Extrusora

Segundo Michaeli (1995, p. 88) podemos caracterizar uma extrusora como componente padrão de instalações e processos baseados em extrusão, onde tem a função de produzir uma massa fundida homogênea do polímero alimentado, e conduzir a massa fundida com a pressão necessária durante o processo.

A figura 4 abaixo aborda de maneira simplificada os componentes da extrusora.

Figura 4 – Esquema básico de uma extrusora.

Fonte: Michaeli 1995, p. 89

Dentre os componentes citados na figura 4, podemos exemplificá-los como:

Cilindro ou barril: Tem como função suportar a pressão aplicada, e auxiliar o transporte do polímero sem causar danos ao mesmo, deve suportar a temperatura

empregada no processor e suas dimensões dependem da rosca. A temperatura deve ser bem controlada a fim de manter a viscosidade desejada, sendo que uma elevação na temperatura pode gerar aumento da viscosidade (MANRICH 2005, p. 110). O barril pode ser fabricado por diversos tipos de aços, a extrusão de chapas ou perfis exige uma pressão de 75 MPa, e para injetoras essa pressão fica na casa dos 230 MPa, contudo para que não ocorra deflexão no barril em extrusoras, é sugerido que o barril tenha diâmetro externo 2,0 vezes o diâmetro da rosca, e para injetoras o barril deve ter 2,5 vezes (MANRICH, 2005). O material do barril deve atender as propriedades exigidas, onde necessita de uma dureza de 55 a 72 HRC, resistência a tração entre 360 e 600 MPa, para que esses parâmetros sejam obtidos, é necessário o tratamento superficial do barril, normalmente realizado por nitretação, e o material mais utilizado na fabricação de barris são as ligas Nitraloy 135M, Xaloy 800(mais resistente à abrasão) e Xaloy X-1001(Matriz martensítica) (MANRICH, 2005).

Funil: Tem como função alimentar igualmente a extrusora com o polímero a ser processado, o funil pode conter equipamentos que auxiliam na movimentação e no escorregamento de material, como sistema de agitação, vibração, controladores de fluxo. Em equipamentos mais modernos, o funil foi substituído por silos, assim além de alimentar a extrusora, esse componente faz a secagem do material.

Sistemas de aquecimento: segundo Michaeli (1995, p. 91) esse sistema tem como função aquecer e resfriar o cilindro conforme necessidade do processo, sendo dividido em várias zonas, é utilizada normalmente resistências em tiras, porem podem ser aplicados outros sistemas, como serpentinas de líquidos.

Rosca: tem como função puxar, transportar, fundir, homogeneizar e dosar o polímero, como dito anteriormente, é o principal componente da extrusora. Uma característica da rosca é que seu diâmetro externo é sempre constante, porem a cavidade da rosca é variável conforme polímero e produtividade desejada. Segundo Michaeli (1995, p.89), a rosca de três zonas é a mais utilizada, devido a sua vasta aplicação em diferentes polímeros com retorno econômico e térmico no processamento. Segundo Manrich (2005, p.108) o comprimento e o diâmetro da rosca dependem do polímero utilizado, e normalmente as roscas simples possuem ângulo de hélice de 17º e passo próximo ou igual o diâmetro, e Michaeli (1995, p.89) afirma que a relação comprimento por diâmetro (L/D), determina a potência da

extrusora, onde ao se variar D altera a vazão total do processo, e Manrich (2005, p. 130) relaciona que quanto maior for L/D maior é o tempo de residência, maior é o cisalhamento, existe uma maior mistura, e consequente maior gasto energético. Outro fator que a rosca deve atender é o avanço constante sem pulsação, produção de uma massa fundida homogeneizada, elevação da pressão da massa polimérica ao longo do comprimento da rosca, e o processamento do material abaixo das faixas de degradação. A figura 5 demonstra as zonas conforme acontece o processo da passagem do polímero na rosca.

Figura 5 – Zonas da rosca.

Fonte: Michaeli (2005, p. 89)

Para essas zonas da rosca, podemos definir que a zona de entrada ou de alimentação, é a região onde está próxima do funil, já a região de compressão atua na forma de aumentar a taxa de cisalhamento e encontra-se na zona intermediaria da rosca, roscas com zona de compressão longas, afetam o tempo de residência, fluxo desigual nessa zona, um baixo cisalhamento, por consequência um baixo poder de mistura (MANRICH 2005, p. 130), porém quando a zona de compressão é curta, as consequências são inversas e pode originar superaquecimento localizado. E com zona de calibragem ou de controle de vazão que se encontra no fim da rosca, próximo as grelhas e ao mandril extrusor, funcionando como um homogeneizador e controlador do processo. A figura 6 mostra os parâmetros e características presentes no canhão e na rosca.

Figura 6 – Características do barril e da rosca.

Fonte: Manrich (2005, p.108)

A folga entre a rosca e o canhão deve atender a alguns princípios, onde Manrich (2005, p. 112) destaca que essa folga deve atender a uma grandeza  = 0,15 mm, para evitar o contato entre as partes, evitando desgaste e desperdício de energia, devido a pressão aplicada ao polímero, não existe fuga do mesmo por essa folga, porem se a folga for superior a 0,2 mm, deve ocorrer essa fuga.

Manrich (2005, p.110) declara que o passo da rosca Ls e a profundidade

do canal h, afetam a taxa de cisalhamento, modificando o calor gerado e a vazão volumétrica, considerando a rotação N constante, a mudança na rotação N afeta os mesmos parâmetros.

