Guia de Processamento de Polímeros e Plásticos

Partes de uma Extrusora

As principais partes de uma extrusora são:

• Motor elétrico: Responsável pelo acionamento da rosca.
• Conjunto de engrenagens redutoras: Responsável pela capacidade de transferência de energia (torque) do motor para a rosca.
• Conjunto cilindro e rosca.
• Matriz.
• Carcaça.
• Painel de comando.
• Resistências de aquecimento.
• Ventiladores de resfriamento.
• Bomba de vácuo (em alguns casos).

Sistema de Aquecimento da Extrusora

O sistema usado convencionalmente é o de aquecimento elétrico por resistências. O controle de temperatura é o principal fator que governa a qualidade do produto final. O aquecimento do polímero é fornecido de duas formas:

• Externo: Através de resistências elétricas, vapor ou óleo térmico.
• Interno (Cisalhamento): Devido ao atrito entre a resina, a rosca e o cilindro.

Processo de Extrusão Detalhado

A extrusora consiste fundamentalmente de um parafuso (rosca) que roda dentro de um cilindro aquecido. Os grânulos de material (pellets) são alimentados através de um funil e transportados ao longo do cilindro pela rotação da rosca. Conforme os grânulos se movem, são aquecidos e fundidos pelo contato com as paredes aquecidas do cilindro e pela geração de calor de atrito (cisalhamento) da massa viscosa. A ação final da rosca é forçar o polímero fundido através de uma matriz, que confere a forma final ao produto.

Vantagem da Extrusora Dupla Rosca

A extrusora de dupla rosca possui maior eficiência no transporte de massa em comparação à de rosca simples. Isso resulta em menor variação da vazão de composto na matriz, com efeitos benéficos na precisão dimensional do produto final.

Processo de Coextrusão

É a extrusão simultânea de dois ou mais materiais termoplásticos através de uma única matriz para produzir estruturas multicamadas (como filmes laminados) com características diferenciadas, combinando propriedades de diferentes polímeros.

Aplicação: Fio Recoberto

O composto granulado é alimentado em extrusoras (geralmente de rosca simples) que alimentam uma matriz especialmente desenhada (cabeçote cruzado) para receber o fio ou cabo a ser recoberto em seu interior. O fio passa por um pré-aquecedor antes de entrar no cabeçote cruzado para remover traços de umidade ou lubrificantes, que poderiam afetar a adesão da massa fundida. O polímero fundido, forçado através do cabeçote, envolve o fio condutor até a matriz, onde o revestimento é completado. Ao sair da matriz, o fio recoberto é resfriado, tipicamente em um banho de água fria.

Aplicação: Grânulos Termoplásticos (Granulação)

É um dos usos mais simples de extrusoras, servindo para converter formulações de polímeros e aditivos em grânulos (pellets) de formato padronizado. Na extrusora, o material é fundido, homogeneizado e forçado através de uma matriz com múltiplos orifícios capilares, de onde emerge como fios contínuos (spaghetti). Estes fios são resfriados em um banho de água e, em seguida, cortados por um granulador em pequenos pedaços. Os grânulos geralmente têm cerca de três milímetros de diâmetro e quatro de comprimento e são empacotados em sacos.

Aplicação: Filme Tubular (Processo Balão)

Uma extrusora, normalmente monorrosca, alimenta uma matriz anular (circular), cujo anel de saída tem uma abertura bastante delgada. O tubo fino assim extrudado (parison) sofre então expansão por meio de ar insuflado e confinado em seu interior, formando uma bolha. Isso causa a redução de sua espessura e o aumento de sua largura (diâmetro). O resfriamento do filme se dá por meio de anéis de ar que sopram ar frio sobre a superfície externa da bolha. A película então é achatada por rolos pressores e tracionadores e embobinada sob tensão constante.

Aplicação: Tubos Rígidos

A produção de tubos rígidos (ex: PVC para construção civil) normalmente é feita utilizando extrusoras de dupla rosca, a partir do composto na forma de pó (dry blend) ou grânulos. O processo inicia-se na extrusora, responsável pela plastificação e homogeneização do composto. Uma vez fundido, o composto alimenta a matriz, responsável pela conformação do material na forma tubular. Após a matriz, o tubo passa por calibradores e tanques de resfriamento para fixar suas dimensões finais.

