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EXTRUSÃO DE TERMOPlÁSTICOS

Fundação Santo André – FSA

Engenharia de Materiais – 60 semestre

Profa. Dra. Sandra A. Cruz

Extrusão Extrusora

-Um dos processos mais utilizados

-Reator → Pó → Extrusora → pellets ou grânulos.

- Desde a antiguidade o princípio de extrusão já era utilizado.

Produtos plásticos feitos por extrusão

-Filmes plásticos

-Canos e tubos para transporte de água, gás, combustível, etc.

-Isolantes de fios e cabos elétricos

-Filamentos para fabricação de linhas de pesca, escova de dente, de cabelo, etc.

-Recobrimento de papel (filmes e folhas) para a fabricação de embalagens para alimentos (Tetrapack).

-Chapas de plástico para posterior termoformagem, etc.

Princípios Gerais e Componentes de uma extrusora monorosca

-Processo contínuo

-Material é alimentado na forma de grânulos (ou pó).

Função de uma extrusora:

1) Transformar o polímero em produto plástico

2) Plastificação (fusão) do polímero:

- resistências elétricas

- cisalhamento

3) Mistura e homogeneização

Exemplo: Blendas

Composto

4) Bombeamento do material sob pressão até a matriz.

5) Conformação do polímero pela sua passagem sob pressão através da matriz → PRODUTO

Princípios Gerais e Componentes de uma extrusora monorosca

Componentes de uma extrusora

Componentes de uma extrusora

1) Mancal de Apoio

- fixar a rosca mantendo-a centralizada

- para empurrar o material para frente é necessário criar uma pressão do fundido. A pressão criada empurra a rosca para trás tendendo a esmagá-la contra o rolamento.

- a pressão de 2000 psi utilizada em um processo de extrusão (50 mm) causa uma força de recuo na rosca de 3 toneladas.

2) Barril / canhão / cilindro� Diversos tipos de aço (85:50) – desgaste: abrasão e

corrosão, pressão.� Superfície interna (Nitretação ou bimetálico)� Diâmetros internos típicos: 1; 1,5; 2; 2,5; 3,5; 4,5 e 6 in)� Comprimento do cilindro (L): comprimento da rosca� L/D: característica da extrusora

� Mais comuns de L/D = 24, 30, 32 e 36.� Alto L/D- podem indicar boas capacidades de mistura

e fusão de polímeros� Relação L/D determina a superfície interna disponível

para transmissão de calor para a fusão do material

Componentes de uma extrusora

Materiais mais comum para a fabricação do barril

•Liga aço 85:50 (mais comum)

•Ligas tipo Nitraloy 135 M – nitretação com íons –formação de uma camada protetora contra corrosão e abrasão.

• Dureza de 55 a 72 Rockwell C

• Resistência a tração de 360 a 600MPa.

• Ligas de Xaloy 800 – constituídas de 25% ou mais partículas de carbeto de tungstênio.

• Ligas de Xaloy X-102

Recondicionamento do barril:

-Brunimento

As dimensões retiradas do barril devem ser introduzidas na rosca.

Exemplo: Retirada de 1 mm do diâmetro interno do barril, colocar 1 mm no filete da rosca.

Altera a taxa de compressão:

RC = hi/hf

Exemplo:

→Antes: hi=24,5 e hf=7 (RC=3,5)

→Depois: hi = 25 e hf=7,5 (RC=3,3)

3) Motor e Caixa de engrenagens

- Motor elétrico (220, 380 e 440 V)

- ↑ velocidade da rosca ↑ vazão (normalmente)

- Alteração da velocidade da rosca (60 a 150 rpm)

� usar um motor de velocidade ajustável (CC).

� usar um motor de velocidade constante acoplado a um sistema mecânico de alteração de velocidade (antigo).

� usar um inversor de freqüência

Componentes de uma extrusora

4) Funil e Goela

Funil é onde ocorre a alimentação do material por gravidade.

Alimentação:

- por afogamento ou inundação (nível cte)

- contínua: o funil não permanece cheio mas existe um sistema de alimentação ou dosagem composto por calhas vibratórias, esteiras de transporte ou roscas sem fim que alimentam a extrusora à taxas constantes e programáveis (Ex: Dupla rosca)

Componentes de uma extrusora

Componentes de uma extrusora

Goela é um furo feito na parede do canhão que possibilita a passagem do material do funil para dentro do barril. O tamanho da goela deve ser a pelo menos o Ø interno do canhão. RESFRIAMENTO

5- Sistemas de aquecimento e resfriamento

�Resistências elétricas�Montadas externamente ao barril-pode-se ter cobertura para minimizar a troca de calor para o ambiente.�Zonas de aquecimento.

