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8/3/2019 Moldagem a Sopro
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CAPTULO 2
PROCESSAMENTO DE POLMEROS
2.1 CONSIDERAES INICIAIS
Uma grande variedade de tcnicas de processamento empregada na
obteno de artefatos polimricos. O mtodo usado de conformao para um
determinado polmero depende de vrios fatores, tais como:
1 Se o polmero termoplstico ou termofixo.
2 Geometria e tamanho da pea.
3 Para polmeros termoplsticos: temperatura que amolece;
propriedades reolgicas (curvas de fluxo) quando amolecido;
temperatura;
tempo de resfriamento aps a moldagem.
4 Para polmeros termofixos:
temperatura e;
tempo de cura.
O processamento de polmeros termoplsticos ocorre normalmente em
temperaturas elevadas (200oC at 500oC) e, com freqncia, com a aplicao de
presso. Os termoplsticos amorfos so conformados acima das suas temperaturas
de transio vtrea, enquanto que os semicristalinos so processados acima de suas
temperaturas de fuso.
Um fator importante que deve ser destacado no processamento de polmeros que estes materiais, geralmente, apresentam uma capacidade calorfica (Cp) e
calor latente maiores do que os materiais convencionais, tais como metais e
cermicas. Por exemplo, a capacidade calorfica do cobre (Cpcu=0,09 KJ/KgoC)
bem inferior a capacidade calorfica do Poliestireno (PS) (CpPS=1,34 KJ/KgoC).
Portanto, os equipamentos de processamento de polmeros devem ser projetados de
forma a atender aos requisitos necessrios para que o material seja conformado
adequadamente, isto , deve-se levar em considerao a capacidade calorfica,
calor latente, propriedades reolgicas do polmero, entre outros fatores.
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A Tabela 1 apresenta a capacidade especfica e o calor latente de fuso de
alguns polmeros.
Tabela 1
Capacidade calorfica e calor latente de fuso para polmeros.
Polmero Cp
(KJ/KgoC)
Calor Latente
(KJ/Kg)
Temperatura de
processamento
(oC)
Calor Total para o
processo
(KJKg-1)
PMMA 1,47 - 225 300
HDPE 2,30 209 240 720
PP 1,93 100 250 550
PS 1,34 - 200 240
Nilon 1,67 130 280 570
PC 1,26 - 300 350
ABS 1,47 - 225 300
PPO 1,34 - 310 390
Observa-se que termoplsticos semicristalinos requerem maior quantidade
de energia para serem fundidos. Para estes materiais, a aplicao de presso,
durante seu processamento, deve ser mantida medida que a pea resfriada, a
fim de que o material conformado mantenha a sua forma desejada.
O processamento de polmeros termofixos realizado normalmente em dois
estgios. Em uma primeira etapa, o polmero de baixo peso molecular (algumas
vezes chamado de pr-polmero) preparado. Esse material convertido no produto
final, durante o segundo estgio, que realizado normalmente dentro de um molde
que possui a forma desejada. Este estgio que chamado de cura que pode ocorrer
atravs do aquecimento ou adio de catalisadores e freqentemente realizado
sob presso. A cura uma reao qumica, na qual se forma uma estrutura com
ligaes cruzadas ou em rede. Aps essa reao, o polmero termofixo removido
do molde, ainda quente, uma vez que, aps a formao do reticulado ele est
dimensionalmente estvel.
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A tabela 2 apresenta as diferenas principais do processamento de
termoplsticos e termofixos.
Tabela 2
Diferena entre as caractersticasde processamento de termoplsticos e termofixos.
Caractersticas Termoplsticos Termofixos
No processamento No h reao qumica
H reao qumica:
Formao de ligaes
cruzadas ou reticulao
Temperatura deprocessamento
(Tp)
Termoplsticos amorfos a Tp
deve ser superior sua tg .Termoplsticos semicristalinos
a Tp deve ser superior sua
Tm.
Tempo e temperatura noqual ocorre a reticulao.
Propriedades
Reolgicas
importantes
Curvas de fluxo, viscosidade e
sua dependncia com a taxa de
cisalhamento e presso
durante a conformao
Ponto ou tempo gel: tempo
em que a viscosidade do
polmero aumenta
drasticamente (temponecessrio para processar o
material)
Aplicaes
A faixa de aplicao desses
materiais fica restrita sua tg,
tm e temperatura de
amolecimento.
Materiais que apresentam
maior estabilidade
dimensional e trmica do
que os termoplsticos
Nos prximos tens sero abordados os processamentos de termoplsticos,
tais como:
Moldagem por Extruso
Moldagem por Injeo
Moldagem por Sopro Termoformagem
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2.2 EXTRUSO
Histrico:
O processo de extruso uma forma de moldagem muito antiga, cujo inciono se tem muitos registros. Sabe-se que o processo de extruso foi utilizado em
escala industrial, desde o incio do sculo XIX, na fabricao de tubos de chumbo. O
uso de equipamentos de extruso tambm feito para fabricao de produtos de
material cermico, eletrodos de carbono, grafite para lapiseira e polmeros.
A palavra extruso tem raiz e vai buscar significado nos vocbulos latino, em
que ex significa fora e tudere significa empurrar. Pode-se definir, ento, a
extruso como o processo de obteno de produtos com comprimentos ilimitados eseo transversal constante, obrigando o material a passar atravs de um cabeote
sob condies de presso e temperatura controlada. Desta maneira, a moldagem
por extruso apresenta caracterstica essencial, que a distingue de todos outros
processos de conformao de polmeros. Esse processo contnuo e por isso
usado para fabricao de produtos acabados, como por exemplo: barras, fitas,
mangueiras e tubos, como tambm para produtos semi-manufaturados, que devam,
posteriormente, sofrer novo processamento. A extruso tambm usada para
incorporao de aditivos, e em alguns casos podem ser usada como reatores de
modificao de polmeros, tambm conhecida como extruso reativa.
O processo de extruso realizado em um equipamento conhecido como
extrusora. Existem as extrusoras com uma nica rosca e extrusoras de dupla rosca.
A Figura 1 representa uma vista de corte de uma extrusora de uma rosca. A
extrusora utilizada para o processamento de polmeros consiste essencialmente de
um cilindro em cujo interior gira um parafuso (rosca) arquimedeano. O polmero, na
forma de gros ou em p, alimentado, atravs do funil de alimentao, para o
canho ou cilindro que est aquecido. O movimento da rosca promove o transporte
do polmero, levando-o at a matriz. Durante este deslocamento, o material
progressivamente aquecido, plastificado, homogeneizado, comprimido e finalmente
forado a sair, atravs do orifcio da matriz. medida que o polmero flui atravs da
matriz, o material adquire a forma da seo transversal. Desta maneira, quando o
polmero deixa a matriz, a sua forma corresponder aproximadamente a seo
transversal desta.
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Figura 1 Vista de corte de uma extrusora de rosca utilizadapara o processamento de materiais polimricos.
As extrusoras de uma rosca (parafuso) so constitudas de:
Sistema Motriz
Canho ou Cilindro
Sistema de aquecimento e resfriamento
Rosca
1 Sistema Motriz
A movimentao da rosca feita por intermdio de um redutor, o qual
acionado pelo motor. A velocidade do motor deve ser controlada para regular a
variao da velocidade da rosca. Esse controle feito atravs de dois aparelhos: o
tacmetro e o ampermetro.
2 Canho ou cilindro
O cilindro a parte da mquina em cujo interior alojada a rosca. O cilindro
proporciona uma das superfcies necessrias para friccionar o polmero.
constitudo de aos especiais, possuindo elevada resistncia abraso e
estabilidade trmica.
3 Sistema de aquecimento e resfriamento
A maior parte das extrusoras so aquecidas por meio de resistncias
eltricas, colocadas ao redor do cilindro, divididas em grupos (zona de
aquecimento). O aquecimento do cilindro atravs de resistncias eltricas o mais
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utilizado em relao aos outros meios de aquecimentos, como por exemplo, o
sistema de aquecimento a vapor, a leo quente e outros.
Um dos fatores importantes de uma mquina de extruso um perfeito
controle da temperatura de processamento do polmero. Desta maneira,
necessrio que o equipamento possua um excelente sistema de aquecimento como
tambm um sistema de resfriamento. O sistema de resfriamento do cilindro feito,
normalmente, por ar ou por lquido (serpentina) ou ainda pela unio dos dois
sistemas (gua/serpentina).
