II) Extrusão II) Extrusão -Introdução
-Introdução
-Extrusora mono rosca
-Extrusora mono rosca
-Características
-Características
-Mecanismo de fluxo
-Mecanismo de fluxo
-Análise quantitativa de fluxo
-Análise quantitativa de fluxo
-Processos ps-extrusão
-Processos ps-extrusão
-!efeitos de extrudados
-!efeitos de extrudados
-Extrusoras com dupla rosca
-Extrusoras com dupla rosca
-Extrusora co-rotacional -Extrusora co-rotacional -Extrusora contra-rotacional -Extrusora contra-rotacional -Exemplos de aplicação -Exemplos de aplicação
-Comparativo entre extrusoras
"i#lio$rafia Específica
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Extrusão
Extrusão
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Extrusão
Extrusão
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Extrusão - Introdução
APICAGHE= produtos contínuos %u#os( diversos perfis*
ilmes*
Extrusão - Introdução
Extrusão J K um processo contínuo que consiste em transportar, fundir e for'ar
so! press(o o polímero no estado líquido Lfundido) atravKs de uma matri) para
produir uma seção ou perfil com forma e comprimento deseNado
Extrusora com rosca simples Lmono rosca) Características onas de processo da rosca
Extrusão
A redução na altura do filete da rosca aumenta a pressão que auxilia no #om#eamento do fundido atravKs da matri
Pressão deve oscilar o mínimo possível
Extrusão
Ângulo da hélice
θ
igual a zero, Vo coincidente com eixo z.
H
V
P2
H
P1
Assumindo: a)Fluxo laminar
!)"sotérmico
c)#$o h% escorregamento na &arede d)Fluido #e'toniano e incom&ress(el e)For*a graitacional des&rez(el e +)scoamento &lenamente desenolido.
Ainda, assumindo -ue n$o h% +luxo em x e /x 0 0 ) e somente em z /z +un*$o de somente), temos -ue:
omo a &ress$o é +un*$o somente de z e a tens$o é somente +un*$o de , isto s3 é &oss(el se am!os s$o igual a uma constante. Portanto o gradiente de &ress$o é constante e cresce linearmente com z e sendo τz dado &ela e-ua*$o a!aixo:
+luxo de arraste
Fluxo de contra5&ress$o
( 2) 1 z H dz dP . 2 1 H V V − η − = /2.66)"ntegrando a e-ua*$o 2.46, o!tém5se a az$o olumétrica, 7.
Fluxo de contra5&ress$o Fluxo de arraste
A elocidade do +luido na &arede do !arril V
!ser%:
V
!0
π
9
!#
nde: 9
!0 di8metro do !arril e # a rota*$o da rosca em ;P<.
V
!na dire*$o x ser%:
V
!x0
π
9
!#sen
θ
#a dire*$o = /ao longo do canal):
V
!z0
π
9
!#cos
θ
/
#xcontri#ui para o fluxo transversal de mistura e /
#para o
fluxo de descar$a*
Fd e F & s$o os +atores de corre*$o nos termos dos +luxos de arraste e contra5&ress$o, res&ectiamente.
;e&resentam o e+eito negatio /Fd e F & >0 1), deido a exist?ncia de &aredes /+ilete), reduzindo a az$o.
