UNICEP CENTRO UNIVERSITÁRIO CENTRAL PAULISTA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO APOSTILA DE PROCESSOS PRODUTIVOS II

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1 UNICEP CENTRO UNIVERSITÁRIO CENTRAL PAULISTA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO APOSTILA DE PROCESSOS PRODUTIVOS II Prof a Dr a MÁRCIA FERNANDA MARTINS DIAS São Carlos 2008

2 PROCESSAMENTO QUÍMICO: pode ser definido como o processamento industrial de matérias-primas químicas que leva à obtenção de produtos com valor industrial realçado. Em geral o processamento envolve uma conversão química (reação) como exemplo a obtenção de ácido sulfúrico a partir do enxofre (oxidação e hidratação); em poucos casos não estão envolvidas reações químicas, como exemplo a destilação do petróleo e como no caso da fabricação do sal bruto comum (NaCl) (evaporação, cristalização, secagem e peneiramento, não ocorrendo nenhuma conversão química, nem descaracterizando o processo típico da indústria química). São exemplos de conversões químicas: combustão (oxidação sem controle), desidratação, eletrólise, fermentação, oxidação (controlada), polimerização e etc. Ex: POLÍMEROS: Material orgânico ou inorgânico de alta massa molecular cuja estrutura consiste na repetição de pequenas unidades (meros). Macromolécula formada pela união de moléculas simples ligadas por ligação covalente. Poli (muitos) + meros (partes). Exemplos de polímeros naturais: Exemplos de polímeros sintéticos: Monômeros: moléculas simples que reagem para formar os polímeros. Polimerização: conjunto de reações químicas que conduzem à formação de um polímero. Grau de polimerização (n): o número de meros que constitui a macromolécula. (geralmente acima de 750) 2

3 EXEMPLO: o polietileno (PE) - plástico extremamente comum usado, por exemplo, em saquinhos de leite - é composto pela repetição de milhares de unidades da molécula básica do etileno (ou eteno): Alguns polímeros podem ser constituídos da repetição de dois ou mais meros. Neste caso, eles são chamados copolímeros. Por exemplo, a macromolécula da borracha sintética SBR é formada pela repetição de dois meros: estireno e butadieno: Para enfatizar que um polímero é formado pela repetição de um único mero, ele é denominado homopolímero. CADEIAS MACROMOLECULARES EM HOMOPOLÍMEROS E COPOLÍMEROS 3

4 Os polímeros podem ter suas cadeias sem ramificações (lineares), com ramificações (ramificados) ou com cadeia reticulada (reticulados, com ligações cruzadas ou tridimensionais): REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO Conforme o tipo de reação envolvida na polimerização, temos: - Polimerização por adição ou poliadição: rápida, alto grau de polimerização, peso molecular da ordem de 10 5, não há subprodutos, reação em cadeia. São exemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), copoli(butadieno-estireno) (SBR), poli(cloreto de vinila) (PVC) e etc. Ex: Poli(metacrilato de metila) PMMA - Polimerização por condensação ou policondensação: crescimento mais vagaroso, peso molecular da ordem de 1-2x10 4, há subprodutos (H 2 O, HCL, NH 3 ), reação em etapas. São exemplos: poli(tereftalato de etileno) (PET), poliuretano (PU), poli(éter-éter-cetona) (PEEK) e etc. Ex: Resina de fenol-formaldeído (PR) 4

5 - Polimerização por modificação de polímeros: resulta de reações químicas sobre polímeros já existentes (naturais ou sintéticos): mudança no peso molecular, na solubilidade e em outras propriedades. São exemplos: nitrato de celulose (CN), poli(álcool vinílico) (PVAL), polietileno clorado (CPE) e etc. Ex: nitrato de celulose (CN) CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS: normalmente é feita de cinco modos: - Classificação quanto à estrutura química do polímero: Polímeros de cadeia carbônica: Polímeros de cadeia heterogênea: - Classificação quanto ao método de preparação: - Classificação quanto às características tecnológicas dos polímeros: - Classificação quanto ao comportamento mecânico: - Classificação de acordo com o tipo de cadeia polimérica: 5

