Processamento de Termoplásticos

(1)

Processos de Engenharia de

Materiais 4

Processamento de Termoplásticos

(2)

(3)

1. Introdução

••

Definição

••

Fatores que influenciam o

Fatores que influenciam o processamento de polímeros

processamento de polímeros

••

Processamento de Termoplásticos

••

Moldagem por extrusão

••

Moldagem por injeção

••

Termoformação

••

Sopro

••

Bibliografia

••

Morton-Jones D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, 1993.

••

Oswald T. A

Oswald T. A Polymer Processing Fundamental

Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser

s, Munic, Hanser Publishers

Publishers

(4)

Estrutura

Propriedades

Processamento

Aplicações

Estrutura atômica Estrutura atômica -arranjo eletrônico, arranjo eletrônico, composição composição Arranjo atômico Arranjo atômico -estrutura cristalina ou estrutura cristalina ou amorfa. amorfa. Microestrutura - t

Microestrutura - tamanhoamanho e formado dos grão, e formado dos grão, esferulitos, cristais únicos esferulitos, cristais únicos

poliméricos. poliméricos. Macroestrutura Macroestrutura Mecânicas Mecânicas óticas óticas densidade densidade térmica térmica elétrica elétrica química química

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Extrusão Extrusão Injeção Injeção Calandragem Calandragem Termoformagem Termoformagem Compressão Compressão Moldagem por Moldagem por transferência transferência

Condições de processamento

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Introdução à Materiais Poliméricos

• Definição

• Classificação dos Polímeros

• Estrutura molecular

• Propriedades mecânicas

• Termoplásticos e termofixos

• Cristalinidade de polímeros

• Morfologia

• Peso Molecular e Distribuição de Peso Molecular

Métodos de Preparação

• Conceito de reciclagem

• Referência bibliográfica:

• F. Bilmeyer, Textbook of Polymer Science, Ed. Wiley, 2 ed.

1971.

• E. B. Mano, Introdução a Polímeros, Ed. Edgard Blucher,

1985.

• Sebastião Canevarolo Jr., Ciência dos Polímeros Um texto

básico para tecnólogos e engenheiros, ed. Artliber, 2002.

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Vantagens e Desvantagens do emprego de polímeros em Engenharia

Vantagens

Desvantagens

Facilidade de conformação Menor densidade Alta Resistência à corrosão Isolação elétrica Isolação térmica Baixa permeabilidade a vapores

Baixa resistência à intempéries Transparência

Problema de queima (liberação de gases tóxicos)

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Tensão

(MPa)

Nylon

Polietileno

Polímeros

Cerâmicas

SiC

Si

₃

N

₄

ZrO

₂

Al

₂

O

₃ Epoxi/FC Epoxi/Kevlar Poliimida/FC Poliester/FV

Compósitos

Metais

Liga de cobalto Aço de AR Ligas de aço Ligas de Cu-Be Ligas de Niquel Ligas de Titãnio Ligas de Alumínio Ligas de Zinco 14,5 29,0

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Resumo do Comportamento mecânico de Metais, Cerâmica e Polímeros:

Baixa

Média

alta

Alta

-alta

Alto

Baixo

Alto

Dúctil

D/F

Dúctil

Alta

Baixa

Alta

Metais

Polímeros

Compósitos

Alta

Baixa

Alto

Frágil

Média

Cerâmica

Fadiga

Impacto

Módulo

Fratura

σ σ σ σ

Tração

Tipo de

Material

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Propriedades Físicas

Propridade Física

Material

Densidade

(g/cm

3

₎

Polímeros – 0.9 –1.4 Metais – 2.5- 10 Cerâmicas – 3.4 – 6

Condutividade Elétrica

(S/cm)

Polímeros – 10-19– 10-12 Cerâmicas – 10-17– 10-12 SiC 10-1a 10-2 B4C – 1 a 2 Metais – 105 Polímeros – 10-4

Condutividade Térmica

(Cal/cm.s.K)

