Processamento por injeção

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ASSUNTO 9
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR EXTRUSÃO
	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 as técnicas, a extrusão é a mais utilizada, por dois motivos principais:
· Produzir continuamente polímeros sob formas simples e regulares;
· Funcionar como misturador eficiente entre os aditivos e os polímeros.
A extrusão é um processo utilizado para diversos materiais (polímeros, metais, cerâmicas e alimentos) para geração e uso de matéria-prima e sua transformação contínua em um determinado produto. 
Seu princípio de funcionamento consiste em uma rosca inserida em um canhão cilíndrico aquecido, com espaço suficiente apenas para permitir o giro, transportando através deste o material peletizado ou em pó, o qual é compactado ou fundido, formando uma carga de polímero altamente viscoso que é forçada em alta pressão através de uma matriz aberta que molda a sua forma. O perfil fundido é então resfriado para obtenção do produto final. 
Os componentes principais de uma extrusora, são:
1. Funil de alimentação: adição do polímero, aditivo e cargas;
2. Canhão e Rosca ou parafuso: Que sejam compridos o suficiente para gerar pressão. Plastificação e transmissão de calor. 
3. Rosca: desenhado adequadamente para exercer a missão de comprimir, cisalhar e homogeneizar o polímero. 
4. Resistências elétricas: Termo elemento para aquecimento diferenciado das zonas
5. Tela: filtragem do fundido para remoção de resíduos sólidos e memória do polímero
6. Matriz: moldagem do polímero ou definição de sua forma sólida
7. Resfriamento: solidificação do polímero
Além das condições citadas, a extrusora deve permitir a variação de parâmetros para que o processo seja versátil e a função seja modificada, tais como:
1. Diâmetro D e comprimento L, e consequentemente, a razão entre os dois “(L/D)”. Ao se variar D, a vazão total do processo é alterada, como consequência da mudança da área disponível para aquecimento, tanto por transferência ou condução, como por atrito.
2. Passo do parafuso, Ls, e profundidade do canal, “h” - afetam a taxa de cisalhamento, o calor gerado por atrito e a vazão volumétrica da extrusora, considerando N (rpm) constante. Por outro lado, ao se variar a rotação N da rosca, o bombeamento desta muda, bem como se altera o grau de mistura que sofre o polímero. “N” afeta significativamente o cisalhamento e o calor gerado por atrito, atingindo o nível necessário de aquecimento por mantas elétricas. 
3. Matriz e grelha (placa perfurada) – proporcionam alteração na queda de pressão ao longo da rosca e cabeçote (cabeçote é todo conjunto que fica à frente da rosca). As condições adequadas de distribuição da pressão proporcionam boa mistura/plastificação do polímero que está sendo transportado, pelo fato de gerarem adequado cisalhamento, com perfis de velocidade balanceados. A presença da grelha elimina os efeitos do cisalhamento adquirido dentro da rosca, sendo que este cisalhamento embute movimento espiralado à massa fundida. Perfis extrudados sem a presença de grelha podem apresentar distorção ou empenamento, que ocorre no mesmo sentido do movimento do fluxo dos canais da rosca. 
4. Temperatura do canhão, da rosca e do cabeçote – podem ser modificadas e otimizadas para gerar máxima qualidade do extrudado. Temperaturas muito elevadas diminuem demais a viscosidade do polímero, levando ao colapso geométrico da massa que sai pela matriz, impedindo a conformação do perfil desejado, além de gerar a degradação do polímero em alguns casos. Em temperaturas muito baixas, além do difícil manuseio, a mistura não é boa, gerando uma massa heterogênea e um produto extrudado sem qualidade. 
Dentre todos os componentes de uma extrusora, a rosca é um dos componentes mais importantes pelo fato de transportar, fundir ou amolecer, homogeneizar e plastificar o polímero. Além disso, tem baixo custo relativo (a rosca é o item mais caro), design simples, robusta e confiável e relação custo/benefício favorável. É devido ao movimento, e, consequentemente, cisalhamento sobre o material, que a rosca única gera cerca de 80% da energia térmica e mecânica necessária para transformar o polímero. Outra parte da energia térmica é obtida de aquecedores externos. 
Como os polímeros possuem baixa condutividade térmica e alta viscosidade no estado plástico – estado este, ideal para ser conformado pela matriz na parte frontal da extrusora – é necessário que a plastificação do polímero se dê por trabalho mecânico, pois, para fundir ou amolecer via mantas elétricas externas ou outro mecanismo de condução de calor, seriam necessários tempos muito longos para a realização dessa tarefa. Portanto, a rosca, que realiza múltiplas funções, deve ser projetada de tal maneira que sua geometria promova máxima eficiência, vazão constante, plastificação e homogeneização adequadas sem danos ao polímero que está sendo processado. 
