Estudo da Produção de Embalagens Plásticas e Desenvolvimento de
Testes de Qualidade
Tese de Mestrado
deIdelfonso Bessa dos Reis Nogueira
Desenvolvida no âmbito da unidade curricular de Dissertação
realizado em
Grupo Indeba (Indústria de Detergentes da Bahia)/SPAR (Unidade de Produção de
Embalagens Plásticas)
Orientador Académico: Prof. Dr. Daniel Veras Ribeiro Orientador na Indeba: Eng. Donato Cuozzo
Departamento de Engenharia Química
Julho de 2012
“
Embora ninguém possa voltar atrás e fazer um novo começo, qualquer
um pode começar agora e fazer um novo fim.”
i
Agradecimentos
Em primeiro lugar agradeço a Deus, ao Mestre Jesus e a todos os companheiros me têm vindo a auxiliar no anonimato.
Ao Grupo Indeba onde fui acolhido e passei os últimos 6 meses a realizar esta tese, em especial a Donato Cuozzo, Sr. Juan Rosário e Fábio Lorenzo que me orientaram ao longo deste tempo.
A Universidade Federal da Bahia que me acolheu no programa de mobilidade realizado, em especial ao Professor Doutor Daniel Veras Ribeiro, que se disponibilizou auxiliar-me na realização deste trabalho.
A todos os professores da FEUP, sem o auxílio dos quais eu não teria conhecimento suficiente para realizar este trabalho.
Aos meus amigos por todo apoio e ajuda que me deram durante todo o curso, em espeicial a Maria Beatriz, Micael Morais, Paulo Ramos e Pedro Gaifem.
À instituição Coração da Cidade e a Associação Espírita Migalhas de Amor, onde encontrei apoio no decorrer dos meus estudos.
À minha família em especial a José Pereira, meu pai, sem o qual nem se quer teria ingressado na FEUP, às minhas mães Iracy Bessa, Ildeci Bessa e Ivana Bessa e à minha noiva Gabriele Gonçalves, por todo suporte e apoio que elas me deram e dão.
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Resumo
A indústria dos plásticos vem nos últimos anos apresentando um grande crescimento. Juntamente com este crescimento surge à necessidade de estudos mais aprofundados voltados para a optimização dos processos de transformação do plástico, bem como estudos que promovam a melhoria da qualidade dos produtos derivados destes processos. Das 250 milhões de toneladas de plásticos consumidas no ano de 2010, 16% passaram pelo processo de moldagem por sopro e 29% tem como matéria-prima os Polietilenos, além disso 39% destes são destinados ao sector de produção das embalagens. Os números demonstram a importância destes temas: Moldagem por Sopro, Polietileno e Embalagens, e estes três pontos são, juntamente com os testes de qualidade, os focos deste trabalho.
Este trabalho apresenta pontos importantes sobre o actual estado económico mundial do sector industrial dos plásticos, suas problemáticas ambientais geradas pelo grande consumo dos produtos plásticos, características importantes (influidez, resistencia química, resistencia ao impacto e preço) da matéria-prima (Polietileno de Alta Densidade) utilizada no processo para o processo de moldagem por sopro e o desenvolvimento de testes de qualidade para averiguar o desempenho das embalagens produzidas.
Inicialmente foi preciso contruir um laboratório, pois não existia ainda na empresa um local par esta finalidade, onde foram desenvolvidos 5 principais testes durante esse trabalho: Teste de Queda, Teste de Estanqueidade, Teste de Pressão Hidraulica e o Teste de Resistência Química, todos seguindo as normas virgentes para teste de desempenho em embalagens plásticas.
Os testes de qualidade trouxeram uma série de resultados importantes para o desenvolvimento da produção, como por exemplo a constatação da possibilidade das embalagens estarem sobre-dimensionadas, de defeitos estruturas nas embalagens e que as embalagens produzidas atendiam alguns parâmetros da norma. Por fim, verificou-se que o laboratório construído para realizar os testes é uma estrutura funcional.
iii
Abstract
In the last years the plastic industry came growing and with this growing appears the need of studies about the process optimization and studies that promote the increase in the quality of the products. In the year of 2010, 250 million of tons of plastics was consumed, 16% of these tons passed by the blow molding process, 29% has the polyethylene as raw-material and 39% are destined to pakage production, as we see in the numbers these tree point has a great importance in the plastics market and they are with the quality test the focus of this thesis.
This work shows important points about the actual world economic state of the plastic industrial sector, brings in concerns about the ambient questions, the points that are important in the raw-material selection (Melt Flow Index, Impact Izod Resistance, Price) for blow molding and the development of quality tests.
In begining was necessary build a laboratory, because there wasn’t none structure in the company for this finalization, in this laboratory was developed 5 tests: Drop Test, Hidraulic Pressure Test, Sealing Test, Piling Test and Cheminical Resistence Test, all fallowing the regulamentation for performace test in package.
The quality test here developed bring relevant results for the company, for example the possibility of the production was super dimensioned, some defects in package produce and that the package produce was approved in some aspects. In the end was verified that the laboratory build is functional.
