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Guia de Moldagem Guia de Moldagem para as resinas da DuPont Minlon e Zytel™ ® ® Conteúdo 1. Introdução............................................................................................................................ 03 Moldagem de nylon por injeção................................................................................................ 03 Famílias de nylon DuPont.......................................................................................................... 03 Precauções de operação............................................................................................................. 03 Efeitos térmicos.......................................................................................................................... 03 Emissão de gases e partículas.....................................................................................................04 Informações sobre segurança..................................................................................................... 04 Riscos de escorregamento.......................................................................................................... 04 Operação de moagem................................................................................................................. 04 2. Características do Polímero Fundido................................................................................. 05 Estrutura de material.................................................................................................................. 05 Calor específico.......................................................................................................................... 05 Viscosidade do polímero fundido............................................................................................... 06 Fluidez do polímero fundido...................................................................................................... 07 Estabilidade do polímero fundido...............................................................................................08 Caracterização do polímero fundido com moldes instrumentados............................................ 08 3. Manuseio do Material.......................................................................................................... 10 Transporte do material................................................................................................................ 10 Manuseio de resinas de nylon.................................................................................................... 10 Efeito da umidade....................................................................................................................... 12 Secagem...................................................................................................................................... 12 Coloração.................................................................................................................................... 13 Controle da Qualidade................................................................................................................ 14 4. A Máquina de Injeção.......................................................................................................... 16 Requisitos da máquina................................................................................................................ 16 Design da máquina......................................................................................................................16 Manutenção e precauções de segurança..................................................................................... 20 5. Projeto do Molde.................................................................................................................. 21 Material do molde...................................................................................................................... 21 Os sistemas de alimentação........................................................................................................ 21 Saídas de gases........................................................................................................................... 23 Contrasaídas.............................................................................................................................. 24 Circuito de refrigeração.............................................................................................................. 24 Moldes de câmara quente........................................................................................................... 24 6. Condições de Moldagem..................................................................................................... 27 Temperatura do polímero fundido............................................................................................. 27 Perfil de temperatura do cilindro............................................................................................... 27 Temperatura do Bico.................................................................................................................. 27 Velocidade e pressão de injeção................................................................................................ 28 Pressão e tempo de recalque...................................................................................................... 29 Velocidade de dosagem da rosca e contrapressão...................................................................... 30 Descompressão.......................................................................................................................... 31 Temperatura do molde............................................................................................................... 31 Tempo de resfriamento.............................................................................................................. 32 Extração..................................................................................................................................... 32 7. Funcionamento da Máquina de Injeção........................................................................... 33 Partida......................................................................................................................................... 33 Interrupção do ciclo................................................................................................................... 33 Parada......................................................................................................................................... 33 Purga........................................................................................................................................... 33 8. Considerações Dimensionais de Moldagem e Pós-Moldagem......................................... 34 Contração de moldagem............................................................................................................ 34 Efeito da absorção de umidade nas dimensões......................................................................... 35 Contração Pós-Moldagem e recozimento...................................................................................36 Empenamento............................................................................................................................ 36 Tolerâncias................................................................................................................................. 36 2 3 1. Introdução Este manual é composto por duas partes. A primeira parte apresenta uma visão abrangente do processo de moldagem por injeção de nylon. O objetivo é o de proporcionar uma melhor compreensão sobre o que ocorre durante o processo de moldagem. As informações referentes aos fenômenos e processamento de polímeros foram elaboradas para possibilitar uma comparação entre as diversas características de diferentesfamílias de nylon ao invés de características detalhadas de grades específicos. A seção “Moldagem de nylon por injeção” contém maiores informações sobre a subdivisão das diversas famílias de nylon. A segunda parte é composta por tabelas ilustrando os parâmetros mais importantes e recomendados para o processo de moldagem por injeção. A seguir, é apresentada uma relação completa da linha de resinas de nylon da DuPont. Moldagem de nylon por injeção Apesar do fato das resinas de nylon Minlon® e Zytel® serem comercializadas por mais de 50 anos, continua sendo importante otimizar as condições de moldagem para se obter o máximo das propriedades disponíveis nestes materiais. Basicamente, o processo envolve o aquecimento e o cisalhamento dos grânulos sólidos até sua fusão, a transferência deste material fundido para um molde e a sua manutenção sob pressão até que se cristalize. Cada tipo de nylon possui as suas próprias características específicas de processamento que devem ser consideradas e compreendidas antes que seja moldado, para que se obtenha o nível de qualidade desejado. As condições de moldagem afetam consideravelmente a qualidade da peça, alterando características tais como a resistência nas linhas de emenda, aparência superficial e a estabilidade dimensional. As condições ótimas de moldagem para qualquer grade são determinadas através da combinação das características de processamento dos polímeros utilizados, com a dos modificadores e aditivos, que possuem suas próprias características reológicas. O conhecimento básico destas características reológicas auxilia na compreensão das influências que as alterações de um parâmetro de moldagem exercem na qualidade das peças moldadas. A Seção 2 aborda este tema. As recomendações contidas neste manual são aplicáveis à maioria dos nylons da DuPont. Com o objetivo de simplificar as diretrizes de moldagem, possibilitando que sejam de fácil leitura, os grades foram classificados sob tipos genéricos. Famílias de nylon DuPont As resinas de nylon Zytel® são classificadas pela sua composição química nos seguintes grupos: – Nylon 66 – Nylon 6 – Copolímero de Nylon 66/6 – Blenda de Nylon 66 + 6 – Nylon 6.12 – Nylon amorfo transparente As principais propriedades das resinas de nylon Zytel® são: – Alta resistência mecânica – Excelente balanço de rigidez e tenacidade – Bom desempenho sob altas temperaturas – Boas propriedades elétricas e de flamabilidade – Boa resistência à abrasão e química. Propriedades como ponto de fusão, absorção de umidade e módulo de elasticidade são determinadas principalmente pelo tipo de nylon. O peso molecular do nylon determina a viscosidade do fundido e a resistência ao impacto. Além disso, o nylon pode ser facilmente modificado e reforçado, permitindo a obtenção de uma variedade de produtos com características personalizadas para processos e usos específicos. As principais famílias dos nylon Zytel®, descritas neste manual, são as seguintes: – Sem reforço – Tenazes/Supertenazes – Reforçados com fibras de vidro – Reforçados com carga mineral – Reforçados com carga mineral/fibras de vidro – Auto-Extinguíveis – Alta viscosidade/extrusão – Especialidades. 