Fundamentos de Reologia, Viscoelasticidade e Extrusão de Polímeros

Escoamento e Relaxação em Polímeros

• Escoamento Elástico: Desenovelação e enovelação espontânea das macromoléculas.
• Escoamento Plástico: Desenovelação forçada na ausência de volumes livres.

Tipos de Relaxação

• Relaxação por Escoamento: As macromoléculas deslizam umas sobre as outras, caracterizando a deformação plástica.
• Relaxação Conformacional: As macromoléculas mudam da conformação enovelada para a esticada. Ao remover a tensão, em condições ideais, as cadeias enovelam novamente.

Deformação Molecular

• Deformação Elástica Linear: A nível molecular, o que ocorre é a alteração infinitesimal dos ângulos das ligações C-C.
• Deformação Elástica Não Linear: A nível molecular, ocorre o movimento de rotação das ligações C-C em seu próprio eixo, devido ao desenovelamento das cadeias. Isso gera atrito interno, responsável pela absorção de energia durante esta deformação, caracterizando a histerese.

Reologia de Polímeros

Reologia: É a ciência que estuda o fluxo, ou seja, a capacidade do polímero fundido de fluir. É o estudo da viscosidade do polímero.

Fatores que Influenciam a Viscosidade

• Temperatura: A influência da temperatura é inversamente proporcional à viscosidade. Isso ocorre porque, quanto maior a temperatura, maior a fração de volumes livres no polímero, facilitando o movimento de desenovelamento das cadeias.
• Influência da Polidispersão: Para polímeros com massas molares idênticas, quanto maior o índice de polidispersão (distribuição de massa molar, tamanhos diferentes), a redução da viscosidade em função da taxa de cisalhamento começa mais cedo (menor taxa de cisalhamento crítica), adquirindo o comportamento pseudoplástico antes. Isso ocorre porque as moléculas menores atuam como lubrificante durante o processo de fabricação (no qual se aplica a taxa de cisalhamento).
• Massa Molar Crítica: Afeta o polímero de duas maneiras diferentes:
  1. Quanto maior a massa molar do polímero (quimicamente idênticos), maior será sua viscosidade newtoniana quando a taxa de cisalhamento tende a zero.
  2. Acima de uma massa molar crítica, o polímero varia menos seu escoamento, ou seja, a linha do gráfico da parte não newtoniana será menos inclinada em relação à reta do comportamento newtoniano.
• Taxa de Cisalhamento: A partir de uma taxa de cisalhamento crítica, há uma redução do grau de entrelaçamento entre as macromoléculas do polímero fundido. Neste ponto, o polímero deixa de possuir o comportamento newtoniano, e sua viscosidade passa a depender da taxa de cisalhamento aplicada.

Conceitos de Extrusão de Termoplásticos

• Balanço de Massa: Durante o processo de extrusão, a densidade do polímero aumenta ao longo da rosca (de sólido + ar para fundido), e a capacidade volumétrica do canal diminui. Isso garante que a massa transportada seja mantida constante.
• Atrito (Fs e Fd): O melhor coeficiente de atrito estático (Fs) é baixo, pois atingirá a maior vazão relativa. O melhor coeficiente de atrito dinâmico (Fd) é intermediário, pois atingirá a mesma vazão relativa que valores mais altos e não aumentará demais a pressão interna. Quando Fs = Fd, temos uma vazão instável, onde não há atrito suficiente para o bombeamento do polímero.
• Rosca Elastomerica: Tem o comprimento reduzido. Uma das razões é que a alta viscosidade da borracha, comparada com a maioria dos termoplásticos, causa um aumento substancial do calor gerado no cisalhamento. O comprimento reduzido mantém este aumento de temperatura dentro dos limites do composto. Outro motivo é que as borrachas são extrusadas a temperaturas menores, reduzindo o tempo (energia) necessário dentro da extrusora.

Modelos Viscoelásticos e Deformação

• O melhor modelo para aumento da rigidez relativa é o Modelo de Kelvin-Voigt (VK), pois o pistão atrasa a deformação da mola que está acoplada paralelamente a ele.
• O Modelo de Maxwell é o que melhor representa a borracha vulcanizada, pois é o único modelo viscoelástico que apresenta apenas deformação irreversível.
• Comparação Maxwell vs. Corpo Plástico (CP):
  • No Modelo de Maxwell, armazena-se uma quantidade de energia na mola, e depois essa energia é utilizada para deslocar o êmbolo.
  • No Corpo Plástico (CP), a energia armazenada provoca instantaneamente o escoamento, produzindo deformação/compressão constante.
• Anel de Vedação: À medida que o tempo passa, a tensão reativa do anel começa a diminuir, até chegar ao ponto em que a pressão do fluido é maior, havendo assim escoamento do segmento de rede e deformação irreversível.