6 PLÁSTICOS: material cujo constituinte fundamental é um polímero, principalmente orgânico e sintético, sólido como produto final e que em alguma fase foi transformado em fluido, adequado à moldagem por ação de calor e/ou pressão. O plástico além do polímero de base pode conter aditivo como: resinas sintéticas (agente aglutinante), plastificantes (maior flexibilidade e tenacidade), corantes e pigmentos, cargas (reforçadores e inertes), lubrificantes, catalisadores, agentes expansores e etc. Os plásticos em relação aos processos tecnológicos dividem-se em: a)termoplásticos: polímeros capazes de ser repetidamente amolecidos pelo aumento da Temperatura e endurecidos pela diminuição da Temperatura. Pode ser fundido diversas vezes. Estruturalmente seus componentes fundamentais são polímeros com cadeias lineares ou ramificadas sem ligações cruzadas, isto é, entre as cadeias existam só interações intermoleculares secundárias, reversíveis com a Temperatura. Isto permite que possam ser solúveis. Sua reciclagem é possível. b)termofixos: polímeros que quando curados, com ou sem calor, não podem ser amolecidos por aquecimento. São rígidos e frágeis e uma vez prontos não se fundem mais. Estruturalmente seus componentes fundamentais são polímeros com cadeias moleculares contendo alta densidade de ligações cruzadas, que geram o comportamento dos termofixos. Sua reciclagem é muito complicada. ELASTÔMEROS: polímero que à Temperatura ambiente pode ser deformando repetidamente a pelo menos duas vezes o seu comprimento original. Retirado o esforço, deve voltar rapidamente ao tamanho original. Para apresentar estas características, os elastômeros possuem cadeias flexíveis amarradas umas às outras, com baixa densidade de ligações cruzadas. Suas propriedades básicas são: - aceitar grandes deformações. - recuperar rapidamente a deformação, depois de retirado o esforço. - ter recuperação total da deformação. 6

7 Ligações Cruzadas: ligações covalentes formadas entre cadeias poliméricas que as mantém por ligações primárias, formando uma rede tridimensional. Para quebrar a ligação cruzada, é necessário fornecer um nível de energia tão alto que seria suficiente para destruir a cadeia polimérica. Em concentrações intermediárias, é típico das borrachas vulcanizadas e quando em grandes quantidades, é característico dos termofixos. Vulcanização: processo químico de fundamental importância para as borrachas, introduzindo elasticidade e melhorando a resistência mecânica. Ocorre a formação de ligações cruzadas entre duas cadeias. O enxofre é o principal agente de vulcanização. Borracha crua: borracha que não sofreu processo de vulcanização, sem nenhum aditivo. Nesta fase, ela é um elastômero dito não vulcanizado, podendo ser processada como um termoplástico. Borracha vulcanizada: borracha após o processo de vulcanização. FIBRAS: termoplástico orientado com a direção principal das cadeias poliméricas posicionadas paralelas ao sentido longitudinal. Deve satisfazer à condição geométrica L/D >

8 PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS O desempenho dos materiais se relaciona com suas características que podem ser distribuídas em 3 grupos: as propriedades físicas, as propriedades químicas e as propriedades físicoquímicas. PROPRIEDADES FÍSICAS: são aquelas que não envolvem qualquer modificação estrutural a nível molecular dos materiais. Dentre elas incluem-se as propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e óticas. Essas propriedades são avaliadas por ensaios e procedimentos descritos em normas: ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASME - American Society of Mechanical Engineers ASTM American Standarts for Testing and Materials BS Bristish Standarts DIN Deutshe Institut für Normung ISO International Onganization for Standartization Propriedades Mecânicas: determinam a resposta dos materiais às influências mecânicas externas e a capacidade de desenvolverem deformações reversíveis ou irreversíveis e resistirem à ruptura. As principais são: a)resistência à tração: avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de área no momento da ruptura. Os polímeros geralmente têm valores de resistência à tração baixos. Alongamento na ruptura: aumento percentual do comprimento da peça sob tração, na ruptura. Os polímeros têm grandes alongamentos (até 900%). Módulo de elasticidade (Young): razão entre tensão/deformação na qual a deformação é totalmente reversível, ou seja, dentro do limite elástico. 8

9 b)resistência ao Impacto: resistência de um material rígido à deformação sob impacto a uma velocidade muito alta. O principal parâmetro para quantificar é a energia de impacto. O ensaio mais utilizado é do tipo Izod/Charpy. c)dureza: resistência da superfície do material à penetração ou ao risco. Os polímeros em geral têm baixa dureza comparada aos metais e cerâmica. São mais utilizadas as durezas Rockwell e Shore. Propriedades Térmicas: comportamento dos materiais quando energia térmica (calor) é fornecida ou removida dos materiais. A seguir, algumas propriedades térmicas dos polímeros: a)condutividade térmica: mede a quantidade de calor transferida, na unidade de tempo, por unidade de área, através de uma camada de espessura unitária, sendo 1 0 C a diferença de temperatura entre as duas faces. Os polímeros são maus condutores de calor. A condutividade térmica dos polímeros é cerca de 1000X menor que a dos metais. Portanto são recomendados em aplicações que requeiram isolamento térmico. b)fusão Cristalina: os polímeros fundem quando aquecidos, apresentando-se em geral como uma massa irregular com as cadeias macromoleculares emaranhadas. Quando essa massa é deixada em repouso, dependendo da velocidade de resfriamento, as cadeias formam regiões de estrutura ordenada, cristalina, descontínua, geralmente lamelar. As regiões cristalinas são denominadas cristalitos. 9

