EXTRUSÃO AULA 3 PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO 1
Introdução à extrusão A palavra extrusão é derivada do Latim: ex = fora e trudere = empurrar ou forçar Extrusão é um processo de transformação de materiais onde o material é forçado para fora de um compartimento, aumentando-se a pressão interna. Na saída do compartimento existe uma abertura com um formato geométrico que proporciona uma forma bem definida ao material extrudado (extrusado). Exemplos de processos de extrusão: Tubo de pasta de dente ou de creme de barbear; Seringa; Maromba; Extrusora de plásticos ou borrachas. No processo de extrusão o material fundido ou líquido é bombeado através da saída do compartimento. O bombeamento pode ser contínuo enquanto tiver material no compartimento e este for submetido a uma pressão superior à pressão externa. Qualquer tipo de material pode ser conformado através de um processo de extrusão. Metais: tubos e perfis; Cerâmicas: tijolos furados, manilhas, etc; Alimentos: macarrão, cereais, confeitos, etc; Polímeros: tubos, perfis, sacos plásticos, recobrimentos, chapas, laminados, etc. O processo de extrusão é um dos métodos mais importantes para a transformação de materiais poliméricos e a extrusora, a máquina que realiza esse processo, é um dos equipamentos de maior importância na indústria de processamento de polímeros. Numa extrusora de polímeros, uma rosca Arquimediana girando dentro de um barril aquecido (cilindro oco envolto de camisas de resistências elétricas) arrasta / empurra o material polimérico, alimentado numa extremidade da extrusora, através das zonas aquecidas do barril e, consequentemente, aquece, funde e força sob pressão o polímero fundido a passar através de uma abertura na extremidade oposta chamada de matriz; produzindo assim um perfil contínuo de seção transversal constante e de formato equivalente ao da matriz de extrusão. O produto extrudado (ou extrusado) é normalmente resfriado progressivamente até permanecer sólido. Portanto, adequando o formato geométrico da matriz da extrusora ao perfil desejado, uma variedade de perfis como: 2
Tubos e mangueiras, Chapas planas e onduladas, Filmes rasos e tubulares, Fios e monofilamentos, Cabos e fios revestidos. Figura 1 Diagrama esquemático da linha de extrusão com uma extrusora com rosca simples e os principais componentes da máquina. O processo de extrusão envolve algumas etapas importantes, a saber: O polímero é alimentado na extrusora na forma de pó ou de pellets (grânulos) (1); É fundido ou transformado no estado líquido através da ação de calor e fricção mecânica (2); Após fundido o material líquido é pressurizado através da matriz de saída da extrusora (3); Estabilização e solidificação do material extrudado (4); Recolhimento do material extrudado (5). Os polímeros mais empregados no processo de extrusão são os termoplásticos, em função da facilidade com que amolecem sob calor e endurecem com o resfriamento. Entretanto, o processo de extrusão pode também ser empregado para transformação de materiais elastoméricos, sendo que o perfil extrudado neste caso é estabilizado através do processo de vulcanização com fornecimento de calor adicional. Os produtos poliméricos obtidos por extrusão podem ser conformados através de diversas geometrias: 3
Fibras Têxteis Figura 2 Exemplos de materiais extrudado, fibras têxteis. Figura 3 Exemplos de materiais extrudado, fibras têxteis. 4
(a) (b) (c) Figura 4 Exemplos de materiais extrudado, tubos e mangueiras (a), perfis / perfilados (b) e filmes tubulares / planos (c). (a) (b) Figura 5 Exemplos de materiais extrudado, (a) chapas / laminados (b) recobrimento / revestimento de fios e cabos. Histórico A 1ª extrusora industrial (de pistão) foi inventada por Joseph Bramah (1795) e utilizada para fabricação de tubos de chumbo. A 1ª extrusora de rosca foi desenvolvida nos EUA por A. G.Wolfe (~ 1860), enquanto as primeiras patentes para um processo de extrusão com rosca foi concedido a Mathew Gray (1879) na Inglaterra, e a John Royle (1880) nos EUA. A 1ª extrusora de termoplásticos foi construída por Paul Troester na Alemanha (~1935). Antes disso, a extrusão de borracha era efetuada em extrusoras de pistão ou de rosca com pequena relação entre comprimento e diâmetro da rosca (L/D = 3-5) e com barril aquecido por vapor de água. Após 1935 as extrusoras evoluíram para aquecimento elétrico e aumentaram em comprimento (L/D de 15 até 30). Na mesma época, o princípio básico para extrusoras de 5