iv
Índice
Índice de Figuras ... vi
Índice de Tabelas ... vii
Notação e Glossário ... viii
Lista de Siglas ... viii
Introdução ... 1
Indústria de detergentes da Bahia (Indeba)... 3
1. Os termoplásticos, breve histórico. ... 5
1.1. Economia do plástico, cenário brasileiro e mundial ... 8
1.2. Economia, meio ambiente e os plásticos. ... 13
2. Os Polietilenos ... 17
2.1. Propriedades dos Polietilenos Vs. Outros Termoplásticos ... 19
2.1.1. Resistência ao impacto ... 20
2.1.2. Índice de Fluidez ... 22
2.1.3. Resistência Química ... 22
2.1.4. Preço ... 23
2.2. Características Químicas e Físicas dos Polietilenos ... 24
2.3. Polietileno de Alta Densidade (PEAD) ... 28
3. Descrição Técnica ... 29
3.1. Descrição do Processo de Moldagem por sopro e produção de embalagens plásticas ... 29
3.1.1. Extrusora - Fusão do Termoplástico ... 30
3.1.2. Bocal – Formação do Parison ... 31
3.1.3. Molde – Captura do Parison e Sopro ... 33
3.1.4. Molde – Pré-Resfriamento ... 34
3.1.5. Tempo de ciclo ... 35
3.2. Teste de Qualidade ... 35
3.2.1. Teste em Linha de Produção ... 36
3.2.2. Teste de Desempenho para Embalagens Plásticas... 37
A. Preparação Para os Testes ... 38
v
C. Teste de Estanquecidade ... 40
D. Teste da Pressão Interna (Hidráulica)... 41
E. Teste de Empilhamento ... 42
F. Teste de Resistência Química ... 42
3.2.3. Testes em Condições Extremas ... 43
A. Teste de Queda em Condições Extremas ... 43
B. Teste de Estanquecidadeem Condições Extremas ... 44
C. Teste de Resistência Química Extremas ... 45
4. Conclusões ... 46
4.1. Objectivos Realizados ... 47
4.2. Outros Trabalhos Realizados... 47
4.3. Limitações e Trabalho Futuro ... 47
5. Referências ... 49
Anexo 1 Projecto e Construção do Laboratório ... 51
Anexo 2 Ficha tecnica do PEAD produzido pela Braskem ... 55
Anexo 3 Ficha Técnica do PEAD Produzido pela Dow ... 56
vi
Índice de Figuras
Figura 1 - Evolução do consumo mundial de plásticos. ... 7
Figura 2 - Evolução do número de empresas no sector de transformação de plásticos (Abiplast, 2011). ... 8
Figura 3 - Número de pessoas empregadas no setor de transformação de plásticos entre os anos de 2000 a 2010 (Abiplast, 2011). ... 9
Figura 4 - Evolução do facturamento do sector de derivados de plásticos (Abiplast, 2011)... 10
Figura 5 Evolução do facturamento do sector de derivados plásticos (Abiplast, 2011). ... 10
Figura 6 - Demanda de Plásticos por Segmento (Abiplast, 2011). ... 12
Figura 7 - Classificação do Mercado de Plásticos Brasileiro por Processo de Produção (Abiplast, 2011). ... 13
Figura 8 - Ciclo de Vida do Plástico na Europa em 2010 (Plastics - the Facts 2011). ... 14
Figura 9 - Evolução da Destinação Final Dada aos Plásticos (Plastics - the Facts 2011). ... 15
Figura 10 - Mercado Brasileiro dos Plásticos por Resina (Abiplast, 2011). ... 18
Figura 11 - Mercado Europeu dos Plásticos por Resina (Plastics - the Facts 2011). ... 18
Figura 12 - Resistência ao Impacto Izod para Diferentes Plásticos. ... 21
Figura 13 - Preço das Resinas Plásticas em Maio de 2012. ... 23
Figura 14 – Esquematização da Estrutura Esferulita (Callister, 1999). ... 24
Figura 15 - Diferença Entre a Estrutura Molecular do PEBD e do PEAD. ... 26
Figura 16 - Representação Esquemática da Extrusora. ... 30
Figura 17 - Extrusora (Foto obtida na empresa). ... 31
Figura 18 - Bocal HDL 50 (Foto obtida na empresa). ... 32
Figura 19 - Captura do Parison e Sopro (Rosato, 1988). ... 33
Figura 20 - Visão Global da Zona de Moldagem e Bocal da Extrusora (Foto obtida na empresa). . 34
Figura 21 - Níveis de Pesagem. ... 36
Figura 22 - Embalagem após teste de queda a uma altura de 2,8m. ... 44
Figura 23 - Planta do Laboratório em AutoCAD. ... 51
Figura 24 - Área molhada para teste de queda. ... 52
Figura 25 - Tanque para teste de estanquecidadee lavatório para teste de pressão hidráulica... 53
Figura 26 - Imagem real do tanque para teste de estanqueidade. ... 54
Figura 27 - Imagem real do lavatorio para teste de pressão interna. ... 54
Figura 28 - Compressores e geladeira industrial. ... 57
Figura 29 - Gerador e tanques de óleo disel. ... 57
Figura 30 - Moinho para reprocessamento de material e ciclone para separação do material reprocessado e poeira. ... 57
Figura 31 - Primeira embalagem produzida e suas características. ... 58
vii
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Primeiro relato e primeira produção industrial de alguns polímeros (Sebastião V.
Canevarolo, 2006). ... 6
Tabela 2 - Propriedades para Diferentes Densidades de Polietileno. ... 25
Tabela 3 - Comparação das Propriedades do PEAD com o PEBD. ... 27
Tabela 4 - Altura Estabelecida para Teste de Queda. ... 39
Tabela 5 - Resultado do Teste de Pressão Hidráulica ... 41
Tabela 6 - Resultados dos testes realizados nas embalagens de 2,5Kg ... 44
viii
Notação e Glossário
m
T Temperatura de Plastificação ºC
c
T
Temperatura de Transição Vítrea ºCd Pt Pv Densidade Pressão Total Pressão de Vapor g.cm-3 KPa KPa
W Peso total da embalagem (Peso da embalagem + Conteúdo) Kg
E H Altura de Empilhamento Altura da Embalagem mm mm
Lista de Siglas
ASTM American Society for Testing and Materials HDPE
PEBD
High Density Polyethylene Polietileno de Baixa Densidade PEAD
PC PP
Polietileno de Alta Densidade Policarbonato
1
Introdução
A indústria de transformação de plásticos no Brasil tem experimentado um grande desenvolvimento nos últimos anos. No ano de 2010, o mercado brasileiro apresentava cerca de 12 mil empresas empregadoras de 343 mil pessoas, com um crescimento de 10% em relação ao ano anterior. Projecções indicam que foram exportadas cerca de 330 mil toneladas em 2011 e apontam para um crescimento de 8% no ano de 2012 (Abiplast, 2011). Dada a importância que, a cada ano, a indústria de plásticos vem adquirindo no Brasil, as problemáticas relacionadas ao processo de produção e transformação dos plásticos têm evidenciado uma maior importância. Entre os vários métodos de transformação dos plásticos este trabalho irá focar-se na moldagem por sopro.
