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COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº 175882 Processo de injeção de polímeros utilizando aditivos e cargas Jorge Luís Marques Garcia Júlio César Pestana Palestra apresentada no empresa Soil Industria e Comércio de Aquecedor Solar S/A, 2018, Birigui. A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP 01064-970 São Paulo SP Brasil CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 Fax 11 3767-4099 www.ipt.br

Processo de injeção de polímeros utilizando aditivos e cargas Jorge Luís Marques Garcia Júlio César Pestana

Público alvo Operadores, líderes, encarregados e supervisores de fábrica.

Objetivo Estimular o interesse do participante a desenvolver-se nesta área, por meio do conhecimento básico de materiais plásticos e noções sobre o processo de injeção de plásticos. Conscientizar os participantes, a utilizar de forma adequada o equipamento, molde material.

Conteúdo Programático Introdução; 1 - Plásticos em geral; 2 - Processamento; 3 - Características do processamento; 4 - Utilização de aditivos e cargas; 5 - Segurança das máquinas injetoras; 6 - Fundamentos da injeção; 7 - Processo de injeção; 8 - Ciclo de Injeção; 9 - Guia de Problemas e Soluções; 10 Bibliografia.

1 - Plásticos em geral Os plásticos fazem parte da família dos polímeros que são formados por macromoléculas caracterizadas pela repetição múltipla de uma ou mais unidades químicas simples, os monômeros, sendo unidas entre si por reações químicas chamadas de reações de polimerização.

Termoplásticos Os termoplásticos possuem a propriedade de tornarem-se moles e pastosos durante a ação contínua do calor, endurecendo somente com o resfriamento. Desta forma, pode-se reaproveitar o material quantas vezes forem necessárias, dependendo de três fatores: Qualidade do produto; Condições de processamento; Tipo de material.

Termoplásticos À medida que processamos e reciclamos o material plástico, nota-se a diminuição nos valores de suas propriedades físicas, mecânicas e químicas, deixando o produto final com qualidade inferior ao que foi processado com material virgem.

Classificação Devido a grande variedade de materiais poliméricos existentes, torna-se necessário selecioná-los em grupos que possuam características comuns. Portanto, iremos dividir apenas em dois grupos, a saber: Os termoplásticos e os termofixos. Porém, apenas os termoplásticos serão objetos de estudo neste curso.

Termoplásticos Os termoplásticos são classificados em homopolímeros, copolímeros e blendas, e, de acordo com a sua estrutura, poderão ser amorfos ou cristalinos. Homopolímero É obtido a partir de um só tipo de monômero. Ex.: Polietileno, Polipropileno, Poliestireno, PVC, Poliacetal, etc.

Copolímero É obtido a partir de dois monômeros diferentes. Ex: SAN, EVA, PP Copolímero (Propileno + Etileno), Poliacetal copolímero, etc. Blenda Resulta da mistura entre dois polímeros diferentes; trata-se de uma mistura física e não química. Ex: NORYL (PPO + PS), XENOY (PC + PBT), TERMALOY (ABS + PC), ETC.

Blenda Polímero A Blenda A B Polímero B

Termoplásticos De acordo com o arranjo molecular, os termoplásticos podem ser divididos em AMORFOS e CRISTALINOS. Amorfos São materiais plásticos onde as diversas macromoléculas estão dispostas desordenadamente. As distâncias entre as moléculas e as cadeias são irregulares criando espaços vazios, que permitem a passagem de luz dando impressão de transparência.

Amorfos Ex: Polimetacrilato de metila (Acrílico), Policarbonato, Poliestireno Cristal e SAN. A incorporação de aditivos, elastômeros ou cargas retiram a transparência de alguns polímeros amorfos; temos como exemplo o PSAI, ABS e o PVC. Cristalinos Têm como característica o arranjo ordenado de suas moléculas que impedem a passagem da luz, dando a impressão de material opaco ou branco. Ex: Polietileno, Polipropileno, Poliacetal, PA (6 e 6.6), PBT e PET (que são Poliésteres).

2 Processamento - Conceito Moldagem por injeção é um processo cíclico de transformação de termoplásticos, é uma adaptação do processo de fundição de metais e abrange as seguintes etapas: Aquecimento e fusão da resina; Homogeneização do material fundido; Injeção do extrudado no interior da cavidade do molde; Resfriamento e solidificação do material na cavidade.

Processamento - Conceito A resina deverá ser isenta de umidade e colocada no funil de alimentação, o qual deve estar constantemente tampado para evitar poeira. As peças injetadas são separadas do canal de injeção e inspecionadas pelo operador enquanto se inicia outro ciclo. Os canais de injeção são moídos e retornados ao processo numa proporção preestabelecida.

