EXTRUSÃO PLÁSTICA

HISTÓRIA DO PLÁSTICO

  Em 1862, a borracha era a matéria prima de muitos produtos e tinha um alto preço o que estimulou pesquisadores a procurarem novos materiais      para a sua substituição no processo industrial; então Alexander Parkes que já havia descoberto anteriormente um material orgânico derivado      da celulose (que foi batizado de parkesina em sua homenagem) apresentou        na Exposição Internacional de Londres, apresentou     um que pode ser        considerado como o antecessor do plástico precursor da imensa família      de polímeros que        conhecemos nos dias de hoje   este         material  ao ser   aquecido    podia ser moldado e permanecia desta      mesma forma       quando esfriava. Porém, o seu custo elevado de produção   desestimulou   os investidores.

       No mesmo ano, uma indústria dos Estados Unidos,       visando à          substituição do marfim na fabricação de bolas de bilhar, ofereceu um           prêmio de dez mil dólares para quem desenvolvesse  um   material              substituto    ao marfim que já se tornara um material raro e caro; na          tentativa de ganhar o prêmio o tipógrafo americano John Wesle Hyatt e seu irmão Isaías, após oito anos de pesquisas, obtiveram o celulóide                  produzindo um caldo de duas partes de nitrato de celulose e uma parte de cânfora, álcool, polpa de papel e serragem. Gelatinizando depois a                mistura sob pressão, na presença de solventes, descobriram a primeira          matéria     plástica artificial.

Hermann Staudinger, em 1920 estudando a estrutura e propriedade dos polímeros naturais (celulose e isoprene) e sintéticos provou que os              polímeros são constituídos por longas cadeias de moléculas derivadas de      moléculas menores, por meio da polimerização, derrubando a ideia que os  plásticos eram compostos de anéis de moléculas ligados. À época suas           idéias não foram aceitas pela comunidade científica e a discussão                progrediu

 Em 1936 o poliestireno, que tem como material base o eteno e o              benzeno começou a ser produzido comercialmente na Alemanha,                  substituindo o vidro, a madeira, o algodão, a celulose e inúmeros metais,      matérias primas que há milhares de anos eram utilizadas pelo homem.   A   substituição de matérias primas de origem animal por    produtos de             origem sintética barateou os custos de produção possibilitando a                expansão do   consumo pela população de menor poder aquisitivo. Em             seguida veio a descoberta do polietileno, do PVC, da poliamidas (Nylon) ,    e do poliéster. O domínio dos mecanismos de polimerização contribuiu,           para a descoberta de outros materiais plásticos com características            físico-mecânicas e de alta resistência ao calor, os chamados                       tecnopolímeros ou polímeros para engenharia.

 O período pós segunda guerra mundial, o uso dos materiais sintéticos      foi rapidamente difundido em todo o mundo, substituindo os materiais         tradicionais e mudando costumes, conceitos, formas de utilização e             apli cações dos objetos, possibilitando o surgimento de novas demandas      como produtos descartáveis, artigos de lazer, brinquedos, calçados,           vestuário, eletroeletrônicos, entre outros. Sendo, hoje, imprescindível na vida das pessoas, avançando para novas tecnologias de transformação em diversas áreas como a indústria espacial, utilização do plástico que               jamais os percursores poderiam imaginar. 

CRONOLOGIA

1835- Regnault apresenta o monômero de cloreto de vinil.

1838- É descoberto o nitrato de celulose.

1839- Charles Goodyear descobre o processo de vulcanização da borracha.

1865- É descoberto o acetato de celulose.

1870- Os irmãos Hyatt patenteiam a celulóide.

1884- Hilaire Chardonnet inventa a primeira fibra sintética, a rayon de viscose.

1905- Brandenburg inventa a celofane.

1909- Leo Baekeland descobre a baquelita.

1922- Hermann Staudinger sintetiza a borracha.

1928- Ziegler começa a estudar a química orgânica princípio da descoberta do PE e PP.

1929- A empresa Dunlop cria a primeira borracha de espuma.

