CAPÍTULO 2 PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS

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1 1 CAPÍTULO 2 PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Uma grande variedade de técnicas de processamento é empregada na obtenção de artefatos poliméricos. O método usado de conformação para um determinado polímero depende de vários fatores, tais como: 1 Se o polímero é termoplástico ou termofixo. 2 Geometria e tamanho da peça. 3 Para polímeros termoplásticos: temperatura que amolece; propriedades reológicas (curvas de fluxo) quando amolecido; temperatura; tempo de resfriamento após a moldagem. 4 Para polímeros termofixos: temperatura e; tempo de cura. O processamento de polímeros termoplásticos ocorre normalmente em temperaturas elevadas (200 o C até 500 o C) e, com freqüência, com a aplicação de pressão. Os termoplásticos amorfos são conformados acima das suas temperaturas de transição vítrea, enquanto que os semicristalinos são processados acima de suas temperaturas de fusão. Um fator importante que deve ser destacado no processamento de polímeros é que estes materiais, geralmente, apresentam uma capacidade calorífica (C p ) e calor latente maiores do que os materiais convencionais, tais como metais e cerâmicas. Por exemplo, a capacidade calorífica do cobre (C pcu =0,09 KJ/Kg o C) é bem inferior a capacidade calorífica do Poliestireno (PS) (C pps =1,34 KJ/Kg o C). Portanto, os equipamentos de processamento de polímeros devem ser projetados de forma a atender aos requisitos necessários para que o material seja conformado adequadamente, isto é, deve-se levar em consideração a capacidade calorífica, calor latente, propriedades reológicas do polímero, entre outros fatores.

2 2 A Tabela 1 apresenta a capacidade específica e o calor latente de fusão de alguns polímeros. Tabela 1 Capacidade calorífica e calor latente de fusão para polímeros. Polímero Cp (KJ/Kg o C) Calor Latente (KJ/Kg) Temperatura de processamento ( o C) Calor Total para o processo (KJKg -1 ) PMMA 1, HDPE 2, PP 1, PS 1, Náilon 1, PC 1, ABS 1, PPO 1, Observa-se que termoplásticos semicristalinos requerem maior quantidade de energia para serem fundidos. Para estes materiais, a aplicação de pressão, durante seu processamento, deve ser mantida à medida que a peça é resfriada, a fim de que o material conformado mantenha a sua forma desejada. O processamento de polímeros termofixos é realizado normalmente em dois estágios. Em uma primeira etapa, o polímero de baixo peso molecular (algumas vezes chamado de pré-polímero) é preparado. Esse material é convertido no produto final, durante o segundo estágio, que é realizado normalmente dentro de um molde que possui a forma desejada. Este estágio que é chamado de cura que pode ocorrer através do aquecimento ou adição de catalisadores e freqüentemente é realizado sob pressão. A cura é uma reação química, na qual se forma uma estrutura com ligações cruzadas ou em rede. Após essa reação, o polímero termofixo é removido do molde, ainda quente, uma vez que, após a formação do reticulado ele está dimensionalmente estável.

3 3 A tabela 2 apresenta as diferenças principais do processamento de termoplásticos e termofixos. Tabela 2 Diferença entre as características de processamento de termoplásticos e termofixos. Características Termoplásticos Termofixos No processamento Temperatura de processamento (Tp) Propriedades Reológicas importantes Aplicações Não há reação química Termoplásticos amorfos a Tp deve ser superior à sua t g. Termoplásticos semicristalinos a Tp deve ser superior à sua T m. Curvas de fluxo, viscosidade e sua dependência com a taxa de cisalhamento e pressão durante a conformação A faixa de aplicação desses materiais fica restrita à sua t g, t m e temperatura de amolecimento. Há reação química: Formação de ligações cruzadas ou reticulação Tempo e temperatura no qual ocorre a reticulação. Ponto ou tempo gel: tempo em que a viscosidade do polímero aumenta drasticamente (tempo necessário para processar o material) Materiais que apresentam maior estabilidade dimensional e térmica do que os termoplásticos tais como: Nos próximos ítens serão abordados os processamentos de termoplásticos, Moldagem por Extrusão Moldagem por Injeção Moldagem por Sopro Termoformagem

4 4 2.2 EXTRUSÃO Histórico: O processo de extrusão é uma forma de moldagem muito antiga, cujo início não se tem muitos registros. Sabe-se que o processo de extrusão foi utilizado em escala industrial, desde o início do século XIX, na fabricação de tubos de chumbo. O uso de equipamentos de extrusão também é feito para fabricação de produtos de material cerâmico, eletrodos de carbono, grafite para lapiseira e polímeros. A palavra extrusão tem raiz e vai buscar significado nos vocábulos latino, em que ex significa força e tudere significa empurrar. Pode-se definir, então, a extrusão como o processo de obtenção de produtos com comprimentos ilimitados e seção transversal constante, obrigando o material a passar através de um cabeçote sob condições de pressão e temperatura controlada. Desta maneira, a moldagem por extrusão apresenta característica essencial, que a distingue de todos outros processos de conformação de polímeros. Esse processo é contínuo e por isso é usado para fabricação de produtos acabados, como por exemplo: barras, fitas, mangueiras e tubos, como também para produtos semi-manufaturados, que devam, posteriormente, sofrer novo processamento. A extrusão também é usada para incorporação de aditivos, e em alguns casos podem ser usada como reatores de modificação de polímeros, também conhecida como extrusão reativa. O processo de extrusão é realizado em um equipamento conhecido como extrusora. Existem as extrusoras com uma única rosca e extrusoras de dupla rosca. A Figura 1 representa uma vista de corte de uma extrusora de uma rosca. A extrusora utilizada para o processamento de polímeros consiste essencialmente de um cilindro em cujo interior gira um parafuso (rosca) arquimedeano. O polímero, na forma de grãos ou em pó, é alimentado, através do funil de alimentação, para o canhão ou cilindro que está aquecido. O movimento da rosca promove o transporte do polímero, levando-o até a matriz. Durante este deslocamento, o material é progressivamente aquecido, plastificado, homogeneizado, comprimido e finalmente é forçado a sair, através do orifício da matriz. À medida que o polímero flui através da matriz, o material adquire a forma da seção transversal. Desta maneira, quando o polímero deixa a matriz, a sua forma corresponderá aproximadamente a seção transversal desta.

5 5 Figura 1 Vista de corte de uma extrusora de rosca utilizada para o processamento de materiais poliméricos. As extrusoras de uma rosca (parafuso) são constituídas de: Sistema Motriz Canhão ou Cilindro Sistema de aquecimento e resfriamento Rosca 1 Sistema Motriz A movimentação da rosca é feita por intermédio de um redutor, o qual é acionado pelo motor. A velocidade do motor deve ser controlada para regular a variação da velocidade da rosca. Esse controle é feito através de dois aparelhos: o tacômetro e o amperímetro. 2 Canhão ou cilindro O cilindro é a parte da máquina em cujo interior é alojada a rosca. O cilindro proporciona uma das superfícies necessárias para friccionar o polímero. É constituído de aços especiais, possuindo elevada resistência à abrasão e à estabilidade térmica. 3 Sistema de aquecimento e resfriamento A maior parte das extrusoras são aquecidas por meio de resistências elétricas, colocadas ao redor do cilindro, divididas em grupos (zona de aquecimento). O aquecimento do cilindro através de resistências elétricas é o mais

6 6 utilizado em relação aos outros meios de aquecimentos, como por exemplo, o sistema de aquecimento a vapor, a óleo quente e outros. Um dos fatores importantes de uma máquina de extrusão é um perfeito controle da temperatura de processamento do polímero. Desta maneira, é necessário que o equipamento possua um excelente sistema de aquecimento como também um sistema de resfriamento. O sistema de resfriamento do cilindro é feito, normalmente, por ar ou por líquido (serpentina) ou ainda pela união dos dois sistemas (água/serpentina). No cilindro das extrusoras são utilizados pirômetros de dois estágios, os quais são responsáveis para controlar a temperatura de processamento. O controle de temperatura realizado por esses aparelhos ocorre através do mecanismo de ligar e desligar o sistema de aquecimento e/ou o sistema de resfriamento. Os sensores de temperatura utilizados nas extrusoras são os termoelementos que ficam encaixados no cilindro, no centro de cada zona. 4 Rosca A rosca é constituída em aço-liga com excelente resistência térmica, corrosão, torsão e flexão. A rosca é a parte principal de uma extrusora, tendo a função de: a) Fazer que o material polimérico avance para a matriz; b) Misturar convenientemente o material polimérico; c) Ter comprimento suficiente para fundir (amolecer) e reduzir a viscosidade do material. A geometria da rosca muda para cada polímero. Esta diferença de geometria ocorre, porque os termoplásticos diferem entre si, tanto nas propriedades térmicas (capacidade calorífica, calor latente de fusão, temperatura de fusão cristalina e temperatura de transição vítrea), quanto nas propriedades reológicas (curvas de fluxo e viscosidade) e propriedades mecânicas (dureza, resistência à compressão, etc.). Desta maneira, conclui-se que é quase impossível ter-se uma mesma rosca capaz de trabalhar satisfatoriamente para qualquer tipo de material. Existem dois tipos de roscas, a de um estágio e a de dois estágios.