10 Temperatura de Fusão Cristalina (T m ): é aquela em que as regiões ordenadas dos polímeros (cristalitos, esferulitos) se desagregam e fundem. Nos termoplásticos a T m máxima é inferior a C. Os termofixos não apresentam fusão (carbonização). Esta temperatura está relacionada às regiões cristalinas. Temperatura de Transição Vítrea (T g ): associada à região amorfa dos polímeros é a temperatura em que a mobilidades das cadeias moleculares se torna restrita pela coesão intermolecular. Abaixo de T g desaparece a mobilidade das cadeias macromoleculares e o material torna-se rígido, quebradiço. Em geral nos polímeros T g não ultrapassa C e todas as borrachas têm T g abaixo da T amb. Propriedades Elétricas: os polímeros não contêm elétrons livres, responsáveis pela condução de eletricidade. Por esse mesmo motivo eles são maus condutores de calor. Os polímeros são altamente indicados para aplicações onde requeiram isolamento elétrico. Propriedades Ópticas: informam sobre a estrutura e ordenação molecular e a existência de tensões de deformação. A principal propriedade óptica é a transparência à luz visível que é apresentada por polímeros amorfos ou com baixo grau de cristalinidade. Materiais poliméricos cristalinos tornam-se translúcidos ou semitransparentes e até opacos. PROPRIEDADES QUÍMICAS: são aquelas que caracterizam a estrutura a nível molecular e atômico dos materiais. Dentre elas incluem-se a eletronegatividade, raio atômico, massa atômica e etc. a) Resistência à Corrosão: as ligações químicas presentes nos polímeros (covalentes/ Van der Walls) lhes conferem maior resistência à corrosão por oxigênio ou produtos químicos em relação aos metais (metálica). Os polímeros são atacados por solventes orgânicos que apresentam estrutura similar a eles. b) Porosidade: o espaço entre as moléculas é relativamente grande. Esse espaçamento faz com que a difusão de gases através dos polímeros seja alta e assim apresentam alta permeabilidade a gases. Limitação como material de embalagem, mas úteis como membranas. 10

11 PROCESSAMENTO DE PLÁSTICOS E BORRACHAS Preparação da Mistura No caso de preparação de artefatos de plástico, além da resina sintética, que é o agente aglutinante, encontramos no geral, outros ingredientes, cuja seleção qualitativa e quantitativa permite a utilização da mesma resina em diferentes processos de moldagem, para a confecção de artigos destinados a várias aplicações. Esses ingredientes são misturados à resina em fino estado de divisão, e posteriormente utilizada a mistura na moldagem. Os principais ingredientes adicionados para a preparação de uma mistura moldável de plástico são: No caso de preparação de artefatos de borracha, a composição vulcanizável em geral contém os seguintes ingredientes, além do polímero: Principais Processos Uma vez obtida a composição moldável, que tem como ingrediente principal um polímero é necessário escolher dentre uma série de processamentos, aquele que é mais adequado às características que a peça deverá apresentar. Os processos de transformação (com e sem aquecimento) de composições moldáveis são: Vazamento: processo de moldagem mais simples, aplicado aos termoplásticos e termofixos. Consiste em verter (vazar) no molde o polímero sob a forma de uma solução viscosa de mistura de um polímero com seu monômero ou de monômeros e reagentes resultando no polímero (ex: No caso em que as peças são ocas e devem ter espessura uniforme, o material viscoso é submetido à movimentação dentro dos moldes e o processo é chamado rotomoldagem. Ex: 11

12 Compressão: consiste em comprimir o material aquecido dentro da cavidade do molde. Aplicase a materiais termofixos. Ex: Calandragem: obtenção contínua de lâminas e lençóis de plástico com espessura regular. Consiste na passagem da composição polimérica moldável entre rolos sucessivos e interligados. É aplicável na produção de termoplásticos e termofixos. Ex: 12

13 Sopro: utilizado para obtenção de peças ocas através da insuflação de ar no interior de um segmento de tubo (pré-forma), recém injetado ou extrudado no interior do molde. Aplicável geralmente à fabricação de frascos a partir de termoplásticos. Ex: Termoformação ou Termoformagem: consiste em submeter placas de material termoplástico ao calor até o amolecimento, aplicando-se vácuo sobre os moldes contendo orifícios. Conforme a peça, pressão é necessária também. Utilizado na fabricação de peças descartáveis ou de grandes dimensões, pois permite o emprego de moldes de baixo custo. Ex: 13