1.1 Precauções de operação Assim como no caso da maioria das resinas termoplás- ticas, a moldagem das resinas Zytel® reforçadas com fibras de vidro e Minlon® é uma operação simples e segura. A boa prática recomenda que os seguintes riscos potenciais sejam considerados: * Efeitos térmicos * Emissão de gases e partículas * Riscos de escorregamento 1.1.1 Efeitos térmicos O contato da pele com as resinas Zytel® reforçadas com fibra de vidro e Minlon® fundidas pode provocar queimaduras graves. Isto pode acontecer quando formam-se gases em excesso, gerando alta pressão no cilindro da máquina e, consequentemente, risco de explosão, liberando polímero fundido através do bico ou do funil de alimentação. 4 Para minimizar as probabilidades de um acidente, as instruções fornecidas neste manual devem ser cuidadosa- mente observadas. Os riscos potenciais devem ser previs- tos e eliminados ou minimizados através do estabeleci- mento dos seguintes procedimentos, incluindo a utilização de equipamentos e roupas próprias de proteção. Não permita que a resina permaneça na máquina de injeção por mais de 15 minutos na temperatura de moldagem. Caso esta situação ocorra, por exemplo, durante uma interrupção prolongada de ciclo, mantenha-se particularmente alerta durante o processo de purga. Leia cuidadosamente o Capítulo 7: Funcionamento da máquina de injeção. Ao executar a purga, certifique-se de que a bomba de alta vazão esteja desligada e que a proteção do bico esteja encaixado corretamente. Reduza a pressão de injeção e acione várias vezes de modo intermitente o botão de injeção minimizando a possibilidade de ocorrência de acúmulo de gás no cilindro, o que causaria uma expulsão violenta do polímero fundido. Coloque o material da purga em um recipiente com água para suprimir a exalação de gases e o odor. Havendo suspeita de degradação1 de resina em qualquer momento, o conjunto de injeção deve ser recuado, a projeção do bico posicionado e o cilindro esvaziado. Após o início da rotação da rosca, deve-se introduzir um material de purga adequado (polietileno de alta densidade). A temperatura pode então ser gradualmente reduzida e a máquina desligada. Veja “Purga” no Capítulo 7: Funcionamento da máquina de injeção, para maiores detalhes. Caso, ao acionar o comando de injeção ou de rotação da rosca, não seja verificado fluxo de material, o bico pode estar obstruído. Neste caso, desligue as resistên- cias do cilindro e observe as práticas de segurança preestabelecidas. Sempre considere que pode haver gás sob alta pressão confinado no cilindro, com a possibilidade de liberação inesperada. Um protetor facial e luvas de mangas longas devem ser usados nestas condições. Antes de reiniciar a operação, tanto a máquina como o material devem ser avaliados para determinação da causa da degradação. Na eventualidade do polímero fundido entrar em contato com a pele, resfrie a área afetada imediata- mente com água fria ou com uma bolsa de gelo e procure auxílio médico especializado em queimaduras. Não tente retirar o polímero da pele. Consulte as Fichas de Segurança do Material (MSDS) para referências. Para informações adicionais telefone para o número indicado nas Fichas de Segurança do Material (MSDS). Devido ao fato das resinas Zytel® e Minlon® necessitarem de secagem a altas temperaturas, o contato com funis, silos ou tubulações de ar quentes pode resultar em queimaduras graves. O isolamento térmico destes componentes reduz esta possibilidade. 1.1.2 Emissão de gases e partículas Durante as operações de secagem, purga, moldagem e moagem, são liberadas pequenas quantidades de gás e de partículas. Como regra geral, recomenda-se uma ventilação local por exaustão durante o processamento das resinas Zytel® e Minlon®, assim como para todas as resinas plásticas. Uma taxa de exaustão de aproximadamente 5 m3 ar/min por kg/h de resina processada mantém a concentração de partículas e de gases bem abaixo do limite de 5 mg/m3 quando o processamento for executado dentro dos parâmetros recomendados (moldagem, purga e secagem). Para mais detalhes consulte o manual “Utilização Adequada de Exaustão Durante o Processamento de Plásticos” publicado pela DuPont. 1.1.3 Informações sobre segurança A DuPont fornece as Fichas de Segurança de Material (MSDSs) a seus clientes juntamente com o pedido inicial de compras e sempre que forem revisadas. As MSDSs incluem informações sobre componentes perigosos, riscos à saúde, procedimentos de emergência e de primeiros socorros, procedimentos de descarte e informações sobre armazenamento. 1.1.4 Riscos de escorregamento Os grânulos das resinas Zytel® e Minlon® podem provocar escorregamento no caso de serem derramados no piso. Qualquer derramamento deve ser limpo imediatamente. 1.1.5 Operação de moagem Ao executar qualquer operação de moagem,além da utilização de um equipamento com sistemas de segurança adequados, a instalação deve proporcionar uma proteção adequada contra ruído e poeira. Devem ser utilizadas telas, filtros e ventilação em condições adequadas de operação. Os operadores devem utilizar equipamentos de proteção individual (EPI) apropriados, incluindo luvas e protetores faciais. 1 Escape excessivo de gás pelo bico, polímero severamente descolorado, rosca recuando além do limite traseiro estabelecido, etc. 5 2. Características do polímero fundido As características físicas de um polímero fundido definem as condições em que deve ser moldado. Dentre estas podemos citar: * A estrutura molecular, que é basicamente semi-cristalina, e as diversas alterações que ocorrem com as variações de temperatura e pressão. * A quantidade de energia (calor específico e calor latente). * O comportamento de fluxo do material fundido e especificamente a viscosidade, como o parâmetro reológico mais importante. * A velocidade de cristalização da resina. * A estabilidade da resina, especificamente sob altas temperaturas e na presença de água. 2.1 Estrutura do Material 2.1.1 Cristalinidade A maioria das poliamidas possui uma estrutura semi-cristalina. Isto significa que uma proporção do polímero se solidifica em uma certa estrutura ordenada e uniforme. O restante se solidifica em um estado amorfo, sem uniformidade. Durante o processo de cristalização, as moléculas se agrupam em cristais que normalmente se juntam uns aos outros, formando esferolitos com até 0,2 mm de diâmetro. Se a orientação dos cristais se apresentar em apenas uma direção, como freqüentemente ocorre na superfície da peça, a zona do material será transparente. Diferenças fundamentais nas estruturas de polímeros semi-cristalinos e amorfos resultam em propriedades e condições de moldagem diferentes. Dentre as propriedades mais importantes dos materiais cristalinos, em contraste com os materiais amorfos, podemos citar as seguintes: * Grandes alterações de volume com a temperatura, ao passar do estado fundido para o sólido e vice-versa. * É necessário muita energia para fundir o polímero. Estes dois fenômenos, juntamente com os demais implicam, ao contrário dos materiais amorfos, na inexistência do risco de supercompactação, mesmo sob pressões muito altas de injeção e recalque. 2.1.2 Alterações de volume As alterações de volume são normalmente descritas em termos de volume específico, que é o inverso da densidade. Para materiais semi-cristalinos, o volume específico é função da temperatura, pressão e, na fase sólida, do grau de cristalinidade. A Fig. 1 mostra algumas curvas experimentais de volume específico de Zytel® sem reforço. No estado fundido, o volume específico é muito maior que no estado sólido. Durante a moldagem, a resina fundida é mantida sob pressão, tipicamente a 70 MPa, o que significa que há uma alteração menor do volume durante a cristalização nesta condição em relação a quando a pressão é zero. A contração é o resultado direto da cristalização da resina fundida. Uma vez que a contração deve ser mínima, a resina fundida deve ser mantida sob pressão até que esteja totalmente cristalizada. No estado sólido, as resinas de nylon possuem uma cristalinidade entre 40% e 60%. A curva correspondente na Fig. 1 deve ser interpretada como uma faixa que reflete esta variação e os outros fatores que influenciam a estrutura cristalina. As resinas de nylon 66 apresentam o mais alto grau de cristalinidade dentro da família do nylon. Isto tem grande influência sobre as propriedades mecânicas, absorção de umidade e resistência química do produto moldado. 