Dependendo do processo envolvido e do polímeroque está sendo processado, o barril da extrusora deve possuir entradas e saídas para líquidos e gases, respectivamente, e o design da rosca deve acompanhar esse tipo de exigência. 
A rosca única ou monorosca é largamente utilizada para mistura, homogeneização e transporte de polímeros. Seu comprimento depende do diâmetro e do tipo de polímero ou compósito a ser processado. Normalmente, as simples possuem ângulo de hélice e, torno de 17°, e, nesse caso, seu passo possui valor próximo ou igual ao diâmetro. 
A rosca gira dentro do barril e esse movimento relativo entre ferramentas (rosca x barril) gera o arraste do polímero e, ao mesmo tempo, este flui devido a existência de uma queda de pressão (ΔP) e ao longo do canal da rosca. Esses dois tipos de fluxo, arraste e contrapressão, formam perfis de velocidade distintos.
Fluxo de arraste: movimento relativo entre as paredes do barril e da rosca, gerando um perfil de velocidades linear
Fluxo de contrapressão: fluxo devido ao gradiente de pressão ao longo do canal da rosca gerando um perfil de velocidades parabólico. 
	O fluxo resultante mostra que o polímero flui para a direita e para a esquerda. Como o polímero não pode passar através das paredes, pe gerado um movimento circulatório em forma de papa-vento, responsável pela mistura e homogeneização da massa fundida. 
A rosca possui três zonas, definidas como:
· Zona de alimentação: para pré-aquecer o polímero e transportá-lo às zonas subsequentes. A profundidade é constante e o comprimento assegura uma correta taxa de transporte, variando de acordo com o polímero. 
· Zona de compressão: Profundidade diminui com o comprimento. Expele ar retido entre os pelletes; transferência de calor nas paredes do cilindro facilitada (pela menor espessura) e acomodação da mudança de densidade. 
· Zona de controle de vazão ou Zona de dosagem – a profundidade dos filetes é constante; sua função é homogeneizar o fundido, fornecendo material de características constantes (T, P e c). 
Dentro dos canais da rosca, o polímero passa por diversos estágios, começando o transporte a partir do funil onde se encontra no estado sólido, chegando ao final da rosca, onde vai estar liquido ou mole. A transição do estado sólido para líquido se dá gradativamente, começando pelo material que está atritando contra as paredes do barril e do canal. O sólido forma um cordão continuo em direção a z, que vai afinando e se reduzindo a zero. O ar que está presente na fase sólida fica pra trás. A fase sólida normalmente é envolvida pela fase liquida, tendo, portanto, dificuldade de ser cisalhada, pois somente a fase liquida tem contato com as paredes, atuando como lubrificante. Existem diversas teorias a respeito do arranjo das fases sólidas e liquidas no leito do canal da rosca. 
À medida que o polímero é processado ao longo do parafuso, um filme fino funde nas paredes do canhão, devido à condução de calor do canhão (e/ou fricção). A rosca arrasta esse fundido com a sua rotação. O fundido se move para baixo na face frontal interna entre os filetes (a fenda) e sode novamente, estabelecendo um movimento rotacional na extremidade de avanço. Outros grânulos sólidos se juntam (são arrastados) para o fundido (melt pool), em um processo progressivo até que todo o polímero esteja fundido. 
Para entender o mecanismo de condução do polímero, dois extremos devem ser considerados:
1. O material adere ao parafuso e somente desliza nas paredes do barril: Nets caso o material e o parafuso simplesmente ficariam e não haveria transporte.
2. O material resiste à rotação na parede do barril e desliza sobre os filetes do parafuso: Neste caso, o material tende a ser transportado axialmente, como o transporte normal de sólidos em canais profundos. 
Na prática, há fricção nas paredes do canhão e na rosca, e isto leva ao mecanismo de transporte principal, o arraste viscoso ou o Fluxo de arraste, ou seja, o arraste de fundido pela rosca resultante das forças de fricção (equivalente ao viscoso entre uma placa estacionaria e outra em movimento separadas por um meio viscoso), que será responsável pela produção da extrusora – o output. 
Pode haver fluxo de material que escapa (e retona) pelo espaço finito entre os filetes e o canhão, o fluxo de perda (leak flow). Este também está em oposição ao fluxo de arraste e é governado pelo gradiente de pressão. 
O cisalhamento do filme fundido gera energia para fuso do material, para velocidades do parafuso, desde moderadas a altas. 
