Processamento por extrusão

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ASSUNTO 8
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR INJEÇÃO
O crescimento no uso dos plásticos vem, em parte, atribuída a facilidade de processamento desses materiais, assim como seu baixo custo. Sendo uma possibilidade de substituição em relação a outros materiais. 
	De forma geral, processamento é definido como a especialidade da engenharia correlacionada às operações conduzidas em materiais poliméricos para aumentar a sua utilidade. 
	Está operação produz um ou mais dos seguintes efeitos: Reação química, fluxo e/ou mudança permanente nas propriedades. 
A técnica escolhida para o processamento de um polímero depende basicamente: 
· Do material ser termoplástico ou termofixo 
· Da temperatura na qual ele amolece (no caso de material termoplástico)
· Da estabilidade química (resistência à degradação oxidativa e à diminuição da massa molar das moléculas) do material a ser processado
· Da geometria e do tamanho do produto final.
Os materiais poliméricos normalmente são processados em temperaturas elevadas (> 100 ºC) e geralmente com a aplicação de pressão.
 Os termoplásticos amorfos são processados acima da temperatura de transição vítrea e os semicristalinos acima da temperatura de fusão. Em ambos os casos a aplicação de pressão deve ser mantida durante o resfriamento da peça para que a mesma retenha sua forma e além disso, os termoplásticos podem ser reciclados. 
Os termofixos geralmente é feito em duas etapas: 
1. Preparação de composição reativa contendo polímero de baixo peso molecular - algumas vezes chamado “pré- polímero”. 
2. Processamento e cura (reticulação, vulcanização) do “pré-polímero” para obter uma peça dura e rígida, geralmente em um molde que tem a forma da peça acabada.
A etapa de “cura” pode ser realizada através de aquecimento ou pela adição de catalisadores, em geral com a aplicação de pressão. - Durante a “cura” ocorrem mudanças químicas e estruturais em escala molecular, com formação de ligações cruzadas ou reticuladas. - Os polímeros termofixos são dificilmente recicláveis, não são fusíveis, podem ser usados em temperaturas maiores do que as temperaturas de utilização dos termoplásticos e são quimicamente mais inertes.
Existem diversos métodos para produzir peças ou componentes poliméricos. As técnicas utilizadas para conformar os polímeros dependem da natureza deles; -Os termoplásticos são conformados a partir de grande variedade de técnicas. O polímero termoplástico é aquecido, próximo ou acima da temperatura de fusão, de modo que ele se comporte como borracha ou líquido, é então introduzido em um molde ou em uma matriz, para se produzir a forma desejada. *Elatômeros termoplásticos podem ser conformados do mesmo modo. Nesses processos, as rebarbas e sobras podem ser recicladas e o desperdício é minimizado. Um menor número de técnicas é utilizado para os termofixos, uma vez que a reticulação tenha ocorrido eles não podem mais ser moldados.
Existem diversas técnicas para processamento de polímeros, nas quais podemos citar:
· Processos Contínuos – Extrusão de filmes, extrusão de fibras 
· Preenchimento de molde – Moldagem por injeção, moldagem por compressão 
· Moldagem de pré-forma – Sopro, conformação térmica 
· Moldagem gradual – Revestimento, moldagem por rotação.
Dentre os processos de moldagem utilizados para os materiais poliméricos tem-se: injeção, extrusão, sopro, compressão e termoformagem. O processo de injeção é responsável por cerca de 70 % dos produtos plásticos produzidos, sendo um dos processos mais versáteis e modernos no campo de transformação e processamento de polímeros. Um dos motivos para este fato dá-se por este ser um processo que permite a fabricação de peças injetadas de elevada complexidade geométrica, sendo utilizadas em diversas áreas, que vão desde as indústrias de utilidades domésticas à aeronáutica. 
A injeção é o principal processo de fabricação de peças plásticas. Grande parte das máquinas de processamento de plásticos são injetoras. Com elas podem ser fabricadas peças de miligramas até 90kg. A injeção classifica-se como um processo da moldagem.
