Processamento de Pol_meros Topicos - Extrusao[1]

II) Extrusão -Introdução -Extrusora mono rosca -Características -Mecanismo de fluxo -Análise quantitativa de fluxo -Processos ps-extrusão -!efeitos de extrudados -Extrusoras com dupla rosca -Extrusora co-rotacional -Extrusora contra-rotacional -Exemplos de aplicação -Comparativo entre extrusoras

"i#lio$rafia Específica Extrusão %A!M&'( *+ ,EI.( I*  Engineering Principles of Plasticating Extrusion( /an .ostrand 'ein0old Compan1( Compan 1( 2345* 'A67E.!A( C*  Polymer Extrusion( 8anser Pu#lis0ers( 239:* 78I%E( ;* * Twin Screw Extrusion: Technology and Principles,  8anser Pu#lis0ers( 2335* * =%E/E.=( M*;* ? C&/A=( ;* A*  Extruder Principles and Operation ( C0apman ? 8all( 233@* '&=A%&( !*/* (  Extruding Plastics.  practical processing hand!oo", hand! oo", C0apman ? 8all( 233@*

"i#lio$rafia eral Extrusão MI!!EMA.( =* #undamentals of Polymer Processing ( McraB-8ill ( 2344* %A!M&'( * ? &&=( C**  Principles of Polymer Processing ( ;o0n 7ile1 ? =ons( Inc*( 2349* C'A7&'!( '*;*  Plastics Engineering ( Per$amon Press( 2394* &C&7E'( I* M*+ %A!M&'( *  $ixing and %ompounding of Polymers: Theory and Practice( 8anser Pu#lis0ers( 233D* 'A67E.!AA( C*  $ixing in Polymer Processing ( Marcel !eer( Inc*( 2332* 'A&( .*=* &esign #ormulas for Plastics Engineers ( 8anser Pu#lis0ers( 2332* "I'EF( A*+ 8A7&'%8( "*+ "A%C8E&'( ;*  Physics of Plastics: Processing,  Properties and $aterials Engineering ( 8anser Pu#lis0ers( 233>*

Extrusão - Introdução APICAGHE= produtos contínuos %u#os( diversos perfis* ilmes*

'eco#rimentos de ca#os*

Extrusão - Introdução Extrusão J K um processo contínuo que consiste em transportar, fundir  e  for'ar  so! press(o o polímero no estado líquido Lfundido) atravKs de uma matri)   para produir uma seção ou perfil com forma e comprimento deseNado

Constituição de uma extrusora funil( cilindro L#arril)( rosca ou pistão e matri *

Extrusão Extrusora com rosca simples Lmono rosca) Características onas de processo da rosca

Pressão deve oscilar o mínimo possível

A redução na altura do filete da rosca aumenta a pressão que auxilia no #om#eamento do fundido atravKs da matri

Extrusão ParOmetros que caracteriam uma rosca

Ângulo da hélice θ igual a zero, Vo coincidente com eixo z.

V H

P1

H

P2

Assumindo: a)Fluxo laminar  !)"sotérmico c)#$o h% escorregamento na &arede d)Fluido #e'toniano e incom&ress(el e)For*a graitacional des&rez(el e +)scoamento &lenamente desenolido. Ainda, assumindo -ue n$o h% +luxo em x e  / x 0  0 ) e somente em z /z +un*$o de  somente), temos -ue: omo a &ress$o é +un*$o somente de z e a tens$o é somente +un*$o de , isto s3 é &oss(el se am!os s$o igual a uma constante. Portanto o gradiente de &ress$o é constante e cresce linearmente com z e sendo τz dado &ela e-ua*$o a!aixo:

/2.42)

V = z

+luxo de arraste

V  1 dP − . ( H −  H 2η dz 1

2

)

/2.66)

Fluxo de contra5&ress$o

"ntegrando a e-ua*$o 2.46, o!tém5se a az$o olumétrica, 7.

Fluxo de contra5&ress$o Fluxo de arraste

onsiderando o 8ngulo da hélice, θ, di+erente de zero.