2.2 Calor Específico A energia necessária para aumentar a temperatura de um polímero é determinada, geralmente, pelo seu calor específico, definido como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura da massa unitária do material em 1 °C. No caso de materiais com estrutura cristalina, há a necessidade de maior aqueci- mento para passar o material do estado sólido para o estado fundido. Esta energia é representada por um pico na curva de calor específico (Fig. 2). Temperatura (°C) 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 0 50 100 150 200 250 300 350 P = 150 v ol um e es pe cí fic o cm 3 /g ZYTEL 103 HSL NC-10 120 100 80 60 30 0 MPa ® Fig. 1 Diagrama de Pressão-Volume-Temperatura (volume específico em função da temperatura e pressão) 6 Desta forma, a quantidade total de calor necessária para fazer com que cada polímero atinja sua temperatura de processo é representada pela área sob cada curva. Portanto, as resinas cristalinas precisam de uma energia calorífica mais alta que as resinas amorfas, sendo que as resinas de nylon sem reforço precisam de duas vezes mais calor total em comparação com o poliestireno, por exemplo, conforme mostra a Tabela 1. Essa diferença no comportamento influencia o design do cilindro e da rosca, fator crítico para polímeros semi-cristalinos. Tabela 1 - Energia calorífica necessária para o processamento Resina Calor de Fusão Calor Total (kJ/kg) Necessário (kJ/kg) Poliestireno 0 372 Delrin® 163 419 Polietileno de alta densidade 242 721 Zytel® 101L 130 791 2.3 Viscosidade do polímero fundido A viscosidade do polímero fundido determina em grande parte a pressão de injeção - a alta viscosidade implica em menos fluxo e queda de pressão mais alta. A viscosidade do polímero fundido é uma função direta do peso molecular (por exemplo, o Zytel® 42 tem um peso molecular mais alto, portanto, uma viscosidade mais alta que o Zytel® 101 L). A viscosidade dos nylons fundidos é influenciada por vários fatores, especialmente pela temperatura, cisalhamento e teor de umidade na resina. 2.3.1 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Temperatura A regra geral de que os líquidos se tornam menos viscosos com o aumento de temperatura é certamente verdadeira para polímeros fundidos. Por este motivo, torna-se necessário especificar a temperatura na qual a viscosidade do polímero fundido foi medida. A Fig. 3 mostra que a viscosidade de um Zytel® sem reforço é menos sensível às alterações de temperatura do que os grades reforçados e modificados ao impacto. 2.3.2 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Taxa de Cisalhamento O cisalhamento é um parâmetro que caracteriza a velocidade de deformação do fluxo do material, sendo uma função da velocidade do fluxo e da geometria dos canais de alimentação. A viscosidade diminui considera- velmente com o aumento da taxa de cisalhamento (veja a Fig. 4). Portanto, através do aumento da velocidade de injeção pode-se reduzir a viscosidade, melhorando o preenchi- mento de peças mais complexas. A viscosidade varia de acordo com o grade da resina, conforme mostram as Fig. 3 e 4. Temperatura (°C) 0 0,4 0 Ca lo r e sp ec ífi co ( kJ k g –1 K –1 ) 35050 0,2 100 150 200 250 300 0,8 0,6 1,2 1,0 1,6 1,4 2,0 1,8 2,4 2,2 2,6 8,3 DELRIN 2,75 Nylon 66 Poliestireno Fig. 2 Calor específico em função da temperatura ® Temperatura do polímero fundido em °C 10 265 Vi sc os id ad e e m P a· s (a t 1 00 0 s- 1 ) 315295 305 100 285275 1000 ZYTEL® 101 L ZYTEL® 70G30 ZYTEL® ST801 MINLON® 13 MM Fig. 3 Viscosidade do polímero fundido em função da temperatura Cisalhamento aparente (s–1) 10 100 Vi sc os id ad e ap ar en te (P a . s) 10000 100 1000 1000 H2O = 0,07% H2O = 0,20% 0 0,2 0,1 0,3 0,5 0,4 0,6 0,8 0,7 0,9 1 PA 66 não modificada Tenazes Reforçadas com fibras de vidro/tenazes Reforçadas com fibras de vidro ZY TE L® 10 1 Z 40 8 Z 45 0 49 0 ST 80 1 80 G 14 79 G 13 70 G 20 70 G 30 70 G 43 70 G 60 Teor de umidade entre 0,15 e 0,2 % Espessura: 2,5 mm Fl ui de z re la tiv a Fig. 5 Influência do teor de umidade na viscosidade do ZYTEL® 101 at 295°C Fig. 6 Fluidez relativa de resinas ZYTEL® Cisalhamento aparente (1/s) 10 100 Vi sc os id ad e ap ar en te (P a· s) 10000100 1000 1000 ST801 70G43 490 70G30 450 408 101L Fig. 4 Viscosidade do polímero fundido em função do cisalhamento a 290°C YT EL ® YT EL ® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® ZY TE L® 7 2.3.3 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Umidade A viscosidade do polímero fundido durante a injeção é um parâmetro importante, portanto, as reações quími- cas que podem ocorrer no cilindro devido à umidade não podem ser ignoradas. O teor de umidade afeta a viscosidade do polímero fundido, devido à hidrólise que ocorre durante o processo de injeção (veja a Seção 2.5). Como regra geral, para todos os nylons, quanto maior o teor de umidade menor é a viscosidade do polímero fundido (Fig. 5). 2.3.4 Viscosidade Relativa (VR) A viscosidade relativa é uma medição (adimensional) do peso molecular médio da resina. Quanto maior a viscosidade relativa maior o peso molecular do polímero. 2.3.5 Temperatura do polímero fundido e ponto de fusão A maioria das resinas de nylon Zytel® e Minlon® são semi-cristalinas, portanto, apresentam pontos de fusão bem definidos, ao contrário das resinas amorfas que apresentam uma larga faixa de amolecimento. A temperatura recomendada para o polímero fundido pode variar não apenas de grade a grade, mas também de aplicação para aplicação. O preenchimento da cavidade pode ser melhorado com o aumento da temperatura do fundido, porém, ela deve ser mantida abaixo do ponto onde o material possa começar a degradar (veja a Seção 2.5). Uma baixa temperatura do polímero fundido pode levar a efeitos indesejáveis, tais como heterogeneidade ou auto-nucleação. 2.4 Fluidez do polímero fundido A fluidez do polímero fundido é um parâmetro crucial para o seu desempenho durante a moldagem. Para que se possa comparar a fluidez de vários materiais, aceita-se geralmente um método padrão de medição chamado fluxo em espiral. Este método mede o comprimento de fluxo em função da pressão de injeção para um dado material, seção da espira (redonda ou retangular) e a temperatura do molde. A umidade da resina deve ser levada em consideração (veja a Seção 2.2) para que se chegue a conclusões corretas. Para os materiais da DuPont, quanto maior a quantidade de modificador de impacto, menor o comprimento de fluxo. A Fig. 6 mostra as características de fluidez relativa de diversos grades de Zytel®. As resinas foram moldadas dentro das condições padrão, seguindo os parâmetros recomendados para cada uma. 8 2.5 Estabilidade do polímero fundido Um tema que gera grande preocupação entre os transformadores é a estabilidade da resina, principal- mente quanto à degradação durante a moldagem. A degradação diminui o peso molecular e, consequente- mente, as propriedades finais. A degradação pode ocor- rer por um dos seguintes motivos: * Hidrólise resultante de resina com alto teor de umidade. * Degradação térmica devido a um tempo de residência excessivo (ou a presença de pontos de retenção) ou temperaturas acima das recomendadas no cilindro. 2.5.1 Hidrólise Os nylons são produtos de policondensação, portanto, condensação ou hidrólise podem ocorrer dependendo da pressão, teor de umidade, temperatura e tempo de residência. Durante a moldagem o peso molecular e, consequente- mente, a viscosidade relativa (VR) são alterados dependendo dos parâmetros mencionados acima. A Fig 7 mostra que, durante a moldagem, a resina muito seca pode sofrer uma policondensação e consequente aumento de VR, enquanto um alto teor de umidade leva à hidrólise e a uma diminuição de VR. O teor de umidade de equilíbrio é de aproximadamente 0,12% a uma temperatura de 295°C para a resina em questão. Para um teor de umidade inferior a 0,20% em peso e sob condições normais de processamento, a velocidade de reação do processo de hidrólise ou policondensação é lenta, de modo que as características das peças moldadas permanecem praticamente inalteradas. Para teores de umidade acima de 0,25%, observa-se diminuição da flexibilidade e elasticidade, manchas e tendência à geração de rebarbas. 2.5.2 Degradação térmica Assim como ocorre com todos os demais plásticos, as resinas de nylon da DuPont estão sujeitas a degradação térmica. A degradação depende tanto da temperatura do polímero fundido como do tempo de residência (ou tempo de permanência no cilindro). Quanto mais alta a temperatura do polímero fundido, menor o tempo de residência que provoca danos ao material (veja a Fig. 8). Sob condições normais, a degradação térmica é desprezível. Como exemplo, o Zytel® 101L quando processado a 310ºC pode ter seu peso molecular reduzido em 6% após 10 minutos e em 17% após 30 minutos de tempo de residência. Deve-se dar uma atenção especial ao tempo de residência durante a moldagem de grades auto-extinguíveis, estabilizados termicamente e formulações especiais. 