1931- J. A Hansbeke desenvolve o neoprene.

1933- Primeiros produtos injetados com Poliestireno.

1938- Começa produção comercial de Poliestireno.

1938- Roy Plunkett descobre o PTFE.

1939- ICI patenteia a cloração do Polietileno.

1940- O PMMA começa a ser utilizado na aviação.

1948- George de Mestral inventa o Velcro.

1950- O Poliestireno de alto impacto começa a ser produzido comercialmente.

1952- Começa aparecer os primeiros produzidos fabricados em PVC.

1953- O Polietileno de alta densidade começa a ser produzido comercialmente.

1954- O Polipropileno começa a ser desenvolvido com o uso de catalisadores de     

          Ziegler-Natta.

1958- O Policarbonato começa a ser produzido.

1963- Ziegler e Natta ganham o Prêmio Nobel de Química.

                  Fonte: www.plasticoscarone.com.br 

POLÍMEROS 

     Os polímeros são conjuntos de macromoléculas constituídas por unidades estruturais que se repetem chamadas de monômeros que são pequenos segmento de uma cadeia, que consiste em moléculas de carbono e hidrogênio, entre outras. Quando vários tipos de monômeros participam da formação molecular obtêm-se plásticos copolímeros.

 Designa-se por polimerização o processo químico pelo qual os monômeros se combinam quimicamente e classificam-se em polímeros com cadeias longas lineares polímeros com ligações cruzadas.

  Os Polímeros podem ser coloridos mediante qualquer dos sistemas de coloração convencionais. Se forem utilizados corantes líquidos, o transportador deve ser compatível com o material virgem. Se forem utilizados concentrados de cor, a base do polímero deve ser similar ao material virgem, de preferência com menor ponto de fusão. Em geral, deve-se levar em conta que em uma maior concentração de corantes em lâmina final se obtêm menores valores de propriedades mecânicas. "Os materiais incompatíveis podem ocasionar a deterioração das propriedades da lâmina devido à de laminação ou manchas de cor

ADITIVOS – São produtos diversos incorporados para conferir propriedades específicas aos plásticos incorporam-se diversos aditivos,

• Plastificadores (8 -15%) – aumentam a processabilidade do plástico e garantem uma maior deformabilidade e menor fragilidade do produto acabado.

• Estabilizadores (1-5%) – evitam a degradação dos plásticos por agentes físicos e químicos

(calor, radiação UV,…)

• Corantes e pigmentos

Os plásticos são em geral caracterizados por apresentarem:

.Baixa densidade

.Baixa rigidez

.Boa resistência química

.Elevado coeficiente de expansão térmica

.Baixa condutibilidade térmica e elétrica

.Baixa resistência mecânica

.infinitas possibilidades de utilização

.higiênico e asséptico

.um ótimo isolante térmico

.leve

.flexível e maleável

.resistente

.durável e fiável

.reutilizável

.reciclável

VANTAGENS

• Possibilidade de obter um produto final sem operações de acabamento

• Elevada relação resistência/peso

• Facilidade de processamento

• Possibilidade de escolha em termos de cor

Desvantagens:

• Temperatura de serviço baixa

• Elevada contração

ESTRUTURA E PROPRIEDADES

     Para dar forma a um material termoplástico este deve ser aquecido de forma a ser amaciado, adquirindo a consistência de um líquido, sendo designado nesta forma por polímero ou plástico fundido. Nos materiais termorígidos utiliza-se um processo em que ocorre uma reação química que conduz à formação de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas. A polimerização final pode ocorrer por aplicação de calor e pressão ou por ação de um catalisador o polímero fundido é um fluido espesso, de elevada viscosidade, em virtude do seu elevado peso molecular a maior parte dos processos de transformação de polímeros envolve o escoamento através de pequenos canais ou aberturas dos moldes as velocidades de escoamento são, geralmente, elevadas, desenvolvendo-se velocidades e tensões de corte elevadas. A viscosidade de um polímero fundido diminui com a velocidade de deformação, o fluido torna-se menos espesso para velocidades de deformação elevadas

