Processos de transformação de polímeros e controle de qualidade

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1 Processos de transformação de polímeros e controle de qualidade Prof. Germán Ayala Valencia Acondicionamento e Embalagem para Alimentos Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 2018

2 Conteúdo Principais polímeros termoplásticos utilizados para embalagens em alimentos. Métodos de processamento dos polímeros termoplásticos (extrusão, termoformação, injeção, extrusão-sopro e injeção-sopro). Controle de qualidade das embalagens plásticas.

3 Principais polímeros termoplásticos Polietileno (PE) Termoplástico amplamente utilizado como material de embalagem, sendo obtido pela polimerização do eteno. Baseado na estrutura molecular, o polietileno pode-se apresentar linear ou ramificado. As ramificações influenciam a densidade aparente do polímero de tal modo que existem polietilenos de alta, media e baixa densidade.

4 Algumas propriedades do polietileno (PE) Características PEBD PEMD PEAD Cristalinidade (%) Densidade (g/cm 3 ) Temperatura de fusão ( C) Módulo elástico (Pa) Esforço de ruptura (N) 0,910 0,925 0,926 0,941 0,

5 Polietileno Um dos polímeros mais utilizados. Bom equilíbrio entre as resistências a tração, impacto e rasgamento. Bom desempenho a baixas temperaturas. Baixa permeabilidade ao vapor de água Alta permeabilidade a gases. Alta permeabilidade a óleos e gorduras. Excelente resistência química (ácidos, bases, soluções inorgânicas). Inerte. Boa termossoldabilidade. Transparente. Ótimo desempenho em equipamentos de transformação.

6 Sacos de maneira geral (grãos, sal, açúcar, produtos de panificação, leite pasteurizado), potes e frascos (sorvete, mostarda) PEBD. Produtos desidratados (temperos) PEAD.

7 Polipropileno (PP) Termoplástico bastante comum. Dependendo da distribuição do radical metila na cadeia polimérica, pode-se obter três tipos de polipropileno (PP): Atático ou heterotático (grupo metila posicionado de forma aleatória na cadeia polimérica). Isotático (grupo metila posicionado no mesmo lado da cadeia polimérica). Sindiotático (grupo metila posicionado de forma alternada na cadeia polimérica).

8 Polipropileno (PP) Cristalinidade

9 Polipropileno (PP) 3 Densidade: 0,9 g/cm (material muito leve). Alto ponto de fusão (160 C). Transparente. Baixa resistência mecânica a baixas temperaturas. Baixa permeabilidade à umidade. Alta permeabilidade a gases. Baixa permeabilidade a gorduras. Fácil termossoldagem. Embalagens de doces.

10 Pesquisar: processo de produção do polipropileno biorientado (BOPP) e suas propriedades.

11 Poliestireno (PS) Termoplástico mais barato na sua produção. Baixo ponto de fusão (88 C). Pobres propriedades de barreira à umidade, gases e gorduras. Transparente. Boas propriedades mecânicas. Aplicações: copos descartáveis, copos para iogurtes, bandejas descartáveis e outros, embalagens de sorvete.

12 Policloreto de vinila (PCV) Fácil processabilidade (termoformação e sopro). Baixa permeabilidade a gases e ao vapor de água. Excelente transparência e brilho. Baixa resistência ao impacto (uso de modificadores de impacto). Baixa permeabilidade a óleos e gorduras. Resiste a produtos químicos. Alta resistência térmica (ponto de fusão 180ºC). Alta toxicidade do monômero (1 mg/kg). Embalagem de produtos cárneos e prontos para consumo.

13 Polietileno tereftalato (PET) Termoplástico mais utilizado como material de embalagem flexível. Excelentes propriedades mecânicas (espessura entre μm). Excelentes propriedades de barreira à umidade, gases e gorduras. Transparente. Ampla faixa de estabilidade térmica (-40 até 220 C). Caro.

14 Aplicações em garrafas para bebidas carbonatadas e óleos, assim como em diversas embalagens de produtos cárneos, café, biscoitos, etc.

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16 Métodos de produção dos materiais à base de polímeros termoplásticos Os polímeros termoplásticos são obtidos como pellets. Os pellets podem ser transformados através de: Extrusão. Termoformação. Injeção. Extrusão-sopro Injeção-sopro.

17 Extrusão Uma extrusora consiste essencialmente de um cilindro em cujo interior gira um parafuso (rosca sem-fim), que promove o transporte do material plástico. Fator crítico?

18 No processo de extrusão, os pellets (plástico) são submetidos a elevadas temperaturas e pressões na extrusora, promovendo sua fusão. O material plástico sai da extrusora em forma de filme ou de chapa plástica com dimensões que dependem da matriz (extrusão tubular e plana). Pode ser de matriz tubular para obtenção de sacos plásticos e de matriz plana para a obtenção de filmes e chapas.

19 Extrusão Cabeçote? Tubular Plana

20 Extrusão tubular (sacolas)

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22 Extrusão plana

23 Coextrusão (laminação) Processo pelo qual se consegue extrusar múltiplas camadas possibilitando a soma de propriedades Propriedades do adesivo?

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25 Termoformação Este processo consiste em aquecer uma chapa plana previamente extrusada até a temperatura de amolecimento do termoplástico, para ser introduzida em molde refrigerado multicavidades, onde ação de ar comprimido e vácuo, ocorrera a formação do produto. O produto e, então, resfriado, cortado, extraído e empilhado. Método de processamento econômico, porém a perda de material é muito elevada. Processa poucas peças por minuto.