No cilindro das extrusoras so utilizados pirmetros de dois estgios, os quais
so responsveis para controlar a temperatura de processamento. O controle de
temperatura realizado por esses aparelhos ocorre atravs do mecanismo de ligar edesligar o sistema de aquecimento e/ou o sistema de resfriamento. Os sensores de
temperatura utilizados nas extrusoras so os termoelementos que ficam encaixados
no cilindro, no centro de cada zona.
4 Rosca
A rosca constituda em ao-liga com excelente resistncia trmica, corroso,
torso e flexo. A rosca a parte principal de uma extrusora, tendo a funo de:a) Fazer que o material polimrico avance para a matriz;
b) Misturar convenientemente o material polimrico;
c) Ter comprimento suficiente para fundir (amolecer) e reduzir a viscosidade
do material.
A geometria da rosca muda para cada polmero. Esta diferena de geometria
ocorre, porque os termoplsticos diferem entre si, tanto nas propriedades trmicas
(capacidade calorfica, calor latente de fuso, temperatura de fuso cristalina etemperatura de transio vtrea), quanto nas propriedades reolgicas (curvas de
fluxo e viscosidade) e propriedades mecnicas (dureza, resistncia compresso,
etc.). Desta maneira, conclui-se que quase impossvel ter-se uma mesma rosca
capaz de trabalhar satisfatoriamente para qualquer tipo de material.
Existem dois tipos de roscas, a de um estgio e a de dois estgios.
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Rosca de um estgio.
A figura 2 ilustra um esquema de um parafuso de um estgio de uma
extrusora.
Onde: D Dimetro da rosca;d altura do filete ou profundidade do canal;
l passo do parafuso;
L comprimento da rosca
Figura 2 Ilustrao de uma rosca de um estgio.
Dentro dos canais da rosca, o polmero passa por diversos estgios,
comeando a partir do funil a ser transportado o estado slido ou duro e no final darosca vai estar fundido ou amolecido. A transio slido/fluido viscoso se d
gradativamente. A rosca de um estgio constituda de trs zonas distintas, cada
qual com suas funes especficas.
1 - Zona de Alimentao Zona de entrada do material. A profundidade dos
filetes (sulcos) maior e seu dimetro constante em todo seu comprimento. A taxa
de cisalhamento nessa regio bem pequena e o polmero estar praticamente noestado slido.
2 Zona de Compresso A seo de transio ou de compresso destina-
se a iniciar e promover a compresso e a plastificao dos grnulos do polmero.
Isto ocorre, porque a profundidade dos filetes menor, diminuindo assim o espao
disponvel para o material slido passar. O material empurrado para frente
aquecido pela troca de calor com o cilindro aquecido e pela frico. O ar que estentre o material e as paredes da extrusora liberado e empurrado para trs, saindo
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pelo funil de alimentao. Nessa regio a profundidade dos filetes varia ao longo do
seu comprimento. A taxa de cisalhamento desenvolvida nessa seo maior do que
a da zona de alimentao.
3 Zona de Dosagem ou de Controle de Vazo (Calibragem) a parte
final da rosca, geralmente possui uma profundidade dos filetes relativamente
pequena e mantida constante em toda sua seo. Sua finalidade de dar
estabilidade ao polmero e ajudar a manter constante o fluxo do material. Esta a
seo da qual se tem relativamente mais conhecimento de como trabalha, pois
nesta em que o material est completamente viscoso e pode-se atravs de algumas
suposies justificadas, estud-la matematicamente e se comprovarexperimentalmente.
Razo ou Relao entre Comprimento (L) e Dimetro (D)
Alm da funo especfica de cada zona, a relao entre L/D do parafuso
(rosca) de extruso influencia o processo de mistura e produtividade de uma
extrusora.
Razo ou Relao de Compresso
As roscas se classificam, freqentemente, pela sua taxa de compresso. A
razo entre a profundidade do canal (altura do filete) entre as sees de alimentao
e dosagem chamada de razo ou relao de compresso
Os materiais termoplsticos utilizados pelo processo de extruso diferem
entre si, tanto em propriedades trmicas como em propriedades mecnicas. A
dureza, calor especfico, fluidez, coeficiente de frico, temperatura de fuso, etc.,leva a considerar que quase impossvel ter-se uma nica rosca capaz de trabalhar
satisfatoriamente bem, com mais de um tipo de material.
Normalmente, a zona de alimentao maior para polmeros cristalinos, j
que estes requerem maior calor para fundir. A zona de compresso, geralmente
possui 50% do comprimento total do parafuso.
A geometria da rosca influencia a plastificao do polmero pelo fato de afetar
as caractersticas de transferncia de calor, taxa de cisalhamento e uniformidade da
vazo. A Tabela 3 mostra as dimenses, em mm, de alguns parafusos tpicos de
extruso.
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Segundo Bretas e Dvila, como regras gerais, pode-se estabelecer que:
Polmeros mais estveis ao calor podem utilizar canais mais rasos,
facilitando a homogeneizao, porm levam mais tempo par aquecer;
Polmeros mais viscosos podem utilizar canais mais profundos;
Canais rasos significam melhores mistura, mas maior gerao de calor
pelo atrito e, consequentemente, maiores temperaturas do material
amolecido ou fundido;
Canais profundos produzem maiores mudanas na vazo, provocadas
pelas alteraes na presso.
Tabela 3
Dimenses de alguns parafusos especficospara determinados polmeros. *Fonte: Bretas e Dvila
PVC RGIDO PS LDPE HDPE NILON
Dimetro 90 90 90 90 90
Comprimento 1800 1800 1800 1800 1800
Zona 1 270 540 450 720 1350
Zona 2 1530 360 900 360 90
Zona 3 0 900 450 720 360
Passo 90 90 90 90 90
Altura Z2 5 3,5 3,1 3,9 3,1
Altura Z1 15 15 15 15 15
Onde: Zona 1 - Zona de alimentao
Zona 2 - Zona de compresso;Zona 3 Zona de Dosagem.
Observe com o auxlio da Tabela 3 que a rosca para o PVC no apresenta
zona de compresso. Isto ocorre, porque o PVC se degrada facilmente quando
submetido temperaturas superiores 210oC, ou at menos. A temperatura de
fuso para o PVC de 230oC, mas nunca se trabalha nesta temperatura, portanto, o
material quando em processamento apresenta alta viscosidade, a menos que, sejam
adicionados plastificantes ou lubrificantes. A compresso deste material dentro da
extrusora deve ser alcanada gradualmente para evitar altas taxas de cisalhamento
ao longo de toda a rosca. Por isto que a profundidade do canal deve ser
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paulatinamente decrescente ao longo de toda a rosca. Como o PVC tem alta
viscosidade mesmo no estado amolecido, no preciso uma zona de controle de
vazo (zona de dosagem) com canal constante e muito raso, pois no ocorrem
flutuaes no fluxo.
O Nilon um polmero semicristalino altamente higroscpico. Por isso, este
material deve ser levado em uma estufa com circulao de ar antes de seu
processamento. O nilon, normalmente apresenta temperatura de processamento
acima de 240oC, tem uma faixa de fuso estreita, oxida facilmente com a presena
de ar quente e apresenta uma baixa viscosidade depois de fundido. Com estas
propriedades este material necessita de uma zona de dosificao com canal
constante e bem raso, para evitar flutuaes, devido sua baixa viscosidade.
Rosca de Dois Estgios
No processo de extruso tambm, trabalha-se com polmeros que possuam
junto a si materiais volteis, que podem vir em forma de umidade.
Como verificado anteriormente, uma rosca normal de um estgio, a nica
sada de gases e vapores por trs, saindo pelo funil de alimentao ou seguindo
junto com a resina e saindo pelo cabeote junto com o produto extrudado. Destaforma, os volteis acabam afetando a qualidade do produto, apresentando marcas
visveis superficialmente como bolhas, manchas, etc.
Para solucionar tal problema, adotou-se como soluo uma tcnica que
consiste em duplicar o processo, ou seja, extruda-se o material, extrai-se dele os
volteis, volta-se a extrudar o mesmo material e, em seguida, tem-se o produto final.
Apesar de ser um processo duplicado, ele feito simultaneamente com roscas de
dois estgios, que nada mais do que duas roscas normais, uma atrs da outra ena juno destas deixa-se um orifcio no cilindro para a sada dos volteis.