POLÍMEROS AMORFOS – tem estrutura molecular aleatória, tanto na fase sólida quanto na fase líquida e não possuem temperatura de fusão aparente, amaciam ao longo de uma gama de temperaturas. São transparentes, tem baixa resistência química e redução volumétrica e, geralmente, possuem baixa resistência

Exemplos de polímeros amorfos

• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)

• Acrilícos (ex., PAN, PMMA)

• Policarbonato (PC)

• Poliestireno (PS)

• Policloreto de vinilo (PVC

• Estireno acrilonitrilo (SAN)

POLÍMEROS CRISTALINOS - Orientação molecular aleatória na fase líquida.

Na fase sólida aparecem cristalitos densamente compactados, temperatura de fusão distintas, translúcido ou opacos, excelente resistência química, elevada contração volumétrica, possuem geralmente uma elevada resistência mecânica

Exemplos de polímeros cristalinos:

Acetais

Poliamidas (Nylon)

Polietileno (PE)

Polipropileno (PP)

Poliésteres termoplásticos (ex., PBT, PET)

EXTRUSÃO

 A palavra extrusão origina-se no vocábulo latino, em que “ex” significa força e “tudere” significa empurrar, e define-se como um processo para obtenção de produtos de comprimentos limitados e seção transversal constante, obrigando o material a passar através de um cabeçote sob condições de pressão e temperatura controlada. Esta forma de moldagem é muito antiga e seu uso em escala industrial iniciou-se com a fabricação de tubos de chumbo no início do século XIX. Equipamentos de extrusão também são utilizados na fabricação de materiais cerâmicos, eletrodos de carbono, grafite para lapiseiras e polímeros  

A EXTRUSÃO PLÁSTICA

A moldagem por extrusão apresenta característica essencial, que a distingue de todos outros processos de conformação de polímeros. Esse processo é contínuo e por isso é usado para fabricação de produtos acabados, como por exemplo: barras, fitas, mangueiras e tubos, como também para produtos semimanufaturados, que devam, posteriormente, sofrer novo processamento. A extrusão também é usada para incorporação de aditivos, e em alguns casos podem ser usada como reatores de modificação de polímeros, também conhecida como extrusão reativa. O processo de extrusão é realizado em um equipamento conhecido como extrusora. Existem as extrusoras com uma única rosca e extrusoras de dupla rosca.

A extrusão plástica é um processo semelhante ao efetuado com metais, porém, efetuado com temperaturas mais baixas, neste processo, a matéria-prima é amolecida e expulsa através de uma matriz instalada no equipamento denominada extrusora, produzindo um produto que conserva a sua forma ao longo de sua extensão. Os produtos flexíveis, como embalagens, sacolas, sacos e bobinas também conhecidos como filme, após o processo de extrusão, podem ser gravados sendo modelados o produto final com soldas e cortes. Os produtos rígidos ou semi-rígidos, como tubos, perfis, mangueiras e chapas, tem o mesmo processo, havendo mudança da matéria-prima e matriz.

A extrusora funde e torna a massa plástica homogênea. Na saída da extrusora, encontra-se o cabeçote, do qual sai um "espaguete" contínuo, que é resfriado com água. Em seguida, o "espaguete" é picotado em um granulador e transformado em pellet (grãos plásticos).

MONOROSCA

     Numa linha de extrusão, a máquina se alimenta de grânulos, pellets ou pó previamente secado é alimentado, através do funil de alimentação, para o canhão ou cilindro que esquenta, plastifica, homogeneíza e comprime progressivamente o material através de fricção e calor avançando ao longo de um cilindro em cujo interior gira um parafuso (rosca) arquimedeano, a ação desta rosca promove, através de pressão, o transporte deste material até o bico de injeção (orifício da matriz) que lhe dá a forma desejada.