2.6 Caracterização do polímero fundido com moldes instrumentados Através do uso de transdutores de pressão na cavidade acoplados a um sistema de coleta de dados é possível avaliar rapidamente pequenas diferenças nas propriedades da resina (comportamento de fluxo e cristalização) e compreender melhor como diversos parâmetros de injeção influenciam a qualidade da moldagem. Tempo de residência (min) 30 50 70 90 110 130 150 0 5 10 15 20 25 H2O = 0,1% H2O = 0,2% H2O = 0,3% ZYTEL® 101L Com taxa de cisalhamento de 1000 s–1 Vi sc os id ad e do fu nd id o (P a· s) Fig. 7 Viscosidade do polímero fundido em função do tempo e umidade para o ZYTEL® 101 Tempo de residência (min) Re si st ên ci a ao im pa ct o Iz od c / e nt al he (J /m ) 20 200 5 10 15 400 600 800 1000 Limite do TR p/polímero fundido a 310°C para 280°C 280°C 310°C Fig. 8 Efeito do tempo de residência nas propriedades de impacto de nylons reforçados Tempo (s) 15 0 Pr es sã o no in te ri or d a ca vi da de (M Pa ) 10 45 1 2 8 96 74 53 30 75 60 Tempo de recalque Tempo de preenchimento dinâmico Molde A Transdutor de Pressão Simples Z YTEL 135 F Espessura da parede: 2,0 mm TC 6 ,3 0 s Fig. 9 Pressão na cavidade medida durante a injeção e o recalque (1 transdutor) ® Tempo 20 0 Pr es sã o no In te ri or d a ca vi da de (M Pa ) 10 60 1 2 8 96 74 53 40 100 80 Tempo de Preenchimento Dinâmico Molde B Dois Transdutores de Pressão ZYTEL® 70G30 Espessura de Parede: 2,0 mm TC 5 ,2 7 s TC 6 ,0 s Transdutor 1 Transdutor 2 Queda de Pressão Dinâmica Pressão na Cavidade do Molde Fig. 10 Pressão na cavidade medida durante a injeção e o recalque (2 transdutores) 9 Normalmente um transdutor de pressão simples instalado próximo ao ponto de injeção é o suficiente para determinar o tempo de cristalização (TC) da peça (Fig. 9). Havendo necessidade de maiores informações sobre a consistência da viscosidade da resina, um segundo sensor pode ser colocado em um ponto mais distante do fluxo de resina, de modo a permitir o cálculo da queda de pressão entre os dois pontos durante as fases de injeção e de recalque. 3. Manuseio do material 3.1 Transporte do Material 3.1.1 Forma Física da Resina As resinas de nylon Zytel® são materiais sólidos granulados, tipicamente cortados em cilindros com dimensões nominais de 3 x 2,5 mm. Algumas das propriedades de armazenamento, necessárias para o dimensionamento adequado de equipamentos como funis, válvulas rotativas e zonas de alimentação das roscas são mostradas na Tabela 2. Tabela 2 Propriedades de armazenamento Material Densidade Ângulo de aparente (kg/m3) Repouso (graus) Não modificados Nylon66 720-800 45 Tenazes Nylon 66 640-720 <60 Reforçados com fibras de vidro Nylon 66 800-870 <60 Super tenazes Nylon 66 640-720 <60 As famílias a base de Nylon 6, 6/66, 6.12 possuem uma densidade aparente levemente mais baixa (de até 5%). A densidade aparente é a densidade das partículas do material incluindo os espaços vazios entre eles. O ângulo de repouso caracteriza ahabilidade de fluxo dos grânulos em alimentadores e funis. Ângulos de repouso entre aproximadamente 0º e 45º indicam materiais de fluxo livre. Quando os ângulos excedem aproximadamente a 50° os materiais apresentam fluxo coesivo. 3.1.2 Embalagem As resinas de nylon Zytel® encontram-se disponíveis em 3 tipos de embalagens: – Pallet com 40 sacos de 25 kg – Caixas octogonais (octabin) de 1000 kg (com ou sem descarga na parte inferior) Informações detalhadas sobre estes tipos de embalagem podem ser encontradas com seu representante DuPont. 3.2 Manuseio de Resinas de Nylon Ao utilizar resinas de nylon, um requisito importante é assegurar que a resina seja processada seca e livre de contaminação. 3.2.1 Armazenamento * A resina de nylon deve ser armazenada em área seca sob uma temperatura próxima da área de operação. * Quando o material for armazenado em um local frio, deve-se permitir que a embalagem atinja a temperatura da área de moldagem antes de abri-la. * O armazenamento deve permitir uma disposição do tipo “primeiro a entrar/primeiro a sair”. Apesar do material estar protegido contra umidade por uma embalagem especial, pequenos teores de umidade podem ser absorvidos com o passar do tempo. 3.2.2 Manuseio de resina virgem Procedendo de acordo com as recomendações abaixo, as dificuldades de moldagem que poderiam resultar de altos teores de umidade podem ser quase que completamente eliminadas. * Para evitar a condensação de umidade do ambiente na resina, certifique-se de que a embalagem da resina seja mantida por um determinado período de tempo à temperatura da área de moldagem (ou acima), antes de abri-la. Para tanto, recomenda-se que embalagens para o suprimento de pelo menos um dia de utilização sejam estocadas na área de moldagem. * Mantenha no funil uma quantidade de material de forma que o tempo de permanência não seja superior a 1 hora. * Para evitar a absorção de umidade pelos grânulos, não exponha a resina não utilizada à atmosfera. Sacos abertos devem ser selados novamente com um ferro elétrico doméstico ou alicates de vedação a quente. Todas as resinas DuPont são fornecidas secas e prontas para serem moldadas diretamente a partir das embala- gens de transporte. 3.2.3 Manuseio de material moído É possível moer e reutilizar resinas previamente moldadas, seguindo o procedimento abaixo. A prática recomendada é a de utilizar o material moído, misturado à resina virgem, na medida em que for gerado. A quantidade máxima de moído depende dos requeri- mentos da aplicação. Através dos gráficos 11 e 12 é possível prever os efeitos do moído sobre as pro- priedades mecânicas de peças moldadas com resinas de nylon Zytel® reforçadas com fibras de vidro. É importante ressaltar que a performance das peças são mais afetadas pela qualidade do material moído que pelo percentual utilizado. 10 * Mantenha o tamanho das partículas de material moído uniforme. O pó absorve umidade rapida- mente (devido à grande proporção superfície/ volume) e se adere às paredes do cilindro. Também desenvolve carga eletrostática que atrai contami- nação que, por sua vez, pode entupir os filtros dos alimentadores a vácuo. Mantenha as facas do moinho afiadas e adequadamente ajustadas para minimizar sua formação. O pó pode ser separado do material moído através de ciclones ou de peneiras vibratórias com malha entre 12 e 16. * Limpe os moinhos e recipientes de material moído constantemente. 3. Algumas características do material podem variar, dependendo da quantidade de passes. Para manter as propriedades das peças moldadas uniformes, é necessário: * Manter uma proporção constante entre a resina virgem e o material moído. Ambos devem ser misturados antes da alimentação. * Para evitar o acúmulo de material moído, utilize-o à medida em que for gerado. Um sistema de separa- ção, moagem e mistura em circuito fechado é ideal. * A melhor forma de moer resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro é a quente, para minimizar a quebra das fibras. As resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro são as que mostram a maior sensibilidade quanto à moagem. Isto ocorre principalmente devido à quebra de fibras durante o processo de moagem. A Fig. 11 mostra o efeito de múltiplas moagens sobre as propriedades mecânicas da peça moldada, neste caso para o Zytel® reforçado com 33% de fibras de vidro. Essa figura mostra a correlação entre a quantidade de processamentos do Zytel® e a queda das propriedades mecânicas. A perda de propriedades mecânicas com 100% de material moído é expressa como um percentual das propriedades do material virgem. Se o material moído for manuseado em um circuito fechado e misturado com material virgem de acordo com as recomendações acima, o efeito do mesmo sobre as propriedades mecânicas das peças moldadas será pequeno. A Fig. 12 ilustra este resultado na forma de retenção de propriedades de peças moldadas utilizando-se o Zytel® reforçado com 30% de fibras de vidro para diversas proporções de material moído. 3.2.4 Descarte de refugo Observando-se as recomendações deste manual, são minimizadas as quantidades de refugo de processamen- to e de peças rejeitadas. No entanto, durante a pro- dução de peças, uma certa quantidade de refugo, não reutilizável, sempre é gerada. Este refugo deve ser ade- quadamente descartado. Para utilizar o material moído de forma eficaz, os seguintes princípios devem ser observados: 1. O material moído absorve mais umidade, e mais rapidamente, do que a resina virgem. Portanto: * Proteja-o contra umidade, mantendo-o em recipientes vedados. * Os galhos devem ser moídos, misturados e utilizados o mais rápido possível, evitando uma operação extra de secagem. 2. O material moído pode conter uma quantidade consideravelmente maior de contaminantes do que o material virgem, portanto: * Não utilize peças moldadas e galhos que estejam descolorados ou com defeitos superficiais. Estas podem ser indicações de que a resina foi degradada. * Certifique-se de que o material moído está livre de contaminação. * Minimize o manuseio de galhos. Utilize luvas sem fiapos. 0 % 1ª Moldagem 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2ª Moldagem 3ª Moldagem 4ª Moldagem 5ª Moldagem Comprimento das Fibras ( ) Impacto Izod (Seco) Resistência à tração (Seco) Módulo de flexão (Seco) 0 % 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10% 20% 30% 40% 50% Impacto Izod (Seco) Resistência à tracão (Seco) Módulo de flexão (Seco) Fig. 11 Retenção de propriedades mecânicas em relação ao número de passes (100% moído) Fig. 12 Retenção de propriedades mecânicas em relação ao percentual de material moído utilizado em relacão à virgem 11 A DuPont recomenda como melhor opção a incine- ração para recuperação de energia. O incinerador deve possuir equipamentos adequados para limpar os gases de combustão antes que sejam liberados. Os produtos Zytel® e Minlon® não são solúveis em água e não possuem praticamente nenhum aditivo que possa ser extraído pela água. Portanto o Zytel® e o Minlon® não oferecem qualquer risco à saúde humana ou ao meio ambiente quando dispostos em aterros para mate- riais sólidos. Para qualquer descarte deve-se observar a regulamen- tação local que pode variar significativamente de loca- lidade para localidade. 