O processo de moldagem por injeção possui algumas vantagens competitivas, como: elevados níveis de produção; possibilidade de utilização da peça recém injetada; grande flexibilidade de elaboração de peças, referente às formas, dimensões e precisão dimensional (peças inferiores a 1 mg até superiores a 100 kg), tornando-se um dos principais processos industriais na fabricação de peças a base de polímeros.
O princípio básico da moldagem por injeção é de o material sólido ser fundido por aquecimento no canhão da máquina e injetado dentro da cavidade de um molde, no qual sofre um resfriamento e a peça é ejetada da máquina, resultando no produto final. 
É possível listar as seguintes características sobre a injeção: 
· Passagem direta de material fundido para peça pronta; 
· Não é necessário nenhum ou apenas pouco retrabalho da peça; 
· Processo totalmente automatizável; 
· Elevada produtividade; 
· Elevada qualidade; 
Em geral, apenas os materiais termoplásticos são moldados por injeção, mas os termofixos e elastômeros também podem ser moldados. Por exemplo nos termoplásticos - Poliestireno (PS), Acrilonitrilabutadieno estirol (ABS), Polietileno (PE), Polipropileno (PP), Policarbonato (PC). Nos termofixos, Resina poliéster insaturada (UP), Resina fenol formaldeído e para os elastômeros têm-se Borracha nitril butadieno (NBR), Borracha estirol butadieno (SBR) e Poli-isoprene (IR). 
A injeção não é um processo contínuo, mas sim, intermitente, seguindo um ciclo conhecido como ciclo de injeção. Esse ciclo pode assumir eventos que se interceptam e eventos que só ocorrem após terminar o antecedente. Podemos dizer que existe um ciclo com ocorrências sequenciais da rosca recíproca e um ciclo com eventos sequenciais do molde. No entanto, os ciclos da rosca e do molde são interdependentes. No ciclo de injeção, tem ainda o ciclo da rosca recíproca e o ciclo do molde. 
No ciclo da rosca recíproca o polímero é alimentado na injetora através de um funil de alimentação. A rosca carrega o plímero do funil para a parte da frontal desta, girando e atuando como um parafuso sem fim (como se fosse uma extrusora). Enquanto a rosca gira ela se locomove para trás, pois precisa criar espaço à sua frente para depositar o polímero que ela mesma homogeneizou e fundiu. Portanto, a rosca deposita uma quantidade de polímero pronto para ser injetado em sua parte dianteira. Essa massa fundida não entra no molde ainda, pois o bico de injeção está normalmente fechado por válvulas durante esse tempo. 
Assim que a rosca homogeneíza a quantidade necessária de polímero, pode existir um tempo de espera (para acabar o ciclo anterior do molde), até que o molde esteja vazio e fechado para receber a injeção da próxima quantidade de massa fundida. Nesse momento, então, a rosca ao invés de atuar como parafuso sem fim, age como se fosse um pistão, fazendo movimento para a frente, injetando propriamente a massa fundida para dentro do molde. Para isso, a válvula do bico de injeção se abre através de um dispositivo adequado. Por outro lado, para que o polímero não volte para trás, pelos canais da própria rosca, uma outra válvula existente na ponta desta se fecha. Devido à rosca atuar ora como parafuso sem-fim, ora como pistão é que recebe o nome de rosca recíproca. 
A rosca recíproca, exerce duas etapas importantes durante o ciclo de injeção: funciona como rosca propriamente dita, promovendo o transporte, aquecimento e homogeneização do plástico para dentro do molde, exercendo o papel de pistão, quando na maioria das vezes esta não gira, apenas pressiona o polímero para dentro da cavidade do molde a uma determinada velocidade e pressão preestabelecidas. 
A rosca, após terminar de injetar o material para dentro do molde, tem um tempo chamado de tempo de empacotamento, onde ela continua a exercer pressão sobre o injetado. 
Terminando o tempo de empacotamento ou de pressurização e recalque, como também é conhecido, a rosca volta para a direção do funil, produzindoa próxima carga. 