Cerâmica – 10-1a 10-4 Metais – 0.5 a 0.05

Corrosão

Polimeros - Alta Cerâmicos – Alta Metais – Baixa

Resitência à Intempéries

Polímeros – Baixa Cerâmicos – Alta Metais – Alta

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Condutividade elétrica (S/cm) 108 104

1

10-4 10-8 10-12 10-14 10-16 10-20 Fenol Formaldeído Nylon, Borracha Teflon Polietileno tijolo de sílica Cristais SiO₂ Al₂O₃ Diamante Vidro de SiO₂

Polímeros

Cerâmicas

Germânio

Silício

Cu Alumínio Ferro Aço Semi-Condutores Metais

Condutividade Elétrica de Alguns Materiais

P O L Í M E C R O O N D U T O R

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Alta resistência, baixo peso Componente aeronáuticos

Epoxi-fibra de carbono

Metais

Bom isolamento elétrico eboa resit. À intempéries

Encapsulamento de circuitos integrados

Epoxi

Filme fino, flexível e transparente

Embalagem de alimentos

Polietileno

Polímeros e compósitos poliméricos

Comportamento elétrico Transistores e circuitos integrados

Silício

Converte sinal elétrico em luz Sistemas de fibra ótica

GaAs

Prop. Piezoelétrica –transformação de energia mecânica em elétrica Transdutores para aparelhos

eletrônicos

Titanato de Bário

Semicondutores

Isolante térmico, Alta temperatura de fusão,material inerte Refratários para moldes metálicos

Al₂O₃, MgO, SiO₂

Boas prop. óticas e térmicas

Vidro SiO₂-Na₂O-CaO

Cerâmicas

Excelente propriedades mecânicas

Quadro de bicicleta Ligas de Aço

Boa resistência à temp, à vibração Bloco de motores de automóveis

Ferro cinza

Alta condutividade elétrica, boa flexibililade Fio elétrico Cobre

Propriedades

Aplica

Aplicaçções

ões

Tipo de Material

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Amorfo

Tg

Semicristalino

Tg e Tm

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Estrutura esferulítica de um polímero

resfriado a partir do fundido

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Morfologia

dos Cristais Método deObtenção ParâmetrosEstruturais Parâmetros deControle dos Processamento Efeito nas Propriedades Mecânicas Efeito nas Dimensões das Peças Efeito nas Propriedades Óticas Fração volumétrica de cristais (Vc) Maior velocidade de resfriamento Menor Vc Menor rigidez menor módulo Maior Tenacidade menor densidade, maior volume livre maior transparência

Esferulito Resfriamentoa partir do fundido Tamanho do Cristal (Tc) Maior velocidade de resfriamento Menor Tc maior tenacidade, maior resistência mecânica

Nenhum transparênciamaior

Relação Estrutura - Propriedades - Processamento

Em Polímeros Semicristalinos

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Técnicas de processamento de polímeros

Termoplástico

Termofixo

Reação química

substância de Baixa MM

Polímero reticulado

Temperatura

e pressão

Solúveis e fusíveis

Re-processados

Temperatura de uso

restrita a Tg/Tm

Reciclagem

Insolúvel e infusível

maior estabilidade

dimensional

Elastômero

(16)

Termofixos ou termorígidos

(17)

Fluido de lei das potências

η

= m

γ

γγ

γ

n-1

m - é a consistência

n índice da lei das potências

η η η

η

- viscosidade

Reologia - Ciência que estuda o fluxo e a

deformação da matéria

(18)

(19)

Variação da viscosidade de termofixos durante o processamento

tempo gel

(20)

Moldagem por injeção

Características do processo

•

Processo empregado para termoplásticos ou termofixos;

•Produção de peças pequeno a grande porte;

•Processo intermitente, alta produção, peças com excelente acabamento

superficial e de formatos complexos, custo de mão-de-obra é relativamente baixo, o processo pode ser automatizado, peças requerem pouco ou nenhum acabamento e as peças podem ser moldadas com insertos metálicos

Os moldes são muito caros, a qualidade das peças é depende dos parâmetros de injeção;

(21)

Máquinas de moldagem por injeção

Êmbolo

Os elementos da Unidade de Injeção são : - Funil de Alimentação;

- Canhão (Cilindro);

- Válvula de Não-Retorno (na extremidade da rosca); - Bico de Injeção;

- Aquecimento do Canhão;

(22)

(23)

Principais Elementos de Injetoras Horizontais

Em geral, as máquinas de moldagem de injeção consistem de quatro entidades funcionais:

1. Unidade de Injeção 2. Unidade de Fechamento 3. Acionamento Hidráulico 4. Sistema de Controle

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Rosca (Parafuso) •plastificar e injetar materiais poliméricos.