7 7 extrusora. Rosca de um estágio. A figura 2 ilustra um esquema de um parafuso de um estágio de uma Onde: D Diâmetro da rosca; d altura do filete ou profundidade do canal; l passo do parafuso; L comprimento da rosca Figura 2 Ilustração de uma rosca de um estágio. Dentro dos canais da rosca, o polímero passa por diversos estágios, começando a partir do funil a ser transportado o estado sólido ou duro e no final da rosca vai estar fundido ou amolecido. A transição sólido/fluido viscoso se dá gradativamente. A rosca de um estágio é constituída de três zonas distintas, cada qual com suas funções específicas. 1 - Zona de Alimentação Zona de entrada do material. A profundidade dos filetes (sulcos) é maior e seu diâmetro é constante em todo seu comprimento. A taxa de cisalhamento nessa região é bem pequena e o polímero estará praticamente no estado sólido. 2 Zona de Compressão A seção de transição ou de compressão destinase a iniciar e promover a compressão e a plastificação dos grânulos do polímero. Isto ocorre, porque a profundidade dos filetes é menor, diminuindo assim o espaço disponível para o material sólido passar. O material empurrado para frente é aquecido pela troca de calor com o cilindro aquecido e pela fricção. O ar que está entre o material e as paredes da extrusora é liberado e empurrado para trás, saindo

8 8 pelo funil de alimentação. Nessa região a profundidade dos filetes varia ao longo do seu comprimento. A taxa de cisalhamento desenvolvida nessa seção é maior do que a da zona de alimentação. 3 Zona de Dosagem ou de Controle de Vazão (Calibragem) É a parte final da rosca, geralmente possui uma profundidade dos filetes relativamente pequena e é mantida constante em toda sua seção. Sua finalidade é de dar estabilidade ao polímero e ajudar a manter constante o fluxo do material. Esta é a seção da qual se tem relativamente mais conhecimento de como trabalha, pois é nesta em que o material está completamente viscoso e pode-se através de algumas suposições justificadas, estudá-la matematicamente e se comprovar experimentalmente. Razão ou Relação entre Comprimento (L) e Diâmetro (D) Além da função específica de cada zona, a relação entre L/D do parafuso (rosca) de extrusão influencia o processo de mistura e produtividade de uma extrusora. Razão ou Relação de Compressão As roscas se classificam, freqüentemente, pela sua taxa de compressão. A razão entre a profundidade do canal (altura do filete) entre as seções de alimentação e dosagem é chamada de razão ou relação de compressão Os materiais termoplásticos utilizados pelo processo de extrusão diferem entre si, tanto em propriedades térmicas como em propriedades mecânicas. A dureza, calor específico, fluidez, coeficiente de fricção, temperatura de fusão, etc., leva a considerar que é quase impossível ter-se uma única rosca capaz de trabalhar satisfatoriamente bem, com mais de um tipo de material. Normalmente, a zona de alimentação é maior para polímeros cristalinos, já que estes requerem maior calor para fundir. A zona de compressão, geralmente possui 50% do comprimento total do parafuso. A geometria da rosca influencia a plastificação do polímero pelo fato de afetar as características de transferência de calor, taxa de cisalhamento e uniformidade da vazão. A Tabela 3 mostra as dimensões, em mm, de alguns parafusos típicos de extrusão.

9 9 Segundo Bretas e D Ávila, como regras gerais, pode-se estabelecer que: Polímeros mais estáveis ao calor podem utilizar canais mais rasos, facilitando a homogeneização, porém levam mais tempo par aquecer; Polímeros mais viscosos podem utilizar canais mais profundos; Canais rasos significam melhores mistura, mas maior geração de calor pelo atrito e, consequentemente, maiores temperaturas do material amolecido ou fundido; Canais profundos produzem maiores mudanças na vazão, provocadas pelas alterações na pressão. Tabela 3 Dimensões de alguns parafusos específicos para determinados polímeros. *Fonte: Bretas e Dávila PVC RÍGIDO PS LDPE HDPE NÁILON Diâmetro Comprimento Zona Zona Zona Passo Altura Z2 5 3,5 3,1 3,9 3,1 Altura Z Onde: Zona 1 - Zona de alimentação Zona 2 - Zona de compressão; Zona 3 Zona de Dosagem. Observe com o auxílio da Tabela 3 que a rosca para o PVC não apresenta zona de compressão. Isto ocorre, porque o PVC se degrada facilmente quando submetido à temperaturas superiores à 210 o C, ou até menos. A temperatura de fusão para o PVC é de 230 o C, mas nunca se trabalha nesta temperatura, portanto, o material quando em processamento apresenta alta viscosidade, a menos que, sejam adicionados plastificantes ou lubrificantes. A compressão deste material dentro da extrusora deve ser alcançada gradualmente para evitar altas taxas de cisalhamento ao longo de toda a rosca. Por isto que a profundidade do canal deve ser

10 10 paulatinamente decrescente ao longo de toda a rosca. Como o PVC tem alta viscosidade mesmo no estado amolecido, não é preciso uma zona de controle de vazão (zona de dosagem) com canal constante e muito raso, pois não ocorrem flutuações no fluxo. O Náilon é um polímero semicristalino altamente higroscópico. Por isso, este material deve ser levado em uma estufa com circulação de ar antes de seu processamento. O náilon, normalmente apresenta temperatura de processamento acima de 240 o C, tem uma faixa de fusão estreita, oxida facilmente com a presença de ar quente e apresenta uma baixa viscosidade depois de fundido. Com estas propriedades este material necessita de uma zona de dosificação com canal constante e bem raso, para evitar flutuações, devido à sua baixa viscosidade. Rosca de Dois Estágios No processo de extrusão também, trabalha-se com polímeros que possuam junto a si materiais voláteis, que podem vir em forma de umidade. Como verificado anteriormente, uma rosca normal de um estágio, a única saída de gases e vapores é por trás, saindo pelo funil de alimentação ou seguindo junto com a resina e saindo pelo cabeçote junto com o produto extrudado. Desta forma, os voláteis acabam afetando a qualidade do produto, apresentando marcas visíveis superficialmente como bolhas, manchas, etc. Para solucionar tal problema, adotou-se como solução uma técnica que consiste em duplicar o processo, ou seja, extruda-se o material, extrai-se dele os voláteis, volta-se a extrudar o mesmo material e, em seguida, tem-se o produto final. Apesar de ser um processo duplicado, ele é feito simultaneamente com roscas de dois estágios, que nada mais é do que duas roscas normais, uma atrás da outra e na junção destas deixa-se um orifício no cilindro para a saída dos voláteis. Normalmente este tipo de rosca é empregado para o PET reciclado. O PET é um polímero que se funde em temperaturas de 275 o C e libera materiais voláteis durante a extrusão. Desta forma, para este polímero utiliza-se uma rosca de dois estágios, conforme está ilustrada na Figura 3.