As permutas técnicas entre a matéria e o cilindro aquecido, é acrescida pela energia do atrito entre eles e a derivada pela compressão do material entre o parafuso e a cabeça da extrusão, faz com que as peças produzidas saiam com alta temperatura de aquecimento, por este motivo, após s sair do molde, a peça extrudada deve ser resfriada através de jato de ar ou sistema de resfriamento a água

Vista de corte de uma extrusora de rosca utilizada

para o processamento de materiais poliméricos

     Rosca Única (RU) é o tipo mais utilizado pela indústria, pela capacidade de gerar produtos homogêneos, de custo baixo e, na maioria dos casos, com a qualidade desejada, não sendo possível atender a esses requisitos, usa-se a Rosca Dupla (RD)

As extrusoras de uma rosca (parafuso) são constituídas de:

Sistema Motriz

Canhão ou Cilindro

Sistema de aquecimento e resfriamento

Rosca

1 – Sistema Motriz

    Um redutor acionado pelo motor intermédia a movimentação da rosca que tem a regulação

da variação de velocidade controlada através do tacômetro e do amperímetro  

2 – Canhão ou cilindro

    Uma das superfícies necessárias para fricção do polímero. Constituído de aços especiais, possui elevada resistência à abrasão e à estabilidade térmica.

3 – Sistema de aquecimento e resfriamento

     No processamento do polímero, é necessário que haja um perfeito controle da temperatura e do resfriamento; a maior parte da energia térmica consumida no processo de aquecimento das extrusoras é gerada pela movimentação e, conseqüente, cisalhamento da rosca, cerca de 80%, a outra parte provém de sistemas a vapor, óleo quente e, na maioria dos casos, do aquecimento através de resistências elétricas, divididas em grupos ou zonas de equipamentos colocadas ao redor do cilindro. O resfriamento do cilindro é feito normalmente, por ar ou por líquido (serpentina) ou, ainda, pela união dos dois sistemas

    No cilindro das extrusoras são utilizados pirômetros de dois estágios, os quais são responsáveis para controlar a temperatura de processamento. O controle de temperatura realizado por esses aparelhos ocorre através do mecanismo de ligar e desligar o sistema de aquecimento e/ou o sistema de resfriamento. Os sensores de temperatura utilizados nas extrusoras são os termo elementos que ficam encaixados no cilindro, no centro de cada zona.

4 – Rosca

     A rosca é constituída em aço-liga com excelente resistência térmica, corrosão, torsão e flexão. A rosca é a parte principal de uma extrusora, tendo a função de transportar, fundir ou amolecer, homogeneizar e plastificar o polímero. Através da sua movimentação e conseqüente cisalhamento, a rosca consegue gerar cerca de 80% da energia térmica necessária para a transformação dos polímeros

     A geometria da rosca muda para cada polímero e deve ser projetada para promover a máxima eficiência, vazão constante, plastificação e homogeneização adequada sem danos ao polímero e sem prejuízos à sua durabilidade. Geralmente, a depender do processamento do polímero e do processo envolvido para líquidos e gases e a rosca, o barril da rosca deve possuir entradas e saídas para líquidos e gases e a rosca deve ser deve ser projetada para atender essa exigência, concluindo-se, assim, ser quase impossível ter uma mesma rosca capaz de trabalhar satisfatoriamente para todo e qualquer tipo de material

Rosca Dupla

     Uma extrusora de dois parafusos (rosca dupla) tem a capacidade de misturar o material eficientemente evitando o superaquecimento (degradação) do material polimérico. Existem dois tipos básicos de extrusoras de dois parafusos, em que as roscas giram em concordância ou em oposição. Estas extrusoras são empregadas, normalmente, para se produzir blendas ou compósitos poliméricos ou para misturar aditivos ao material polimérico

     As extrusoras de dupla rosca, apesar de maior custo, apresentam algumas vantagens em relação às extrusoras de uma rosca, dentre estas vantagens destacam-se:

     Maior eficiência de mistura, plastificação e homogeneização do composto, em função da geometria da rosca ser mais elaborada.

Podem ser usadas temperaturas de processamento menores, diminuindo assim o consumo de energia elétrica.

     Maior eficiência no transporte de massa, ou seja, menor variação da vazão de material polimérico, o que representa maior controle dimensional do produto final.

