Moldagem de plásticos

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1. Moldagem de plásticos
Os plásticos termofixos são polimerizados quando moldados ou conformados. Uma mistura primária é submetida a calor, pressão e catalizador por um certo tempo, a fim de que o material seja curado, estabelecendo-se fortes ligações itermoleculares cruzadas. A mistura primeiramente amolece podendo ser conformada na forma desejada, mas em seguida endurece permanentemente.
	Os processos mais indicados para a produção de peças em plástico termofixo são a moldagem por compressão e por transferência.
1.2 Moldagem por compressão
	A moldagem por compressão consiste em colocar um determinado volume de pó de moldagem (ou em forma de flocos, esferas, ou pré-formas) na cavidade de um molde, nesta etapa aberto, formado por duas metades, uma chamada de macho e outra de fêmea, ambas aquecidas e depois resfriadas. Fechando-se o molde, a metade macho se adapta a metade fêmea começando-se a aumentar a pressão que pode atingir, conforme o caso, de 100 a 500 Kgf/cm2. Passado o tempo de cura o molde é aberto e a peça extraída.
	No processo de moldagem o calor desempenha importante papel, uma vez que material de moldagem é amolecido e flui no interior do molde ocupando suas reentrâncias assumindo, então a forma desejada da peça.
	A moldagem por compressão é realizada quase que exclusivamente em prensas hidráulicas, sendo sua função:
aplicar pressão necessária para assegurar a movimentação do material e o preenchimento do molde;
comprimir o material durante a cura, para impedir o surgimento de porosidades;
abrir o molde extrair a peça pronta.
O tipo de prensa mais utilizada é do tipo descendente do pistão, com a parte inferior do molde estacionária, o que facilita a introdução de extratores e a automatização do enchimento do molde.
O método mais utilizado para o amolecimento do material é através do aquecimento do molde com resistências elétricas. As resistências podem estar em contato direto com o molde ou, então, fixadas nas placas de aquecimento, que suportam cada metades do molde.
O aquecimento do material em peças de paredes espessas não se mostra adequado, uma vez que os materiais plásticos são maus condutores de calor não curando eficientemente as partes internas. Como resultado obtém-se um produto heterogêneo.
A fim de evitar esse problema é usual pré-aquecer o material de moldagem, numa estufa, em temperaturas da ordem de 90 °C. Com isso a temperatura de moldagem pode ser reduzida, diminuindo-se também o tempo de cura e consequentemente o ciclo de moldagem.
No processo de cura lenta o material de moldagem pode ser em forma de pó ou flocos, uma vez que neste caso há tempo suficiente para a pesagem do material, enquanto se processa a cura do moldado anterior. No entanto, em moldagens mais rápidas a pesagem do material torna-se um gargalo na produção, sendo vantajoso o uso do material em pré-formas ajustadas segundo o formato da peça. Neste caso, além de simplificar a etapa de dosagem e de permitir o carregamento automático, a pré-forma minimiza as pressões de moldagem uma vez que a maior parte do ar já é eliminado na prensagem preliminar. Em consequência, torna-se possível empregar moldes de dimensões maiores nas prensas.
Os moldes de compressão podem ser classificados em positivos, instantâneos ou semipositivos conforme ilustrado na Figura 6.1 (a, b e c, respectivamente).
	
Molde positivo
b) molde instantâneo
c) molde semipositivo
	
	
Moldes positivos
Os moldes positivos são compostos por três partes essenciais: o macho, a fêmea e o pino extrator. O macho tem um ajuste deslizante (“guias precisas”) no interior da parte fêmea a fim de evitar que o material de moldagem seja expulso para cima e forme rebarba. Este molde necessita que a dosagem do material de moldagem seja bastante controlada, uma vez que a espessura do moldado dependerá da quantidade de material colocado na cavidade.
