CASO 3: desenvolvimento e fabrico de uma máquina de processamento de materiais compósitos

O desenvolvimento e fabrico de materiais compósitos de matriz termoendurecível com cargas orgânicas e inorgânicas são um tema actual de investigação. É importante processar materiais compósitos com características específicas e preocupações de sustentabilidade. Foi desenvolvido e fabricado uma extrusora de duplo fuso engrenado em co-rotação. Esta funciona como reactor de polimerização, extrusão reactiva, onde se processa a mistura das cargas com valores de fracção volúmica elevadas. Os materiais processados foram compósitos de matriz de poliuretano com cargas de cortiça, pó de pinho, cargas de material termoplástico reciclado. Estes materiais foram caracterizados em termos mecânicos, homogeneidade e densidade. O equipamento desenvolvido e fabricado revelou ser eficaz em termos de processamento, polimerização e mistura homogénea, deste tipo de materiais compósitos. No entanto, a maquinação dos fusos deverá ser analisa, dado que algum material fica preso na sua superfície, consequência do acabamento superficial.

i) INTRODUÇÃO

O sistema MixFill (Nunes et al (2010)) surgiu da necessidade de processar materiais compósitos de matriz termoendurecível com e sem cargas. O nome Mixfill teve como origem a conjugação de dois princípios fundamentais que estão presentes neste equipamento: Mix, de “mixture”, que traduz a capacidade do equipamento em promover uma boa mistura do material da matriz com as cargas; Fill, “Filler”, das cargas a adicionar à matriz termoendurecível. Vários investigadores têm desenvolvido e caracterizado materiais compósitos de matriz epoxy e matriz poliéster com cargas de madeira, cortiça, micro esferas de vidro ou até mesmo cargas metálicas. Os processos de mistura destes materiais são manuais, o que pode não garantir característicos de homogeneidade. Por outro lado, os materiais plásticos reciclados podem ser reutilizados como cargas, em materiais compósitos de matriz termoendurecível. Este material processado, pode ser utilizado como alternativa à madeira, pois esta requer alguma manutenção, especialmente quando expostas as intempéries O processo de reciclagem de plásticos mais utilizado tem por base o processamento por intrusão de vários tipos de plásticos, resíduos industriais e resíduos de origem vegetal. O processo apresenta, no entanto, algumas limitações que decorrem do processo de transformação destes materiais reciclados: diferentes tipos de materiais (com diferentes propriedades e temperaturas de processamento), tempos de ciclo de processamentos elevados e problemas relacionados com a falta de homogeneidade de propriedades dos produtos acabados. Deste modo é importante desenvolver medidas que se traduzam numa melhoria das propriedades destes produtos acabados. Estas medidas podem passar por ter duas linhas de processamento, linha dos plásticos rígidos e linha dos plásticos flexíveis. Estas linhas devem, naturalmente, ter sistemas de separação de metais.

A integração de cargas orgânicas e ou inorgânicas, em compósitos de matriz termoendurecivel, é um tema em investigação actual, quer pela necessidade de seguirem políticas de sustentabilidade, quer pela possibilidade da obtenção de materiais compósitos com características específicas. Isto cria novos desafios no que respeita ao processamento destes materiais compósitos. A utilização de uma extrusora de duplo fuso engrenado em co-rotação pode ser utilizada como um reactor de polimerização, extrusão reactiva, onde também se pode misturar elevadas fracções volúmicas de cargas. Foi desenvolvido um equipamento para processar compósitos de poliuretano com cargas orgânicas, cortiça e pó de pinho e cargas inorgânicas, termoplástico proveniente da reciclagem doméstica. Os materiais processados foram analisados em termos mecânicos, densidades, homogeneidades etc. O equipamento desenvolvido revelou ser eficaz no processamento destes materiais compósitos de matriz termoendurecível.

ii) DESENVOLVIMENTO E FABRICO DO SISTEMA MIXFILL

Foi desenvolvido e fabricado um equipamento para o processamento de compósitos com cargas de material reciclado. A solução assenta na utilização de uma extrusora como reactor de polimerização, com capacidade de misturar e processar cargas em elevada fracção volumétrica. O sistema possui um sistema com capacidade para bombear e dosear dois componentes de um material termoendurecível, de forma independente, em que a relação de transmissão pode ser alterada, variando as polias que recebem potência através de uma correia dentada alterando, assim, a razão da mistura destes componentes. O primeiro esboço criado com este conceito tem o aspecto apresentado na Figura 2.15. É, também, apresentado o princípio de funcionamento da MixFill.

Figura 2.15 Equipamento MixFill (Tiago (2010)).

