EXTRUSÃO DE TERMOPlÁSTICOS
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- Sophia Barbosa Viveiros
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1 EXTRUSÃO DE TERMOPlÁSTICOS Fundação Santo André FSA Engenharia de Materiais 6 0 semestre Profa. Dra. Sandra A. Cruz
2 Extrusão Extrusora -Um dos processos mais utilizados -Reator Pó Extrusora pellets ou grânulos. - Desde a antiguidade o princípio de extrusão já era utilizado.
3 Produtos plásticos feitos por extrusão -Filmes plásticos -Canos e tubos para transporte de água, gás, combustível, etc. -Isolantes de fios e cabos elétricos -Filamentos para fabricação de linhas de pesca, escova de dente, de cabelo, etc. -Recobrimento de papel (filmes e folhas) para a fabricação de embalagens para alimentos (Tetrapack). -Chapas de plástico para posterior termoformagem, etc.
4 Princípios Gerais e Componentes de uma extrusora monorosca -Processo contínuo -Material é alimentado na forma de grânulos (ou pó). Função de uma extrusora: 1) Transformar o polímero em produto plástico 2) Plastificação (fusão) do polímero: - resistências elétricas - cisalhamento
5 Princípios Gerais e Componentes de uma extrusora monorosca 3) Mistura e homogeneização Exemplo: Blendas Composto 4) Bombeamento do material sob pressão até a matriz. 5) Conformação do polímero pela sua passagem sob pressão através da matriz PRODUTO
6 Componentes de uma extrusora
7 Componentes de uma extrusora 1) Mancal de Apoio - fixar a rosca mantendo-a centralizada - para empurrar o material para frente é necessário criar uma pressão do fundido. A pressão criada empurra a rosca para trás tendendo a esmagá-la contra o rolamento. - a pressão de 2000 psi utilizada em um processo de extrusão (50 mm) causa uma força de recuo na rosca de 3 toneladas.
8 Componentes de uma extrusora 2) Barril / canhão / cilindro Diversos tipos de aço (85:50) desgaste: abrasão e corrosão, pressão. Superfície interna (Nitretação ou bimetálico) Diâmetros internos típicos: 1; 1,5; 2; 2,5; 3,5; 4,5 e 6 in) Comprimento do cilindro (L): comprimento da rosca L/D: característica da extrusora Mais comuns de L/D = 24, 30, 32 e 36. Alto L/D- podem indicar boas capacidades de mistura e fusão de polímeros Relação L/D determina a superfície interna disponível para transmissão de calor para a fusão do material
9 Materiais mais comum para a fabricação do barril Liga aço 85:50 (mais comum) Ligas tipo Nitraloy 135 M nitretação com íons formação de uma camada protetora contra corrosão e abrasão. Dureza de 55 a 72 Rockwell C Resistência a tração de 360 a 600MPa. Ligas de Xaloy 800 constituídas de 25% ou mais partículas de carbeto de tungstênio. Ligas de Xaloy X-102
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11 Recondicionamento do barril: -Brunimento As dimensões retiradas do barril devem ser introduzidas na rosca. Exemplo: Retirada de 1 mm do diâmetro interno do barril, colocar 1 mm no filete da rosca. Altera a taxa de compressão: Exemplo: RC = h i /h f Antes: hi=24,5 e hf=7 (RC=3,5) Depois: hi = 25 e hf=7,5 (RC=3,3)
12 Componentes de uma extrusora 3) Motor e Caixa de engrenagens - Motor elétrico (220, 380 e 440 V) - velocidade da rosca vazão (normalmente) - Alteração da velocidade da rosca (60 a 150 rpm) usar um motor de velocidade ajustável (CC). usar um motor de velocidade constante acoplado a um sistema mecânico de alteração de velocidade (antigo). usar um inversor de freqüência
13 Componentes de uma extrusora 4) Funil e Goela Funil é onde ocorre a alimentação do material por gravidade. Alimentação: - por afogamento ou inundação (nível cte) - contínua: o funil não permanece cheio mas existe um sistema de alimentação ou dosagem composto por calhas vibratórias, esteiras de transporte ou roscas sem fim que alimentam a extrusora à taxas constantes e programáveis (Ex: Dupla rosca)
14 Componentes de uma extrusora Goela é um furo feito na parede do canhão que possibilita a passagem do material do funil para dentro do barril. O tamanho da goela deve ser a pelo menos o Ø interno do canhão. RESFRIAMENTO
