Processos de Extrusão e Moldagem de Polímeros

Processo de Extrusão: Visão Geral

O processo de extrusão converte materiais poliméricos em objetos de forma contínua. O material é forçado através de um cilindro aquecido por roscas sem fim, promovendo cisalhamento, homogeneização e plastificação. Na saída, o material é comprimido contra uma matriz, dando forma ao produto, que pode ser calibrado, resfriado, cortado ou enrolado.

1.1 Tipos de Extrusoras

• Extrusoras de rosca simples: Simples em construção e operação.
• Extrusoras de rosca dupla: Podem ser paralelas ou cônicas. Apresentam vantagens como maior eficiência na gelificação, plastificação e homogeneização, maior eficiência no transporte de massa e maior produtividade.

Extrusora planetária: Possui uma rosca principal circundada por múltiplas roscas menores.

Zonas da Extrusora

• Zona de Compressão: Mistura a resina fundida e melhora a troca de calor.
• Zona de Homogeneização ou Dosagem: Homogeneíza o material que entra no molde.

O conjunto parafuso/cilindro é caracterizado pela relação COMPRIMENTO/DIÂMETRO. Cilindros podem ter saídas especiais para escape de gases.

Sistema de Aquecimento

O controle da temperatura é crucial. O aquecimento pode ser externo (resistência elétrica, vapor ou óleo) ou interno (atrito). A temperatura geralmente cresce da zona de alimentação à de homogeneização.

Sistema de Resfriamento

Utiliza ar ou água.

Sistema de Filtros

Telas-filtro são usadas para:

1. Oferecer resistência ao fluxo do material.
2. Filtrar partículas contaminantes.
3. Mudar o perfil de fluxo.

A velocidade do parafuso varia dependendo do tipo de extrusora.

Cabeçote Adaptador

Localizado ao final do cilindro, promove um fluxo uniforme do material à matriz.

1.3 Processos Baseados na Extrusão

• Processo Plano: Produtividade elevada, apto para co-extrusão.
• Processo Tubular: Exige altura, ideal para lâminas.

PROCESSO PLANO

• Filme com variação de espessura em torno de 3%.
• Faixa de espessura de trabalho entre 15 e 50 MICRA.
• Filme apresenta diferente espessura em torno de 10%.
• Faixa de espessura de trabalho entre 12 e 30 MICRA.

1.3.1 Produção de Filmes

Filmes podem ser obtidos por processo tubular (filme soprado) ou por matrizes planas. O filme soprado envolve extrusão, expansão, resfriamento, colapso e cilindros. Há facilidade de mudança na espessura.

Vantagens da técnica: podem ser produzidos filmes tubulares e planos.

Co-Extrusão

Utilizada para embalagens, superpondo camadas para evitar permeabilidade.

Extrusão de Filmes Planos

Dois métodos: processo direto e indireto. Também utilizado para CO-EXTRUSÃO.

Extrusão de Chapas

Utiliza matriz plana. Chapas finas podem ser refiladas e embobinadas.

Revestimento de Substratos

Reveste substratos como papel, sanduíches de papel/polímero/papel, tecido e polímero/polímero. A laminação a rolo quente e cinta permite laminação linear contínua.

Tubos

3.1 Extrusão de tubos rígidos: Utiliza extrusoras de rosca dupla, a partir de composto em forma de dry blend.

Extrusão de Mangueiras e Perfis Flexíveis

Diferente da produção de perfis rígidos. O composto é alimentado em extrusoras de rosca simples na forma granulada.

Monofilamentos

Filamentos tipo fio com diâmetro maior que 0,0035 in (0,0889 mm).

Fibras

Processo de obtenção de fibras por fusão: O polímero fundido é forçado por placas de furos capilares.

• SHORT SPIN: Coluna de resfriamento curta.
• PROCESSO LONG SPIN: Filamentos contínuos (CF) e texturizados (BCF).

