Dois tipos de monômeros são utilizados para obtenção de polímeros sob condições controladas de pressão e temperatura na presença de um catalisador.

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1 PROCESSAMENTOS DE POLÍMEROS 1. Características gerais dos polímeros Vantagens: facilidade de fabricação: fácil moldagem, produção seriada de peças complexas baixa densidade: razoável relação resistência por peso resistência à corrosão: não enferrujam isolantes elétricos isolantes térmicos baixa permeabilidade a vapores transparentes em alguns casos amortecimento: engrenagens plásticas são silenciosas quando em movimento Desvantagens: baixa resistência mecânica instabilidade dimensional: empenamento, deformação por fluência instabilidade térmica: calor facilita deformação e pode chegar à combustão deterioração por luz solar, fungos, ratos odores desagradáveis dificuldade de reparação: geralmente é mais fácil a substituição de peças custo: apenas viáveis em grandes lotes 2. Polimerização Formação de grandes moléculas a partir de moléculas menores (monômeros) 2.1 Polimerização Aditiva Junção de monômeros de um mesmo tipo sob condições controladas de pressão e temperatura na presença de um catalisador (catalisador não participa como constituinte da molécula formada, apenas facilita a quebra de ligações químicas, permitindo a polimerização). 2.2 Polimerização por Condensação Dois tipos de monômeros são utilizados para obtenção de polímeros sob condições controladas de pressão e temperatura na presença de um catalisador. Há formação do polímero e de produtos secundário (água, por exemplo). 2007B Polímeros 1

2 3. Formas das cadeias poliméricas Dependendo dos monômeros utilizados na obtenção dos polímeros são formadas cadeias lineares ou ramificadas. Para alguns casos adiciona-se agentes de cura que fazem com que as cadeias (geralmente ramificadas) passem a formar uma estrutura tridimensional, de maior dimensão, pela ocorrência de ligações cruzadas. 4. Termoplásticos e termofixos Termoplásticos: possuem cadeias poliméricas geralmente lineares e são facilmente moldados quando submetidos ao calor. Permitem vários ciclos de aquecimento, conformação e resfriamento (são recicláveis). Exemplos: polietileno (PE): recipientes, brinquedos, filmes para embalagens, isolamento de cabos elétricos polipropileno (PP): similar ao polietileno, temperatura de fusão mais elevada poli cloreto de vinila (PVC): tubos, chapas, mangueiras, cortinas poliestireno (PS): carcaças de aparelhos, brinquedos, isopor (quando expandido) acrílicos: painéis, lentes, fibras politetrafluoretileno (PTFE): teflon náilon: fibras Termofixos: possuem cadeias poliméricas com ligações cruzadas e não se deformam sob calor (reciclagem restrita). Exemplos: resinas epoxi baquelite: cabos de ferramentas e utensílios, chaves e interruptores elétricos poliuretanos termofixos: colas, espumas elastômeros (quantidade controlada de ligações cruzadas): borrachas, silicones 5. Aditivos É possível melhorar algumas características dos materiais poliméricos com a inserção de aditivos: plastificantes: melhoram a moldagem do mateiral, permitem baixas temperaturas de moldagem cargas ou enchimentos: economia de resina ou modificação de propriedades do polímero (serragem, granulados de termofixos reciclados, fibras) corantes ou pigmentos: alteram a cor do material (corantes, ao contrário de pigmentos, apresentam transparência) lubrificantes: melhoram a moldagem (atrito com matrizes metálicas é reduzido) agentes de cura: desencadeiam a reação de cura dos termofixos agentes de esponjamento: produção de espumas e esponjas retardantes de chama: reduzem risco de combustão agentes anti-estáticos: evitam o acúmulo de eletricidade estática 2007B Polímeros 2

3 Perguntas: 1. Quais são as vantagens e desvantagens da utilização de polímeros como material para fabricação? 2. Qual a relação entre o tipo de cadeia polimérica (linear, ramificada) com a classificação entre polímeros termoplásticos e termofixo? 3. Quais as funções dos aditivos? 4. É possível reciclar material termoplástico? E termofixo? 6. Tipos de polímeros e processamentos Termofixos são geralmente moldados por compressão à quente ou por transferência. Podem também ser laminados ou fundidos. Termoplásticos são submetidos a moldagem por injeção, extrusão, sopro, moldagem por vácuo, técnicas utilizando espuma e fundição. Para esses processos o material polimérico de entrada se encontra na forma de granulado, pó, pastilhas ou lâminas. 7. Extrusão Mesmo princípio da extrusão de metais: passagem forçada de material por orifício de matriz que possui a geometria do perfil desejado. Principal diferença: processamento de termoplásticos. Pressões (muito menores que para o processamento de metais) podem ser obtidas com utilização de parafuso sem fim. 2007B Polímeros 3