rosca-dupla intercalada para termoplásticos foi concebido por Roberto Colombo (corrotacional) e Carlo Pasquetti (contra rotacional) na Itália. As primeiras análises detalhadas do processo de extrusão foram concebidas (meados dos 1950) para estudar o processo de transporte ou bombeamento do fundido polimérico. Mckelvey, Carleye Jepson foram pioneiros no desenvolvimento das teorias de extrusão. Z. Tadmor (meados 1960) apresentou 1º estudo teórico quantitativo do processo de fusão numa extrusora de plastificação com rosca simples, baseado nos estudos qualitativos de B. H. Maddock. Portanto, o processo inteiro de extrusão, desde o funil de alimentação até a matriz da extrusora, foi descrito quantitativamente apenas após 1965. Posteriormente, novos métodos numéricos e computacionais foram desenvolvidos para resolução das complexas equações de modelagem de difícil solução analítica. Este esforço resultou, na última década do século XX, em desenvolvimento de diversos programas de simulação computacional do processo de extrusão que permitem: Projetar o perfil mais adequado de uma rosca ou matriz de extrusão para fabricação de um determinado tipo de perfil extrudado com um específico tipo de termoplástico. Otimização das condições de processamento. Todos estes programas são voltados para o aprimoramento da qualidade e produtividade no processo de extrusão. Características dos materiais a serem extrudados Propriedades físicas: Densidade, etc; Propriedades térmicas: Temperatura de fusão, Temperatura de transição vítrea, Calor específico, etc; Propriedades reológicas: Viscosidade aparente, Viscosidade real, Inchamento do extrudado, etc. 6
Princípios gerais de extrusora de rosca simples Dentre todos os componentes de uma extrusora, a rosca é um dos mais importantes pelo fato de transportar, fundir ou amolecer, homogeneizar e plastificar o polímero. É devido ao movimento, e consequente cisalhamento sobre o material, que a rosca única gera cerca de 80% da energia térmica e mecânica necessária para transportar os polímeros. A outra parte da energia térmica é obtida de aquecedores externos. Sistemas de rosca dupla geralmente geram menor cisalhamento. A grande maioria (90%) dos processos transformação de polímeros por extrusão é efetuada em extrusoras de rosca simples (rosca única ou mono-rosca). Como, normalmente, o material polimérico é alimentado na extrusora na forma de sólidos particulados, o processo requisita da extrusora, além de transporte, a função adicional de fusão do material e este tipo de extrusora é denominada de extrusora de plastificação. As principais funções de uma extrusora plastificante são: 1. Transporte de sólidos particulados; 2. Plastificação (fusão) do polímero através de calor gerado por atrito e cisalhamento do material nas paredes da rosca e barril e também por aquecimento térmico externo fornecido pelas mantas de resistência elétrica envoltas no barril. Figura 6 Exemplos de rosca simples 3. Mistura, homogeneização e degasagem do polímero fundido. Figura 7 Exemplos de rosca simples 7
4. Bombeamento do fundido sob pressão até a matriz. 5. Conformação do polímero pela sua passagem sob pressão através da matriz. Na Figura 8 é apresentado o diagrama esquemático de uma extrusora plastificante de rosca simples, onde a rosca é suportada pela extremidade presa a um sistema de acionamento, e um motor elétrico faz girar a rosca via uma caixa de engrenagens redutoras e um mancal de empuxo axial que mantém a rosca centralizada dentro do barril. Conforme a rosca gira, a mesma tenta desenroscar para trás do barril, mas como o mancal segura a rosca no mesmo lugar, então a sua reação é de empurrar para frente o material polimérico da região de alimentação através das zonas aquecidas do barril, compactando, fundido, homogeneizando e conduzindo o polímero plastificado com suficiente pressão para forçar a sua passagem através da matriz, onde adquire o formato do produto final. Figura 8 Diagrama esquemático de uma extrusora comum de rosca simples com as três principais zonas da rosca de extrusão. Figura 9 Diagrama esquemático de uma extrusora comum de rosca simples. 8
Figura 10 Exemplos de um funil de alimentação de uma extrusora. O sistema composto do cabeçote e matriz da extrusora atua como uma restrição ao fluxo do polímero. Quanto mais longo ou menor for à seção transversal deste sistema, maior será a resistência e mais a rosca terá que trabalhar para empurrar o polímero fundido através da matriz. O operador da extrusora ajusta as temperaturas das diversas zonas de aquecimento do barril, cabeçote e matriz, como também determina a velocidade de rotação da rosca, tudo em função da taxa de produção desejada e do tipo de polímero empregado, e tipo de produto a ser fabricado. As diversas zonas do barril contam com controles para aquecimento e resfriamento para monitorar e controlar as temperaturas nas marcas desejadas. Estas temperaturas não são as mesmas do polímero dentro do barril, mas são selecionadas conforme necessidade de cada zona da extrusora. Existem também aquecedores e controles no cabeçote e na matriz de extrusão, e suas temperaturas tendem frequentemente