A moldagem de polímeros por sopro é um processo desenvolvido a partir de uma ideia simples e antiga, a moldagem do vidro. Hoje em dia este conceito é extensamente empregado na indústria de plásticos e tem por objectivo produzir produtos ocos e fechados (Whelan, 1999).
Pode-se então destacar as embalagens como um dos principais produtos originários do processo de sopro. Muitas vezes estes produtos são pouco valorizados pelos consumidores finais, porém são as embalagens as responsáveis por manter a integridade do produto, desde que produzido até que chegue nas mãos dos consumidores, além disso em muitos casos as embalagens representam mais que 70% do preço final dum determinado produto, como por exemplo os vinagres.
A matéria-prima empregada nestes processos são os termoplásticos, polímeros de cadeia longa, que quando sujeitos a temperaturas superiores à sua temperatura de plastificação (Tm), tornam-se maleáveis e moldáveis e quando arrefecidos solidificam adquirindo a forma à qual estão moldados, características que os tornam o grupo de plásticos ideais para este processo, uma vez que a outra classe, os termofixos, quando sujeitos a temperaturas vêem suas cadeias destruídas, impossibilitando assim a moldagem.
A ausência de conhecimentos científicos emgrande escala e desenvolvimento tecnológico geram outro problema neste meio: a qualidade do produto final. Para obter padrões de qualidade estipulados pelas normas é comum as empresas sobre
2 dimensionarem o produto final gerando gastos excessivos na produção, gastos esses que são repassados para o consumidor final dos produtos e derivados. Neste ramo a qualidade das embalagens é comumente associada ao seu peso, porém cientificamente está incorrecto, uma vez que a massa global do produto final é apenas uma das inúmeras variáveis que se pode identificar como determinante para a qualidade do produto. Numa análise rápida pode-se enumerar a distribuição da espessura, geometria, composição da matéria-prima, distribuição de massa, entre outros factores que muitas vezes são ignorados em detrimento do peso.
Este trabalho tem como objectivo:
Caracterizar a situação actual do mercado de plásticos no Brasil;
Descrever a matéria-prima utilizada na empresa e as suas propriedades;
Desenvolver testes de qualidade para embalagens plásticas produzidas pela moldagem em sopro, assegurando a sua qualidade segundo as normas estabelecidas, levando em conta o maior número possível de variáveis que influenciam nas propriedades da embalagem, transpondo a barreira do peso;
3
Indústria de detergentes da Bahia (Indeba)
A Indeba é o grupo no qual este trabalho foi desenvolvido e teve origem numa empresa criada em 1966, com o nome de Indeba – Indústria de Detergentes da Bahia. Em 1971, ganhou seu nome definitivo. Na década de 70, a Indeba já produzia alguns detergentes líquidos que fazem parte de sua linha até hoje.
No início da década de 80, a Indeba lançou a linha de lavandaria convencional e passou a contar com seu primeiro distribuidor, em Fortaleza-CE. Gradativamente, consolidou-se no mercado, migrando de uma actuação local para regional e posteriormente nacional, com a estruturação da rede de distribuição em meados dos anos 80.
Actualmente, a Indústria de Detergentes da Bahia (INDEBA) produz cerca de 14 mil toneladas anuais, com 120 empregados na fábrica e mais 80 actuando nos distribuidores directos da companhia, sediados em Salvador, Itabuna e Juazeiro, e também no estados de São Paulo, Santa Catarina, Rio de Janeiro e Sergipe. Além disso, mais 300 empregados são contratados por distribuidores autónomos em todo o Brasil.
É uma empresa com grande penetração nas regiões Nordeste e Sul, e é reconhecida nacionalmente como uma firma sólida, bem estruturada e fornecedora de produtos de excelente qualidade.
Além do investimento em tecnologia própria e novos produtos, a empresa está expandindo sua rede de Distribuição nas regiões Centro-oeste e Norte e reestruturando-a na região Sudeste, visando ampliar sua participação no mercado e consolidar sua marca, com referência no negócio de higiene institucional.
Embora não sejam considerados mercados prioritários no momento, a Indústria de Detergentes da Bahia (INDEBA) vislumbra também atuar no mercado externo, sobretudo nos países do Mercosul e na Flórida, por onde iniciará sua penetração no mercado norte-americano.
A expansão está apoiada também num forte apoio de treinamento na área técnica e comercial. A estratégia inclui também uma nova visão de negócios, em que o foco é a
4 recomendação de soluções precisas e adequadas às necessidades de cada mercado. Entre os clientes da empresa, estão Bahia Sul Celulose, Deten, Dow Química, Hospitais Espanhol, Jorge Valente, Aristides Maltez e Beneficência Portuguesa (São Paulo), cliente há oito anos. Rede Othon de hotéis, Grupo Mosca Conservadora e rede de supermercado G Barbosa.
