Manual de Extrusão

Manual de Extrusão

(Parte 1 de 5)

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Extrusão

SEÇÃO I PROCESSO DE EXTRUSÃO PÁG. 3 SEÇÃO I PRINCÍPIOS TEÓRICOS DA EXTRUSÃO PÁG. 27

SEÇÃO I CO-EXTRUSÃO PÁG. 38 SEÇÃO IV RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS PÁG. 45

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SEÇÃO I Processo de Extrusão

INTRODUÇÃO PÁG. 4 COMENTÁRIOS GERAIS PÁG. 4 MATÉRIAS PRIMAS - ARMAZENAMENTO - MANIPULAÇÃO PÁG. 5 SECAGEM PÁG. 6

EXTRUSÃO PÁG. 7 DESENHO DE ROSCAS PÁG. 9 MISTURADORES ESTÁTICOS PÁG. 14

DESENHO DE MATRIZ PÁG. 16 PRESSÃO DE INJEÇÃO ROLOS DE ESFRIAMENTO E DE TRAÇÃO PÁG. 20 CORTE E MANIPULAÇÃO PÁG. 23

CONTROLE DE ESPESSURA PÁG. 24 RESUMO PÁG. 24

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Este informativo descreve a extrusão de lâminas de POLIESTIRENOS. As informações apresentadas são resultados de provas realizadas nos laboratórios de investigação da Monsanto e de experiências praticadas em numerosas operações comerciais. Devido as condições de extrusão variarem muito, este material deve ser interpretado como uma série de sugestões, é o leitor quem deve determinar criteriosamente as ações adequadas a sua situação particular.

FIGURA 1

Numa linha de extrusão, o material se alimenta em forma de grânulos, pellets ou pó previamente secado, esquenta-se através de fricção e calor e, na medida que avança ao longo de um cilindro no sentido da parte meia. A ação da rosca sobre este fluído gera a pressão necessária para o fazer sair pelo bico de injeção, que lhe dá a forma desejada, logo é esfriado em rolos, cortado e empilhado ou, enrolado. A qualidade da lâmina acabada se origina em determinadas medidas quantitativas tais como: o controle da espessura (tanto no sentido transversal na direção da extrusão), propriedades físicas e em características superficiais (uniformidade de cor, brilho, etc.). Ao discutir o processo se tratará a operação dos principais componentes de uma linha de extrusão com comentários específicos relacionados com o processamento de POLIESTIRENOS.

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Não são necessárias técnicas especiais, se bem que os materiais devem manter-se numa área seca e coberta.

Os grânulos de POLIESTIRENO podem ser manipulados mediante equipamentos convencionais. Isso inclui:

· Transporte à vácuo

• Carregadores pneumáticos • Transportadores à rosca

Um certo nível de moagem utiliza-se freqüentemente, proveniente dos refugos dos processos de extrusão ou termoformagem. Estes podem se misturar e alimentar novamente o equipamento de extrusão com material virgem.

Deve-se ter especial cuidado para preservar a moagem de qualquer tipo de contaminação.

Sugere-se utilizar uma percentagem constante deste com material virgem a fim de manter características uniformes de extrusão. Somente devem-se utilizar materiais compatíveis. Não misturar moagem de POLIESTIRENO com moagens de outras resinas. Para manter ótimas propriedades do produto final, os níveis de moagem não devem ultrapassar a 25%. Caso seja inevitável ultrapassar essa marca, a aparência e as propriedades mecânicas da lâmina podem se deteriorar, e se deve limitar a sua utilização às aplicações que aceitem um nível baixo de performance. Para altos percentuais de moagem, podem ser necessárias algumas mudanças nas condições de extrusão a fim de manter os valores de entrega necessários conforme a granulometria da mesma. Esta é, geralmente, uma mistura que pode adquirir desde a forma de pó fino, até a de grandes pedaços irregulares. Este pó pode atuar como lubrificante e ocasionar problemas de alimentação. Nestes casos pode ser necessária a utilização de um sistema de remoção de finos (peneira). É recomendável que o tamanho dos grânulos da moagem seja o mais semelhante possível ao do material virgem. Grânulos por demais grandes podem gerar pontos duros, já que a sua plastificação requer maior tempo de residência e maior temperatura. Além do mais estes podem levar consigo partículas de ar, o que provoca bolhas na lâmina.

Os POLIESTIRENOS 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 delaminação ou manchas de cor"

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Os POLIESTIRENOS habitualmente se secam para eliminar a umidade superficial e garantir uma temperatura uniforme do material no equipamento de extrusão.