estar próximas as do fundido polimérico. Sensores para medição de temperatura e pressão do fundido são empregados na região do cabeçote / adaptador da matriz. Um termopar de fundido embutido na entrada da matriz é importante para detectar problemas de superaquecimento devido deficiências na refrigeração do barril / rosca. Transdutores de pressão embutidos no final da rosca e na entrada à matriz servem para indicar a resistência do cabeçote e da matriz. A velocidade de rotação da rosca é normalmente a máxima que se possa utilizar sem comprometer a qualidade do produto extrudado. Para os polímeros os valores são aproximadamente: Temperaturas de fundidos poliméricos = 180 315 C. Velocidades típicas de roscas = 30 a 150 rpm. Pressões típicas no cabeçote = 7 40 MPa. 9
As extrusora modernas de rosca simples costumam apresentar uma relação entre comprimento e diâmetro (L/D) da rosca de 20:1 a 30:1, sendo a relação 24:1 é a mais popular, enquanto algumas máquinas especiais apresentam L/D > 30. Quanto maior o comprimento, maior será a capacidade de plastificação da rosca de extrusão. Uma rosca padrão de extrusão costuma apresentar 3 zonas (seções) distintas, conforme apresentado na Figura 11. Figura 11 Perfil Geométrico Típico de uma Rosca Simples de Extrusão Zona de alimentação; Zona de compressão ou transição ou fusão; Zona de dosagem ou controle de vazão. Na zona de alimentação, a profundidade do canal é constante e maior para receber o plástico particulado. Na zona de compressão a profundidade do canal vai reduzindo gradualmente (isto é, o diâmetro da raiz da rosca aumenta), como se as paredes do canal se fechassem entorno do plástico, e essa compressão na camada granular leva a compactação do leito de sólidos e gera aumento de pressão que previne que o ar entre as partículas do polímero seja carregado para frente junto com o fundido polimérico. Conforme a camada granular avança ao longo da zona de compressão, o material é compactado e fundido através do calor gerado por atrito e cisalhamento do polímero nas paredes do barril e da rosca e também pelo calor conduzido por contato do polímero com as paredes internas aquecidas do barril. O plástico entra na zona de dosagem quase totalmente fundido, e devido a profundidade do canal nesta região ser constante e a mais rasa das 3 zonas, a alta taxa de cisalhamento gerada assegura que quaisquer vestígios de polímero não fundido polimérico é devidamente plastificado e homogeneizado (em termos 10
de uniformidade de mistura da composição polimérica e também de temperatura do fundido) para então ser bombeado sob pressão contra o cabeçote e matriz da extrusora. Na Figura 12 é representado o perfil típico de uma rosca de extrusão, onde estão definidos os parâmetros da geometria da rosca. A maioria das roscas para termoplásticos são projetadas com profundidade de canal continuamente decrescente e passo (distância entre dois filetes consecutivos da rosca) constante. A rosca e o barril são fabricados em aço temperado e endurecido por nitretação / carbetação ou são revestidos com camadas especiais de metal resistente ao desgaste (ex: Xaloy). Figura 12 Perfil Geométrico da geometria da rosca Variáveis da geometria da rosca: L = Comprimento axial (longitudinal) da rosca. Ds = Diâmetro externo da rosca. L/D = Relação comprimento/diâmetro da rosca (20 30). Ls = t = Passo da rosca (= Ds na rosca de passo quadrado). θ = Angulo da hélice da rosca (= 17,6 na rosca de passo quadrado). Db = Diâmetro interno do barril. δf = Folga da rosca no topo do filete (= 0,001 Ds ou ± 0.13 mm). W = Largura do canal da rosca. e = Espessura ou largura do filete da rosca (= 0,1 Ds). Hi = Profundidade do canal na zona de alimentação. Hf = Profundidade do canal na zona de dosagem. (Hi/Hf) = Taxa de compressão da rosca (2-4). 11
Figura 13 Exemplo de uma rosca simples de uma extrusora. Diferenças no perfil da rosca para cada polímero Uma comparação do projeto de roscas típicas para extrusão de polietileno (LDPE) e outra para náilon (PA66), apresentada na Figura 14, revela diferenças nas zonas de alimentação e compressão das roscas, devido às diferenças nas características de fusão de cada polímero. LDPE tem ponto de fusão baixo (Tf = 115 C) e um intervalo largo de temperatura de fusão (30-40 C). PA66 funde a uma temperatura mais elevada (Tf = 260 C), porém num curto intervalo de temperatura (3-5 C). Figura 14 Projeto de duas roscas com diferenças de configuração para extrusão de (a) Polietileno (LDPE) e (b) PA66. 12