3 - Características de processamento Para se efetuar o processamento adequado de um material é necessário conhecer algumas propriedades como veremos a seguir: Fluidez Fluidez é o grau de facilidade com que o material plástico escoa no interior do cilindro de plastificação e preenche as cavidades do molde. Para cada processo existe uma faixa de fluidez adequada. O processo de injeção utiliza-se de uma faixa de índice de fluidez que vai desde 2 g/10 min. a 30 g/10 min.

Plastômetro

Viscosidade Viscosidade é o grau de dificuldade com que o material plástico escoa no interior do cilindro de plastificação e preenche as cavidades do molde. Podemos concluir que, quando a fluidez é alta, a viscosidade é baixa; e quando a viscosidade é alta, a fluidez é baixa, de onde se conclui que, uma é o inverso da outra.

Temperatura de processamento É a diferença entre a temperatura de amolecimento e a temperatura de degradação do material plástico. Para se regular uma injetora, é necessário conhecer a temperatura de processamento do material que será injetado, pois cada material possui uma temperatura de processamento específica e adequada ao seu processamento. Temperatura de amolecimento Temperatura de processamento Temperatura de degradação Material sólido Material pastoso Material degradado

Contração É a diferença entre as dimensões do produto acabado e as dimensões da cavidade do molde, cujo valor é dado em porcentagem (%). No projeto do molde, bem como na sua construção, deve-se sempre levar em conta a contração do material especificado para o produto. A contração é uma propriedade diretamente relacionada às dimensões do produto, portanto, em peças cujas tolerâncias sejam muito pequenas (décimos, centésimos ou milésimos de milímetro), além da contração do material, o regulador ou preparador de máquina deverá possuir conhecimento do equipamento e dos parâmetros de processo que influenciam nesta propriedade.

Fatores que influenciam na contração A matéria-prima Em relação à matéria-prima, os materiais cristalinos contraem mais que os amorfos, mas também sofrem a interferência das cargas que, quando incorporadas, reduzem a contração em função do porcentual utilizado. As cargas normalmente utilizadas são: o talco, o carbonato de cálcio e a fibra de vidro, que podem fazer com que um material possa contrair até menos do que alguns materiais amorfos, mas tudo dependerá do percentual de carga utilizado.

Fatores que influenciam na contração O processo Alguns parâmetros de injeção têm influência direta na contração, ou seja: Quanto maior a pressão de injeção, menor será a contração; Quanto maior o tempo de injeção e resfriamento, menor será a contração; Quanto maior a temperatura do material, maior será a contração.

Fatores que influenciam na contração Moldes de injeção A refrigeração do molde é o item que tem mais influência na contração, como também a espessura de parede e o ponto de injeção da peça. A temperatura do molde deve ser controlada e ajustada adequadamente a cada tipo de material. Em relação à contração pode-se dizer que: Quanto maior a temperatura do molde, maior será a contração; Quanto maior a espessura da parede da peça (mais massa), maior será a contração; Quanto maior o ponto de injeção ( gate ), menor será a contração.

Higroscopicidade É a capacidade que um material tem para absorver água. Ao se processar um material com umidade, este formará vapores no interior do cilindro de injeção ( canhão ), podendo apresentar manchas, bolhas, estrias esbranquiçadas, prejudicando a qualidade do produto. Em alguns materiais poderá haver perda das propriedades elétricas, mecânicas e químicas, inviabilizando a fabricação de produtos que dependam dessas características.

Higroscopicidade Para alguns casos a umidade não permite o processamento do material; este é o caso da PA (nylon) e do PET, portanto, há a necessidade de estufar alguns materiais, caso eles não tenham sido estufados pelo fornecedor, ou no caso de material reciclado. Alguns fatores fazem variar o tempo e a temperatura de estufagem: A posição geográfica da empresa; O tipo de estufa utilizada; Calibração do pirômetro; O tipo da matéria-prima.