26 Termoformação

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28 Termoformação Copos, potes, bandejas e recipientes baixos e de boca larga.

29 Injeção O polímero fundido numa injetora é forçado a entrar num molde. Em seguida, o polímero é resfriado e retirado do molde. A rosca da injetora pode-se deslocar (injetar). A injeção e usada para fabricação de tampas, copos e bandejas.

30 Injeção A injeção é o processo mais utilizado na fabricação de termoplásticos, quando produzidos em alta escala, pela facilidade de automação, baixo custo de mão de obra operacional. Suas desvantagens se encontram no elevado custo dos moldes.

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32 Extrusão-sopro Este processo é usado para moldar garrafas. O polímero fundido na extrusora passa por uma matriz e adquire a forma de um tubo vertical denominado parison. Este entra num molde onde através de um sopro de ar comprimido e forcado contra as paredes e adquire a forma final.

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34 Injeção-sopro Este processo também é usado para moldar garrafas. O processo é idêntico ao de extrusão sopro, mas com a injeção de uma gota na préforma, em vez de ser extrusada. A pré-forma já tem o gargalo moldado, e só o corpo é soprado para a sua forma final num segundo molde

35 Aditivos compostos utilizados para modificar as propriedades físicas e químicas dos polímeros (cor, temperatura de fusão, rigidez). Plastificante: é um aditivo de baixa massa molecular utilizado para tornar o material menos rígido (aumenta o volume livre do polímero). Ex.: glicerol, sorbitol.

36 Como reconhecer o tipo de polímero utilizado em cada produto?

37 Controle de qualidade Determinação da espessura (método direto ou gravimétrico). Gramatura (relaciona com a resistência do material). Identificação de materiais: a determinação pode ser feita por ensaios simples (método químico), baseado na queima ou na solubilização em determinado solvente, ou por espectroscopia na região do infravermelho. Micrômetro digital ( 0,001 mm).

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41 Identificação por espectro de absorção em infravermelho

42 Propriedades mecânicas (tração) Estão relacionadas com a maquinabilidade do material e com o desempenho mecânico da embalagem. Estão relacionadas com a resistência de um material a se alongar, deformar ou se romper quando submetido a forças de tração que ocorrem em processos de transformação como conversão, impressão, laminação e manuseio da embalagem. Importância?

43 Resistência à tração Aula prática

44 Em alguns casos, a força máxima pode ser igual à força de ruptura=força do Yield point.

45 Propriedades mecânicas: tração Orientação do filme?

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47 Importância? - Propriedades mecânicas: perfuração.

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49 -Propriedades óticas: Colorimetria (D65 - luz do dia); padrões CIE Lab. Opacidade: método HunterLab. E ( L*) 2 ( a*) 2 ( b*) 2

50 Permeação em polímeros

51 Taxa de permeabilidade a gases/aromas A taxa de permeabilidade ao oxigênio (TP O2 ) e ao dióxido de carbono (TP CO2 ) são propriedades importantes nas embalagens. Tanto a temperatura quanto a umidade relativa afetam a determinação da TP O2 /TP CO2. A determinação do gas/aroma é feita utilizando um sensor TPO2 = cm³ (O2)/ m².dia = g/m².dia PO2 = g.mm/m².dia.kpa

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53 Taxa de permeabilidade ao vapor de água A TPVA é expressa em g/m 2.dia. Permeabilidade: g.mm/m 2.dia.kPa. Método: aumento da massa de um material higroscópico isolado do ambiente pelo material da embalagem a ser caracterizado. Gráfico região linear de massa de água X tempo.

54 Fatores que afetam a permeabilidade Propriedades do polímero: cristalinidade, espessura. Propriedades do permeante: tamanho e forma. Ambiente: temperatura e umidade.

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56 Exemplo 1. Pretende-se aplicar polietileno tereftalato (PET) como embalagem de frutas minimamente processadas. Para isso, avaliou-se a taxa de permeabilidade ao vapor de água (TPVA) do PET a diferentes temperaturas (entre 0 C e 40 C). Em todas as análises foram utilizados filmes com espessura de 0,07 mm. Os filmes foram fixados nas células contendo brometo de sódio (UR ~ 53%; pressão de vapor ~ 1400 Pa) de um lado, e água destilada do outro (UR = 100%; pressão de vapor de 2642 Pa). Como requisito, precisa-se que as embalagens de PET possuam permeabilidade ao vapor de água (PVA) inferior que 1,09 x 10-4 (g*mm)/(m 2 *dia*pa). Determine a temperatura máxima na qual a embalagem de PET satisfaz essa exigência.

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58 2. Deseja-se acondicionar carne desidratada ao vácuo em filmes com espessura de 30 micrometros (μm), em uma cidade onde a UR e a temperatura média são de aproximadamente 80% e 20 C, respectivamente. A partir dos valores de TPVA (Tabela 1) escolha a(s) embalagem(s) que garantam uma PVA menor ou igual que 0,011 (g.mm)/(m 2.dia.kPa). Faça a mesma escolha para uma cidade onde a temperatura média é de 30 C.

59 Referências Canevarolo Jr; Sebastião, V. Ciência dos Polímeros. Editora Artiliber, Neuza, J. Embalagem para alimentos. Cultura Acadêmica UNESP, Bureau, G. (Gilbert); Multon, J. -L. (Jean Louis). Embalaje de los alimentos de gran consumo. Zaragoza: Acribia, 1995.