A empresa investe constantemente em melhorias na sua unidade fabril, pesquisas, em laboratório e em tecnologias mais avançadas. Assumindo o compromisso com a qualidade, a Indústria de Detergentes da Bahia (INDEBA) é hoje a empresa nacional líder no mercado de produtos de limpeza para o mercado profissional (Indeba, 2009).
5
1. Os termoplásticos, breve histórico.
Há relatos, na antiguidade egípcia, sobre a utilização de materiais resinosos e graxas extraídos e refinados; mais tarde em Roma encontram-se os carimbos, colas, e vedantes. Na época das grandes navegações encabeçadas por Portugal e Espanha, um produto com características peculiares, alta elasticidade e flexibilidade é encontrado pelos colonizadores na América; o produto era extraído de uma árvore nativa que hoje é cientificamente conhecida como a Havea Brasiliensis. A essa resina elástica, flexível e viscosa os europeus passaram a chamar de borracha.
A borracha ficou esquecida por algum tempo até que, em 1839, Charles Goodyear descobriu um processo para melhorar as características da resina pegajosa filha da Hevea Brasiliensis, conferindo-lhe rigidez e ao mesmo tempo elasticidade e durabilidade: a vulcanização. Este processo transforma o arranjo molecular desorganizado da borracha numa rede tridimensional interligada quimicamente, o que lhe confere as características supracitadas (Sebastião V. Canevarolo, 2006).
Mais tarde, em 1846, o químico alemão Christian Schónbien descobre a nitrocelulose através do tratamento do algodão com ácido nítrico, técnica que posteriormente foi estudada e aprofundada por Alexander Parker, que patenteou a nitrocelulose passando a ser utilizada como substituta da pólvora em alguns casos.
Em 1910, Leo Hendrik Baekeland, após as suas pesquisas da reacção entre o fenol e o formaldeído, conseguiu produzir uma substância rígida e tornou-se historicamente o primeiro cientista a sintetizar um polímero em laboratório. Nasce assim o primeiro plástico, hoje conhecido como baquelite em homenagem a Beakeland e entre as suas aplicações pode-se destacar as bolas de bilhar.
Com o advento das guerras os polímeros passaram a ser mais profundamente estudados, principalmente devido à dependência que existia da borracha natural e a limitação da fonte produtora ser uma árvore específica de uma região do planeta. Esses estudos foram iniciados em 1920 por Hermann Staudinger que propôs a teoria da macromolécula, apresentando uma nova classe de materiais composta por moléculas de grande tamanho.
6 O polietileno é sintetizado pela primeira vez em 1933 por Reginald Gibson e Eric Fawcett, em Inglaterra, porém a síntese foi realizada em pressão muito alta, 1400 bar e 170 ºC, o que inviabilizou a produção em larga escala do material obtido. Até que 1950 um passo muito importante para a produção em larga escala do polietileno foi dado graças às pesquisas de Karl Ziegle, na Alemanha, sobre catalisadores organometálicos, pesquisas que foram aprofundadas por Giuglio Natta em Itália, produzindo o polipropileno isoático. Os catalizadores de Ziegle-Natta tornaram possível a reacção de formação do polietileno em baixas pressões e hoje é uma rota de produção utilizada nas indústrias para produzir o polietileno de alta densidade.
Após a primeira guerra e principalmente no início e após a segunda guerra mundial a síntese de polímeros passou a ganhar as escalas industriais. A Tabela 1 informa sobre as datas dos primeiros relatos de alguns materiais plásticos e o ano em que estes passaram a ser produzidos industrialmente, onde se observa que entre os anos de 1933 e 1954 houve o estudo e desenvolvimento industrial dos que são actualmente os principais plásticos no mercado mundial, sendo a década de 50 do século XX uma das mais importantes para a história dos plásticos de alta resistência (Sebastão V. Canevarolo, 2006).
Tabela 1 - Primeiro relato e primeira produção industrial de alguns polímeros (Sebastião V. Canevarolo, 2006).
Plástico 1º Relato 1º Produção Industrial
PEBD 1933 1939
PEAD 1953 1955
PC 1953 1958
PP 1954 1959
A origem dos processos de moldagem dos plásticos, tão utilizados hoje em dia, confunde-se com os primeiros passos para a produção dos plásticos. Já em 1878 consta o desenvolvimento de uma máquina capaz de processar a celulose industrialmente por um processo muito similar a injecção, e em 1879 a primeira extrusora de rosca é patenteada por M. Gray.
Juntamente com o aparecimento dos plásticos veio o desenvolvimento do processo de produção e moldagem dos mesmos em larga escala, de forma a aproveitar as suas propriedades para colmatar as necessidades existentes. Também houve o
7 desenvolvimento dos estudos científicos sobre esses materiais que até então eram desconhecidos. Desde então, o consumo mundial de plásticos e seus derivados vem aumentando a cada ano e mobilizado uma grande parte da economia mundial.
Figura 1 - Evolução do consumo mundial de plásticos.
Actualmente os plásticos são produzidos e consumidos em grandes quantidades a nível mundial, utilizados em diversas aplicações como a construção civil, isolamentos eléctricos e térmicos, indústria química, embalagens, vestuário, entre outros ramos, como se pode observar na Figura 1. A produção de plásticos tem crescido generosamente em todo mundo desde as suas origens. Devido às suas características que combinam o baixo custo, baixo peso e boa resistência, os polímeros assumiram uma grande importância económica e social em todo o mundo. No entanto, juntamente com esta expansão do consumo surgem os problemas ambientais que começam a ter grande importância e necessidade de soluções imediatas. Este trabalho não se aprofundará nesta problemática, embora seja de grande importância debater, comentar e estudar esse assunto. 1.7 47 99 204 250 265 0 50 100 150 200 250 1950 1976 1989 2002 2009 2010 C on su m o (em M il h ões d e T on el adas ) Ano
8
1.1. Economia do plástico, cenário brasileiro e mundial
A indústria de matéria-prima e transformação de plásticos no Brasil tem assistido um grande desenvolvimento nos últimos anos em resposta ao crescimento industrial que o país tem apresentado e tem cada vez mais especializado-se no ramo; a nacional Braskem é uma referência mundial na produção de resinas termoplásticas utilizadas como matéria-prima nas indústrias de transformação de plásticos. A cada ano o número de novas empresas no sector de transformações tem aumentado, juntamente com o número de pessoas empregadas nesse sector.