11 11 Onde: 1 Primeira zona de alimentação; 2 Primeira zona de compressão; 3 Primeira zona de dosagem; 4 Zona de degasagem; 5 Segunda zona de alimentação; 6 - Segunda zona de compressão; 7 - Terceira zona de dosagem (controle de vazão) Figura 3 Rosca de dois estágios. Rosca Dupla Uma extrusora de dois parafusos (rosca dupla) tem a capacidade de misturar o material eficientemente evitando o superaquecimento (degradação) do material polimérico. Existem dois tipos básicos de extrusoras de dois parafusos, em que as roscas giram em concordância ou em oposição. Estas extrusoras são empregadas, normalmente, para se produzir blendas ou compósitos poliméricos ou para misturar aditivos ao material polimérico. A Figura 4 ilustra a rosca dupla de uma extrusora. As extrusoras de dupla rosca, apesar de maior custo, apresentam algumas vantagens em relação as extrusoras de uma rosca, dentre estas vantagens destacam-se: Maior eficiência de mistura, plastificação e homogeneização do composto, em função da geometria da rosca ser mais elaborada. Podem ser usadas temperaturas de processamento menores, diminuindo assim o consumo de energia elétrica. Maior eficiência no transporte de massa, ou seja, menor variação da vazão de material polimérico, o que representa maior controle dimensional do produto final.

12 12 Figura 4 Tipos de roscas usadas em uma extrusora de rosca dupla: (a) rosca convencional, (b) rosca de alto cisalhamento. Sistema de tela e disco quebra fluxo O sistema de tela utilizado no processo de extrusão é um fator importante conforme constatado quando se analisa o comportamento e o fluxo do material dentro do cilindro, porque além de atuar como elemento filtrante no final do cilindro, cria uma obstrução ao fluxo gerando com este, um gradiente de pressão contrária, forçando o retorno do material e ajudando a sua mistura e homogeneização. Outro detalhe importante é que antes do sistema de tela, o fluxo tende a girar em função do movimento da rosca e após o sistema filtrante, o fluxo é parado, seguindo reto, para frente, na direção do cabeçote. É justamente por este fator que se consegue extrudar materiais com duas ou mais cores sobrepostas. Figura 5 Ilustração de um sistema de disco quebra fluxo

13 13 Análise do fluxo do material dentro do cilindro (Reologia) Uma extrusora alimentada por um polímero sólido é chamada de extrusor plastificador, ou seja, sua função não é apenas a de transportar o material, mas também a de fundir o termoplástico, homogeneizá-lo e bombeá-lo através de uma ferramenta (cabeçote), que dará a forma final ao produto. Atualmente, as extrusoras trabalham a uma velocidade entre 20 a 200 rpm, podendo ter uma produção de 2000 Kg/h ou mais, dependendo da sua dimensão, do polímero a ser extrudado e do produto final. Um dos principais fatores que limita a produção de uma máquina extrusora é a homogeneidade do extrudado. A fim de se compreender melhor o funcionamento de uma extrusora, pode-se considerar o seguinte esquema: ALIMENTAÇÃO ZONA 1 (Transporte de Sólidos) ZONA 2 (Fusão ou Plastificação) ZONA 3 (Bombeamento) Saída (Produto) O comportamento global da máquina depende de como se processa, individualmente, cada zona. Para que se tenha condição de controlar o processo é necessário que a máquina tenha condições de obedecer as seguintes relações: A velocidade de transporte de material sólido pela Zona 1, seja pelo menos igual ou superior à velocidade de fusão ou plastificação da Zona 2. A velocidade de plastificação da Zona 2 tem que ser igual ou maior que a velocidade de bombeamento da Zona 3. Caso não ocorram estas condições, a rosca irá trabalhar em vazio ou mal alimentada. Quando se cumprem estas condições, diz-se que a Zona 3 (bombeamento) controla a operação, mantendo o fluxo mais estável, extrudado de

14 14 melhor qualidade, bem melhor do que se a operação tivesse sido controlada por qualquer outra zona. Para um melhor entendimento, torna-se necessário detalhar cada zona. Zona 1 Zona de Alimentação Transporte dos Grânulos Estuda-se esta zona empregando uma teoria de transporte de sólidos, apoiada parcialmente em alguma evidência experimental, a qual não fornece base suficiente para se concluir que as suposições feitas através de teorias analíticas estejam totalmente corretas. Em condições ideais, as partículas individuais deveriam seguir trajetórias retas e paralelas ao eixo da rosca. Nestas condições, a velocidade máxima de transporte se calcularia com facilidade, porém, ao avançar dentro do cilindro, o mecanismo de transporte se modifica, as partículas vão se compactando e tendem a se mover como uma massa maciça, friccionada pelas superfícies da rosca e do cilindro. Zona 2 Zona de plastificação ou Compressão A zona de plastificação ou de transição se define como sendo parte da extrusora em que coexiste polímero sólido e fundido. Como comentado anteriormente, o comprimento da zona de plastificação é função da geometria da rosca e das propriedades reológicas do polímero. Nesta etapa o material é amolecido pelo atrito e pela condução térmica. Zona 3 Zona de dosagem ou bombeamento Teoria de Fluxo para extrusora de rosca única Na zona de dosagem ou bombeamento o material deve estar completamente amolecido ou fundido. Esta seção é a região em que se tem maior conhecimento a respeito do mecanismo de transporte de material. Nesta zona, a rosca gira dentro do cilindro, esse movimento gera o arraste do polímero e ao mesmo tempo, o polímero flui devido a existência de Pressão (P) ao longo do canal da rosca. Estes dois tipos de fluxo apresentam perfis de velocidades distintos (arraste e contra pressão) como ilustrado na figura 6. Entre a rosca e o cilindro deve existir uma folga para evitar o atrito entre estes materiais. Esta folga é

15 15 pequena de maneira que o polímero viscoso que tem alta viscosidade durante o processamento, não deve vazar. Normalmente esta folga é de 2 mm. Eventualmente, devido ao desgaste o polímero pode escapar por entre esta folga. Para efeito de cálculos, este escape. Fluxo de arraste Fluxo de contra - pressão Figura 6 Perfil de velocidade desenvolvido na rosca devido o seu movimento de arraste e geração de pressão. Fluxo de arraste é o movimento relativo do fluido entre as paredes do cilindro e da rosca, é simplesmente considerado o movimento para frente do fluido, gerando um perfil de velocidade linear, enquanto que o fluxo de contra-pressão é um fluxo devido ao gradiente de pressão ao longo do canal da rosca, gerando um perfil de velocidade parabólico. A vazão de material durante o processamento de extrusão gerada pela movimentação da rosca está relacionada ao fluxo de arraste, contrapressão e ao fluxo de escape (vazamento), descrita segundo a equação abaixo: Q = Q p d + Q p + Q e (1) Em que Q, Q e Q são as vazões devido ao arraste, pressão e ao escape. d p e O fluxo de polímero gerado pela movimentação da rosca pode ser descrito segundo a equação abaixo.

16 16 C Q = A. N ΔP η A e C são constantes geométricas do parafuso e N velocidade da rosca. (2) A vazão ou a produtividade de uma extrusora dependerá das seguintes variáveis: Geometria da rosca: diâmetro, passo. ângulo da hélie da rosca, largura, profundidade e cumprimento do canal, folga entre o filete e o cilindro. Polímero: propriedades reológicas. Condições de operação: velocidade da rosca, temperatura e pressão de extrusão. Fenômenos observados na extrusão devido à elasticidade do polímero Inchamento do extrudado (Die Swell) O inchamento do extrudado é um fenômeno caracterizado pelo aumento do diâmetro do extrudado em relação ao diâmetro da matriz. Este fenômeno está ilustrado na Figura 7. O inchamento do extrudado é representado de forma quantitativa pela taxa de inchamento, α, definida por: α = D D e m (3) em que: α é a taxa de inchamento do extrudado, D e é o diâmetro do extrudado e Dm é o diâmetro da matriz. Na região anterior à matriz as moléculas do polímero estão em sua conformação enovelada (estado equilíbrio termodinâmico). Dentro da matriz as moléculas começam a se orientar (conformação alongada) devido ao aumento da taxa de cisalhamento. Na saída da matriz, as moléculas tenderão a voltar em seu estado fundamental (conformação enovelada). Isto produz um encolhimento

17 17 longitudinal e uma expansão lateral. A Figura 7 apresenta o esquema de inchamento do extrudado. Figura 7 Ilustração do inchamento do extrudado. Fatores que afetam o inchamento do extrudado: A taxa de inchamento do extrudado α, aumenta com o aumenta da taxa de cisalhamento; A uma taxa de cisalhamento fixa, o inchamento do extrudado decresce com a temperatura e com o aumento do comprimeto da matriz; Quanto maior o tempo de residência dentro da matriz, menor o inchamento do extrudado. Fratura do Fundido A fratura do fundido é um fenômeno que pode ocorrer durante o processo de extrusão e é caracterizada pelo aparecimento de extrudados com superfície sem brilho, rugosa e, por vezes, levemente rosqueada, conforme ilustrada na Figura 8. Figura 8 - Ilustração de alguns tipos de fratura do fundido.