Portanto, a zona de alimentação para o LDPE é curta para evitar fusão prematura e a zona de compressão é longa para permitir a fusão tanto do material de baixo e de alto PM. O PA66, ao contrário, tem uma zona de alimentação longa que permite incrementar a energia térmica fornecida para elevar a temperatura do polímero sem fusão e uma zona curta de compressão (de meia volta de filete), visto que o PA66 funde rapidamente na sua temperatura de fusão. Em vários processos de extrusão um único perfil de rosca pode ser utilizado para fabricar diversos produtos diferentes. Trocar de um produto para outro em cada operação, normalmente significa que a matriz e o tipo de termoplástico a serem utilizados seriam trocados. Entretanto, trocar também a rosca para a mais adequada ao sistema polímero / matriz, nem sempre seria viável visto que a operação de troca é complicada e, normalmente, será evitada quando diversos tipos de matérias termoplásticos são extrudados em pequenas corridas de extrusão. Na grande maioria das operações de extrusão com diversos tipos de produtos e materiais empregados é comum adotar uma única rosca de configuração multifuncional, cujo projeto é um compromisso entre configurações ideais para extrusão de diversos tipos de polímeros. Esse tipo de rosca utilizada em extrusora multifuncionais é normalmente chamada de rosca de uso geral. O desempenho destas roscas pode ser otimizado através de modificações nas condições de processamento, alterando o perfil de temperaturas do barril, velocidade da rosca, pressão no cabeçote, etc. Esta otimização nas condições de processamento, quando uma rosca de uso geral é utilizada para substituir outras roscas de projeto otimizado para extrusão de polímeros específicos, tal como exemplificado na Figura 14, pode ser visto através do gráfico de alteração no perfil de temperaturas da extrusora apresentado na Figura 15. Para explicar como o perfil de temperaturas das zonas de aquecimento da extrusora com rosca de uso geral poderão ser alteradas para compensar as perdas pela não utilização das roscas otimizadas (condição ideal) para o LPDE e PA66, representadas na Figura 14, consideremos que a rosca de uso geral teria uma zona de alimentação maior que a ideal desejada para o LDPE, porém menor em relação à ideal para o PA66. Também, o seu comprimento na zona de compressão seria um compromisso entre os comprimentos ideais longo para o LDPE e curto para o PA66. 13
Figura 15 Perfis de temperaturas para LDPE e PA 66 quando extrudados numa mesma rosca de uso geral e em relação a roscas específicas projetadas para as mesmas resinas da Fig. (13). Assim para o LPDE, segundo o exposto na Figura 15, o perfil de temperatura na zona de alimentação da rosca de uso geral deverá ser inferior ao perfil raso de temperaturas definido para a rosca ideal, para compensar o longo período de residência do polímero nesta região. Na sequencia, como o LPDE passará por uma zona de compressão da rosca de uso geral menor, o calor fornecido por aquecimento mecânico adiabático será reduzido, o que poderá implicar em fusão incompleta do polímero que atinge a zona de dosagem desta rosca. Para compensar a diferença de temperatura do fundido, abaixo do ideal, e assegurar a completa plastificação e homogeneização do fundido que chega no cabeçote da extrusora, o perfil de temperatura das zonas de compressão e controle de vazão da rosca de uso geral deverá ser elevada acima do perfil raso de temperaturas indicado para a rosca ideal de LPDE. A situação inversa seria adotada no caso da extrusão do PA66, numa rosca de uso geral proposta. Princípios do cabeçote e da matriz A região posterior da extrusora, logo após o final da rosca, é composta pela zona do cabeçote e a matriz de extrusão, conforme apresentado no diagrama esquemático da Figura 16. O fundido polimérico emergindo do canal da rosca passa através de um conjunto de telas de filtragem de arame trançado apoiadas contra uma placa metálica de retenção, cheia de furos ou fendas horizontais, chamada de placa quebra-fluxo (ou grelha). 14
O objetivo da tela de filtragem é reter impurezas como minúsculos pedaços de papel, madeira ou plástico decomposto, evitando a sua passagem para a matriz. Com o tempo de extrusão, a retenção de impurezas na tela de filtragem aumenta e leva a um aumento substancial na pressão registrada pelos transdutores de pressão localizados entre as telas e o adaptador da matriz, onde é parafusada a matriz de extrusão. Quando a pressão é demasiadamente elevada é necessário trocar as telas de filtragem. Figura 16 Diagrama esquemático da zona do Cabeçote e Matriz de uma extrusora. A restrição ao fluxo fornecida pelo conjunto de telas e placa quebra-fluxo proporciona quatro importantes funções: 1. Aumenta a pressão de contra-fluxo e, consequentemente, aumenta o cisalhamento e mistura do fundido polimérico; 2. Impede passagem de impurezas para o perfil extrudado; 3. Transforma o fluxo rotacional do fundido saindo do canal da rosca em fluxo longitudinal na direção de extrusão; 4. Minimiza a leve pulsação na descarga da extrusora, advinda da falta de perfeita concentricidade entre a rosca e o barril da extrusora; A matriz é a ferramenta de conformação que é montada no final da extrusora, geralmente acoplada ao cabeçote através de uma placa ou anel chamado adaptador. Este bloco de aço com uma passagem através do mesmo dá a forma final ao fundido polimérico, que é então estabilizada por resfriamento do perfil extrudado em contato com água ou ar refrigerado. As matrizes podem variar no tamanho, desde pequenas matrizes para revestimento de fios até enormes matrizes para extrusão de chapas rasas ou revestimentos de laminados de papel de mais de 1 metro de largura. A passagem do 15