Para obtenção de não tecidos há dois processos:

• SPUN BONDED FILAMENTOS CONTÍNUOS LIGADOS A QUENTE
• THERMO-BONDED FIBRAS CORTADAS LIGADAS À QUENTE

Moldagem por Sopro

Produz peças ocas por insuflação de ar em um tubo termoplástico amolecido (parison).

• Moldagem soprada intermitente: Usada na fabricação de garrafas.
• Processo contínuo: Extrusora estática plastifica e empurra o polímero fundido através do cabeçote para formar PREFORMA.

A moldagem por sopro por extrusão produz cerca de ¾ dos produtos moldados por sopro. Vantagens: alta velocidade de produção, versatilidade e baixas tensões residuais.

A moldagem por sopro por injeção permite controle do pescoço e espessura das paredes, mas é lenta e dispendiosa.

Injeção

Utiliza injetoras, onde o material é fundido e transportado por rosca ou pistão. O ciclo completo consiste em:

1. Fechamento do molde
2. Injeção da matéria-prima
3. Permanência do pistão
4. Retorno do pistão e alimentação
5. Resfriamento do molde
6. Abertura do molde
7. Extração das peças

Princípios básicos:

• Rápida produção de grande quantidade de peças.
• Boa exatidão de formas e dimensões.
• Facilidade de aproveitamento do material.

Injetora Tipo Rosca

Supre deficiências das máquinas tipo pistão.

Injeção Direta de Gás

Injeção do gás diretamente na cavidade do molde ou no canal de alimentação. Vantagens: o gás não contamina a atmosfera, perfil diminui tempo de resfriamento, evita-se rechupe, baixa tonelagem de fechamento.

Moldagem Sanduíche

Utiliza dois materiais, um interno e outro externamente.

Moldagem por Reação (RIM)

Líquidos reagentes são injetados juntos no molde, onde ocorre a polimerização. A pressão interna no molde é baixa.

Termoformagem

Aquecimento de uma chapa termoplástica. Limitação: variação na espessura da parede.

Materiais: Poliestireno, ABS, Policarbonato, Acrílico, Polipropileno, Polietileno, PVC.

Formação por pressão: Aplica pressão de ar sobre a folha forçando-a contra as paredes.

Moldagem Rotacional

O artefato é produzido em um molde fechado, que roda biaxialmente em uma câmara quente. Quatro etapas:

1. Carregamento da matéria prima.
2. Aquecimento e rotação (moldagem)
3. Resfriamento
4. Descarregamento

TIPOS DE MAQUINÁRIOS EMPREGADOS

1. Tipo padrão: Mais barato.

Dipping

O molde aquecido é introduzido no plastisol, após retirado, é introduzido em uma estufa para completar a gelificação. Também, pode ser aplicado por pistolagem de alta pressão.

Elastômero Sintético

A escolha do elastômero depende da especificação do artigo. O primeiro passo é a escolha da família do elastômero de acordo com as propriedades mais importantes e dentro da família, o tipo considerando as características de processamento.

Elastômero Natural (BORRACHA NATURAL) SANGRIA

A sangria é o processo de extração do látex da seringueira, através de incisão no córtex com faca apropriada, até atingir as primeiras camadas de vasos laticíferos, sem ferir o câmbio.

Os processos empregados são: evaporação, cremagem, centrifugação, eletrodecantação.

PLASTIFICANTES

Tem a função de catalisar a quebra das moléculas do elastômero facilitando sua mastigação e incorporação dos demais ingredientes. Deve agir somente na fase inicial da mistura, pois caso contrário irá influir negativamente nas propriedades mecânicas finais do vulcanizado.

SISTEMA DE VULCANIZAÇÃO

a) Agente de reticulação: Empregado na proporção de 1-3 phr, é responsável pela reticulação das cadeias poliméricas.