�Vapor�Semelhante ao aquecimento por fluidos�É o método mais antigo e o menos usado�Distribuição de calor é lenta

�Fluidos (óleo)� Óleo aquecido circulando por camisas que envolvem cilindro ou em serpentinas na canaletas do cilindro que acomodam tubos de cobre� Mais caro mas controle mais preciso. Usado em alguns equipamentos de grande porte� Controle pode ser individual e a refrigeração é no tanque de óleo referente a cada zona e não no cilindro

Componentes de uma extrusora

� Disco de aço com orifícios de diâmetro de 3 a 5 mm sem pontos de estagnação

� Funções:- Aumentar a pressão de contra-fluxo- Homogeneizar a massa viscosa- Quebrar fluxo rotacional- Segurar as telas

6) Placa de Quebra Fluxo ou Crivo

Componentes de uma extrusora

Tela

- consiste em uma malha metálica disponível em vários tamanhos de furos (ou mash) que agem como filtros para retirar do material fundido partículas de material não plastificado e outros tipos de impurezas.

- em geral aumentam a contra-pressão dependendo do seu tamanho.

- extrusoras mais modernas possuem sistemas de troca telas.

Trocador de telas

Previne “descontinuidade” e garante troca rápida da tela

Troca tela contínuo

7) Rosca de Extrusão

PARAFUSO ARQUIMEDEANOConcebido por Arquimedes para transporte de matérias que teriam um escoamento entre os filetes do parafuso menor que o transporte desta matéria, usado até hoje para transporte de água

Componentes de uma extrusora

Monorosca de Extrusão

- Parte móvel

- Velocidades típicas entre 30 e 150 rpm.

- Função: transportar e plastificar o material.

Baixa condutividade térmica e alta viscosidade

Sem danos ao polímeros

- Deve ser projetada para: máxima eficiência, Q cte, durabilidade, plastificação e homogeneização adequadas.

Projetos específicos

Z. Wei Polymer Extrusion 23

alimentação compressão dosagem

Monorosca de Extrusão - padrão

� Zona de alimentação (responsável pelo transporte)� O aquecimento é menor e em geral há resfriamento nesta

região� A altura do filete é maior sendo o material apenas

transportado devido ao pequeno aquecimento

� Zona de compressão (responsável pela fusão)� Redução gradual da altura do filete� Extensão desta região depende do polímero� Fusão: temperatura, pressão e cisalhamento � Ar é expulso e polímero é entregue à zona de dosagem

� Zona de dosagem ou controle de vazão (responsável pela finalização da homogeneização e pelo fluxo uniforme)� Objetivo é homogeneizar o polímero no estado viscoso e

entregá-lo à matriz com vazão e pressão constante� Fundir eventuais partículas

7) Rosca de Extrusão

A) Teoria de fluxo para a monorosca

+ =

Fluxo de Arraste Fluxo de contra-pressão

Fluxo resultante

Modelo de fusão entre filetes da rosca: turbilhonamento para otimizar distribuição dos pellets e garantir contato com paredes para fusão

7) Rosca de Extrusão

barril

filete

Normalmente não há vazamento mas pode ocorrer desgaste no

maquinário

Qtotal = Qd - Qp - Qe

7) Rosca de Extrusão

arraste pressão escape

7) Rosca de Extrusão

∫=h

VdybQ0

Vazão:

x

z

y

b – largura do canal da rosca

h – profundidade do canal

pressãocontraarraste QQQ −−=

dz

dPbhhbVQ b

η122

3

−=dz

dPbhbhDNQ

ηθπ

122

cos 3

−=

7) Rosca de Extrusão

B) Parâmetros que afetam a geração de pressão e o perfil de velocidades ao longo do cilindro e rosca

Dependência do perfil de pressão:

- Matriz e crivo

- Forma de alimentação

- Atrito rosca material e paredes do cilindro (região do funil)

- Temperatura e viscosidade do fundido

QA < QB < QC < QD

7) Rosca de Extrusão

C) Homogeneização e plastificação nos canais da rosca

Convivência fase sólida / fase líquida:

Taxa de cisalhamento/ T das zonas, gradiente de P e tipo de polímero

7) Rosca de Extrusão

Formação ???