polímero fundido através da matriz deve ser efetuada de forma a permitir um fluxo aerodinâmico, evitando mudanças bruscas na seção transversal e, principalmente, evitando pontos de estagnação (pontos mortos) como cantos vivos. A estagnação do fundido nestes pontos leva a problemas de degradação do polímero carbonizado e estrias contínuas devido à obstrução do canal da matriz com partículas carbonizada. O aquecimento da matriz com resistências elétricas é necessário para: Permitir uma partida segura no início do processo de extrusão; Compensar as perdas de calor por radiação e, assim manter um controle rígido da temperatura do polímero fundido, evitando oscilações na descarga da extrusora (variação nas dimensões do extrudado) com a variação na viscosidade do fundido com temperatura; Aquecer a superfície do extrudado na saída da matriz e, assim: Ganhar brilho; Reduzir manifestações da elasticidade dos polímeros fundidos como: Inchamento do extrudado. Pele de cação. Fratura do fundido. Mistura em extrusora de rosca simples A mistura é uma das mais importantes funções da extrusora. Qualquer mistura ou mesmo um componente único precisa ser homogeneizado nos processos a que é submetido. A quantificação de quão bom é o processo de mistura é bastante difícil e depende do que está sendo misturado e para qual finalidade. Para a discussão de mistura é importante distinguir bem dois processo de mistura: distributivo e dispersivo. Uma comparação entre mistura distributiva e dispersiva está ilustrada na Figura 17. 16
Figura 17 Representação das misturas distributiva e dispersiva. O objetivo da mistura distributiva é homogeneizar a composição de forma que um elemento de volume escolhido na mistura tem uma composição o mais próximo possível da composição média. A variação de composição permitida depende do tamanho do elemento de volume escolhido e da aplicação da mistura. Na mistura dispersiva pretendemos também reduzir o tamanho de partículas do componente disperso. Na mistura de partículas sólidas em um líquido, a eficiência de mistura dispersiva aumenta com o aumento da viscosidade do fundido, entretanto, tensionamento em excesso pode ser prejudicial. A mistura dispersiva é aplicada não apenas em misturas contando com um componente sólido, mas também em misturas de polímeros imiscíveis, onde um dos componentes pode formar uma fase dispersa na matriz formada pelo segundo componente. O tamanho da fase dispersa depende entre outras variáveis do cisalhamento na matriz e da razão de viscosidades dos componentes da mistura. Neste caso, o menor tamanho de fase dispersa é obtido pela maior proximidade das viscosidades das duas fases e não pelo aumento da viscosidade do componente que constituirá a matriz. A ciência que estuda a relação entre microestrutura e comportamento reológico na mistura é a microreologia. A estrutura dispersa obtida na mistura pode não ser adequada para todas as aplicações. Por exemplo, é aceitável para pigmentação, mas não é adequado para tenacificação de termoplásticos frágeis por incorporação de elastômeros. 17
Extrusoras de rosca única promovem principalmente deformação de cisalhamento, portanto, elas não são bons equipamentos de mistura. Uma grande variedade de elementos de rosca desenvolvidos para melhorar misturas distributiva e dispersiva têm sido utilizados. Princípios gerais de extrusora com rosca dupla EXTRUSORAS ROSCA ÚNICA vs ROSCA DUPLA Tipos de fluxo características de transporte Perfil de velocidades (vazão) Vantagens da extrusora de rosca dupla Desvantagens da extrusora de rosca dupla (a) Figura 18 Diagrama de extrusora (a) rosca simples (b) rosca dupla. (b) Os processos de extrusão com extrusoras de dupla rosca (dupla rosca) correspondem a não mais que 10% do total de processamento por extrusão. Estas extrusoras são utilizadas quando se deseja processar materiais termoplásticos de difícil manuseio, como formulações poliméricas alimentadas na forma de pó de baixa densidade volumétrica e fácil degradação (ex: PVC, PHB) ou na preparação de compostos termoplásticos com altos teores de reforços fibrosos (ex: fibra de vidro) ou cargas minerais (talco, CaCO 3, etc) ou concentrados (masterbatch) de diversos aditivos, todos esses processos requerendo condições especiais de fusão e mistura, aliada a elevada taxa de produção. Em extrusoras de dupla rosca, duas roscas giram lado a lado dentro de um barril de furo na forma de uma figura-8 deitada e, normalmente, as roscas estão intercaladas (isto 18