Um acelerador pode produzir uma razão de cura lenta, quando usado sozinho, e mais rápido se usado juntamente com outro. Agentes de proteção eliminam ou diminuem os efeitos de agentes catalisadores do envelhecimento, prolongando sua durabilidade. Classificam-se em:

E1Físicos: Aqueles que têm a propriedade de migrar para a superfície formando uma barreira que protege o polímero da ação do oxigênio e do ozônio.

PROCESSAMENTO de Elastômeros

2.1 - PESAGEM DAS MATÉRIAS PRIMAS:

2.2 - MASTIGAÇÃO DO ELASTÔMERO

Tem por finalidade plastificar o elastômero, não só para facilitar a incorporação dos ingredientes como também torná-lo suficientemente plástico, a fim de permitir as demais fases do processamento. O comprimento do cilindro determina a capacidade de carga. A velocidade de rotação e a capacidade de refrigeração, respondem pela elevação da temperatura, pelo grau de aquecimento durante a mistura (cilindro com maior velocidade aquece mais rapidamente a mistura). Ao passar entre os rotores e as paredes da câmara de mistura ocorre a plastificação do elastômero (quebra das cadeias). Após esta etapa, há a incorporação das cargas ao polímero, sua dispersão e homogeneização.

MOLDAGEM DE ELASTÔMEROS

1 - EXTRUSORA:

Consiste em dar forma preliminar ou definitiva à composição elastomérica, sendo empregada no recolhimento de fios, produção de mangueiras, tubos e câmaras de ar. O material é carregado no funil no formato de tiras que serão cisalhadas pelo parafuso. Em geral, a rosca e o cilindro são refrigerados, e a matriz aquecida à temperatura menor a de vulcanização.

É um método para produção de filmes plásticos e chapas por compressão do polímero que passa entre os cilindros em rotação.

3 - MOLDAGEM POR COMPRESSÃO

Consiste em transformar um material polimérico, colocado na cavidade de um molde, em peça de forma definitiva através da aplicação de calor e pressão. O molde fechado e aquecido favorece a obtenção das ligações cruzadas.

Vantagens: - fácil automatização; - menores tensões internas nos moldados; - facilidade operacional; - baixo custo; - maior número de cavidade; - pequena perda de material; - economia do ferramental e ser adequado a peças com parede delgadas.

Desvantagens: - difícil extração das peças; - formação de rebarbas; - necessidade de carregamento do material em posição adequada; não ser aplicado a peças complexas; - formação de peças com paredes mais finas, quando há grandes variações de espessura e tempo excessivo de moldagem para peças de paredes espessas.

MOLDAGEM POR TRANSFERÊNCIA:

Consiste em aquecer, em uma câmara no molde uma quantidade pré-determinada de material a ser moldado, que amolece e é transferido sob pressão através de um canal de alimentação à cavidade fechada do molde. O material, depois de reticulado (curado), é retirado do molde através de pinos ejetores.

O molde é constituído por três pratos, sendo o prato superior o êmbolo; o segundo, a cavidade da carga; e, o inferior, a cavidade do molde.

- Vantagens em relação à compressão: - ciclos de moldagens mais curtos (devido ao aquecimento e carregamento mais rápidos); menores custos de manutenção, acabamento e ferramental; Além do material já entrar fundido na cavidade do molde.

5 - MOLDAGEM À VÁCUO:

Assemelha-se ao processo de termoformagem. O ar é drenado de uma câmara onde uma das faces contém o desenho do moldado, que será coberto com laminado do composto perfeitamente ajustado.

Molde em alumínio. A reticulação (vulcanização) é feita em autoclave (vapor direto, a pressão de 4-5 atm)

ELASTÔMEROS TERMOPLÁSTICOS

Materiais disponíveis ao mercado que conjugam as propriedades das borrachas com a facilidade de transformação dos plásticos.

PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS REFORÇADOS

Polímero reforçado ou material composto compreende todas resinas termoplásticas ou termofixas reforçadas com fibras naturais ou sintéticas ou cargas minerais.

