Relatório Extrusao - Processamento e Simulação de Polímeros

Universidade Federal do ABC

EN3816 –  Simulação  Simulação e Processamento de Polímeros

Prática 01  –  Determinação  Determinação dos Parâmetros de Extrusora de Rosca Simples. Alexandre Silveira

RA 11050409

Ana Beatriz

RA 11

André Moraes

RA 11096509

Cristiane Vilas Boas

RA 11

Daniel Belchior Rocha

RA 11

Lucas Piquini

RA 11

Vanessa Peranton

RA 11095609

Viviam Serra Marques Pereira

RA 11

Prof. Dr. Suel E. Vidotti / Prof. Dr. Danilo J. Carastan

Santo André

Agosto 2014

Sumário Resumo ............................................................................................................................................. 3 Objetivos .......................................................................................................................................... 4 1. Introdução ................................................................................................................................. 4 2. Materiais e Métodos .................................................................................................................. 6 3. Resultados e Discussões............................................................................................................ 8 4. Conclusão................................................................................................................................ 15 5. Referências Bibliográficas: ..................................................................................................... 16

Resumo

Objetivos Este trabalho teve como objetivo obter informações sobre os parâmetros de extrusão para o Polietileno de Alta Densidade (PEAD) por meio de estudos realizados utilizando plastômetro  para determinação do índice de fluidez e viscosidade do polímero, assim como determinar a vazão e a queda de pressão na extrusora de rosca simples.

1. Introdução 1.1. Índice de Fluidez A medida do índice de fluidez (MIF, ou simplesmente IF), também conhecida como MFI (Melt Flow Index), foi desenvolvida por W. G. Oakes, na Inglaterra, durante o início da  produção comercial de polietileno. Ele fornece um índice de processabilidade para polímeros termoplásticos fundidos, que geralmente é inversamente relacionado com seu peso molecular e sua viscosidade. O método baseia-se na medida da taxa de fluxo de um polímero, sob determinada temperatura, através de um orifício de dimensões específicas, impulsionada pela ação do peso de um pistão de massa e posição pré-estipuladas. O equipamento geralmente possui uma câmara de contenção para o polímero fundido, com termostato para controle da temperatura, conforme ilustrado na figura 1 [1]. O valor do IF é o peso que flui pelo capilar durante 10 minutos. Valores de IF baixos estão relacionados a valores de viscosidades altas do polímero naquela temperatura e taxa de cisalhamento. Portanto, IF é uma medida isolada do comportamento reológico de uma resina e  pode ser interpretado de maneira inadequada, porque o teste é feito a baixas velocidade e os  processos ocorrem a taxas de cisalhamento que podem ser até 103 vezes maiores [2].

Figura 1: Equipamento para determinação de índice de fluidez [1].

1.2. Extrusão A extrusão é um dos processos de transformação de resinas poliméricas mais importantes na indústria de plásticos, sendo que é utilizado para a produção contínua de artefatos tais como canos, filmes, chapas, entre outros. A figura 2 ilustra as partes fundamentais de uma extrusora convencional [3].

Figura 2: Componentes de uma extrusora convencional: (1) funil de alimentação; (2) motor de acionamento do  parafuso; (3) barril da extrusora; (4) elementos de aquecimento do barril; (5) sistema de resfriamento do barril; (6) matriz da extrusora; (7) bomba de água [3].

As funções de uma rosca são: homogeneização/plastificação do polímero por meio de cisalhamento; aquecimento do material para que este atinja o estado plástico que permita sua conformação na matriz da extrusora, sendo que o aquecimento se dá por atrito e através de mantas elétricas devidamente acopladas no canhão; transporte do polímero a partir do funil da extrusora até sair da matriz e elevação da pressão da massa polimérica para que o perfil extrudado seja compacto e isotrópico [2]. As seções geométricas de uma extrusora são fixas e referem-se às diferentes partes da rosca: zona de alimentação que apresenta menor resfriamento e ocorre apenas o transporte do polímero, zona de compressão em que ocorre a fusão do polímero pelos efeitos de temperatura, pressão e cisalhamento, e a zona de dosagem onde o polímero é homogeneizado no estado viscoso e entregue a matriz com vazão e pressão constantes [3]. Dessa forma, a extrusora deve entregar à matriz um fluxo constante de material com  propriedades homogêneas em termos de composição, temperatura e pressão. Se o material entregue à matriz não for uniforme, pode ocorrer um fluxo desigual ao longo da mesma, resultando em variação nas dimensões do produto [3].

