Metodología para la optimización del proceso de extrusión por pistón de propulsantes gelificados

Resumen

Resumen de la tesis: La fabricación de materiales energéticos destinados a la propulsión requiere una serie de etapas productivas orientadas a convertir la materia prima fundamental (por ejemplo, nitrocelulosa) en un producto intermedio que contiene, en las proporciones adecuadas, todos los compuestos y aditivos necesarios para asegurar una respuesta balística específica del producto final. Dicho producto intermedio, conocido como masa o pasta de propulsante, es sometido a determinados procesos de conformación, secado y tratamiento superficial que dan lugar al denominado propulsante, cuyas propiedades balísticas están fuertemente influenciadas por los parámetros de este conjunto de procesos. En la industria de la producción de materiales energéticos, la obtención de estas masas o pastas se basa en la nitración de la celulosa, y en su caso de la glicerina, para dar lugar a compuestos fundamentales, como son la nitrocelulosa y la nitroglicerina, que posteriormente son mezclados y homogeneizados junto con una serie de aditivos y aglomerantes durante el proceso de amasado, para generar un producto con la composición adecuada, al cual se le somete finalmente a procesos de conformación por deformación plástica y otros procesos complementarios que aseguran la respuesta balística deseada del propulsante. A continuación, dicha masa o pasta es transferida a la matriz que contiene la geometría balística deseada, constituyendo un proceso de fabricación continua. Sin embargo, estos procesos de amasado y extrusión no siempre son acometidos de forma continua sino que, en muchos casos, se ejecutan en máquinas diferentes de manera discontinua e independiente, como sucede cuando se recurre a la extrusión por pistón, lo cual dificulta el control de las propiedades reológicas de la masa y, en consecuencia, de las propiedades balísticas del producto final o propulsante. Este proceso de fabricación, al margen de sus ventajas, presenta una serie de limitaciones para el control productivo como, por ejemplo, una cierta variabilidad en las propiedades reológicas de las masas de propulsante, las cuales se reflejan en la incertidumbre asociada a la respuesta balística del producto final. En consecuencia, el control y la minimización de estos aspectos es esencial para cumplir con las especificaciones balísticas deseadas. Por otra parte, un mayor control de estas etapas de fabricación también deriva en un proceso con un mayor nivel de seguridad frente a la auto-ignición del producto y con una mayor eficiencia energética, para lo cual los parámetros implicados en las etapas de amasado y extrusión pueden ser supervisados y optimizados en función de la reología de las masas de propulsante sometidas a estos procesos. Las características reológicas de las masas de propulsante vienen dadas, en general, por su composición química y las condiciones del proceso de amasado. En dicho proceso se produce la gelificación, que da lugar a un compuesto de tipo gel con un elevado contenido de fase sólida, por lo que estas masas de propulsante deben ser consideradas como suspensiones concentradas o altamente rellenas, cuyo comportamiento en flujo resulta no-newtoniano, lo que añade cierta complejidad en la determinación de los parámetros materiales necesarios para describir su respuesta bajo fluencia durante el proceso de extrusión. En la presente tesis doctoral se ha propuesto una metodología que incluye el control de la fabricación, como medio para evaluar los parámetros de proceso asociados a las etapas de amasado y extrusión que presentan una influencia destacada sobre las características reológicas de las masas de propulsante, así como sobre las propiedades balísticas del producto final. A partir de estos resultados experimentales, obtenidos según la metodología propuesta en esta tesis doctoral, se aborda el estudio del proceso de extrusión a través del análisis del flujo en los diferentes elementos de conformación que integran la prensa de extrusión por pistón, considerando las características específicas de los materiales de tipo elastómero, dentro de los cuales se incluyen las masas de propulsante gelificadas. La modelización del problema del flujo de extrusión es ciertamente compleja, y se hace necesario recurrir a herramientas de modelización numérica para conseguir la mejora de dicho proceso de conformación. Para el análisis del proceso de extrusión, en este trabajo, se propone la utilización de un modelo basado en el método de las diferencias finitas que proporciona resultados, especialmente fiables, en el régimen transitorio y en la predicción de superficies libres (necesarios para analizar el flujo del material a través de los platos perforados que integran la prensa de extrusión) utilizando, como datos de partida, los valores experimentales de los parámetros materiales de las masas de propulsante y de los principales parámetros de proceso, a fin de establecer las condiciones iniciales y de contorno adecuadas. Una vez ajustado el modelo, éste es utilizado para llevar a cabo la optimización de las geometrías del plato homogeneizador y de la matriz de extrusión, siguiendo ciertos criterios de optimización del proceso. De este modo, es posible determinar, por ejemplo, la caída de presión en cada elemento de la prensa de extrusión, la disposición más adecuada para los orificios del plato homogeneizador, o la configuración óptima de cada una de las partes que constituyen la matriz de extrusión. La obtención de una mínima distorsión en el material extruido, el mantenimiento de una velocidad de deformación controlada en los tramos convergentes, la eliminación de espacios muertos y puntos calientes, y la minimización de la energía consumida durante el proceso, han sido los criterios de optimización considerados durante el estudio de este proceso. En síntesis, en la presente tesis doctoral se propone una nueva metodología para la optimización de la fabricación de propulsantes gelificados, la cual hace posible la mejora del rendimiento energético del proceso, la disminución de la distorsión conferida al producto extruido, la reducción de dispersión en las propiedades del producto final y el incremento de las condiciones de seguridad frente al riesgo de auto-ignición asociado a este tipo de compuestos.