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O objetivo deste experimento consiste em processar o polietileno de baixa densidade
(PEBD) em uma extrusora monorrosca com temperatura e velocidade de rotação defini-
das para depois comparar o índice de fluidez após o processamento com o do fabricante....

Description

Processo de Extrus˜ ao

Processos de Fabrica¸c˜ao II

Conte´ udo 1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Aparatos Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Procedimento Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3 Resultados e Discuss˜ oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Objetivo

O objetivo deste experimento consiste em processar o polietileno de baixa densidade (PEBD) em uma extrusora monorrosca com temperatura e velocidade de rota¸c˜ao definidas para depois comparar o ´ındice de fluidez ap´os o processamento com o do fabricante.

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Introdu¸ca ˜o

O processo de extrus˜ao ´e largamente utilizado na ind´ustria de pl´asticos, metais, cerˆamicas e alimentos devido `a sua capacidade de produ¸c˜ao elevada a baixo custo e facilidade de manuten¸c˜ao e opera¸c˜ao. Esse processo cont´ınuo de conforma¸c˜ao consiste em for¸car, sob press˜ao, o material atrav´es de uma matriz para produzir um perfil com a sec¸c˜ao transversal desejada, como tubos, filmes, chapas ou fios. Apesar da simplicidade do processo, ele depende sensivelmente da temperatura e da velocidade de extrus˜ao, que s˜ao especificadas para cada tipo de material a ser extrudado. As extrusoras pode ser monorrosca, dupla rosca ou tamb´em, quatro roscas. Existem quatro tipos de extrus˜ao: • Extrus˜ao a quente: realizada a altas temperaturas, acima da temperatura de recristaliza¸c˜ao do material, para facilitar a sa´ıda pela matriz. O material na sa´ıda da extrusora se encontra fundido; • Extrus˜ao a frio: realizada a temperatura ambiente; • Expans˜ao induzida por vapor: expans˜ao por fus˜ao na extremidade da matriz devido `a ´agua intermitente do lado de fora, levando a produtos altamente expandidos; • Co-extrus˜ao expandida: combina a expans˜ao induzida por vapor e a inje¸c˜ao, conduzindo assim a produtos expandidos com texturas duplas.

2.1

Aparatos Experimentais

A fim de realizar o procedimento experimental, utilizaram-se os instrumentos: • Extrusora monorrosca; • Picotador; • Tesoura; • Balde; • Plastˆometro; • Balan¸ca digital.

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Procedimento Experimental

No Laborat´orio de Tecnologia de Pol´ımeros (TECPOL), foi demonstrado o processamento polim´erico por meio da extrus˜ao. Para tal, foi utilizada uma extrusora de rosca simples dispon´ıvel no laborat´orio da AX Pl´asticos, modelo 3032, datada de 2014, Figura 1.

Figura 1: Extrusora monorrosca AX Pl´asticos, modelo 3032. Esse equipamento ´e b´asico, constitu´ıdo por um canal, chamado de alimentador, que ´e por onde a mat´eria prima, em p´o ou peletizada (pellets), aditivos e cargas a serem trabalhadas s˜ao adicionadas. Em seguida, o material ´e direcionado para a regi˜ao do canh˜ao ou cilindro, onde encontra-se o parafuso, que ´e o local que ocorre a etapa fundamental e de maior importˆancia no processamento. Nessa ´area, o pol´ımero ´e transportado, fundido ou plastificado, isso porque n˜ao s˜ao todos os pol´ımeros que apresentam um estado de fundido. H´a apenas uma rosca (arquimediana) presente, e sua forma ´e variada de acordo com o material utilizado. Aqui utilizou-se uma com perfil para extrus˜ao de PE, seguindo padr˜ao mostrado na Figura 2. Pode-se perceber que o diˆametro dos filetes ´e constante, por´em o diˆametro interno ´e vari´avel, dessa forma a geometria da rosca muda para cada pol´ımero. Esta diferen¸ca de geometria ocorre, porque os termopl´asticos diferem entre si, tanto nas propriedades t´ermicas (capacidade calor´ıfica, calor latente, temperatura de fus˜ao cristalina e temperatura de transi¸c˜ao v´ıtrea), quanto nas propriedades reol´ogicas (viscosidade) e propriedades mecˆanicas. Desta maneira, conclui-se que ´e quase imposs´ıvel ter-se uma mesma rosca capaz de trabalhar satisfatoriamente para qualquer tipo de material. A varia¸c˜ao do diˆametro interno faz com que haja uma varia¸c˜ao na profundidade, que por sua vez proporciona um gradiente de press˜ao. Sendo uma press˜ao menor no in´ıcio, onde h´a o menor diˆametro, e que vai aumentando conforme o diˆametro do parafuso

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aumenta. E ´e oposto ao fluxo de arraste de fundido, determinado pela geometria e rota¸c˜ao do parafuso. Nessa ´area do canh˜ao h´a a divis˜ao em trˆes zonas caracter´ısticas: • 1 a , alimenta¸c˜ao: entrada do material. A profundidade dos filetes (sulcos) ´e maior e seu diˆametro ´e constante; • 2 a , compress˜ao: promove a compress˜ao e plastifica¸c˜ao dos pellets, a profundidade da rosca vai diminuindo com o comprimento; • 3 a , dosagem ou plastifica¸c˜ao: zona de homogeneiza¸c˜ao polim´erica e possui profundidade pequena e constante dos filetes do parafuso.