3.3 Efeito da umidade O teor de umidade das resinas de nylon para injeção é um parâmetro especialmente importante, e exerce um efeito direto sobre o processo, as propriedades mecâni- cas, a viscosidade do material fundido e a aparência das peças moldadas. Todos os nylons são higroscópicos e absorvem umidade da atmosfera conforme o ilustrado anteriormente (seção 3.2.2). * A água reage quimicamente com os nylons sob temperaturas acima do ponto de fusão. Esta reação (hidrólise) resulta em uma diminuição do peso molecular que, consequentemente, diminui as propriedades e o desempenho das peças moldadas (seção 2.5). O comportamento reológico do polímero fundido é então modificado epode causar problemas de proces- samento, como rebarbas e dificuldade de controle dimensional. * Ao mesmo tempo, a água absorvida pode formar vapor, resultando em marcas superficiais e bolhas internas nas peças moldadas. * O efeito da umidade pode se agravar ainda mais devido a tempos de residência longos e/ou tempe- raturas do polímero fundido excedendo 315ºC. Isto ocorre devido à diminuição de peso molecular que afeta a viscosidade relativa. Nestes casos é aconselhável reduzir o teor de umidade conforme o necessário. * Como exemplo, a Fig. 13 mostra o efeito do teor de umidade e da viscosidade relativa na aparência superficial das peças moldadas a partir de nylons reforçados com carga mineral. O teor de umidade da resina para moldagem varia de acordo com o grade e com as condições de processo, mas, em geral, não deve ser superior a 0,2 % em peso. As resinas de nylon da DuPont são fornecidas secas e prontas para serem moldadas diretamente a partir das embalagens, desde que estas não estejam danificadas. 3.4 Secagem O teor de umidade máximo para moldagem é determinado pela formulação da resina e pelas exigên- cias de moldagem e deve, em geral, ser sempre inferior a 0,2%. Para certos casos, inferior a 0,1%. Todos os nylons são higroscópicos e absorvem umi- dade da atmosfera. Assim sendo, se o nylon virgem for mantido em uma embalagem aberta por qualquer perío- do de tempo significativo, ou se material moído for uti- lizado, é necessário realizar a secagem. O tempo necessário para a secagem do nylon depende de: * Teor de umidade do ar de secagem Quanto menor o teor de umidade do ar, menor o tempo de secagem. * Temperatura de secagem Quanto maior a temperatura, menor o tempo de secagem. Entretanto, temperaturas do ar acima de 90°C, por mais de três horas, podem causar uma descoloração inaceitável do nylon. Deve-se conciliar as exigências entre o tempo de secagem e a temperatura. A temperatura máxima recomen- dada para a secagem do nylon DuPont é de 80°C. * Proporção superfície-volume do nylon O tamanho das partículas é determinado pelas especificações de fabricação e pelo tamanho das peneiras de moagem. 12 Teor de umidade dos nylons reforçados com carga mineral (%) 50 55 65 0 VR s da s re si na s 60 0,350,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Peças incompletas Rebarbas EstriasBom Fig. 13 Efeito da VR e do teor de umidade na aparência superficial das peças O teor de umidade do nylon exposto à atmosfera pode ser estimado a partir da Fig. 14. A DuPont recomenda desumidificadores com alimentação automática para as resinas de nylon. A estimativa aproximada do tempo necessário para secar a resina encontra-se indicada na Fig. 15. Os tempos para materiais reforçados com fibras de vidro, carga mineral ou grades tenazes podem ser maiores. 3.5 Coloração Corantes e pigmentos em pó ou líquidos e masterbatches (concentrados de cor) podem ser utilizados com as resinas de nylon Zytel® com sucesso. Entretanto, tais sistemas podem causar variações de propriedades e/ou desempenho. Ao se utilizar corantes ou pigmentos em pó ou líquidos, deve-se dar atenção especial aos seguintes aspectos: * Os pigmentos ou corantes utilizados devem ser quimicamente compatíveis com as resinas de nylon e devem ter boa estabilidade térmica acima da temperatura de processo da resina. * Os pigmentos normalmente afetam a cristalização e, consequentemente, a contração das resinas. Além disto, o veículo de corantes líquidos afeta a injeção. * O veículo pode ser considerado como um lubrificante externo que pode, teoricamente, causar escorregamentos da rosca levando a problemas de dosagem. * O ponto chave na moldagem com sistemas de coloração é assegurar que haja uma dispersão e mistura homogênea do pigmento na matriz do polímero. Ao utilizar uma técnica de coloração, os seguintes pontos devem ser cuidadosamente observados: * Utilização de uma proporção razoável entre o polímero e corante. * Utilização de roscas com cabeça para mistura ou de alta compressão. * Utilização de curso de dosagem menor que 30% da capacidade máxima da máquina. Observação importante A DuPont não pode oferecer qualquer garantia pelo desempenho e propriedades das peças moldadas quando as resinas de nylon fabricadas pela DuPont forem misturadas com outros produtos como corantes ou pigmentos. 13 Tempo de exposição (h) ao ar úmido a 23°C 0,2 0,4 0,8 1,0 1,2 0 Pe rc en tu al e m p es o de u m id ad e ab so rv id a pe lo Z 6 6 vi rg em YT EL 0,6 2 4 6 8 10 12 100% UR 75% UR 50% UR Fig. 14 Absorção de umidade do virgem ZYTEL® (grânulos) ® Tempo (h) 0,1 0,2 0,4 0,6 2 0 Pe rc en tu al d e um id ad e 0,3 7010 20 30 40 50 60 0,5 0,7 0,8 0,9 1,0 3 4 5 6 7 8 9 10 Ponto de orvalho –19°C Fig. 15 Dados de secagem para as resinas de e virgens (desumidificador a 80°C) MINLON® ZYTEL® 3.6 Controle da Qualidade A qualidade de uma peça moldada com nylon está diretamente relacionada com a qualidade da resina uti- lizada e dos procedimentos de moldagem empregados. Se as condições de moldagem, projeto do molde e a qualidade da resina forem aceitáveis, a qualidade da peça será satisfatória. Se a resina ou os procedimentos de moldagem forem deficientes, a qualidade da peça pode ser inaceitável. Normalmente os problemas de qualidade da peça podem ser classificados em três áreas gerais: tenaci- dade, aparência e dimensões. Veja o capítulo 8 para maiores informações sobre dimensões. 3.6.1 Especificações da Resina Todos os grades de Zytel® são monitorados e cuidadosamente controlados quanto à uniformidade da qualidade. Esta qualidade é preservada se as embalagens permanecerem intactas durante o transporte e armazenamento. Se a embalagem ou a vedação for danificada, a resina absorve umidade que, por sua vez, afeta sua qualidade. Todos os aditivos tais como estabilizantes térmicos e contra UV, lubrificantes e corantes são controlados para permitir uma uniformidade de desempenho tanto na moldagem como na utilização final. Teor de Umidade As resinas de nylon Zytel® são fornecidas em embalagens à prova de umidade, de modo que a secagem normalmente não é necessária. Entretanto, as resinas de nylon são higroscópicas e absorvem umidade quando expostas à atmosfera. Caso tenha ocorrido absorção excessiva, a resina deve ser seca a 80°C, até que o teor de umidade seja inferior a 0,2%. A umidade excessiva não afeta apenas as propriedades de fluxo da resina mas também reduz a tenacidade assim como outros problemas (Veja a Seção 3.3). Viscosidade relativa A viscosidade relativa (viscosidade relativa, número de viscosidade ou viscosidade intrínseca) de uma resina é uma medição do peso molecular que, por sua vez, define a tenacidade e o processamento. As resinas de nylon Zytel® são fabricadas com um peso molecular que oferece um bom balanço de fluidez e tenacidade. Uma vez que umidade e calor excessivos podem causar uma perda de peso molecular e, consequentemente, uma perda de tenacidade, deve-se dedicar atenção especial para proteger esta propriedade. A viscosidade relativa pode ser medida em resinas que são solúveis em solventes comuns de nylon. Para resinas que foram modificadas com aditivos insolúveis (fibras de vidro, carga mineral, modificadores de impacto, etc.), outros meios, tais como a viscosidade de fundido, devem ser empregados para avaliar o peso molecular. 3.6.2 Especificações das Peças Moldadas Na moldagem por injeção certas inspeções visuais e ensaios de laboratório podem ser utilizados para determinar a qualidade da peça. Estes aspectos são abordados abaixo. Aparência O operador da máquina pode detectar rebarbas, marcas de queima, contaminações, bolhas, etc., mediante a inspeção visual das peças ou de seções de peças moldadas. Normalmente estes problemas podem ser corrigidos alterando as condições de moldagem ou realizando a manutenção do molde. Em alguns casos, o exame microscópico(10 a 100X de aumento) pode ser utilizado para inspecionar pequenos, porém importantes, detalhes de moldagem (vazios, cristalinidade e contaminação). Alguns dos problemas mais comuns que afetam a aparência e tenacidade das peças moldadas de nylon são: * Cor - O controle deve ser feito com relação ao tom real e a uniformidade da cor através da peça. As peças descoloradas não devem ser reaproveitadas. * Estrias - Apesar de grandes quantidades de estrias serem facilmente observadas, peças com pequenas quantidades podem passar despercebidas até que sejam submetidas a um exame visual mais detalhado. Esta observação mais detalhada permite antecipar eventuais problemas futuros. Normalmente as estrias são causadas pela umidade ou calor excessivos. * Rebarbas - O exame visual é o método mais simples de verificar a existência de rebarbas. * Marcas de queima - Estas marcas podem ser detectadas durante a produção. Elas ocorrem devido a saídas de gases inadequadas no molde. * Peças incompletas - Grandes falhas podem ser facilmente percebidas visualmente. Porém pequenas depressões podem-ser causadas por preenchimento incompleto. * Linhas de emenda - A presença de linhas de emenda visíveis constituem um problema estético e podem, ainda, resultar em redução de resistência da peça. * Contaminação - A contaminação superficial pode ser freqüentemente detectada visualmente. 