Fibras Longas vs. Fibras Cortadas

A principal diferença reside no processo de fabricação e na natureza da fibra resultante. Processos como pultrusão ou enrolamento filamentar tipicamente usam fibras longas ou contínuas. Processos de fiação (melt spinning, wet spinning, dry spinning) produzem filamentos que podem ser usados continuamente ou cortados em fibras curtas (staple fibers).

Processos Spunbonded vs. Thermobonded

Ambos são processos para fabricação de não tecidos (nonwovens):

• No processo Spunbonded, polímero fundido é extrudado formando filamentos contínuos que são depositados aleatoriamente sobre uma esteira e subsequentemente consolidados (termicamente, mecanicamente ou quimicamente).
• No processo Thermobonded, fibras curtas (staple fibers), recebidas em fardos, são abertas, cardadas para formar uma manta, e então consolidadas por calor e pressão (usando calandras aquecidas).

O não tecido spunbonded geralmente possui maior estabilidade dimensional que o thermobonded por ser constituído por filamentos contínuos, permitindo uma distribuição mais uniforme dos esforços de tensão.

Processo de Injeção

Processo no qual se utilizam equipamentos denominados injetoras. O material termoplástico (em grânulos) é aquecido até fundir e transportado dentro de um cilindro aquecido por uma rosca plastificadora. Em seguida, a rosca atua como um pistão, injetando sob alta pressão o polímero fundido na cavidade de um molde fechado. Após o resfriamento e solidificação do material, o molde é aberto e a peça pronta é extraída.

Ciclo Completo de Injeção

As etapas típicas do ciclo de injeção são:

1. Fechamento do Molde: As duas metades do molde são fechadas e travadas pela unidade de fechamento da injetora.
2. Injeção: A rosca avança, injetando o material fundido na cavidade do molde.
3. Recalque (Permanência do Pistão): Mantém-se a pressão por um tempo para compensar a contração do material durante o início do resfriamento.
4. Dosagem (Retorno do Pistão e Alimentação): A rosca gira e recua, plastificando material para o próximo ciclo e acumulando-o à sua frente.
5. Resfriamento: O molde permanece fechado enquanto a peça resfria e solidifica o suficiente para ser extraída.
6. Abertura do Molde: A unidade de fechamento abre o molde.
7. Extração: Pinos extratores ou outros mecanismos empurram a peça para fora da cavidade do molde.

Sopro com Núcleo Injetado (Etapas)

Também conhecido como Injection Blow Molding (IBM). As etapas são:

1. Injeção da Pré-forma: O polímero é injetado ao redor de um pino-macho (núcleo) dentro de um pré-molde, formando uma pré-forma com o gargalo já acabado.
2. Transferência: O pino com a pré-forma ainda quente é transferido para o molde de sopro.
3. Sopro: O molde de sopro se fecha ao redor da pré-forma. Ar comprimido é injetado através do pino-núcleo, inflando a pré-forma contra as paredes frias do molde de sopro.
4. Resfriamento e Extração: A peça resfria, o molde abre e o vasilhame final é extraído.

Sopro com Núcleo Extrudado (Etapas)

Também conhecido como Extrusion Blow Molding (EBM). As etapas são:

1. Extrusão do Parison: Uma extrusora convencional com uma matriz anular extruda um tubo oco de polímero fundido, chamado parison, verticalmente para baixo.
2. Fechamento do Molde: Quando o parison atinge o comprimento adequado, as duas metades de um molde oco se fecham ao redor dele, pinçando e selando sua extremidade inferior e cortando-o na parte superior.
3. Sopro: Ar comprimido é introduzido (geralmente por um pino ou agulha na parte superior) no interior do parison, inflando-o contra as paredes frias da cavidade do molde.
4. Resfriamento e Extração: Após o resfriamento, o molde abre e a peça oca é extraída.

Processo RIM e Etapas

RIM (Reaction Injection Molding) é um método empregado principalmente para processamento de poliuretanos (polímeros termofixos). Neste método, dois ou mais componentes líquidos reativos (por exemplo, poliol e isocianato) são misturados em alta pressão em um cabeçote misturador e injetados em baixa pressão em um molde fechado. A reação química (polimerização) ocorre dentro do molde, formando o plástico e a peça simultaneamente.