	No ciclo do molde, o molde, para receber o polímero fundido, deve estar fechado e vazio. Portanto, essa etapa consiste no preenchimento do molde, além do resfriamento da peça. Assim que o polímero entra através dos canais do molde, inicia o processo de resfriamento do fundido. Após o molde ser totalmente preenchido e pressurizado, atua sobre ele a pressão de recalque ou pressão de compensação. Após a pressão de recalque não ser mais necessária, o molde ainda continua fechado para terminar o processo de resfriamento, que normalmente demanda maior tempo do total do ciclo. 
	Assim que o moldado estiver na T desejada, ele se abre, ejetando a peça. O molde, então, é fechado novamente, voltando ao início do processo. 
 O ciclo da máquina é a soma do tempo de injeção, do tempo de resfriar a peça injetada (até atingir o estado sólido) e do tempo de abertura e fechamento do molde. Estas duas últimas fases são características da máquina e, portanto, são independentes dos controles usuais das variáveis de injeção e do tipo de material utilizado. O tempo de resfriamento é mais longo e dependente da espessura da peça, da temperatura do molde e das características do termoplástico. 
Normalmente, deseja-se obter ciclos de injeção curtos. O custo operacional por hora de uma máquina injetora é constante e, portanto, os ciclos mais rápidos darão peças de menor custo. Contudo, ciclos excessivamente curtos podem causar maior quantidade de peças defeituosas. 
Em muitos casos, usa-se água a baixa temperatura para resfriamento dos moldes para obter ciclos mais curtos. Embora esta seja uma prática comum e decisiva para a rentabilidade do processo, deve-se tomar cuidado para que a temperatura do molde não seja excessivamente baixa (o que causaria peças tensionadas, quebradiças e com superfícies sem brilho). O tempo de resfriamento cresce com o quadrado da espessura da parede. Por motivos econômicos é muito rara a produção de peças com grandes espessuras de parede. Normalmente não se encontram paredes maiores que 8 mm.
De forma geral a injetora é composta por:
1. Um sistema capaz de homogeneizar e injetar o polímero fundido: rosca recíproca acionada por sistemas mecânicos, elétricos, pneumáticos e/ou hidráulicos; canhão, que contém em seu interior a rosca recíproca; mantas elétricas capazes de aquecer o canhão e por conseguinte, transmitir calor ao polímero;
2. Molde: capaz de dar forma à massa polimérica, sendo essa injetada no interior do molde sob alta pressão e com velocidade controlada; o mesmo molde é capaz de gerar o resfriamento do produto de forma adequada através de fluidos que circulam no seu interior e, finalmente, este possui um mecanismo capaz de executar a ejeção da peça acaba ao se abrir.
O molde é a parte da injetora que é responsável pela forma final do polímero. Podem ser utilizados moldes convencionais com dois tipos básicos: moldes de duas placas e moldes de três placas. A escolha do tipo de molde dependerá sempre da função do projeto, que está relacionada com a função da peça que se quer injetar. Os moldes de duas placas possuem uma placa fixa e outra móvel, sendo esta última que normalmente promove a ejeção da peça injetada. Nos moldes de três placas, existe a placa intermediária, com movimento também intermediário, promovendo tanto a ejeção da peça acabada quanto a separação dos canais de injeção do moldado. 
O molde é composto, portanto, por placas que dão a forma tanto ao produto, como aos canais. Para que o polímero possa fluir até atingir a cavidade do molde, existem diversos tipos de canais, a saber: canal de injeção, contido na bucha de injeção, e situado logo na entrada do molde; canais de alimentação e de distribuição, que são rasgos feitos nas placas para que o polímero fundido possa ser levado até às cavidades; pontos de injeção, onde o polímero sofre um estrangulamento antes de entrar na cavidade. A cavidade do molde é onde o polímero é comprimido para gerar o produto final. Além disso, fazem parte do molde: canais de refrigeração e pinos extratores. 
Logo, o molde é constituído por sistemas de resfriamento, sistema de extração, sistemas de canais para o polímero fluir até a cavidade, e a própria cavidade. 