ξ =
BH
χ=
xBC
u
z0
zBV
!zFigura 2.D
+ici?ncia de descarga m%xima &ara 7 & 0 /!aixa mistura e homogeneiza*$o). 7 & 0 7d, todo +luido em&urrado &ara +rente retorna &ela contra5&ress$o /m%xima
7
&0
@7
&0 7
d@7
&0 27
d/-ua*$o linear) Gcaracter(stica da rosca
.Fd
Pontos o&eracionais da extrusora
com!ina*$o de 2.61 e 2.62
/-uando as iscosidades s$o di+erentes /extrusora e
+eito da di+eren*a de iscosidades na az$o da extrusora
onsiderando esca&e &ela +olga da rosca com !arril
( ) ( ) C e H 1 z B P H H V 6 tan ' e 1 C e 1 C e H + @ + + @ + !z 2 + @ + J δ µ µ + ∂ ∂ δ − µ − θ + + + µ µ δ =Pontos de o&era*$o /
A, B, Ce
D) &ara di+erentes
geometrias e di+erentes matrizes
K grande
K &e-ueno
anal &ro+undo
Extrusão
onas de processo de um extrusora mono rosca com de$asa$em
Extrusão
Extrusão
Placa perfurada *ou +ue!rafluxo- /rea"er plate e screen pac"0
unçes
2) Evitar a passa$em de material estran0o Limpureas( $rãos slidos( etc*)+ >) Elevar pressão no ca#eçote+
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Elementos de Mistura
Extrusão
Extrusão
Elementos de mistura dispersiva
Extrusão
Extrusão
Elementos de mistura distri#utiva
Extrusão
Mecanismo de fluxo extrusora mono rosca Mecanismo de transporte duas condiçes extremas
2) & material adere na rosca e deslia no cilindro* =o# estas condiçes a rosca e o material $iram como um cilindro slido e portanto não ocorre transporte*
>) & material adere no cilindro e deslia na rosca* =o# estas condiçes 0á uma tendRncia do material ser transportado axialmente*
.a prática ocorre fricção do material na rosca e no cilindro e o principal mecanismo de transporte neste caso K o fluxo de arraste*
&s fluxos contrários ao de arraste são as componentes de fluxo de press(o , $erada
pelo $radiente de pressão ao lon$o da extrusora e a componente de fluxo de escape ou de fuga , devido a fol$a existente entre o topo do filete da rosca e o
Extrusão
luxo total S fluxo de arraste - fluxo de pressão - fluxo de escape Análise quantitativa de fluxo
luxo de arraste
8ipteses viscosidade constante( fluxo isotKrmico ao lon$o da lar$ura do filete LCraBford( '*;*) cos sen .8 ! > 2 T > > d
& fluxo de arraste depende 5 diOmetro da rosca L!>)
5 velocidade da rosca L.) 5 profundidade do canal L8) 5 On$ulo do filete L )
% 0 tensor das tenses.
p 0 &ress$o isost%tica /no caso de
+luidos em moimento este termo n$o tem im&ort8ncia.)
σ = tenses normais e cisalhantes
Extrusão
d-dP * 2> sen !8 T > Q p& fluxo de pressão depende
5 dimenses da rosca Lespecialmente 8Q)
5 $radiente de pressão LdPUd) 5 viscosidade do fluido L )
Extrusão
luxo de escape d-dP tan e 2> ! T Q > >-& fluxo de escape depende
5 dimenses da rosca Lespecialmente Q)
5 $radiente de pressão LdPUd) 5 viscosidade do fluido L )
& fluxo de escape K importante principalmente quando ocorre des$aste e o espaço entre o topo do filete e o cilindro K aumentado*
Extrusão
luxo total S fluxo de arraste - fluxo de pressão - fluxo de escape
d-dP tan e 2> ! d-dP 2> sen !8 cos sen .8 ! > 2 T Q > > Q > >
Caso 2 =e PS5( ou seNa( sem matri e despreando o fluxo de escape cos sen .8 ! > 2 T T > > máx
Caso > =e P no final da extrusora K suficiente para tornar TS5 e i$norando o fluxo de escape P tan 8 !-. : P > máx
Extrusão
,P T
A vaão na matri depende da pressão de entrada &nde m D -9 '
, para matri capilar de raio ' e comprimento m
cos sen .8 ! > 2 T T > > máx tan 8 !-. : P P > máx
Extrusão
=implificação da equação total de T para parOmetros $eomKtricos fixos representados por e
. T
As principais variáveis da extrusora são 5 velocidade da rosca L.)