Material Tabela de processamento de matéria-prima Classificação Contração (%) Temp. de Processo (C) Secagem (C / h) PEAD Cristalino 2 a 4 170 a 280 - PEBD Cristalino 1,5 a 3 160 a 250 - PP Cristalino 1 a 3 180 a 260 - PS Amorfo 0,4 a 0,6 180 a 230 - PSAI Amorfo 0,4 a 0,7 180 a 250 - SAN Amorfo 0,4 a 0,7 190 a 260 80 / 3 ABS Amorfo 0,4 a 0,8 190 a 250 80 / 3 PVC Amorfo 0,3 e 2 130 a 200 - PA Cristalino 1,5 e 4 210 a 290 80 / 4 POM Cristalino 2 a 3 180 a 230 80 / 2

Material Tabela de processamento de matéria-prima Classificação Contração (%) Temp. de Processo (C) Secagem (C / h) PC Amorfo 0,4 a 0,8 250 a 320 120 / 5 PMMA Amorfo 0,2 a 0,8 180 a 260 90 / 5 CA Amorfo 0,3 a 0,7 170 a 250 80 / 2 PET Cristalino 1 a 2 250 a 290 140 / 5 PBT Cristalino 1,5 a 2 230 a 270 120 / 4 EVA Cristalino 0,8 a 2,2 130 a 240 - PU Cristalino 0,8 a 1,5 180 a 250 110 / 2

Densidade É a quantidade de massa existente em um determinado volume à temperatura t, expressa em quilograma por metro cúbico, grama por centímetro cúbico ou grama por milímetro cúbico.

Tabela de densidade Materiais Plásticos Densidade (g/cm 3 ) Polietileno de Alta Densidade (PEAD) 0,96 Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) 0,92 Polipropileno (PP) 0,90 Poliestireno Cristal (PS) 1,04 Poliestireno de Alto Impacto (PSAI) 1,05 Estireno Acrilonitrila (SAN) 1,10 Acrilonitrila -Butadieno Estireno (ABS) 1,10 Policloreto de Vinila (Plastificado) (PVC) 1,20 Policloreto de Vinila (Rígido) (PVC) 1,40 Poliamida (Nylon) (PA) 1,15

Tabela de densidade Materiais Plásticos Densidade (g/cm 3 ) Poliacetal (Homopolímero) (POM) 1,42 Poliacetal (Copolímero) (POM) 1,41 Policarbonato (PC) 1,20 Acetato de Celulose (CA) 1,30 Polimetilmetacrilato (Acrílico) (PMMA) 1,20 Polibutileno Tereftalato (PBT) 1,35 Polietileno Tereftalato (PET) 1,30

4 - Utilização de aditivos e cargas As resinas termoplásticas, nem sempre são fabricadas pela petroquímica ou pelo reciclador com propriedades necessárias para determinada aplicação, em função disto, os aditivos podem modificar as propriedades dos termoplásticos, obtendo como por exemplo o aumento da resistência ao impacto, melhoria no acabamento superficial, aumentar ou redução da dureza ou também podem servir apenas para reduzir o custo do material tornando-o competitivo no mercado.

Pigmentos e corantes São substâncias utilizadas em um termoplásticos para conferir cor. Os pigmentos são insolúveis e os corantes solúveis, assim, o corante mantém a transparência do objeto tingido, já o pigmento dá cor e tira a transparência. Exemplo: Master, pó, pasta e líquido. Dosagem: masterbatch 2 % a 3 % - pó: 0,5 % a 1 % - líquido e pasta: depende do recurso para mistura e da concentração de pigmento.

Cargas São substâncias misturadas no termoplástico de forma a não se solubilizar ou reagir, e sim permanecer difundidas uniformemente no mesmo. São utilizadas para conseguir ou aumentar algumas propriedade definidas dos mesmos, mesmo que, quase sempre, às custas da diminuição indesejável de outras propriedades. Exemplo: Carbonato de cálcio, talco, caulim, fibra de vidro, etc. Dosagem: 5 % a 50 %.

Modificadores de impacto É usado no termoplástico com o objetivo de obter o aumento na propriedade de impacto do material. Exemplo: Elastômeros olefínicos, EPDM, SBS, SBC, SBR e TR Dosagem: de 2 % a 5 %.

Retardante de chama Sua função é inibir ou, quando possível, eliminar a propagação do fogo em um material termoplástico. Exemplo: Trióxido de antimônio e Decabromo. Dosagem: 5 % a 6 % de Trióxido de antimônio + 12 % a 15 % de Decabromo.

Agente Antiultravioleta (anti-uv) Sua função é transformar a radiação em energia calorífica inofensiva, agindo basicamente como um filtro. Exemplo: Benzofenona, Benzotriazol. Dosagem: Depende do tempo de proteção desejado.

Plastificantes Melhoram a processabilidade e a flexibilidade do produto. Exemplo: Óleos utilizados, normalmente em PVC. Dosagem: Depende e da necessidade.

Lubrificantes Reduzem viscosidade da massa polimérica durante processamento. Exemplo: Ceras e estearatos. Dosagem: 0,2 % a 1 %.

