Processamento de Termoplásticos

Processos de Engenharia de Materiais 4

Processamento de Termoplásticos

1. Introdução •

Definição

•

Fatores que influenciam o processamento de polímeros

• Processamento de Termoplásticos •

Moldagem por extrusão

•

Moldagem por injeção

•

Termoformação

•

Sopro

•Bibliografia •Morton-Jones D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, 1993.

Fundamentals, Munic, Hanser Publishers •Oswald T. A Polymer Processing Fundamentals,

CONCEITOS FUNDAMENTAIS Estrutura atômica arranjo eletrônico, composição

Estrutura

Arranjo atômico estrutura cristalina ou amorfa. Microestrutura - tamanho t amanho e formado dos grão, esferulitos, cristais únicos poliméricos.

Extrusão Injeção Calandragem

Macroestrutura

Termoformagem Compressão Moldagem por transferência

Aplicações

Mecânicas óticas densidade

Processamento 

Propriedades

térmica elétrica química

Condições de processamento

Introdução à Materiais Poliméricos 

Definição Classificação dos Polímeros Estrutura molecular Propriedades mecânicas Termoplásticos e termofixos Cristalinidade de polímeros Morfologia Peso Molecular e Distribuição de Peso Molecular Métodos de Preparação • Conceito de reciclagem • • • • • • • •

• Referência bibliográfica: • F. Bilmeyer, Textbook of Polymer Science, Ed. Wiley, 2 ed. 1971. • E. B. Mano, Introdução a Polímeros, Ed. Edgard Blucher, 1985. • Sebastião Canevarolo Jr., Ciência dos Polímeros Um texto básico para tecnólogos e engenheiros, ed. Artliber, 2002.

Vantagens e Desvantagens do emprego de polímeros em Engenharia Vantagens

Desvantagens

Facilidade de conformação                                 

Menor densidade                                  

Alta Resistência à corrosão                                  Isolação elétrica                                  

Isolação térmica                                     

Baixa permeabilidade a vapores                              Baixa resistência à intempéries Transparência Problema de queima (liberação de gases tóxicos)

Propriedades Mecânicas de Alguns Materiais

43,5

Metais

Liga de cobalto

Compósitos

Aço de AR

Epoxi/FC 29,0

Ligas de aço

Epoxi/Kevlar

Tensão

Ligas de Cu-Be Ligas de Niquel

(MPa)

Ligas de Titãnio

Cerâmicas 14,5

SiC

Poliimida/FC

Si3N4 Polímeros Nylon Polietileno

ZrO2 Al2O3

Ligas de Alumínio

Poliester/FV

Ligas de Zinco

Resumo do Comportamento mecânico de Metais, Cerâmica e Polímeros:

Tipo de Material Cerâmica Metais Polímeros Compósitos

σ

Tração Média Alta Baixa Alta

Fratura

Módulo

Impacto

Fadiga

Frágil Dúctil D/F Dúctil

Alto Alto Baixo Alto

Baixa Alta alta

Alta Baixa Média alta

Propriedades Físicas Propridade Física

Material

Densidade (g/cm3)

Polímeros – 0.9 –1.4 Metais – 2.5- 10 Cerâmicas – 3.4 – 6

Condutividade Elétrica (S/cm)

Polímeros – 10-19 – 10-12 Cerâmicas – 10-17 – 10-12 SiC 10-1 a 10-2 B4C – 1 a 2 Metais – 105 Polímeros – 10-4

Condutividade Térmica (Cal/cm.s.K) Corrosão

Resitência à Intempéries

Propriedades Óticas

Cerâmica – 10-1 a 10-4 Metais – 0.5 a 0.05 Polimeros  - Alta Cerâmicos – Alta Metais – Baixa Polímeros – Baixa Cerâmicos – Alta Metais – Alta Pol. amorfos  - Transparentes Polímeros semi-crist. opacos

Condutividade Elétrica de Alguns Materiais 108

Metais P

104

Semi-Condutores

1

Cerâmicas

Condutividade elétrica 10-4 (S/cm)