Normalmente este tipo de rosca empregado para o PET reciclado. O PET um
polmero que se funde em temperaturas de 275oC e libera materiais volteis durante
a extruso. Desta forma, para este polmero utiliza-se uma rosca de dois estgios,
conforme est ilustrada na Figura 3.
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Onde: 1 Primeira zona de alimentao;
2 Primeira zona de compresso;
3 Primeira zona de dosagem;
4 Zona de degasagem;
5 Segunda zona de alimentao;
6 - Segunda zona de compresso;
7 - Terceira zona de dosagem (controle de vazo)
Figura 3 Rosca de dois estgios.
Rosca Dupla
Uma extrusora de dois parafusos (rosca dupla) tem a capacidade de misturaro material eficientemente evitando o superaquecimento (degradao) do material
polimrico. Existem dois tipos bsicos de extrusoras de dois parafusos, em que as
roscas giram em concordncia ou em oposio. Estas extrusoras so empregadas,
normalmente, para se produzir blendas ou compsitos polimricos ou para misturar
aditivos ao material polimrico. A Figura 4 ilustra a rosca dupla de uma extrusora.
As extrusoras de dupla rosca, apesar de maior custo, apresentam algumas
vantagens em relao as extrusoras de uma rosca, dentre estas vantagens
destacam-se:
Maior eficincia de mistura, plastificao e homogeneizao do composto,
em funo da geometria da rosca ser mais elaborada.
Podem ser usadas temperaturas de processamento menores, diminuindo
assim o consumo de energia eltrica.
Maior eficincia no transporte de massa, ou seja, menor variao da vazo
de material polimrico, o que representa maior controle dimensional do
produto final.
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Figura 4 Tipos de roscas usadas em uma extrusora de rosca dupla:
(a) rosca convencional, (b) rosca de alto cisalhamento.
Sistema de tela e disco quebra fluxo
O sistema de tela utilizado no processo de extruso um fator importante
conforme constatado quando se analisa o comportamento e o fluxo do material
dentro do cilindro, porque alm de atuar como elemento filtrante no final do cilindro,
cria uma obstruo ao fluxo gerando com este, um gradiente de presso contrria,
forando o retorno do material e ajudando a sua mistura e homogeneizao. Outrodetalhe importante que antes do sistema de tela, o fluxo tende a girar em funo
do movimento da rosca e aps o sistema filtrante, o fluxo parado, seguindo reto,
para frente, na direo do cabeote. justamente por este fator que se consegue
extrudar materiais com duas ou mais cores sobrepostas.
Figura 5 Ilustrao de um sistema de disco quebra fluxo
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Anlise do fluxo do material dentro do cilindro (Reologia)
Uma extrusora alimentada por um polmero slido chamada de extrusor
plastificador, ou seja, sua funo no apenas a de transportar o material, mas
tambm a de fundir o termoplstico, homogeneiz-lo e bombe-lo atravs de uma
ferramenta (cabeote), que dar a forma final ao produto.
Atualmente, as extrusoras trabalham a uma velocidade entre 20 a 200 rpm,
podendo ter uma produo de 2000 Kg/h ou mais, dependendo da sua dimenso, do
polmero a ser extrudado e do produto final.
Um dos principais fatores que limita a produo de uma mquina extrusora
a homogeneidade do extrudado. A fim de se compreender melhor o funcionamento
de uma extrusora, pode-se considerar o seguinte esquema:
ALIMENTAO
ZONA 1 (Transporte de Slidos)
ZONA 2 (Fuso ou Plastificao)
ZONA 3 (Bombeamento)
Sada (Produto)
O comportamento global da mquina depende de como se processa,
individualmente, cada zona. Para que se tenha condio de controlar o processo
necessrio que a mquina tenha condies de obedecer as seguintes relaes: A velocidade de transporte de material slido pela Zona 1, seja pelo
menos igual ou superior velocidade de fuso ou plastificao da Zona 2.
A velocidade de plastificao da Zona 2 tem que ser igual ou maior que a
velocidade de bombeamento da Zona 3.
Caso no ocorram estas condies, a rosca ir trabalhar em vazio ou mal
alimentada. Quando se cumprem estas condies, diz-se que a Zona 3
(bombeamento) controla a operao, mantendo o fluxo mais estvel, extrudado de
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melhor qualidade, bem melhor do que se a operao tivesse sido controlada por
qualquer outra zona.
Para um melhor entendimento, torna-se necessrio detalhar cada zona.
Zona 1 Zona de Alimentao Transporte dos Grnulos
Estuda-se esta zona empregando uma teoria de transporte de slidos,
apoiada parcialmente em alguma evidncia experimental, a qual no fornece base
suficiente para se concluir que as suposies feitas atravs de teorias analticas
estejam totalmente corretas.
Em condies ideais, as partculas individuais deveriam seguir trajetriasretas e paralelas ao eixo da rosca. Nestas condies, a velocidade mxima de
transporte se calcularia com facilidade, porm, ao avanar dentro do cilindro, o
mecanismo de transporte se modifica, as partculas vo se compactando e tendem a
se mover como uma massa macia, friccionada pelas superfcies da rosca e do
cilindro.
Zona 2 Zona de plastificao ou CompressoA zona de plastificao ou de transio se define como sendo parte da
extrusora em que coexiste polmero slido e fundido. Como comentado
anteriormente, o comprimento da zona de plastificao funo da geometria da
rosca e das propriedades reolgicas do polmero. Nesta etapa o material
amolecido pelo atrito e pela conduo trmica.
Zona 3 Zona de dosagem ou bombeamentoTeoria de Fluxo para extrusora de rosca nica
Na zona de dosagem ou bombeamento o material deve estar completamente
amolecido ou fundido. Esta seo a regio em que se tem maior conhecimento a
respeito do mecanismo de transporte de material.
Nesta zona, a rosca gira dentro do cilindro, esse movimento gera o arraste do
polmero e ao mesmo tempo, o polmero flui devido a existncia de Presso (P) ao
longo do canal da rosca. Estes dois tipos de fluxo apresentam perfis de velocidades
distintos (arraste e contra presso) como ilustrado na figura 6. Entre a rosca e o
cilindro deve existir uma folga para evitar o atrito entre estes materiais. Esta folga
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pequena de maneira que o polmero viscoso que tem alta viscosidade durante o
processamento, no deve vazar. Normalmente esta folga de 2 mm.
Eventualmente, devido ao desgaste o polmero pode escapar por entre esta folga.
Para efeito de clculos, este escape.
Fluxo de arraste Fluxo de contra - presso
Figura 6 Perfil de velocidade desenvolvido na rosca devido o seumovimento de arraste e gerao de presso.
Fluxo de arraste o movimento relativo do fluido entre as paredes do cilindro
e da rosca, simplesmente considerado o movimento para frente do fluido, gerando
um perfil de velocidade linear, enquanto que o fluxo de contra-presso um fluxo
devido ao gradiente de presso ao longo do canal da rosca, gerando um perfil de
velocidade parablico. A vazo de material durante o processamento de extruso
gerada pela movimentao da rosca est relacionada ao fluxo de arraste, contra-
presso e ao fluxo de escape (vazamento), descrita segundo a equao abaixo:
Q = Qp d + Qp + Qe (1)
Em que Q , Q e Q so as vazes devido ao arraste, presso e ao escape.d p e
O fluxo de polmero gerado pela movimentao da rosca pode ser descrito
segundo a equao abaixo.
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PC
NAQ =
.(2)
A e C so constantes geomtricas do parafuso e N velocidade da rosca.
A vazo ou a produtividade de uma extrusora depender das seguintes
variveis:
Geometria da rosca: dimetro, passo. ngulo da hlie da rosca, largura,
profundidade e cumprimento do canal, folga entre o filete e o cilindro.
Polmero: propriedades reolgicas.
Condies de operao: velocidade da rosca, temperatura e presso deextruso.
Fenmenos observados na extruso devido elasticidade do polmero
Inchamento do extrudado (Die Swell)
O inchamento do extrudado um fenmeno caracterizado pelo aumento dodimetro do extrudado em relao ao dimetro da matriz. Este fenmeno est
ilustrado na Figura 7. O inchamento do extrudado representado de forma
quantitativa pela taxa de inchamento, , definida por:
m
e
D
D=
(3)
em que: a taxa de inchamento do extrudado, D o dimetro do extrudado e De m
o dimetro da matriz.