18 18 Fatores que afetam a fratura do fundido: Acima de uma taxa de cisalhamento crítica, o extrudado fica irregular; A taxa de cisalhamento crítica aumenta com a temperatura e com a razão entre L/D. Segundo alguns autores, a fratura do fundido é originada pela propagação turbulenta da massa fundida na parede da matriz. Isto pode ser constatado, já que abaixo da tensão crítica o polímero flui continuamente e suavemente perto da parede da matriz. Acima desta tensão crítica, este polímero repentinamente começa a quebrar e fraturar. Observou-se que a tensão crítica é dependente do material de construção da matriz, desta maneira, a força de adesão entre polímero/matriz pe um fator importante. TÉCNICAS DE EXTRUSÃO Extrusão de tubos Extrusão de filmes Extrusão de filmes planos Processo de extrusão-laminação Processo de Co-extrusão Processo de Revestimento de Arames a) Extrusão de Tubos O processo de fabricação de tubos inicia-se na extrusora, responsável pela plastificação, homogeneização e controle de fluxo de material na saída da matriz. Na saída da matriz encontra-se um calibrador a vácuo que tem a função de resfriar e controlar o diâmetro externo do tubo. Normalmente, utiliza-se água gelada na saída do calibrador de modo a conseguir maiores taxas de remoção de calor. Na frente do calibrador encontra-se o puxador, o dispositivo de corte e recepção dos tubos cortados, como ilustrado na Figura 10. A produção utilizando-se o calibrador, o diâmetro externo do tubo é determinado pelo calibrador, enquanto que o diâmetro interno é determinado pelo diâmetro do torpedo. A Figura 9 ilustra uma matriz típica para a extrusão de tubos.

19 19 Figura 9 Extrusão de tubos: técnica da matriz de calibragem. (Brasken, A. R. et al.). Figura 10 Ilustração de uma matriz para extrusão de tubos. (Brasken, A. R. et al). A matriz deve ser projetada de forma a suportar altas pressões. Além disso, o torpedo e o adaptador devem ser projetados de forma a assegurar o fluxo laminar, sem pontos mortos que possam produzir o estacionamento do material. b) Extrusão de Filmes Filmes ou películas de material polimérico podem ser obtidos através do processo balão (filme soprado). Neste processo, uma extrusora alimenta uma matriz tubular cujo anel de saída tem uma abertura bastante delgada. O tubo anular assim extrudado sofre expansão na forma de uma bolha por meio de um fluxo de ar soprado através do torpedo. O resfriamento do filme ocorre por meio de outro jato de ar cuidadosamente controlado. O filme polimérico é então fechado por meio de rolos de pressão e tração. O material obtido é bobinado sob tensão constante. Os filmes produzidos por este processo são estirados longitudinalmente e transversalmente. A largura e a espessura do produto final é controlada através da velocidade de extrusão e do tamanho da bolha. A resistência mecânica do filme é função direta da orientação molecular no sentido longitudinal e transversal.

20 20 Através deste processo podem-se produzir filmes rígidos, flexíveis e semirígidos, com espessuras inferiores a 20μm. Este processo é adequado para a fabricação de sacos plásticos. Entretanto a sua produtividade tende a ser baixa, em virtude do tempo elevado que é requerido para o resfriamento da bolha. Em geral emprega-se a extrusão ascendente, como ilustra a Figura 11. Também é empregada a extrusão de filmes descendentes e horizontais. Com o objetivo de garantir a produção dos filmes é essencial o controle do resfriamento da bolha. A bolha chega achatada nos roletes de compressão, caso o filme não esteja suficientemente frio as extremidades do mesmo podem colar entre si. Desta maneira, deve-se produzir uma bolha estável e simétrica e resfriada adequadamente para impedir a tendência do filme colar em si próprio ao passar pelos cilindros de compressão. Figura 11 Ilustração de uma extrusora de filme plano. Adaptado de Blass, A. (1988).

21 21 c) Extrusão de Filmes Planos O processo de produção de chapas ou filmes planos é realizado através da extrusão de material amolecido ou fundido que alimentada a matriz plana de largura e espessura adequadas às dimensões finais da chapa. Após passar pela matriz plana, a massa fundida ou amolecida é então resfriada para adquirir sua forma final. As chapas são normalmente resfriadas através do contato com rolos (calandras), conforme ilustrado na Figura 12. As chapas são puxadas e armazenadas em bobinas. Este processo fornece um produto de transparência superior ao processo tubular, devido a possibilidade de se fazer um resfriamento rápido do material fundido. O choque térmico limita o crescimento de esferulitos, em polímeros semicristalinos, o que pode garantir a obtenção de filmes mais transparentes e brilhantes. Figura 12 Esquema ilustrativo da produção de chapas. A matriz possui uma longa fenda que permite a extrusão em altas temperaturas mantendo altas taxas de produção. A temperatura elevada garante o mínimo de irregularidades superficiais. A Figura 13 apresenta algumas matrizes para a extrusão de chapas.

22 22 Figura 13 Tipos de matrizes para fabricação de chapas. d) Processo de Extrusão-Laminação Este processo é empregado para a aplicação de uma fina camada de polímero sobre papel, tecidos, filmes metálicos ou outros substratos. O processo de extrusão laminação apresenta similaridade ao processo de produção de filmes. O material extrudado é encaminhado a uma matriz plana que conforma o material em forma de chapa. O filme fino de polímero, ainda amolecido, é aplicado sob pressão ao material de recobrimento (substrato), conforme ilustrado na Figura 14. O material a ser recoberto é alimentado continuamente desde uma posição de desbobinamento, passando sobre o cilindro de pressão. A espessura da camada aplicada pode ser regulada pela velocidade de fluxo da massa fundida e pela velocidade do substrato.

23 23 Entre os files usados para a co-laminação, destacam-se poliestireno, polietileno de alta densidade, poli(metacrilato de metila) e poli(cloreto de vinila). Figura 14 Ilustração de um equipamento de extrusão-laminação. Adaptado de Blass, A. (1988). e) Processo de Co-Extrusão A co-extrusão é um processo no qual se consegue sobrepor camadas de dois ou mais materiais diferentes, com o objetivo de se obter uma chapa com características especiais. Estas características podem ser, resistência química, brilho superficial, barreira a gases, resistência ao impacto, ou simplesmente cores diferentes dos dois lados da chapa extrudada. O sistema de co-extrusão mais conhecido é a da matriz múltipla que necessita de mais de uma extrusora que são conectadas a uma matriz especial. A figura 15 ilustra o processo de coextrusão de chapas.

24 24 Figura 15 Processo de coextrusão de chapas com duas camadas. f) Processo de Revestimento de Arames Fios e cabos elétricos podem ser isolados com polímeros extrudados através de matrizes transversais à linha de extrusão. O polímero extrudado alimenta a matriz, especialmente desenhada para poder receber o fio ou cabo a ser recoberto por seu interior. O fio metálico entra em contato com o polímero amolecido e é resfriado pela passagem por uma série de banheiras e embobinado em comprimentos pré-determinados. Para certificação da integridade do isolamento, as linhas de recobrimento de fios e cabos elétricos incorporam ainda o chamado teste de faísca. Nesse teste, o fio ou cabo passa por dentro de uma bobina de alta capacidade que induz alta corrente em uma pequena seção do produto. No caso de falha no isolamento, a corrente escapa pela mesma, provocando uma faísca detectada pelo equipamento e acionando um alarme para ao operador da linha,que segrega a bobina defeituosa. A figura 16 e 17 mostra o processo e uma matriz típica de extrusão de isolamento de fios e cabos elétricos.