é, a hélice ou filete de uma está dentro do canal da outra). As roscas podem ambas girar no mesmo sentido (corrotacional) ou no sentido oposto (contra rotacional), conforme ilustrado na Figura 19. Com a intercalação das roscas, o movimento relativo do filete de uma rosca no canal da outra funciona como uma pá que empurra o material de forma positiva para frente, alternando de uma rosca para a outra e de um canal para o outro. Este padrão de transporte contínuo e uniforme permite que a extrusora dupla rosca seja uma bomba de transporte mais eficiente em relação à extrusora de rosca simples. Figura 19 Diagrama de dupla rosca apresentando o arranjo das roscas corrotacional e contra rotacional. A ação de mistura na extrusora de dupla rosca é mais intensa que na extrusora de rosca simples, visto que na região de intercalação (junção) das roscas, boa parte do fluxo do fundido polimérico é dividido e transferido de um canal da rosca para o canal outra rosca. Esta ação de mistura é mais eficiente no caso das roscas corrotacionais que nas roscas contra rotacional, devido maior alternância de fluxo de uma rosca para a outra, conforme indicado na Figura 19. Também uma quantidade maior de polímero é exposta as paredes aquecidas do barril, em função do fundido polimérico contornar todo o canal da rosca de um lado para depois alternar da mesma forma no canal da rosca adjacente à um passo adiante, fornecendo assim maior aquecimento térmico que no caso da extrusora de rosca simples ou até mesmo no caso da extrusora de rosca contra rotacionais. 19
No caso do sistema com roscas contra rotacionais, com cada rosca girando no sentido contrário, o material polimérico é conduzido para a junção (região de intercalação) das roscas e vai se acumulando nesta região formando um banco de material no topo da junção, que é empurrado para frente ao longo da extrusora pelo movimento relativo dos filetes das roscas, conforme indicado na Figura 19. Desta forma, uma quantia substancial do polímero fundido se desloca para frente com mínima ação de mistura e história de aquecimento térmico e de cisalhamento não muito uniforme, porém com uma capacidade de bombeamento maior que em roscas corrotacionais, visto que a maior parte do material do banco de junção é diretamente deslocado para frente, sem passar em torno de cada rosca. As características de extrusoras de rosca dupla podem ser melhores entendidas através da análise das diferenças fundamentais entre as extrusoras de rosca simples (ERS) e extrusora de rosca dupla (ERD). Uma das diferenças principais é o tipo de transporte que ocorre em cada um dos tipos de extrusora. O transporte do polímero na ERS é do tipo fluxo induzido por arraste, ou seja, arraste sob fricção de sólidos na zona de alimentação da rosca e arraste viscoso na zona de dosagem do polímero fundido na rosca. Vários materiais, com propriedades friccionais não adequadas, apresentam sérias dificuldades na zona de alimentação da ERS. Por outro lado, o transporte na extrusora de rosca dupla intercalada (intermeshing) é sempre positivo para qualquer tipo de material. A eficiência do transporte positivo para a ERD depende somente quão bem o filete de uma rosca fecha o canal da outra rosca. O transporte é ainda mais positivo para a ERD contra rotacional com roscas intercaladas adequadamente. Outra diferença principal entre ERS e ERD é o perfil de velocidade nas respectivas máquinas. O perfil de velocidade na ERS é mais simples, ou seja, o polímero fundido faz um movimento em zig-zag dentro do canal de dosagem, em direção à saída da rosca. Na ERD a situação é mais complexa e algumas vezes difícil de descrever. A região de intercalação é a mais difícil de ser visualizada, pois apresenta vazamento (leakage), que interfere no perfil de velocidade de transporte positivo. Por outro lado, os padrões de fluxo mais complexos que ocorrem na ERD apresentam uma série de vantagens, tais como, boa qualidade de mistura, boa transferência de calor, maior capacidade de fusão, boa capacidade de volatilização e bom controle de temperatura do material dentro da extrusora. A única desvantagem é a dificuldade de se descrever o fluxo, o que dificulta a análise durante a simulação de fluxo em ERD. Esta desvantagem faz com que seja difícil projetar um conjunto de roscas duplas completo para uma ERD. Em função disto os 20