5 pressão na extremidade LP) 5 viscosidade do fundido L )
Extrusão
Ponto de operação com#inação do fluxo na extrusora com o fluxo na matri( i$norando o fluxo de escape
P -9 ' -P tan e 2> ! d-dP 2> sen !8 cos sen .8 ! > 2 T m D Q > > Q > >
Pressão no ponto de operação
P op -Q U sen !8 -> U ' cos sen .8 ! > > Q m D >
Extrusão
'elação T < P
Extrusão
'elação T < P Lfluido não neBtoniano)
Extrusão
EficiRncia volumKtrica da extrusora . * tan ! /a /d /elocidade axial /a
/elocidade paralela ao filete /d
/aão ideal Ti S /d x área da seção cruada dos filetes sen tan !. sen / a tan .8 ! cos * tan 8! sen tan !. T > > i
EficiRncia volumKtrica considerando o fluxo de arraste K função Vnica de > máx i cos > 2 T T Passo S diOmetro S 24(::W =e S25W eficiRncia S D@(DX eficiRncia S D9(@X
Elementos Taxa de cisalhamento (s-1) Passo (mm) Ângulo (graus) 60 rpm 100 rpm 150 rpm 200 rpm Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx. 42 26,69 19 1174 31 1957 47 2936 63 3915 28 18,38 20 1233 33 2054 49 3082 66 4109 20 13,31 21 1258 34 2096 50 3145 67 4193
θ
π
=
γ
cos h 9# .%axa de cisal0amento para diferentes elementos de roscas
Extrusão
Processos ps extrusão
perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*)
Matries
Extrusão
Processos ps extrusão
perfis contínuos Ltu#os( cal0as( etc*)
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Processos ps extrusão fiação por fusão Lmelt spinning )
Spinaret 1 matri) com v2rios furos
Produção de fi#ras e monofilamentos sintKticos para uso em tRxteis*
Materiais .1lon( PE% e PP
Possíveis pro#lemas de ori$em reol$ica draw resonance, shar"s"in.
Extrusão
Processos ps extrusão filme tu#ular L#i-orientado)
atores que influenciam na espessura do filme
Pressão do ar interno /elocidade de tira$em A#ertura da matri
'aão de sopro do #alão U da matri
Extrusão
Matries J filme tu#ular
&"= para o PP o #alão K invertido taxa de cristaliação lenta*
Característica da matri espiral #aixa pressão e excelente distri#uição do melt( sem lin0a de solda
Extrusão
Extrusão
Pro#lemas de fluxo Ldefeitos no extrudado) resultam da com#inação das
propriedades de fluxo do fundido( proNeto da matri e condiçes de processamento*
2) ratura do fundido Lmelt fracture) ocorre acima de uma taxa de
slipstic" entre o fundido e a parede da matri devido a altas taxas* 6m aumento
de temperatura ou da raão U! da matri pode elevar o valor da taxa de cisal0amento crítica*
Extrusão
Extrusão
ratura do fundido Lmelt fracture)
Extrusão
>) Pele de cação Lshar"s"in) defeitos superficiais que ocorrem perpendicular ao
diferença entre as velocidades dentro e fora da matri Lquando o extrudado emer$e ocorre rápida aceleração da camada da pele em relação as demais)*
& fundido K viscoelástico( a componente elástica permite o aparecimento de tenses prximas da superfície( lo$o essas forças superam a tensão do fundido e a superfície ras$a-se( li#erando tenses*
Extrusão
Q) Inc0amento do extrudado Ldie swell ) ocorre principalmente devido a
da matri* A recuperação K dependente do tempo( portanto matri com comprimento curto pode ter maior inc0amento
mat
!
ext
!