25 25 Figura 16 Processo de extrusão para cobertura de fios e cabos. (adaptado por Blass, A. 1988). Figura 17 - Matriz de recobrimento de fios e cabos elétricos: (a) matriz de alta pressão; (b) matriz tipo tubular (Brasken, A. R. et al).

26 INJEÇÃO A moldagem por injeção é um dos processos mais versáteis e modernos na área de transformação de polímeros. Este processo consiste basicamente em forçar o polímero amolecido ou fundido, através de uma rosca - pistão, para o interior da cavidade de um molde. Após o resfriamento a peça é então extraída. A moldagem de injeção é um processo intermitente composta por várias etapas que se repetem a cada ciclo, na qual podem ser produzidas uma ou várias peças por vez. Vários produtos podem ser fabricados através do processo de injeção, tais como: brinquedos, discos, telefones, gabinetes de computadores e televisores, capacetes, para-choques, dentre outros. Este processo pode ser usado tanto para termoplásticos, elastômeros como termofixos. As propriedades de peças poliméricas fabricadas pelo processo de injeção estão intimamente ligadas ao conhecimento do fluxo do fundido nos canais de um molde. As propriedades finais dos moldados dependem das condições do processamento. Duas peças de um mesmo material fabricadas, em uma mesma máquina injetora e mesmo molde, sob diferentes condições de injeção podem apresentar diferentes níveis de encolhimento e tensões internas. Isto significa que as duas peças terão propriedades distintas. Desta maneira, o conhecimento de como o polímero flui dentro das partes do molde e do estabelecimento de condições ideais de moldagem é de fundamental importância para a determinação da qualidade de um moldado. O material polimérico deve possuir uma viscosidade adequada para escoar e preencher totalmente o molde. TIPOS DE EQUIPAMENTOS Máquina Injetora com pistão (êmbolo) A moldagem de injeção é um processo de transformação que passa por várias etapas que são executadas em uma ordem que é repetida. A repetição destas etapas é denominada de ciclo de injeção. O ciclo de injeção começa a partir da adição de material polimérico no funil de alimentação. O polímero passa do funil de alimentação para o cilindro que é aquecido, através de resistências elétricas. O material amolecido é empurrado (injetado) pelo êmbolo contra as paredes da

27 27 cavidade do molde que deve estar fechado. O molde permanece fechado até que ocorra o resfriamento adequado do polímero. Após seu resfriamento a peça é então extraída. A figura 18 ilustra uma máquina de injeção com pistão que possuem os seguintes componentes: 1. Funil de alimentação Local onde é adicionado o material polimérico, na forma de pós ou pellets (termoplásticos); 2. Cilindro de aquecimento Local onde o material aquecido é amolecido/fundido; 3. Êmbolo Ferramenta que opera no cilindro e tem a função de empurrar o polímero, aplicando pressão ao material, empurrando-o contra as cavidades do molde; 4. Prensa A prensa é a parte da máquina de injeção onde se localiza o molde que tem a função de dar forma ao material polimérico; 5. Sistema de controle e pressão que tem a função de comandar os a temperatura, mecanismos de injeção e fechamento do molde na seqüência adequada para a fabricação de produtos com excelente qualidade. Figura 18 Máquina de injeção de pistão. Adaptado de Blass, A. (1988).

28 28 O ciclo de moldagem em máquinas de êmbolos compreende em: 1 Fechamento do molde; 2 O êmbolo avança e empurra o material no molde (injeção); 3 O êmbolo permanece avançado durante um determinado tempo; 4 O êmbolo é recuado e durante a sua retração é dosado (alimentado) mais material amolecido. O molde permanece fechado para que o material seja resfriado adequadamente; 5 O molde se abre e então a peça é extraída. O ciclo de operação pode ser repetido. A Figura 19 ilustra o ciclo de injeção de uma máquina de pistão. Figura 19 Ciclo de injeção em máquinas de êmbolo. Máquina Injetora com parafuso No passado era comum o uso de máquina injetora de pistão, porém devido à sua baixa eficiência de plastificação do material, este equipamento caiu em desuso, com o desenvolvimento de máquinas dotadas de parafuso/pistão. Desta maneira, hoje em dia, a maioria das máquinas de injeção de termoplásticos é do tipo de parafuso ou rosca recíproco, conforme ilustrado na Figura 20. Este equipamento possui, dentro do cilindro de plastificação, um parafuso semelhante ao descrito no processo de extrusão. A função do parafuso é homogeneizar e plastificar o material até que o mesmo esteja com viscosidade adequada para ser injetado nas cavidades do molde.

29 29 Figura 20 Equipamento de injeção com rosca/pistão. Adaptado de Blass, Arno (1988). Descrição do processo: O polímero é adicionado na injetora através do funil de alimentação. A rosca gira e empurra o polímero para a parte frontal da mesma. Enquanto a rosca gira ela recua para trás, pois precisa de espaço à sua frente para depositar o material polimérico fundido ou amolecido e homegeneizado. Após a deposição de uma quantidade suficiente de material depositado na parte frontal da rosca, uma válvula presente perto do bico de injeção se abre. Neste momento, a rosca deixa de atuar como parafuso e atuará como se fosse um pistão, fazendo movimento para frente, empurrando assim o material para dentro das cavidades do molde. No momento da injeção de material, o molde deve estar vazio e fechado. Depois de terminado de injetar e compactar o material dentro do molde, a rosca permanece exercendo uma pressão sobre o injetado (pressão de recalque). Assim que o polímero entra através dos canais do molde, inicia-se o processo de resfriamento do material. Depois de resfriado o material é então extraído. Normalmente este processo pode ser descrito em seis etapas: 1. Fechamento do molde: o ciclo de moldagem é iniciado pelo fechamento e travamento do molde.

30 30 2. Dosagem: plastificação e homogeneização do composto no cilindro de injeção, que é feita através do movimento de rotação da rosca recíproca e de aquecimento do cilindro por resistências elétricas. 3. Injeção: como o próprio nome indica, trata-se da injeção do composto fundido para o interior da cavidade (ou cavidades) do molde por meio do movimento linear de avanço da rosca recíproca e bloqueio do contrafluxo pela ação do anel de bloqueio. 4. Recalque: finalizado o preenchimento das cavidades, a pressão nas mesmas é mantida até a solidificação completa dos pontos de injeção. Essa manutenção da pressão nas cavidades é conhecida como recalque, e se destina a compensar a contração da peça moldada durante seu resfriamento, evitando a ocorrência de defeitos de moldagem como os chamados rechupes e outras imperfeições, bem como perda de parâmetros dimensionais. 5. Resfriamento: finalizada a etapa de recalque, a peça é mantida no molde fechado para complementação de sua solidificação. Paralelamente à etapa de resfriamento sem aplicação de pressão na cavidade, o processo inicia um novo ciclo de dosagem de polímero para a próxima injeção. O resfriamento prossegue até que a peça moldada apresente resistência mecânica suficiente para poder ser retirada do molde sem sofrer deformações ou perda de parâmetros dimensionais. O estágio de resfriamento controla o ciclo total de injeção, já que é uma etapa de maior duração e dependerá da espessura do molde, da capacidade calorífica do material moldado e das propriedades desejadas para a peça. 6. Extração: encerrada a etapa de resfriamento o molde é aberto e a peça extraída por ação de extratores mecânicos ou, mais comumente, hidráulicos ou elétricos. Alguns produtos podem ser extraídos com o auxílio de ar comprimido ou pela simples interferência do operador da máquina injetora. O ciclo de moldagem é então reiniciado por um novo fechamento do molde e etapas posteriores. A Figura 21 apresenta o ciclo de injeção em uma máquina de rosca/pistão.