10-8

tijolo de sílica

Polímeros

10-12 Fenol Formaldeído 10-14

Nylon, Borracha Teflon

10-16 10-20

Polietileno

Cristais SiO2 Al2O3 Diamante Vidro de SiO2

Germânio Silício

O L Í M E R O C O N D U T O R

Cu Alumínio Ferro Aço

Tipo de Material

Aplicações

Propriedades

Cobre

Fio elétrico

Alta condutividade elétrica, boa flexibililade

Ferro cinza Ligas de Aço

Bloco de motores de automóveis

Boa resistência à temp, à vibração

Quadro de bicicleta

Excelente propriedades mecânicas

Vidro

Boas prop. óticas e térmicas

Refratários para moldes metálicos

Isolante térmico, Alta temperatura de fusão,material inerte

Titanato de Bário

Transdutores para aparelhos eletrônicos

Prop. Piezoelétrica –transformação de energia mecânica em elétrica

GaAs Silício

Sistemas de fibra ótica

Converte sinal elétrico em luz

Transistores e circuitos integrados

Comportamento elétrico

Metais

Cerâmicas SiO2-Na2O-CaO Al2O3, MgO, SiO2

Semicondutores

Polímeros e compósitos poliméricos Polietileno Epoxi

Embalagem de alimentos

Filme fino, flexível e transparente

Encapsulamento de circuitos integrados

Bom isolamento elétrico eboa resit. À intempéries

Epoxi-fibra de carbono

Componente aeronáuticos

Alta resistência, baixo peso

ESTRUTURA MOLECULAR NO ESTADO SÓLIDO

Amorfo

Semicristalino

Tg

Tg e Tm

Estrutura esferulítica de um polímero resfriado a partir do fundido

Relação Estrutura - Propriedades - Processamento Em Polímeros Semicristalinos

Morfologia dos Cristais

Esferulito

Método de Obtenção

Parâmetros Estruturais

Controle dos Efeito nas Efeito nas Efeito nas Parâmetros de Propriedades Dimensões Propriedades Processamento Mecânicas das Peças Óticas Fração Maior Menor rigidez menor volumétrica velocidade de menor módulo densidade, maior de cristais resfriamento Maior maior transparência (Vc) Menor Vc Tenacidade volume Resfriamento livre a partir do maior fundido Maior tenacidade, maior Tamanho do velocidade de maior Nenhum transparência Cristal (Tc) resfriamento resistência Menor Tc mecânica

Técnicas de processamento de polímeros

Termoplástico

Elastômero

Termofixo

Temperatura

Reação química

e pressão

substância de Baixa MM

Solúveis e fusíveis

Polímero reticulado

Re-processados Temperatura de uso restrita a Tg/Tm Reciclagem

Insolúvel e infusível maior estabilidade dimensional

Termofixos ou termorígidos

Rede tridimensional

Reologia - Ciência que estuda o fluxo e a deformação da matéria

Fluido de lei das potências

η

= m γ  γn-1  

m - é a consistência n índice da lei das potências η

- viscosidade

Variação da viscosidade de termofixos durante o processamento tempo gel

Resina epoxi

Moldagem por injeção Características do processo • Processo empregado para termoplásticos ou termofixos; •Produção de peças pequeno a grande porte; •Processo intermitente, alta produção, peças com excelente acabamento

superficial e de formatos complexos, custo de mão-de-obra é relativamente baixo, o processo pode ser automatizado, peças requerem pouco ou nenhum acabamento e as peças podem ser moldadas com insertos metálicos Os moldes são muito caros, a qualidade das peças é depende dos parâmetros de injeção; •Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.

Máquinas de moldagem por injeção Êmbolo

Os elementos da Unidade de Injeção são : - Funil de Alimentação; - Canhão (Cilindro); - Válvula de Não-Retorno (na extremidade da rosca); - Bico de Injeção; - Aquecimento do Canhão; -Guia e Acionamento da Unidade de Injeção.

Máquinas de moldagem por injeção por parafuso

Principais Elementos de Injetoras Horizontais

Em geral, as máquinas de moldagem de injeção consistem de quatro entidades funcionais: 1.

Unidade de Injeção

2. Unidade de Fechamento 3. Acionamento Hidráulico 4. Sistema de Controle

Relação L/D da rosca pequena: Rosca (Parafuso) -menor tempo de residência no cilindro, •plastificar - ocupa menos e injetar espaço. materiais poliméricos. - requer menos torque para movimentar a rosca (motor menos potente) •Transporte -menor custo eficiente inicial(baixo de investimento tempo de residência); e para substituição de peças. •Efetiva capacidade de plastificação e mistura (assegurar homogeneidade de temperatura e aditivos); -Relação L/D da rosca grande: •Boa - permite capacidade uma maior de limpeza; produção. - produção mais uniforme e maior mistura. - a rosca fornece maior pressão.- maior plastificação com menor cisalhamento e maior condutividade térmica do cilindro.