fabricantes de ERD resolveram modular as roscas duplas através de elementos de roscas, de tal forma que facilite a construção do perfil de rosca de uma forma mais empírica. Isto tem proporcionado um enorme grau de facilidade na otimização de perfis de roscas e de barril (cilindro). A figura 20 mostra um esquema de como pode se modular uma ERD. Figura 20 Imagem de uma extrusora dupla rosca modulada. Figura 21 Exemplo de uma extrusora dupla rosca modulada. 21
Como já mencionado anteriormente, as ERDs podem ser classificadas em corrotacionais e contra rotacionais. Estas, por sua vez, podem ser sub-classificadas em intercaladas (intermeshing) e não intercaladas (non-intermeshing). Neste último caso as roscas se interpenetram ou ficam separadas a uma certa distância. As ERDs corrotacionais intercaladas ainda podem ser subdivididas em extrusora de baixa velocidade e de alta velocidade. As primeiras são completamente intercaladas e são mais adequadas para a extrusão de perfis. A Figura 22 mostra como as roscas são ajustadas, de tal forma que o filete de uma rosca se posiciona no canal da outra. Figura 22 Geometria de rosca de uma extrusora dupla rosca corrotacional completamente intercalada. O ajuste do filete no canal parece formar uma região completamente vedada, impedindo qualquer vazamento. Por outro lado, a seção transversal da região intercalada revela a presença de grandes aberturas entre os canais das duas roscas, como pode ser observado na Figura 23. Figura 23 Vista da seção transversal das roscas completamente intercaladas de uma extrusora de rosca dupla corrotacional. Estas aberturas diminuem a eficiência de transporte positivo deste tipo de extrusora. As velocidades das roscas na região intercalada estão em direções opostas. Assim o material entrando na região intercalada apresentará pouca tendência em se mover através da região inteira de intercalação, a menos que existam espaços significativos (flight flank clearance) entre filetes e canais, como pode ser observado na Figura 24. 22
(a) (b) Figura 24 Detalhes do fluxo de material e espaços entre filetes e canais numa extrusora de rosca dupla corrotacional Em razão das grandes aberturas entre os canais, o material que entra na região de intercalação tenderá a fluir no canal da rosca adjacente. O material fluirá percorrendo seu caminho em oito, como mostrado na Figura 24 (b) e, simultaneamente, se moverá na direção axial. O material próximo ao flanco do filete passivo não poderá fluir para o canal da rosca adjacente, pois este espaço se tornou obstruído pelo filete da rosca adjacente. A fração de material obstruído contribuirá para o transporte positivo na extrusora em questão. Se a área obstruída (área I da Figura 23) for larga em relação a área aberta (área II da Figura 23), as características de transporte das roscas se tornarão essencialmente positivas. Se ocorrer o inverso, as características de transporte serão consideravelmente reduzidas. Nesta última hipótese haverá um alargamento na distribuição de tempo de residência e a vazão se tornará mais dependente da pressão. No caso das ERDs corrotacionais completamente intercaladas existe uma característica de transporte relativamente positiva, pois sua geometria de rosca é tal que a área aberta é relativamente menor que a área obstruída. O aumento da restrição de espaço (obstrução) favorece ao aumento de pressão na região de intercalação, que por sua vez proporciona uma separação entre as roscas. Grandes separações podem gerar desgaste entre as roscas e o cilindro. Portanto, as extrusoras corrotacionais completamente intercaladas deverão ser operadas em baixas velocidades para ser evitado grandes picos de pressão na região de intercalação. As extrusoras corrotacionais poderão ser operadas em elevadas velocidades se o perfil das roscas for alterado, conforme mostra a Figura 25. Estas extrusoras são conhecidas como extrusora de rosca dupla corrotacional auto-limpantes. 23
Figura 25 Geometria de filetes de roscas auto-limpantes. Este perfil de rosca apresenta uma área de abertura razoável entre o canal de uma rosca e o canal da rosca adjacente. Esta característica pode ser confirmada através da vista de topo da figura 25, assim como da seção transversal através da região de intercalação, conforme a Figura 26. Figura 26 Seção transversal da região de intercalação de dupla rosca corrotacional auto-limpante. Assim, a área II é mais larga em relação à área I obstruída. Portanto, existe uma tendência mínima para a ocorrência de grandes picos de pressão na região de intercalação. Neste caso, as roscas podem ser projetadas com espaços relativamente pequenos entre elas, tornando-as completamente auto-limpante. ERDs com estas características são denominadas extrusoras de rosca dupla corrotacional completamente auto-limpantes. Como este tipo de extrusora possui pouca tendência em desenvolver picos de pressão elevados na região de intercalação, ela pode ser operada em altas velocidades, atingindo valores