	Os moldes positivos oferecem a garantia de uma distribuição uniforme de pressão no moldado o que assegura peças bem compactadas e sem porosidade. Os moldes positivos foram muito empregados mas atualmente estão em desuso em virtude da necessidade de dosagem exata de material, ao excessivo desgaste chegando até mesmo ao rompimento das partes deslizantes pelo engripamento e dificuldades de extração do moldado.
Moldes instantâneos
	São caracterizados por formarem uma garganta entre as superfícies do macho e da fêmea, por ocasião do fechamento do molde, permitindo que o material em excesso seja expulso da cavidade ao final da compressão formando uma rebarba que deve ser removida posteriormente. Pela ausência de superfícies de deslizamento faz-se necessário o uso de pinos guias para assegurar o alinhamento correto das duas partes do molde. 
	A dosagem é, então, intencionalmente feita com um excesso que deve ser mantido tão pequeno quanto possível. A vantagem desse tipo de molde é a não necessidade da medida exata de material para moldagem. Por outro lado, não permite manter a pressão de compressão nos estágios finais do processo de cura, já que com a contração do moldado toda pressão aplicada acaba sendo suportada pela borda superior do molde fêmea. Por esta razão, os moldes instantâneos tendem a fornecer produtos com leve porosidade, especialmente na região próxima à rebarba.
Moldes semipositivos
	Representam uma solução intermediária entre os dois tipos anteriores. São semelhantes aos moldes instantâneos, mas são construídos de forma que o macho penetre uma pequena distância na face inferior da parte fêmea. A extrusão do material excedente é progressivamente diminuída a medida que o fechamento do molde ocorre. Com isso consegue-se pressões razoavelmente constante durante todo o tempo de cura.
	
	Por último é apresentado uma tabela com as condições de moldagem de resinas termofixas mais comuns.
Tabela 1.1 – Condições de moldagem por compressão de resinas termofixas.
	Material
	Temperatura (°C)
	Pressão (MPa)
	Fenólicos
	149 -177
	12-50
	Uréia-formaldeído
	116 -160
	24-47
	Melamina-formaldeído
	135 -182
	15-47
	Alquídicos
	150
	4-8
Moldagem por transferência
O processo de moldagem por transferência consiste, essencialmente, em forçar o material termofixo, por meio de um êmbolo, de uma câmara para a cavidade de moldagem passando por um canal de alimentação, conforme mostra esquematicamente a Figura 6.2.
Figura 1.2 – Ilustração das etapas do processo de moldagem por transferência. 
Em relação à moldagem por compressão, a moldagem por transferência tem a vantagem de utilizar menor temperatura de aquecimento no molde (cerca de 50 a 70 °C inferior), uma vez que parte do aquecimento do material é gerado pelo atrito ao longo das paredes dos canais até preencher toda a cavidade. Pelo fato do material penetrar a cavidade, e suas reentrâncias, já totalmente plástico os esforços sobre o molde são menores do que na situação em que o material em pó ainda não se plastificou, como no processo de compressão. Além disso, a movimentação do material na câmara e no canal de alimentação possibilita maior homogeneização de temperatura e reduz as diferenças no estado de cura em porções de maior ou menor espessura da peça. Tem-se, ainda, menores ciclos de moldagem e de cura com peças de melhor qualidade.
O molde é composto basicamente de três partes: o êmbolo; a face de pressão; e a face inferior. A face de pressão contém a câmara e a porção superior da cavidade. A face inferior aloja a outra porção da cavidade e os pinos extratores, fazendo parte também os canais de distribuição no caso de cavidades múltiplas.
Para a operação de moldagem as três partes do molde são aquecidas à temperatura necessária, a prensa é aberta, uma pré-forma do material de moldagem é colocada na câmara, a prensa é fechada (etapa de transferência/moldagem), é dado um tempo para cura do material, a prensa é aberta e o moldado extraído com o auxílio dos pinos extratores.
Na ocasião da abertura do molde o êmbolo éerguido e com ele aderido parte do canal resfriado separado da peça, graças a um entalhe feito em sua superfície inferior. 