"
inc0amento
Extrusão
Equação proposta por Co$sBell para calcular die sBell
>
Q
> "
&nde " S !extU!mat em capilar com Z 2:+ ' - deformação cisal0ante recuperável* Q ' > Q > ' ' 2 2 2
Extrusão
Inc0amento do extrudado Ldie swell )
Extrusão
"retas( '*E*=* Inc0amento do extrudado Ldie swell )
!r JdiOmetro #arril !c J diOmetro do capilar
Extrusão
D) !raB resonance acontece em processos onde o extrudado K suNeito a fiação de fi#ras e sopro* & pro#lema ocorre quando a resistRncia a deformação extensional K reduida com o aumento do nível de tensão* A quantidade total de massa entre a matri e o puxador pode variar com o tempo( pois( mesmo o puxador tendo velocidade constante as dimenses do extrudado podem variar* fluxos extensionais em superfícies livres( como extrusão de filme tu#ular(
Extrusão
@) !raBdoBn
do material na matri L/d)* Este efeito K importante na produção comercial de filmes e fi#ras altamente orientados*
deformação imposta no extrudado( parcialmente solidificado* &corre quando a velocidade dos puxadores L/0) excede a velocidade de saída
Extrusão
Extrusoras com dupla rosca
'aes para o desenvolvimento destas máquinas conse$uir maior eficiRncia no transporte do material do funil atK a saída na matri+ atin$ir velocidades mais altas e constantes+ maior pressão na matri e mel0or ação de mistura*
Característica deseNável transporte [positivo\ do material Lação de Rm#olo)( sem influRncia de componente contrária e independRncia dos coeficientes de atrito do material com a rosca e o cilindro*
Principais usos
MProdução de compostos+
MProdução de concentrados Lmaster#atc0es)+
MMistura L#lendas( compsitos( nanocompsitos)+ M!e$asa$em+
Extrusão
Extrusora com dupla rosca movimentos das roscas no mesmo sentido e em sentido contrário
Extrusão
Extrusora com dupla rosca movimentos das roscas no mesmo sentido e em sentido contrário
Extrusão
Extrusão
Extrusora com dupla rosca com movimentos na mesma direção J corotacional
& sistema co-rotativo a$e por forças radiais de cisal0amentoUplastificação Principais Características
luxo positivo LRm#olo)+ ol$a entre roscas pequena+
Movimento do material na forma de oito Lradial)+ Auto limpante+
Permite elevadas velocidades+ Permite diferentes confi$uraçes+
Alimentação do material em diversas posiçes+ Custo alto
Extrusão
Extrusão
Extrusora com dupla rosca modular co-rotativa Principais características de processo
M Incorporar e 0omo$eneiar aditivos sem promover de$radação+
M erar altas tenses de cisal0amento para dispersão de particulados( pi$mentos e fases+
M %ransporte positivo do material+
M Características auto-limpante das roscas+ M %empos de residRncia curtos+
Extrusão
Extrusão
Elementos Característica Capacidade de %ransporte Passo direito e
lar$o Alta e rápida
Passo direito e
curto Alta e lenta
Passo esquerdo Componente de contra-pressão Análise qualitativa de elementos de rosca LE')
Extrusão
Aumento de pressão local $erada pelo uso de E'E posicionado na frente de elementos E' ou EM
EM com On$ulos dos discos defasados em ASQ5o+ "SD@o+ CS:5o
Extrusão
Elementos Característica Mistura Capacidade de%ransporte
.eutro L35]) Alta "aixa
Passo direito LQ5]) MKdia Alta Passo esquerdo LQ5]) MKdia Lpoço fundido) Componente de contra-pressão InfluRncia dos On$ulos entre discos adNacentes