O equipamento de pré-secagem é dimensionado em função do equipamento de extrusão a ser utilizado. A capacidade do pré-secador deve ser de 3 a 4 vezes maior que o regime de extrusão para assegurar uma secagem adequada. A maioria das novas instalações utilizam um pré-secador desumidificador (ver figura I). O ar circula, na figura I, através do leito de secagem, que elimina a umidade e o ar seco logo é devolvido ao pré secador. Dito sistema assegura uma secagem apropriada ainda durante os meses quentes e úmidos do verão. Um bom equipamento de présecagem deve contar com um sistema bem desenhado para garantir a uniformidade do fluído do material e da secagem. A canalização pode ocasionar uma secagem não uniforme e mudanças no tempo de residência. A instrumentação habitualmente limita-se a medir temperaturas de ar de entrada e saída. A medição do ponto de vazio do ar de entrada e o percentual de fluído volumétrico é útil na resolução de problemas. A determinação do nível real de umidade dos grânulos requer um equipamento especial de laboratório. (Ver anexo I- curva típica de pré-secagem)

Os leitos de desecagem contêm sistemas de calefação para regenerar os mesmos em forma periódica. Estes sistemas devem ser examinados rotineiramente para assegurar que estão funcionando de forma adequada. Durante a regeneração, a temperatura do leito eleva-se entre

210o C e 260o C e logo deve esfriar-se antes que o secador se conecte de forma automática ao leito a recarregar. O secador deve ser desenhado para utilizar ar seco a fim de esfriar o leito ao invés de ar atmosférico, que poderia ser demasiadamente úmido.

A obtenção de lâmina com manchas de umidade imediatamente após passar a um leito de secagem regenerado poderia indicar um problema seja com os aquecedores ou com o desenho do sistema de esfriamento do leito.

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Os POLIESTIRENOS podem ser extrudados de forma bem sucedida, se transformando numa lâmina de qualidade, quando o nível total da umidade em peso é inferior a 0,03%. Este nível pode ser alcançado num equipamento de secagem

29o C), e um tempo de permanência na secadora de pelo menos 3 horas. A temperatura de entrada do ar e o seu baixo conteúdo de umidade não garantirão um material seco quando entrar no extruder. Se o problema de umidade persistir, ele provavelmente está sendo causado por uma baixa velocidade de circulação do ar. Um rápido exame da temperatura do material de alimentação que entra na garganta do equipamento de extrusão poderia confirmar o problema. Se todas as condições estão favoráveis, os grânulos devem estar a 60°C ou mais. A ventilação a vácuo é um fator de segurança adicional para a obtenção de uma lâmina livre de umidade.

VENTILAÇÃO Máximo conteúdo de umidade do material de alimentação após a pré-secagem

Nenhum0,03%
Vazio simples0,06%
Vazio duplo0,10%

Uma ventilação a vácuo deve fornecer um mínimo de 25 polegadas de vácuo de mercúrio. O rendimento total e o desenho do sistema de ventilação (tamanho da abertura) podem alterar o requerimento do conteúdo de umidade do material de alimentação. Os POLIESTIRENOS não requerem pré-secagem, embora seja recomendado para um processo de extrusão mais uniforme e controlado. A umidade superficial, particularmente no verão, deve ser eliminada para assegurar a qualidade da lâmina.

A eliminação da umidade é somente uma das razões para a pré-secagem. Outras duas razões importantes são igualmente aplicáveis:

1- O pré-aquecimento pode aumentar a capacidade de extrusão em pelo menos 10%.

resulta numa saída mais uniforme e um melhor controle da espessura.

ventilação são comercializados no mercado de extrusão de lâminas. O objetivo á garantir uma melhor capacidade de ventilação e eliminar a necessidade da utilização de pré- secadores. No entanto, a tecnologia da dupla ventilação encontra-se atualmente limitada.

4- A instalação de um pré-secador é um apoio aconselhável durante os períodos de alta umidade para oferecer os benefícios adicionais anteriormente expostos.

O tamanho básico do equipamento de extrusão selecionado guarda proporção direta com a medida da lâmina e da produção total desejada. A tabela I resume os valores de capacidade e características dos equipamentos de extrusão utilizados atualmente.

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TABELA 1

Tamanho da máquina Produção Potência
(diâmetro da rosca (Kg/H)

Capacidade e Requerimentos de Cavalos de Força para vários Equipamentos de Extrusão (HP)

(em polegadas e cm)
3 l/2"= 8,90 cm135-360 50 -150
4 l/2"= 1,45 cm 320-680100-250
6" = 15,25 cm540-900 150-350

Os POLIESTIRENOS necessitam 0,07 - 0,100 HP/Lb/h.

As unidades que puxam são geralmente equipamentos com controle de velocidade variável.

O controle da temperatura de massa é de fundamental importância. O controle das temperaturas do cilindro do extruder encontra-se normalmente dividido em várias zonas. As resistências ou bandas aquecedoras são as mais utilizadas. Todas as linhas de extrusão estão desenhadas com controles de aquecimento eletrônico ou de estado sólido, os quais conferem maior confiabilidade e exatidão. É habitual o esfriamento via água ou ar, geralmente se prefere e se utiliza este último.

Devido a maior parte do calor requerido, para fundir os polímeros, ser gerado pela fricção durante o transporte dos mesmos para frente sobre a rosca, as bandas ou resistências aquecedoras ajudam, fundamentalmente, a manter uma temperatura uniforme. Os aquecedores podem ser de uma grande ajuda para modificar os níveis da alimentação na zona posterior, ou modificar propriedades na zona de alimentação para superar diferenças menores no desenho da rosca ou comportamento do material. A maioria dos equipamentos de extrusão estão providos de um indicador de temperatura de massa. Devido ao termopar se encontra no cilindro e não diretamente na corrente da fundição, a temperatura indicada é somente uma medida relativa da temperatura da mesma.