Figura 2: Perfis de rosca e indica¸c˜oes do fluxo de arraste e de press˜ao. Na regi˜ao do canh˜ao, h´a a presen¸ca de resistˆencias que conferem um perfil de temperatura, colocadas ao redor do cilindro, divididas em grupos (trˆes zonas de aquecimento), conforme pode ser visto na Figura 3, que ilustra o display da extrusora com a determina¸c˜ao de cada zona de temperatura. Sendo que a ´ultima ´e a temperatura da matriz. E por fim, a matriz por onde o fundido ou plastificado sair´a conforme o perfil pelo qual ele est´a sendo extrudado. Para diferentes perfis de temperatura e tamb´em para uma mesma velocidade de rota¸c˜ao do parafuso, tˆem-se o seguinte: para temperaturas elevadas `a vaz˜ao obtida ´e maior, isto se deve ao fato de que a viscosidade do pol´ımero ´e inversamente proporcional `a temperatura que esta submetida, portanto em temperaturas mais altas o pol´ımero se encontra menos viscoso e flui com mais facilidade pela matriz. Para o mesmo perfil de temperatura em diferentes velocidades de rota¸c˜ao do parafuso, temos que, quanto maior a velocidade imposta ao material fundido no parafuso, maior era a vaz˜ao deste atrav´es da matriz, constituindo um valor j´a esperado visto que rota¸c˜ao do parafuso conduz ao fluxo de uma quantidade maior de material, portanto, como n˜ao h´a fontes nem sumidouros, al´em das regi˜oes de alimenta¸c˜ao e da matriz, respectivamente, se uma quantidade maior do material entra na extrusora durante a alimenta¸c˜ao, essa 3

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mesma quantidade deve ser expulsa atrav´es da matriz na zona de dosagem, em um certo intervalo de tempo.

Figura 3: Monitor da Extrusora. Ao final do processo, foi obtido um certo comprimento de pol´ımero que foi passado em um picotador, Figura 4, onde o material foi cortado em pellets novamente, para que fosse poss´ıvel fazer uma an´alise de MFI e verificar se os parˆametros de processo impostos estariam corretos. Isso, foi verificado por meio da compara¸c˜ao do valor de ´ındice de fluidez fornecido pelo fabricante com o obtido naquele realizado no TECPOL. Caso o MFI encontrado fosse maior do que o do fabricante, seria um indicador de que o material processado sofreu uma degrada¸c˜ao. Caso fosse inferior, o pol´ımero teria sofrido reticula¸c˜ao, ou seja, formado mais liga¸c˜oes cruzadas.

Figura 4: Picotador. 4

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Para determina¸c˜ao do ´ındice de fluidez foi utilizado o plastˆometro de extrus˜ao e uma balan¸ca de precis˜ao, Figura 5. E ent˜ao determinado o valor do ´ındice em g/10 min, seguindo a norma ASTM D1238. No caso, o material escolhido a ser trabalhado foi o polietileno de baixa densidade (PEBD) EB 853/72, fabricado pela Braskem. Segundo o certificado de qualidade do lote utilizado fornecido fabricante, o ´ındice de fluidez resultante, pelo m´etodo ASTM D1238, para pol´ımero foi 2,8 g/10 min, tendo um range que vai de 2,4 a 3,0 g/10 min, ver Figura 6.

(a) Plastˆ ometro.

(b) Balan¸ca de precis˜a o.

Figura 5: Equipamentos utilizados na an´alise do MFI.

Figura 6: Certificado de Qualidade PEBD EB 853/72 da Braskem.

