Na produção de nanocompósitos via intercalação no estado fundido, as extrusoras de rosca dupla co-rotacionais apresentam vantagens em relação aos demais tipos de extrusoras. Neste tipo de equipamento, a incorporação e homogeneização da nanocarga são mais eficientes, sem que seja excedida a temperatura de degradação dos materiais, devido a uma promoção de cisalhamento e história de aquecimento uniformes, além de uma permissão de controle mais preciso sobre a mistura.
No caso das roscas moduladas, a configuração da rosca pode ser alterada de acordo com a aplicação, mudando a sequência, tipo e quantidade dos elementos ao longo do eixo da rosca. Para compor o perfil da rosca empregam-se elementos específicos para condução e mistura do material.
Os elementos de condução são utilizados com diferentes passos ou ângulos de filete. O passo é a distância entre dois filetes ou hélices e controla o grau de enchimento, com vazão e velocidade constante. O ângulo de filete é definido como a inclinação do filete em relação ao eixo perpendicular ao seu diâmetro. A Figura 2.8 ilustra estes parâmetros geométricos [44,45].
Figura 2.8 Ilustração dos parâmetros de geometria da rosca, onde e é a
Um passo largo é usado para gerar baixo grau de enchimento na região de abertura de alimentação ou de degasagem, porém o tempo de residência é pequeno. Um passo curto é usado para gerar alto grau de enchimento, maximizando a área de contato do material com a superfície do barril, favorecendo o processo de transferência de calor e a capacidade de bombeamento [51,52]. A Tabela 2.2 mostra alguns elementos de condução. O elemento de rosca de passo reverso (ou esquerdo) gera fluxo contrário à direção da matriz. Os elementos de passo direito devem fazer com que o material sendo transportado pela rosca sobreponha a resistência imposta pelo passo reverso, resultando em um aumento de pressão localizado. O grau de enchimento chega ao valor máximo na região imediatamente anterior a este elemento de rosca, criando uma vedação de fundido. O elemento de rosca de passo reverso pode ser utilizado como barreira de separação entre as regiões de degasagem ou para melhorar a mistura quando combinados com elementos de mistura. Este último elemento aumenta o tempo de residência e o cisalhamento.
Tabela 2.2 Características e capacidade de transporte de elementos de condução [52].
Roscas de extrusão sem zonas específicas de mistura possuem baixa capacidade de executar tal processo. Portanto, recomenda-se o uso de dispositivos de mistura quando se deseja boa homogeneidade do fundido com condições estáveis de extrusão. Os elementos de mistura distributiva são úteis em todas as operações de extrusão, enquanto os elementos de mistura
dispersiva são necessários somente quando aglomerados de partículas no composto precisam ser quebrados em partículas menores [44,45], como é o caso da nHA.
As seções de mistura distributiva devem ser capazes de submeter o fluido a uma deformação cisalhante significativa, e de dividi-lo repetidamente durante o fluxo, com operações frequentes de reorientação dos elementos de fluído. Estas seções devem evitar o superaquecimento do polímero fundido, o que levaria à sua degradação térmica [51,53].
Já os dispositivos de mistura dispersiva devem possuir uma região de alta pressão, onde todos os elementos do fluído são submetidos a elevadas tensões de cisalhamento, e esta região de alta pressão deve ser projetada de tal forma que a exposição às altas tensões seja uniforme e de curta duração, para conseguir quebrar os aglomerados na matriz polimérica [51,53]. A seção de mistura dispersiva do tipo turbina (Figura 2.9), utilizada em extrusoras de rosca dupla, promove um alto nível de cisalhamento quando o polímero fundido atravessa por entre suas aberturas estreitas conforme ele gira junto com a rosca. Tal elemento poderá auxiliar na quebra dos aglomerados de nHA durante a produção do nanocompósito.
Figura 2.9 Seção de mistura dispersiva do tipo turbina.
A Figura 2.10 mostra os elementos de mistura denominados elementos de malaxagem. Estes elementos são constituídos por discos adjacentes, defasados em ângulos que proporcionam altas tensões de cisalhamento e melhor mistura, sendo que quanto maior a defasagem, maior a eficiência na mistura axial. Estes elementos são usados em regiões da rosca em que se
deseja que o material sofra altas tensões de cisalhamento e são classificados de acordo com suas larguras e com a direção de transporte.
Figura 2.10 Elementos de malaxagem com diferentes ângulos de defasagem [52].
Os discos sucessivos permitem que o material mude para canais adjacentes. A abertura do canal na direção axial é dependente do ângulo entre os discos sucessivos. Quanto maior o ângulo, melhor é o desempenho na mistura axial. Os discos podem ser agrupados com relação à direção de transporte: direita (positiva), neutra e esquerda (reversa). Os de sentido direito permitem a mistura do material através das aberturas formadas pelos ângulos entre os discos. Os neutros não têm capacidade de transporte e dependem dos elementos positivos que forçam o fluxo a sobrepor tais elementos. Por fim, os discos de sentido reverso produzem uma contrapressão que é acompanhada de um aumento no grau de enchimento, no sentido contrário ao fluxo; entretanto, a queda de pressão é menor do que com elementos de condução de passo reverso, devido às aberturas formadas pelos ângulos entre os discos. A Tabela 2.3 traz a classificação dos elementos de malaxagem de acordo com a direção de transporte dos discos. Já a Tabela 2.4 classifica os elementos de malaxagem de acordo com a largura dos discos.
A mistura distributiva é ativada em uma extrusora de rosca dupla co- rotacional com o uso de elementos de malaxagem estreitos e com pequenos ângulos entre os discos, já que estes promovem uma boa mistura distributiva radial e alta capacidade de transporte. Hélices com interrupções e misturadores dentados também são utilizados para favorecer este tipo de mistura [51,52].
Tabela 2.3 Classificação dos elementos de malaxagem de acordo com a direção de transporte dos discos [52].
Tabela 2.4 Classificação dos elementos de malaxagem de acordo com a largura dos discos [52].
Já a mistura dispersiva utiliza elementos de mistura com discos largos e ângulos grandes, pois aplicam altas tensões e altas taxas de deformação sobre o material, favorecendo a dispersão de uma segunda fase. Além desses, também são empregados elementos de condução de passo reverso, que aumentam o tempo de residência sob deformação, e misturadores dentados, que aumentam a eficiência deste tipo de mistura [51,52].
Portanto, o estudo de um perfil de rosca adequado para o desenvolvimento de misturas distributivas e dispersivas é de extrema importância para que se possa obter nanocompósitos com partículas bem distribuídas e dispersas.