14 A presença de contaminantes no interior da peça pode ser normalmente detectada através de observação com o auxílio de uma iluminação potente. Pequenas quantidades de contaminantes podem ser examinadas com o auxílio de um microscópio. * Acabamento - A precisão de reprodução da superfície do molde, assim como a existência de riscos indesejáveis, podem ser detectados pela inspeção visual. * Partículas não Fundidas - Estas partículas podem ser facilmente visualizadas através da inspeção visual minuciosa da peça. Elas aparecem como partículas discretas com tons diferentes. * Bolhas - Em pequenas espessuras, as bolhas podem ser detectadas observando a peça moldada através de um feixe de luz potente. O exame microscópico de seções transversais das peças pode ser utilizado para detectar pequenos poros. Tenacidade A tenacidade das peças moldadas com nylon Zytel® pode ser estimada através de ensaios de viscosidade relativa, testes de impacto passa-não-passa e simulações das condições de uso. Em qualquer um destes testes, o teor de umidade deve ser especificado, uma vez que a tenacidade das peças de nylon é influenciada pela umidade. Viscosidade relativa (VR) O nível potencial da tenacidade do nylon é proporcional ao seu peso molecular. A viscosidade relativa, que é uma medida indireta do peso molecular, pode ser determinada conforme descrito pelo método ASTM D789. A determinação de uma VR mínima, entretanto, não é suficiente para assegurar a tenacidade de uma determinada peça. A degradação molecular não uniforme por toda a peça, tensões internas e contaminação reduzem a tenacidade, mas não são necessariamente detectados através da medição da viscosidade relativa. Uma vez que este tipo de teste implica em dissolver amostras em ácido fórmico, sua utilização limita-se aos nylons não modificados, tais como o Zytel® E101 L e E 103 HSL. Testes de Impacto passa-não-passa Os resultados destes testes são difíceis de quantificar. Na maioria dos casos, uma grande quantidade de testes individuais devem ser executados antes de definir os critérios de aceitação. A altura ou peso correspondente é uma medida da tenacidade. Tanto o teste de impacto Izod, o impacto de dardo ou testes de impactos instrumentados se enquadram nesta categoria. Em alguns casos os parâmetros reais de teste são especificados (veja a ISO 180/1U e 1A para impacto Izod) e em outros as condições são escolhidas arbitrariamente. No estabelecimento de uma programação de teste, diversos fatores devem ser especificados e controlados. * Orientação e Geometria da Amostra - O dardo de impacto deve aplicar a mesma carga na mesma direção e localização constantemente. * Temperatura da Amostra - Deve ser constante e con- trolada. Tal requisito é especialmente importante em temperaturas de teste diferentes da temperatura ambiente. Qualquer variação anormal de temperatura pode influenciar o resultado. Os testes de impacto sob baixas temperaturas são especificamente difíceis de controlar. * Teor de Umidade da Amostra - O teor de umidade em cada peça influencia seu desempenho significati- vamente em um teste de impacto. O teor de umidade deve ser mantido constante para cada amostra e preferivelmente deve ser medido. Simulações das Condições de Uso Estes testes devem refletir a aplicação final da peça. Deve-se tomar um cuidado especial de modo a assegurar que sejam empregadas as condições mais importantes. Estas condições devem simular e não exceder os níveis de tensão estipulados em projeto. Caso contrário, peças boas podem ser rejeitadas. 15 4. A máquina de injeção 4.1 Requisitos da máquina As máquinas de injeção são normalmente caracteri- zadas por três fatores básicos: força de fechamento, capacidade de injeção e capacidade de plastificação. * Força de Fechamento. As máquinas para processa- mento das resinas de nylon DuPont devem oferecer uma força de fechamento suficiente para suportar uma pressão na cavidade de cerca de 0,7 ton/cm2 de área projetada. * Capacidade de Injeção. A capacidade de injeção é igual ao peso máximo de resina fundida injetada pela rosca. A densidade das resinas de nylon Zytel® sem reforço no estado fundido é aproximadamente igual à densidade do poliestireno fundido (o padrão utilizado para a especificação das máquinas de injeção) sob temperaturas e pressões normais de processamento. Portanto, o peso máximo de injeção para os nylons não reforçados Zytel® será aproximadamente igual àquele especificado para poliestireno. A capacidade de injeção deve ser dimensionada de forma que o tempo de residência não seja muito curto ou excessivamente longo - idealmente, para a maioria dos grades, entre 3 e 10 min. * Velocidade de Fusão ou Plastificação. A veloci- dade de fusão ou plastificação é a velocidade máxima em que uma máquina injetora pode fundir o polímero uniformemente sob um determinado conjunto de condições: velocidade da rosca, tempo total do ciclo e temperaturas do cilindro (perfil). Muito freqüentemente este valor pode ser mal interpretado, uma vez que a velocidade de plastificação normalmente baseia-se na máquina de injeção operando como uma máquina de extrusão. Em uma máquina de injeção, ao contrário de uma extrusora, o polímero é fundido de forma intermitente e, assim sendo, sua velocidade efetiva de plastificação ou fusão é consideravelmente inferior àquela normalmente definida. A velocidade de plastificação efetiva é determinada pelos seguintes fatores: 1. Ciclo total 2. Peso de injeção 3. Capacidade de plastificação 4. Design da rosca 5. Presença ou não de “zonas mortas” (pontos de retenção) 6. Velocidade de rotação da rosca 7. Potência das resistências 8. Tipo de resina - estrutura (amorfa, cristalina), densi- dade, ponto de fusão, ponto de amolecimento, etc. 9. Forma dos grânulos 10. Percentual de material moído. Uma vez que o nylon sofre uma alteração física de estado e volume (diagrama de PVT, Fig. 1) durante o processo de plastificação, deve-se dar uma atenção especial à seleção do equipamento e às condições de processamento. O esforço dedicado à seleção da máquina pode ser em vão se o problema de pontos de retenção não for meticulosamente considerado. A unidade de injeção deve ser capaz de injetar o nylon sob pressões de até 140 MPa. O controle preciso e a repetibilidade da pressão de injeção são essenciais para a manutenção das tolerâncias das dimensões das peças e de outras características da qualidade. 4.2 Design da máquina Nesta seção são resumidas diversas regras básicas para a escolha correta da máquina injetora. O item “Desgaste” fornece diretrizesimportantes quando da moldagem de resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro ou cargas minerais. 16 4.2.1 A base do funil Muito freqüentemente a temperatura da base do funil e o seu sistema de refrigeração são ignorados, considerados sem importância, ou apenas como um meio de se evitar problemas de dosagem. Na verdade, esta é a primeira área onde a resina entra em contato com a máquina e é neste ponto que as considerações sobre a qualidade tornam-se importantes. A base do funil deve ser projetada de modo a evitar qualquer ponto de retenção (veja a Fig. 16) onde a resina, pigmentos, lubrificantes ou outros aditivos podem permanecer retidos. Mesmo quando as temperaturas do funil estiverem baixas, a qualidade do material pode ser afetada ao passar por tais áreas. Por exemplo, os materiais ou compostos podem ser alimentados de forma descontínua causando variações na quantidade ou no tempo de dosagem. A refrigeração da base do funil apresenta-se muito freqüentemente mal localizada em uma área onde a eficiência de refrigeração é limitada (veja a Fig. 17). O resultado é que as temperaturas da base do funil podem alcançar valores elevados (acima de 100ºC). Por este motivo os grânulos na parte inferior do funil podem começar a amolecer antes de atingirem a rosca. Eles podem aderir à rosca, causando consequente- mente, problemas de uniformidade ciclo a ciclo, variações de tempo de dosagem e afetando diretamente a QUALIDADE DO MATERIAL FUNDIDO. Uma temperatura muita baixa da base do funil também pode fazer com que o teor de umidade contido na atmosfera se condense, resultando em problemas de moldagem, tais como hidrólise, formação de bolhas ou estrias. 4.2.2 Cilindro São necessários controles independentes para cada zona de aquecimento do cilindro (correspondente às zonas funcionais da rosca) inclusive para o bico. Um comprimento do cilindro de 20 diâmetros é necessário para uma temperatura uniforme a grandes vazões. Desgaste. Os revestimentos internos bimetálicos têm mostrado resistência excepcional ao desgaste quando utilizando fibras de vidro. Cilindros nitretados, por outro lado, não toleram a abrasão pelas resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro e freqüentemente apresentam desprendimentos (fragmentação da superfície) e desgaste excessivo do diâmetro após pouco tempo de utilização. 17 Diretrizes de unidade injetora com rosca de 20 L/D Diâmetro da rosca mm 30 50 70 Taxa de compressão 2,8 – 3 3 – 3,2 3 – 3,2 Profundidade da zona de plastificação mm 1,95 2,10 Velocidade de rotação da rosca rpm 250 150 110 Velocidade tangencial da rosca m/s 0,4 Contrapressão MPa * Curso ótimo x diâmetro da rosca 1 a 2 diâmetros da rosca Tempo de residência min capacidade máxima * 2 * tempo do ciclo (s) (estimativa aproximada) dosagem 60 Velocidade de dosagem g/s 20 – 25 Tempo de ciclo s TR + TD + abertura+ extração + fechamento Fig. 18 Sugestão de perfil de rosca para o não reforçado ZYTEL® TR: Tempo de recalque TD: Tempo de dosagem * Mínimo para uma dosagem uniforme. Tipicamente 5 a 10 MPa na frente do anel de bloqueio 15% 30% 55% 25% t T 30% 45% Rosca para polímeros cristalinos Rosca de uso geral (Principalmente para polímeros amorfos) t < T Fig. 19 Comparação de perfis de rosca 18 4.2.3 Perfil da rosca Um material fundido de qualidade somente pode ser obtido com a plastificação adequada da resina. A capacidade de plastificação de uma rosca depende de seu perfil, do comportamento térmico e reolólgico do polímero e dos parâmetros de processamento. Em uma unidade injetora, a energia necessária para alcançar a temperatura de processo de uma resina é fornecida pela condução de calor através do cilindro e pelo calor gerado pelo atrito entre a rosca e o polímero. O calor de condução é limitado pela condutividade térmica do polímero, que é baixa. O calor de atrito depende principalmente da viscosidade da resina e do cisalhamento (contrapressão e velocidade da rosca). As resinas amorfas sofrem uma alteração gradual na