Na regio anterior matriz as molculas do polmero esto em sua
conformao enovelada (estado equilbrio termodinmico). Dentro da matriz as
molculas comeam a se orientar (conformao alongada) devido ao aumento da
taxa de cisalhamento. Na sada da matriz, as molculas tendero a voltar em seu
estado fundamental (conformao enovelada). Isto produz um encolhimento
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longitudinal e uma expanso lateral. A Figura 7 apresenta o esquema de inchamento
do extrudado.
Figura 7 Ilustrao do inchamento do extrudado.
Fatores que afetam o inchamento do extrudado:
A taxa de inchamento do extrudado , aumenta com o aumenta da
taxa de cisalhamento;
A uma taxa de cisalhamento fixa, o inchamento do extrudado decresce
com a temperatura e com o aumento do comprimeto da matriz;
Quanto maior o tempo de residncia dentro da matriz, menor o
inchamento do extrudado.
Fratura do Fundido
A fratura do fundido um fenmeno que pode ocorrer durante o processo de
extruso e caracterizada pelo aparecimento de extrudados com superfcie sem
brilho, rugosa e, por vezes, levemente rosqueada, conforme ilustrada na Figura 8.
Figura 8 - Ilustrao de alguns tipos de fratura do fundido.
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Fatores que afetam a fratura do fundido:
Acima de uma taxa de cisalhamento crtica, o extrudado fica irregular;
A taxa de cisalhamento crtica aumenta com a temperatura e com a
razo entre L/D.
Segundo alguns autores, a fratura do fundido originada pela propagao
turbulenta da massa fundida na parede da matriz. Isto pode ser constatado, j que
abaixo da tenso crtica o polmero flui continuamente e suavemente perto da
parede da matriz. Acima desta tenso crtica, este polmero repentinamente comea
a quebrar e fraturar. Observou-se que a tenso crtica dependente do material de
construo da matriz, desta maneira, a fora de adeso entre polmero/matriz pe umfator importante.
TCNICAS DE EXTRUSO
Extruso de tubos
Extruso de filmes
Extruso de filmes planos Processo de extruso-laminao
Processo de Co-extruso
Processo de Revestimento de Arames
a) Extruso de Tubos
O processo de fabricao de tubos inicia-se na extrusora, responsvel pela
plastificao, homogeneizao e controle de fluxo de material na sada da matriz. Nasada da matriz encontra-se um calibrador a vcuo que tem a funo de resfriar e
controlar o dimetro externo do tubo. Normalmente, utiliza-se gua gelada na sada
do calibrador de modo a conseguir maiores taxas de remoo de calor. Na frente do
calibrador encontra-se o puxador, o dispositivo de corte e recepo dos tubos
cortados, como ilustrado na Figura 10. A produo utilizando-se o calibrador, o
dimetro externo do tubo determinado pelo calibrador, enquanto que o dimetro
interno determinado pelo dimetro do torpedo. A Figura 9 ilustra uma matriz tpica
para a extruso de tubos.
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Figura 9 Extruso de tubos: tcnica da matriz de calibragem.
(Brasken, A. R. et al.).
Figura 10 Ilustrao de uma matriz para extruso de tubos.
(Brasken, A. R. et al).
A matriz deve ser projetada de forma a suportar altas presses. Alm disso, o
torpedo e o adaptador devem ser projetados de forma a assegurar o fluxo laminar,
sem pontos mortos que possam produzir o estacionamento do material.
b) Extruso de Filmes
Filmes ou pelculas de material polimrico podem ser obtidos atravs do
processo balo (filme soprado). Neste processo, uma extrusora alimenta uma matriz
tubular cujo anel de sada tem uma abertura bastante delgada. O tubo anular assim
extrudado sofre expanso na forma de uma bolha por meio de um fluxo de ar
soprado atravs do torpedo. O resfriamento do filme ocorre por meio de outro jato de
ar cuidadosamente controlado. O filme polimrico ento fechado por meio de rolos
de presso e trao. O material obtido bobinado sob tenso constante.
Os filmes produzidos por este processo so estirados longitudinalmente e
transversalmente. A largura e a espessura do produto final controlada atravs da
velocidade de extruso e do tamanho da bolha. A resistncia mecnica do filme
funo direta da orientao molecular no sentido longitudinal e transversal.
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Atravs deste processo podem-se produzir filmes rgidos, flexveis e semi-
rgidos, com espessuras inferiores a 20m. Este processo adequado para a
fabricao de sacos plsticos. Entretanto a sua produtividade tende a ser baixa, em
virtude do tempo elevado que requerido para o resfriamento da bolha. Em geral
emprega-se a extruso ascendente, como ilustra a Figura 11. Tambm empregada
a extruso de filmes descendentes e horizontais.
Com o objetivo de garantir a produo dos filmes essencial o controle do
resfriamento da bolha. A bolha chega achatada nos roletes de compresso, caso o
filme no esteja suficientemente frio as extremidades do mesmo podem colar entre
si. Desta maneira, deve-se produzir uma bolha estvel e simtrica e resfriada
adequadamente para impedir a tendncia do filme colar em si prprio ao passarpelos cilindros de compresso.
Figura 11 Ilustrao de uma extrusora de filme plano.Adaptado de Blass, A. (1988).
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c) Extruso de Filmes Planos
O processo de produo de chapas ou filmes planos realizado atravs da
extruso de material amolecido ou fundido que alimentada a matriz plana de largura
e espessura adequadas s dimenses finais da chapa. Aps passar pela matriz
plana, a massa fundida ou amolecida ento resfriada para adquirir sua forma final.
As chapas so normalmente resfriadas atravs do contato com rolos (calandras),
conforme ilustrado na Figura 12. As chapas so puxadas e armazenadas em
bobinas. Este processo fornece um produto de transparncia superior ao processo
tubular, devido a possibilidade de se fazer um resfriamento rpido do material
fundido. O choque trmico limita o crescimento de esferulitos, em polmerossemicristalinos, o que pode garantir a obteno de filmes mais transparentes e
brilhantes.
Figura 12 Esquema ilustrativo da produo de chapas.
A matriz possui uma longa fenda que permite a extruso em altas
temperaturas mantendo altas taxas de produo. A temperatura elevada garante o
mnimo de irregularidades superficiais. A Figura 13 apresenta algumas matrizes para
a extruso de chapas.
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Figura 13 Tipos de matrizes para fabricao de chapas.
d) Processo de Extruso-Laminao
Este processo empregado para a aplicao de uma fina camada de polmerosobre papel, tecidos, filmes metlicos ou outros substratos. O processo de extruso
laminao apresenta similaridade ao processo de produo de filmes. O material
extrudado encaminhado a uma matriz plana que conforma o material em forma de
chapa. O filme fino de polmero, ainda amolecido, aplicado sob presso ao material
de recobrimento (substrato), conforme ilustrado na Figura 14. O material a ser
recoberto alimentado continuamente desde uma posio de desbobinamento,
passando sobre o cilindro de presso. A espessura da camada aplicada pode serregulada pela velocidade de fluxo da massa fundida e pela velocidade do substrato.
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Entre os files usados para a co-laminao, destacam-se poliestireno, polietileno de
alta densidade, poli(metacrilato de metila) e poli(cloreto de vinila).
Figura 14 Ilustrao de um equipamento de extruso-laminao.Adaptado de Blass, A. (1988).
e) Processo de Co-Extruso
A co-extruso um processo no qual se consegue sobrepor camadas de dois ou
mais materiais diferentes, com o objetivo de se obter uma chapa com caractersticas
especiais. Estas caractersticas podem ser, resistncia qumica, brilho superficial,
barreira a gases, resistncia ao impacto, ou simplesmente cores diferentes dos dois
lados da chapa extrudada. O sistema de co-extruso mais conhecido a da matrizmltipla que necessita de mais de uma extrusora que so conectadas a uma matriz
especial. A figura 15 ilustra o processo de coextruso de chapas.
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Figura 15 Processo de coextruso de chapas com duas camadas.
f) Processo de Revestimento de Arames
Fios e cabos eltricos podem ser isolados com polmeros extrudados atravs
de matrizes transversais linha de extruso. O polmero extrudado alimenta a
matriz, especialmente desenhada para poder receber o fio ou cabo a ser recoberto
por seu interior. O fio metlico entra em contato com o polmero amolecido e
resfriado pela passagem por uma srie de banheiras e embobinado em
comprimentos pr-determinados. Para certificao da integridade do isolamento, as
linhas de recobrimento de fios e cabos eltricos incorporam ainda o chamado teste
de fasca. Nesse teste, o fio ou cabo passa por dentro de uma bobina de alta
capacidade que induz alta corrente em uma pequena seo do produto. No caso de
falha no isolamento, a corrente escapa pela mesma, provocando uma fasca
detectada pelo equipamento e acionando um alarme para ao operador da linha,que
segrega a bobina defeituosa. A figura 16 e 17 mostra o processo e uma matriz tpica
de extruso de isolamento de fios e cabos eltricos.