Desvantagens:

• Acabamento superficial prejudicado;
• Materiais transparentes tornam-se opacos;
• A cor da carga é transferida ao polímero;
• Desgaste do equipamento.

As fibras de reforço mais utilizadas são:

• Fibra de vidro E;
• Fibra de vidro S;
• Fibra de carbono de alta resistência;
• Fibra de carbono de alto módulo;
• Fibra aramidas (poliamidas aromáticas);
• Fibras de polietileno;
• Fibras cerâmicas;
• Fibras Naturais: rami, juta, sisal;

Cada uma dessas fibras confere ao polímero reforçado características próprias; A tabela abaixo compara as propriedades dessas fibras.

OS REFORÇOS SÃO ENCONTARDOS COMERCIALMENTE DA SEGUINTE FORMA:

• Roving: São mechas de filamentos contínuos, contendo de 100 a 1000 filamentos por mecha;
• Mantas: São feitas a partir de rovings picados, com fibras com cerca de 150mm de comprimento distribuídas aleatoriamente e aglutinadas com material compatível com a resina do reforço;
• Woven Roving: São rovings tecidos, contendo igual número de mechas na trama;
• Tecidos: Cabos de filamento trancados ou torcidos e posteriormente tecidos em diversos arranjos;
• Chopped Roving: Rovings picados com comprimento entre 1 e 3mm, empregado no reforço de termoplásticos;

FIBRAS DE VIDRO

As fibras de vidro têm permitido o uso crescente dos plásticos em aplicações antes reservadas exclusivamente aos metais e suas ligas. As principais características das fibras de vidro, que as tornam tão atraentes para reforços de plásticos, são:

• Baixo coeficiente de dilatação térmica;
• Altas propriedades mecânicas;
• Retenção de propriedades mecânicas em altas temperaturas;
• Facilidade de processamento;
• Baixo custo;
• Excelente resistência a corrosão;
• Excelentes características elétricas;

As fibras de vidro têm encontrado aplicações em inúmeros campos:

• Transportes: carcaças de automóveis e caminhões;
• Construções: elementos estruturais, pisos;
• Naval: cascos para barcos, navios e submarinos;
• Processamento de materiais: bandejas farmacêuticas e industriais, caixas;
• Química: tanques de armazenamento, tubulações;

PROCESSAMENTO DE TERMOFIXOS REFORÇADOS

A transformação de termofixo pode ser feita por uma grande quantidade de processos, que consistem das seguintes etapas: 1 - Incorporação do reforço à resina; 2 - Dar forma final ao composto reforço/resina; 3 - Cura da resina;

1 - Incorporação do reforço à resina consiste geralmente na impregnação das fibras sobre as mais diversas formas, com a resina termofixa devidamente ativada com catalisadores, aceleradores e demais cargas e agentes modificadores, dando origem ao composto de moldagem.

2- A forma final do produto é obtida pelo composto de moldagem, através de moldes e processos de moldagem adequados.

3- A cura da resina consiste na reação de reticulação das cadeias poliméricas, tendo como conseqüência o endurecimento do composto da moldagem. Esta cura pode ser feita a frio, pelas simples adição de catalisador e acelerador adicionados na primeira etapa, como pelo fornecimento de energia ao composto de moldagem, sob a forma de calor, microondas, etc., suficiente para iniciar a reticulação.TIPOS DE PROCESSOS DE MOLDAGEM:

1- Moldagem Manual

A moldagem manual é feita em baixas temperaturas e sem pressão. As fibras de vidro são impregnadas pela resina dentro do molde, durante a laminação. A laminação a pistola difere da manual apenas no fato das fibras e da resina serem aplicadas a pistola ao invés de a mão. Na moldagem manual a resina deve ser ativada para cura lenta, para ter tempo de ser aplicada e molhar as fibras antes de gelatinisar. 1.1 Moldagem em Molde Aberto: São processos em que apenas uma das faces da peça fica em contato com o molde, tendo como conseqüência um acabamento rústico na outra face.

b) Preparação do molde: para permitir a desmoldagem da peça, é aplicado à superfície do molde um agente desmoldante, normalmente a base de cera de carnaúba ou uma solução de álcool polivinílico.

ao artefato. A aplicação do gel coat é efetuada diretamente ao molde, previamente limpos e encerados (desmoldantes), por meio de pintura a revolver ou rolos de pintura na ordem de 0,4 mm e précatalisados.