31 31 Figura 21 Ciclo de injeção em uma máquina de rosca/pistão (Arthur N. Wilkinson). FUNÇÃO DA ROSCA E DO MOLDE ROSCA: Fase de plastificação ou fusão A rosca de injeção opera como a de uma extrusora, fundindo e homogeneizando o polímero. O amolecimento ou fusão da massa polimérica ocorre devido à condução térmica do cilindro (mantas elétricas) e ao cisalhamento provocado pela rotação da rosca. As propriedades do polímero que é dosado na frente do parafuso têm efeito sobre as propriedades finais da peça. Entre estas propriedades pode-se citar: grau de homogeneidade (mistura dos aditivos ou cargas que compõem o polímero e uniformidade da temperatura da massa polimérica); viscosidade adequada para preencher o molde a uma determinada velocidade de injeção e ausência de degradação dos componentes da massa polimérica. Os parâmetros importantes na etapa de dosagem são: a temperatura do cilindro, a velocidade de rotação da rosca e a contrapressão da rosca. Maiores velocidades de rotação da rosca promovem maior cisalhamento e homogeneização

32 32 do polímero, porém com maior aumento da temperatura da massa polimérica, o que pode comprometer a estabilidade da mesma. O mesmo vale para a contrapressão da rosca, que nada mais é do que a pressão exercida na traseira da rosca de modo a dificultar seu recuo no momento da dosagem. Quanto maior a contrapressão, maior o cisalhamento e homogeneização do material, bem como maior a solicitação térmica do mesmo. Assim como na rosca de extrusão a rosca de injeção é dividida em três partes: 1. Zona de Alimentação esta zona é mais longa que a zona de alimentação de uma extrusora, isso ocorre porque durante o transporte de material ocorre o recuo da rosca para trás, encurtando gradativamente a zona de alimentação. Nesta região o polímero está na forma de grânulos ou pó e paulatinamente o material tem sua viscosidade diminuída. 2. Zona de Transição ou compressão Neste estágio o polímero passa do estado sólido para o fundido ou amolecido. A função desta zona é fundir o polímero, homogeneizar e misturar o material. A taxa de fusão ou amolecimento do polímero na rosca dependerá da capacidade de plastificação da rosca. A plastificação depende da troca de calor por condução, atrito (cisalhamento) e da razão de compressão da rosca. Uma alta razão de compressão significa rápida passagem do material do estado sólido para o fundido. 3. Zona de dosagem ou controle de vazão A função desta região é de estabilizar o fluxo e gerar pressões para trás para garantir a plastificação. Nesta zona o material deve estar devidadmente misturado e sua temperatura deve estar homogeneizada. No processo de injeção o controle da vazão pela rosca não é tão importante quanto no processo de extrusão. O polímero é dosado na frente da rosca, onde fica armazenado até o momento da injeção. MOLDE Após ser plastificado e homogeneizado pela rosca, o material amolecido ou fundido é empurrado para dentro do molde. O molde tem formato da peça desejada e normalmente está a temperaturas baixas para resfriar rapidamente o material polimérico. Para chegar até as cavidades do molde, o material flui através de canais,

33 33 passando pela bucha (canal de alimentação) e pelos canais de distribuição e ou alimentação. Na entrada da cavidade o polímero flui pelo ponto de injeção que é uma passagem estreita que separa o produto final do sistema de alimentação. Os moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) até US$ ,00 (moldes para peças automotivas). Tais custos são relacionados com aspectos como tolerância, acabamento, durabilidade e dimensões. Os moldes são fabricados com materiais de alta dureza e resistência à degradação por fricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço são alguns materiais usados. A Figura 22 ilustra um molde convencional de duas placas com canal frio usado para a produção de peças plásticas injetadas. Estes moldes apresentam duas partes, uma fixa e outra móvel. Quando a placa móvel se movimenta, aciona o sistema de extração e o conjunto injetado cai ou é retirado. O molde é constituído por diferentes partes funcionais, cada qual com as seguintes funções específicas, tais como: Sistema de canais é por onde o polímero flui até chegar na cavidade do molde. Este sistema deve apresentar um dimensionamento tal que o polímero consiga preencher adequadamente a cavidade do molde. Este sistema deve possuir pequena área superficial para evitar resfriamento rápido, diâmetros grandes para minimizar a resistência ao fluxo e não devem ser muito longos para reduzir tempos de resfriamento e perda de material (refugo). O sistema de canais é constituído de: (a) canal de injeção que liga o bico de injeção do canhão da injetora, (b) canal de alimentação/distribuição que devem ser o mais curto possível, utilizando assim menos material e menor tempo de fluxo, e (c) ponto de injeção que tem como funções de aumentar a velocidade de resfriamento em pontos localizados, aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidade do polímero para preencher o molde e facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.. Sistema de resfriamento é responsável por acelerar a solidificação e extração da peça. É importante ressaltar que o resfriamento do material deve ser dequado para evitar acúmulo de tensões residuais e empenamento da peça. Este resfriamento é obtido pela circulação de um líquido refrigerante através de canais específicos que envolvem a cavidade. Quando são injetados polímeros

34 34 semicristalinos, podem-se utilizar moldes quentes para permitir um maior crescimento de esferulitos ou para aliviar as tensões internas da peça. Sistema de fechamento do molde visa manter o molde fechado durante a injeção, evitando assim o vazamento de material. As pressões envolvidas são da ordem de 140 a 200 MPa. Sistema de extração da peça é responsável para garantir a fácil retirada dos moldados, sem que os mesmos sejam danificados. (A) (B) Figura 22 Molde de duas placas: a) molde fechado e b) molde abrindo. Observe que para este tipo de molde os canais de alimentação e injeção caem juntos com a peça, sendo posteriormente, necessário separar a peça dos canais. (Morton-Jones) Além do molde de duas placas existem os moldes de três placas, moldes com canais isolados e com canais quentes. Os moldes de três placas possuem três partes, sendo uma fixa, uma que flutua no centro com velocidade de abertura intermediária a uma outra placa que se movimenta com velocidade maior. Neste caso, os canais de alimentação e de distribuição são separados automaticamente das peças. A Figura 23 ilustra o molde de três placas.

35 35 Figura 23 Molde de três placas, as peças se separam dos canais de alimentação e injeção (galhos) no momento em que as placas se abrem. (Morton-Jones) Os moldes do tipo convencional com três ou duas placas apresentam o inconveniente de requerem remoção da parte do sistema de alimentação e injeção (galho). Com o objetivo de evitar perda excessiva de material, elimina-se estes canais. A eliminação destes canais pode ser feita através da injeção direta, em que o polímero entra diretamente no bico de injeção para dentro do molde, ou através da injeção com câmara quente. Neste caso, o polímero flui através dos canais quentes, não resfriando e entrando n a cavidade final, com propriedades reológicas e térmicas controladas. No sistema de canal quente todo sistema de alimentação ou parte dele é mantido aquecido de forma que o material permaneça preparado para entrar no molde no próximo ciclo de injeção. As vantagens deste tipo de molde são: ciclo mais rápido, redução de perda de refugos, eliminação de separação da peça e maior qualidade do injetado. Entretanto, estes moldes requerem um ferramental mais sofisticado, o que torna o custo do equipamento maior. FASE DE CONFORMAÇÃO No processo de injeção, a conformação do material na cavidade do molde pode ser dividida em três etapas: 1 Fase de preenchimento do molde: nesta fase o polímero é empurrado para as cavidades do molde, preenchendo. O material ainda está quente e completamente expandido. Isto significa que após seu resfriamento o polímero irá encolher. Nesta etapa há envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessária para preencher totalmente o molde.