Moldagem de plásticos reforçados
Os materiais plásticos reforçados com outros materiais, comumente de natureza fibrosa, não são desenvolvimentos tão recentes. As chapas de fórmica, por exemplo, são empregadas desde o início do século passado.
A partir da Segunda Guerra Mundial deu-se a utilização da fibra de vidro como elemento de reforço de peças moldadas em resina poliéster. Na época foram construídas carcaças de proteção para antenas de radar de caças e bombardeiros. Essas peças satisfaziam o requisito de suportar cargas aerodinâmicas, manter a estabilidade dimensional sob temperaturas elevadas, resistir ao tempo e não interferir eletricamente nas freqüências do radar, condição que excluía a utilização de materiais metálicos. 
Algum tempo depois surgiram as fibras de carbono, boro e asbesto tendo como matriz as resinas termofixas, como os poliésteres, epóxis e fenólicos. Embora menos usados, as resinas termoplásticas como o poliestireno e náilons também encontram utilização.
Fibras de vidro 
	As características que tornam este material interessante para reforço são: relação resistência mecânica/peso elevada; baixo coeficiente de dilatação térmica; condutividade térmica elevada; grande estabilidade dimensional; acentuada resistência à corrosão; e isolação elétrica.
	Em função dessas propriedades encontra aplicação em: carcaças de veículos, casco de barcos, reservatórios de água e combustíveis, painés elétricos, mobiliário, vasos de pressão, entre outros.
	Os filamentos das fibras, que variam entre 0,0025 e 0,02 mm de diâmetro podem ser encontradas comercialmente na forma de mechas (“roving”), mantas, tecidos e fibras picadas. 
	As mechas constituem-se num grupo de fibras paralelas, reunidas numa espécie de fita. As mantas são compostas por fibras, picadas ou contínuas, distribuídas numa matriz de adesivo resinoso. Ao que pese as fibras manterem distribuição uniforme, sua orientação é aleatória. Os tecidos são mantas com arranjo regular das fibras, fabricados por processos de tecelagem segundo diferentes padrões de disposição das fibras.
	Os filamentos contínuos, que atingem muitos metros de extensão, são em geral obtidos pela trefilação do vidro derretido. 
Fibras de carbono 
	Em relação à fibra de vidro, a fibra de carbono apresenta duas características superiores: maior rigidez elástica, que permite obter estruturas mais leves com a mesma resistência; e maior resistência em altas temperaturas, quando o vidro tende a fundir. Seu uso pôde ser difundido após o desenvolvimento da produção de filamentos de carbono a partir da celulose regenerada (“rayon”) em escala comercial. Embora hoje se conheça outros processos de produção, a utilização do rayon como matéria prima é sem dúvida a preferida em virtude de seu menor custo. Tal qual a fibra de vidro, a fibra de carbono pode ser apresentada em na forma de fios e de tecidos.
Fibras de aramida (“Kevlar”)
	Aramidas são poliamidas aromáticas desenvolvidas pela Du Pont sob o nome comercial de Kevlar. Apesar de custo elevado tem encontrado aplicação em plásticos reforçados na forma de fibras simples, tecidos puros ou mistos (junto com fibra de vidro ou carbono). Apresentam propriedades mecânicas intermediárias às fibras de vidro e carbono, mas possuem menor peso específico que as demais.
Fibras de boro
	Elas permitem a obtenção de materiais compostos bastante leves com notável desempenho mecânico. São produzidas pela deposição, em atmosfera de hidrogêneo, de boro metálico sobre um filamento de tungstênio, tendo um diâmetro de 0,01 a 0,015 mm de diâmetro. A deposição é feita até ser obtido um diâmetro final da ordem de 0,1 mm. Um gramo de filamento corresponde a um comprimento da ordem de cinqüenta metros. O boro metálico é obtido a partir do tricloreto de boro, que reage com o hidrogênio da ambiente:
	 2BCl3 + 3H2 2B + 6HCl 
	A adesão do boro deve ser feita a temperaturas da ordem de 1200 °C, a fim de remover contaminantes superficiais, como restos de lubrificantes ou camadas de óxidos.