15 Componentes de uma extrusora 5- Sistemas de aquecimento e resfriamento Resistências elétricas Montadas externamente ao barril-pode-se ter cobertura para minimizar a troca de calor para o ambiente. Zonas de aquecimento. Vapor Semelhante ao aquecimento por fluidos É o método mais antigo e o menos usado Distribuição de calor é lenta Fluidos (óleo) Óleo aquecido circulando por camisas que envolvem cilindro ou em serpentinas na canaletas do cilindro que acomodam tubos de cobre Mais caro mas controle mais preciso. Usado em alguns equipamentos de grande porte Controle pode ser individual e a refrigeração é no tanque de óleo referente a cada zona e não no cilindro
16 Componentes de uma extrusora 6) Placa de Quebra Fluxo ou Crivo Disco de aço com orifícios de diâmetro de 3 a 5 mm sem pontos de estagnação Funções: - Aumentar a pressão de contra-fluxo - Homogeneizar a massa viscosa - Quebrar fluxo rotacional - Segurar as telas
17 Tela - consiste em uma malha metálica disponível em vários tamanhos de furos (ou mash) que agem como filtros para retirar do material fundido partículas de material não plastificado e outros tipos de impurezas. - em geral aumentam a contra-pressão dependendo do seu tamanho. - extrusoras mais modernas possuem sistemas de troca telas.
18 Trocador de telas Previne descontinuidade e garante troca rápida da tela
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20 Troca tela contínuo
21 Componentes de uma extrusora 7) Rosca de Extrusão PARAFUSO ARQUIMEDEANO Concebido por Arquimedes para transporte de matérias que teriam um escoamento entre os filetes do parafuso menor que o transporte desta matéria, usado até hoje para transporte de água
22 Monorosca de Extrusão - Parte móvel - Velocidades típicas entre 30 e 150 rpm. - Função: transportar e plastificar o material. Baixa condutividade térmica e alta viscosidade - Deve ser projetada para: máxima eficiência, Q cte, durabilidade, plastificação e homogeneização adequadas. Sem danos ao polímeros Projetos específicos
23 Monorosca de Extrusão - padrão alimentação compressão dosagem Zona de alimentação (responsável pelo transporte) O aquecimento é menor e em geral há resfriamento nesta região A altura do filete é maior sendo o material apenas transportado devido ao pequeno aquecimento Z. Wei Polymer Extrusion 23
24 Zona de compressão (responsável pela fusão) Redução gradual da altura do filete Extensão desta região depende do polímero Fusão: temperatura, pressão e cisalhamento Ar é expulso e polímero é entregue à zona de dosagem Zona de dosagem ou controle de vazão (responsável pela finalização da homogeneização e pelo fluxo uniforme) Objetivo é homogeneizar o polímero no estado viscoso e entregá-lo à matriz com vazão e pressão constante Fundir eventuais partículas
25 7) Rosca de Extrusão A) Teoria de fluxo para a monorosca + = Fluxo de Arraste Fluxo de contrapressão Fluxo resultante
26 7) Rosca de Extrusão Modelo de fusão entre filetes da rosca: turbilhonamento para otimizar distribuição dos pellets e garantir contato com paredes para fusão
27 7) Rosca de Extrusão barril filete Normalmente não há vazamento mas pode ocorrer desgaste no maquinário Qtotal = Qd - Qp - Qe arraste pressão escape
28 7) Rosca de Extrusão Vazão: Q = b h 0 Vdy b largura do canal da rosca h profundidade do canal x y z Q = Q arraste Q contra pressão Q = bv 2 b h 3 bh dp 12η dz Q πdn = cosθbh 2 3 bh dp 12η dz
29 7) Rosca de Extrusão B) Parâmetros que afetam a geração de pressão e o perfil de velocidades ao longo do cilindro e rosca Dependência do perfil de pressão: - Matriz e crivo - Forma de alimentação - Atrito rosca material e paredes do cilindro (região do funil) - Temperatura e viscosidade do fundido
30 Q A < Q B < Q C < Q D
31 7) Rosca de Extrusão C) Homogeneização e plastificação nos canais da rosca Convivência fase sólida / fase líquida: Taxa de cisalhamento/ T das zonas, gradiente de P e tipo de polímero
32 7) Rosca de Extrusão Formação???