36 36 2 Fase de pressurização ou compactação: como a densidade do polímero está aumentando, devido à diminuição do volume provocado pelo resfriamento, é necessário forçar mais material para dentro do molde para que a peça mantenha um volume constante. Normalmente, a pressão de injeção nesta fase é máxima e é enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento. 3 Fase de recalque ou compensação: nesta etapa ocorre envio restante de polímero, se necessário para compensar a contração de material. Além disso, a massa polimérica é mantida sob pressão dentro do molde para que não ocorra retorno de material. O comportamento do material durante o processo de preenchimento do molde pode ser melhor entendido pelas curvas de pressão em função do tempo, conforme observada pela Figura 24. A partir desta figura pode-se observar que durante as fases de preenchimento, pressurização e recalque ocorrem importantes transformações. O ponto de comutação ou pressão de comutação é quando ocorre a mudança da pressão de pressurização para a pressão de recalque. Normalmente a alteração do volume específico, contração de moldagem e tensões residuais são determinadas pela fase de recalque. Segundo Birley, a seqüência do processo pode ser descrita como: 1 a 2 Fase de Preenchimento o preenchimento de material no molde gera um aumento da pressão que é acompanhado pelo resfriamento do material até que a fase de preenchimento seja completada. Nesta etapa ocorrem maiores velocidades do fluido. A taxa de cisalhamento alcança valores de 10 4 s -1. A velocidade de injeção deve ser alta para não ocorrer o resfriamento e preenchimento incompleto de material no molde. Os tempos de injeção de peças pequenas são da ordem de 1 a 2 s, dependendo do material e da velocidade de injeção aplicada. Alta pressão de injeção implica no aumento da orientação molecular das cadeias poliméricas. Se a massa polimérica for resfriada antes da recuperação elástica, as moléculas podem permanecer estiradas e tencionadas. Caso existir assimetria da distribuição destas orientações gera-se tensão residual que pode causar falha pré-matura das peças. A orientação molecular pode ser desejada caso o seu controle seja possível. Alguns benefícios gerados pela orientação molecular podem ser explorados como:

37 37 resistência à tração e fluência na direção da orientação. Orientação não controlada ou assimétrica pode causar empenamento da peça. 2 a 3 Fase de Pressurização após o preenchimento volumétrico, mais massa entra no molde, entretanto com menor velocidade em relação à fase anterior. O polímero sofre uma compactação dentro da cavidade, com o objetivo de compensar seu encolhimento. Esta fase é acompanhada por um aumento de pressão repentina dentro do molde e atinge-se a pressão máxima de injeção. O ponto de comutação é a região em que a fase de pressurização é finalizada e inicia-se a fase de recalque. Quanto maior for a pressão mais massa entra no molde e maior será a compactação das moléculas poliméricas. A fase de pressurização pode ser considerada como se fosse uma continuação da etapa de preenchimento (pressão de injeção) e da fase de recalque (pressão de recalque). 3 a 4 Fase de Recalque durante a solidificação ocorre a contração da peça em virtude da diminuição da temperatura da massa polimérica. Esta contração é compensada pela introdução de mais material dentro do molde. A pressão de recalque deve ser adequada para manter as cavidades do molde sempre cheias durante a contração. Após tingir o ponto de comutação ocorre uma queda de pressão na cavidade, isto ocorre pois quando as regiões vizinhas ao ponto de injeção solidificarem, nenhuma quantidade adicional de polímero poderá entrar na cavidade para compensar a contração da peça. O controle do peso da peça é uma forma de monitorar o encolhimento da mesma. Quanto mais material entrar no molde durante a pressurização e o recalque, mais densa ficará a peça e menor será sua tendência de encolhimento. A maior parte das tensões internas do polímero injetado densidade, massa, contração de moldagem ocorre na fase de recalque. O ponto 4 é de extrema importância para a contração e conseqüentemente para as dimensões finais da peça, sendo que neste ponto a peça começa a perder o contato com as paredes da cavidade. 4 a 6 Fase de resfriamento após o término da fase de recalque a pressão e a temperatura da peça é continuamente diminuída, nesta fase ocorre o maior encolhimento da peça. De 5 a 6 a peça moldada é extraída da cavidade e continua a resfriar à temperatura ambiente. Normalmente a peça moldada termina de contrair

38 38 após atingir o ponto 6 (temperatura ambiente), porém pode ocorrer um considerável encolhimento pós-prensagem (que pode ocorrer após 24 horas de extração), principalmente para polímeros semicristalinos. Figura 24 Curva de P x t ilustrando as fases de preenchimento e resfriamento do material no molde (Arthur N. Wilkinson). FATORES QUE QUE AFETAM AS PROPRIEDADES DO PRODUTO FINAL As condições de processamento influenciam diretamente a estrutura do material, como por exemplo: orientação molecular, grau de cristalinidade, distribuição e forma dos cristais e tensões. A estrutura do material, por sua vez, irá influenciar as propriedades finais do produto, tais como: propriedades mecânicas óticas, elétricas e acabamento superficial, além do surgimento de defeitos, como rechupes, empenamentos, bolhas e outros. Desta maneira, o controle das condições de processamento é que irá garantir a qualidade e a reprodutibilidade das propriedades finais da peça. Dentre as principais variáveis do processo de injeção destacam-se: Temperatura da massa é a temperatura do material durante o processo. O efeito da temperatura da massa nas propriedades mecânicas, tensões internas e no peso

39 39 da peça é bastante significativo. Temperaturas baixas de processo geram uma queda mais acentuada na temperatura ao longo do canal de injeção no molde, resultando em baixas pressões para que o material seja empacotado dentro da cavidade. Como conseqüência, obtém-se peças com baixo peso. O aumento de alguns graus na temperatura da massa durante o processo pode ocorrer mudanças significativas nas propriedades do produto final, como por exemplo: diminuição das tensões internas e orientação das moléculas do material injetado. O aumento gradativo da temperatura gera uma diminuição da viscosidade do material e a transmissão da pressão ao longo do canal aumenta sensivelmente, permitindo um maior empacotamento da massa polimérica na cavidade, além de reduzir o rechupe da peça (aumento do peso do produto final). Lembrando-se de que a temperatura do processo não deve ultrapassar a temperatura de degradação do material polimérico. Deve-se ressaltar que para alguns polímeros, como por exemplo: o PVC é um material sensível à mudanças de temperatura. Desta maneira, para estes materiais o controle rigoroso do processo de injeção é de extrema importância para obter produtos com boa qualidade. Tempo de preenchimento do molde está relacionado com a velocidade de injeção do material para preenchimento do molde. Os diferentes perfis de velocidade formados durante o preenchimento geram diferenças na orientação molecular ao longo da espessura da cavidade como pode ser observado na Figura 25. As moléculas durante a fase de preenchimento são alinhadas no sentido do fluxo e a orientação é maior onde ocorre maior taxa de cisalhamento e taxa de resfriamento responsável pelo congelamento das moléculas. A tensão de cisalhamento é zero no centro do perfil de fluxo e máxima nas paredes do molde e é responsável pela orientação molecular durante o fluxo. A viscosidade do polímero varia devido ao gradiente de temperatura e taxa de cisalhamento. Desta maneira é de se esperar que ao longo da espessura existam diferentes viscosidades do fundido e mudanças de orientações moleculares. Velocidades de injeção muito altas geram taxas de cisalhamento elevadas, necessitando de altas pressões de injeção para o total preenchimento da cavidade do molde. O abaixamento da velocidade de injeção resulta em menor taxa de cisalhamento, entretanto a temperatura do fundido diminui devido à troca de calor mais rápida por condução. Como resultado deve-se também aumentar a pressão de injeção para o completo preenchimento de material nas

40 40 cavidades do molde. Para uma pressão de injeção fixa, o molde é preenchido mais rapidamente quando a temperatura da massa é mais alta. Figura 25 Moléculas orientadas no sentido do fluxo. Gera-se gradiente de temperatura, taxa de cisalhamento e viscosidade ao longo da espessura. Temperatura do molde - A temperatura do molde exerce influência no ciclo de resfriamento, orientação molecular e no grau de cristalinidade do polímero. A orientação molecular provocada pela tensão de cisalhamento pode ser recuperada antes do resfriamento total do polímero, assim que cessa o fluxo. Isto é possível e depende da troca de calor entre o polímero e o molde. Se o resfriamento for lento, as moléculas têm tempo para recuperar a deformação sofrida. Caso o resfriamento seja brusco e o polímero fique sob tensão, as moléculas não desorientam, permanecendo orientadas. Desta maneira o controle da temperatura do molde irá influenciar o nível de orientação molecular e taxa de cristalização para polímeros semicristalinos. Moldes com paredes quentes resultam em menor orientação molecular e menores tensões residuais, pois as moléculas do polímero têm tempo para recuperarem suas deformações impostas pelo fluxo. A cristalização normalmente inicia-se da parede do molde para o centro do material. O tamanho, número e perfeição dos cristais variam ao longo da espessura da peça, gerando um material anisotrópico. Em algumas situações a variação de cristalinidade no material pode gerar tensões internas que podem causar falhas - pré-matura do produto final. Alguns polímeros são injetados com agentes nucleantes para favorecer a formação de cristais mais uniformes e de tamanhos controlados. Tempo e pressão de recalque a maior parte das tensões internas do polímero injetado ocorre na fase de recalque. Desta maneira deve-se estabelecer parâmetros que minimizem as tensões no moldado. Quanto maior o tempo e maiores as