Extrusão
InfluRncia da lar$ura dos discos
Elementos Característica Mistura Cisal0amento
!iscos lar$os "aixa Alto
!iscos mKdios MKdia MKdio
!iscos estreitos Alta
Extrusão
Extrusão
Capacidade de descar$a LT) L'auBendaal( C*)
As E!'cor-%I( na maioria das vees( operam com canais parcialmente c0eios Lcondição starved0 )* Isto ocorre em maior freq^Rncia nas seçes da máquina
compostas exclusivamente por elementos de rosca com passo direito LE')* .estas seçes( o fluxo de arraste máximo LTd) K dado pela se$uinte relação
cos . !78C > ) 2 n > L d T f d
&nde nf J K o numero de filetes da rosca+ ! J o diOmetro do #arril+ 7 J lar$ura do canal+ 8 J profundidade do canal+ d J fator de forma para o fluxo de arraste+ . J K a velocidade de rotação das roscas+ - o On$ulo do filete*
Extrusão
Capacidade de descar$a LT) L'auBendaal( C*)
Por causa do enc0imento parcial( a alimentação real LT) K sempre menor que LTd)* Assim( tem-se
d
T
T
&nde K o fator de enc0imento
ou ) =eçes c0eias e outras semi-preenc0idas Lstarved ) Evolução da pressão $rau de enc0imento L
Extrusão
Extrusão
Capacidade de descar$a LT) total do elemento de rosca L'auBendaal( C*)
Capacidade de descar$a LT) total do elemento de rosca L'auBendaal( C*)
p p Q Q f f d d f f CC dM dM dp dp 2> 2> 78 78 2 2 n n > > cos cos . . !78C !78C > > )) 2 2 n n > > LL d d T T luxo
luxo total total S S fluxo fluxo de arraste de arraste - - fluxo fluxo de prde pressãoessão
&nde
&nde - K a viscosidade do fluido+ dpUd J K o $radiente de pressão na - K a viscosidade do fluido+ dpUd J K o $radiente de pressão na parOmetros são idRnticos aos da equação anterior
parOmetros são idRnticos aos da equação anterior direção do canal+
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Capacidade de descar$a LT) para elemento com passo esquerdo L70ite( ;**)
Capacidade de descar$a LT) para elemento com passo esquerdo L70ite( ;**)
p p Q Q f f d d f f CC dM dM dp dp 2> 2> 78 78 2 2 n n > > cos cos . . !78C !78C > > )) 2 2 n n > > LL d d T T
Extrusão
Extrusão
a) MecOnica do fluxo em uma extrusora dupla rosca co-rotacional e totalmente interpenetrante*
#) Mudanças no perfil de velocidades na ona intermediária das roscas*
a)
Extrusão
Estudo do tempo de residRncia
%empo de residRncia tempo que o material leva para passar atravKs de uma re$ião definida*
Aplicaçes na en$en0aria de polímeros avaliar o desempen0o de extrusoras utiliadas como reator para polimeriação( modificação química( compati#iliação e como equipamento de mistura
Princípio da tKcnica
[resposta a um estímulo pulsado\ uma quantia fixa de traçador K adicionada instantaneamente ao sistema e sua concentração K medida em função do tempo no fluxo de saída*
Extrusão
Equaçes envolvidas !%' A!%' 5 dt t t C t E 5 t t 5 tdt dt t C%empo de residRncia mKdio
/ariOncia 5 5
)
t
L
dt
)
t
L
tC
t
> > t ELt)dt C 5 C dt t E t C
) t LExtrusão
Exemplo xtrusora du&la5rosca Alimentador Funil de alimenta*$o 2om&utador Port%til "nter+ace Anal3gicoBdigital aixa de controle Press$o Iem&eratura do +undido élula Fotocondutia <atriz Elit Fonte de luz xtrudado2onNunto desen)ol)ido &ara medidas 9I;: dis&ositi)o 3tico matriz ca!e*ote e re+rigera*$o.