Etapas:

1. Medição e bombeamento dos componentes líquidos reativos.
2. Mistura em alta pressão no cabeçote.
3. Injeção em baixa pressão no molde.
4. Cura (polimerização) dentro do molde.
5. Abertura do molde e extração da peça.

Processo RRIM

RRIM (Reinforced Reaction Injection Molding) é uma variação do processo RIM. No RRIM, materiais de reforço (como fibras de vidro curtas, mica ou outros cargas) são adicionados a um ou ambos os componentes líquidos reativos antes da mistura e injeção. A combinação de resina reforçada é injetada na cavidade do molde, onde a resina reage e cura, formando uma peça de compósito.

Injeção Sanduíche e Aplicações

Este é um método de moldagem por injeção que permite co-injetar dois materiais diferentes, um formando o núcleo (interno) e outro a pele (externa) da peça. Permite diminuir custos ou combinar propriedades, usando um material mais nobre ou com acabamento específico na superfície externa e um material mais barato, reciclado ou com propriedades estruturais no núcleo.

Processo:

1. Injeção inicial do material da pele (não preenche totalmente a cavidade).
2. Injeção do material do núcleo, que flui por dentro da pele já depositada.
3. Injeção final de uma pequena quantidade do material da pele para selar o ponto de injeção.

A separação do fluxo das resinas é controlada por válvulas especiais no bico da injetora.

Aplicações: Peças para computadores, equipamentos eletrônicos, componentes automotivos (ex: painéis com toque macio), peças com núcleo de material reciclado.

Etapas da Rotomoldagem

A rotomoldagem (Rotational Molding) é um processo para fabricar peças plásticas ocas.

1. Carregamento: O material plástico em pó ou líquido, já com os aditivos necessários, é pesado e colocado dentro de um molde oco. O molde é então fechado hermeticamente.
2. Aquecimento e Rotação: O molde fechado é levado a uma câmara quente (forno) e começa a girar em torno de dois eixos perpendiculares (rotação biaxial). O calor externo faz o plástico aderir às paredes internas do molde e fundir gradualmente, formando uma camada uniforme devido à rotação constante.
3. Resfriamento e Rotação: Após a fusão completa e formação da camada, o molde é transferido para uma câmara de resfriamento (com ar forçado, névoa de água ou ambos), continuando a girar. A rotação garante que a peça mantenha sua forma e espessura uniforme durante a solidificação.
4. Desmoldagem (Descarregamento): Finalmente, o molde resfriado é aberto e a peça oca solidificada é removida manualmente ou mecanicamente.

Aplicações da Rotomoldagem

Emprega-se este processo extensivamente na fabricação de peças ocas de diversos tamanhos, como:

• Brinquedos (bolas, casinhas)
• Tanques de armazenamento (água, combustível, produtos químicos)
• Caixas d'água
• Mobiliário (poltronas, vasos)
• Caiaques e pequenas embarcações
• Mannequins
• Peças técnicas

Etapas da Termoformagem

A termoformagem molda chapas ou filmes plásticos pré-extrudados.

1. Alimentação e Fixação: A chapa ou filme é posicionado e preso em um quadro de fixação.
2. Aquecimento: A chapa é aquecida (geralmente por resistências de infravermelho) até atingir sua temperatura de amolecimento (estado termoplástico).
3. Moldagem: A chapa amolecida é forçada contra um molde frio, adquirindo sua forma. Isso pode ser feito por vácuo, pressão de ar ou mecanicamente (molde macho-fêmea).
4. Resfriamento: A chapa moldada é mantida em contato com o molde frio até solidificar o suficiente para manter a forma.
5. Extração e Acabamento: A peça moldada é removida do molde e o excesso de material (rebarbas) é cortado.

Aquecimento na Termoformagem

Existem três formas principais de aquecer a chapa ou filme:

• Condução: A lâmina é colocada em contato direto com uma fonte de calor, como uma placa quente (menos comum para chapas).
• Convecção: A lâmina é aquecida por ar quente circulante.
• Radiação: É o método mais comum. A principal fonte de calor é a radiação infravermelha emitida por aquecedores cerâmicos, resistências metálicas ou queimadores a gás, posicionados acima e/ou abaixo da chapa.

