INFLUÊNCIA DA CAMADA DE AR ENTRE POLIAMIDA E MOLDE NA ETAPA DE RESFRIAMENTO DA ROTOMOLDAGEM

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1 INFLUÊNCIA DA CAMADA DE AR ENTRE POLIAMIDA E MOLDE NA ETAPA DE RESFRIAMENTO DA ROTOMOLDAGEM C. Köppen 1, V. Verona 2, M. M. Pariona 3, B. M. Carvalho 4 1 Universidade Estadual de Ponta Grossa, Avenida General Carlos Cavalcanti 4748, Paraná, Brasil - conradok@hotmail.com; 2 Universidade Estadual de Ponta Grossa vavgalera@hotmail.com, 3 Universidade Estadual de Ponta Grossa - mmpariona@uepg.br; 4 Universidade Estadual de Ponta Grossa-benjamim@uepg.br Effect of Air Gap Between Polyamide and Mold in the Cooling Stage of the Rotational Molding The purpose of the present work was to simulate the cooling phase of the rotational molding process for a polyamide sample in order to evaluate the influence of the air gap between polymer-mold on the cooling time. The software Ansys was used to perform the simulation by the finite element method. The simulation performed in the present work indicated that the effect of the air gap is more important than the heat of crystallization on the temperature profile for a polyamide sample during the cooling phase of the rotational molding. However, the air gap is not so important on the temperature profile of the mold. Introdução O processo de rotomoldagem está se tornando cada vez mais uma opção de engenharia para a produção de peças, sendo uma área da indústria polimérica que cresce acima da média em nível mundial. Este fato também tem sido um grande estímulo para o desenvolvimento de pesquisas na academia envolvendo simulação do processo, que contribuem de maneira significativa para que se sejam conhecidas as variáveis que mais influem na rotomoldagem tanto em termos de qualidade quanto em termos de produtividade. Estes estudos têm contribuído para que a rotomoldagem seja considerada seriamente como uma opção de engenharia baseada em fundamentos científicos. No entanto, para que rotomoldagem ocupe outros nichos de mercado que exigem produtos com maior desempenho mecânico, é preciso criar alternativas ao polietileno, tendo em vista suas limitadas limitações neste aspecto. Portanto, no presente trabalho utilizou-se uma amostra de poliamida. Como a etapa de resfriamento é a mais longa e influi significativamente na produtividade do processo e qualidade do produto final, deu-se ênfase ao seu estudo e simulação computacional. O presente trabalho tem como principal enfoque o estudo do efeito da retração do volume do polímero durante seu resfriamento, o que gera a formação de um gap de ar entre o molde metálico e o próprio polímero, influenciando o processo de resfriamento.

2 Experimental As simulações foram então realizadas em computador PC AMD Semprom 2.01 GHz; RAM de 512 MB, utilizando-se o Software ANSYS TM versão 10.0, que se baseia no método de elementos finitos. Foi utilizada na simulação dados de uma poliamida 66 da DuPont - Nylon 66 L NC010. A Equação 1 foi utilizada na solução do problema. Esta equação é expressa em função da entalpia, que inclui o calor de cristalização, conforme a Equação 2. Este calor de cristalização foi determinado experimentalmente utilizando-se ensaio de calorimetria exploratória diferencial. Foi utilizado DSC 7 da Perkin-Elmer a taxa de resfriamento de 40 o C/min sob atmosfera de nitrogênio, após a fusão da amostra à temperatura de 285 o C por cinco minutos T T T k + + = x y z dh dt (Equação 1) H = ρ dt + (Equação 2) c H c Com a incorporação do calor de cristalização experimental obtido para a poliamida ao longo de seu resfriamento, a entalpia do polímero segue um comportamento conforme a curva apresentada na Figura 1. 6,0E+08 Entalpia (J/m³) 4,0E+08 2,0E+08 0,0E Figura 1 Curva de entalpia da poliamida obtida por meio da Equação 2 utilizando-se os dados de cristalização em DSC para a taxa de resfriamento de 40 C/min. Tendo em vista que grande parte da contração de um polímero semi-cristalino é devido ao efeito da cristalização, considerou-se que o gap de ar entre o molde metálico e o polímero começa