 	A resistência à fadiga dessas fibras também é notável, contudo perdem sua resistência a temperaturas da ordem de 600 °C.
	A difusão do boro no núcleo de tungstênio, durante a etapa inicial de produção dos filamentos gera boretos de tungstênio ( W2B5 e WB4) que tendem a expandir, gerando tensões de tração junto ao núcleo e compressão na superfície externa. Isto pode ocasionar uma trinca radial que se estende no interior da região tracionada (Figura 6.3).
 	
Figura 6.3 – Ilustração da seção transversal da fibra de boro (a), corte longitudianal (b) e perfil de tensões antes da formação da trinca (c).
	As propriedades mecânicas dos plásticos reforçados dependem do efeito combinado do: tipo, quantidade (teor) e disposição das fibras de reforço no componente acabado. Já as propriedades químicas, elétricas e térmicas são influenciadas pela resina empregada. Por outro lado, o processo de fabricação mais adequado para um determinado tipo de peça depende do material a ser usado, das dimensões da peça, do tamanho do lote de peças e exigências do projeto.
	Disposição e teor das fibras
	A resistência da peça moldada depende diretamente da quantidade de fibras, mas também está relacionada com o arranjo delas na peça. As fibras podem ser dispostas segundo um arranjo unidirecional, bidirecional ou aleatório.
	O arranjo unidirecional permite a obtenção de elevadas propriedades mecânicas ao longo da direção do reforço, mas bem menores na direção transversal. A fibra neste caso é empregada em forma de mecha (tecido unidirecional) e o teor de fibras pode alcançar 80% em peso.
	O arranjo bidirecional inclui orientação em duas direções distintas, como no caso dos tecidos, nas quais se obtém maior resistência. Este arranjo permite até 65% em peso de fibras.
	O arranjo aleatório ou multidirecional é caracterizado pela igualdade das propriedades mecânicas em qualquer direção considerada no laminado. As fibras se apresentam em forma de fibras picadas ou mantas cujo teor não ultrapassa 50% em peso de fibras.
	As concentrações associadas ao seu teor de fibras refletem na resistência do produto, conforme é mostrado esquematicamente no gráfico da Figura 6.4.
Figura 6.4 – Relação entre resistência e teor-disposição de fibras em plásticos reforçados.
Resistência à corrosão e ao calor
	A resistência à corrosão e ao calor dependem primordialmente das resinas utilizadas, especialmente se adicionadas cargas. Na moldagem com fibra de vidro utilizam-se em geral resinas poliéster, em razão de seu menor preço. Eventualmente se empregam resinas epoxí, fenólicas, melamínicas e acrílicas, ou combinação destas. Alguns termoplásticos, como náilon, poliestireno, policarbonatos e fluorocarbonatos, também podem receber reforço com fibra de vidro.
O processo de moldagem pode ser subdividido em duas grandes categorias: processos de molde aberto ou processo de molde fechado.
	Os moldes abertos são constituídos de uma única cavidade, macho ou fêmea, quando apenas uma face do moldado recebe acabamento. A moldagem pode ser executada manualmente, por pistola ou câmara de vácuo, entre outros processos.
	Os moldes fechados possuem duas cavidades, macho e fêmea, permitindo a obtenção de acabamento superficial nas duas faces. Exemplo mais comum é a moldagem em moldes fechados por matrizes combinadas.
	Na moldagem de fibras, em geral, deve-se produzir um modelo e a partir dele gerados um ou mais moldes sobre os quais são moldadas as peças. O modelo pode ser feito de madeira, gesso, ou metal. O mais comum é o modelo em madeira sobre o qual é moldado o molde em plástico reforçado. Com o molde em plástico reforçado produz-se as peças moldadas. 
	A superfície acabada do molde é feita com uma gelatina de cobertura (“gel-coat”) suportada por uma parede espessa de resina impregnadacom material de reforço. (Figura 6.5).
	
Figura 6.5 – Seção da parede de um molde em plástico reforçado.