Métodos de Conformação (Termoformagem)

Os três métodos básicos são:

1. Formação a Vácuo (Vacuum Forming): A chapa aquecida é posicionada sobre a cavidade de um molde. O ar entre a chapa e o molde é evacuado (vácuo), fazendo com que a pressão atmosférica force a chapa contra as paredes do molde.
2. Formação por Pressão (Pressure Forming): Similar à formação a vácuo, mas além do vácuo abaixo da chapa, aplica-se pressão de ar na face superior da chapa, forçando-a com mais intensidade contra o molde. Permite detalhes mais finos e texturas.
3. Formação com Molde Macho-Fêmea (Matched Mold Forming): A chapa aquecida é prensada entre um molde macho e um molde fêmea correspondentes. Usado para peças com espessura mais controlada ou formas complexas.

Aplicações da Termoformagem

Aplicações comuns incluem:

• Embalagens (blisters, bandejas para alimentos, copos descartáveis) - geralmente de filmes finos.
• Peças de parede fina.
• Componentes internos de refrigeradores (portas, gavetas).
• Cascos de pequenas embarcações.
• Painéis automotivos internos.
• Sinalização e displays.
• Produção de protótipos.

Formulação de Elastômeros: Produtos e Funções

Uma formulação de elastômeros (borracha) contém diversos ingredientes, cada um com uma função específica:

• Elastômero Base (Borracha): O polímero principal que confere as propriedades elásticas. Exemplos: Borracha Natural (NR), Poli-isopreno (IR), Polibutadieno (BR), Copolímero Estireno-Butadieno (SBR), EPDM, Butílica (IIR), Polissulfeto (PSR), Nitrílica (NBR), Policloropreno (CR), Poliuretano (PU), Epicloridrina (ECO), Polietileno Clorossulfonado (CSM - Hypalon®), Poliacrilatos (ACM), Borracha Fluorada (FKM - Viton®).
• Agente de Vulcanização/Cura (Reticulação): Promove a ligação cruzada entre as cadeias poliméricas, transformando o material de plástico para elástico (ex: Enxofre para muitas borrachas, Peróxidos, Óxidos metálicos para CR e CSM).
• Aceleradores: Aumentam a velocidade da reação de vulcanização (ex: Tiazóis, Sulfenamidas).
• Ativadores: Auxiliam a ação dos aceleradores (ex: Óxido de Zinco, Ácido Esteárico).
• Cargas Reforçantes: Aumentam a resistência mecânica (ex: Negro de Fumo, Sílica).
• Cargas Diluentes: Reduzem o custo (ex: Carbonato de Cálcio, Caulim).
• Plastificantes/Óleos de Processamento: Facilitam a mistura e o processamento, ajustam a dureza (ex: Óleos naftênicos, parafínicos, aromáticos).
• Antioxidantes/Antiozonantes: Protegem contra degradação por calor, oxigênio e ozônio.
• Outros Aditivos: Pigmentos, auxiliares de processo, retardantes de chama, etc.

Borrachas para Altas Temperaturas

As borrachas mais indicadas para aplicações que exigem resistência a altas temperaturas incluem:

• Borrachas de Silicone (VMQ, PVMQ)
• Borracha Fluorada (FKM, Viton®)
• Poliacrilatos (ACM)
• Polietileno Clorossulfonado (CSM, Hypalon®)
• Fluorosilicone (FVMQ)

Borrachas Resistentes a Solventes

Para aplicações com alta resistência a óleos e solventes orgânicos, as mais indicadas são:

• Borracha Nitrílica (NBR)
• Policloropreno (CR, Neoprene®)
• Borracha Fluorada (FKM, Viton®)
• Polissulfeto (PSR)
• Epicloridrina (ECO)
• Poliacrilatos (ACM)
• Poliuretano (PU - dependendo do tipo e do solvente)
• Borracha Butílica (IIR) - boa resistência a alguns solventes polares.