Extrusão
Extrusão
Extrusão
DD mmmm DDO O mmmm anela
anela de de idroidro
Extrusão
Extrusão
0 0 110000 220000 303000 440000 550000 0,012 0,012 0,008 0,008 0,004 0,004 0,000 0,000 60rpm ) 2*g)+ 60rpm ) 2*g)+ Fluxo: Fluxo: PP PP Ta!ado: Ta!ado: 0,2 g P6 0,2 g P6 "osca: "osca: 2-.45 2-.45 E E ( ( t t ) ) s s - 1 1 Tem#o (s) Tem#o (s) 3300 cm 3300 cm-1-1 1$40 cm 1$40 cm-1-1 1550 cm 1550 cm-1-1 in-line in-lineCorrelação entre as medidas Correlação entre as medidas [in-line\ e [off-line\*
Extrusão
Exemplo 0 50 100 150 200 0,000 0,015 0,030 0,045 ros!a/ 100 rpm p1 E ( t ) s - 1 Tem#o (s) (5 %&'h) (,5 %&'h) (10 %&'h) 0 50 100 150 200 0,000 0,015 0,030 0,045 ros!a/ 3-45 100 rpm p1 E ( t ) s - 1 Tem#o (s) 5 %&'h ,5 %&'h 10 %&'hExtrusão
0 50 100 150 200 0,000 0,015 0,030 0,045 ros!a/ 10 *g+ p1 E ( t ) ( - s 1 ) Tem#o (s) 100 #m 150 #m 200 #m 0 50 100 150 200 0,000 0,015 0,030 0,045 ros!a/ 3-.45 10 *g)+ p1 E ( t ) ( - s 1 ) Tem#o (s) 100 #m 150 #m 200 #mExtrusão
5 $ 8 9 10 0 40 80 120 100 rpm p1 tn 3*45 + ti 3*45 + T e m # o ( s )Taxa de alimenta!.o (%&'h)
5 $ 8 9 10 0 400 800 1200 150 rpm p1 / a i 0 n c i a ( )
Taxa de alimenta!.o (%&'h)
oscas 3*45
+,-Extrusão
Extrusão
Estudo de caso - >
.anocomposites #1 Extruder Processin$
3. R. &ennis, &. 4. 3unter
Southern %lay Products 5. 6. %ho, &. R. Paul
The 7niversity of Texas at ustin &. %hang, S. 8im, 5. 4. 6hite
The 7niversity of "ron
,illion =in$le =creB
Extrusão
Extrusão
Extrusão
Estudo de caso - >
=in$le =creB
Co 'otatin$( Medium =0ear
Co 'otatin$( oB =0ear
Extrusão
TE is#esion s ean "esidence Time
0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 $0 80 100 120 140 1$0 180
ean "esidence Time
T E 2 i s # e s i o +o " +nt +nt -
Extrusão
Estudo de caso - Q
[Morp0olo$1 !evelopment of in situ Compati#ilied =emicr1stalline Pol1mer "lends in a Co-'otatin$ %Bin-=creB Extruder\
3erv9 %artier and uo3ua 3o *Pol. Eng. ; Sci. <.=>, ?o.@,
A>>>-"lendas e Composição PPUPA-: L95U>5)+ PPUPA-:UPP-$-MA L:5U>5U>5) PPL%mS2:QWC)+ PA-:L%mS>>2WC)
Extrusão
L&ssBald( %*A* + Men$es( .)
&utros exemplos formação de morfolo$ia em #lendas
Extrusão
Extrusora com dupla rosca com movimentos contrários J contrarotacional
& sistema contra-rotativo a$e por forças axiais de cisal0amentoUplastificação Principais Características
luxo positivo LRm#olo)+
ona de alta pressão Lentrada da matri)+ Movimento do material na forma de C+ Permite diferentes confi$uraçes+
Extrusão
Extrusão
luxos de escape
m > T
Capacidade de descar$a LT) L"irle1( A*7*)
=endo > J n] de roscas+ m J nVmero de espiras+ . J velocidade+ 7( 8 e ! J parOmetros $eomKtricos da rosca+ Tc( Ts( Tf e Tt J fluxos de escape Lsão funçes de PU )
) t T f T L m 2 s T c T ) 8 ! L .78