Figura 2 - Evolução do número de empresas no sector de transformação de plásticos (Abiplast, 2011).
Pode-se verificar na Figura 2 o crescimento da indústria de transformação de plásticos entre os anos de 2000 e 2009, com um grande salto entre o ano de 2005 e 2006, com excepção do ano de 2009 em que houve uma redução de 0,5% em relação ao ano de 2010, fato provavelmente relacionado com a crise económica mundial ocorrida neste período, provocando um forte impacto no valor do petróleo, que é a fonte da matéria-prima dessas empresas.
7,003 7,438 7,898 8,213 8,523 8,844 11,263 11,329 11,526 11,465 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Nú m e ro de E m pr e sa s Ano
Quadro das Empresas do Sector de Transformação de Plásticos
9
Figura 3 - Número de pessoas empregadas no setor de transformação de plásticos entre os anos de 2000 a 2010 (Abiplast, 2011).
Vale a pena ressaltar que por volta de 94% dessas novas empresas são de micro ou pequeno porte, porém o surgimento destas teve um grande impacto no mercado de trabalho com o surgimento de novas vagas de emprego (Abiplast, 2011).
Ao observar a Figura 2 e analisando-a em conjunto com a Figura 3, conclui-se que a evolução do número de empresas foi acompanhada pelo crescimento do número de pessoas que trabalham na indústria geradora de produtos plásticos, com um crescimento significativo de ano para ano. Acompanhando o salto do número de empresas entre o ano de 2005 e 2006 pode-se observar, também, um salto no número de funcionários, porém o número de funcionários apresentou um crescimento muito maior que das empresas, tento o ano de 2006 40 mil funcionários a mais que o ano de 2005 a actuarem no ramo dos plásticos. 196 202 211 215 240 253 298 311 318 324 0 50 100 150 200 250 300 350 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 N ú m e ro d e F u n c io n a rio ( e m M il ) Ano
Número de Pessoas Empregadas no Sector de Transformação de Plásticos Entre os Anos de 2000 e 2010
10 Figura 4 - Evolução do facturamento do sector de derivados de plásticos (Abiplast, 2011).
O crescimento do número de empresas é acompanhado pelo crescimento da produção, pode-se observar isto na Figura 4, que indica um aumento na produção de produtos derivados de plásticos entre o ano de 2000 e 2010, com destaque para o ano de 2010 onde a produção de derivados do plástico no Brasil atingiu quase 6 milhões de toneladas.
Figura 5 Evolução do facturamento do sector de derivados plásticos (Abiplast, 2011).
3,888 3,822 3,916 3,817 4,220 4,148 4,523 4,869 5,236 4,990 5,920 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Pr o d u ção (Po r M il to n el ad as) Ano
Evolução da Produção dos Derivados de Plásticos
10.04 6.69 8.08 9.35 16.2 16.55 18.2 18.22 20.61 18.4 25.11 0 5 10 15 20 25 30 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 F atu ramen to (M il M il h õ es d e D o lar es) Ano
11 O facturamento da indústria dos derivados poliméricos no Brasil no ano de 2010 foi de 25,11 mil milhões de dólares, um valor muito superior ao encontrado no ano 2000 quando a indústria facturou 10,04 mil milhões, como se pode observar na Figura 5. Em termos de facturação houve uma evolução de aproximadamente 250% neste período (Abiplast, 2011), o que demonstra o motivo do interesse cada vez maior que as empresas têm pelo sector dos plásticos.
Nos Estados Unidos esses números ainda são maiores que no Brasil, onde se encontra mais de 18 mil fábricas voltadas para o mercado de plásticos em funcionamento, com mais de 1 milhão de pessoas empregadas e um facturamento de 375 mil milhões de dólares no ano de 2010. Nos últimos 25 anos a produção industrial tem crescido nos EUA cerca de 2,5% por ano, estando em 3º lugar no ranking das indústrias dos EUA.
No mundo, o mercado do plástico recupera-se a passos rápidos da crise passada nos anos de 2008 e 2009, apresentando uma produção de 265 milhões de toneladas no ano de 2010, em resposta as 250 milhões de toneladas produzidas em 2009, um crescimento médio de 5% ao ano nos últimos 20 anos. Já a Europa, em 2010, apresentou uma produção de plásticos de 57 milhões de toneladas, o que representa 21,5% da produção mundial. Neste mesmo ano a China superou a Europa assumindo a liderança do ranking das maiores regiões produtoras de plásticos, sendo responsável por 23,5% da produção de plásticos no mundo.
Todo esse plástico produzido destina-se a diversos sectores industriais, onde a resina será moldada e transformada, para ser aplicada nas necessidades de cada área.
12
Figura 6 - Demanda de Plásticos por Segmento (Abiplast, 2011).
Entre os sectores consumidores de plásticos o das embalagens plásticas assume a liderança consumindo 39% de todo plástico produzido; este sector é seguido pela construção civil que consume 20,6% da produção. Outros sectores como brinquedos, objectos para decoração, para casa, em conjunto assumem, a segunda posição no consumo de plásticos com 27,3% (Plastics - the Facts, 2011). Esses dados estão esquematizados Figura 6, onde se pode observar a diversidade de aplicações que em que o plástico é empregado e, em algumas delas, como no sector das embalagens, eléctrica e electrónicos os polímeros sintetizados assumem fundamental importância.