41 41 pressões de recalque, mais tensionada a peça ficará. Portanto, procura-se trabalhar com tempos pequenos e menores valores de recalque sempre inferior à pressão de injeção. 2.4 MOLDAGEM POR SOPRO Termoplásticos podem ser moldados pelo processo de sopro na forma de uma infinidade de produtos ocos, tais como garrafas e frascos de embalagens. O processo consiste basicamente na expansão de uma pré-forma aquecida, por meio ar comprimido e forçando-a assumir o formato do molde. Uma vez resfriado o produto é extraído do molde e tem início um novo ciclo de moldagem. Existem duas variações para a técnica de sopro: extrusão e injeção. Molgagem por sopro via extrusão Nos processos mais comuns de moldagem por sopro, utiliza-se uma extrusora que opera constantemente plastificando e homogeneizando o material que alimenta a matriz. A partir deste processo produz-se um tubo que é denominado de parison e/ou núcleo extrudado. Após atingir um comprimento adequado, o molde se fecha, prendendo o parison. Uma vez aprisionado, o núcleo previamente aquecido é expandido no interior do molde oco bipartido por meio da injeção de ar comprimido. Após adquirir a forma do molde o produto final é resfriado e extraído do molde. A Figura 26 ilustra a produção do de moldagem por sopro via extrusão. Figura 26 Representação esquemática do processo de sopro via extrusão. Adaptado de Blass (1988).

42 42 O controle da espessura do parison é de extrema importância, pois este permite a produção de peças com paredes uniformes. Produtos com maior resistência mecânica podem ser obtidos pelo processo de moldagem a sopro com estiramento, também conhecido como sopro orientado, conforme ilustrado na Figura 27. Neste processo pode-se conseguir maior grau de orientação molecular no sentido longitudinal da peça, o que permite produtos de menores espessuras sem perda de propriedades mecânicas, tais como: resistência ao impacto, resistência à compressão, aumento de rigidez, redução de permeabilidade a gases e vapores. A redução de espessura da parede do produto resulta na diminuição do seu custo e obtenção de ciclos de moldagem mais curtos. Figura 27 Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a) extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d) estiramento, sopro e resfriamento e (e) extração.

43 43 Moldagem por sopro via injeção Neste processo o parison é moldado por injeção e posteriormente soprado, com ou sem a utilização do recurso de estiramento. Existem equipamentos que sopram o frasco imediatamente após injeção do núcleo injetado, conforme ilustrado na Figura 28. Estes equipamentos são conhecidos como de estágio único. É possível realizar a injeção das pré-formas separadamente e armazená-las para serem, posteriormente, sopradas. As vantagens da moldagem por sopro via injeção sobre a via extrusão são: melhores qualidades, peso constante e maior precisão dimensional da peça. Desvantagens: maior custo, limitações no formato da peça em função da capacidade de estiramento e dificuldades de produção de frascos com alças. A Figura 29 ilustra o processo de sopro da pré-forma obtida por via injeção. Figura 28 Representação do processo de sopro via injeção em máquinas que sopram o frasco logo após a injeção da pré-forma.

44 44 Figura 29 Ilustração do processo de moldagem por sopro via injeção: (1) injeção do parison, (2) transporte e aquecimento do núcleo injetado, (3) sopro do parison, (5) resfriamento e extração do produto final. 2.5 MOLDAGEM POR COMPRESSÃO A moldagem por compressão é um processo antigo e mais adequado para o processamento de materiais termofixos, embora seja aplicado, também, em situações particulares, para termoplásticos. A moldagem por compressão é realizada normalmente em prensas hidráulicas. O molde, em duas partes (macho e fêmea) é montado em uma prensa e aquecido até uma temperatura que depende das características do material a ser moldado. A prensa e os moldes usados no processo de compressão estão ilustrados na Figura 30. A primeira etapa do processo consiste em depositar o material, que pode estar na forma de pellets, pó, esferas ou pré-forma, na cavidade inferior do molde aberto. Após a etapa de alimentação, a prensa é, então acionada lentamente, de maneira que o molde é fechado, juntamente com o material a uma pressão e temperatura pré-estabelecidas. No caso da moldagem por compressão de polímeros termofixos, o material permanece com o molde fechado até o tempo de cura. Para

45 45 polímeros termoplásticos, o molde deve permanecer fechado até que todo o material esteja totalmente amolecido (para polímeros amorfos) ou fundido (para polímeros semi-cristalinos). Passado um tempo de permanência do material, o molde é então aberto, e o moldado é extraído, na operação conhecida como desmoldagem. A seqüência do processo de compressão, também denominado de ciclo de moldagem, pode ser realizada de forma manual, automática ou semi-automática. No caso da moldagem manual, o carregamento, extração, acionamento de compressão e descompressão são feitos manualmente. A automação é justificada em termos de diminuição do tempo de moldagem, da qualidade do moldado e da diminuição ou eliminação de mão-de-obra. No caso de moldagem por compressão semiautomática, os movimentos de fechamento, abertura e extração da peça passam a ser controlados pela prensa. Cabe ao operador alimentar a prensa com o material e realizar operações simples como regular a pressão, tempo e temperatura da prensa, retirar o moldado e limpá-lo. Já para peças com pequenas dimensões pode-se automatizar todo o processo de moldagem por compressão, através de prensas desenvolvidas especialmente para este fim. Figura 30 Prensa e moldes usados no processo de compressão.

46 MOLDAGEM POR TRANSFERÊNCIA O processo de moldagem por transferência é também aplicado aos polímeros termorígidos e pouco empregado aos termoplásticos. Esta técnica é muito similar com o processo de injeção em que consiste basicamente em forçar o material termofixo, por meio de um êmbolo. O material é armazenado em uma câmara de alimentação, este é então empurrado por um êmbolo que o encaminha através de canais de alimentação até a cavidade do molde pré-aquecido. A pressão imposta ao material depende de sua viscosidade e das dimensões da seção transversal do canal de alimentação. A transferência do material da câmara de alimentação até a cavidade do molde tem início quando o polímero atinge sua fluidez máxima. A Figura 31 apresenta um esquema ilustrativo do processo de transferência da resina, aramazenada na câmara ou panela de alimentação, por meio de um canal de alimentação até a cavidade do molde. Figura 31 Representação do sistema de alimentação e transferência usado no processo de moldagem por transferência. (Adaptado de Arno Blass). A Figura 32 apresenta o ciclo de moldagem por transferência. No estágio 1 o polímero, em forma de pó ou resina com agente de cura é adicionado em uma câmara de armazenamento. No segundo estágio, a prensa é fechada a uma velocidade e pressão pré-estabelecida. O êmbolo empurra o polímero até a cavidade do molde. No terceiro estágio o êmbolo recua e o molde é mantido fechado a uma pressão e tempo determinado. No terceiro estágio a prensa é aberta e o produto final é extraído.

47 47 Figura 32 Ilustração dos estágios do ciclo de moldagem por transferência. Adaptado de Blass. Referências Bibliográficas: Arno Blass, Processamento de Polímeros, Universidade Federal de Santa Catarina, editora da UFSC, 2 edição, Florianópolis,(1988). Antonio Rodolfo Jr., Luciano Rodrigues Nunes, Wagner Ormanji, Tecnologia do PVC, BRASKEN, (2002). Morton-Jones, D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, Oswald, T. A. Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser Publishers, Arthur N. Wilkinson, Anthony J. Ryan Polymer Processing and Structure Development, Kluwer Academic Publishers, 1999.