•Transporte eficiente (baixo tempo de residência);

•Efetiva capacidade de plastificação e mistura (assegurar homogeneidade de temperatura e aditivos);

•Boa capacidade de limpeza;

Relação L/D da rosca pequena:

-menor tempo de residência no cilindro, - ocupa menos espaço.

- requer menos torque para movimentar a rosca (motor menos potente) -menor custo inicial de investimento e para substituição de peças. -Relação L/D da rosca grande:

- permite uma maior produção.

- produção mais uniforme e maior mistura.

- a rosca fornece maior pressão.- maior plastificação com menor cisalhamento e maior condutividade térmica do cilindro.

(25)

Rosca para Termofixos

Roscas para processamento de termofixos têm menor profundidade de filete e

são utilizadas sem válvula de não-retorno. Seu design deveria prevenir o

aquecimento do material curável indevidamente por cisalhamento para evitar a reação no espaço entre os filetes. As roscas para termofixos são mais

curtas que para termoplásticos. A razão L/D é de 12:1 a 15:1.

Rosca para Elastômeros

Elastômeros têm sido processados em máquinas de moldagem por injeção desde o início da década de 60. Enquanto que no transporte de material não surge nenhum problema, o perfil de temperatura e o tempo de residência apresentam dificuldades. Eles devem ser selecionados de tal maneira que o composto de borracha não vulcanize prematuramente nos filetes, no espaço na frente da rosca ou no bico.

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Válvulas de Não-Retorno

Previne o retorno do material plastificado, devendo apresentar as características: - alta eficiência

- curto tempo de fechamento - alta resistência mecânica -auto-limpante

A eficiência das válvulas de não-retorno situa-se na faixa de 95 a 97 % em relação ao volume plastificado previamente. 3 a 5 % do material flui de volta em direção ao funil quando a válvula estiver fechada durante a fase de injeção e recalque.

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Bico de Injeção

O bico de injeção se ajusta na bucha de injeção do molde. O bico de injeção é forçado contra a bucha de injeção do molde antes da injeção produzindo uma força de fechamento onde se evitam vazamentos.

Bicos Abertos

Os bicos abertos usualmente têm um único canal que vai afilando na direção o fluxo. Levando-se em consideração somente o fluxo, o bico aberto é o de melhor solução pois têm a menor queda de pressão e o menor comprimento.

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Bicos Fechados

Os bicos fechados são utilizados para evitar vazamento do fundido e tornar possível a plastificação com o canhão recuado.

O Bico deslizante é aberto pela força aplicada na unidade de injeção contra o molde. Este bico fecha automaticamente quando a pressão é aliviada durante o recuo da unidade de injeção.

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2. UNIDADE DE FECHAMENTO Funções da Unidade de Fechamento •Fixar o molde e movimentá-lo durante a abertura e fechamento;

•Manter o molde fechado e travado durante as etapas de injeção e recalque; •Providenciar a ejeção das peças;

•Mecânica e Hidráulica.

b) Fechamento Hidráulico

O êmbolo de acionamento hidráulico é diretamente responsável pela movimentação do molde e pela requerida força de fechamento.

 Melhor controle da força de fechamento

 Melhor controle do posicionamento da placa móvel

 Velocidade de fechamento da placa móvel apresenta-se mais constante  Maior consumo de energia, principalmente para manter o molde travado

 As pressões envolvidas são da ordem de 140 a 200 MPa.

L

A

E

n

F

₌

.