Tempo de cura: é o tempo que a peça deve permanecer no molde até a cura completa da resina, variando de acordo com a temperatura ambiente.

Desmoldagem e Acabamento: a peça é retirada do molde, rebarbada e preparada para pintura, se necessário.

Trata-se de um processo simples, com baixos custos de ferramental e equipamentos, aplicável à produção de pequenas quantidades de peças e/ou peças de grande porte.LAMINAÇÃO A PISTOLA Este processo é constituído das mesmas etapas da moldagem manual, diferindo apenas na execução da laminação propriamente dita, que é feita por meio de um equipamento que asperge a fibra e resina sobre o molde. A mistura da resina pré-acelerada com o catalisador é feita externamente à pistola, pulverizando o catalisador contra o fluxo de pulverização da resina, que por sua vez arrasta as fibras picadas para o molde.

A produtividade é comparável à moldagem por contato manual

O processo consiste em projetar simultaneamente sobre o molde fios de vidro picados, normalmente com 30 mm de largura, e a resina necessária para sua impregnação. Após a projeção, é necessário se fazer a laminação manual para compactar a mistura de vidro-resina no molde e, se possível, eliminar as bolhas de ar produzidas pelo sistema de projeção.

Colocando-se o reforço e a resina dentro da cavidade do molde, a força da pressão é aplicada para produção da peça. Na compressão a quente, são utilizadas altas temperaturas no molde, criando-se um ciclo de moldagem mais rápido. Alguns exemplos são a produção de bandejas, correias protetoras para máquinas rotativas, caixas de distribuição elétrica e cadeiras escolares

A moldagem a vácuo combina técnicas de injeção de resina a baixa pressão com moldagem a vácuo. A particularidade deste processo consiste em separar as funções de fechamento do molde e o fluxo de resina. O fechamento do molde é feito por um circuito periférico com um alto nível de vácuo. O fluxo da resina é obtido com injeção de baixa pressão ou aplicando-se a resina manualmente dentro do molde, antes de seu fechamento; quando ocorre o fechamento, o vácuo é criado dentro da cavidade do molde.

INJEÇÃO DE RESINA

O processo de injeção de resina (RTM - Resin Transfer Moulding) permite a moldagem de componentes com forma complexa e área de superfície grande com um bom acabamento de superfície em ambos os lados. Este processo consiste em preencher a cavidade de um molde, rígido e fechado, injetando uma resina por um, ou vários, pontos dependendo do tamanho do componente. Os reforços são colocados no interior do molde previamente, antes de fechar é travado firmemente.

Tipos diferentes de modelos podem ser usados dependendo da quantidade de produção esperada: Calor pode ser aplicado ao molde para encurtar o tempo de cura, em tais casos o uso de moldes de aço pode ser necessário.

PULTRUSÃO

Pultrusão é um processo contínuo que produz perfis reforçados de vidro, ocos ou maciços, de diferentes formatos. Dependendo do desenho e do formato, a taxa de vidro utilizada varia de 30% a 70% do peso. Sistemas de guias, dispostos entre a prateleira e o molde, permitem pré-formar e posicionar cada reforço no local correto do perfil. O vidro é impregnado antes do molde, normalmente com o sistema de banho aberto. As cargas são geralmente introduzidas no sistema de resina para gerar propriedades adicionais (retardadores de chama, redução de custo,...). Esse processo usa matérias-primas de baixo custo (alto teor de carga) e têm alta produtividade, mas não serve para fazer peças de grandes dimensões ou que tenham baixas escalas de produção, porque os custos fixos dos moldes e das prensas podem ser muito altos.

