ANÁLISE DO PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS UTILIZANDO REOMETRIA CAPILAR

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1 AÁLISE DO PROCESSAMETO DE POLÍMEROS UTILIZADO REOMETRIA CAPILAR Robero Guimrães Pereir Universidde Federl Fluminense, Deprmeno de Engenhri Mecânic, Progrm de Pós- Grdução em Engenhri Mecânic, Ru Psso d Pári, 156, 221-2, ierói, RJ, e-mil: emrobe@vm.uff.br Anon Benirschke Universidde Federl Fluminense, Progrm de Pós-Grdução em Engenhri Mecânic, Ru Psso d Pári, 156, 221-2, ierói, RJ Resumo. A reomeri cpilr é hoje um ds principis ferrmens uilizds n crcerizção reológic e n simulção do processmeno de polímeros fundidos. Ese rblho presen um invesigção sobre influênci ds correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch sobre ddos obidos em reômero cpilr. Eses resuldos corrigidos muis vezes não são uilizdos, por serem, ess correções, de difícil e demord plicção. Hoje em di, com uilizção de modernos reômeros, ess correções podem ser plicds mis fcilmene. Os meriis nlisdos nese rblho form os seguines: Copolímero de Esireno, Budieno e Acriloniril (ABS), Polieileno de Al Densidde (PEAD), Polipropileno (PP) e Poliesireno (PS), odos virgens e uilizdos ns emperurs correspondenes o seu processmeno. A nálise do processmeno de polímeros uilizndo reomeri cpilr possibili fbricção de peçs de form mis oimizd. Plvrs-chve: Reologi, Reomeri Cpilr, Polímeros Fundidos, Correção de Bgley, Correção de Weissemberg-Rbinoisch. 1. ITRODUÇÃO A exrusão e injeção são processos de fbricção de grnde imporânci n Indúsri de Trnsformção de Plásicos. eses processos, os polímeros são submeidos diverss xs de cislhmeno durne produção de inúmers peçs. O conhecimeno d viscosidde dos polímeros durne o processo de fbricção é de fundmenl imporânci de modo grnir qulidde do produo finl. A viscosimeri cpilr ind permnece como o méodo mis comum e preciso pr se deerminr viscosidde de um fluido. Equipmenos com princípios bsne semelhnes os reômeros cpilres uis form uilizdos por Hgen (1), n Alemnh em 189, e por Poiseuille (2), n Frnç em 18. Aulmene, uilizção de reômeros cpilres pr deerminção d viscosidde de polímeros se mosr vnjos, fornecendo resuldos mis precisos que ouros ipos de equipmenos. eses reômeros, o meril esdo, por esr confindo, não esá sujeio às ções d mosfer (como oxidção do meril e evporção de solvene, por exemplo), e, principlmene, por permiir que o processmeno de polímeros sej simuldo em lborório, deerminndo, por exemplo, s condições críics de processmeno de um meril.

2 o enno, os resuldos obidos por ese ipo de equipmeno requerem lgums correções que n grnde miori ds vezes não erm levds em considerção. Hoje em di, com uilizção de reômeros mis modernos, correção dos resuldos se ornou muio mis rápid e simples de ser execud. A uilizção deses resuldos é imprescindível, por exemplo, nos processos de exrusão e injeção de plásicos. 2.CORREÇÃO DE RESULTADOS EM REÔMETROS CAPILARES 2.1.Correção de Bgley Os ddos obidos prir de um ese relizdo em um reômero que uiliz um mriz cpilr de seção circulr requerem um correção no que diz respeio os efeios de enrd e síd des mriz, que provocm um erro n leiur d perd de crg, influencindo ssim os resuldos obidos. eses reômeros, um sensor de pressão é colocdo próximo à enrd do cpilr. A seção re do cpilr uilizdo é ão pequen que impossibili colocção de um sensor de dimensões normis no inerior do cpilr (gerlmene, de 1 2 mm de diâmero). A perd de crg (ou qued de pressão) requerid pr deerminção d ensão de cislhmeno, é, sob ess condições de ese, deermind somene pel diferenç de pressão enre enrd do cpilr e pressão mosféric une n síd do cpilr. o enno, o vlor medido pelo sensor de pressão não é cusdo somene pel resisênci do meril fundido o pssr pelo cpilr durne um escomeno forçdo, ms mbém, devido um grnde perd de energi (pressão) resulne: ) de um ineviável escomeno urbuleno n região de enrd do cpilr cusdo pel redução brup do diâmero qundo o fluido pss do reservório pr o cpilr. b) d celerção sofrid pel mss do fluido o pssr do reservório pr o cpilr. c) ds proprieddes elásics do meril fundido que emporrimene bsorve e rmzen pre d energi que lhe é fornecid pr que psse rvés do cpilr. Es energi bsorvid é olmene recuperd qundo o meril fundido deix o cpilr, resulndo no fenômeno conhecido como die-sell (umeno do diâmero do meril exruddo o deixr o cpilr). Efeios de enrd dese ipo não precism ser levdos em con qundo os eses são relizdos em reômeros que uilizm mrizes cpilres de seção rengulr (sli cpillry dies). eses csos, é possível que se coloque 2 ou é mesmo sensores de pressão o longo do comprimeno do cpilr, eliminndo ssim os efeios de enrd. Em 1957, Bgley () sugeriu um méodo pr que os resuldos obidos possm ser corrigidos. Ese méodo requer que sejm relizdos eses com o mesmo ipo de polímero ms com vários cpilres (no mínimo 2), odos com o mesmo diâmero. Todos os eses relizdos devem ser idênicos, diferindo pens n rzão comprimeno/diâmero (L/D) dos cpilres uilizdos. Os eses relizdos com eses cpilres possuem, obvimene, os mesmos efeios de enrd. Quno menor for relção L/D, mior será o erro percenul n leiur do vlor d viscosidde devido os efeios de enrd. Bgley descobriu que plondo os vlores de P pr um dd x de deformção e diferenes vlores de L/D obém-se um linh re no digrm P x L/D. Es linh pode ser exrpold é inercepr ordend em Pc (corrigido). Es é perd de pressão devido os efeios de enrd pr um cpilr de comprimeno igul zero (L/D ). Frequenemene, pr relizção d correção de Bgley, é uilizd um mriz com relção L/D proximdmene igul zero (mriz orifício), não sendo necessári uilizção do digrm P x L/D. 2.2.Correção de Weissemberg-Rbinoisch A correção de Bgley, menciond neriormene, esá relciond pens com uilizção de mrizes cpilres de seção circulr. Pr mrizes de seção circulr e mrizes de seção rengulr,

3 um our correção é necessári qundo o fluido que esá sendo nlisdo possui crcerísics não-eonins, como por exemplo, odos os polímeros fundidos. As equções de Hgen-Poiseuille, usds pr crcerizção de fluidos eoninos, em que ser corrigids levndo-se em con relção priculr enre ensão plicd e vzão voluméric resulne em fluidos não-eoninos. A vzão voluméric, Q, é definid como: R Q 2. π.r.v(r).dr (1) Inegrndo-se prcilmene, em-se: R R 2 R 2 dv [ π.r.v(r)] π.r..dr 2 dv Q π.r..dr (2) dr dr Como ensão τ vri linermene com o rio r de um vlor máximo τ n prede é zero no cenro do cpilr, em-se que: τ r dτ dr dτ ou dr.r () τ R τ R τ Es relção é válid no pr fluidos eoninos como pr fluidos não-eoninos. A x de deformção é lmene dependene ds crcerísics não-eonins do fluido e, porno, vri não-linermene com o rio r. A x de deformção verddeir,, como função de r é: dv () dr Subsiuindo () e () em (2), em-se: τ R 2 Q π.. τ..dτ (5) τ Pr um fluido eonino, de viscosidde η, que esco rvés de um cpilr de rio R e comprimeno L, x de deformção, é dd (Mcosko () ) por:.q (6) π.r A viscosidde é dd (Mcosko () ) por: π.r. P η (7) 8.Q.L Que é conhecid como equção de Hgen-Poiseuille. A máxim velocidde de escomeno, v mx, ocorrendo no cenro do cpilr, e vzão, Q, são dds por: 2 P.R v mx (8). η.l

4 Q π.r. P (9) 8. η.l Combinndo s equções de vzão e x de deformção prene, em-se: π τ. R. R 2 π. τ. τ.dτ (1) τ 2. τ. τ. dτ (11) Diferencindo, obem-se: τ d. dτ d lg + d lg τ (12) Sendo o índice de poer-l, n, igul d lg τ d lg, em-se: n + 1 n (1) Que é conhecid como Equção de Weissemberg-Rbinoisch (5).. EXPERIMETAL Pr obenção de odos os resuldos experimenis presendos nese rblho foi uilizdo um reômero cpilr Rosnd Rh-21. A função viscosidde do meril é obid rvés d medição d perd de crg gerd por um mriz cpilr qundo o meril ser nlisdo é forçdo pssr por es mriz. Ese reômero oper com um mriz cpilr de 1mm de diâmero por 16mm de comprimeno. Pr correção de Bgley, é uilizd um mriz de 1mm de diâmero por,25mm de comprimeno (mriz orifício). A influênci ds correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch sobre os resuldos obidos com polímeros lrgmene uilizdos n indúsri de rnsformção de plásicos (ABS, PEAD, PP e PS) é presend seguir. Em odos os ensios relizdos, uilizou-se meril virgem e s emperurs correspondem àquels uilizds durne o processmeno do meril, conforme especificdo pelo fbricne.. RESULTADOS Form obidos vlores d viscosidde em função d x de deformção pr diversos polímeros de ineresse cienífico e ecnológico. As figurs 1 mosrm como os resuldos se modificm pós s correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch. Ambs s correções são feis uomicmene pós relizção dos ensios. As bels 1 mosrm influênci ds correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch sobre os resuldos não corrigidos. A nálise de is resuldos mosr que ess correções não podem ser desprezds. A vrição enre os vlores obidos cheg ser superior %.

5 1.E+ ABS - 2 o C 1.E+ PEAD o C ão Inerpolção ão corrigidos Ierpolção Viscosidde [P.s] 1.E+ Viscosidde [P.s] 1.E+ 1.E+1 1.E+2 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+2 1.E+ 1.E+ 1.E+5 Tx de Deformção [1/s] Tx de Deformção [1/s] Figur 1. Curv de Escomeno ABS 2 C Figur 2. Curv de Escomeno PEAD 225 C 1.E+ PP - 2 o C 1.E+ PS - 25 o C ão corrigidos Inerpolção ão corrigidos Inerpolção Viscosidde [P.s] 1.E+ Viscosidde [P.s] 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+2 1.E+ 1.E+ 1.E+5 1.E+1 1.E+2 1.E+ 1.E+ 1.E+5 Tx de Deformção [1/s] Tx de Deformção [1/s] Figur. Curv de Escomeno PP 2 C Figur. Curv de Escomeno PS 25 C Qundo correção de Weissemberg-Rbinoisch é plicd sobre os ddos, há um mudnç no vlor d x de deformção que esv sendo plicd sobre o meril, pssndo de um vlor prene pr um vlor corrigido ou verddeiro ( ). Como o meril esdo presen crcerísics não-eonins, não há senido físico em se comprr ddos de viscosidde que não esão sendo medidos em um mesm x de deformção. Pr que os ddos possm ser comprdos, é necessário que os ddos que sofrerm s correções sejm inerpoldos pr vlores que possum s mesms xs de deformção dos ddos que não sofrerm s correções, como mosrdo ns figurs 1. Tbel 1. Influênci ds Correções de Tbel 2. Influênci ds Correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch Bgley e Weissemberg-Rbinoisch ABS 2 C PEAD 225 C Tx de Viscosidde Viscosidde deformção não corrigid Corrigid* Vrição [1/s] [P.s] [P.s] [%] * vlores inerpoldos Tx de Viscosidde Viscosidde deformção ão corrigid corrigid* Vrição [1/s] [P.s] [P.s] [%] * vlores inerpoldos

6 Tbel. Influênci ds Correções de Tbel. Influênci ds Correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch Bgley e Weissemberg-Rbinoisch PP 2 C PS 25 C Tx de Viscosidde Viscosidde deformção não corrigid corrigid* Vrição [1/s] [P.s] [P.s] [%] * vlores inerpoldos Tx de Viscosidde Viscosidde Deformção não corrigid Corrigid* Vrição [1/s] [P.s] [P.s] [%] * vlores inerpoldos 5. COCLUSÃO A reomeri cpilr em se mosrdo um ferrmen bsne úil e poderos n nálise e crcerizção de polímeros fundidos e n simulção, em lborório, dos processos de rnsformção de plásicos. O conhecimeno mis preciso d viscosidde do meril uxili no desenvolvimeno de novos produos e n melhori d qulidde de produos já comercilizdos. Mosrou-se, no presene rblho, que s correções de Bgley e Weissemberg-Rbinoisch em reomeri cpilr não podem ser desprezds, um vez que não uilizção dess correções pode levr erros superiores % no vlor d viscosidde dos polímeros. 6. AGRADECIMETOS Os uores grdecem o CPq e FAPERJ pelo supore finnceiro recebido. 7. REFERÊCIAS 1. HAGE, G. H. L., Ann. Phy. Chem., 6, p. 2, POISEUILLE, L. J., Compes Rendus, 11, p. 961, 18.. BAGLEY, E. B., J. Appl. Phys., 28, p.62, MACOSKO, C. W., Rheology: Principles, Mesuremens, nd Applicions, VCH Publishers, Inc., e York, p. 5. RABIOWITSCH, B. Z., Phys. Chem., A15, p.1, POLYMER PROCESSIG AALYSIS USIG CAPILLARY RHEOMETRY Robero Guimrães Pereir UFF, Mechnicl Engineering Deprmen, Ru Psso d Pári, 156, 221-2, ierói, RJ, e-mil: emrobe@vm.uff.br Anon Benirschke UFF, Mechnicl Engineering Deprmen, Ru Psso d Pári, 156, 221-2, ierói, RJ Absrc: Cpillry Rheomery is one of he mos useful ools o rheologicl chrcerizion nd process simulion of polymer mels. This ork presens n invesigion concerning he influence of he Bgley nd Weissemberg-Rbinoisch correcions on mesured d obined from cpillry rheomeer hen differen polymer mels ere esed. In he mos of he cses, hese correcions ere no used. I s difficul nd required much ime o be pplied. Tody, ih he dvnce of he modern rheomeers, he pplicion of hese correcions is no longer problem. The folloing polymers ere used in his sudy: Acrylonirile-Budiene-Syrene Terpolymer (ABS), High Densiy Polyehylene (HDPE), Polypropylene (PP) nd Polysyrene (PS). Key-ords: Rheology, Cpillry Rheomery, Polymer Mels, Bgley Correcion, Weissemberg- Rbinoisch Correcion.