Este equipamento é constituído por uma extrusora de duplo fuso engrenado em co-rotação. Possui um sistema de alimentação de cargas (enchimentos) efectuado por um sistema de fuso transportador. Os dois componentes do material termoendurecível utilizados como matriz são transportados para a zona de processamento por um sistema de bombagem independente. Este sistema utiliza a mesma motorização que, por acção de uma correia dentada, acciona as bombas de engrenagens que doseiam os dois componentes para a extrusora. A extrusora tem um sistema de controlo de temperatura, que permite controlar a temperatura na extrusora (em duas zonas) e nos depósitos dos componentes A e B do material termoendurecível. Os depósitos são pressurizados e contêm uma atmosfera inerte, de modo a não permitirem que haja contacto com o ar ambiente. Esta solução foi desenvolvida para responder à necessidade de se conseguir processar um compósito com elevado teor de cargas (material de enchimento) (Figura 2.15). No projecto do equipamento MixFill optou-se por considerar uma extrusora de duplo fuso engrenado em co-rotação, por apresentar um conjunto de características importantes como é

M A B N2 M cargas A A B B M M Bomba de engrenagens Motor Polia dentada Extrusora Transportador de cargas Deposito Valvula Misturador estatico Resistencia Variador Electronico de Velocidade M M VEV 1 VEV VEV 2 VEV 3 Esboço da MixFill

Esquema de funcionamento da MixFill MixFill

o caso da capacidade de transporte independente da viscosidade do material, aspecto importante quando se trata de um processo reactivo e ainda, pela sua capacidade de auto limpeza. Esta capacidade de auto limpeza, resolve um problema importante quando se trata de um processo reactivo.

iii) RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Os materiais processados pelo equipamento MixFill) foram analisados e são os indicados na Tabela 2.6. O material termoendurecível utilizado como matriz é o Rim 900+876N (marca Axson) que tem um tempo de pot life de cerca de 1 minuto. As cargas utilizadas foram o pó de Pinho cortiça moída ≤ 1mm, cortiça moída ≤2mm e termoplástico proveniente da reciclagem doméstica e industrial. De forma a testar a capacidade da MixFill em processar elevadas fracções volúmicas de cargas sólidas, foram efectuadas alterações deste parâmetro até um valor máximo de 70%.

Estes materiais foram processados para dentro de um molde de forma a poderem ser facilmente desmoldados e terem uma geometria paralelepipédica fundamental para as posteriores análises de DMA. Foram realizadas análises visuais das superfícies dos vários materiais, com o objectivo de analisar a homogeneidade dos compósitos processados. Apesar de, na superfície de contacto do molde, o material depositado ser invariavelmente uma película de resina termoendurecível, aparentemente sem cargas, a homogeneidade do compósito revelou-se visualmente bastante conseguida. É também possível observar algumas inclusões de bolhas (resultantes do processamento), bastante prejudiciais quando se procura obter matérias com elevada resistência mecânica. Isto pode dever-se ao facto de, quando estes materiais foram processados, não estar instalada a fieira, não existindo contra pressão. Com base nos valores obtidos é possível concluir que os materiais foram processados de forma homogénea, tendo em conta que as amostras foram retiradas de zonas distintas dos provetes, conforme se pode observar nas imagens da Figura 2.16.

Figura 2.16 Imagens das diferentes amostras de material processado MixFill. Cargas: cortiça

Cargas: pó de pinho Cargas: microesferas de vidro Poliuretano Cargas: alumínio ≤

Cargas: cortiça ≤ 1mm

Cargas: cortiça ≤ 2mm Cargas: termoplástico

Tabela 2.6 Calculo das densidades das amostras do material processado na MixFill.

Amostra Termoendurecível Cargas Fracção volúmica Densidade

Nº Designação Designação [%] [g/cm3] 1 Rim 900+876 Pó Pinho 20% 0,6540 2 Pó Pinho 0,6476 3 Pó Pinho 0,6323 4 Cortiça ≤ 1mm 0,6309 5 Cortiça ≤ 1mm 0,6663 6 Cortiça ≤ 1mm 0,6498 7 Cortiça ≤ 2mm 0,6613 8 Cortiça ≤ 2mm 0,7162 9 Cortiça ≤ 2mm 0,6663 10 Cortiça ≤ 2mm 50% 0,5386 11 Cortiça ≤ 2mm 0,5420 12 Cortiça ≤ 2mm 0,5272 13 Cortiça ≤ 2mm 66% 0,4127 14 Cortiça ≤ 2mm 0,3539 15 Cortiça ≤ 2mm 0,3632 16 microesferas vidro 10% 0,5424 17 microesferas vidro 0,5490 18 microesferas vidro 0,5374 19 alumínio ≤ 3mm 0,5828 20 alumínio ≤ 3mm 0,5701 21 alumínio ≤ 3mm 0,5402

Nos ensaios de DMA, variação da rigidez com a temperatura, foi utilizado um equipamento DMA 8000 da Perkin Elmer. As curvas de variação da rigidez com a temperatura são apresentadas na Figura 2.17. Nesta pode-se observar a diminuição da rigidez com o aumento da temperatura, como seria de esperar.

Figura 2.17 Resultados da variação do módulo de flexão com a temperatura dos materiais processados na MixFill (flexão em 3 pontos).

iv) CONCLUSÕES

Foi desenvolvido e fabricado o protótipo de uma extrusora e os vários subsistemas do equipamento, sistema de bombagem dos dois componentes do material termoendurecível, sistema de alimentação de cargas e sistema de extrusão, para satisfazem os requisitos inicialmente considerados no projecto. O equipamento consegue processar materiais compósitos de matriz polimérica com fracções volúmicas de

cargas relativamente elevadas. É possível, também, processar materiais termoendurecíveis com cargas resultantes de materiais termoplásticos reciclados. O sistema de bombagem revelou ser bastante eficaz, pois permite uma ampla gama de caudais e garante a fracção volúmica do material da matriz. Este equipamento permitir fazer auto limpeza ou seja expulsar todo o material a processar do sistema de processamento. Os materiais processados apresentam uma relativa boa homogeneidade.

2.3.4. CASO 4: reengenharia de um componente de uma máquina de