Figura a

onsiderando o canal com 8ngulo θ di+erente de zero. A elocidade do +luido na &arede do !arril V ! ser%: V ! 0 π9 ! # nde: 9 ! 0 di8metro do !arril e # a rota*$o da rosca em ;P0 1), deido a exist?ncia de &aredes /+ilete), reduzindo a az$o.

Figura 2.@

/uz)

ξ = BH χ= xBC uz 0 zBV !z

Figura 2.D

+ici?ncia de descarga m%xima &ara 7 & 0  /!aixa mistura e homogeneiza*$o). 7 & 0 7d, todo +luido em&urrado &ara +rente retorna &ela contra5&ress$o /m%xima circula*$o e az$o nula).

7 & 0  @7 & 0 7d @7 & 0 27d 7 & 0 7d

Ponto de &era*$o da xtrusora de ;osca Eim&les

9etermina*$o das condi*es de o&era*$o da extrusora

Gcaracter(stica da rosca /-ua*$o linear)

.Fd

.F&

Pontos o&eracionais da extrusora com!ina*$o de 2.61 e 2.62

/-uando as iscosidades s$o di+erentes /extrusora e matriz)

+eito da di+eren*a de iscosidades na az$o da extrusora

ImBI !

onsiderando esca&e &ela +olga da rosca com !arril

δ +   @ e µ   + J =    +  H   C µ + 

 1 + e  1 + e ' − 6µV !z ( H − δ+  )       C   tan 2 θ H @ ( ∂P B ∂z )  @

µ  H   e 1 + +     µ  δ+      C

µ+  é a iscosidade do +luido -ue &assa &ela +olga e µ a iscosidade do +luido no canal.

Pontos de o&era*$o / A, B, C e D) &ara di+erentes geometrias e di+erentes matrizes anal &ro+undo

K grande

anal raso

K &e-ueno

Extrusão Mecanismo de fusão durante o fluxo

Extrusão onas de processo de um extrusora mono rosca com de$asa$em

Extrusão %ipos de roscas

Extrusão

 Placa perfurada *ou +ue!rafluxo- /rea"er plate e screen pac"0 

unçes 2) Evitar a passa$em de material estran0o Limpureas( $rãos slidos( etc*)+ >) Elevar pressão no ca#eçote+ Q) Minimiar memria elástica+

Extrusão /rea"er plate e screen pac"0 

Extrusão %ipos de mistura distri#utiva e dispersiva

Extrusão

Elementos de Mistura

Extrusão Elementos de mistura dispersiva

Extrusão Elementos de mistura distri#utiva

Extrusão Mecanismo de fluxo extrusora mono rosca Mecanismo de transporte duas condiçes extremas 2) & material adere na rosca e deslia no cilindro* =o# estas condiçes a rosca e o material $iram como um cilindro slido e portanto não ocorre transporte* >) & material adere no cilindro e deslia na rosca* =o# estas condiçes 0á uma tendRncia do material ser transportado axialmente* .a prática ocorre fricção do material na rosca e no cilindro e o principal mecanismo de transporte neste caso K o fluxo de arraste * &s fluxos contrários ao de arraste são as componentes de  fluxo de press(o , $erada pelo $radiente de pressão ao lon$o da extrusora e a componente de   fluxo de escape ou de fuga , devido a fol$a existente entre o topo do filete da rosca e o cilindro*

Extrusão Análise quantitativa de fluxo luxo total S fluxo de arraste - fluxo de pressão - fluxo de escape 8ipteses viscosidade constante( fluxo isotKrmico ao lon$o da lar$ura do filete LCraBford( '*;*) luxo de arraste

T

2 d

>

>

>

! .8 sen cos

& fluxo de arraste depende 5 diOmetro da rosca L!>) 5 velocidade da rosca L.) 5 profundidade do canal L8) 5 On$ulo do filete L )

% 0 tensor das tenses.  p 0 &ress$o isost%tica /no caso de +luidos em moimento este termo n$o tem im&ort8ncia.) σ = tenses normais e cisalhantes δ = delta de KronecLer, tensor unit%rio.

