NOVOS DESENVOLVIMENTOS EM EXTRUSÃO DE COMPOSTOS COM FIBRAS NATURAIS

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1 NOVOS DESENVOLVIMENTOS EM EXTRUSÃO DE COMPOSTOS COM FIBRAS NATURAIS Marcelo Takimoto Albernaz 1* 1 Coperion Ltda Marcelo.albernaz@coperion.com Rua Dona Germaine Burchard, 41, São Paulo - SP NEW DEVELOPMENTS IN EXTRUSION WITH NATURAL FIBERS The attempt to produce composites of high quality at a lower cost has opened space for a new type of composition: Composition with natural fibers (wood, curauá, bagasse of sugar cane, sisal, coconut fiber and etc). Due the abundance and the easiness of attainment, the wood/natural fiber can widely be used as load for plastics compounds. The natural fiber besides possessing at lower cost, it helps to develop the recycling of materials that today are wasted or are burnt. This economy does not have only one social benefit, but also it can generate an economy in the industry. The natural fiber composites are lighter and possess sufficiently interesting mechanical properties for application in the automobile industry, of furniture, footwear and etc. Introdução Até agora, a extrusão com madeira e fibras naturais não foi tão bem difundida devido a grande dificuldade de produzir um composto com boa qualidade. As fibras naturais carregam uma grande quantidade de umidade que é crítica na determinação do grau de qualidade do composto final. O outro problema que existe na extrusão de composto com fibras naturais é a dificuldade de incorporar, sem queimar a fibra no composto durante a extrusão e principalmente na granulação. Existe hoje, um novo sistema de extrusão que permite a incorporação de fibras naturais, sem a necessidade de pré-secagem da fibra. Esse sistema permite tanto a produção de granulados para futura extrusão ou injeção, como a extrusão direta de perfis. Normalmente são produzidos compostos de PE ou PVC com fibras naturais, devido ao menor risco de queima da fibra com o ponto de fusão baixo desta resina. O sistema de extrusão desenvolvido pela Coperion permite trabalhar tanto o PE, como o PP com cargas de até 70% de fibra de madeira sem problema de queima, dispersão ou umidade. A grande vantagem desse novo sistema está na secagem da fibra durante o processo de extrusão, que representa uma economia energética bastante considerável. Normalmente esse sistema permite trabalhar com fibras com umidade acima de 7%. Para extrusão direta de perfis, o sistema de extrusão admite um percentual de umidade bastante alto. O fato do sistema não conseguir retirar a maior parte da umidade da fibra, não causa impactos muito grandes na produção do perfil. Para extrusão de granulados para futura injeção, a presença de qualquer quantidade de umidade traz conseqüências muito grandes na qualidade do produto final. O produto fica com as suas propriedades mecânicas reduzidas e até mesmo comprometidas. Existe o problema de manchas (fogging) na peça e algumas vezes, a presença de bolhas na peça final. A extrusora é utilizada neste processo para misturar, cisalhar, incorporar, dispersar, reagir, reforçar, esterilizar, degaseificar e plastificar o composto. Quando olhamos o sistema detalhadamente, verificamos que é na extrusora que o material adquire a sua característica final, mais precisamente dentro da zona de processamento onde é determinada a propriedade do material.

2 Experimental A metodologia utilizada neste trabalho foi de experiências práticas e melhoria do processamento através do acompanhamento de vários testes de extrusão com fibras naturais com a matriz da Coperion Werner & Pfleiderer na Alemanha e Estados Unidos. Vários processos de desenvolvimento de configurações de perfis de rosca, variações de comprimento de zona de processamento (L/D) e de sistemas de alimentação, degasagem e peletização foram efetuados visando aperfeiçoar o processamento do composto. Foram também variadas as formulações, com diferentes tipos de madeira, diferentes percentuais de carga, tamanhos de fibra, tipos de fibra, percentuais de umidade. Também foram utilizados diferentes tipos de aditivos (agente de ligamento, modificadores de impacto, lubrificantes, anti-uv e etc). Por que usar madeira ou fibra naturais nos termoplásticos? O composto com fibras naturais tem as suas propriedades mecânicas, a sua tenacidade e a resistência tanto ao impacto como a tração melhoradas, comparado quando analisamos as características da madeira ou do polímero sozinhos. Outra vantagem deste composto é o custo reduzido do mesmo, já que a carga é obtida praticamente sem custo. Esse composto também tem seu peso específico mais baixo quando comparado com outros compostos com outros tipos de carga (por exemplo Talco). Os custos de produção também são menores já que é possível diminuir os ciclos de injeção com temperaturas de processamento mais baixas. A peça final também está menos sujeita ao encolhimento. Portanto, é um composto mais adequado para injeção. O processamento com fibras naturais também possui a vantagem de ser menos abrasivo para o equipamento, diminuindo expressivamente os custos de manutenção. O composto com fibras naturais tem uma finalidade ecológica, já que a carga é normalmente proveniente de resíduos produtivos de serralharia e na maioria das vezes, esse resíduo é simplesmente queimado. Vantagens da utilização da fibra sem pré-secagem Para extrusão direta de perfis, o composto com fibras naturais aceita um percentual alto de umidade sem causar muitas conseqüências para o produto final. Para extrusão de granulados que serão utilizados principalmente para a injeção, existe normalmente a necessidade de pré-secagem da fibra para posterior alimentação na extrusora. Existem sistemas de extrusão que necessitam que a madeira alimentada seja pré-secada a um percentual de umidade menor que 1%. Somente assim é possível produzir um composto com qualidade para granulação e futura injeção. O problema de obter a carga com um percentual tão baixo de umidade está no risco de explosão no seu manuseamento e armazenamento. Outro problema de trabalhar com um percentual tão baixo de umidade está na dificuldade de manter a madeira a este percentual de umidade, já que depois de seca, a madeira absorve umidade do ambiente. Outra vantagem na secagem da madeira durante a própria extrusão está na economia energética. Além da economia energética de secar a madeira durante o processo de extrusão, é possível economizar no custo pré-secador e no custo adicional deste mesmo equipamento na manutenção. O custo de um pré secador para atingir um percentual tão baixo de umidade também é muito oneroso. O fato de poder secar a madeira durante o processo de extrusão, facilita o manuseamento da matéria prima e garante uma economia energética bastante considerável.

3 Resultados e Discussão O sistema de extrusão tem uma influência muito grande no resultado final do composto. Cada um tem a sua vantagem e desvantagem e deve ser selecionado de acordo com a necessidade do processo. Uma extrusora é composta pelo sistema de alimentação que pode ser volumétrico ou gravimétrico, sistema de acionamento que é composto pelo motor, acoplamento e redutor, zona de processamento, sistema de controle, sistema de refrigeração e finalmente a saída da máquina. Existem vários tipos de sistemas de extrusão, entre eles: Monorosca: Normalmente a monorosca entra no processo de extrusão com fibras naturais apenas para a produção de perfis utilizando os granulados do produto já previamente processado em uma outra extrusora dupla rosca. Em função da sua restrição de degasagem, não é possível a retirada de umidade durante o processo. Duplas roscas: São equipamentos compostos por dois eixos paralelos, que realizam o trabalho de processamento através da combinação de vários tipos de elementos de rosca, realizando o trabalho mecânico entre os elementos de rosca dos dois eixos e entre os elementos de rosca e os barris da zona de processamento. Podem ser: Co-rotantes: Os dois eixos rotacionam no mesmo sentido, transportando o material por câmaras abertas, o que acrescenta uma mistura longitudinal ao produto e permite com que seja criado um efeito auto-limpante nos elementos de rosca. Devido a sua alta versatilidade para aumento de rotação e adequação do perfil de rosca pode ser utilizado na grande maioria dos processamentos de compostos. Para produção de compostos com fibras naturais, existe a possibilidade de alimentação inicial da fibra no primeiro barril e posteriormente da resina através de uma dupla rosca lateral no zona intermediária do canhão da extrusora. Esse processo aceita alimentação da fibra com mais de 7% de umidade e seca a mesma no canhão da extrusora durante o processamento. Esse sistema é normalmente utilizado para extrusão direta de perfis, mas tem a desvantagem de ter uma produtividade relativamente baixa. Co-rotante 2: Existe também a possibilidade de produzir o composto com fibras naturais alimentando primeiramente a resina e posteriormente a fibra através de uma extrusora lateral. Esse sistema era limitado pela quantidade de umidade da fibra que normalmente não podia ser superior a 3% para produção de granulados. Com um sistema inovador de degasagem é possível alimentar a fibra com umidades elevadas (superior a 7%) e mesmo assim, atingir uma produtividade bastante alta. Contra-rotantes: Os dois eixos rotacionam em sentidos opostos fazendo com que o produto seja transportado por câmaras fechadas entre os elementos de rosca. Este sistema proporciona boa eficiência de transporte do produto, boa pressurização e reduzido efeito longitudinal de mistura. Possui características adequadas para processamento de PVC, principalmente para produção de perfis. Este sistema tem limitações com processamento em alta rotação e não torna possível a remoção da umidade durante o processo.

4 Comparação entre sistemas de extrusão Single screw extruder Twin screw extruder Multiple screw extruder Co-rotating Counter-rotating Intermeshing Not intermeshing Evolução do perfil de processamento da extrusora dupla rosca co-rotante. ZSK standard D o / D i = 1.25 Increase of torque and volume Free Balanced ratio between free volume and torque Torqu ZSK variable ZSK Super D o / D i = 1.55 ZSK MEGAcompounde D o / D i = 1.55 Increase of volume Increase of torque Same centre distance Flight Free volume and permissible as a function of flight ZSK MEGAvolume D 0 / D i = 1,80 Same centre distance Entre as extrusoras corotantes existem diferentes profundidades do canal da zona de processamento. O aumento do volume interno na zona de processamento e o aumento do torque disponível na extrusora são grandes responsáveis pelo aumento da produtividade da extrusora e pela menor degradação da fibra durante o seu processamento. O canal mais profundo dos elementos de rosca permite que o material possa ser processado a rotações mais elevadas, sem aumento do cisalhamento médio gerado comparado ao sistema com canal menos profundo. Essa característica facilita a alimentação e a incorporação da fibra natural sem o aumento da degradação do produto. O torque mais alto permite o aumento de alimentação de produto mesmo sem o aumento da rotação.

5 Processamento Para o processamento de compostos plásticos, normalmente a zona de processamento de uma extrusora dupla rosca é composta pela zona de alimentação e transporte, zona de plastificação e mistura, zona de degasagem que pode ser atmosférica ou a vácuo e a zona de pressurização para vencer a resistência causada pela matriz de saída da extrusora. Layout Geral de Processo Alimentação M Degasagem Zona de Alimentação Melting zone Degassing Metering zone zone (pressure build-up) Layout depending on processing task and polymer to be processed Características dimensionais dos elementos de rosca O perfil da configuração de rosca é um dos principais fatores que determina a maneira de como é processado o material dentro da extrusora. Diferente da monorosca, a dupla rosca possui um eixo com o perfil de rosca segmentado, ou seja, o perfil de rosca é composto por vários elementos de rosca. Existem muitos tipos de elementos de rosca que podem causar maior ou menor transporte, cisalhamento e ou mistura dependendo do seu formato e da maneira de como é combinado. Para o processamento de compostos com fibras naturais é muito importante realizar uma mistura intensa com um cisalhamento mais baixo, para que não ocorra a degradação e queima da fibra.

6 Dificuldades de processamento Existem várias limitações e fatores que dentro de um processo de extrusão, devem ser analisadas na determinação de um perfil de rosca: Tecnologia e características da máquina: Para definir as características de processamento e a definição do perfil de rosca devem ser levados em conta: Comprimento da zona de processamento (L/D), Torque, rotação, volume livre disponível dentro da zona de processamento, tipos de elementos de rosca (um, dois ou três lóbulos), potência de aquecimento dos barris da zona de processamento e potência do equipamento. Em função das diferenças dessas características é possível que um equipamento produza até três vezes mais que outro de mesmo diâmetro de rosca. L/D (comprimento/diâmetro) Comprimento da Zona de Processamento: Cada composto requer um tempo de residência e um comprimento de processamento para efetuar o processamento do composto para promover as reações, misturas, incorporações, degasagem, mas que também não pode ter a zona de processamento muito longa a fim de degradar o produto e aumentar o consumo de energia para o seu processamento. Veja a seguir alguns L/D típicos para processamentos de alguns compostos plásticos: Compounding of polyolefins Compounding of masterbatch Compounding of filled and reinforced materials Compounding powder coatings

