O processo básico de filmes tubulares por sopro está ilustrado

Transcrição

1 VI - EXTRUSÃO DE FILMES TUBULARES VI.1 - Descrição do processo O processo básico de filmes tubulares por sopro está ilustrado na Figura VI.1. Figura VI.1 Ilustração de um processo de filme tubular por sopro.

2 Uma extrusora funde o polímero e o força através de uma matriz anular. O polímero fundido extrudado na forma de um tubo é direcionado para cima através de rolos de puxamento. Esta direção constitui se na direção da máquina. Ocorre um estiramento na direção da máquina, o qual é caracterizado pela relação entre a velocidade linear do filme nos rolos puxadores e a velocidade média do fundido na saida da matriz. Esta relação é chamada de "razão de estiramento" ou "razão de puxamento".

3 O polímero fundido na forma de um tubo é resfriado por meio de um anel de refrigeração (air ring) que direciona ar para a superfície externa do tubo. Algumas máquinas são equipadas com refrigeração interna do filme. No início da operação, uma pequena quantidade de ar é introduzido no tubo de polímero fundido, apenas para evitar que este colapse. Após o tubo ter passado através dos rolos de puxamento e formar uma região livre de vazamento, uma quantidade maior de ar é introduzido (soprado) no tubo entre a matriz e o rolo de puxamento. O tubo de polímero fundido infla na direção radial formando então uma bolha.

4 A relação entre o diâmetro da bolha e o diâmetro da matriz é chamado de razão de sopro. O processo de produção da bolha (sopragem) gera orientação na direção transversal ou circunferencial do filme. A solidificação do polímero ocorre na "linha de congelamento", que é imediatamente acima da região onde um diâmetro constante da bolha se estabelece. O processo de solidificação ocorre na verdade em uma região e se inicia na face externa da bolha, como ilustrado na Figura VI.2. O filme (tubo) continua a se mover para cima e quando estiver frio suficientemente, entra em contato com os rolos puxadores formando um filme plano.

5 Figura VI.2 Ilustração da região de solidificação de uma bolha.

6 As propriedades reológicas são de grande importância no processo de filmes tubulares por sopro. Elas governam a forma e a estabilidade da bolha, bem como o aparecimento de pele de cação no filme. O processo de extrusão de filmes tubulares por sopro apresenta bastante complexidades de fluxo, o que dificulta a obtenção de correlações simples entre os fenômenos acima mencionados e propriedades reológicas facilmente mensuráveis. Para que se tenha um bom controle sobre o processo e se obtenha bons resultados é importante que se compreenda como o comportamento reológico de polímeros fundidos influencia o comportamento e as propriedades de filmes soprados.

7 Objetivo do processo de extrusão de filmes tubulares por sopro: Produção de filmes finos com dimensões uniformes, e boas propriedades mecânicas e ópticas. Prevenção contra a presença de material não fundido, gel e impurezas = importante para o acabamento do filme. Para as propriedades mecânicas, normalmente é importante ter orientação balanceada nas direções longitudinal e transversal. O controle de taxa de produção, espessura do filme, orientação na direção da máquina (longitudinal) e na direção transversal, e diâmetro do filme são controlados por duas variáveis principais: Razão de estiramento Razão de sopro.

8 A orientação molecular no filme produzido é muito importante e é necessário que seja balanceada. Caso contrário, o filme tende a rasgar com facilidade na direção da máquina. A orientação molecular é dependente da deformação imposta a bolha e das propriedades reológicas do polímero. A ocorrência de pele de cação no filme soprado causa uma grande perda das suas propriedades ópticas. sopro: Polímeros mais utilizados para a extrusão de filmes por poliolefinas

9 O polietileno de baixa densidade (LDPE) tem sido o material mais utilizado neste processo. Ele apresenta boa estabilidade da bolha formada e produz filmes com uma grande variedade de aplicações. O polietileno de alta densidade (HDPE) é utilizado para a obtenção de um filme mais resistentes, embora apresente maiores dificuldade na obtenção de um bom balanço de orientação nas direções longitudinal e transversal. Uma das alternativas para substituição do LDPE é o polietileno de baixa densidade linear (LLDPE) com o qual é possível produzir filmes mais finos com a mesma resistência que o LDPE ou, filmes de mesma espessura com maior resistência que os produzido com LDPE.

10 Uma comparação entre o comportamento reológico do polietileno de baixa densidade (LDPE) e o polietileno de baixa densidade linear (LLDPE) é ilustrada na Figura VI.3. Figura VI.3 Curvas de viscosidade versus taxa de cisalhamento para LDPE e LLDPE.

11 VI.2 - Fluxo na Extrusora e na Matriz O processo de extrusão de LDPE e o projeto de roscas apropriadas para este material é bastante conhecido. Para o HDPE, são enfrentados alguns problemas quanto a deterioração de propriedades do filme a medida que a velocidade do parafuso é aumentada, para parafusos de perfis simples. A inclusão de secções de mistura no parafuso pode corrigir este problema, no entanto, estas também são responsáveis por elevação de temperatura do fundido devido ao cisalhamento e causam degradação do material. A degradação do material reduz a razão de sopro máxima necessária para produzir um filme com orientação balanceada.

12 Outras alternativas para melhorar o transporte do sólidos na região de alimentação tais como o uso de secções de barril com estrias. A utilização de LLDPE pode tornar necessário o uso de extrusoras de parafusos mais curtos, uma vez que este material apresenta viscosidade mais elevada em comparação ao LDPE, e causa maiores desgastes do equipamento, bem como temperaturas do fundido mais elevadas. No projeto da matriz, o objetivo é produzir um extrudado anular que não apresente linhas de solda e seja uniforme em espessura e velocidade em toda a circunferência. Uma matriz típica para a produção de filmes é ilustrada na Figura VI.4.

13 Figura VI.4 Ilustração de uma matriz espiral para a produção de filmes.

14 VI.3 - Fluxo do Fundido na Bolha O material fundido saindo da matriz apresenta o fenômeno de inchamento do extrudado, em resposta a orientação molecular a que foi imposto. Ao mesmo tempo, o material sofre estiramento devido a ação dos rolos de puxamento. O comportamento do material é fortemente dependente de suas propriedades reológicas bem como de suas propriedades térmicas.

15 As condições de processamento que influenciam o fluxo na bolha são: 1 Temperatura do fundido 2 Vazão 3 Velocidade dos rolos de puxamento 4 Pressão interna na bolha 5 Temperatura e taxa de fluxo do ar de resfriamento. A estabilidade da bolha depende da interação entre diversas forças que atuam na mesma. Uma força exercida pelos rolos de puxamento é o que suporta a bola como um todo.

16 Na parte inferior, forças viscosas mantém a bolha em seu lugar em contato com a matriz. A força motriz para inchamento da bolha é a pressão de sopro interna. As forças aerodinâmicas geradas pelo ar de resfriamento podem auxiliar ou deter o inchamento da bolha, bem como auxiliar na estabilização da posição da bolha. A força da gravidade também está atuando na bolha e é contrabalanceada pela força exercida pelos rolos puxadores. A forma da bolha, seu movimento e a orientação molecular no filme produzido são governados pela interação entre as forças exercidas pela gravidade, pressão e pelas tensões viscosas, e também pela distribuição de temperatura.

17 As duas formas mais comuns de bolha observadas comercialmente são ilustradas na Figura VI.5. Figura VI.5 Formas típicas de bolha para LDPE e LLDPE (esquerda) e para HDPE (direita).

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