33 7) Rosca de Extrusão
34 7) Rosca de Extrusão Variação na formação do fundido passo a passo da rosca
35 7) Rosca de Extrusão
36 7) Rosca de Extrusão Zonas de compressão longas: - tempo de residência - convivência sólido/líquido - cisalhamento - poder de mistura Zonas de compressão curtas: - cisalhamento (+ e -) - Ideal: materiais de baixa viscosidade e Tm brusco
37 7) Rosca de Extrusão Profundidade (h) h Q γ T mistura Razão de compressão (RC) RC aprisionamento de ar RC atrito L/D (comprimento/diâmetro) L/D tempo de residência mistura
38 7) Rosca de Extrusão Eficiência da plastificação diferentes tipos de roscas: - Tipo de polímero - Formato da matéria-prima - Densidade aparente - Aditivos presentes N Q Eficiência de plastificação γ T η
39 7) Rosca de Extrusão Para EP e ao mesmo tempo Q roscas com misturadores e cisalhadores intensivos Garantem a qualidade do extrudado dentro do limite superior de produditividade Ajudam a aumentar a eficiência de fusão
40 Mono rosca padrão Comprimento da rosca: 20 D a 30 D Comprimento da zona de alimentação: 4 D a 8 D Comprimento da zona de dosagem: 6 D a 10 D Passo: 1 D (ângulo do filete ~17.66 o ) Largura real do filete: 0.1 D Altura do canal na zona de alimentação (h i ): 0.10 D a 0.15 D Altura do canal na zona de dosagem (h f ): 0.03 D a 0.06 D Taxa de compressão (RC): 2 a 4 Z. Wei Polymer Extrusion 40
41 Componentes de uma extrusora 8) Matriz e Cabeçote Cabeçote é o ferramental que fica após a rosca. Matriz é a extremidade final do cabeçote que tem como função dar forma à massa polimérica
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45 Cabeçote/Matriz
46 8) Matriz e Cabeçote Transporte no cabeçote da matriz Ocorre por diferença de pressão Elevação de pressão: - Geometria da rosca - Rotação e Temperatura - Coeficiente de atrito - Canais estritos - Propriedades reológicas - Grelhas e telas
47 8) Matriz e Cabeçote Orifício pressão vazão cte
48 8) Matriz e Cabeçote
49 8) Matriz e Cabeçote a) Transporte no cabeçote da extrusora dz dp bh bh DN Q η θ π 12 2 cos 3 = η β α P N Q = Constante geométrica da rosca η M M P K Q = η η β α M M T P K P N Q Q = = =
50 8) Matriz e Cabeçote Q T = Q M = αn P β = η K P η M
51 Componentes de uma extrusora 9) Degasagem - Alguns produtos plásticos liberam gases quando aquecidos São equipados com um ou mais orifícios (3/4 L) no cilindro a partir do qual os voláteis, por diferença de pressão ou vácuo podem ser extraídos. Os orifícios podem ser utilizados também para a adição de componentes como aditivos, cargas, componentes reativos, etc
52 Extrusora com degasagem Z. Wei Polymer Extrusion 52
53 Extrusora com degasagem Extrusoras com degasagem são usadas para extrair voláteis de polímeros de uma maneira continua. São equipadas de um ou mais orifícios pelos quais os voláteis podem escapar. Duas importantes condições para o polímero sob a saída de degasagem são pressão zero e o material estar completamente fundido. Aplicações: Z. Wei Polymer Extrusion 53
54 Componentes de uma extrusora 6) Quebra fluxo 2) Cilindro 4) Funil e goela 1) Mancal 7) Rosca 8) Cabeçote e matriz 5) Sistemas de aquecimento 3) Motor e caixa de engrenagens
Extrusão Princípios de Funcionamento
1) Taxa de Compressão (RC) -Descrição da rosca de acordo com a taxa de compressão (baixa ou alta taxa de compressão). RC = h i / h f RC = 2 corresponde a baixa taxa de compressão RC = 4 corresponde a alta
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