14 Imersão: obtenção de peças ocas por imersão do molde em uma solução viscosa ou em uma emulsão de polímero. Ex: Injeção: consiste em introduzir a composição polimérica moldável fundida em um molde, por intermédio de pressão. É um dos processos de moldagem mais utilizados e é geralmente aplicável a termoplásticos. Um ciclo simplificado de injeção tem as seguintes operações: - Dosagem do material plástico granulado no cilindro de injeção. - Fusão do material até a consistência de injeção. - Injeção do material plástico fundido no molde fechado. - Resfriamento do material plástico até a solidificação. - Extração do produto do molde. Ex: 14

15 Extrusão: consiste em fazer passar a massa polimérica moldável através de uma matriz com determinado perfil, solidificando a peça extrudada progressivamente por meio de resfriamento (ar ou água). Utilizado para a fabricação contínua de tubos, bastões, perfis e etc. É um dos processos de moldagem mais utilizados e é aplicável a termoplásticos e termofixos. Um ciclo simplificado de extrusão tem as seguintes operações: - Dosagem do material plástico granulado no cilindro de extrusão. - Fusão do material até a consistência de extrusão. - Passagem do material plástico fundido através da matriz. - Resfriamento do material plástico até a solidificação. - Controle final do produto. Ex: Fiação: distinguem-se dois tipos de fiação quanto ao tipo de fibra: a fiação de fibra descontínua (lã, algodão, viscose, poliéster, linho etc.) e a produção de fios contínuos por extrusão (poliéster, viscose, poliamida, elastano, polipropileno etc.). 15

16 RECICLAGEM DE POLÍMEROS Quando o lixo é depositado nos lixões, o principal problema relacionado aos materiais plásticos provém da sua queima indevida. Quando o lixo é depositado em aterros sanitários, os plásticos dificultam a sua compactação e prejudicam a decomposição dos materiais biologicamente degradáveis porque criam camadas impermeáveis que afetam as trocas de líquidos e gases gerados nos processos de degradação da matéria orgânica. Assim, sua remoção, redução ou eliminação do lixo são metas que devem ser perseguidas. A separação dos plásticos do restante do lixo traz muitos benefícios como: aumento da vida útil dos aterros, geração de empregos, economia de energia e etc. Alguns polímeros, como os termofixos e borrachas, não podem ser reciclados de forma direta, pois não há como refundi-los ou depolimerizá-los. A reciclagem de termoplásticos, apesar de tecnicamente possível, muitas vezes não é viável economicamente devido ao seu baixo preço e baixa densidade. Somente plásticos consumidos em massa (PE, PET, PP, etc.) apresentam potencial para reciclagem. O plástico reciclado é considerado como material de segunda classe. Quando a reciclagem do polímero não for possível ou viável, sempre pode queimá-lo, transformando-o em energia para incineradores ou alto-fornos (C seria usado na redução do minério). Contudo os plásticos com halogênios (PVC, PTFE...) geram gases tóxicos durante a queima e devem ser encaminhados para a dehalogenação. Para a separação dos polímeros provenientes dos resíduos sólidos urbanos é necessário realizar anteriormente a identificação. A metodologia para a identificação de polímeros, geralmente consiste nos testes relacionados a seguir: Por meio de códigos (a seguir) Pela correlação produto-polímero (ex: frasco de óleo - PET ou PVC) Pelo aspecto (transparente -PET, translúcido HDPE [garrafas]). Por meio do comportamento mecânico rigidez e flexibilidade associadas ao som e embranquecimento na dobra, dureza, etc (embranquecimento - não PET, - sim PP [garrafa]). Pelas características da queima cor e odor da fumaça, inflamabilidade etc. (PP - vela queimada, PET adocicado). Pela solubilidade Pela densidade (+ densos PET, PS e densos EPS, HDPE) Por calorimetria diferencial de varredura (DSC) Por espectroscopia no infravermelho (IV) 16

17 A SPI (Society of the Plastic Industry) estabeleceu em 1988 um sistema de código para recipientes plásticos. Foi feito para ajudar os recicladores e cooperativas de reciclagem. Este código somente especifica famílias de plásticos e não tem especificações completas de processamento. Assim: 17

18 BIBLIOGRAFIA ALBUQUERQUE, J.A.C. O Plástico na Prática. Rio Grande do Sul: Editora Sagra, CANEVAROLO JÚNIOR, S. V. Ciência dos Polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros. São Paulo: Artliber, MANO, E.B. Introdução a Polímeros. São Paulo: Editora Edgard Blücher, MANO, E.B. Polímeros como Materiais de Engenharia. São Paulo: Editora Edgard Blücher, MANO, E.B; MENDES, L.C. Identificação de Plásticos, Borrachas e Fibras. São Paulo: Editora Edgard Blücher, SHEREVE, R.N; BRINK Jr., J.A. Indústria de Processos Químicos. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois,