LABORATÓRIO DA FUNDIÇÃO IDENTIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DA RESINA ALCALINA DE CURA ESTER COM A VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

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1 LABORATÓRIO DA FUNDIÇÃO IDENTIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DA RESINA ALCALINA DE CURA ESTER COM A VARIAÇÃO DE TEMPERATURA RESUMO No processo Alphaset, a cura do molde ocorre devido a reação de polimerização entre a resina e o catalisador. O tempo no qual a reação de polimerização ocorre é influenciado por dois fatores: temperatura e a relação entre a quantidade de resina e catalisador. Esse estudo procura estabelecer uma correlação entre estes dois fatores. Para avaliar o efeito da temperatura foi realizado o teste de gel time com a resina em diversas temperaturas, já para avaliar a variação da vazão mássica foi realizado o ensaio de Cup Ford. Observou-se que o tempo de polimerização reduz exponencialmente com o aumento da temperatura da resina. O teste de Cup Ford mostrou que a vazão da resina é muito sensível a temperatura. Quando confrontado os dois fatores, observou-se que a temperatura na qual a resina entra no processo possui um efeito dominante sobre a vida de banca do que a proporção entre resina e catalisador. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O gargalo para muitas fundições está na etapa de moldagem, esta que por sua vez é determinada pela vida de banca do molde. Esse tempo é em função de dois fatores: temperatura e a proporção de resina x catalisador. Em dias frios há uma diminuição da quantidade de moldes produzidos devido ao aumento do tempo da reação de cura, que é causada pela temperatura mais amena. Já em dias mais quentes há uma perda de moldes devido ao rápido processo de cura, que por vezes acontece mesmo antes de se terminar o molde. Esse problema é agravado se além da temperatura ambiente estiver elevada, acrescentarmos areia quente ao processo, pois geralmente os trocadores de calor do sistema de areia também perdem a eficiência no verão. Dessa forma é necessário trabalhar com resinas ou catalisadores que se adequem melhor a essa instabilidade no processo, e que também possam reduzir os custos do mesmo. Esse estudo procura estabelecer um entendimento entre estes dois fatores na vida de banca, estabelecendo o mais predominante, para que assim possamos otimizar o processo utilizando o melhor tipo de resina e catalisador, sem perder a produtividade. No processo de cura a frio temos dois tempos importantes, a saber: Vida de banca: tempo que o processo de polimerização da resina inicia-se Tempo de cura: tempo que o processo de polimerização termina.

2 Atingido o tempo de cura não é possível ligar os grãos de areia, e como esses grãos não tem ligação são removidos facilmente pelo metal líquido, podendo causar problemas nas peças. Em moldes pequenos essas diferenças não são muito sentidas e até apreciadas quando há uma diminuição no tempo de cura, pois há um aumento na produtividade. Fator que já é indesejável em moldes grandes, pois devido à demora no preenchimento da caixa pode ocorrer regiões com diferentes tempos de curas, causando a falta de coesão no molde, podendo causar quebras, penetração de metal ou em casos mais graves vazamento de moldes. Em função disso foi realizado um estudo para verificar a influência da temperatura na vida de banca da resina. Nos testes foram utilizadas duas resinas, que foram aquecidas em várias temperatura para simular as variações da temperatura da areia, já o catalisador permaneceu a mesma temperatura de oc em todos os ensaios. A vazão mássica de resina e catalisador também tem importância no processo de cura. O catalisador possui uma viscosidade praticamente constante independentemente se o dia é típico de verão ou inverno. O mesmo não ocorre para a resina que tem sua viscosidade afetada em função da sua temperatura que a mesma se encontra. Deste modo em dias quentes entra mais resina no processo do que catalisador; já em dias frios a viscosidade da resina aumenta, o que dificulta a passagem da resina pela bomba, fazendo diminuir a taxa na qual a resina chega no processo de moldagem. MATERIAIS E MÉTODOS Vida de banca O ensaio para avaliar a vida de banca foi o de gel time, para isso usou-se,000+0,0g de resina para 00+0,0g de catalisador; os dois componentes foram misturados num recipiente por 1 minuto com o auxilio de um bastão de vidro e em seguida deixados em repouso. O tempo entre a mistura dos componentes até a vida de banca foi cronometrado. Nos testes foram utilizadas duas resinas (aditivada e a normal), que foram aquecidas em várias temperatura (,,,,,,, e oc) para simular as variações da temperatura da areia, já o catalisador permaneceu a mesma temperatura de oc em todos os ensaios. Este ensaio foi realizado 4 vezes para cada uma das temperaturas estudadas. Neste teste foram utilizadas duas resinas, uma normal e outra aditivada. Já o catalisador usado foi a triacetina. Vazão Mássica Para avaliar a vazão mássica da resina foi realizado o ensaio de Cup Ford. O ensaio consiste em determinar quanto tempo certo material (neste caso a resina) leva para escoar por um determinado orifício; o material é colocado no Cup Ford, retirado seu excesso e à primeira interrupção do fluxo o tempo é anotado e massa de resina que escoou é pesada. O ensaio foi realizado com a resina em diferentes temperaturas (,,,,,,, e oc). Para cada uma das temperaturas foram realizadas três medições. A resina utilizada foi a aditivada.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Vida de banca: resina aditivada A Tabela 1 mostra os tempos de vida de banca obtidos no ensaio de gel time com a resina aditivada. Tabela 1 Tempos de vida de banca com a resina aditivada. o Temperatura da resina ( C) Amostra 1 00:13:22 00::39 00:08:33 00:08:39 00:05:37 00:04:18 00:03:21 00:02:31 00:01:59 Vida de banca (h:min:s) Amostra 2 Amostra 3 00:12:27 00:13:03 00:: 00::36 00:08:39 00:08:54 00:06: 00:07:21 00:05: 00:05:13 00:03:27 00:04:21 00:03:24 00:02:58 00:02:12 00:02:17 00:01:47 00:01:48 Amostra 4 00:13:24 00::46 00:08:56 00:07: 00:04: 00:05:00 00:02:56 00:02:16 00:01: Média Desvio padrão 00:13:04 00:00:26 00::37 00:00:09 00:08:46 00:00:11 00:07:26 00:00:55 00:05: 00:00:27 00:04:16 00:00:38 00:03: 00:00: 00:02:19 00:00:08 00:01: 00:00:06 Te m p o de vi da de ba n c a ( mi n) O Gráfico 1 ilustra os resultados obtidos na Tabela1. Observa-se que a tendência do gráfico é uma curva exponencial, quanto maior a temperatura, menor o tempo necessário para a cura. Vida de banca da resina em função de sua temperatura 00:14:24 00:12:58 00:11:31 00::05 00:08:38 00:07:12 00:05:46 00:04:19 00:02:53 00:01:26 00:00: Tempera tura da resina (oc) Gráfico 1 Tempo de vida de banca em função da temperatura resina aditivada. Tomando a temperatura de oc como o tempo padrão temos a Tabela 2 que mostra o acréscimo ou a redução da vida de banca em função da temperatura.

4 Tabela 2 Variação o tempo de vida de banca em percentual. Resina aditivada Temperatura da resina (oc) Variação do tempo de banca Acréscimo de 75,4% Acréscimo de 42,5% Acréscimo de 17,6% Padrão Redução de 28,4% Redução de 42,7% Redução de 57,5% Redução de 69,0% Redução de 75,4% Observa-se que a vida de banca reduz 57,5% quando aumenta-se oc acima da temperatura padrão tornando o processo instável a partir desse ponto. O mesmo pode-se dizer para uma redução de º C na temperatura; tornando o processo muito lento. A Figura 1 mostra o aspecto apresentado pelas amostras após a cura completa. Figura 1 Aspecto das amostras com a resina aditivada.

5 Vida de banca: resina normal A Tabela 4 mostra os resultados obtidos no ensaio de gel time para a resina sem a presença de aceleradores (resina normal). Tabela 4 Resultados obtidos nos ensaios com a resina normal. Resina 1470 Temperatura da resina (o C) Amostra 1 00:: 00:13:38 00:11:22 00:09: 00:07:00 00:04:53 00:04:21 00:03:07 00:02: Vida de banca (h:min:s) Amostra 2 Amostra 3 00:: 00:14:48 00:12:19 00:13:07 00:11:27 00:11:32 00:09:23 00:09: 00:06: 00:07:13 00:05:13 00:05:42 00:03:59 00:04:07 00:03:11 00:02:55 00:02:37 00:02: Amostra 4 00:16:04 00:12: 00:11:06 00:09:19 00:07:13 00:05:19 00:04:07 00:03:12 00:02:29 Média Desvio padrão 00:: 00:00:32 00:12:51 00:00:39 00:11:22 00:00:11 00:09:19 00:00:07 00:07:01 00:00:16 00:05:17 00:00: 00:04:09 00:00:09 00:03:06 00:00:08 00:02:33 00:00:04 Te m p o de vi da de ba n c a ( mi n) O Gráfico 2 ilustra os resultados obtidos na Tabela 4. Vida de banca da resina em função de sua temperatura 00:17:17 00:: 00:14:24 00:12:58 00:11:31 00::05 00:08:38 00:07:12 00:05:46 00:04:19 00:02:53 00:01:26 00:00: Tempera tura da resina (oc) Gráfico 2 Tempo de vida de banca em função da temperatura para a resina normal. Atribuindo novamente o tempo referencia à temperatura de oc temos a Tabela 5 que mostra o acréscimo ou a redução da vida de banca em função da temperatura para a resina normal.

6 Tabela 5 Variação o tempo de vida de banca em percentual. Resina normal Temperatura da resina (oc) Variação do tempo de banca Acréscimo de 65,6% Acréscimo de,0% Acréscimo de 22,1% Padrão Redução de 24,6% Redução de 43,2% Redução de 55,4% Redução de 66,7% Redução de 72,6% Podemos observar que há uma redução nos tempos de banca, entretanto comparandose percentualmente a resina apresenta comportamento similar a aditivada, principalmente acima de º C da temperatura ambiente a resina torna-se instável. A Figura 2 apresenta o aspecto obtido após o tempo de cura da resina nas diversas temperaturas estudadas. Figura 2 Aspecto das amostras com a resina normal.

7 Comparativo: vida de banca resina aditivada e resina normal Fazendo um comparativo entre as resinas para cada temperatura específica obtemos a Tabela 6, na qual observamos que em média a resina aditivada reduz 21,77% o tempo de a vida de banca em comparação a resina normal. Tabela 6 Redução da vida de banca em função do uso da resina aditivada. Vida de banca o Temperatura da resina ( C) Resina Resina Aditivada Normal 00:13:04 00:: 00::37 00:12:51 00:08:46 00:11:22 00:07:26 00:09:19 00:05: 00:07:01 00:04:16 00:05:17 00:03: 00:04:09 00:02:19 00:03:06 00:01: 00:02:33 Média Desvio padrão Redução do tempo de banca promovida pela resina aditivada,23% 17,38% 22,86%,% 23,98% 19,23% 23,69%,26% 28,% 21,77% 4,08% Já Gráfico 3, faz uma sobreposição das curvas dos Gráficos 1 e 2. Observa-se que a tendência de ambas as curvas é exponencial, e que elas seguem em paralelo sendo que a distância entre ambas diminui com o aumento da temperatura. Gráfico 3 Tempo de banca em função da temperatura para as duas resinas estudadas. Com relação ao aspecto apresentado pelas amostras temos as Figura 1 e 2. A resina aditivada apresentou após a cura um tom avermelhado enquanto a resina normal apresentou-

8 se mais rosada. Observou-se também que para a resina aditivada quanto menor a temperatura no ensaio, mais avermelhada a amostra ficava. Vazão Mássica A Tabela 8 apresenta os valores de tempo de escoamento e massa escoada obtidos no teste de Cup Ford para as diversas temperaturas estudadas. Crius CR-1465 Tabela 8- ResultadosResina do ensaio Cup Ford. o Temperatura ( C) Amostra1 Tempo (s) Massa (g) 67,78 132,466 55,18 129,742 49, 131,2 42,75 129,489 36,78 1,0 31,13 1,5 28,78 127,786 26,81 129,772 24,75 129,586 Amostra 2 Tempo (s) Massa (g) 69,75 132,288 54,28 131,270 49,18 131,9 43,28 1,284 38,47 131,017,81 128,2 27,53 127,281 26, 129,5 24,84 129,543 Amostra 3 Tempo (s) Massa (g) 69,00 131,5 55,82 129,607 49,72 1,068 43,03 131,1 39,06 131,021 31,19 129,476 28, 1,121 26,22 129,382, 129,614 Já a Tabela 9 mostra a média o e desvio padrão encontrados para os resultados da Tabela 8. Tabela 9 Média e desvio padrão. Média o Temperatura ( C) Tempo (s) 68,84 55,09 49,42 43,02 38, 31,04 28,24 26,39 24,95 Massa (g) 132,0 1,6 131,068 1,298 1, , , , ,581 Desvio padrão Tempo (s) 0,99 0,77 0,28 0,27 1,18 0, 0,64 0,36 0,27 Massa (g) 0,6 0,924 0,937 0,816 0,473 1,146 1,5 0,196 0,036 Observa-se que para temperaturas baixas o tempo necessário para escoar a mesma quantidade de massa aumenta expressivamente sendo que o inverso também ocorre para temperaturas mais elevadas, onde o tempo de escoamento é menor para uma mesma massa. A Tabela mostra esta diferença mais detalhadamente, onde temos a vazão mássica encontrada para cada temperatura estudada.

9 Resina Crius CR-1465 Tabela Vazão mássica Teste de Cup Ford. Temperatura (oc) Vazão em massa (g/s) 1,92 2,36 2,65 3,03 3,43 4,17 4,55 4,91 5,19 A Tabela comprova que a vazão muda sensivelmente com a temperatura, fazendo que, por exemplo, a oc somente 1,92g de resina por segundo sejam despejadas no processo enquanto que a oc este valor cresce para 5,19g, um crescimento de 270%. O Gráfico 4 ilustra estes dados. 6,00 Vazão em massa (g/s) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Temperatura oc Gráfico 4 Valores obtidos na Tabela. Observa-se que até oc o gráfico apresenta uma curva com tendência linear, um salto na vazão é encontrado entre oc e oc, após esta temperatura a curva apresenta-se linear novamente. A Tabela 11 mostra essas variações em percentual considerando a temperatura de oc como a padrão. Resina CR-1465 Tabela 11 Variação dacrius vazão mássica em percentual. Temperatura (oc) Variação da vazão mássica Redução de 36,4% Redução de 22,1% Redução de % Padrão Aumento de 13,29% Aumento de 37,65% Aumento de,13% Aumento de 62,08% Aumento de 71,%

10 Na Tabela 11 observa-se que o ponto mais crítico ocorre quando a temperatura passa de C para oc onde a vazão praticamente triplica. o Comparativo: vida de banca com a resina normal e vazão mássica A fim de avaliar a influência temperatura tanto quanto da vazão mássica, foi realizado o teste de gel time nas temperaturas mais usuais encontradas em produção (,, e oc) em duas etapas: utilizado-se a quantidade de resina obtida de acordo com a vazão mássica de cada temperatura, veja a Tabela 12, (note que para esse caso o percentual de catalisador em relação a massa de resina se altera para cada temperatura); e com a quantidade de resina fixa, numa proporção de 4 de resina para 1 de catalisador, veja a Tabela 13. Nos testes a temperatura ambiente e do catalisador eram de 27oC. Tabela 12 Teste de gel time. Os parâmetros utilizados levam em consideração a vazão mássica de resina para cada temperatura usada. Temperatura da resina (oc) Massa de resina (g) 38,95 43,75 56,64 68,83 Massa de catalisador (g) Percentual mássico de resina x catalisador 68% x 32% 71% x 29% 78% x 22% 82% x 18% Tabela 13 Teste de gel time, sem alteração na quantidade de resina. Temperatura da o resina ( C) Massa de resina (g),00,00,00,00 Massa de catalisador (g) Percentual mássico de resina x catalisador 75% x % 75% x % 75% x % 75% x % Não foram realizados testes com a temperatura de oc porque ela é considerada a temperatura padrão. Os resultados estão na Tabela 14. Tabela 14 - Os resultados obtidos dos testes das Tabelas 12 e 13. Temperatura da resina (oc) Massa de resina (g) 38,95,00 43,75,00 56,64,00 68,83,00 Massa de catalisador (g) Média dos tempos encontrados (h:min:s) 00:09:29 00:09:49 00:06: 00:07:34 00:04:44 00:04:13 00:04:11 00:03:47

11 Na Tabela 14 observa-se que, para a mesma temperatura, quando se aumenta a quantidade de resina (diminuindo a proporção de catalisador) aumenta-se também o tempo de banca, e o oposto também é válido, ou seja, quando se reduz a quantidade de resina (aumentado a proporção de catalisador ) também se reduz o tempo de banca. Essas variações são mostradas percentualmente na Tabela. Tabela - Variação do tempo de vida de banca quando se altera a quantidade de resina de acordo com os resultados do teste de vazão mássica. Temperatura da resina (oc) Variação o tempo de banca quando realizados ensaios de acordo com a variação da vazão mássica reduziu o tempo de cura em 3,6% reduziu o tempo de cura em,71% aumentou o tempo de cura em 12,% aumentou o tempo de cura em,58% A determinação do fator predominante (temperatura ou vazão de resina) foi feita utilizando os dados das Tabelas 2 e, e obteve-se assim a Tabela 16. Tabela 16 Verificação do fator predominante Neste caso podemos concluir que a temperatura possui um efeito superior na vida de banca do que a proporção entre resina e catalisador (vazão mássica). Por exemplo, a oc mesmo entrando mais resina no processo, é a temperatura da resina que tem maior influência na reação de polimerização, pois no saldo houve uma redução no tempo de banca, confirmando o que foi visto no teste de gel time, onde maior temperatura, menor tempo de banca. CONLUSÃO A temperatura tem um efeito muito significativo na vida de banca da resina. Analisando as duas resinas, pode-se observar que o comportamento entre elas é percentualmente similar. O efeito da temperatura seja ela proveniente da areia ou do ambiente, pode ser considerado crítico para valores acima de ºC. A resina aditivada em comparação com a resina normal apresentou uma reatividade 21,77% maior. Com base na Tabela 6, para não perdermos a produtividade da linha, podemos recomendar que no caso de caixas maiores pode ser utilizada a resina aditivada até uma temperatura da areia/ou ambiente de º C, a partir dessa temperatura recomenda-se utilizar a resina normal.

12 Para a linha de moldes pequenos a resina aditivada pode ser usada até º C, depois a resina normal passa a ser a mais indicada. Dessa forma utilizamos a resina aditivada em substituição de catalisadores mais rápidos, que possuem um custo superior a triacetina, sem perder a qualidade e a produção da linha. A temperatura tem um efeito expressivo na vazão mássica da resina. Esse efeito é mais pronunciado para temperaturas acima de oc. No comparativo entre temperatura e quantidade de resina x catalisador, vemos que a proporção entre resina e catalisador que entra no processo possui um efeito inferior do que da temperatura, no que diz respeito ao tempo de vida de banca do molde. KELI VANESSA SALVADOR DAMIN Engenheira de Materiais AGUINALDO PEREIRA GONSALEZ Engenheiro Metalurgista