7 Limitações de alimentação: Para extrusão de compostos com fibras naturais, normalmente a limitação do equipamento está na capacidade de incorporação/alimentação da fibra e não no torque para o processamento do composto. Podem ocorrer dificuldades no processamento do composto devido a quantidade de fibra que está sendo alimentada. Além da modificação dos elementos de rosca, é possível aumentar a rotação da extrusora. Embora o aumento de produção não seja linear ao aumento de rotação dos eixos da extrusora, devido a perda de eficiência de transporte dos elementos de rosca, é também possível aumentar a alimentação e a conseqüente vazão da máquina com o aumento da rotação. Influência na transferência de calor ao polímero processado: O polímero pode ser plastificado através do aquecimento dos barris da zona de processamento (por vapor, óleo ou eletricidade), através do cisalhamento gerado pelo trabalho mecânico dos elementos de rosca e pela transferência de calor entre o polímero plastificado e o polímero sólido dentro da zona de processamento. Quando olhamos cada uma dessas influências, verificamos que o aquecimento gerado pelos barris produz uma influência muito pequena quando comparado com o calor gerado pelo cisalhamento do perfil de rosca. Esta influência do calor transferido pelos barris ainda se torna menor quanto maior for o diâmetro da extrusora. Tendo em vista estes fatos, a transferência de calor ao polímero pode ser mais facilmente influenciada através da rotação dos eixos da extrusora, da modificação do número de blocos de amassamento do perfil de rosca e da maior ou menor alimentação do composto dentro da extrusora. Para a extrusão de compostos com fibras naturais esse cuidado se torna ainda mais crítico, já que a fibra de madeira (celulose) normalmente começa a degradar a 200oC. Degasagem: Para que o perfil de rosca proporcione uma boa degaseificação (remoção de umidade e voláteis) do composto são necessários: - Tempo de residência suficiente dentro da extrusora para permitir a remoção dos voláteis; - Viscosidade adequada do polímero que pode ser influenciada pelo aumento de temperatura; - Pela superfície da massa plastificada dentro da extrusora que é influenciada pelo grau de enchimento da rosca; - Pela renovação da superfície do polímero plastificado que é determinada pela intensidade de mistura; - Pela diferença de pressão que pode ser influenciada por uma degasagem atmosférica ou a vácuo. Para uma boa degasagem é importante que o polímero esteja todo plastificado. Para a remoção da umidade dentro dos compostos com fibras naturais existe ainda o problema da geração de uma grande quantidade de espuma o que dificulta enormemente a remoção da umidade. Existe uma tendência muito grande do produto tender a sair da extrusora pelo canal de degasagem juntamente com a umidade. Pressurização: A fim de superar a resistência causada pela matriz e pelos acessórios de descarga é importante verificar se o passo dos elementos de rosca está adequado para o tipo de produto processado; se o perfil de temperatura da zona de processamento dos barris está correto (temperatura um pouco menor na zona de pressurização) e se a especificação dos equipamentos de descarga estão adequados (quantidade e diâmetro de furos da matriz, se a tela do troca-tela não está muito fina...).

