Bruk av vekter

Dentre os processos de produção de compósitos plásticos reforçados com fibras

será discutido somente o processo de extrusão voltado à indústria polimérica que é o objetivo desta dissertação.

Introdução histórica

Segundo Fisher (1964), no desenvolvimento da indústria em torno dos anos 1845- 1850, quando os processos de extrusão foram usados primeiramente em escala industrial nos Estados Unidos e na Alemanha, aplicado ao látex e isolamento dos condutores de cobre. O primeiro cabo submarino foi construído com sucesso por extrusão em 1851. As extrusoras usadas inicialmente e a partir das quais a indústria da extrusão cresceu, eram todas do tipo de matriz e foram operadas manualmente, mecanicamente, ou hidraulicamente. Neste processo de extrusão, o látex quente é pressionado aleatoriamente em uma caixa matriz através da qual o condutor de cobre era guiado. O látex extrudado no orifício da caixa matriz revestia o condutor com uma camada isolante. Tais máquinas tinham uma desvantagem por sua operação não ser contínua e tinha que parar em intervalos regulares para realimentar ou mudar o cilindro. Várias tentativas foram feitas para superar esta limitação resultando finalmente na adaptação do princípio do parafuso na extrusão (FISHER, 1964).

De 1845 aproximadamente até o desenvolvimento dos polímeros sintéticos e do princípio da atual indústria dos plásticos, o processo de extrusão foi confinado à

manipulação do látex, da borracha, do nitrato de celulose. Durante os anos 1920-1930 muitas resinas termoplásticas novas foram desenvolvidas e examinadas do ponto de vista da extrusão. Nos anos 20 houve o início de um grande número de mudanças importantes na indústria da extrusão. A extrusão de pequena escala do acetato de celulose atraía a atenção das empresas tais como os britânicos Xylonite Companhia e Erinoid Ltda. Durante o mesmo período, na Alemanha, a nova resina de poliestireno era experimentada, devido a suas propriedades elétricas proeminentes, e as tubulações rígidas de resinas inflexíveis de vinil estavam sendo fabricado em escala experimental (FISHER, 1964).

Até esta época as máquinas de extrusão usadas para o trabalho experimental e produção eram operadas por matriz ou do tipo parafuso, diferindo pouco das primeiras máquinas que foram projetadas para o látex e a borracha e patenteada por Gray em 1879. A fonte de calor destas máquinas eram a vapor, tal fato mostrou ser um limitador quando se utilizava os novos polímeros ou parafusos curtos (FISHER, 1964).

Uma das extrusoras de parafuso comercialmente disponíveis que tinha sido projetada especialmente para materiais termoplásticos foi desenvolvida por Paul Troester, em 1935. Nesta época Horst Heidrich Berlim produziu sua primeira extrusora para materiais plásticos e alguns anos mais tarde, 1937-1938, Francis Shaw, nos Estados Unidos, produziu também tal máquina. Estas máquinas novas foram equipadas com parafusos mais longos e aquecidas por óleo como meio de transferência ou diretamente por calefatores de resistência elétrica (FISHER, 1964). A Figura 3.18 mostra um desenho esquemático.

Conceitos básicos

Fundamentalmente, o processo de extrusão consiste em converter uma matéria- prima apropriada em um produto de seção transversal específica forçando o material através de um orifício ou de uma matriz sob condições controladas. A fim de este conceito simples possa ter o valor prático, existem determinadas exigências que devem ser satisfeitas a respeito do equipamento e da matéria-prima. O equipamento deve ser capaz de fornecer a pressão suficiente continuamente e uniformemente ao material, e em alguns casos devem também ter meios de amolecer ou de outra maneira de condicionar o material de modo que se torne extrudável. O material deve ser tal que quando acondicionado apropriadamente fluirá sob pressão e solidificará quando estas condições são removidas ou, alternativamente, para solidificar em conseqüência de alguma mudança química que pode continuamente ser causada (FISHER, 1964).

Segundo Fisher (1964), a técnica de extrusão de plásticos podem ser divididas em três classes: extrusão molhada, extrusão rotativa, e extrusão seca.

• Extrusão molhada: a matéria-prima é acondicionada ou amolecida pela adição prévia de solventes, de modo que nenhum outro amolecedor adicional, exemplo o calor, é requerido durante a extrusão. Em alguns casos, este método tem determinadas vantagens sobre a extrusão seca, onde o amolecimento é obtido pelo calor e pela pressão. Com um material como o nitrato de celulose, que é altamente inflamável e perigoso quando superaquecido, é aconselhável para todas as operações manipulativas ocorrerem em uma condição molhada, em temperaturas relativamente baixas e com um mínimo de esforço compressivo e de efeito de atrito. Por outro lado, este tipo de extrusão tem determinadas desvantagens como uma operação especial é requerida na preparação da matéria-prima e os solventes usados geralmente são caros; o produto final não pode tornar-se dimensionalmente estável até a evaporação total dos solventes utilizados; para viabilização de uma planta de produção é necessária a instalação de uma planta de recuperação de solvente que é cara.