39.0%
20.6% 7.5%
5.6%
27.3%
Demanda de Plásticos por Segmento
Embalagens Construção Automotiva
Eletrica e Eletronica Outros
13
Figura 7 - Classificação do Mercado de Plásticos Brasileiro por Processo de Produção (Abiplast, 2011).
Há várias formas de processar as resinas plásticas atribuindo forma e função específica. Entre os processos pode-se destacar a extrusão como o mais utilizado, seguido pela injecção e pelo sopro, conforme se pode observar na Figura 7.
1.2. Economia, meio ambiente e os plásticos.
Neste cenário uma preocupação surge: os materiais plásticos, por serem inertes a agressões do meio ambiente, não reagindo com o ambiente natural, possuem um elevado tempo de vida, o que os transforma num dos grandes problemas atuais para a natureza. A questão é constantemente abordada “O que fazer com tanto plástico a ser produzido em todo mundo”, “Qual o destino a dar aos plásticos depois de serem utilizados?”.
O interesse económico levou à produção “desenfreada” de plásticos por todo mundo, durante alguns anos pouco ou quase nenhuma preocupação havia com o destino desses plásticos após o seu uso e os impactos que eles poderiam causar no ambiente.
Actualmente a geração de resíduos sólidos pela indústria de plástico apresenta três aspectos que devem ser considerados (Piva e Wiebeck, 2004):
a) O seu volume crescente, em função do crescimento populacional, urbanização e introdução da cultura de produtos descartáveis;
57% 16%
19% 1%
7%
Classificação do Mercado de Plásticos Brasileiro por Processo de Produção Extrusão Sopro Injeção Rotomoldagem Outros
14 b) Complexidade do resíduo, devido ao desenvolvimento de novos materiais introduzidos no mercado, resultando em resíduos sintéticos nem sempre biodegradáveis ou assimiláveis pelo meio ambientes e que, muitas vezes, necessitam de tratamento prévio até seu descarte final;
c) Poluição visual ou “lixo visual”, causado pelo crescente volume de resíduos plásticos e a consequente desvalorização da área onde os mesmos são depositados.
Hoje em dia a atenção para a problemática do consumo em larga escala dos plásticos torna-se cada vez maior. Embora pouco aplicada pelos produtores e consumidores dos plásticos, a ideia dos 3R, vem sendo difundida e apresentada em todo mundo. Reciclar, Reduzir, Reutilizar, pode ser a grande saída para a resolução das nefastas consequências da deposição despreocupada dos resíduos plastifeitos. A preocupação deve passar pelos domicílios particulares em separar as embalagens para dar-lhes o destino adequado, pelos governos em incentivar pela educação a consciência ambiental, pelas empresas produtoras e consumidoras de plásticos em adoptar a reciclagem como prática comum; além disso, o incentivo a investigação académica de novas alternativas tem grande importância. O conjunto dessas e outras tantas soluções, que aqui não foram enumeradas com a devida atenção que lhes é merecida, aplicadas em larga escala o quanto antes trarão as soluções para tais problemáticas.
15 A Figura 8 mostra todo o ciclo de vida do plástico no ano de 2010 na Europa, desde a conversão do polímero num produto plástico até o fim de seu ciclo de vida.
No ano de 2010 foram convertidas 46,4 milhões de toneladas de plásticos em produtos derivados, sendo 40% destinados a utilizações de curto período de vida e 60% a longos períodos de vida. Devido ao grande número de plásticos que são destinados a aplicações de longa vida anualmente, apenas aproximadamente 50% do material produzido chega aos resíduos, o que equivale a 24,7 milhões de toneladas no ano de 2010. Deste valor 24,1% teve como destino final a reciclagem, 33,8% recuperação energética e 41,2% tornaram-se lixo sem qualquer finalidade. O valor de material reaproveitado é significante, mais ainda quando comparado com os anos anteriores, porém não é suficiente (Plastics - the Facts, 2011).
Figura 9 - Evolução da Destinação Final Dada aos Plásticos (Plastics - the Facts 2011).
Na Figura 9 observar a evolução do destino final dos plásticos ao longo dos anos. Pode-se verificar que a quantidade de plásticos que se tornam lixos sem nenhuma finalidade decresce a cada ano numa taxa anual de 2,5%. Em outra posição a utilização dos plásticos para reciclagem ou recuperação energética vem crescendo a cada ano.
Esses dados reflectem a preocupação crescente em relação às problemáticas ambientais, a adopção por parte de grandes empresas no ramo das resinas plásticas de políticas de responsabilidade que começam a preocupar-se com o além do destino e já comercializa plásticos produzidos a partir de fontes renováveis, como o polietileno verde
4.7 5 5.2 5.5 6 7 7.2 7.4 7.6 8.3 12.9 12.4 12.1 11 10.4 0 2 4 6 8 10 12 14 2006 2007 2008 2009 2010 Qu an ti d ade (em M il h ões d e T on el adas ) Ano
Evolução da Destinação Final Dada aos Plásticos
Reciclado Recuperação Energerica Lixo
16 da Braskem, feito através da cana-de-açúcar. Os investimentos dessas empresas retornam na sua imagem, propagandas, incentivos fiscais e ainda como redução de custos, gerando receitas para a empresa. A economia verde, como se chama hoje em dia, torna-se uma forma sustentável, mas sobre tudo rentável, e este factor é o que atrai cada vez mais investidores preocupados com este assunto.
17
2. Os Polietilenos
Os plásticos são polímeros sintéticos de grande cadeia que possuem a capacidade de serem moldáveis sobre certas condições de pressão e temperatura, de onde se origina o seu nome.