3 a se formar a partir de uma determinada temperatura T ic onde se tem início o processo de cristalização, atingindo uma determinada espessura máxima δ a quando o polímero cristaliza-se e retrai-se totalmente. No entanto, para simplificar o problema e não ser necessário trabalhar com geometria variável, fixou-se a espessura da camada de ar δ a durante toda a etapa de resfriamento, variando-se artificialmente sua condutividade térmica em função da temperatura de modo que se tivesse uma resistência térmica equivalente. A Figura 2 apresenta de forma esquemática esta camada de ar fixa. Figura 2 Molde, abertura de ar, plástico e transferência de calor por convecção durante o resfriamento do processo de moldagem rotacional. Quando o gap de ar ainda não existe, a resistência térmica entre molde e polímero é apenas de contato, tendo um valor muito baixo. Para isso, adotou-se a condutividade do gap igual a 5.6 W/m.K, sendo 10% do valor da condutividade do molde metálico, gerando uma resistência térmica baixa, pois a condutividade do metal é em torno de 250 vezes superior à do polímero, sendo esta proporção ainda maior quando comparada à do ar. Quando o polímero termina sua retração, o gap de ar assume sua espessura final, e a resistência térmica entre molde metálico e polímero aumenta consideravelmente e assume seu valor máximo, conforme a Equação 3: δ a Rmax = (Equação 3) k a Onde R máx é a resistência térmica máxima da camada de ar, δ a é a espessura fixa do gap de ar e k a é a condutividade real do ar.

4 Utilizando-se destes parâmetros, e conhecendo-se a temperatura de descolamento entre molde e polímero (região onde ocorre a cristalização no resfriamento obtido em DSC), construiu-se uma curva artificial de condutividade térmica do ar em função da temperatura, como mostra a Figura 3: 6 Condutividade Térmica (W/m.K) Figura 3 Variação artificial da condutividade térmica do gap de ar ao longo de sua temperatura. A geometria do sistema de moldagem rotacional simulado é radial (uma esfera oca), de modo que o fluxo de calor ocorre simétrica e radialmente ao longo da espessura. Isso deu a possibilidade de criar um modelo numérico bidimensional, economizando tempo de processamento e espaço em disco rígido para registro de resultados. Nas simulações foi utilizado o elemento bidimensional retangular PLANE55 com nó central, tendo sido empregados 50 elementos ao longo da espessura do polímero e 30 ao longo do gap de ar e 10 ao longo da espessura do molde metálico. A condição de contorno utilizada de contato molde gap de ar e gap de ar polímero foi a igualdade de temperatura. Os parâmetros calor de cristalização e coeficiente de transferência de calor por convecção através da superfície externa do molde foram os mesmos para todas as simulações, a fim de compará-las para obter informações sobre o efeito do gap de ar no perfil de resfriamento do polímero. A transferência de calor do ar interno do sistema de rotomoldagem para o material polimérico foi desconsiderada neste trabalho, pois, como já demonstrado por GOGOS, G. [3], a alteração na temperatura do polímero devido a esta transferência de calor é desprezível. Mesmo que o coeficiente de transferência de calor (h ia ) pudesse ser aumentado drasticamente de maneira irreal, o efeito no tempo total de resfriamento seria desprezível.

5 Resultados e Discussão Na Figura 4, pode-se observar que a temperatura da superfície externa do polímero se torna bastante distinta da temperatura do molde a partir do momento em que ocorre a formação do gap de ar. As posições (1) e (2) indicam, respectivamente, os efeitos do calor de cristalização e da formação do gap de ar no perfil de resfriamento do polímero. 550 (1) (2) Superfície interna da PA Ponto central da PA Superfície externa da PA Superfície externa do molde Tempo (s) Figura 4 Perfis de temperatura em função do tempo para diferentes posições do sistema de rotomoldagem quando se incorpora o efeito do gap de ar e o calor de cristalização do polímero. A Figura 5 apresenta as simulações para o resfriamento das posições-chaves do sistema durante a rotomoldagem, desconsiderando-se o efeito da formação do gap de ar, mas levando-se em conta o calor de cristalização do polímero. As curvas referentes à superfície externa do molde e superfície externa do polímero se superpõem neste caso quando não há gap de ar, pois a condutividade do molde é extremamente elevada, não havendo gradiente no mesmo. Como a condição de contorno utilizada entre molde e polímero foi a igualdade de temperatura, isto faz com que não se perceba diferença de temperatura entre estas posições. Na curva referente à superfície interna do polímero fica muito nítida a influência do calor de cristalização no perfil de temperatura, atrasando o processo de resfriamento. Isto indica que há gradiente térmico entre a superfície externa e interna da parte polimérica e este resfriamento desigual apresenta potencial de empenamento da peça.