Para preencher o molde, é necessário que o polímero tenha fluidez suficiente para escoar pelos seus finos canais e estreitas paredes. O polímero no estado fundido aumenta se volume por dilatação, podendo ampliar em torno de 25% em relação ao seu volume quando está na T ambiente. Quando a peça sai do molde ela se encontra na T ambiente, logo, envia-se mais massa para o molde para compensar a expansão e contração que ocorre durante o ciclo. Com isso, o encolhimento da peça é compensada pelo material excedente colocado dentro do molde. 
Para melhor compreender o processo de injeção, deve-se estuda-lo em duas partes principais: a) a homogeneização, fusão e transporte do polímero pela rosca, e, b) o preenchimento do molde, envolvendo, entre muitos aspectos, o fluxo do fundido pelos canais estreitos dessa ferramenta. 
Para melhor compreender o processo de homogeneização da injetora, é preciso dividir a rosca em três zonas, cada qual com sua função.
a) Zona de alimentação: na injetora, essa zona é mais longa que na extrusora, porque durante o ciclo de transporte do polímero para a parte frontal da rosca ocorre o deslocamento desta para trás, encurtando gradativamente a zona de alimentação. A eficiência da alimentação, no entanto, é função direta entre a relação dos coeficientes de atrito. O plástico será arrastado para a frente se o material e o canhão forem maior que o atrito entre o plástico e a rosca. 
b) Zona de transição ou zona de compressão: Neste segundo estágio da rosca, o polímero acelera a passagem do estado sólido. Portanto, a função dessa zona é comprimir e fundir o material, continuar o bombeamento e, principalmente, homogeneizar ou misturar bem. A fusão inicia na primeira zona e, muitas vezes, não é completada até o final da rosca. Esse evento é comum onde se usa roscas curtas ou materiais com baixo índice durante o tempo de espera na parte frontal da rosca antes de ser injetado e também por cisalhamento nos finos canais do molde. 
A taxa de fusão na rosca determina o grau de plastificação do polímero e isto depende da capacidade de plastificação desta. A plastificação depende de vários outros fatores, entre eles da troca de calor por condução, por atrito (cisalhamento), e da razão de compressão da rosca na segunda zona. Uma zona de compressão alta significa rápida passagem do material do estado sólido para o fundido, valendo o inverso. 
O comprimento da segunda zona é importante: se for curto, pode causar degradação do polímero e gerar alguma pulsação no processo; se longo, diminui a taxa de fusão nessa zona. Em injeção, no entanto, o controle da plastificação se dá muito mais pelo controle da pressão com que a rosca volta para trás do que pela sua geometria.
c) Zona de controle de vazão ou de bombeamento: essa zona tem como funções principais, estabilizar o fluxo e gerar pressões para trás, ao longo do comprimento da rosca, para garantir plastificação. Nesta zona é efetivada a mistura dos elementos do sistema polimérico (polímero mais aditivos), e a temperatura é homogeneizada. Nessa zona ocorre alto grau de cisalhamento sobre o material. Em injeção, o controle da vazão não tem tanta importância como no caso da extrusão. O polímero é dosado de forma intermitente e em quantidades desejadas, ficando acumulado defronte a rosca, onde fica depositado até o momento da injeção. A flutuação de fluxo também não afeta o processo. Na extrusão, por outro lado, qualquer flutuação da vazão torna-se crítica, afetando as propriedades dimensionais do produto. 
	Quando um polímero é depositado à frente da rosca, a massa pode ter variação de temperatura de região para região desse volume dosado. As consequências desse gradiente de temperatura são: formação de camadas dentro do molde, com diferentes temperaturas; variação na taxa de enchimento das diferentes partes domole; diferentes propriedades ao longo da peça, como tensões internas diferenciadas (mais acentuado para polímero cristalino). 
	A rosca de uma injetora age como se tivesse comprimento variável, pois ela volta no sentido do funil, tomando material sempre em diferentes filetes da zona e alimentação e transportando-o em condições diferenciadas. Além disso, a T da massa dosada varia devido ao tempo variável de permanência do fundido nas diversas zonas da rosca. Quanto maior for a capacidade de injeção de uma injetora e ao mesmo tempo menor for o volume a ser injetado por ciclo, maior será o número de vezes que a massa estaciona em algum lugar ao longo da rosca. Dessa forma, o polímero é aquecido através de diferentes maneiras e durante diferentes tempos: por cisalhamento nos momentos em que está sendo transportado e pelas mantas elétricas enquanto está parado. 