Tipos de roscas usadas em uma extrusora de rosca dupla: (a) rosca convencional, (b) rosca de alto cisalhamento

 TÉCNICAS DE EXTRUSÃO DE POLÍMEROS

Extrusão de tubos

Extrusão de filmes

Extrusão de filmes planos

Processo de extrusão-laminação

Processo de Co-extrusão

Processo de Revestimento de Arames 

Extrusão de Tubos

     Na saída da matriz encontra-se um calibrador a vácuo que tem a função de resfriar e controlar o diâmetro externo do tubo. Normalmente, utiliza-se água gelada na saída do calibrador de modo a conseguir maiores taxas de remoção de calor. Na frente do calibrador encontra-se o puxador, o dispositivo de corte e recepção dos tubos cortados, o diâmetro externo do tubo é determinado pelo calibrador, enquanto que o diâmetro interno é determinado pelo diâmetro do torpedo

Extrusão de tubos: técnica da matriz de calibragem.

     A matriz deve ser projetada de forma a suportar altas pressões. Além disso, o torpedo e o adaptador devem ser projetados de forma a assegurar o fluxo laminar, sem pontos mortos que possam produzir o estacionamento do material

Ilustração de uma matriz para extrusão de tubos.

Extrusão de Filmes

     Através do processo balão (filme soprado), uma extrusora alimenta uma matriz tubular cujo anel de saída tem uma abertura bastante delgada. O tubo extrudado sofre expansão na forma de uma bolha por meio de um fluxo de ar soprado através do torpedo. O resfriamento do filme ocorre por meio de outro jato de ar cuidadosamente controlado. O filme é fechado por meio de rolos de pressão e tração. O material resultante é bobinado sob tensão constante.

A largura e a espessura do produto final são controladas através da velocidade de extrusão e do tamanho da bolha. A resistência mecânica do filme é função direta da orientação molecular no sentido longitudinal e transversal. Processo utilizado para produzir filmes rígidos, flexíveis e semi-rígidos, com espessuras inferiores a 20μm, adequados para a fabricação de sacos plásticos.  Baixa produtividade em virtude do tempo elevado que é requerido para o resfriamento da bolha. A bolha chega achatada nos roletes de compressão, caso o filme não esteja suficientemente frio as extremidades do mesmo podem colar entre si

    A matriz deve ser projetada de forma a suportar altas pressões. Além disso, o torpedo e o adaptador devem ser projetados de forma a assegurar o fluxo laminar, sem pontos mortos que possam produzir o estacionamento do material

Extrusão de Filmes

     Através do processo balão (filme soprado), uma extrusora alimenta uma matriz tubular cujo anel de saída tem uma abertura bastante delgada. O tubo extrudado sofre expansão na forma de uma bolha por meio de um fluxo de ar soprado através do torpedo. O resfriamento do filme ocorre por meio de outro jato de ar cuidadosamente controlado. O filme é fechado por meio de rolos de pressão e tração. O material resultante é bobinado sob tensão constante.

     A largura e a espessura do produto final são controladas através da velocidade de extrusão e do tamanho da bolha. A resistência mecânica do filme é função direta da orientação molecular no sentido longitudinal e transversal. Processo utilizado para produzir filmes rígidos, flexíveis e semi-rígidos, com espessuras inferiores a 20μm, adequados para a fabricação de sacos plásticos.  Baixa produtividade em virtude do tempo elevado que é requerido para o resfriamento da bolha. A bolha chega achatada nos roletes de compressão, caso o filme não esteja suficientemente frio as extremidades do mesmo podem colar entre si

Ilustração de uma extrusora de filme plano.

     Processo realizado através da extrusão de material amolecido ou fundido que alimentada a matriz plana de largura e espessura adequadas às dimensões finais da chapa. As chapas são normalmente resfriadas através do contato com rolos (calandras), As chapas são puxadas e armazenadas em bobinas. Fornece um produto de transparência superior ao processo tubular, devido à possibilidade de se fazer um resfriamento rápido do material fundido. 

Esquema ilustrativo da produção de chapas.