∆

onde: F: Força de Fechamento (kN)

N: Número de Colunas (usualmente quatro) E: Módulo de Elasticidade do Aço (210 kN/mm2₎

A: Área da Seção Transversal da Coluna (mm2₎

∆L: Elongação das Colunas

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Moldes

Os moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) até US$ 2.000.000,00 (moldes para peças automotivas).

Os moldes são fabricados com materiais de alta dureza e resistência à degradação por fricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço são alguns materiais usados.

Moldes de duas placas

Sistema de canais - polímero flui até chegar na cavidade do molde. i) aumentar a velocidade de resfriamento em pontos localizados, ii) aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidade do polímero para preencher o molde e iii) facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.

(31)

Moldes de três placas

Evitar perda excessiva de material, elimina-se estes canais que pode ser feita através da injeção direta.

Injeção com câmara quente. No sistema de canal quente todo sistema de alimentação ou parte dele é mantido aquecido de forma que o material permaneça preparado para entrar no molde no próximo ciclo de injeção. Vantagens :

• ciclo mais rápido,

•redução de perda de refugos,

• eliminação de separação da peça e maior qualidade do injetado. Desvantagens: custo do equipamento maior

(32)

A taxa de cisalhamento alcança valores de 104_s-1

(33)

No processo de injeção, a conformação do material na cavidade do molde pode ser dividida em três etapas:

1 – Fase de preenchimento do molde : o polímero é empurrado para as cavidades do molde, preenchendo. O material ainda está quente e completamente expandido e após seu resfriamento o polímero irá encolher. Nesta etapa há envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessária para preencher totalmente o molde.

2 – Fase de pressurização ou compactação : é necessário forçar mais material para dentro do molde para que a peça mantenha um volume constante. Normalmente, a pressão de injeção nesta fase é máxima e é enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento.

3 – Fase de recalque ou compensação : ocorre envio restante de

polímero, se necessário para compensar a contração de material. Além disso, a massa polimérica é mantida sob pressão dentro do molde para que não ocorra retorno de material.

(34)

(35)

(36)

Qualidade das peças injetadas

EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NA QUALIDADE DA PEÇA INJETADA

Outros aspectos Qualidade superficial Precisão dimensional Propriedades mecânicas Propriedades afetadas Pressão temperatura Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque Parâmetros que afetam a qualidade

(37)

CAPACIDADE DE INJEÇÃO

Quantidade de material que uma máquina é capaz de injetar em

um ciclo. O PS é utilizado como material padrão.

Peso total de moldagem (PM)

Quantidade necessária de polímero para injetar uma peça, sendo possível quando CI > PM

(38)

É possível injetar uma peça de 170 g de PEBD em uma injetora com capacidade de 180 g?

(39)

CAPACIDADE DE PLASTIFICAÇÃO (CP)

Quantidade máxima de material padrão que uma máquina consegue

fundir/amolecer por hora para ser conformado. Normalmente deve-se

(40)

(41)

Considere uma injetora com capacidade de injeção e plastificação

de 120g de PS e 8 Kg/hora. Um estagiário quer injetar uma peça

de 90g de PP. Verifique se há possibilidade de usar esta máquina.

Quantas injeções serão feitas por hora e qual é o tempo de ciclo?

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Termoformagem

••

Processo empregado para termoplásticos;

••

Produção de peças pequeno a grande porte;

••

Processointermitente, alta

Processointermite

nte, alta produção, peças com

produção, peças com excelente acabamento

excelente acabamento

superficial e de formatos complexos;

••

Aplicações na i

Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval,

ndustria automobilística, eletro-eletrônica, naval,

aeronáutica.

••

Alto custo de produção dos moldes.

Características do processo

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Termoformagem

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(46)

(47)

(48)

Moldagem por transferência

Características do processo

• É um processo empregado para termofixos.

• Forçar o material termorrígido por meio de um êmbolo, de uma

cavidade de carga, através de um canal alimentador, a uma cavidade de

moldagem aquecida.

• Produção de peças complexas, bom acabamento superficial, alta

produção.

• ciclos de moldagens curtos, menor custo de acabamento.

Desvantagens

• Maior custo do ferramental

(49)

Representação do processo de moldagem por transferência

(50)

(51)

Figura 27– Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a) extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d)