A gelatina de cobertura é uma camada de trabalho do molde, isto é, aquela sobre a qual se fará a deposição da primeira camada de material do moldado, sendo que existência de aspereza poderia permitir o ancoramento de resina da peça sendo moldada. Por isso ela deve ter bom acabamento superficial. Além do mais deve ser mais frágil do que a resina pura, a fim de oferecer a possibilidade de certo grau de retrabalho do molde.
	Ela é obtida pela mistura de resina poliéster com talco industrial (para torná-la frágil), pigmento (para dar a cor desejada) peróxido de metiletil cetona (como catalisador, para desencadear a reação de cura), acetona (para tornar a gelatina fluida, facilitando o trabalho) e pó fino de sílica (“aerosil”) que tem a função de não deixar a camada gelatinosa escorrer sobre as superfícies inclinadas (propriedade denominada tixotrópica).
	Moldes de grandes dimensões, especialmente para moldados de geometria complexa, costumam ser subdivididos em partes que se unem por meio de parafusos, de forma a contornar os problemas de contrassaída que impediriam a extração da peça quando pronta.
	De maneira resumida a moldagem compreende: a aplicação da cobertura de gelatina; e a aplicação de camadas sucessivas de resina e fibra, processo conhecido como laminação. 
	A laminação pode ser feita manualmente ou com pistola. A resina já deve ser adicionada com catalisador, para o desencadeamento da reação da cura. A laminação manual inicia-se com a aplicação da cobertura de gelatina e sobre ela a colocação da manta ou tecido de fibra. Em seguida a resina é aplicada e espalhada com um pincel. Sobre a resina deposita-se as fibras. A nova aplicação de resina, seu espalhamento, e deposição de fibra é repetida até que se atinja a espessura desejada ao moldado. Em regiões sujeitas à concentrações de tensões, como em partes reentrantes, é usual a aplicação de mechas, ao invés de mantas ou tecidos, para aumentar a resistência nestes locais. 
	Para que a peça possa ser extraída mais facilmente, sem danificar a superfície do moldado nem do molde, é geralmente aplicado uma película de desmoldante (álcool polivinílico) na superfície do molde. Em peças grandes e de geometria complexa, onde a extração é difícil, pode-se introduzir bicos de câmara de ar inseridos no molde Figura 6.6). O uso de martelo de borracha é uma alternativa desde que se evite pancadas violentas, que poderiam danificar a camada de gelatina. 
Figura 6.6 - Emprego de bicos de ar como extratores na desmoldagem.
Na moldagem por pistola a resina adicionada com catalisador, e as fibras são simultaneamente lançadas sobre a superfície do molde por meio de equipamento para este fim. O assentamento das fibras nos contornos do moldado é feito com o auxílio de rolete ou pincel. A fibra, fornecida em forma de fios longos enrolados num carretel, alimenta um picador que possui uma entrada de ar comprimido em seu interior expelindo as fibras picadas por um cabeçote de sopro. O picador é montado na estrutura do aplicador de resina (pistola), tratando-se essencialmente de um bico do tipo venturi. O processo de moldagem com pistola é esquematicamente ilustrado na Figura 6.7.
Figura 6.7 – Esquema de moldagem com pistola.
fêmea
macho
pino extrator
moldado
pino guia
pino extrator
fêmea
macho
moldado
pino extrator
fêmea
êmbolo
moldado
macho
rebarba
rebarba
cavidade (moldado)
canal de alimentação
câmara
cavidade
êmbolo
canal de alimentação
material de moldagem (pré-forma)
câmara
pino extrator
pino extrator
camada de boro
trinca radial
núcleo de tungstênio
(a)
(b)
(c)
zona comprimida
zona tracionada
teor-disposição das fibras
resistência
unidirecional
bidirecional
aleatório
ar comprimido
ar comprimido
fibra
resina
catalisador
picador de fibra
moldado
pistola
desmoldante
bico extrator
moldado
molde
resina
gelatina de cobertura
fibra