O desenvolvimento da fibra óptica tem fornecido indicadores opcionais de temperatura de fusão que dão o nível real deste valor. Pelo fato de que este é um dos parâmetros mais importantes do processo, se sugere esta opção. É útil para comparar o desempenho do equipamento de extrusão com as mudanças observadas.

Juntamente devem ser realizadas medições reais com pirômetro da temperatura da massa e correlacioná-la com as mudanças do processo. A maioria dos novos equipamentos de extrusão possuem ventilação a fim de permitir a utilização dos roscas de dois ou três etapas. Os elementos voláteis podem ser eliminados no desgasificador para melhorar a qualidade da lâmina. Os equipamentos de extrusão com ventilação de uma ou duas etapas são recomendados para

A criva ou placa porta-filtros e o pacote de malhas estão situados em linha com o equipamento de extrusão, exatamente após a ponta da rosca. O pacote de malhas se utiliza para eliminar qualquer partícula de metal que possa danificar a matriz.

O pacote de malhas é, geralmente, uma combinação de malhas de 20, 40, 60 e 80 mesh. O pacote é trocado normalmente através de uma unidade de remoção automática e hidráulica que é totalmente independente.

Os manômetros encontram-se normalmente na zona da remoção de malhas e se utilizam para medir a diferença de pressão entre a ponta da rosca e o pacote de malhas. Permitem assim, a fácil constatação de pulsações e advertem no caso de um pacote se tampar. A excessiva elevação da

EXTRUSÃO PAGINA 9 pressão posterior proveniente de malhas tampadas, traz como resultado altas temperaturas de fusão e/ou reduz a capacidade de entrega. Uma válvula se situa habitualmente depois do pacote de malhas para ajustar a pressão posterior. Isto pode ser útil na obtenção da fusão adequada de um polímero.

Os níveis de temperatura das zonas do extruder que mostra a tabela 2 são características para estes materiais. O valor fundamental é a temperatura de massa do material que sai pela matriz. Embora esta seja primariamente uma função da velocidade média de extrusão e do desenho da rosca, os níveis de temperaturas das zonas podem afetar a temperatura de massa em alguns graus, em particular se a temperatura de fusão for baixa.

Devem ser mantidas em bom estado as resistências aquecedoras e seus respectivos controladores, para evitar áreas quentes ou frias no cilindro. A temperatura de massa real deve ser controlada com um pirômetro, seja ele do tipo agulha ou óptico.

A unidade propulsora deve manter uma velocidade uniforme sob condições variáveis de carga. Esta deve controlar-se em forma periódica medindo as revoluções da rosca. Um fluxo de saída constante é decisivo no mantimento do controle de espessura uniforme na direção da extrusão.

TABELA 2 TEMPERATURAS DAS ZONAS DO CILINDRO (ºC)

ALIMENTAÇÃOMÉDIA FRENTE TEMP. MASSA
POLIESTIRENOS175-204 190-220 190-232 190-232

A rosca é o coração do equipamento de extrusão.

A produção de uma lâmina de qualidade está diretamente relacionada com o desenho da rosca.

Este depende de vários fatores que estão, por sua vez, relacionados com a reologia de fusão do polímero, a capacidade de produção e a temperatura de fusão.

Zona de alimentação

As partículas fluem livremente pela gravidade e são capturadas pelos primeiros filetes, se compactam e formam uma camada elástica que não sofre cisalhamento (corte). Esta camada elástica é acionada pelas forças de fricção existentes entre ela e as superfícies do cilindro e da rosca. O transporte do material (Zona de carga) depende da diferença de fricção entre:

Polímero - cilindro (alta aderência) (1) vs.

Polímero - rosca (baixa aderência) (2)

Um equipamento alimentado pelo polímero sólido é denominado "Extrusor plastificador". Em todos os casos realiza três operações: transportes de sólidos, fusão ou plastificação e transporte fundido ou bombeamento.

Para compreender o funcionamento, definimos as três zonas que o compõem. (Fig. 3).

Sendo maior a diferença entre os coeficientes de fricção (1) - (2) obteremos maior fluxo de

EXTRUSÃO PÁGINA 10 translação. (A rosca deve estar mais polida do que o cilindro ). Considera-se que o cilindro está estacionário e a rosca em movimento.

Normalmente a temperatura do cilindro é mantida mais alta do que a da rosca, assim o material tende a aderir ao cilindro na medida que esquenta e escorre da superfície mais fria do cilindro. Se temos um rosca muito quente o material se gruda e gira com o mesmo, sem servir para frente.

A temperatura na zona da secadora deve manterse o mais baixa possível.

As roscas são equipadas geralmente com dispositivo de esfriamento a base de água. O filete nesta zona é relativamente profundo.

Definida como aquela na qual coexistem polímero sólido e polímero fundido. O objetivo é conferir densidade ao material, eliminando o ar entre as partículas na medida em que são fundidas.

Convém destacar dois mecanismos pelos quais acontece a plastificação ou fusão.

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