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Figura 16 Processo de extruso para cobertura de fios e cabos.
(adaptado por Blass, A. 1988).
Figura 17 - Matriz de recobrimento de fios e cabos eltricos: (a) matriz de alta
presso; (b) matriz tipo tubular (Brasken, A. R. et al).
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2.3 INJEO
A moldagem por injeo um dos processos mais versteis e modernos na
rea de transformao de polmeros. Este processo consiste basicamente em forar
o polmero amolecido ou fundido, atravs de uma rosca - pisto, para o interior da
cavidade de um molde. Aps o resfriamento a pea ento extrada. A moldagem
de injeo um processo intermitente composta por vrias etapas que se repetem a
cada ciclo, na qual podem ser produzidas uma ou vrias peas por vez. Vrios
produtos podem ser fabricados atravs do processo de injeo, tais como:
brinquedos, discos, telefones, gabinetes de computadores e televisores, capacetes,
para-choques, dentre outros. Este processo pode ser usado tanto para
termoplsticos, elastmeros como termofixos.
As propriedades de peas polimricas fabricadas pelo processo de injeo
esto intimamente ligadas ao conhecimento do fluxo do fundido nos canais de um
molde. As propriedades finais dos moldados dependem das condies do
processamento. Duas peas de um mesmo material fabricadas, em uma mesma
mquina injetora e mesmo molde, sob diferentes condies de injeo podem
apresentar diferentes nveis de encolhimento e tenses internas. Isto significa que asduas peas tero propriedades distintas. Desta maneira, o conhecimento de como o
polmero flui dentro das partes do molde e do estabelecimento de condies ideais
de moldagem de fundamental importncia para a determinao da qualidade de
um moldado. O material polimrico deve possuir uma viscosidade adequada para
escoar e preencher totalmente o molde.
TIPOS DE EQUIPAMENTOS
Mquina Injetora com pisto (mbolo)
A moldagem de injeo um processo de transformao que passa por
vrias etapas que so executadas em uma ordem que repetida. A repetio destas
etapas denominada de ciclo de injeo. O ciclo de injeo comea a partir da
adio de material polimrico no funil de alimentao. O polmero passa do funil de
alimentao para o cilindro que aquecido, atravs de resistncias eltricas. Omaterial amolecido empurrado (injetado) pelo mbolo contra as paredes da
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cavidade do molde que deve estar fechado. O molde permanece fechado at que
ocorra o resfriamento adequado do polmero. Aps seu resfriamento a pea ento
extrada. A figura 18 ilustra uma mquina de injeo com pisto que possuem os
seguintes componentes:
1. Funil de alimentao Local onde adicionado o material polimrico, na
forma de ps ou pellets (termoplsticos);
2. Cilindro de aquecimento Local onde o material aquecido
amolecido/fundido;
3. mbolo Ferramenta que opera no cilindro e tem a funo de empurrar o
polmero, aplicando presso ao material, empurrando-o contra as cavidades do
molde;4. Prensa A prensa a parte da mquina de injeo onde se localiza o
molde que tem a funo de dar forma ao material polimrico;
5. Sistema de controle e presso que tem a funo de comandar os a
temperatura, mecanismos de injeo e fechamento do molde na seqncia
adequada para a fabricao de produtos com excelente qualidade.
Figura 18 Mquina de injeo de pisto.
Adaptado de Blass, A. (1988).
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O ciclo de moldagem em mquinas de mbolos compreende em:
1 Fechamento do molde;
2 O mbolo avana e empurra o material no molde (injeo);
3 O mbolo permanece avanado durante um determinado tempo;
4 O mbolo recuado e durante a sua retrao dosado (alimentado) mais
material amolecido. O molde permanece fechado para que o material seja resfriado
adequadamente;
5 O molde se abre e ento a pea extrada. O ciclo de operao pode ser
repetido. A Figura 19 ilustra o ciclo de injeo de uma mquina de pisto.
Figura 19 Ciclo de injeo em mquinas de mbolo.
Mquina Injetora com parafuso
No passado era comum o uso de mquina injetora de pisto, porm devido
sua baixa eficincia de plastificao do material, este equipamento caiu em desuso,
com o desenvolvimento de mquinas dotadas de parafuso/pisto. Desta maneira,
hoje em dia, a maioria das mquinas de injeo de termoplsticos do tipo de
parafuso ou rosca recproco, conforme ilustrado na Figura 20. Este equipamento
possui, dentro do cilindro de plastificao, um parafuso semelhante ao descrito no
processo de extruso. A funo do parafuso homogeneizar e plastificar o material
at que o mesmo esteja com viscosidade adequada para ser injetado nas cavidades
do molde.
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Figura 20 Equipamento de injeo com rosca/pisto.
Adaptado de Blass, Arno (1988).
Descrio do processo:
O polmero adicionado na injetora atravs do funil de alimentao. A rosca
gira e empurra o polmero para a parte frontal da mesma. Enquanto a rosca gira ela
recua para trs, pois precisa de espao sua frente para depositar o material
polimrico fundido ou amolecido e homegeneizado. Aps a deposio de uma
quantidade suficiente de material depositado na parte frontal da rosca, uma vlvulapresente perto do bico de injeo se abre. Neste momento, a rosca deixa de atuar
como parafuso e atuar como se fosse um pisto, fazendo movimento para frente,
empurrando assim o material para dentro das cavidades do molde. No momento da
injeo de material, o molde deve estar vazio e fechado. Depois de terminado de
injetar e compactar o material dentro do molde, a rosca permanece exercendo uma
presso sobre o injetado (presso de recalque). Assim que o polmero entra atravs
dos canais do molde, inicia-se o processo de resfriamento do material. Depois deresfriado o material ento extrado. Normalmente este processo pode ser descrito
em seis etapas:
1. Fechamento do molde: o ciclo de moldagem iniciado pelo fechamento e
travamento do molde.
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2. Dosagem: plastificao e homogeneizao do composto no cilindro de injeo,
que feita atravs do movimento de rotao da rosca recproca e de aquecimento
do cilindro por resistncias eltricas.
3. Injeo: como o prprio nome indica, trata-se da injeo do composto fundido
para o interior da cavidade (ou cavidades) do molde por meio do movimento linear
de avano da rosca recproca e bloqueio do contrafluxo pela ao do anel de
bloqueio.
4. Recalque: finalizado o preenchimento das cavidades, a presso nas mesmas
mantida at a solidificao completa dos pontos de injeo. Essa manuteno dapresso nas cavidades conhecida como recalque, e se destina a compensar a
contrao da pea moldada durante seu resfriamento, evitando a ocorrncia de
defeitos de moldagem como os chamados rechupes e outras imperfeies, bem
como perda de parmetros dimensionais.
5. Resfriamento: finalizada a etapa de recalque, a pea mantida no molde
fechado para complementao de sua solidificao. Paralelamente etapa deresfriamento sem aplicao de presso na cavidade, o processo inicia um novo ciclo
de dosagem de polmero para a prxima injeo. O resfriamento prossegue at que
a pea moldada apresente resistncia mecnica suficiente para poder ser retirada do
molde sem sofrer deformaes ou perda de parmetros dimensionais. O estgio de
resfriamento controla o ciclo total de injeo, j que uma etapa de maior durao e
depender da espessura do molde, da capacidade calorfica do material moldado e
das propriedades desejadas para a pea.
6. Extrao: encerrada a etapa de resfriamento o molde aberto e a pea extrada
por ao de extratores mecnicos ou, mais comumente, hidrulicos ou eltricos.
Alguns produtos podem ser extrados com o auxlio de ar comprimido ou pela
simples interferncia do operador da mquina injetora. O ciclo de moldagem ento
reiniciado por um novo fechamento do molde e etapas posteriores.
A Figura 21 apresenta o ciclo de injeo em uma mquina de rosca/pisto.
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Figura 21 Ciclo de injeo em uma mquina de rosca/pisto
(Arthur N. Wilkinson).