Os termoplásticos podem ser amolecidos (quando fundidos) e endurecidos (quando arrefecidos) inúmeras vezes, não obstante os problemas de deterioração das suas propriedades químicas e físicas. Um exemplo bastante didáctico e usado é o do gelo. O gelo quando aquecido torna-se água e esta quando arrefecida torna-se gelo, e assim sucessivamente. (Ademar Roman, 1995).
Os termofixos são os plásticos que não permitem reprocessamento. Com os termofixos há um exemplo, também, interessante: o do ovo; após o ovo ser cozido (aquecido) ele não poderá ser amolecido. Os termofixos são aquecidos para se fundirem e serem moldados permanentemente. Os termofixos são obtidos por policondensação (Ademar Roman, 1995).
Pode-se citar como exemplo de termoplásticos, provavelmente o grupo mais comumente encontrado no dia-a-dia, o polietileno (PEAD, PEBD), o Politereftalato de etileno
(PET
), polipropileno (PP). Já no grupo dos termofixos têm-se as borrachas vulcanizadas, resina epoxi, baquelite.Entre os termoplásticos disponíveis como matéria-prima para o processo de moldagem por sopro, tem-se que destacar o polietileno, não só por este ser a matéria-prima da empresa na qual este trabalho foi desenvolvido, mas principalmente pelas suas características que o tornam o termoplástico mais utilizado na produção de plásticos no EUA e no mundo. A utilização anual de plásticos nos EUA está actualmente em 110 mil milhões de libras, aproximadamente 50 milhões de toneladas, dos quais 65% é corresponde ao polietileno, seguido pelo PET que representa 22% deste valor (Dominick Rosato, 2004)
18
Figura 10 - Mercado Brasileiro dos Plásticos por Resina (Abiplast, 2011).
Como se pode notar Figura 10 os polietilenos dominam o mercado brasileiro de plásticos representando 39% do total das resinas consumidas, seguido pelo polipropileno (PP) com 25% (Perfil da Indústria Brasileira de Transformação de Material Plástico, Abiplast, 2011).
Figura 11 - Mercado Europeu dos Plásticos por Resina (Plastics - the Facts 2011).
O mercado europeu por sua vez apresenta a mesma predominância do polietileno como resina mais utilizada no processo de transformação destas em produtos acabados. Na Figura 11 observa-se a liderança dos polietilenos com 29%, seguido pelo polipropileno (PP) com 19% e em terceiro lugar o PVC com 12% (Plastics - the Facts, 2011).
39.0%
9.0% 25.0%
19.0%
8.0%
Mercado Brasileiro dos Plasticos por Tipo de Resina
Polietilenos PET PP PVC Outros 29.0% 6.0% 19.0% 12.0% 34.0%
Mercado Europeu dos Plasticos por Tipo de Resina
Polietilenos PET PP PVC Outros
19 A utilização do polietileno em largas proporções no mundo pode ser explicada pelas suas propriedades mecânicas (resistência a flexão, tracção, compressão, etc), por ser um polímero inerte que o torna resistente a agressões de agentes químicos e por ser barato. Cada um destes pontos, propriedades mecânicas, química e preço será abordado posteriormente, bem como a forma de produção do polietileno.
Quando se fala de polietilenos está-se a falar num conjunto que engloba várias derivações deste polímero, que podem ser obtidas de acordo as condições em que se processa a polimerização que dará origem a uma forma de polietileno mais ou menos ramificada, mais ou menos densa e com maior ou menor peso molecular. Essas variações, embora pouco influentes nas propriedades químicas terão uma influência fundamental nas propriedades mecânicas do polietileno. Dependendo das condições reaccionais e do sistema catalítico empregado na polimerização, cinco tipos diferentes de polietileno podem ser produzidos (Coutinho, F. M. B. et al, 2003):
- Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE); - Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE);
- Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE);
- Polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE); - Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE).
Cada uma destas cinco classes apresentará características mecânicas específicas que lhes conferirão maiores utilidades em alguns tipos de processos em detrimentos de outros, conforme a necessidade de cada processo. Dos diferentes polietilenos pode-se destacar o polietileno de alta densidade e o polietileno de baixa densidade como os dois principais grupos.
2.1. Propriedades dos Polietilenos Vs. Outros Termoplásticos
A escolha de um termoplástico para ser processado e transformado num produto acabado varia de acordo as suas características e a finalidade que o produto terá, por isso, para realizar essa escolha, é preciso distinguir quais as características que são importantes levar em consideração e estabelecer formas de medir e/ou qualificar estas características comparando os resultados dos materiais disponíveis.
20 Entre as propriedades das resinas plásticas pode-se destacar neste trabalho a resistência ao impacto, o índice de fluidez e a resistência química como de grande importância para o produto final na indústria de embalagens.
Ensaios para medir as propriedades químicas e físicas mais relevantes das resinas plásticas são realizados pelos fornecedores destas resinas e, por estes serem testes que são padronizados por entidades competentes e realizados pelos fornecedores de grande credibilidade no mercado nacional e internacional como a Dow, Braskem e a Samsung Total. Pode-se então confiar nos laudos por estes emitidos e assim concentrar apenas no ponto mais importante para a empresa, que é a garantia da qualidade de seu produto final, as embalagens plásticas. Porém é importante conhecer outras propriedades que a matéria-prima possui, entendê-las e compreender o significado dos resultados apresentados nas fichas técnicas das matérias-primas disponibilizas pelos produtores, de forma a seleccionar a resina plástica que se torne mais adequada ao produto que se pretende produzir.