Extrusão luxo de pressão Q > !8 sen dP T * p 2> d-

& fluxo de pressão depende 5 dimenses da rosca Lespecialmente 8Q) 5 $radiente de pressão LdPUd) 5 viscosidade do fluido L )

Extrusão luxo de escape >

T

-

!>

2> e

& fluxo de escape depende Q

tan

dP

5 dimenses da rosca Lespecialmente

d-

5 $radiente de pressão LdPUd) 5 viscosidade do fluido L )

& fluxo de escape K importante principalmente quando ocorre des$aste e o espaço entre o topo do filete e o cilindro K aumentado*

Q

)

Extrusão luxo total S fluxo de arraste - fluxo de pressão - fluxo de escape T

2 >

>

Q

!8 sen

>

! .8 sen cos

>

2>

> Q

dP

!

d-

2> e

tan

dP d-

Caso 2 =e PS5( ou seNa( sem matri e despreando o fluxo de escape T

T

2 máx

>

>

! .8 sen cos

> Caso > =e P no final da extrusora K suficiente para tornar TS5 e i$norando o fluxo de escape P

P

máx

: !-. >

8 tan

Extrusão A vaão na matri depende da pressão de entrada T

T

T

,P

2 máx

>

>

&nde , 

' D 9 -m

para matri capilar de raio ' e comprimento  m

>

! .8 sen cos

P

P

máx

: !-. >

8 tan

Extrusão =implificação da equação total de T para parOmetros $eomKtricos fixos representados por e  T

.

P

As principais variáveis da extrusora são 5 velocidade da rosca L.) 5 pressão na extremidade LP) 5 viscosidade do fundido L )

Extrusão Ponto de operação com#inação do fluxo na extrusora com o fluxo na matri( i$norando o fluxo de escape

T

2 >

>!>.8 sen

!8 Q sen > dP

cos

2>

d-

!>

Q

2> e

Pressão no ponto de operação

P

op

> ' D U >-

!> .8 sen cos m

!8 Q sen >

U Q-

tan

P

' D

- 9 -m

P

Extrusão 'elação T< P

Extrusão 'elação T < P Lfluido não neBtoniano)

L70ite( ;**)

Extrusão EficiRncia volumKtrica da extrusora /elocidade axial /a 

/a

! tan *.

/elocidade paralela ao filete /d  /d

/a sen

!. tan sen

/aão ideal Ti  S /d x área da seção cruada dos filetes !. tan >!>.8 tan Ti 8!tan *cos sen EficiRncia volumKtrica considerando o fluxo de arraste K função Vnica de  T T

i

máx

2 >

cos>

Passo S diOmetro =e

 S 24(::W  S25W

 eficiRncia S D@(DX

 eficiRncia S D9(@X

Extrusão %axa de cisal0amento para diferentes elementos de roscas

.

γ = π9# cos θ h

Elementos

Taxa de cisalhamento (s -1)

60 rpm Mín. Máx.

100 rpm Mín. Máx.

150 rpm Mín. Máx.

200 rpm Mín. Máx.

Passo (mm)

 Ângulo (graus)

42

26,69

19

1174

31

1957

47

2936

63

3915

28

18,38

20

1233

33

2054

49

3082

66

4109

20

13,31

21

1258

34

2096

50

3145

67

4193

Extrusão Processos ps extrusão perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*)

Extrusão Processos ps extrusão perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*) Matries

Extrusão Processos ps extrusão perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*) Cali#radores

Extrusão

Processos ps extrusão perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*)

Extrusão Processos ps extrusão revestimentos de fios

Extrusão Processos ps extrusão revestimentos de fios - matries

Extrusão Processos ps extrusão filme plano mono-orientado

Extrusão Processos ps extrusão filme plano - matries

Extrusão Processos ps extrusão filme plano mono-orientado

Extrusão Processos ps extrusão fiação por fusão L melt spinning ) Produção de fi#ras e monofilamentos sintKticos para uso em tRxteis* Materiais .1lon( PE% e PP  Spinaret 1 matri) com v2rios furos

Possíveis pro#lemas de ori$em reol$ica draw resonance, shar"s"in.