FUNO DA ROSCA E DO MOLDE
ROSCA: Fase de plastificao ou fuso
A rosca de injeo opera como a de uma extrusora, fundindo e
homogeneizando o polmero. O amolecimento ou fuso da massa polimrica ocorre
devido conduo trmica do cilindro (mantas eltricas) e ao cisalhamento
provocado pela rotao da rosca. As propriedades do polmero que dosado na
frente do parafuso tm efeito sobre as propriedades finais da pea. Entre estas
propriedades pode-se citar: grau de homogeneidade (mistura dos aditivos ou cargas
que compem o polmero e uniformidade da temperatura da massa polimrica);
viscosidade adequada para preencher o molde a uma determinada velocidade de
injeo e ausncia de degradao dos componentes da massa polimrica.
Os parmetros importantes na etapa de dosagem so: a temperatura do
cilindro, a velocidade de rotao da rosca e a contrapresso da rosca. Maiores
velocidades de rotao da rosca promovem maior cisalhamento e homogeneizao
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do polmero, porm com maior aumento da temperatura da massa polimrica, o que
pode comprometer a estabilidade da mesma. O mesmo vale para a contrapresso
da rosca, que nada mais do que a presso exercida na traseira da rosca de modo
a dificultar seu recuo no momento da dosagem. Quanto maior a contrapresso,
maior o cisalhamento e homogeneizao do material, bem como maior a solicitao
trmica do mesmo. Assim como na rosca de extruso a rosca de injeo dividida
em trs partes:
1. Zona de Alimentao esta zona mais longa que a zona de alimentao de
uma extrusora, isso ocorre porque durante o transporte de material ocorre o recuo
da rosca para trs, encurtando gradativamente a zona de alimentao. Nesta regioo polmero est na forma de grnulos ou p e paulatinamente o material tem sua
viscosidade diminuda.
2. Zona de Transio ou compresso Neste estgio o polmero passa do estado
slido para o fundido ou amolecido. A funo desta zona fundir o polmero,
homogeneizar e misturar o material. A taxa de fuso ou amolecimento do polmero
na rosca depender da capacidade de plastificao da rosca. A plastificaodepende da troca de calor por conduo, atrito (cisalhamento) e da razo de
compresso da rosca. Uma alta razo de compresso significa rpida passagem do
material do estado slido para o fundido.
3. Zona de dosagem ou controle de vazo A funo desta regio de estabilizar
o fluxo e gerar presses para trs para garantir a plastificao. Nesta zona o material
deve estar devidadmente misturado e sua temperatura deve estar homogeneizada.No processo de injeo o controle da vazo pela rosca no to importante quanto
no processo de extruso. O polmero dosado na frente da rosca, onde fica
armazenado at o momento da injeo.
MOLDE
Aps ser plastificado e homogeneizado pela rosca, o material amolecido ou
fundido empurrado para dentro do molde. O molde tem formato da pea desejada
e normalmente est a temperaturas baixas para resfriar rapidamente o material
polimrico. Para chegar at as cavidades do molde, o material flui atravs de canais,
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passando pela bucha (canal de alimentao) e pelos canais de distribuio e ou
alimentao. Na entrada da cavidade o polmero flui pelo ponto de injeo que
uma passagem estreita que separa o produto final do sistema de alimentao. Os
moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) at US$ 2.000.000,00
(moldes para peas automotivas). Tais custos so relacionados com aspectos como
tolerncia, acabamento, durabilidade e dimenses. Os moldes so fabricados com
materiais de alta dureza e resistncia degradao por frico e temperatura. Ao,
ao endurecido, ligas de cromo, ligas de alumnio e ao so alguns materiais
usados. A Figura 22 ilustra um molde convencional de duas placas com canal frio
usado para a produo de peas plsticas injetadas. Estes moldes apresentam duas
partes, uma fixa e outra mvel. Quando a placa mvel se movimenta, aciona osistema de extrao e o conjunto injetado cai ou retirado. O molde constitudo
por diferentes partes funcionais, cada qual com as seguintes funes especficas,
tais como:
Sistema de canais por onde o polmero flui at chegar na cavidade do
molde. Este sistema deve apresentar um dimensionamento tal que o polmero
consiga preencher adequadamente a cavidade do molde. Este sistema deve possuirpequena rea superficial para evitar resfriamento rpido, dimetros grandes para
minimizar a resistncia ao fluxo e no devem ser muito longos para reduzir tempos
de resfriamento e perda de material (refugo). O sistema de canais constitudo de:
(a) canal de injeo que liga o bico de injeo do canho da injetora, (b) canal de
alimentao/distribuio que devem ser o mais curto possvel, utilizando assim
menos material e menor tempo de fluxo, e (c) ponto de injeo que tem como
funes de aumentar a velocidade de resfriamento em pontos localizados, aumentara taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidade do polmero para preencher o
molde e facilitar a extrao da pea ao canal de alimentao. .
Sistema de resfriamento responsvel por acelerar a solidificao e
extrao da pea. importante ressaltar que o resfriamento do material deve ser
dequado para evitar acmulo de tenses residuais e empenamento da pea. Este
resfriamento obtido pela circulao de um lquido refrigerante atravs de canais
especficos que envolvem a cavidade. Quando so injetados polmeros
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semicristalinos, podem-se utilizar moldes quentes para permitir um maior
crescimento de esferulitos ou para aliviar as tenses internas da pea.
Sistema de fechamento do molde visa manter o molde fechado durante a
injeo, evitando assim o vazamento de material. As presses envolvidas so da
ordem de 140 a 200 MPa.
Sistema de extrao da pea responsvel para garantir a fcil retirada dos
moldados, sem que os mesmos sejam danificados.
(A) (B)
Figura 22 Molde de duas placas: a) molde fechado e b) molde abrindo. Observeque para este tipo de molde os canais de alimentao e injeo caem juntos com a
pea, sendo posteriormente, necessrio separar a pea dos canais. (Morton-Jones)
Alm do molde de duas placas existem os moldes de trs placas, moldes com
canais isolados e com canais quentes.
Os moldes de trs placas possuem trs partes, sendo uma fixa, uma que
flutua no centro com velocidade de abertura intermediria a uma outra placa que se
movimenta com velocidade maior. Neste caso, os canais de alimentao e de
distribuio so separados automaticamente das peas. A Figura 23 ilustra o molde
de trs placas.
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Figura 23 Molde de trs placas, as peas se separam dos canais de alimentao einjeo (galhos) no momento em que as placas se abrem. (Morton-Jones)
Os moldes do tipo convencional com trs ou duas placas apresentam o
inconveniente de requerem remoo da parte do sistema de alimentao e injeo
(galho). Com o objetivo de evitar perda excessiva de material, elimina-se estes
canais. A eliminao destes canais pode ser feita atravs da injeo direta, em que o
polmero entra diretamente no bico de injeo para dentro do molde, ou atravs da
injeo com cmara quente. Neste caso, o polmero flui atravs dos canais quentes,no resfriando e entrando n a cavidade final, com propriedades reolgicas e trmicas
controladas. No sistema de canal quente todo sistema de alimentao ou parte dele
mantido aquecido de forma que o material permanea preparado para entrar no
molde no prximo ciclo de injeo. As vantagens deste tipo de molde so: ciclo mais
rpido, reduo de perda de refugos, eliminao de separao da pea e maior
qualidade do injetado. Entretanto, estes moldes requerem um ferramental mais
sofisticado, o que torna o custo do equipamento maior.
FASE DE CONFORMAO
No processo de injeo, a conformao do material na cavidade do molde
pode ser dividida em trs etapas:
1 Fase de preenchimento do molde: nesta fase o polmero empurrado para as
cavidades do molde, preenchendo. O material ainda est quente e completamente
expandido. Isto significa que aps seu resfriamento o polmero ir encolher. Nesta
etapa h envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessria para
preencher totalmente o molde.
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2 Fase de pressurizao ou compactao: como a densidade do polmero est
aumentando, devido diminuio do volume provocado pelo resfriamento,
necessrio forar mais material para dentro do molde para que a pea mantenha um
volume constante. Normalmente, a presso de injeo nesta fase mxima e
enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento.
3 Fase de recalque ou compensao: nesta etapa ocorre envio restante de
polmero, se necessrio para compensar a contrao de material. Alm disso, a
massa polimrica mantida sob presso dentro do molde para que no ocorra
retorno de material.