Rosca para Termofixos Roscas para processamento de termofixos têm menor profundidade de filete e são utilizadas sem válvula de não-retorno. Seu design  deveria prevenir o aquecimento do material curável indevidamente por cisalhamento para evitar a reação no espaço entre os filetes. As roscas para termofixos são mais curtas que para termoplásticos. A razão L/D é de 12:1 a 15:1.

Rosca para Elastômeros Elastômeros têm sido processados em máquinas de moldagem por injeção desde o início da década de 60. Enquanto que no transporte de material não surge nenhum problema, o perfil de temperatura e o tempo de residência apresentam dificuldades. Eles devem ser selecionados de tal maneira que o composto de borracha não vulcanize prematuramente nos filetes, no espaço na frente da rosca ou no bico.

Válvulas de Não-Retorno Previne o retorno do material plastificado, devendo apresentar as características: - alta eficiência - curto tempo de fechamento - alta resistência mecânica -auto-limpante A eficiência das válvulas de não-retorno situa-se na faixa de 95 a 97 % em relação ao volume plastificado previamente. 3 a 5 % do material flui de volta em direção ao funil quando a válvula estiver fechada durante a fase de injeção e recalque.

Bico de Injeção O bico de injeção se ajusta na bucha de injeção do molde. O bico de injeção é forçado contra a bucha de injeção do molde antes da injeção produzindo uma força de fechamento onde se evitam vazamentos.

Bicos Abertos Os bicos abertos usualmente têm um único canal que vai afilando na direção o fluxo. Levando-se em consideração somente o fluxo, o bico aberto é o de melhor solução pois têm a menor queda de pressão e o menor comprimento.

Bicos Fechados Os bicos fechados são utilizados para evitar vazamento do fundido e tornar possível a plastificação com o canhão recuado.

O Bico deslizante é aberto pela força aplicada na unidade de injeção contra o molde. Este bico fecha automaticamente quando a pressão é aliviada durante o recuo da unidade de injeção.

2. UNIDADE DE FECHAMENTO Funções da Unidade de Fechamento •Fixar o molde e movimentá-lo durante a abertura e fechamento; •Manter o molde fechado e travado durante as etapas de injeção e recalque; •Providenciar a ejeção das peças; •Mecânica e Hidráulica.

...

n E  A∆L

= F 

onde: L F: Força de Fechamento (kN) N: Número de Colunas (usualmente quatro) E: Módulo de Elasticidade do Aço (210 kN/mm2) A: Área da Seção Transversal da Coluna (mm2) ∆L: Elongação das Colunas L: Comprimento das Colunas

b) Fechamento Hidráulico O êmbolo de acionamento hidráulico é diretamente responsável pela movimentação do molde e pela requerida força de fechamento.

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Melhor controle da força de fechamento Melhor controle do posicionamento da placa móvel Velocidade de fechamento da placa móvel apresenta-se mais constante Maior consumo de energia, principalmente para manter o molde travado

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As pressões envolvidas são da ordem de 140 a 200 MPa.

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Moldes Os moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) até US$ 2.000.000,00 (moldes para peças automotivas). Os moldes são fabricados com materiais de alta dureza e resistência à degradação por fricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço são alguns materiais usados.

Moldes de duas placas Sistema de canais  -  polímero flui

até chegar na cavidade do molde.

i) aumentar a velocidade de resfriamento em pontos localizados, ii) aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidade do polímero para preencher o molde e iii) facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.