Extrusão Processos ps extrusão filme tu#ular L#i-orientado)

atores que influenciam espessura do filme Pressão do ar interno /elocidade de tira$em A#ertura da matri 'aão de sopro da matri

 do #alão U

na

Extrusão Matries J filme tu#ular Característica da matri espiral #aixa pressão e excelente distri#uição do melt( sem lin0a de solda

&"= para o PP o #alão K invertido taxa de cristaliação lenta*

Extrusão Co-extrusão filme com várias camadas

Extrusão Pro#lemas de fluxo Ldefeitos no extrudado) resultam da com#inação das propriedades de fluxo do fundido( proNeto da matri e condiçes de processamento* 2) ratura do fundido L melt fracture)   ocorre acima de uma taxa de cisal0amento crítica* eralmente a distorção ocorre por causa do mecanismo de slipstic" entre o fundido e a parede da matri devido a altas taxas* 6m aumento de temperatura ou da raão U! da matri pode elevar o valor da taxa de cisal0amento crítica*

Extrusão ratura do fundido Lmelt fracture)

Extrusão ratura do fundido Lmelt fracture)

"retas( '*E*=*

Extrusão >) Pele de cação Lshar"s"in) defeitos superficiais que ocorrem perpendicular ao fluxo( K função linear da vaão* & mecanismo mais provável está relacionado Y diferença entre as velocidades dentro e fora da matri Lquando o extrudado emer$e ocorre rápida aceleração da camada da pele em relação as demais)*

& fundido K viscoelástico( a componente elástica permite o aparecimento de tenses prximas da superfície( lo$o essas forças superam a tensão do fundido e a superfície ras$a-se( li#erando tenses*

Extrusão Q) Inc0amento do extrudado L die swell )   ocorre principalmente devido a recuperação elástica provocada pela deformação sofrida pelo fundido dentro da matri* A recuperação K dependente do tempo( portanto matri com comprimento curto pode ter maior inc0amento

! ext inc0amento " ! mat

Extrusão Equação proposta por Co$sBell para calcular die sBell Q

" >

> Q

' 

2

2 > ' 

>

2 Q ' 

&nde " S !extU!mat em capilar com  Z 2:+ '   - deformação cisal0ante recuperável*

Extrusão Inc0amento do extrudado L die swell )

"retas( '*E*=*

Extrusão Inc0amento do extrudado L die swell )

!r JdiOmetro #arril !c J diOmetro do capilar

"retas( '*E*=*

Extrusão D) !raB resonance   acontece em processos onde o extrudado K suNeito a fluxos extensionais em superfícies livres( como extrusão de filme tu#ular( fiação de fi#ras e sopro* & pro#lema ocorre quando a resistRncia a deformação extensional K reduida com o aumento do nível de tensão* A quantidade total de massa entre a matri e o puxador pode variar com o tempo( pois( mesmo o puxador tendo velocidade constante as dimenses do extrudado podem variar*

Extrusão @) !raBdoBn deformação imposta no extrudado( parcialmente solidificado* &corre quando a velocidade dos puxadores L/0) excede a velocidade de saída do material na matri L/d)* Este efeito K importante na produção comercial de filmes e fi#ras altamente orientados*

Extrusão Extrusoras com dupla rosca 'aes para o desenvolvimento destas máquinas conse$uir maior eficiRncia no transporte do material do funil atK a saída na matri+ atin$ir velocidades mais altas e constantes+ maior pressão na matri e mel0or ação de mistura* Característica deseNável transporte [positivo\ do material Lação de Rm#olo)( sem influRncia de componente contrária e independRncia dos coeficientes de atrito do material com a rosca e o cilindro* Principais usos MProdução de compostos+ MProdução de concentrados Lmaster#atc0es)+ MMistura L#lendas( compsitos( nanocompsitos)+ M!e$asa$em+ MProcessamento reativo Lpolimeriação+ compati#iliação in situ+ enxertia+