4 Granulado ou pó entra à temperatura ambiente, é aquecido e compactado (aumento da densidade de 2 a 4 vezes). O aquecimento é obtido pelo uso de aquecedores e pelo próprio atrito no escoamento forçado de material. Para maior compactação o corpo do parafuso sem fim pode ter perfil cônico. O diâmetro do barril (ou canhão) possui normalmente de 25 a 200 milímetros e a razão entre o comprimento do parafuso e o diâmetro do barril varia de 5 a 30. Com o aumento de temperatura (150 a 200 o C) o material fica em estado bastante plástico e é facilmente moldado ao passar pelo orifício da matriz. Na saída o material extrudado é resfriado por jatos de ar. O controle do resfriamento é muito importante para garantir perfis com baixo índice de distorção. Como a alimentação da máquina é contínua é possível a fabricação extrudados bastante longos (tubos, lâminas). Apesar da grande deformação plástica, ocorre também deformação elástica na compactação o que causa o inchamento do extrudado após a saída da matriz. Normalmente o inchamento é de 6 a 13% mas pode chegar a 200%. 2007B Polímeros 4

5 Deve-se fazer o orifício com dimensões reduzidas para compensar o inchamento. Pastilhas e mantas, que são utilizadas como material inicial para outros processamentos de polímeros, são obtidos por extrusão. O próprio extrusor é utilizado como equipamento auxiliar nos processos de moldagem por injeção e moldagem por sopro. Também é utilizada a extrusão para recobrimento de fios elétricos. 8. Moldagem por injeção Material granulado (termoplástico) é aquecido até estado de alta plasticidade (150 a 200 o C) e bombeado por cilindros/pistões ou parafuso sem fim para dentro de uma matriz por um canal chamado canal de injeção. Processo é muito parecido com fundição sob pressão de metais. Alta produtividade. Podem ser processados tanto termoplásticos como termofixos. Para termoplásticos o molde pode estar numa temperatura relativamente baixa. Após a injeção é necessário aguardar o resfriamento da peça para retirada da matriz. Para termofixos o molde deve ser aquecido para facilitar a cura. Após a injeção é necessário aguardar a cura do material para, em seguida, fazer a retirada da peça da matriz. 9. Moldagem por sopro Processamento de termoplásticos utilizado na obtenção de peças ocas como garrafas plásticas. Existem duas formas: sopro direto sopro indireto No sopro direto a peça inicial é inflada até encontrar as paredes da matriz. 2007B Polímeros 5

6 Já no sopro indireto, não há matriz. Apenas fixa-se as extremidades da peça inicial. O sopro indireto possui custo inicial mais baixo (não é necessária matriz) mas as peças produzidas não possuem geometria com alto controle dimensional como no sopro direto. Perguntas: 1.Quais as funções do parafuso de uma extrusora de termoplásticos? 2. Como devem ser as dimensões da matriz de extrusão comparada com as dimensões desejadas para a peça final? 3. Como é feito o recobrimento de fios? 4. Compare os métodos de sopro (direto e indireto). 10.Moldagem por rotação Processo de conformação utilizado tanto em termoplásticos como em termofixos em que material em pó é inserido em molde (composto de duas metades) aquecido que, em seguida, é colocado em rotação em relação a dois eixos perpendiculares. 2007B Polímeros 6

7 A rotação faz com que o material, já em estado fundido pelo aquecimento, se espalhe sobre a superfície do molde e tome sua forma. Também são inseridos agentes de cura no interior do molde quando são processados termofixos. 11. Moldagem por vácuo Processo semelhante a moldagem por sopro. Diferença: matriz possui a forma interna da peça (não é possível produzir garrafas). Uma lâmina é colocada sobre um molde que possui orifícios. Recipiente do molde é fechado, lâmina é aquecida e o ar de dentro do recipiente é retirado (através dos orifícios). Diferença de pressão conforma a peça sobre o molde. Os orifícios possuem aproximadamente 0,5 milímetros de diâmetro para que não haja a formação de marcas sobre a superfície moldada. Utilizado na fabricação de peças materia de espessuras finas. 12. Moldagem por compressão à quente Bastante utilizado para processar polímeros termofixos. Material na forma de pó, granulado ou de pastilhas é colocado no interior de molde aquecido, molde é fechado e submetido à alta pressão. Processo possui alguma similaridade com processo de sinterização de metais. 2007B Polímeros 7