	A velocidade de injeção pode ser variada durante a fase de preenchimento. Velocidades altas de injeção melhoram as linhas de solda do moldado e o brilho da peça, diminuem o nível de tensões localizadas, e como consequência, reduzem o empenamento, além de eliminarem defeitos, como casca de laranja. Porém, o aumento excessivo de velocidade de injeção pode gerar rebarbas, dispersar menos os pigmentos, criar manchas prateadas, amarronzadas e ocorrer delaminação superficial do moldado em alguns casos. 
	Durante o tempo de preenchimento do molde propriamente dito, a massa quente que se encosta às paredes frias do molde tende a congelar, formando uma camada congelada que varia em espessura. Desse modo, é preciso que o calor gerado por atrito seja igual ou superior ao retirado pelo molde frio, ocorrendo o equilíbrio. Isso, faz com que não ocorra o congelamento que impeça o fluxo até o final. 
	A orientação molecular pode ser desejável, caso o controle desta seja possível. Essa orientação melhora a resistência à fluência e à tração na direção da orientação e resistência ao impacto transversalmente à orientação. Orientação não controlada ou preenchimento, são alinhadas no sentido do fluxo e a orientação é maior onde ocorre maior taxa de cisalhamento e de resfriamento, responsável pelo congelamento das moléculas na posição instável. 
	As propriedades de uma peça acabada dependem do tipo de polímero e da sua estrutura, sendo que a estrutura, por sua vez, depende do arranjo molecular, que depende dos parâmetros do processo. As propriedades mecânica estão entre as que mais podem variar com a variação dos seguintes fatores: grau de orientação da peça, nível de tensões internas, cinética de cristalização a que o polímero foi submetido. 
	As principais propriedades mecânicas afetadas são: resistência à tração (alongamento e ruptura), módulo de elasticidade, resistência ao impacto, dureza, estabilidade dimensional, entre outras. 
	A cristalinidade e orientação molecular aumentam a resistência à tração, aumentam a densidade, aumentam a rigidez, reduz resistência ao impacto, aumenta encolhimento, dureza e resistência à abrasão e envelhecimento e reduz resistência ao stress cracking. 
	A T do molde também afeta propriedades. Com resfriamento lento, o brilho é mais elevado, pois o fundido pode copiar bem a superfície do molde, e se este for liso pode resultar em brilho máximo. 
	Linha de solda é a junção de duas frentes de fluxo dentro da cavidade. Quanto mais alta T do fundido, mis uniforme é a linha de solda, existindo pouca ou nenhuma anisotropia estrutural, resistindo mais à energia de impacto. Por outro lado, quando a T do fundido for baixa, outras regiões da peça podem ser beneficiadas pois o grau de orientação molecular aumenta, aumentando a resistência ao impacto com entalhe na direção perpendicular a essa orientação. Quanto mais moléculas ficarem perpendicular à direção de propagação de uma trinca, maior a resistência à ruptura. 
	Peças injetadas e deixadas nas condições ambientais ou em outras condições especificas, continuam o trabalho de estruturação molecular interna, com mudanças por vezes significativas. Essa reestruturação é chamada de “pós-contração”, para que isso não ocorra é preciso induzir o máximo de cristalização com a peça ainda dentro do molde. 
	Também pode ocorrer tensões internas devido as moléculas estarem estiradas em um estado de desequilíbrio termodinâmico, no qual procuram voltar ao estado de equilíbrio. E devido ao seu congelamento, ficam constantemente exercendo tensão intermolecular. Qualquer mudança de energia vai mudar o seu estado vibracional, ocorrendo mudança localizada de posição (empenamento). 
REFERÊNCIA: Silvio Manrich – Processamento de termoplásticos, 2005
Professor Eduardo Thomazi – Apostila Moldes de injeção
	
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