6 Tempo (s) Superfície interna da PA Ponto central da PA Superfície externa da PA Superfície externa do molde Figura 5 Perfis de temperatura em função do tempo para posições de maior importância do sistema de rotomoldagem, levando-se em conta o efeito do calor de cristalização, mas desconsiderando-se a formação do gap de ar Com gap de ar e Hc Com gap de ar, sem Hc Sem gap de ar, com Hc Sem gap de ar, sem Hc Tempo (s) Figura 6 Efeito combinado entre presença e ausência de entalpia de cristalização ( H c) e formação de gap de ar na superfície externa do molde. Com base na Figura 6, pode-se afirmar que os parâmetros entalpia de cristalização e formação de gap de ar não afetam consideravelmente o perfil de resfriamento do molde metálico. Portanto, isto representa que o monitoramento apenas do perfil de temperatura do molde no ciclo não é um bom indicativo da real condição de resfriamento da peça polimérica.

7 Com gap de ar e Hc Com gap de ar, sem Hc Sem gap de ar, com Hc Sem gap de ar, sem Hc Tempo (s) Figura 7 - Efeito combinado entre presença e ausência de entalpia de cristalização ( H c) e formação de gap de ar no ponto central da espessura da camada de polímero. A Figura 7 mostra que a formação do gap de ar tem um forte efeito no perfil de resfriamento do polímero, bem maior que o efeito da cristalização do material polimérico durante sua solidificação no processo. Observou-se que esta formação do gap de ar no processo influencia consideravelmente o tempo de ciclo do resfriamento do polímero. O efeito combinado de formação do gap de ar e do efeito do calor de cristalização atrasa significativamente o resfriamento em relação à condição sem formação do gap e sem a liberação do calor no processo de cristalização. Conclusões As simulações computacionais realizadas através do software ANSYS TM para a etapa de resfriamento do processo de moldagem rotacional com geometria 2D se mostraram extremamente interessantes, uma vez que exigem tempo relativamente curto para resolução de problemas de engenharia com o gap de ar. O principal parâmetro observado como determinante na etapa de resfriamento da moldagem rotacional para a poliamida foi a formação do gap de ar entre molde e polímero, o qual atrasou drasticamente o processo de resfriamento do polímero. Observou-se que o calor liberado pelo processo de cristalização da poliamida influencia pouco na velocidade de resfriamento da poliamida, uma vez que sua cristalização ocorre em temperaturas muito próximas à de fusão. Estes dados confirmam a tendência observada em estudo envolvendo simulação da etapa de resfriamento para o polietileno.

8 Agradecimentos Agradecemos ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica (PIBIC) pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. CANOVA, C. Simulação da solidificação de polímeros a partir do fundido quiescente através do método de elementos finitos Tese (Mestrado em Engenharia de Materiais) Universidade Estadual de Ponta Grossa, UEPG, Ponta Grossa. 2. GRECO, A.; MAFFEZZOLI, A.; VLACHOPOULOS, J. Simulation of Heat Transfer during Rotational Molding. Advances in Polymer Technology, p , GOGOS, G.; LIU, X.; OLSON, G. Cycle Time Predictions for the Rotational Molding Process With and Without Mold/Part Separation. Polymer Engineering and Science, Lincoln, Nebraska, v. 39, n. 4, p , BELLEHUMEUR, C.T.; BISARIA M. K.; VLACHOPOULOS J. An experimental study and model assessment of polymer sintering. Polymer Engineering and Science, Lincoln, Nebraska, vol. 36, no.17, VLACHOPOULOS, J.; GRECO, A.; MAFFEZZOLI A. Simulation of heat transfer during Rotational Molding, Wiley Periodicals, Inc. Adv Polym. Techn 22, 1-10, 2003, published on line in InterScience.