Existem diferentes tipos de extrusoras, as quais são atendidas por diferentes tipos de roscas, além da rosca única simples já citada, temos outros tipos, segundo Michaeli (1995, p. 90):

Extrusora de parafuso único com extração rígida, caracterizada com o cilindro é ranhurado internamente, para aumentar o atrito e a consequentemente a taxa de cisalhamento, assim a formação de pressão ocorre na região de alimentação da rosca, porém a homogeneização perde propriedades, sendo necessário o uso de dispositivos a fim de melhorar a qualidade em relação a extrusora convencional.

Extrusora de duplo parafuso é alimentada com polímeros na forma de pó, atuam com sentido oposto uma em relação a outra, é utilizada em processos que demandam a aditivos, devido a facilidade na mistura, sem demandar maiores esforços mecânicos, ou maior energia, outra característica é a aplicação no processamento de polímeros que são sensíveis a temperatura, e não podem sofrer por tempos de passagem longos, assim não alcançam o limite de degradação.

Extrusora de duplo parafuso com giro no mesmo sentido é utilizada na formação de poliolefinas.

A extrusora pode ser composta por uma rosca com duplo filete, onde a característica é de melhorar a mistura, esses filetes não tem ligação entre si, o que impede o material ir de um para outro canal, uma vantagem é que os canais não são muito largos. (MANRICH 2005, p. 136)

Outros tipos de roscas aplicadas a extrusoras podem ser citadas as roscas de filete duplo na zona de alimentação, a rosca de passo variável, rosca de passo variável para borrachas, roscas cônicas, rosca com zona de descompressão. (MANRICH 2005, p. 144)

Um fator interessante que Michaeli (1995, p.92) aborda, é em relação aos materiais e o tipo de processamento, extrusão e injeção, onde enquanto a injeção é desejável baixa viscosidade e alta fluidez, na extrusão é exigida uma alta viscosidade, isso garante que o material não escorra no processo.

Tabela 4 - Faixas de temperaturas de processamento de alguns polímeros Plástico Faixa de Temperatura de

Processamento

Exemplos de Aplicação (Extrudados)

PE 130 – 200 ºC Tubos, tablet, filmes,

revestimentos

PP 180 – 260 ºC Tubos, filmes planos, tablet,

fitas

PVC 180 – 210 °C Tubos, perfis, tablet

PMMA 160 – 190 ºC Tubos, perfis, tablet

PC 300 – 340 ºC Tablet, perfis, corpos ocos

Fonte Michaeli (1995, p. 92)

Manrich (2005, p. 110) afirma que a matriz e a grelha alteram a pressão ao longo da rosca, onde é desejável uma boa distribuição de pressão, a boa mistura e a plastificação dependem dessa pressão controlada, pois o cisalhamento atuante acaba deformando a massa polimérica, assim a grelha elimina esses efeitos, e quando o polímero é processado sem a presença da grelha, pode ocorrer distorção ou empenamento.

As temperaturas do canhão, da rosca, e do conjunto à frente da rosca também podem ser otimizadas, para gerar máxima qualidade ao extrudado. (MANRICH, 2005, p.110)

O processo de extrusão pode ter um sistema de acabamento na linha produtiva, podendo variar de polímero para polímero, esses sistemas podem conter calibradores, puxadores, sistemas de resfriamento e sistemas de corte. (MANRICH

2005, p.111). E a figura 7 demonstra como é a esquematização da linha de acabamento acoplada à extrusora:

Figura 7 - Linha de acabamento acoplado à extrusora.

Fonte: Manrich (2005, p. 111)

O processo de extrusão tem uma configuração para o fluxo de energia aplicado ao polímero conforme a variação da rosca, e consequente pressão no processo, a equação 5 nos ajuda a encontrar a potência necessária na extrusão, onde P0 = Potencia necessária;  = densidade; Q = vazão volumétrica; Cp =

capacidade calorífica; Tentrada = temperatura de entrada do polímero no processo;

Tsaida = temperatura de saída do polímero; Hf = entalpia do polímero; p = Variação

de pressão; e a massa especifica 𝑚̇. Então temos:

𝑃₀ = 𝜌 ∙ 𝑄 ∙ Cp ∙ (−T_entrada+ T_saída) + 𝜌 ∙ 𝐻_f+ ∆𝑃 ∙ 𝑄 (5)

Onde: P0 = Potencia necessária [ KJ/h ];

 = densidade [ g/cm³];

Q = vazão volumétrica [ Kg/h ]; Cp = capacidade calorífica [ J/KgºC ];

Tentrada = temperatura de entrada [ºC];

Tsaida = temperatura de saída [ºC];

Hf = entalpia [J/Kg];

p = Variação de pressão [Mpa]. 𝑚̇ = massa especifica.

Com a massa especifica 𝑚̇, a vazão Q pode ser determinada pela equação 6:

𝑄 = 𝜌 ∙𝑄

𝜌 = 𝑚̇

O numero de rotações por minuto para atender ao mínimo necessário pode ser definido conforme as características de cisalhamento do processo de extrusão, onde Manrich cita a faixa cisalhamento 𝛾̇ entre 10² - 10³ [s-1], igualando esse cisalhamento com o diâmetro da rosca (D) multiplicado por 𝜋 e a rotação (N) em rpm, dividido pela altura da crista da rosca (h2) vezes 1 segundo, então pela equação 7, com o rearranjo necessário, determinamos a rotação:

𝛾̇ =

ℎ2 ∙1 (7)

Assim podemos demonstrar esse fluxo segundo Manrich (2005) pela figura 8:

Figura 8 – Fluxo de energia aplicado ao polímero, a linha pontilhada é devido a uma maior pressão perto do funil (zona de alimentação curta)

Fonte: Manrich 2005, p. 132