Na prensagem a quente as fibras de vidro são pré-impregnadas pela resina antes de ser colocadas no molde. Os moldes de aço são aquecidos a 150°C e o ciclo de moldagem pode variar entre 1 minuto e 3 minutos, dependendo da espessura da peça.

O "granulado" passa por um sistema de compactação que garante a impregnação completa dos fios antes que sejam enrolados. O BMC é adequado tanto para moldagem por injeção como por compressão. A moldagem por injeção de BMC é usada para produzir componentes complexos tais como, equipamentos elétricos, componentes para automóveis (uma aplicação importante do BMC são os faróis dianteiros), estojos para equipamentos elétricos e ferramentas em grandes escalas industriais.

As principais aplicações estão na construção civil (revestimentos de fachadas e telhados) e no setor agrícola (estufas).

O processo passo a passo

• impregnação contínua de rovings cortados ou de mats de filamentos cortados ou contínuos, por resina, em um filme de transporte,
• fazer um "sanduíche" deste material com um segundo filme depositado no topo, que então serve de molde,
• moldar, normalmente de forma progressiva, como permitido dentro do ciclo de cura para obter o produto acabado na saída da estufa,
• cortar a borda lateral e transversal dos produtos no tamanho desejado. Os filmes, que serviram para transportar o material, são rebobinados na saída da estufa antes da corte. A velocidade típica da máquina é de 5 a 15 m/min, dependendo da largura da chapa, que não deve ultrapassar 3m.

Centrifugação

O processo de centrifugação é adequado para a produção de peças ocas, tais como tubos com superfícies lisas. Os reforços aplicados - tanto como rovings durante o processo ou em pequenos diâmetros, tecidos, mantas ou materiais mais complexos e a resina - são introduzidos num molde metálico rotativo e cilíndrico. A resina impregna o reforço sob o efeito da força centrífuga e forma, depois da polimerização, uma estrutura cilíndrica. Após a introdução dos materiais no molde, a velocidade de rotação aumenta até que a velocidade da moldagem seja atingida. Isso depende de uma série de fatores: a quantidade e natureza do reforço, a espessura e diâmetro da peça e a viscosidade da resina

Enrolamento Filamentar

Este processo utiliza a máquina de enrolamento filamentar que envolve, no mandril, as fibras impregnadas com resina termorrígida, na quantidade e orientação necessárias para construir a estrutura reforçada desejada. Uma vez tratado com a polimerização da resina termorrígida completa, o mandril é removido. O mandril pode ser, às vezes, mantido como parte do composto final ("linear").

Moldagem por injeção de termoplásticos reforçados

A fabricação de peças reforçadas por filamentos de vidro é um processo de duas etapas. 1ª Etapa - Obtenção dos rolamentos termoplásticos reforçados (pellets) por EXTRUSÃO O processo de composição para fabricar enrolamentos reforçados com filamentos de vidro é essencialmente o mesmo daquele utilizado em compostos termoplásticos não-reforçados. Neste processo as fibras são incorporadas à resina em extrusora de rosca simples, ou dupla, o que permite melhor homogeneização do composto obtido. O desgaste do parafuso pode ser minimizado através de aço nitretado ou ligas duras especiais (stellite). A temperatura do cilindro é aumentada de 10 a 30ºC mais do que para compostos termoplásticos não-reforçados, devido à maior viscosidade da mistura.O processo de moldagem por injeção para os enrolamentos reforçados de filamentos de vidro é idêntico aos termoplásticos não-reforçados ou recheados. Aqui, novamente, a principal diferença se dá no tratamento da hélice para limitar seu desgaste, e a temperatura do barril 10 a 30ºC maior que a dos compostos termoplásticos não-reforçados, devido à maior viscosidade da mistura.