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Resultados e Discuss˜ oes

No experimento, utilizou-se o polietileno de baixa densidade (PEBD), que apresenta um MFI igual 2,8 g/10 min, a partir dos dados da literatura. De acordo com a fabricante, s˜ao consideradas as seguintes condi¸c˜oes: a carga de 2,16kg, temperatura de 190o C e 3 a 5 g de material para carregar o equipamento. Outro ponto importante ´e o tempo de espera para que o material apresente estabilidade t´ermica e o experimento possa ser iniciado. De acordo com a norma esse tempo deve ser de 6,5 a 7,5 minutos. A coleta do material extrudado deve ser feita cortando uma amostra a cada 3 minutos e pesando-a para posteriormente extrapolar os resultados obtidos com diferentes amostras e apresentar um resultado com a unidade de g/10min. Os dados do fabricante Braskem s˜ao apresentados na Tabela 1. MFI (g/10min) a 190◦ C e 2,16 Kg Resultado Valor M´ınimo Valor M´aximo 2,8 2,4 3,0 Tabela 1: Dados do fabricante. O experimento em quest˜ao foi realizado seguindo as normas de temperatura e carga exigidas. Entretanto, o tempo necess´ario para amolecer o material e garantir sua uniformidade antes de come¸car o experimento e a quantidade de material utilizado foram, respectivamente, 6g e 6min o que n˜ao corresponde a exigida pela literatura. Essas diferen¸cas podem afetar o resultado final. Outro fator que pode interferir ´e que os cortes que deveriam ser realizados a cada 3 minutos foram reduzidos para um minuto e feitos manualmente, portanto, dependem do tempo de resposta da pessoa respons´avel. Para a obten¸c˜ao do MFI foram coletadas 10 amostras que foram pesadas e suas unidades convertidas para a obten¸c˜ao de uma m´edia em g/10 min, como pode ser observado na Tabela 2. Quando um material submetido `a extrus˜ao ´e analisado em um ensaio de MFI, o ideal ´e que se espere cerca de 8 horas para que ele elimine a umidade que adquire durante processamento. Por se tratar de um experimento de car´ater educacional n˜ao seria vi´avel esperar esse tempo, pois o ideal era ser feito durante o tempo da aula. Ent˜ao, o material foi somente seco com um pano para retirar o excesso de ´agua e logo em seguida levado para o plastˆometro de extrus˜ao. Esse procedimento pode interferir no resultado final, pois somente com um pano n˜ao ´e poss´ıvel retirar toda a aquosidade. A partir dos resultados apresentados nas Tabelas 1 e 2, observa-se que o valor do ´ındice de fluidez de 2,51±0,05 (g/10min), embora seja menor que 2,8 (g/10min), ficou entre o range estabelecido pelo fabricante. Portanto, ap´os o processamento do material na extrusora o mesmo n˜ao degradou. Ocorreu a forma¸c˜ao de liga¸c˜oes cruzadas. As liga¸c˜oes cruzadas s˜ao liga¸c˜oes covalentes formadas entre as cadeias polim´ericas. Nesse caso, ´e necess´ario maior energia para o rompimento e o material torna-se mais r´ıgido e menos fluido. Contudo, para este caso as liga¸c˜oes cruzadas formadas n˜ao foram suficientes para tornar o material inutiliz´avel, uma vez que seu MFI ´e maior do que o valor 6

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Corpo de prova 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Massa (g) 0,26 0,25 0,26 0,25 0,25 0,24 0,25 0,24 0,26 0,25 Desvio m´edio 0,05

MFI (g/10min) 2,6 2,5 2,6 2,5 2,5 2,4 2,5 2,4 2,6 2,5 (g/10min) 2,51±0,05

Tabela 2: Resultados experimentais. m´ınimo estabelecido pelo fabricante.

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Conclus˜ ao

Na extrus˜ao novas pe¸cas s˜ao produzidas com o perfil de se¸c˜ao transversal determinado pela forma da matriz e esse procedimento ´e muito utilizado tanto na ind´ustria, como no campo cient´ıfico. J´a o ensaio de determina¸c˜ao do MFI ´e uma forma de controle de qualidade do material, pelo qual, pode-se determinar se houve alguma degrada¸c˜ao ao material polim´erico durante seu processamento. O ´ındice de fluidez obtido no TECPOL, 2,51±0,05 (g/10min), mostrou-se satisfat´orio se comparado ao da fabricante do pol´ımero utilizado no experimento, que indica como valores m´aximos e m´ınimos aceitos de 2,4 e 3,0 g/10min, respectivamente. O resultado dentro da faixa considerada aceit´avel pela Braskem mostra que o PEBD n˜ao sofreu degrada¸c˜ao em sua estrutura qu´ımica durante a extrus˜ao, desse modo, conclui-se que o experimento pode acontecer dentro da faixa de temperatura e velocidade de rota¸c˜ao pr´e-determinados na extrusora. Conclui-se ainda que, al´em do resultado final compat´ıvel com o do fabricante, o experimento foi satisfat´orio, uma vez que, atrav´es do mesmo a turma pode aprender os conceitos fundamentais da extrus˜ao, observar a sua pr´atica e, mais uma vez, determinar o ´ındice de fluidez do polietileno. Essas pr´aticas muito contribuem para a forma¸c˜ao dos alunos como Engenheiros e, deste modo, sua realiza¸c˜ao para o aprendizado revela-se de grande importˆancia.

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Referˆ encias [1] Harper, C. A., Petrie, E. M., Plastics Materials and Processes: A Concise Encyclopedia, John Wiley & Sons, Inc, 2003. [2] Rocha, M.C.G., Coutinho, F. M.B., Balke, S., Indice de Fluidez: Uma Vari´avel de Controle de Processos de Degrada¸c˜ao Controlada, Pol´ımeros: Ciˆencia e Tecnologia, 1994. [3] S. V. Canevarolo, Ciˆencia Dos Pol´ımeros - Um texto b´asico para tecn´ologos e engenheiros, 3a edi¸c˜ao, 2010. [4] Laborat´orio de Materiais Polim´ericos, LaPol,Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Dispon´ıvel em: www.ufrgs.br/lapol/processamento/l 42b.html. Acesso em 1 de Junho de 2017. [5] Poliolefinas, tabela de propriedades, Braskem, 2015.

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