8 13. Moldagem por transferência Processo similar ao de moldagem por injeção. Utilizado exclusivamente sobre materiais termofixos. Diferença: material ainda não sofreu cura (mesmo que parcial) é aquecido e comprimido para dentro de uma matriz através de um canal de injeção. Também são necessários pinos de ejeção para retirada da peça da matriz. Como o material se encontra num estado inicial bastante plástico o preenchimento da matriz é mais facilmente alcançado (permitido peças mais complexas que na compressão a quente) e a distribuição de agentes de cura fica mais homogênea. Dessa forma as propriedades mecânicas do material da peça também fica uniforme. Dependendo da geometria e do material da peça é possível fazer a retirada antes do término da cura para liberação da máquina para uma nova compressão. Nesse caso as peças devem ser mantidas em fornos de cura por tempo variante entre alguns minutos ou várias horas. Alta produção a custos médios, altos. 14. Fundição Alguns termoplásticos (como o nailon e acrílicos) e alguns termofixos (como o poliuretanos, poliester) podem ser processados por processo similar à fundição de aços. Podem ser obtidas formas simples como blocos de material e eixos ou mais complexas como engrenagens. Baixa produtividade e baixos custos. Num processo variante do processo de fundição insere-se dentro do molde um equipamento e em seguida realiza-se o preenchimento do molde com o polímero fundido. Obtém-se assim um encapsulamento plástico do equipamento 2007B Polímeros 8

9 Perguntas: 1. Por que é possível moldar peças em material termofixo se o esse polímero resiste a temperaturas elevadas? 2. Quais são as diferenças entre moldagem por transferência e por extrusão? 3. Com qual processo de material polimérico é obtido um encapsulamento isolante elétrico? 15. Laminados 15.1 Laminados de alta-pressão Junção de várias lâminas cobertas com resina por aplicação de altas temperaturas e pressões. Pode-se obter chapas ou tubos Lâmina polimérica é transportada passando por um banho em resina, cortada, empilhada e finalmente compactada. Pode-se obter tubos com a utilização de rolos Laminados de baixa-pressão Colocação de várias lâminas (de poliester, por exemplo) sobre molde como de barco. Insere-se fibra de vidro para reforçar o material. Junção ocorre na presença de catalisador, calor ou luz do sol. 2007B Polímeros 9

10 16. Plásticos expandidos (esponjas e espumas) Inserção de gases em massas poliméricas aquecidas em interior de matrizes seguida de solidificação por resfriamento. A inserção de gases pode ser feita de diversas formas: agitação mecânica do material plástico (próprio ar é inserido) expansão por agente formador de espuma (gás proveniente de reação química) dissolução de gás diretamente na massa plástica mistura de material poroso com substância de ligação 17. Processamento a frio Alguns tipos de processamento de materiais metálicos como laminação, estiramento ou trefilação e forjamento podem ser aplicados a alguns tipos de polímeros (polipropileno, PVC e outros). Restrição: os polímeros devem ser bastante dúcteis. Vantagens: obtém-se melhora na resistência mecânica do material (devido ao alinhamento das cadeias poliméricas em uma direção). 18. Vulcanização Aumento da resistência mecânica de elastômeros pelo aumento de ligações cruzadas. Coloca-se o material eslastômero em contato com substâncias a base de enxofre e aumentase sua temperatura. Aplicação típica: vulcanização de borrachas de pneus Conforme a resistência mecânica é aumentada a capacidade de deformação do elastômero é diminuída. Perguntas: 1. Como são obtidos os plásticos expandidos? 2. Blocos de polímero podem ser trabalhados com processos convencionais utilizados sobre metais? 3. O que acontece com o material ser esse for vulcanizado de maneira muito severa? REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - Blass, A. - Processamento de Polímeros, 2a ed., Editora da UFSC, Kalpakjian, S., Manufacturing Engineering & Tecnology, 4 th ed, Addison Wesley, Manrich, S. - Processamento de Termoplásticos, Artliber Editora, B Polímeros 10