Extrusão Extrusora com dupla rosca movimentos das roscas no mesmo sentido e em sentido contrário

Extrusão Extrusora com dupla rosca movimentos das roscas no mesmo sentido e em sentido contrário /anta$em diferentes confi$uraçes

Extrusão Possi#ilidades no arranNo das roscas

Extrusão Extrusora com dupla rosca com movimentos na mesma direção J corotacional  & sistema co-rotativo a$e por forças radiais de cisal0amentoUplastificação Principais Características luxo positivo LRm#olo)+ ol$a entre roscas pequena+ Movimento do material na forma de oito Lradial)+ Auto limpante+ Permite elevadas velocidades+ Permite diferentes confi$uraçes+ Alimentação do material em diversas posiçes+ Custo alto

Extrusão Extrusora com dupla rosca modular co-rotativa

Extrusão Extrusora com dupla rosca modular co-rotativa Principais características de processo M

 Incorporar e 0omo$eneiar aditivos sem promover de$radação+

M

erar altas tenses de cisal0amento para dispersão de particulados( pi$mentos e fases+

M

%ransporte positivo do material+

M

Características auto-limpante das roscas+

M

%empos de residRncia curtos+

M

!istri#uição de tempos de residRncia estreita+

Extrusão Extrusora com dupla rosca modular co-rotativa

Extrusão Análise qualitativa de elementos de rosca LE') Elementos

Característica Passo direito e lar$o

Capacidade de %ransporte Alta e rápida

Passo direito e curto

Alta e lenta

Passo esquerdo

Componente de contrapressão

Extrusão

Aumento de pressão local $erada pelo uso de E'E posicionado na frente de elementos E' ou EM

EM com On$ulos dos discos defasados em ASQ5 o+ "SD@o+ CS:5o e !S35]*

Extrusão InfluRncia dos On$ulos entre discos adNacentes

Elementos

Característica

Mistura

Capacidade de %ransporte

.eutro L35])

Alta

"aixa

Passo direito LQ5])

MKdia

Alta

Passo esquerdo LQ5])

MKdia Lpoço fundido)

Componente de contra-pressão

Extrusão InfluRncia da lar$ura dos discos Elementos

Característica

Mistura

Cisal0amento

!iscos lar$os

"aixa

Alto

!iscos mKdios

MKdia

MKdio

!iscos estreitos

Alta

"aixo

Extrusão  Confi$uraçes de rosca

Extrusão Capacidade de descar$a LT) L'auBendaal( C*) As E!'cor-%I( na maioria das vees( operam com canais parcialmente c0eios Lcondição starved0 )* Isto ocorre em maior freq^Rncia nas seçes da máquina compostas exclusivamente por elementos de rosca com passo direito LE')* .estas seçes( o fluxo de arraste máximo LT d) K dado pela se$uinte relação

L>nf  2) T !78Cd. cos d >

&nde nf  J K o numero de filetes da rosca+ ! J o diOmetro do #arril+ 7 J lar$ura do canal+ 8 J profundidade do canal+ d J fator de forma para o fluxo de arraste+ . J K a velocidade de rotação das roscas+  - o On$ulo do filete*

Extrusão Capacidade de descar$a LT) L'auBendaal( C*) Por causa do enc0imento parcial( a alimentação real LT) K sempre menor que LTd)* Assim( tem-se  Evolução da pressão

T

Td

&nde  K o fator de enc0imento ou $rau de enc0imento L )

=eçes c0eias e outras semipreenc0idas Lstarved )

Extrusão Capacidade de descar$a LT) total do elemento de rosca L'auBendaal( C*) luxo total S fluxo de arraste - fluxo de pressão pressão

L>nf  2) T !78Cd. cos d >

>n

f 

2

78 Q

dp

2>

dM

Cp

&nde   - K a viscosidade do fluido+ dpUd J K o $radiente de pressão na direção do canal+  p J K o fator de forma para o fluxo de pressão* &s demais parOmetros são idRnticos aos da equação anterior