Função do Agente de Reticulação

A reticulação polimérica (ou vulcanização, no caso das borrachas) é um processo químico onde cadeias poliméricas lineares ou ramificadas são interligadas por ligações covalentes (ligações cruzadas ou crosslinks). O agente de reticulação é a substância que promove a formação dessas ligações. Esse processo transforma um material termoplástico ou um elastômero não vulcanizado (pegajoso e com baixa resistência) em um material termofixo ou um elastômero vulcanizado (elástico, mais resistente e dimensionalmente estável). Com o aumento da densidade de reticulação, a estrutura se torna mais rígida e menos flexível.

Obtenção de Grânulos Reforçados (Fibra de Vidro)

Grânulos de termoplástico reforçado com fibra de vidro são obtidos pela mistura (composição) da resina termoplástica pura (em pó ou grânulos) com filamentos de vidro cortados (chopped strands) e outros aditivos (agentes de acoplamento, estabilizantes, etc.) em uma extrusora, geralmente uma extrusora de dupla rosca co-rotante para melhor dispersão e distribuição das fibras. O material fundido e homogeneizado é extrudado na forma de fios, resfriado e cortado em grânulos (pellets) para uso posterior em processos como moldagem por injeção.

Técnicas para Termoplásticos Reforçados (Fibra Vidro)

A principal técnica empregada para a obtenção de artefatos termoplásticos reforçados com fibra de vidro (usando os grânulos previamente preparados) é a Moldagem por Injeção. Outras técnicas podem incluir extrusão de perfis reforçados ou termoformagem de chapas reforçadas.

Técnicas para Termofixos Reforçados

Diversas técnicas são empregadas para obter artefatos de compósitos termofixos reforçados (geralmente com fibras de vidro, carbono ou aramida):

• Moldagem Manual (Hand Lay-up): Aplicação manual de resina e reforço em um molde aberto.
• Laminação a Pistola (Spray-up): Projeção simultânea de resina catalisada e fibra de vidro picada sobre um molde aberto.
• Prensagem a Quente/Frio (Compression Molding): Colocação de pré-impregnados (pre-pregs) ou composto de moldagem (SMC/BMC) em um molde aquecido e aplicação de pressão.
• Moldagem por Transferência de Resina (RTM - Resin Transfer Molding): Colocação do reforço seco no molde fechado e injeção da resina sob pressão.
• Infusão a Vácuo: Similar ao RTM, mas utiliza vácuo para puxar a resina através do reforço no molde fechado ou sob um filme de vácuo.
• Pultrusão: Processo contínuo para produção de perfis de seção constante, onde as fibras são puxadas através de um banho de resina e depois por uma matriz aquecida para cura.
• Enrolamento Filamentar (Filament Winding): Enrolamento de filamentos contínuos impregnados com resina sobre um mandril rotativo. Usado para peças cilíndricas ou de revolução (tubos, tanques).
• Centrifugação: Rotação de um molde cilíndrico contendo resina e reforço picado; a força centrífuga distribui o material e compacta o laminado.

Exemplos: Laminação e Moldagem a Vácuo

Laminação (Manual ou Hand Lay-up):

1. Aplicação de desmoldante e gelcoat (camada superficial de acabamento) no molde aberto.
2. Aplicação de uma camada de resina catalisada sobre o gelcoat curado.
3. Posicionamento da primeira camada de reforço (manta ou tecido de fibra de vidro) sobre a resina.
4. Impregnação do reforço com mais resina usando rolos ou pincéis para remover bolhas de ar.
5. Repetição das etapas 2-4 até atingir a espessura desejada.
6. Cura à temperatura ambiente ou em estufa.

Moldagem por Infusão a Vácuo:

1. Preparação do molde (desmoldante, gelcoat opcional).
2. Posicionamento do reforço seco (mantas, tecidos) na cavidade do molde.
3. Colocação de consumíveis (meio de distribuição de resina, filme desmoldante perfurado, manta de sangria).
4. Selagem do conjunto com um filme de vácuo (vacuum bag) e fita de vedação.
5. Aplicação de vácuo para compactar o reforço e verificar vazamentos.
6. Introdução da resina catalisada por uma porta de entrada; o vácuo puxa a resina através do reforço, impregnando-o.
7. Após a impregnação completa, fechamento da entrada de resina e manutenção do vácuo durante a cura.