VI - EXTRUSÃO DE FILMES TUBULARES VI.1 - Descrição do processo
O processo básico de filmes tubulares por sopro está ilustrado na Figura VI.1.
‐ Uma extrusora funde o polímero e o força através de uma matriz anular.
‐ O polímero fundido extrudado na forma de um tubo é direcionado para cima através de rolos de puxamento.
‐ Esta direção constitui‐se na direção da máquina.
‐ Ocorre um estiramento na direção da máquina, o qual é caracterizado pela relação entre a velocidade linear do filme nos rolos puxadores e a velocidade média do fundido na saida da matriz.
‐ Esta relação é chamada de "razão de estiramento" ou "razão de puxamento".
O polímero fundido na forma de um tubo é resfriado por meio de um anel de refrigeração (air ring) que direciona ar para a superfície externa do tubo.
Algumas máquinas são equipadas com refrigeração interna do filme.
No início da operação, uma pequena quantidade de ar é introduzido no tubo de polímero fundido, apenas para evitar que este colapse.
Após o tubo ter passado através dos rolos de puxamento e formar uma região livre de vazamento, uma quantidade maior de ar é introduzido (soprado) no tubo entre a matriz e o rolo de puxamento.
O tubo de polímero fundido infla na direção radial formando então uma bolha.
A relação entre o diâmetro da bolha e o diâmetro da matriz é chamado de razão de sopro.
O processo de produção da bolha (sopragem) gera orientação na direção transversal ou circunferencial do filme.
A solidificação do polímero ocorre na "linha de congelamento", que é imediatamente acima da região onde um diâmetro constante da bolha se estabelece.
O processo de solidificação ocorre na verdade em uma região e se inicia na face externa da bolha, como ilustrado na Figura VI.2.
O filme (tubo) continua a se mover para cima e quando estiver frio suficientemente, entra em contato com os rolos puxadores formando um filme plano.
As propriedades reológicas são de grande importância no processo de filmes tubulares por sopro.
Elas governam a forma e a estabilidade da bolha, bem como o aparecimento de pele de cação no filme.
O processo de extrusão de filmes tubulares por sopro apresenta bastante complexidades de fluxo, o que dificulta a obtenção de correlações simples entre os fenômenos acima mencionados e propriedades reológicas facilmente mensuráveis.
Para que se tenha um bom controle sobre o processo e se obtenha bons resultados é importante que se compreenda como o comportamento reológico de polímeros fundidos influencia o comportamento e as propriedades de filmes soprados.
Objetivo do processo de extrusão de filmes tubulares por sopro: Produção de filmes finos com dimensões uniformes, e boas propriedades mecânicas e ópticas.
Prevenção contra a presença de material não fundido, gel e impurezas = importante para o acabamento do filme.
Para as propriedades mecânicas, normalmente é importante ter orientação balanceada nas direções longitudinal e transversal.
O controle de taxa de produção, espessura do filme, orientação na direção da máquina (longitudinal) e na direção transversal, e diâmetro do filme são controlados por duas variáveis principais:
‐ Razão de estiramento
A orientação molecular no filme produzido é muito importante e é necessário que seja balanceada.
Caso contrário, o filme tende a rasgar com facilidade na direção da máquina.
A orientação molecular é dependente da deformação imposta a bolha e das propriedades reológicas do polímero.
A ocorrência de pele de cação no filme soprado causa uma grande perda das suas propriedades ópticas.
Polímeros mais utilizados para a extrusão de filmes por sopro:
O polietileno de baixa densidade (LDPE) tem sido o
material mais utilizado neste processo. Ele apresenta boa
estabilidade da bolha formada e produz filmes com uma grande variedade de aplicações.
O polietileno de alta densidade (HDPE) é utilizado para a obtenção de um filme mais resistentes, embora apresente maiores dificuldade na obtenção de um bom balanço de orientação nas direções longitudinal e transversal.
Uma das alternativas para substituição do LDPE é o
polietileno de baixa densidade linear (LLDPE) com o qual é
possível produzir filmes mais finos com a mesma resistência que o LDPE ou, filmes de mesma espessura com maior resistência que os produzido com LDPE.
Uma comparação entre o comportamento reológico do polietileno de baixa densidade (LDPE) e o polietileno de baixa densidade linear (LLDPE) é ilustrada na Figura VI.3.
VI.2 - Fluxo na Extrusora e na Matriz
O processo de extrusão de LDPE e o projeto de roscas apropriadas para este material é bastante conhecido.
Para o HDPE, são enfrentados alguns problemas quanto a deterioração de propriedades do filme a medida que a velocidade do parafuso é aumentada, para parafusos de perfis simples.
A inclusão de secções de mistura no parafuso pode corrigir este problema, no entanto, estas também são responsáveis por elevação de temperatura do fundido devido ao cisalhamento e causam degradação do material.
A degradação do material reduz a razão de sopro máxima necessária para produzir um filme com orientação balanceada.
Outras alternativas para melhorar o transporte do sólidos na região de alimentação tais como o uso de secções de barril com estrias.
A utilização de LLDPE pode tornar necessário o uso de extrusoras de parafusos mais curtos, uma vez que este material apresenta viscosidade mais elevada em comparação ao LDPE, e
causa maiores desgastes do equipamento, bem como
temperaturas do fundido mais elevadas.
No projeto da matriz, o objetivo é produzir um extrudado anular que não apresente linhas de solda e seja uniforme em espessura e velocidade em toda a circunferência.
Uma matriz típica para a produção de filmes é ilustrada na Figura VI.4.
VI.3 - Fluxo do Fundido na Bolha
O material fundido saindo da matriz apresenta o fenômeno de inchamento do extrudado, em resposta a orientação molecular a que foi imposto.
Ao mesmo tempo, o material sofre estiramento devido a ação dos rolos de puxamento.
O comportamento do material é fortemente dependente de suas propriedades reológicas bem como de suas propriedades térmicas.
As condições de processamento que influenciam o fluxo na bolha são:
1 ‐ Temperatura do fundido
2 ‐ Vazão
3 ‐ Velocidade dos rolos de puxamento
4 ‐ Pressão interna na bolha
5 ‐ Temperatura e taxa de fluxo do ar de resfriamento.
A estabilidade da bolha depende da interação entre diversas forças que atuam na mesma.
Uma força exercida pelos rolos de puxamento é o que suporta a bola como um todo.
Na parte inferior, forças viscosas mantém a bolha em seu lugar em contato com a matriz.
A força motriz para inchamento da bolha é a pressão de sopro interna.
As forças aerodinâmicas geradas pelo ar de resfriamento podem auxiliar ou deter o inchamento da bolha, bem como auxiliar na estabilização da posição da bolha.
A força da gravidade também está atuando na bolha e é contrabalanceada pela força exercida pelos rolos puxadores.
A forma da bolha, seu movimento e a orientação molecular no filme produzido são governados pela interação entre as forças exercidas pela gravidade, pressão e pelas tensões viscosas, e também pela distribuição de temperatura.
As duas formas mais comuns de bolha observadas comercialmente são ilustradas na Figura VI.5.