Extrusão

Extrusão Capacidade de descar$a LT) para elemento com passo esquerdo L70ite( ;**) T d

L>nf  2) !78Cd. cos >

>n

f 

2

78 Q dp 2>

dM

Cp

Extrusão  /aão influRncia da velocidade e pressão

Extrusão a) MecOnica do fluxo em uma extrusora dupla rosca co-rotacional e totalmente interpenetrante* #) Mudanças no perfil de velocidades na ona intermediária das roscas*

a)

#)

Extrusão %empo de residRncia re$ião definida*

Estudo do tempo de residRncia   tempo que o material leva para passar atravKs de uma Princípio da tKcnica [resposta a um estímulo pulsado\ uma quantia fixa de traçador K adicionada instantaneamente ao sistema e sua concentração K medida em função do tempo no fluxo de saída*

Aplicaçes na en$en0aria de polímeros avaliar o desempen0o de extrusoras utiliadas como reator para polimeriação( modificação química( compati#iliação e como equipamento de mistura

Extrusão Equaçes envolvidas Ct

!%' E t

C t dt 5 t t

A!%'  t

E t dt

5

C t dt

5

C t dt 5

%empo de residRncia mKdio

t

tCLt)dt 5

/ariOncia

>

Lt t )> ELt)dt

CLt) 5

Extrusão Exemplo Alimentador 

2onNunto desen)ol)ido &ara medidas 9I;: dis&ositi)o 3tico matriz ca!e*ote e re+rigera*$o.

Funil de alimenta*$o

élula Fotocondutia Press$o .anocomposites #1 Extruder Processin$ ,illion =in$le =creB

;apan =teel 7ors Co 'otatin$ %Bin =creB

 3. R. &ennis, &. 4. 3unter   Southern %lay Products  5. 6. %ho, &. R. Paul  The 7niversity of Texas at ustin  &. %hang, S. 8im, 5. 4. 6hite The 7niversity of "ron

Extrusão eistrit Counter 'otatin$ Intermes0in$

Extrusão eistrit Counter'otatin$ .on-Intermes0in$

Extrusão

Estudo de caso - >

Extrusão

 =in$le =creB

Co 'otatin$( Medium =0ear

Co 'otatin$( oB =0ear

%an$ential( Medium =0ear

Extrusão TE is#esion s ean "esidence Time 30

25

20   o    i   s      e   #   s 15    i    2        E    T 10

+o " +nt  +nt -

5

0 0

20

40

$0

80

100

ean "esidence Time

120

140

1$0

180

Extrusão Estudo de caso - Q [Morp0olo$1 !evelopment of in situ Compati#ilied =emicr1stalline Pol1mer "lends in a Co-'otatin$ %Bin-=creB Extruder\  3erv9 %artier and uo3ua 3o *Pol. Eng. ; Sci. , ?o.@, A>>>-

"lendas e Composição PPUPA-: L95U>5)+ PPUPA-:UPP-$-MA L:5U>5U>5) PPL%mS2:QWC)+ PA-:L%mS>>2WC)

Extrusão

Extrusão

Extrusão

Extrusão

Extrusão &utros exemplos formação morfolo$ia em #lendas

L&ssBald( %*A* + Men$es(  .)

de

Extrusão Extrusora com dupla rosca com movimentos contrários J contrarotacional  & sistema contra-rotativo a$e por forças axiais de cisal0amentoUplastificação Principais Características luxo positivo LRm#olo)+ ona de alta pressão Lentrada da matri)+ Movimento do material na forma de C+ Permite diferentes confi$uraçes+

Extrusão Extrusora com dupla rosca com movimentos contrários J contrarotacional 

Extrusão luxos de escape

Capacidade de descar$a LT) L"irle1( A*7*) T

>m

.78L ! 8 )

T

c

T

2 s

m

LT

f 

T ) t

=endo > J n] de roscas+ m J nVmero de espiras+ . J velocidade+ 7( 8 e ! J parOmetros $eomKtricos da rosca+ Tc( Ts( Tf e Tt J fluxos de escape Lsão funçes de PU )