aire, y a hacer correr el equipo muy lentamente para evitar estos defectos. Defectos que, aparentemente, son causados por un exceso de calor cerca de la salida del secador y que restringen nuestra temperatura del aire y velocidad de secado ¿Existe alguna mejora que podamos realizar a bajo costo y que sea de ayuda, o necesitamos un nuevo secador?"

Respuesta de AIMCAL: En efecto existe tal mejora: Dividir el secador en zonas independientes. En ausencia de datos sustanciales acerca del secado, una buena primera aproximación es una configuración de tres zonas, con la primera y tercera zonas ocupando cada una 25% de la extensión total, y la segunda zona ocupando 50%. Una configuración de cuatro zonas, cada una ocupando 25% de la extensión total del secador, también es un buen primer paso. Los problemas que usted describe y que limitan su capacidad (límite a la temperatura del aire del secador y/o a la velocidad de presión del aire en algún punto sensible dentro del secador) usualmente ocurren cerca a la entrada o salida del sustrato. Al dividir el secador en zonas total o parcialmente independientes estos límites no tienen que aplicarse a todo el secador.

Qué es una zona controlada de forma independiente
Una zona controlada de forma independiente es un segmento del secador donde se puede mantener dentro de un rango práctico de operación la velocidad de impacto del aire, la temperatura, y la concentración de solventes, sin que este rango significativamente restrinja, o esté restringido, por las zonas adyacentes.

Las zonas completamente independientes requieren controles, ventiladores, ductos, unidades de calentamiento/enfriamiento, y reguladores de reflujo/recirculación separados. Las zonas parcialmente independientes pueden compartir un ventilador y un cabezal común, pero generalmente controlan la velocidad del aire y la temperatura por medio de reguladores y unidades de calentamiento/enfriamiento separadas.

Aún las zonas completamente independientes interactúan dinámicamente, pues, al cambiar las condiciones de una zona, las zonas subsiguientes se ven afectadas por el cambio en el substrato húmedo. Pero las acciones de control en estas zonas posteriores (aguas abajo) la compensan los cambios en las zonas anteriores (aguas arriba).

La curva de secado
Una curva de secado típica es un gráfico que describe la temperatura de la superficie del lado húmedo respecto a la distancia dentro del secador, y se encuentra dividida en tres secciones: Calentamiento, tasa constante, y tasa decreciente. Debemos recordar que las secciones del proceso de secado no son las mismas que las zonas de secado. Las secciones de secado son partes secuenciales del proceso de secado en las cuales ocurren diferentes fenómenos. Las zonas de secado son divisiones mecánicas dentro del secador.

El substrato con recubrimiento comienza a calentarse inmediatamente entra al secador de impacto. El sustrato usualmente absorbe la mayoría del calor y la temperatura de la superficie húmeda aumenta considerablemente hasta que la evaporación del solvente comienza a absorber aproximadamente tanto calor como el sustrato.

En la sección de tasa constante el calor es absorbido principalmente por el solvente que se evapora libremente a la temperatura de bulbo húmedo (o a un nivel ligeramente superior). En la sección de tasa decreciente la difusión comienza a limitar la tasa de evaporación del solvente y de nuevo el substrato absorbe la mayor parte del calor. La temperatura de la superficie aumenta intensamente hasta que llega a la temperatura del aire a presión.

Cómo ayudan las zonas de secado
Maximizar las temperaturas y las velocidades minimiza la extensión del secador y/o maximiza la velocidad. Desafortunadamente, existen límites de temperatura inevitables, más allá de los cuales se dañarán tanto el recubrimiento como el substrato, y una alta velocidad del aire puede estropear un recubrimiento húmedo móvil. Con sólo una zona, o aún muy pocas zonas independientes, los límites de temperatura y velocidad del aire que son necesarios en solo una parte del secador limitan el desempeño del resto del secador, por lo que quedamos "encartados" con un secador innecesariamente largo o lento. Existen muchos ejemplos de esos límites innecesarios.

Los recubrimientos frescos y diluidos son "movibles" y por lo tanto el aire en movimiento puede dañarlos fácilmente, causándoles rayas, vibraciones, moteo, etc. Pero, a medida que se secan, los recubrimientos aumentan su viscosidad, se vuelven inmóviles e incrementan su resistencia a los daños que les puede causar el aire en movimiento. Limitar la velocidad del aire a lo que es aceptable en el punto de entrada al secador disminuye el desempeño del secador en segmentos posteriores, donde los recubrimientos son más robustos.

A medida que el secado progresa a través de las secciones de tasa constante y tasa decreciente, el enfriamiento por evaporación disminuye y por lo tanto disminuye también la temperatura máxima tolerable. Limitar los primeros segmentos del secador a las temperaturas aceptables cerca de la salida también hace decaer su desempeño.

Los recubrimientos de base solvente usualmente generan un desagradable problema denominado: "formación de nata o piel", en el que una capa del recubrimiento cerca de la salida de aire se seca demasiado pronto, forma una piel y retarda considerablemente la evaporación del solvente que se encuentra debajo de la superficie. Un secado agresivo cuando se forma la "nata" usualmente ocasiona que el solvente irrumpa a medida que se evapora, arruinando el recubrimiento. Para evitar la "nata" usualmente disminuimos la velocidad del secado en las secciones de tasa constante y tasa decreciente por medio de un aumento de la concentración del solvente en el aire. Pero una alta concentración de solvente en el aire al final de la sección de tasa constante y durante la sección de tasa decreciente (en las cuales tratamos de eliminar los últimos vestigios del solvente) disminuye notoriamente el desempeño del secado.

Finalmente, podemos minimizar las zonas necesarias en un secador utilizado para un recubrimiento específico ajustando meticulosamente las zonas a la curva de secado de ese recubrimiento, lo cual minimiza también la inversión. Pero ¿qué ocurre si necesitamos aumentar la velocidad de aplicación del recubrimiento, o cambiar el grosor del recubrimiento o la fórmula? El secador que hemos diseñado ya no posee las características de velocidad de aire y temperatura que requiere el nuevo proceso de secado, y nuestra inversión y ahorros son consumidos por mayores costos de operación. En el caso en que el secador se utilice para una amplia gama de productos, usualmente es más aconsejable instalar al menos seis zonas para maximizar la flexibilidad y la capacidad.

Si tiene alguna pregunta sobre este tema, con respecto a productos, equipos, materiales y capacidades de conversión u otros aspectos técnicos, consulte a los expertos de la Asociación de Industriales Metalizadores, Recubridores y Laminadores (AIMCAL, por sus iniciales en inglés), en www.aimcal.org o en el teléfono + 1 (803) 802-7820 y/o fax + 1 (803) 802-7821