5 - Segurança das máquinas injetoras São consideradas áreas de risco de uma máquina injetora: 1- Área do molde; 2- Área da unidade de injeção; 3- Área do mecanismo de fechamento; 4- Área de alimentação da matéria-prima; 5- Área dos extratores da máquina e do molde; 6- Área das resistências de aquecimento; 7- Área de descarga.

Segurança das máquinas injetoras Dispositivo de segurança de acionamento mecânico: Esse dispositivo consiste em uma trava, cujo movimento é controlado pela porta frontal, impedindo o fechamento do molde, com a porta aberta, caindo entre a placa móvel e a placa fixa ou entre os dentes da barra de segurança.

Segurança das máquinas injetoras Dispositivo de segurança de acionamento elétrico: Esse dispositivo é composto por chaves de fim de curso que são instaladas nas portas frontal e traseira das injetoras, interrompendo o movimento do molde e/ou o funcionamento das bombas.

Segurança das máquinas injetoras Dispositivo de segurança de acionamento hidráulico: Esse dispositivo fica instalado na porta frontal, acionando uma válvula de came, faz com que o óleo direcionado para o cilindro hidráulico de fechamento, seja desviado para o reservatório, impedindo o fechamento da máquina.

Segurança das máquinas injetoras Dispositivo de segurança de acionamento hidráulico: Para que o operador possa ter acesso a uma área de risco, a máquina injetora deverá possuir pelo menos dois dispositivos de segurança ativos e operantes, para impedir o funcionamento da máquina enquanto o operador estiver atuando na área de risco.

6 - Fundamentos de injeção Força de Fechamento A área projetada total da peça determina a força de fechamento necessária para manter o molde fechado durante a injeção. Pode-se visualizar esta área projetada como a sombra de uma peça injetada que cai sobre um plano paralelo. É importante notar que a área projetada inclui os canais. Força de fechamento = Área projetada das moldagens (cm²) x (⅓ a ½) da pressão da injeção (kg/cm²).

Força de fechamento

Pressão de Injeção Para determinada pressão da rosca, a pressão exercida nas cavidades dependerá da peça a ser injetada (relação direta) e da viscosidade do material (relação inversa). Secções espessas requerem forças de fechamento maiores, pois o material permanece semifluido por mais tempo durante a injeção. O mesmo acontece com altas temperaturas do material, moldes quentes, entradas amplas, ou quando é empregada grande velocidade de injeção. Geralmente na prática, usam-se cerca de três toneladas de fechamento para cada polegada quadrada de área projetada da peça.

Pressão de injeção Cálculo da pressão de injeção: Pressão de injeção (kg/cm²) = [Pressão manométrica da linha hidráulica de injeção (kg/cm²)] x [di² / dp²]. Onde: Pressão di = Diâmetro do cilindro hidráulico de injeção (cm). dp = Diâmetro da haste do cilindro de injeção ou da rosca (cm).

Balanceamento das cavidades A distribuição das cavidades dentro do molde deve considerar os diferentes caminhos que o material percorre ao atingi-las, por isso distribuem-se as cavidades em torno do canal de distribuição, de modo que seja utilizada a menor pressão de injeção possível para preenchimento de todas as cavidades do molde. Moldes desbalanceados resultam em peças falhadas ou cheias de rebarba, processo de injeção instável, perda de produtividade e vida útil do molde reduzida.

Ao iniciar o processo de injeção, observe: 1 - Uma boa peça injetada, só pode ser conseguida com a combinação correta de máquina, molde e material. 2 - Também a máquina, mesmo tendo o melhor projeto e técnica de processamento, várias possibilidades de comando e regulagens, e alta produção, não será a ideal, se: O molde for projetado erradamente ou sua execução mal feita; A temperatura não for controlada corretamente; O rendimento e a velocidade do molde não se harmonizem com a máquina; O material não for preparado corretamente (pré secagem).

3 - Antes de efetuar a regulagem da máquina, levar em consideração as variáveis do material e da peça, ao invés de considerar valores de referência fixos. 4 - Preencha e modele a peça com atenção. 5 - Deve-se considerar o controle do molde, já que é nele que nasce a peça. 6 - Ajustando a máquina para produzir. 7 - Ordem e sistema de trabalho resultam em produtividade. 8 - Segurança no trabalho: as mãos não são tão fortes quanto a força de fechamento da máquina.