2. Materiais e Métodos 2.1.

Índice de Fluidez

Para determinação do índice de fluidez, utilizou-se uma amostra de polietileno de alta densidade (PEAD), com especificações HD 7255 LS –   Braskem que foi e submetida a teste de fluidez em plastômetro de extrusão CEAST 7023, composto de cilindro de aço, matriz, pistão de aço e câmara com termostato e com os comprimentos capilar L de 88 mm, capilar D de 2,095 mm e D pistão de 9,5 mm. Primeiramente, a matriz adequada foi inserida no cilindro do equipamento, com o auxílio de um pequeno eixo, sendo a amostra depois colocada para fusão. Foram então inseridos no painel do equipamento os dados referentes à carga do pistão que foi variada entre os valores de 1,05; 1,20; 2,16; 3,80 e 5,00 kg e à temperatura 190ºC. Depois de 180 segundos de pré-aquecimento, o  pistão foi acoplado ao equipamento, iniciando nesse momento a extrusão do polímero fundido. Após mais 60 segundos do início do ensaio, as amostras do polímero começaram a ser coletadas, em intervalos de 10 segundos. Após a coleta das amostras, foi realizada sua pesagem, em balança semi-analítica e em seguida o índice de fluidez e a viscosidade foram determinados.

2.2.

Extrusão

A extrusão foi realizada em extrusora AX Plásticos com as seguintes características:

Rosca: - Comprimento da rosca (L) = 416 mm; - Diâmetro da rosca (D) = 16 mm; - Razão comprimento/diâmetro da rosca (L/D) = 26; - Passo da rosca (Ls) = 16 mm; - Largura do canal da rosca (b) =    = 10,74 mm;

- Ângulo de inclinação do filete (θ ou ϕ ) =  



  = 17,7°;



- Espessura do filete (e) = 4,5 mm; - Profundidade do canal da rosca na zona de alimentação (Hi) = 3,0 mm; - Profundidade do canal da rosca na zona de alimentação (Hf ) = 2,0 mm; - Taxa de compressão da rosca (Hi/ Hf ) = 1,5; - Comprimento da zona de dosagem = 135 mm; - Comprimento da zona de alimentação = 135 mm; - Comprimento helicoidal da rosca (ZT) =   = 804,25 mm

Matriz - Diâmetro do capilar (d) = 4 mm; - Comprimento do capilar (L) = 25 mm As temperaturas envolvidas no processamento foram de 180, 185 e 190ºC para as zonas de alimentação, compressão e dosagem, respectivamente. A rotação na rosca foi variada entre os valores de 20, 40, 60, 80 e 100 rpm e para efeitos de comparação, a extrusão foi realizada com e sem a presença do cabeçote. O corte das amostras na saída da extrusora foi realizado a cada 10 segundos com o auxílio de uma espátula e após a coleta, as amostras foram pesadas em uma balança semi-analítica para determinação da vazão mássica média em g/minuto. Por último, foram calculadas as vazões na rosca e na matriz, por meio de equações apresentadas mais adiante e presentes no roteiro experimental, e seus valores foram comparados com os valores de vazão mássica obtidos experimentalmente.

3. Resultados e Discussões 3.1.Plastômetro Ao término das medidas utilizando o Plastômetro na temperatura de 190ºC e variando-se a carga, foram obtidas cinco amostras para cada carga aplicada no equipamento, conforme indicado na Tabela 3.1 abaixo.

Tabela 3.1:  Dados de massa e massa média para cada variação de medidas utilizando o Plastômetro.

Grupo

Massa Peso (kg)

Tempo de corte (s)

1

5,00

10

2

3,80

15

3

2,16

25

4

1,20

35

5

1,05

45

Amostra

Massa (g)

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

0,2100 0,2100 0,2100 0,2100 0,2100 0,2026 0,2027 0,2026 0,2040 0,2035 0,1706 0,1703 0,1440 0,1699 0,1710 0,1229 0,1238 0,1234 0,1232 0,1235 0,1302 0,1302 0,1302 0,1300 0,1298

Massa média (g)

0,2100

0,2031

0,1652

0,1234

0,1301

Sendo que para calcular o índice de fluidez foi utilizado a seguinte equação:

Assim, os valores de MFI obtidos estão indicados na tabela 3.2 abaixo:

Tabela 3.2: Valores de MFI para as variações de carga e tempo de corte. Grupo

Massa Peso (kg)

Tempo de Corte (s)

Massa média (g)

MFI (g/10min)

1 2 3 4 5

5 3,8 2,16 1,2 1,05

10 15 25 35 45

0,21 0,2031 0,1652 0,1234 0,1301

12,60 8,12 3,96 2,12 1,73

Discutir MFIs com Data Sheet da Braskem? :http://merco-polymers.com/newsite/wpcontent/uploads/2013/12/BRASKEM-HDPE-HD7255LS-L-mfi-4.5.pdf 

Para obter a viscosidade do polímero foram utilizados os dados da Tabela 3.1 e as seguintes equações utilizando também a correção de Rabinowitsch:

Assim, os dados preliminares e os resultados de viscosidades estão nas tabelas 3.3 e 3.4, respectivamente.

Tabela 3.3:  Dados preliminares para calculo da viscosidade por meio da correção de Rabinowitsch. massa mé dia (g)

M (peso)

t(s)

Q(k g/s)

Q(m³/s)

F

 ΔP 

τ w 

γw 

b

0,2100 0,2031 0,1652 0,1234 0,1301

5,00 3,80 2,16 1,20 1,05

10 15 25 35 45

2,10E-05 1,35E-05 6,61E-06 3,53E-06 2,89E-06

2,763E-08 1,782E-08 8,695E-09 4,639E-09 3,804E-09

0,04900 0,03724 0,02117 0,01176 0,01029

691,288 525,379 298,636 165,909 145,170

45,258 34,396 19,551 10,862 9,504

30,609 19,736 9,632 5,139 4,214

0,897 0,843 0,762 0,686 0,639

Tabela 3.4: Valores de viscosidade obtidos para o polímero. γw  cor reção

 Log(τ  ) w 

 Log(γ ) w 

η

29,824 18,961 9,058 4,736 3,834

1,656 1,537 1,291 1,036 0,978

1,475 1,278 0,957 0,675 0,584

1,517 1,814 2,158 2,294 2,479

Os dados obtidos acima foram apresentados em gráficos, conforme a Figura 3.1, Figura 3.2 e Figura 3.3. γw correção 35 30 25 20    w       γ

15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

τw

Figura 3.1:

Log(γw) 1.6 1.4 1.2     ) 1.0    w       γ     ( 0.8    g    o    L

0.6 0.4 0.2 0.0 0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

Log(τw)

Figura 3.2

1.4

1.5

1.6

1.7

Viscosidade η 3 3 2       η

2 1 1 0 0

5

10

15 γw

20

25

correção

Figura 3.3: Viscosidade obtida pela correção de Rabinowitsch.

Discussão

30

3.2.Extrusora Após a utilização da extrusora de rosca simples e variando-se os parâmetros como velocidade de rosca N, utilização ou não da matriz e tempo de corte, foi obtido cinco amostras sendo as massas indicadas na tabela 3.5 a segui

r:

Tabela 3.5: Dados de massa de cinco amostras para cada variação de medidas utilizando o extrusora de rosca simples. Grupo

N (rpm) Com matriz?

Tempo de corte (s)

100

Sim

10

100

Não

20

20

Sim

30

20

Não

20

60

Sim

20

60

Não

20

80

Sim

10

80

Não

15

60

Sim

15

60

Não

15

1

2

3

4

5

Amostra

Massa (g)

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

3,824 3,773 3,307 5,507 4,881 4,969 1,444 1,828 1,592 1,298 1,076 1,112 2,498 2,490 2,779 2,469 2,783 3,095 2,625 2,772 2,650 3,547 3,751 3,503 2,860 2,950 3,510 3,570 3,160 3,510

Discussão

4. Conclusão

5. Referências Bibliográficas: [1] MACHINE, F.C. Ensaios Físicos e Químicos  –   Apostila Curso de Técnico em Materiais Plásticos –   SENAI Mario Amato, 2005. [2] MANRICH, S. Processamento de Termoplásticos  –   Rosca Única, Extrusão & Matrizes, Injeção & Moldes. Editora Altiber, São Paulo, 2005. [3] VIGNOL, L.A. Desenvolvimento de Modelos Simplificados para o Estudo da Extrusão de Polímeros. Dissertação Mestrado. Escola de Engenharia  –   Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2005.