Quanto maior a viscosidade do material fundido, maior o calor gerado via cisalhamento do filme fundido:
· Materiais rígidos geram muito mais calor no filme fundido. Por exemplo, na extrusão de OVC rígido ou PEAD, a velocidade do parafuso aumentando de moderada para alta reflete na T do fundido. 
· Por outro lado, materiais com baixa viscosidade exibem menores incrementos da T do fundido com o aumento da velocidade do parafuso. 
Assim, em máquinas operam em alta velocidade, praticamente todo o calor provem do cisalhamento do fundido viscoso. Porém, geralmente há a combinação entre este calor e o proveniente do aquecimento do canhão. 
O canal da rosca é helicoidal em relação ao seu eixo ou direção L, em boa parte do canal convivem as duas fases, e a extensão dessa convivência depende de diversos fatores, tais como: taxa de cisalhamento sobre o polímero, temperatura nas diversas zonas, gradiente de pressão, tipo de polímero, entre outros. Ilhas de sólidos que se desprendem do cordão e que podem carregar ar para frente podem existir, e eles são gerados em condições onde ocorrem altas velocidades de processo ou inadequada distribuição dos tamanhos das partículas ou péletes de matéria-prima. 
O desenho/geometria dos parafusos (L/D e passo) deve considerar a produtividade, qualidade da fusão e o polímero utilizado. Parafusos universais buscam um alcance amplo de matérias-primas, mas requerem uma concessão em qualidade de fusão e produtividade. 
A geometria da rosca afeta a plastificação do polímero pelo fato de atingir as características de transferência de calor, a taxa de cisalhamento e a uniformidade da vazão.
Tem-se observado que:
1. Roscas com zona de compressão longas afetam o tempo de residência do polímero na extrusora, esse tempo será maior se o comprimento total da rosca dor aumentado para aumentar essa zona; convivência sólido/liquido (fundido) por mais tempo; fluxo desigual na região de compressão; cisalhamento baixo devido à baixa compressividade; e, como consequência baixo poder de mistura.
2. Roscas com zonas de compressão curtas, afetam as seguintes etapas: passagem rápida do material pela zona de compressão; grande cisalhamento devido à alta compressividade, o que pode originar superaquecimento localizado, principalmente para situações onde a viscosidade é alta. E é ótimo para materiais de baixa viscosidade e pontos de fusão bruscos como é o caso do náilon. 
3. Roscas cuja profundidade h é constantemente decrescente, mostram-se boas, principalmente quando se trabalha com materiais sensíveis a temperaturas que gerem degradação térmica. A profundidade h da zona de controle de vazão afeta:
	A profundidade h na zona de alimentação:
4. A razão de compressão RC afeta diretamente o grau de cisalhamento ao qual o polímero é submetido. Também afeta a formação de ilhas sólidas; interfere no aprisionamento de ar, que, em altas T esse ar torna-se um eficiente agente catalítico de degradação. A RC alta tb contribui para forçar a massa polimérica contra as paredes das ferramentas compactando o material, aumentando a transferência de calor e o cisalhamento. Por fim, a RC afeta a descarga da matriz. 
5. Para roscas com passo constante, o L/D é uma importante referência para especificar uma extrusora. Logo:
6. A folga entre o barril e a rosca ẟ, pode ser a causa ou não de escape de material. O desgaste das ferramentas devido ao atrito constante durante a produção faz com que ẟ aumente atingindo valores em que começa a comprometer a produtividade e a plastificação. 
Entre a rosca e o barrildeve existir uma folga (ẟ), em torno de ẟ = 0,15 mm, para que as ferramentas não tenham atrito entre si resultando em barulho e desgaste, além do desperdício de energia. Essa folga é pequena a ponto do polímero fundido, que tem viscosidade relativamente alta em processo, não conseguir vazar sobre pressão por ela. Quando ẟ > 0,2 mm, devido ao desgaste ou outro motivo, possivelmente, o polímero escape por ali. 
Cabeçote (Zona da matriz) é a zona final da extrusora, terminando na própria matriz. Nesta região encontra-se (antes da matriz) um disco metálico perfurado chamado de prato de retenção e duas ou três camadas de peneiras (telas de arame trançado). 
O sistema de filtro (prato + peneiras) tem as seguintes funções:
1. Peneirar a massa para remover polímero não fundido, sujeiras e/ou corpos estranho; o peneiramento ajuda a minimizar falhas de produção pela remoção de contaminantes, como partículas metálicas, parafusos e porcas, aglomerados não dispersos de aditivos, etc. 