O comportamento do material durante o processo de preenchimento do moldepode ser melhor entendido pelas curvas de presso em funo do tempo, conforme
observada pela Figura 24. A partir desta figura pode-se observar que durante as
fases de preenchimento, pressurizao e recalque ocorrem importantes
transformaes. O ponto de comutao ou presso de comutao quando ocorre a
mudana da presso de pressurizao para a presso de recalque. Normalmente a
alterao do volume especfico, contrao de moldagem e tenses residuais so
determinadas pela fase de recalque. Segundo Birley, a seqncia do processo podeser descrita como:
1 a 2 Fase de Preenchimento o preenchimento de material no molde gera um
aumento da presso que acompanhado pelo resfriamento do material at que a
fase de preenchimento seja completada. Nesta etapa ocorrem maiores velocidades
do fluido. A taxa de cisalhamento alcana valores de 104 s-1. A velocidade de injeo
deve ser alta para no ocorrer o resfriamento e preenchimento incompleto dematerial no molde. Os tempos de injeo de peas pequenas so da ordem de 1 a 2
s, dependendo do material e da velocidade de injeo aplicada. Alta presso de
injeo implica no aumento da orientao molecular das cadeias polimricas. Se a
massa polimrica for resfriada antes da recuperao elstica, as molculas podem
permanecer estiradas e tencionadas. Caso existir assimetria da distribuio destas
orientaes gera-se tenso residual que pode causar falha pr-matura das peas. A
orientao molecular pode ser desejada caso o seu controle seja possvel. Alguns
benefcios gerados pela orientao molecular podem ser explorados como:
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resistncia trao e fluncia na direo da orientao. Orientao no controlada
ou assimtrica pode causar empenamento da pea.
2 a 3 Fase de Pressurizao aps o preenchimento volumtrico, mais massa
entra no molde, entretanto com menor velocidade em relao fase anterior. O
polmero sofre uma compactao dentro da cavidade, com o objetivo de compensar
seu encolhimento. Esta fase acompanhada por um aumento de presso repentina
dentro do molde e atinge-se a presso mxima de injeo. O ponto de comutao
a regio em que a fase de pressurizao finalizada e inicia-se a fase de recalque.
Quanto maior for a presso mais massa entra no molde e maior ser a compactao
das molculas polimricas. A fase de pressurizao pode ser considerada como sefosse uma continuao da etapa de preenchimento (presso de injeo) e da fase
de recalque (presso de recalque).
3 a 4 Fase de Recalque durante a solidificao ocorre a contrao da pea em
virtude da diminuio da temperatura da massa polimrica. Esta contrao
compensada pela introduo de mais material dentro do molde. A presso de
recalque deve ser adequada para manter as cavidades do molde sempre cheiasdurante a contrao. Aps tingir o ponto de comutao ocorre uma queda de
presso na cavidade, isto ocorre pois quando as regies vizinhas ao ponto de
injeo solidificarem, nenhuma quantidade adicional de polmero poder entrar na
cavidade para compensar a contrao da pea. O controle do peso da pea uma
forma de monitorar o encolhimento da mesma. Quanto mais material entrar no molde
durante a pressurizao e o recalque, mais densa ficar a pea e menor ser sua
tendncia de encolhimento. A maior parte das tenses internas do polmero injetadodensidade, massa, contrao de moldagem ocorre na fase de recalque. O ponto 4
de extrema importncia para a contrao e conseqentemente para as dimenses
finais da pea, sendo que neste ponto a pea comea a perder o contato com as
paredes da cavidade.
4 a 6 Fase de resfriamento aps o trmino da fase de recalque a presso e a
temperatura da pea continuamente diminuda, nesta fase ocorre o maior
encolhimento da pea. De 5 a 6 a pea moldada extrada da cavidade e continua a
resfriar temperatura ambiente. Normalmente a pea moldada termina de contrair
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aps atingir o ponto 6 (temperatura ambiente), porm pode ocorrer um considervel
encolhimento ps-prensagem (que pode ocorrer aps 24 horas de extrao),
principalmente para polmeros semicristalinos.
Figura 24 Curva de P x t ilustrando as fases de preenchimento e resfriamento do
material no molde (Arthur N. Wilkinson).
FATORES QUE QUE AFETAM AS PROPRIEDADES DO PRODUTO FINAL
As condies de processamento influenciam diretamente a estrutura do
material, como por exemplo: orientao molecular, grau de cristalinidade,
distribuio e forma dos cristais e tenses. A estrutura do material, por sua vez, ir
influenciar as propriedades finais do produto, tais como: propriedades mecnicas
ticas, eltricas e acabamento superficial, alm do surgimento de defeitos, como
rechupes, empenamentos, bolhas e outros. Desta maneira, o controle das condies
de processamento que ir garantir a qualidade e a reprodutibilidade das
propriedades finais da pea. Dentre as principais variveis do processo de injeo
destacam-se:
Temperatura da massa a temperatura do material durante o processo. O efeito
da temperatura da massa nas propriedades mecnicas, tenses internas e no peso
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da pea bastante significativo. Temperaturas baixas de processo geram uma
queda mais acentuada na temperatura ao longo do canal de injeo no molde,
resultando em baixas presses para que o material seja empacotado dentro da
cavidade. Como conseqncia, obtm-se peas com baixo peso. O aumento de
alguns graus na temperatura da massa durante o processo pode ocorrer mudanas
significativas nas propriedades do produto final, como por exemplo: diminuio das
tenses internas e orientao das molculas do material injetado. O aumento
gradativo da temperatura gera uma diminuio da viscosidade do material e a
transmisso da presso ao longo do canal aumenta sensivelmente, permitindo um
maior empacotamento da massa polimrica na cavidade, alm de reduzir o rechupe
da pea (aumento do peso do produto final). Lembrando-se de que a temperatura doprocesso no deve ultrapassar a temperatura de degradao do material polimrico.
Deve-se ressaltar que para alguns polmeros, como por exemplo: o PVC um
material sensvel mudanas de temperatura. Desta maneira, para estes materiais o
controle rigoroso do processo de injeo de extrema importncia para obter
produtos com boa qualidade.
Tempo de preenchimento do molde est relacionado com a velocidade deinjeo do material para preenchimento do molde. Os diferentes perfis de velocidade
formados durante o preenchimento geram diferenas na orientao molecular ao
longo da espessura da cavidade como pode ser observado na Figura 25. As
molculas durante a fase de preenchimento so alinhadas no sentido do fluxo e a
orientao maior onde ocorre maior taxa de cisalhamento e taxa de resfriamento
responsvel pelo congelamento das molculas. A tenso de cisalhamento zero no
centro do perfil de fluxo e mxima nas paredes do molde e responsvel pelaorientao molecular durante o fluxo. A viscosidade do polmero varia devido ao
gradiente de temperatura e taxa de cisalhamento. Desta maneira de se esperar
que ao longo da espessura existam diferentes viscosidades do fundido e mudanas
de orientaes moleculares. Velocidades de injeo muito altas geram taxas de
cisalhamento elevadas, necessitando de altas presses de injeo para o total
preenchimento da cavidade do molde. O abaixamento da velocidade de injeo
resulta em menor taxa de cisalhamento, entretanto a temperatura do fundido diminui
devido troca de calor mais rpida por conduo. Como resultado deve-se tambm
aumentar a presso de injeo para o completo preenchimento de material nas
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cavidades do molde. Para uma presso de injeo fixa, o molde preenchido mais
rapidamente quando a temperatura da massa mais alta.
Figura 25 Molculas orientadas no sentido do fluxo. Gera-se gradiente de
temperatura, taxa de cisalhamento e viscosidade ao longo da espessura.
Temperatura do molde - A temperatura do molde exerce influncia no ciclo de
resfriamento, orientao molecular e no grau de cristalinidade do polmero. A
orientao molecular provocada pela tenso de cisalhamento pode ser recuperada
antes do resfriamento total do polmero, assim que cessa o fluxo. Isto possvel e
depende da troca de calor entre o polmero e o molde. Se o resfriamento for lento, as
molculas tm tempo para recuperar a deformao sofrida. Caso o resfriamento seja
brusco e o polmero fique sob tenso, as molculas no desorientam,
permanecendo orientadas. Desta maneira o controle da temperatura do molde ir
influenciar o nvel de orientao molecular e taxa de cristalizao para polmeros
semicristalinos. Moldes com paredes quentes resultam em menor orientao
molecular e menores tenses residuais, pois as molculas do polmero tm tempo
para recuperarem suas deformaes impostas pelo fluxo.