7 - Processo de injeção 1 - A preparação: que peça, molde, máquina e material? 2 - A preparação da máquina: fixação do molde / ajuste da unidade de fechamento; 3 - Ajuste da unidade de injeção; 4 - Ajuste do comando da máquina; 5 - Início do processo de injeção: Uma vez verificados todos os ajustes, passar a injeção de manual, para semi automática. Raramente primeira injeção é aproveitável, mas em seguida deve-se otimizar os ajustes.

8 - Ciclo de injeção O processo de moldagem por injeção possui várias etapas para que se estabeleça o ciclo de injeção: Fechamento do molde Velocidade de fechamento; Cursos de Amortecimento; Segurança do Molde: funcionamento da segurança do molde; Pressão de fechamento ou travamento.

Fechamento do molde Velocidade de fechamento; Cursos de Amortecimento; Segurança do Molde: funcionamento da segurança do molde; Pressão de fechamento ou travamento.

Avanço da unidade de injeção Velocidade de encosto do bico de injeção; Pressão de encosto do bico de injeção; Curso de encosto do bico de injeção; Exemplo: Se programarmos 9, não injetará; Se programarmos 12, a injeção se fará do bico encostar no molde; Teremos que programar 10 ou 11.

Avanço da unidade de injeção (Continuação) Velocidade de injeção; Pressão de injeção; Tempo de injeção. Recalque Pressão de recalque; Tempo de recalque.

Dosagem Velocidade de dosagem: Depende de duas outras regulagens, a temperatura e a contra pressão, sendo uma consequência das duas; Limite de dosagem ou carga: Quando o limite de dosagem for maior do que o necessário para o preenchimento da peça sobrará material no bico da rosca, a esta sobra se da o nome de colchão.

Contra pressão É a pressão hidráulica aplicada na parte traseira do atuador de injeção, que a rosca tem de vencer para poder retornar. A contra pressão é normalmente utilizada para homogeneizar o material em estado fundido, influenciando diretamente na plastificação. A regulagem da contra pressão deve levar em consideração a temperatura da massa fundida. A dosagem deve ser regulada de forma que aconteça antes de terminar o tempo de resfriamento da peça, lembrando que a rotação da rosca e a contra pressão devem ser reguladas em conjunto.

Descompressão A descompressão consiste em retornar a rosca, por ação hidráulica, sem que esta gire, ao término do curso de dosagem. Assim, a rosca faz a descompressão do material acumulado na câmara de dosagem evitando o seu escorrimento pelo bico; Não se deve utilizar um retorno muito longo, pois isto gera um acumulo de ar na câmara de dosagem, provocando bolhas e manchas na peça.

Recuo da unidade de injeção Quando o contato da bucha de um molde com o bico de injeção, provoca constantes resfriamentos no bico, no final da dosagem ou da descompressão, adota-se o recuo da unidade de injeção. Ao efetuar o recuo da unidade de injeção não permitir que este recuo seja muito curto ou muito longo, para não aumentar o ciclo total da peça.

Abertura do molde Tempo de resfriamento; Velocidade de abertura; Amortecimento de abertura; Limite de abertura.

Extração da peça Velocidade de extração; Pressão de extração; Curso de extração; Extrator com repetição.

Tempo de reciclo É também chamado de espera, pausa, saída, fechamento ou tempo de molde aberto; Sempre que a máquina estiver trabalhando em ciclo automático esse tempo deve ser regulado; não poderá ser curto demais e nem muito longo evitando ciclos elevados; deverá ser o suficiente para que a peça caia antes do fechamento do molde.

9 - Defeitos e possíveis soluções Linha de solda / fluxo; Manchas; Rechupe; Produto quebradiço; Delaminação; Baixo brilho; Difícil extração; Alta contração / problemas na montagem; Bolhas; Pontos de queima; Peças com rebarbas; Ciclo de injeção alto.

10 - Bibliografia Riopol Curso básico intensivo de plásticos. Ipiranga química Guia de problemas e soluções. Braskem Problemas e soluções. Polibrasil Moldagem por injeção. Elia Behnke Apostila de Moldagem por injeção. SENAI Mário Amato Apostila do Curso Técnico em Plásticos. Escola LF Operador técnico em Injeção de plásticos. Inyección de plásticos Editorial Gustavo Gili, S.A. Barcelona 1973. Autor: Walter Mink Miembro de La Society of Plastics Engineers Inc. (USA).

Participaram da elaboração deste curso: Jorge Garcia Júlio Pestana Marco Lima Maurício Santos William Klumpp Henrique Seguchi Amilcar Gonçalves Paulo Fernandes Izilda Martins Sueli Meneguelo Participação especial: Dr. Vicente Mazzarella Dra. Mari Katayama

Muito obrigado a todos os participantes deste curso!

FIM