viscosidade com relação à temperatura e normalmente apresentam uma viscosidade mais alta na temperatura de processamento. Estas resinas exigem menor cisalhamento e roscas mais profundas (Fig. 19 - Parte Superior). Os polímeros cristalinos possuem uma queda brusca de viscosidade no ponto de fusão. Para gerar calor por cisalhamento suficiente, é preciso haver mais atrito e, portanto, uma zona de plastificação mais longa e mais rasa (Fig. 19. Parte Inferior). Por estes motivos, e para obter a melhor qualidade do fundido com o maior vazão, o perfil da rosca deve ser adequado. No entanto, as roscas de uso geral, fornecidas com a maioria das máquinas de injeção, são normalmente adequadas para a moldagem das resinas de nylon da DuPont sob baixas taxas de vazão*. Sob altas taxas de vazão, entretanto, uma rosca especificamente projetada para a moldagem das resinas de nylon Zytel® possibilita maior uniformidade da temperatura do fundido e inexistência de partículas não fundidas. O perfil recomendado para a rosca para altas vazões é apresentado na Fig. 18. * N.B. “Baixas Taxas de Vazão” significa não mais do que 2-3 D para o curso de dosagem. Desgaste. O desgaste abrasivo das roscas de injeção ocorre principalmente nos filetes. Com o passar do tempo o diâmetro do núcleo se desgasta nas zonas de compressão e de homogeneização (o desgaste na zona de alimentação ocorre normalmente devido à tempe- ratura muito baixa da zona traseira para altas vazões). Os filetes devem ter uma superfície dura constituída por ligas tais como “Stellite” para proporcionar uma melhor resistência ao desgaste do que o endurecimento por têmpera ou de roscas comumente nitretadas. Recomenda-se também o recobrimento da rosca por cromação. (É possível, ainda, aplicar recobrimentos resistentes à abrasão em toda a superfície da rosca para uma proteção máxima contra o desgaste). 4.2.4 Anel de bloqueio Os anéis de bloqueio (válvula anti-retorno) são necessários para a moldagem das resinas de nylon DuPont, para assegurar uma pressão constante na cavidade e uniformidade de peso de ciclo a ciclo. O anel de bloqueio (Fig. 20) deve ser cuidadosamente projetado com tolerâncias mínimas para evitar restrições de fluxo devendo, ainda, ser perfeitamente ajustado para evitar qualquer possível ponto de retenção. Deve ser especificado o uso de aço resistente ao desgaste. Desgaste. O anel de bloqueio é o item mais afetado pelo desgaste na unidade de injeção. Os anéis de bloqueio do tipo deslizante sofrem um desgaste rápido e significativo ao serem utilizados com resinas reforçadas com fibras de vidro, especialmente quando não adequadamente endurecidos. Mesmo quando endurecidos superficialmente, estes anéis sofrem desgaste e precisam de um controle rigoroso. Antes disso, devem ser substituídos os assentos desgastados uma vez que é importante manter um colchão (almofada) durante a injeção do polímero fundido. Bons resultados foram obtidos com aços com altos teores de cromo. 4.2.5 Bico Recomenda-se bicos aquecidos abertos (Fig. 21) para utilização na moldagem com todas as resinas de nylon DuPont. Devido à viscosidade mais alta dos nylons reforçados com fibras de vidro, o diâmetro de abertura do bico deve ser 25% maior do que a dos bicos utilizados para nylons não reforçados. O controle de temperatura e localização das resistências são muito importantes para evitar tanto a degradação do material quanto o esfriamento do mesmo. 4.2.6 Bicos valvulados A utilização de um bico valvulado invariavelmente leva ao acúmulo de contaminação. Como a válvula é montada contra as paredes do bico, há a formação de pontos de retenção. Se ocorrer decomposição do material nestes pontos, a pressão pode ser liberada pela parte traseira da rosca, provocando movimentos brus- cos de retração. 19 1 2 3 Fig. 20 Anel de bloqueio Fig. 22 Adaptador para bicos abertos 4.2.7 Eliminação dos Pontos de Retenção O objetivo do projeto demáquina injetora que inclui o aquecimento do cilindro e a seção através da qual o polímero fundido flui (anel de bloqueio, ponta da rosca, adaptador e bico), deve ser o de se obter um fluxo suave do material. Uma atenção especial deve ser dada à eliminação de todos os possíveis pontos de retenção, tais como: a) As superfícies de ajuste entre o adaptador e o cilindro e entre o adaptador e o bico. b) O anel de bloqueio, ou válvula anti-retorno, onde as superfícies não se unam em um ponto onde o ajuste possa assegurar a ausência de ressaltos, fendas e/ou pontos de retenção. A experiência tem mostrado que quando existem tais defeitos há problemas de contaminação e de pontos pretos. c) Bicos valvulados que se tornam fontes de contaminação, especialmente em nylons reforçados com fibras de vidro. A Fig. 22 ilustra um projeto ideal (montagem de um bico aberto, adaptador e anel de bloqueio). Esta ilustração mostra as superfícies de união localizadas em juntas cilíndricas e a utilização de um bico aberto. 4.3 Manutenção e precauções de segurança Uma vez que o equipamento correto esteja sendo utilizado conforme o recomendado, as resinas de nylon não necessitam que o operador execute qualquer outra verificação na máquina injetora. Atenção deve ser dada, entretanto, à verificação do desgaste do anel de bloqueio na moldagem de resinas contendo fibras de vidro. O cilindro deve ter uma cobertura protetora para impedir queimaduras ao pessoal. 20 21 5. Projeto do molde 5.1 Material do Molde Em geral, o desgaste na cavidade, bucha de injeção e canais de alimentação não é tão crítico quanto nos pontos de injeção. À medida em que o material fundido flui através dos canais de alimentação e nas cavidades, um fina película solidificada de resina se forma e reduz o desgaste. Em áreas onde ocorrem fluxos intensos e altas taxas de cisalhamento, pode ser gerado um desgaste localizado uma vez que a película solidificada pode romper (especi- ficamente no caso de resinas reforçadas). O aparecimento prematuro de rebarbas na cavidade pode levar a um intenso desgaste. É importante que para resinas reforçadas seja utilizado um molde robusto (para evitar qualquer possível flexão) e uma força de fechamento na máquina suficiente para evitar as rebarbas. As cavidades devem possuir saídas de ar suficientes para evitar corrosão proveniente de gases confinados em linhas de emenda (efeito Diesel). A área do ponto de injeção fica sujeita ao desgaste espe- cialmente quando são utilizados pontos de injeção finos, ou seja, capilares ou submarino, e devem ser verificadas periodicamente quanto à erosão que pode levar a pro- jeções indesejáveis e extração defeituosa do canal de ali- mentação. 5.2 Os sistemas de alimentação As diretrizes chave que devem ser observadas ao pro- jetar um sistema de alimentação incluem o seguinte: * Planejar um layout para transmitir pressão uniformemente a todas as cavidades. * Projetá-lo o suficientemente grande para um fluxo suave, queda mínima de pressão, cisalhamento mínimo (especialmente nos pontos de injeção para nylons reforçados) e suficiente para permitir a retenção da pressão durante todo o processo de cristalização (Fig. 23). * Manter o tamanho e comprimento mínimos, consistente com um tempo mínimo de ciclo. 5.2.1 Bucha de injeção As buchas de injeção devem ser as mais curtas possíveis e bem polidas, com suas conexões aos canais de alimen- tação através de superfícies suavemente arredondadas. A entrada na bucha de injeção deve ser de 1 a 3 mm maior em diâmetro do que a saída do bico da máquina. A bucha de injeção deve ser cônica formando um ângulo de 1º a 5º. As buchas de injeção devem ser suficientemente espessas para impedir a solidificação prematura do material fundido ou um fluxo deficiente. É importante projetar o extrator da bucha cuidadosamente para evi- tar o agarramento ao molde. Por este motivo, a região da bucha de injeção deve ser cuidadosamente limpa, deixando-a isenta de riscos ou cantos vivos. O extrator deve ser longo mas suficien- temente fino para estar solidificado no término do ciclo. 5.2.2 Canais de alimentação Sistemas de Canal de Alimentação Balanceados e Não Balanceados Em sistemas de canal de alimentação balanceados, a dis- tância de fluxo da bucha de injeção às diversas cavidades são iguais. Os sistemas de canal de alimentação balancea- dos possibilitam a melhor uniformidade de fluxo a partir da bucha de injeção até cada cavidade, o que possibilita tolerâncias rígidas da peça se os canais de alimentação e pontos de injeção forem adequadamente dimensionados. Os canais de alimentação e as conexões entre eles devem ser generosamente arredondados para um fluxo do polímero fundido suave e uniforme, e devem ser livres de restrições (Fig. 23). Recomenda-se, sempre que possível, que os canais de alimentação sejam circulares. Um canal circular pos- sui a menor área superficial por unidade de volume, desta forma, apresentando menor necessidade de pressão e perda de calor. O diâmetro mínimo de um canal de alimentação circular é normalmente por volta de 3 mm, ou aproxi- madamente 1,5 vezes a espessura da peça. O modo mais preciso para determinar a dimensão do canal de alimentação é calculando a queda de pressão prevista e dimensionar o canal de alimentação em conformidade com os cálculos obtidos. Na utilização de canais de alimentação trapezoidais, a inclinação dos lados deve ser 5° por lado, enquanto que a profundidade deve ser determinada pelo diâmetro de um círculo inscrito. D = T + 1mm d = 0,5-0,6 T D1>D d T 2°D1 D 0, 8 m m m ax . Fig. 23 Design de ponto de injeção capilar t ø a ø t + 0,5 ≈1 4° ≈10° 25 ± 5° a ≈ 0,5 ... 0,7 • t a min = 0,8 mm a max = 2,5 mm Fig. 24a Ponto de injeção em túnel ou submarino para nylon reforçado 25° 5° 10° a ≈ 0,5 ... 