• Extrusão rotativa: contém um grande número de furos muito finos através do qual o material sintético filtrado em forma de fibra é forçado pela ação de uma bomba. Esta extrusão é posicionada geralmente no sentido descendente e os monofilamentos, que estão inicialmente na forma de jatos finos líquidos, solidificará em várias maneiras, dependendo da forma requerida do material.

• Extrusão a seco: neste processo somente o calor é utilizado para amolecer o material, podendo usar a força da matriz em que o material é separadamente pré- aquecido para atingir o grau requerido antes de pressionar ou pode ser forçada pela matriz através de uma câmara de aquecimento especial, como um tipo de máquina de molde de injeção.

Zonas da extrusora

Na zona 1 tem-se o funil de alimentação da máquina e no fundo tem-se um furo, aproximadamente do tamanho da entrada da extrusora para a rosca de movimentação. A zona 2 é uma parte da extrusora que está colocada abaixo do ponto de amolecimento do plástico, é geralmente resfriada com água. A zona 3 é aquecida e a temperatura dentro da máquina aumenta da zona 2 para a zona 3. As forças de atrito mudam de sólido seco para um sólido lubrificado e o material se transforma de uma massa de grãos consistente em uma camada de plástico derretido. No fim da zona 3, o plástico está começando a agir como um líquido viscoso e se aproxima da temperatura desejada. Na zona 3, o plástico comporta-se quase como um líquido viscoso. Ele está sendo homogeneizado e aproxima da temperatura completamente uniforme. As medidas da temperatura ao longo do parafuso mostram que em sua ponta o parafuso pode ser aquecido acima da temperatura do revestimento pelo trabalho de atrito (SIMONDS et al., 1952). A Figura 3.19 mostra um desenho representativo de uma extrusora típica.

Figura 3.19 – Seção transversal de uma extrusora mostrando as zonas de aquecimento. Fonte:

Comportamento do material granular

A alimentação do material granular na extrusora pode ser tratada em alguma extensão como um problema de força de atrito exercida pelo tambor e parafuso, o qual causa uma crosta de material sólido ao longo do parafuso. Muitos materiais granulares, flocos, e mesmo pó, são compactados em uma massa consistente logo após a alimentação até passar pela extremidade do parafuso e nenhum corte ou movimento relativo da camada ocorre até que a temperatura do material aproxime do ponto de fusão. Então, durante este estágio inicial, quando o material está sendo aquecido em uma massa consistente, a lei clássica de atrito pode ser aplicada ao movimento da massa e a relação obtida fornece a pressão em algum ponto ao longo do parafuso e mostra o efeito do perfil da rosca no mecanismo (FISHER, 1964).

O movimento do material na extremidade da alimentação de uma extrusora pode ser tratado de uma maneira similar. Considerando as velocidades relativas do material, da superfície do parafuso e da superfície do tambor, uma relação pode ser estabelecida entre a saída, a velocidade do parafuso e o perfil da rosca. Fisher (1964) propõe a seguinte expressão:

4 Œ'1ZKVHQNFRVN– tg . ) (3.3) onde Q é a vazão na saída, D é o diâmetro do parafuso, N é a relação Rev/min do parafuso,

w é o avanço, h é a profundidade da rosca, N é o ângulo da hélice da rosca e . é o ângulo

entre o vetor velocidade do material e a normal ao vetor relativo da velocidade como mostrado na Figura 3.20.

Exigências de calor e potência

Uma das principais funções de uma extrusora de plásticos é elevar a temperatura do material que está sendo alimentado, em geral à temperatura ambiente, até a temperatura na qual o material possa fluir e ser, adequadamente trabalhado para adquirir a forma desejada. É, portanto, necessário fornecer a energia térmica ao material em uma taxa que produza as temperaturas necessárias para esta operação. Além da energia necessária para aquecer o material, uma potência deve ser fornecida ao parafuso para girá-lo de encontro às resistências de atrito e viscosidade do material na hélice do parafuso (FISHER, 1964). A resistência elétrica de indução é o método mais usado para fornecer a energia térmica ao material plástico por condução, o parafuso é conduzido por um motor elétrico ou por um motor hidráulico. Ambos os mecanismos de energia estão intimamente relacionados, visto que, uma alteração na taxa de um produzirá uma mudança no outro, por exemplo, o aumento na temperatura do material plástico diminui a energia requerida para girar o parafuso.

Tempo de residência

Para se aumentar a vazão em uma máquina com um dado diâmetro de parafuso é necessário aumentar a velocidade de rotação do parafuso, como conseqüência, pode ser necessário aumentar também o comprimento do parafuso para se obter um tempo mínimo de residência para o material alcançar a homogeneização completa. Tal fato tem como conseqüência, a potência requerida e o torque. O tempo de residência pode ser calculado a partir da equação (3.4) (FISHER, 1964).

TR = Vs /Q (3.4)