8 Sistemas de granulação Uma das grandes dificuldades na produção de compostos com fibras naturais está na produção do material granulado. Em função das propriedades da madeira, é muito difícil determinar o sistema de corte adequado que não degrade ou queime a fibra natural durante o processo de peletização. Existem diferentes possibilidades para a peletização de compostos com fibras naturais: - Sistema de corte por banheira: Para compostos com alto percentual de carga de fibra ficam extremamente quebradiços e não permitem a peletização contínua do filete de produto. Normalmente é possível granular do filete do composto com até 30% de madeira, onde acima desse percentual inicia a ocorrer a quebra do filete antes de chegar na granulador. - Sistema de corte na cabeça a seco: Este sistema corta o composto no cabeçote da extrusora com a refrigeração no ar. O problema deste sistema é que a refrigeração pneumática é suficiente apenas para algumas poucas resinas bases (principalmente o PVC). Para a grande maioria dos compostos com fibras naturais, esse sistema não pode ser utilizado. - Sistema de corte a seco com pulverização de água: Para atender a uma quantidade maior de compostos e melhorar a refrigeração do material granulado, alguns sistemas de corte a seco adicional um sistema de pulverização de água para aumentar a eficiência de refrigeração, mas que também não é suficiente para a refrigeração dos compostos com fibras naturais. - Sistema de corte na cabeça sob água: Sistema amplamente difundido, mas que no caso de fibras naturais tem algumas desvantagens. Pelo fato da matriz sempre estar em contato com a água, a mesma deve ser constantemente aquecida para evitar que o produto congele no cabeçote. Uma vez que a matriz deve ser aquecida, existe o problema de que compostos com percentuais de madeira acima de 45-50% tem a fibra de madeira queimada na cabeçote durante o corte do granulado. - Sistema de corte na cabeça por anel de água: O sistema de corte na cabeça com anel de água corte o composto no ar e refrigeração do produto na água. Esse sistema permite trabalhar com cargas de madeira acima de 60% sem problema de queima da fibra durante o corte. Outro fator de direta influência nas propriedades mecânicas do composto está na utilização do aditivo e agente de acoplamento (por exemplo MAH). O resultado abaixo mostra a diferença de resultado: Composites Flexural Bending Tensile Strength Modulu strength (MPa) s (GPa) (MPa) WF/PP WF/PP/MA PP Impact Energy (kj/m2)

9 Consumo de Energia Específica Existem muitas maneiras de avaliar a performance de um perfil de rosca na extrusora dupla rosca. Os primeiros benefícios de uma configuração de rosca adequada estão no aumento de produtividade da máquina, mantendo ou melhorando a qualidade final do produto. Uma outra maneira de avaliar a performance de um perfil de rosca é através do cálculo de consumo de energia específica. Quanto menor for o consumo de energia específica, melhor será o aproveitamento da transmissão de energia da máquina para o produto. A energia específica é o consumo de potência do motor em relação a produção da máquina. É de vital importância para determinar a eficiência do perfil de rosca para o processo específico. O consumo de energia específico da extrusora dupla rosca pode ser calculado da seguinte maneira: SEI : Energia Específica PM: Potência do motor consumida TR: Produção da máquina SEI = PM / TR Exemplo de cálculo: ZSK 40 MC Rotação: Potência do motor: rpm 110 kw Condições de operação: Vazão: 430 kg/h Rotação atual: 900 rpm Leitura de Torque: 75% Cálculo: SEI= ((900/1200) x 110 kw x 75%) / 430 kg/h = 0,144 kwh/kg Exemplos de valores de energia específica para alguns compostos: - PP com 40% talco rpm : 0,16 kwh/kg --- (1200 rpm : 0,22 kwh/kg) - PP com 50% de madeira: 0,15KWh/Kg Conclusões Para processar compostos com fibras naturais é necessário que a extrusora utilizada tenha elementos de rosca com canais profundos para uma boa degasagem e para facilitar a alimentação, um L/D suficiente para realizar todo o processamento, um sistema de degasagem atmosférico e a vácuo eficiente e auto-limpante além de um sistema de peletização adequado. A utilização de aditivos, o tipo de fibra natural e o uso de agentes de acoplamento têm influência direta nas propriedades mecânicas do composto. Esse novo sistema desenvolvido pela Coperion permite trabalhar com fibras/cargas naturais com umidade superior a 8 %. Referências Bibliográficas 1. Schwendemann, Daniel - Wood to fiber Composites. 2. Reuβmann, T.; Mieck, K.P.;Brussel, R. Verfahren zur Direcktverarbeitung von Naturalangfasern im Plastifizier-Pressprozess. 3. European Patent EP B, 2004.