0,7 • t a min = 0,5 mm a max = 2,5 mm t t + 0,5 a Fig. 24b Ponto de injeção em túnel ou submarino para nylon não reforçado Diafragma Diafragma Direto Borda Retangular Filme Leque Capilares Anel Fig. 25 Diferentes tipos de pontos de injeção 5.2.3 Pontos de injeção Todos os tipos de pontos de injeção têm sido utilizados eficazmente com as resinas de nylon da DuPont. A localização, tamanho e quantidade de pontos de injeção são considerações importantes. A Fig. 24a e Fig. 24b mostram o design tipo túnel ou submarino. Outros tipos de pontos de injeção encontram-se ilustrados na Fig. 25. Estimativa das Dimensões do Ponto de Injeção Geralmente, a espessura do ponto de injeção deve ser de 45% a 75% da espessura da peça. Para pontos de injeção retangulares, a espessura do ponto deve ser 65% da espessura da peça, a largura do ponto deve ser uma a duas vezes a espessura do ponto de injeção e o comprimento do ponto de injeção não deve ser maior que 1 mm. Para pontos de injeção em túnel ou submarinos, o diâmetro mínimo recomendado é de 0,7 mm, porém, não deve jamais exceder 2,5 mm. O design de um ponto de injeção em túnel longo é crítico e o típico “design para material amorfo” deve ser evitado. Para nylons reforçados com fibras de vidro, os pontos de injeção em túnel ou agulha podem ser utilizados contanto que o diâmetro do ponto seja maior que 0,7 mm. Os pontos de injeção muito pequenos normalmente aumentam a contração e o empenamento, aumentando o risco de quebra das fibras de vidro (veja a Fig. 11). Os diâmetros do ponto de injeção capilares maiores que 2.0 mm devem ser evitados devido a suas resistências muito altas contra quebra durante a fase de extração. 22 0 40 140 120 Linha de emenda 20 60 80 100 Transversal Fluxo Nylon 66% não reforçado Nylon 66 reforçado c/ 13% de fibra de vidro R es is tê nc ia a tr aç ão (M Pa ) Ponto de injeção Corpo de prova T Inserto Corpo de prova W Corpo de prova F Linha de emenda Correlação entre a orientação do polímero, linha de emenda e resistência a tração Corpos de provas extraídos da placa Fig. 26 Efeito de localização do ponto de injeção e orientação de fluxo sobre as propriedadesmecânicas Saída de Gases Fim de Fluxo Canal de ventilação L 0,8 mm Lado da cavidade A > 2 mm 0,012 mm <Profundidade (p) < 0,018 mm Borda do molde Fig. 27 Geometrias de saídas de gases para resinas de nylon Nylon 66 reforçado c/ 30% de fibra de vidro ≥ Posição do ponto de injeção. Havendo grandes diferenças na espessura da peça, a melhor solução é posicionar o ponto de injeção na seção mais espessa de modo a simplificar o preenchimento e minimizar rechupes e porosidade. Para minimizar os defeitos superficiais e jateamento, o fluxo do ponto de injeção deve ir de encontro com a parede da cavidade. Entretanto, os pontos de injeção não devem ser posicionados de maneira que o fluxo do polímero fundido seja direcionado contra um elemento do molde não apoiado em ambas as metades do molde. A localização do ponto de injeção determina a posição das linhas de emenda e conseqüentemente das saídas de gases (veja a Seção 5.3 Saídas de gases). Para os nylons reforçados com fibras de vidro, a localização do ponto de injeção é extremamente crítica para minimizar a distorção da peça após a moldagem e controlar as propriedades finais, uma vez que as fibras tendem a se orientar na direção do fluxo do polímero fundido (veja a Fig. 26). 5.3 Saídas de gases Uma saída de gases inadequada do molde pode causar os seguintes problemas: * Resistência deficiente da linha de emenda * Descoloração (queima) do nylon * Erosão ou corrosão do molde * Variação dimensional da peça injetada * Peças incompletas Tanto as cavidades quanto os canais de alimentação devem possuir saídas de gases na linha de união do molde conforme o recomendado na Fig. 27. A área da saída de gases deve ser o suficientemente grande (A x p) para impedir uma elevação da pressão de gás na cavidade do molde. O comprimento da saída de gases não deve ser maior do que 1 mm. A área do canal de ventilação deve aumentar proporcionalmente à sua distância da borda da cavidade. Isto ajuda reduzir o “efeito Venturi” e, portanto, o depósito no molde. 23 5.4 Contrasaídas As seguintes sugestões destinam-se à extração de contrasaídas em resinas de nylon: * A contrasaída deve ser arredondada para facilitar o deslizamento da peça de plástico sobre o metal. * Se houver deformações evidentes da peça, os parâmetros de moldagem devem ser ajustados para minimizar o efeito. Freqüentemente, temperaturas de molde mais altas ou ciclos mais curtos podem ser úteis na desmoldagem de contrasaídas internas, enquanto que ciclos longos e contração mais elevada podem ajudar na desmoldagem de contrasaídas externas. Devido ao baixo alongamento dos nylons reforçados com fibras de vidro, rebaixos maiores que 3% devem ser evitados. O ângulo de saída de 1/4 a 1º em nervuras, laterais e canais deve ser o suficiente. 5.5 Circuito de refrigeração Devido à alta influência da temperatura do molde na qualidade da cristalização - e das propriedades mecânicas - com resinas cristalinas, o ajuste do circuito deve ser projetado cuidadosamente para possibilitar uma temperatura de parede homogênea. Os moldes operados sem qualquer refrigeração acabam por alcançar uma temperatura de equilíbrio à medida em que o calor adicionado ao molde pelo polímero fun- dido se iguala ao calor perdido pela radiação, condução e convecção. A temperatura do molde durante um ciclo de moldagem ótimo será um equilíbrio entre um molde quente para facilidade de preenchimento e qualidade superficial e um molde frio para uma rápida solidifi- cação e extração da peça. O ideal é que os canais de refrigeração do molde sejam localizados nas áreas que necessitam de maior transfe- rência de calor. Estes canais não devem permanecer a uma distância inferior a 1 diâmetro de canal das parede da cavidade. Para uma temperatura uniforme do molde, a diferença de temperatura entre o refrigerante (água, óleo etc.) de entrada e de saída deve ser a menor possível (5ºC no máximo). O fluxo do refrigerante através dos canais deve ser suficientemente alto para que pequenas flutua- ções de fluxo não alterem a temperatura do molde. Para moldagens de altas tolerâncias, as cavidades devem ser refrigeradas em uma disposição em paralelo capaz de fazer com que as temperaturas das cavidades sejam mais uniformes que em uma configuração em série. Ao dimensionar o canal, o projetista do molde deve atender a dois objetivos opostos: * O canal deve ser o suficientemente grande para assegurar que o fluxo seja adequado para a remoção necessária de calor. * O canal deve ser o suficientemente pequeno para assegurar um fluxo turbulento, uma vez que o coeficiente de transferência de calor é bem melhor sob condições de fluxo turbulento. 5.6 Moldes de Câmara Quente Existe uma grande quantidade de sistemas de câmaras quentes disponíveis no mercado. Os fornecedores oferecem uma grande variedade de designs. Isto permite uma seleção do sistema correto em função da aplicação e da matéria prima. Os parâmetros de processamento e comportamento em termos de solidificação são muito diferentes entre os materiais amorfos e semicristalinos. Uma atenção espe- cial deve ser dedicada a este ponto. É necessária uma seleção cuidadosa do sistema de câmara quente, especi- ficamente quanto a grades auto-extinguíveis. As principais diretrizes com relação aos requisitos de seleção e projeto de câmaras quentes para o Zytel®/Minlon® são fornecidas neste capítulo. Isolamento térmico Devido à limitada flexibilidade de processamento em termos de temperatura do nylon, é necessário que haja um isolamento térmico muito bem projetado entre a câmara quente e o molde. Isto possibilita evitar grandes diferenças de temperatura dentro do sistema. Veja exemplos nas Fig. 28 e 29 mostrados para o nylon 66. Câmara quente Para um tratamento adequado do polímero fundido, é essencial que haja uma distribuição de temperaturas uniforme. Os seguintes princípios devem ser considerados para a câmara quente: * Baixa queda de pressão Recomenda-se apenas câmaras quentes com todo o diâmetro livre para o fluxo (Fig. 30). Os sistemas aquecidos internamente com um fluxo em anel não são recomendados. * Recomenda-se um curso de fluxo que não contenha canais sem saída (Fig. 31). * Recomenda-se disposições de bicos de injeção naturalmente balanceadas (Fig. 32). Isto assegura uma queda de pressão uniforme e a mesma duração de contato sob pressão a cada ponto de injeção. 24 Bicos Os pontos principais para se obter bons resultados são baixa queda de press ão e uma distribuiç ão de temperatura muito bem projetada com um controle por termopar na rea do ponto de injeção. A melhor solução: Devem ser utilizados, sempre que possível, bicos abertos aquecidos externamente com um canal de fluxo livre (Fig. 33). Estes podem ser utilizados para aplica es com sub canais frios (fig.34) Temperatura máxima do bico 310°C Temperatura do bico de injeção 265°C mínimo Temperatura superficial do molde 80°C Temperatura do material fundido na câmara quente 290°–310°C Fig. 28 Temperatura na área da câmara quente para PA 6.6 Adequado Ineficiente ( fluxo em anel apenas ) Aquecedor Fig. 30 Seção transversal para o fluxo e aquecimento da câmara quente Ineficiente Adequada Fig. 32 Disposição de bicos para um molde de cavidades multiplas Aquecedor bem distribuído ( preferivelmente embutido ) Alterável controle de temperatura Fig. 33 Sistema para bicos recomendados Melhor Desejável Ineficiente Fig. 31 Projeto do curso de fluxo 34 0 30 0 26 0 ∆ T 34 0 38 0 30 0 26 0 ∆ T Co m pr im en to d o bi co Adequada Bom isolamento térmico =perfil de temperatura estável Temp (°C)Temp (°C) Deficiente Grande área de contato = diferença muito grande de temperatura Fig. 29 Efeitos de isolamento térmico no perfil de temperatura no bico Co m pr im en to d o bi co 25 Fig. 34 Subcanal frio com bico aquecido externamente Necessidade de um grande afastamento Utilização restrita Deficiente Não! Montagem direta do torpedo Utilizar uma bucha para isolamento
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