 Processo de extrusão-laminação

     Empregado para a aplicação de uma fina camada de polímero sobre papel, tecidos, filmes metálicos ou outros substratos. O processo de extrusão – laminação apresenta similaridade ao processo de produção de filmes. O material é encaminhado a uma matriz plana que conforma o material em forma de chapa. O filme fino de polímero, ainda amolecido, é aplicado sob pressão ao material de recobrimento (substrato), O material a ser recoberto é alimentado continuamente desde uma posição de desbobinamento, passando sobre o cilindro de pressão. A espessura da camada aplicada pode ser regulada pela velocidade de fluxo da massa fundida e pela velocidade do substrato.

Ilustração de um equipamento de extrusão-laminação.

Processo de Co-Extrusão

     A co-extrusão é um processo no qual se consegue sobrepor camadas de dois ou mais materiais diferentes, com o objetivo de se obter uma chapa com características especiais. Estas características podem ser resistência química, brilho superficial, barreira a gases, resistência ao impacto, ou simplesmente cores diferentes dos dois lados da chapa extrudada.  Também conhecido como matriz múltipla, já que é necessário mais de uma extrusora conectadas a uma matriz especial.

 Processo de coextrusão de chapas com duas camadas

Processo de Revestimento de Arames

    Fios e cabos elétricos podem ser isolados com polímeros extrudados através de matrizes transversais à linha de extrusão. Para certificação da integridade do isolamento, as linhas de recobrimento de fios e cabos elétricos incorporam ainda o chamado teste de faísca. Nesse teste, o fio ou cabo passa por dentro de uma bobina de alta capacidade que induz alta corrente em uma pequena seção do produto. No caso de falha no isolamento, a corrente escapa pela mesma, provocando uma faísca detectada pelo equipamento e acionando um alarme para ao operador da linha, que segrega a bobina defeituosa

Matriz de recobrimento de fios e cabos elétricos: (a) matriz de alta pressão; (b) matriz tipo tubular

Moldagem por sopro via extrusão

     Dentre os processos mais comuns de moldagem por sopro. Destaca-se o intermitente e o contínuo, além da possibilidade variação nos sistemas de alimentação ou entrada de massas na matriz, como: alimentação lateral, envolvendo o mandril, ou na alimentação por cima, fixando-se o mandril com o auxílio de cruzetas.

     No processo de extrusão por sopro produz-se um tubo que é denominado de núcleo extrudado ou parison, que vem a ser a mangueira quente que emerge da matriz anelar e que depois será soprada sobre as paredes frias de um molde para tomar a forma definitiva. Após atingir um comprimento adequado, o molde se fecha, prendendo o parison. Uma vez aprisionado, o núcleo previamente aquecido é expandido no interior do molde oco bipartido por meio da injeção de ar comprimido. Após adquirir a forma do molde o produto final é resfriado e extraído do molde.

Representação esquemática do processo de sopro via extrusão

Referências:

Arno Blass, Processamento de Polímeros, Universidade Federal de Santa Catarina, editora da UFSC, 2 edição, Florianópolis, (1988).

Antonio Rodolfo Jr., Luciano Rodrigues Nunes, Wagner Ormanji, Tecnologia do PVC, BRASKEN, (2002)

BRESCIANI Filho, Ettore (coord.); ZAVAGLIA, Cecília Amélia Carvalho; BUTTON, Sérgio Tonini;

GOMES, Edson; NERY Fernando Antonio da Costa. Conformação Plástica dos Metais.

Campinas: Editora da Unicamp, 1997 (5 a. edição), 383p.

SORS, Láslós; BARDÓCZ; ISTVÁN Radnóti. Plásticos, Moldes e Matrizes, Curitiba: Hemus Editora, 2002

MANRICH, Sílvio. Processamento de Termoplásticos; rosca única, extrusão e matrizes, injeção e moldes. São Paulo: Artliber Editora Ltda, 2005.

DuPont – Manual de Processamento de Moldagem por Sopro

Monsanto - Manual de Extrusão  http://www.selenis.com/