A cristalizao normalmente inicia-se da parede do molde para o centro do
material. O tamanho, nmero e perfeio dos cristais variam ao longo da espessurada pea, gerando um material anisotrpico. Em algumas situaes a variao de
cristalinidade no material pode gerar tenses internas que podem causar falhas -
pr-matura do produto final. Alguns polmeros so injetados com agentes nucleantes
para favorecer a formao de cristais mais uniformes e de tamanhos controlados.
Tempo e presso de recalque a maior parte das tenses internas do polmero
injetado ocorre na fase de recalque. Desta maneira deve-se estabelecer parmetrosque minimizem as tenses no moldado. Quanto maior o tempo e maiores as
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presses de recalque, mais tensionada a pea ficar. Portanto, procura-se trabalhar
com tempos pequenos e menores valores de recalque sempre inferior presso de
injeo.
2.4 MOLDAGEM POR SOPRO
Termoplsticos podem ser moldados pelo processo de sopro na forma de
uma infinidade de produtos ocos, tais como garrafas e frascos de embalagens. O
processo consiste basicamente na expanso de uma pr-forma aquecida, por meio
ar comprimido e forando-a assumir o formato do molde. Uma vez resfriado o
produto extrado do molde e tem incio um novo ciclo de moldagem.Existem duas variaes para a tcnica de sopro: extruso e injeo.
Molgagem por sopro via extruso
Nos processos mais comuns de moldagem por sopro, utiliza-se uma extrusora
que opera constantemente plastificando e homogeneizando o material que alimenta
a matriz. A partir deste processo produz-se um tubo que denominado de parison
e/ou ncleo extrudado. Aps atingir um comprimento adequado, o molde se fecha,prendendo o parison. Uma vez aprisionado, o ncleo previamente aquecido
expandido no interior do molde oco bipartido por meio da injeo de ar comprimido.
Aps adquirir a forma do molde o produto final resfriado e extrado do molde. A
Figura 26 ilustra a produo do de moldagem por sopro via extruso.
Figura 26 Representao esquemtica do processo de sopro via extruso.
Adaptado de Blass (1988).
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O controle da espessura do parison de extrema importncia, pois este
permite a produo de peas com paredes uniformes. Produtos com maior
resistncia mecnica podem ser obtidos pelo processo de moldagem a sopro com
estiramento, tambm conhecido como sopro orientado, conforme ilustrado na Figura
27. Neste processo pode-se conseguir maior grau de orientao molecular no
sentido longitudinal da pea, o que permite produtos de menores espessuras sem
perda de propriedades mecnicas, tais como: resistncia ao impacto, resistncia
compresso, aumento de rigidez, reduo de permeabilidade a gases e vapores. A
reduo de espessura da parede do produto resulta na diminuio do seu custo e
obteno de ciclos de moldagem mais curtos.
Figura 27 Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientao (a)
extruso do parison, (b) tomada do ncleo extrudado pelo molde, (c) e (d)estiramento, sopro e resfriamento e (e) extrao.
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Moldagem por sopro via injeo
Neste processo o parison moldado por injeo e posteriormente soprado,
com ou sem a utilizao do recurso de estiramento. Existem equipamentos que
sopram o frasco imediatamente aps injeo do ncleo injetado, conforme ilustrado
na Figura 28. Estes equipamentos so conhecidos como de estgio nico.
possvel realizar a injeo das pr-formas separadamente e armazen-las para
serem, posteriormente, sopradas. As vantagens da moldagem por sopro via injeo
sobre a via extruso so: melhores qualidades, peso constante e maior preciso
dimensional da pea. Desvantagens: maior custo, limitaes no formato da pea em
funo da capacidade de estiramento e dificuldades de produo de frascos com
alas. A Figura 29 ilustra o processo de sopro da pr-forma obtida por via injeo.
Figura 28 Representao do processo de sopro via injeo em mquinas quesopram o frasco logo aps a injeo da pr-forma.
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Figura 29 Ilustrao do processo de moldagem por sopro via injeo: (1) injeodo parison, (2) transporte e aquecimento do ncleo injetado, (3) sopro do parison, (5)
resfriamento e extrao do produto final.
2.5 MOLDAGEM POR COMPRESSO
A moldagem por compresso um processo antigo e mais adequado para o
processamento de materiais termofixos, embora seja aplicado, tambm, em
situaes particulares, para termoplsticos.
A moldagem por compresso realizada normalmente em prensas
hidrulicas. O molde, em duas partes (macho e fmea) montado em uma prensa eaquecido at uma temperatura que depende das caractersticas do material a ser
moldado. A prensa e os moldes usados no processo de compresso esto ilustrados
na Figura 30.
A primeira etapa do processo consiste em depositar o material, que pode
estar na forma de pellets, p, esferas ou pr-forma, na cavidade inferior do molde
aberto. Aps a etapa de alimentao, a prensa , ento acionada lentamente, de
maneira que o molde fechado, juntamente com o material a uma presso e
temperatura pr-estabelecidas. No caso da moldagem por compresso de polmeros
termofixos, o material permanece com o molde fechado at o tempo de cura. Para
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polmeros termoplsticos, o molde deve permanecer fechado at que todo o material
esteja totalmente amolecido (para polmeros amorfos) ou fundido (para polmeros
semi-cristalinos). Passado um tempo de permanncia do material, o molde ento
aberto, e o moldado extrado, na operao conhecida como desmoldagem.
A seqncia do processo de compresso, tambm denominado de ciclo de
moldagem, pode ser realizada de forma manual, automtica ou semi-automtica. No
caso da moldagem manual, o carregamento, extrao, acionamento de compresso
e descompresso so feitos manualmente. A automao justificada em termos de
diminuio do tempo de moldagem, da qualidade do moldado e da diminuio ou
eliminao de mo-de-obra. No caso de moldagem por compresso semi-
automtica, os movimentos de fechamento, abertura e extrao da pea passam aser controlados pela prensa. Cabe ao operador alimentar a prensa com o material e
realizar operaes simples como regular a presso, tempo e temperatura da prensa,
retirar o moldado e limp-lo. J para peas com pequenas dimenses pode-se
automatizar todo o processo de moldagem por compresso, atravs de prensas
desenvolvidas especialmente para este fim.
Figura 30 Prensa e moldes usados no processo de compresso.
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2.6 MOLDAGEM POR TRANSFERNCIA
O processo de moldagem por transferncia tambm aplicado aos polmeros
termorgidos e pouco empregado aos termoplsticos. Esta tcnica muito similarcom o processo de injeo em que consiste basicamente em forar o material
termofixo, por meio de um mbolo. O material armazenado em uma cmara de
alimentao, este ento empurrado por um mbolo que o encaminha atravs de
canais de alimentao at a cavidade do molde pr-aquecido. A presso imposta ao
material depende de sua viscosidade e das dimenses da seo transversal do
canal de alimentao. A transferncia do material da cmara de alimentao at a
cavidade do molde tem incio quando o polmero atinge sua fluidez mxima. A Figura31 apresenta um esquema ilustrativo do processo de transferncia da resina,
aramazenada na cmara ou panela de alimentao, por meio de um canal de
alimentao at a cavidade do molde.
Figura 31 Representao do sistema de alimentao e transferncia usado noprocesso de moldagem por transferncia. (Adaptado de Arno Blass).
A Figura 32 apresenta o ciclo de moldagem por transferncia. No estgio 1 o
polmero, em forma de p ou resina com agente de cura adicionado em uma
cmara de armazenamento. No segundo estgio, a prensa fechada a uma
velocidade e presso pr-estabelecida. O mbolo empurra o polmero at a cavidade
do molde. No terceiro estgio o mbolo recua e o molde mantido fechado a uma
presso e tempo determinado. No terceiro estgio a prensa aberta e o produto
final extrado.
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Figura 32 Ilustrao dos estgios do ciclo de moldagem por transferncia.
Adaptado de Blass.
Referncias Bibliogrficas:
Arno Blass, Processamento de Polmeros, Universidade Federal de SantaCatarina, editora da UFSC, 2 edio, Florianpolis,(1988).
Antonio Rodolfo Jr., Luciano Rodrigues Nunes, Wagner Ormanji, Tecnologia doPVC, BRASKEN, (2002).
Morton-Jones, D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, 1993.
Oswald, T. A. Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser Publishers,1994.
Arthur N. Wilkinson, Anthony J. Ryan Polymer Processing and StructureDevelopment, Kluwer Academic Publishers, 1999.