próximos a 600 rpm. Por outro lado, suas características de transporte são essencialmente não-positivas com correspondente curvas largas de distribuição de tempo de residência e alta sensibilidade da vazão em relação a pressão. Estas extrusoras não são adequadas para fabricação de perfis. A característica de transporte não-positivo de extrusoras de rosca dupla pode fazer com elas venham a trabalhar parcialmente cheias. As extrusoras de rosca simples e as extrusoras de rosca dupla com característica de transporte positiva sempre trabalham completamente cheias. As extrusoras de rosca dupla contra rotacional também podem ser completamente intercaladas, entretanto sua geometria de rosca é um pouco diferente das corrotacionais, 24
como pode ser observado na Figura 27. O sistema de movimento das roscas se assemelha ao movimento observado em calandras ou moinho de rolos. A seção transversal da região de intercalação (Figura 28) mostra as aberturas entre os canais das duas roscas muito pequenas. Como consequência, as extrusoras contra rotacionais intercaladas apresentam características essencialmente positivas de transporte. As velocidades das roscas na região de intercalação são na mesma direção. Portanto, o material entrando na região de intercalação apresentará uma forte tendência para fluir através desta região, diferente do caso das ERDs corrotacionais intercaladas. Figura 27 Geometria de rosca da extrusora rosca dupla contra rotacional completamente intercalada. Figura 28 Seção transversal da região de intercalação de uma extrusora de rosca dupla contra rotacional completamente intercalada. A Figura 29 mostra a direção das velocidades das roscas na região de intercalação, região onde ocorre um pico de pressão. Figura 29 Detalhes da região de intercalação de uma extrusora de rosca dupla contra rotacional completamente intercalada. 25
Se os espaços entre as roscas forem significativamente pequenos, o fluxo através da região de intercalação será razoavelmente pequeno. Como resultado, ocorrerá a formação de um depósito (banco) de material acumulado na entrada da região de intercalação. O material será arrastado entre o filete de uma rosca e o canal da rosca adjacente e exercerá uma pressão considerável entre as duas roscas. Portanto, as extrusoras contra rotacionais completamente intercaladas são geralmente operadas em baixa velocidade para evitar pressões excessivas na região de intercalação. Se o espaço entre o filete de uma rosca e o canal da rosca adjacente for aumentado serão criadas áreas de escape (leakages), que amenizam a geração de picos de pressão, como pode ser observado na Figura 30. Esta é uma alternativa de projeto para aumentar a velocidade de transporte do material durante a extrusão. Figura 30 Fluxos de escape na região de intercalação de uma extrusora de rosca dupla contra rotacional completamente intercalada Os fabricantes deste tipo de extrusoras geralmente indicam a máxima velocidade de operação. Extrusoras com baixa velocidade de operação, ou seja, entre 20 e 40 rpm, apresentam características de transporte fortemente positivas, enquanto extrusoras operadas na faixa de 100 a 200rpm, apresentam características menos positiva, sendo mais indicadas para preparação de compostos, extrusão reativa ou de volatilização. Existe ainda uma terceira classe de extrusoras de rosca dupla denominada extrusoras de rosca dupla não intercaladas. Estas extrusoras são projetadas de tal forma que a distância entre as linhas de centro das roscas é maior que a soma de raios das duas roscas. A Figura 31 mostra um esquema de como ocorre à disposição das roscas não intercaladas. 26
Figura 31 Geometria da região transversal de uma extrusora de rosca dupla contra rotacional não intercalada. A não intercalação é mais aplicada comercialmente para extrusoras contra rotacionais. O mecanismo de transporte nestas extrusoras é semelhante à extrusora de rosca simples, com a diferença que existe a possibilidade de troca de material de uma rosca para outra aumentando a eficiência de mistura. Em razão do espaço existente entre as duas roscas a vazão de saída da extrusora contra rotacional não intercalada será menos que duas vezes a vazão de uma extrusora de rosca simples com o mesmo diâmetro de rosca. Este tipo de extrusora possui características de transporte menos positivas do que uma extrusora de rosca única e eficiência de mistura superior. Estas características são desejáveis para aplicações em misturas de polímeros na forma de blendas poliméricas, em processos de devolatilização e em extrusão reativa. Figura 32 Diagrama de rosca dupla de uma extrusora modulada. Figura 33 Exemplo de elementos de rosca dupla modulada. 27
Figura 34 Exemplo de rosca dupla de uma extrusora modulada. Figura 35 Exemplo de uma extrusora de rosca dupla modulada. 28