2. Permitir aumento de pressão de saída, resistindo à ação de bombeamento da zona de dosagem. Esta pressão é importante por prover a força motriz que direciona o polímero fundido para a matriz. 
3. Remover memória elástica do fundido: em muitos casos, o polímero “lembrará” de sua história, i.e., ter girado ao longo da rosca espiralada, mesmo após ter passado pela matriz, podendo resultar em um produto deformado (torcido).
Os polímeros apresentam moléculas longas, enoveladas e entrelaçadas mesmo no estado fundido (i.e., característica da viscoelasticidade). O fundido mesmo sendo predominantemente viscoso, tem também propriedades elásticas relevantes. O tratamento mecânico prolongado no fundido, como o movimento pela rosca do parafuso, causa um alinhamento considerável das cadeias, que se manifestará como a tendência de recuperação elástica deste alinhamento como a conformação energética preferida. 
A passagem pela matriz é relativamente curta, não havendo tempo para substituição da configuração espiralada por uma nova. Tendo como resultado a tendência do produto se retorcer ao abandonar a matriz e antes de endurecer. 
Existe alguns parâmetros que podem afetar a geração de pressão e o perfil de velocidade ao longo do barril e da rosca. Isso ocorre porque o perfil de distribuição da pressão ao longo da rosca varia muito e ocorre em função tanto da matriz e grelha quanto da forma de alimentação do polímero, do atrito entre a rosca e o material e entre o material e as paredes do canhão, principalmente na região do funil. A temperatura, e, consequentemente, viscosidade, também afetam a variação de P. O atrito pode ser modificado através do grau de polimento, da temperatura de resfriamento nessa região, bem como do formato do polímero (pós, grãos, etc) 
Como regra geral:
Polímeros mais estáveis ao calor podem utilizar canais mais rasos.
Polímeros mais viscosos podem utilizar canais mais profundos. 
Canais rasos significam melhor mistura, mas maior geração de calor por atrito e consequentemente maior T no fundido. 
Canais profundo produzem maiores mudanças na vazão, provocadas pelas alterações na pressão.
A plastificação (fusão/homogeneização) que transforma o polímero em uma pasta num plástico, moldável, homogêneo tanto em T quanto em distribuição dos elementos presentes, pode ser otimizada pelos parâmetros de processamento. A compressão gerada pelo ferramental, o calor das fontes externas e o calor gerado pelo atrito, ajudam a plastificar. Dependendo do tipo de polímero, do formato da matéria-prima e sua densidade aparente, bem como dos aditivos presentes, deve-se destinar tipos diferentes de rosca com diferentes habilidades para fundir e gelificar o sistema. 
Roscas com canais profundos aumentam a vazão da máquina, diminuindo a eficiência de plastificação (EP). 
Outros parâmetros afetam a eficiência e plastificação:
Em alguns casos deve-se aumentar a rotação N da rosca para aumentar a taxa de cisalhamento, que gera maior atrito, maior T, diminuição da viscosidade, que, por sua vez, causa melhor mistura devido o fluxo de contrapressão. No entanto, para aumentar EP e amo mesmo tempo elevar Q (vazão), utiliza-se roscas com misturadores e cisalhadores intensivos devidamente localizados ao longo da rosca. 
O polímero que alimenta uma extrusora está, normalmente, à T ambiente (25°C). Essa matéria-prima é fundida pela rosca e bombeada através da matriz, saindo a uma T que varia de 170°C a 380°C, dependendo do polímero e do produto. A maior parte da energia para alterar a T é originada da fricção entre a rosca, o polímero e o canhão. Alguma energia é suprida pelas mantas elétricas externas. Normalmente o polímero receberia energia, isto é, é aquecido, na primeira parte da rosca perto do funil. Na parte posterior, perto da matriz, o polímero libera calor gerado pelo cisalhamento viscoso, aquecendo dessa forma o barril. Por outro lado, quando se inicia a operação de uma extrusora, a maior parte do calor é fornecida pelas mantas elétricas, até que o sistema entre em regime. 
Um dos desenvolvimentos para aumentar a eficiência da fusão foi o parafuso com barreira. Neste, há um segundo filete separado daquele que contém os grânulos. A folga com o canhão é menor que o tamanho do grânulo. Com o começo da fusão, o fundido pode se mover para este novo canal (mas o sólido não). Ou seja, o segundo filete atua como um separador do fundido/sólido, consequentemente aumenta a estabilidade de “output” e permite maior nível de desempenho. Os filetes têm ângulos diferentes e o canal de sólidos fica mais estreito e o de fundido mais largo.
 
REFERÊNCIA: Silvio Manrich – Processamento de termoplásticos, 2005
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