Moldes de três placas

Evitar perda excessiva de material, elimina-se estes canais que pode ser feita através da injeção direta. Injeção com câmara quente. No sistema de canal quente todo sistema de alimentação ou parte dele é mantido aquecido de forma que o material permaneça preparado para entrar no molde no próximo ciclo de injeção. Vantagens : • ciclo mais rápido, •redução de perda de refugos, • eliminação de separação da peça e maior qualidade do injetado. Desvantagens: custo do equipamento maior

FASE DE CONFORMAÇÃO

A taxa de cisalhamento alcança valores de 104 s-1

No processo de injeção, a conformação do material na cavidade do molde pode ser dividida em três etapas: : o polímero é empurrado para 1 – Fase de preenchimento do molde  as cavidades do molde, preenchendo. O material ainda está quente e completamente expandido e após seu resfriamento o polímero irá encolher. Nesta etapa há envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessária para preencher totalmente o molde. 2 – Fase de pressurização ou compactação  : é necessário forçar

mais material para dentro do molde para que a peça mantenha um volume constante. Normalmente, a pressão de injeção nesta fase é máxima e é enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento. 3 – Fase de recalque ou compensação  : ocorre envio restante de

polímero, se necessário para compensar a contração de material. Além disso, a massa polimérica é mantida sob pressão dentro do molde para que não ocorra retorno de material.

EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NA QUALIDADE DA PEÇA INJETADA

Parâmetros que afetam a qualidade

Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque

Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque

Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde

Pressão temperatura

Propriedades afetadas

Propriedades mecânicas

Precisão dimensional

Qualidade superficial

Outros aspectos

Qualidade das peças injetadas

CAPACIDADE DE INJEÇÃO Quantidade de material que uma máquina é capaz de injetar em um ciclo. O PS é utilizado como material padrão.

Peso total de moldagem (PM) Quantidade necessária de polímero para injetar uma peça, sendo possível quando CI > PM

É possível injetar uma peça de 170 g de PEBD em uma injetora com capacidade de 180 g?

NÃO SERÁ POSSÍVEL INJETAR A PEÇA NESSA INJETORA

CAPACIDADE DE PLASTIFICAÇÃO (CP)

Quantidade máxima de material padrão que uma máquina consegue fundir/amolecer por hora para ser conformado. Normalmente deve-se usar 80 % da capacidade da máquina

Cálculo do tempo de ciclo de injeção (TC)

Considere uma injetora com capacidade de injeção e plastificação de 120g de PS e  8 Kg/hora. Um estagiário quer injetar uma peça de 90g de PP. Verifique se há possibilidade de usar esta máquina. Quantas injeções serão feitas por hora e qual é o tempo de ciclo?

Termoformagem Características do processo

• Processo empregado para termoplásticos; •Produção de peças pequeno a grande porte; •Processointermitente, Processointermitente, alta produção, peças com excelente acabamento

superficial e de formatos complexos; •Aplicações na industria i ndustria automobilística, eletro-eletrônica, naval,

aeronáutica. •Alto custo de produção dos moldes.

Termoformagem

Termoformagem

Termoformagem

Moldagem por compressão

Seqüência de operações na moldagem por compressão

Moldagem por transferência Características do processo • É um processo empregado para termofixos. •Forçar o material termorrígido por meio de um êmbolo, de uma

cavidade de carga, através de um canal alimentador, a uma cavidade de moldagem aquecida. •Produção de peças complexas, bom acabamento superficial, alta

produção. •ciclos de moldagens curtos, menor custo de acabamento.

Desvantagens  •Maior custo do ferramental •perda de material, tensões residuais internas no moldado.

Representação do processo de moldagem por transferência

Estágios de moldagem por transferência

Moldagem por Sopro

Figura 27 – Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a) extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d) estiramento, sopro e resfriamento e (e) extração.

Figura 28 – Representação do processo de sopro via injeção em máquinas que sopram o frasco logo após a injeção da pré-forma.

Moldagem por extrusão Características do processo

• Processo empregado para termoplásticos e elstômeros termofixos; •Processo bastante utilizado na produção de chapas, filmes, tubos,

sacos, cobertura de arames. •Processo contínuo, alta produção, baixo custo, peças com excelente

acabamento superficial;

Seqüência do processo de injeção

1 2

3

1 - Funil de alimentação; 2 - Sistema motriz; 3 - Cilindro; 4 - Sistema de aquecimento resfriamento;

Rosca

Sistema de tela ou disco quebra fluxo

Cabeçote ou Matriz

Extrusão de chapas e filmes planos

Influência das condições de processamento por extrusão  de chapas na estrutura e propriedades de polímeros

• Temperatura de processamento, •Taxa de cisalhamento (velocidade da rosca) •Temperatura da calandra, •Velocidade de puxamento da chapa, •Abertura da calandra

Extrusão de Filmes

Coextrusão