7) Rosca de Extrusão

Variação na formação do “fundido” passo a passo da rosca

7) Rosca de Extrusão

7) Rosca de Extrusão

7) Rosca de Extrusão

� Zonas de compressão longas:

- ↑ tempo de residência

- ↑ convivência sólido/líquido

- ↓ cisalhamento

- ↓ poder de mistura

�Zonas de compressão curtas:

- ↑ cisalhamento (+ e -)

- Ideal: materiais de baixa viscosidade e Tm brusco

7) Rosca de Extrusão

� Profundidade (h)

↓ h ↓ Q ↑ γ ↑ T → ↑ mistura

�Razão de compressão (RC)

↓ RC ↑ aprisionamento de ar

↑ RC ↑ atrito

�L/D (comprimento/diâmetro)

↑ L/D ↑ tempo de residência ↑ mistura

7) Rosca de Extrusão

Eficiência da plastificação → diferentes tipos de roscas:

- Tipo de polímero

- Formato da matéria-prima

- Densidade aparente

- Aditivos presentes

↑ N↑ Q ↓ Eficiência de plastificação

↑ γ ↑ T ↓η

7) Rosca de Extrusão

Para ↑ EP e ao mesmo tempo ↑ Q → roscas com misturadores e cisalhadores intensivos

Garantem a qualidade do extrudado dentro do

limite superior de produditividade

Ajudam a aumentar a eficiência de fusão

Z. Wei Polymer Extrusion 40

Mono rosca padrão

Comprimento da rosca: 20 D a 30 DComprimento da zona de alimentação: 4 D a 8 DComprimento da zona de dosagem: 6 D a 10 DPasso: 1 D (ângulo do filete ~17.66o)Largura real do filete: 0.1 DAltura do canal na zona de alimentação (hi): 0.10 D a 0.15 DAltura do canal na zona de dosagem (hf): 0.03 D a 0.06 DTaxa de compressão (RC): 2 a 4

8) Matriz e Cabeçote

� Cabeçote é o ferramental que fica após a rosca.� Matriz é a extremidade final do cabeçote que tem como

função dar forma à massa polimérica

Componentes de uma extrusora

Cabeçote/Matriz

8) Matriz e Cabeçote

Transporte no cabeçote da matriz

Ocorre por diferença de pressão

Elevação de pressão:

- Geometria da rosca - Rotação e Temperatura

- Coeficiente de atrito - Canais estritos

- Propriedades reológicas - Grelhas e telas

8) Matriz e Cabeçote

↓ Orifício ↑ pressão → vazão cte

8) Matriz e Cabeçote

8) Matriz e Cabeçote

a) Transporte no cabeçote da extrusora

dz

dPbhbhDNQ

ηθπ

122

cos 3

−=

ηβα

PNQ −=

Constante geométrica da rosca

ηM

M

PKQ

∆=

ηηβα M

MT

PK

PNQQ

∆=−==

8) Matriz e Cabeçote

ηηβα M

MT

PK

PNQQ

∆=−==

9) Degasagem

- Alguns produtos plásticos liberam gases quando aquecidos

São equipados com um ou maisorifícios (3/4 L) no cilindro a partir do qual os voláteis, por diferença de pressão ou vácuo podem ser extraídos.

� Os orifícios podem ser utilizadostambém para a adição de componentes como aditivos, cargas, componentes reativos, etc

Componentes de uma extrusora

Z. Wei Polymer Extrusion 52

Extrusora com degasagem

Z. Wei Polymer Extrusion 53

Extrusora com degasagem

� Extrusoras com degasagem são usadas paraextrair voláteis de polímeros de uma maneira continua. São equipadas de um ou mais orifícios pelos quais osvoláteis podem escapar.

� Duas importantes condições para o polímero sob a saída de degasagem são “pressão zero” e o material estar completamente fundido.

� Aplicações:

Componentes de uma extrusora

1) Mancal

2) Cilindro

3) Motor e caixa de engrenagens

4) Funil e goela

5) Sistemas de aquecimento

6) Quebra fluxo

7) Rosca

8) Cabeçote e matriz