2.1.1. Resistência ao impacto
Foi constatado ao longo deste trabalho que grande parte das aplicações dos plásticos o impacto rápido e intenso é frequente. No sector das embalagens plásticas a estanquecidadedurante o transporte dessas embalagens é extremamente importante, importância que aumenta conforme o grau de periculosidade do produto transportado. Logo um impacto instantâneo que possa comprometer a estanquecidadeda embalagem deve ser evitado, como por exemplo, uma queda ou uma batida. Por isso é importante mensurar a resistência ao impacto de um material plástico e levá-la em consideração na decisão em relação a qual material será utilizado de acordo a sua aplicação. O principal parâmetro para quantificar a resistência ao impacto é a energia de impacto.
A resistência ao impacto depende das características físicas ou químicas do material em estudo, temperatura de fusão, dimensões do corpo de prova, geometria do material talhante, velocidade do impacto, entre outras que devem ser levadas em conta e, por serem tantas, convém que sejam padronizadas para realizar os testes com resultados significativos para diferentes materiais de prova (Callister, 1999). De modo a estabelecer uma forma normalizada de realizar estes testes foram criados alguns procedimentos padrões, teste de resistência ao impacto Izod, Charpy, entre outros. Nos EUA a resistência ao impacto Izod é a forma mais utilizada e encontra-se descrita pela ASTM (American Society for TestingandMaterials) na norma ASTM D256.
21 O teste de resistência ao impacto Izod é um teste simples que utiliza um equipamento padronizado. Este equipamento consiste num pêndulo com uma espécie de martelo na sua ponta com dimensões padronizadas, em que o conjunto pêndulo/martelo gira livremente sobre um eixo. O corpo de prova é colocado na base do equipamento de forma a impedir o deslocamento do pêndulo ao atingir a base. Ao libertar o pêndulo em queda livre sabe-se a energia potencial que este possui, e após o choque é quantificada a energia potencial absorvida pelo corpo e consequentemente a resistência ao impacto, que corresponde à energia potencial do pêndulo capaz de romper o corpo de prova (American Society for Testing and Materials, ASTM D256)
A espessura padrão do corpo de prova é 3,2 mm, podendo ser em alguns casos 12,3 mm. O resultado de teste Izod é quantificado em energia perdida por unidade de espessura, como por exemplo, J/m. A resistência ao impacto de um plástico é função do material plástico e dos aditivos, caso o plástico contenha algum (American Society for Testing and Materials, ASTM D256).
Figura 12 - Resistência ao Impacto Izod para Diferentes Plásticos.
A Figura 12 representa os resultados para os testes de resistência ao impacto Izod realizados com o polietileno de alto peso molecular, o policarbonato, o nylon 6,6 e o politereftalato de etileno. Pode-se observar então que, entre os polímeros analisados, o PC, PEAD e o PP apresentaram um desempenho superior que o nylon e o PET. Esta
800 800 800 112 36 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
PEAD PC PP Nylon 6,6 PET
R es it en ci a (J. m -1) Plástico
22 propriedade é medida pelos fornecedores da matéria-prima e o resultado é disponibilizado no site dos fornecedores na ficha técnica do produto.
2.1.2. Índice de Fluidez
O índice de fluidez tem sido amplamente utilizado na indústria para caracterizar propriedades de fluxo dos polímeros, devido à simplicidade e à agilidade da técnica utilizada na sua determinação (Rocha C.G. et al, 1994). Este parâmetro foi adoptado como referência para analisar o escoamento do polímero durante o processo de produção de embalagens na empresa em estudo. Quanto maior o índice de fluidez mais facilmente escoará a massa plastificada na extrusora, diminuindo assim o tempo de produção e a força mecânica que a máquina terá de exercer sobre o termoplástico para deslocá-lo horizontalmente.
Esta propriedade é medida pelos fornecedores da matéria-prima, conforme foi constatado durante este trabalho, e o modo de mensurá-la está padronizado pela ASTM na norma D1238 e o resultado é disponibilizado no site dos fornecedores na ficha técnica do produto.
2.1.3. Resistência Química
A resistência química é um parâmetro relevante para o sector das embalagens plásticas, principalmente no sector de transporte de químicos, em que as embalagens transportam produtos extremamente agressivos, perigosos e nocivos caso vazem para o ambiente de forma descontrolada. Por isso, é necessário que a embalagem não apresente nenhuma interacção química com o produto que será transportado de forma a manter a sua integridade e consequente segurança do transporte. Apesar da resistência química das embalagens ser dependente de outros factores, além das propriedades da matéria-prima, como por exemplo a geometria da embalagem, a resistência química da matéria-prima torna-se um factor importante para a previsão de como o produto irá se comportar perante a acção de argentes agressivos. Esta propriedade é medida pelos fornecedores da matéria-prima, e o modo de mensurá-la está padronizado pela ASTM na norma D1693 sendo o resultado disponibilizado no site dos fornecedores na ficha técnica do produto.
O polietileno é um polímero apolar, e isso confere-lhe uma elevada resistência química a agentes químicos agressivos. Os polietilenos (PEs) possuem alta estabilidade a agentes químicos e outros meios, sendo resistentes a soluções aquosas de sais, ácidos
23 inorgânicos (excepto aos agentes oxidantes fortes, como os ácidos nítrico e sulfúrico fumegante) e alcalis (Braskem, 2010).
Da mesma forma, o polipropileno apresenta uma boa resistência química a agentes agressivos. As resinas de polipropileno (PP), assim como a maioria das poliolefinas, são resistentes a muitos solventes e produtos químicos. São fortemente atacadas pelos ácidos inorgânicos fortes, como o ácido nítrico fumegante a temperatura ambiente e o ácido sulfúrico 98% a 60ºC (Braskem, 2010).
2.1.4. Preço
O objectivo de um processo é desenvolver produtos com qualidade e que gerem receitas superiores aos gastos para a produção. Na indústria de transformação plástica grande parte do custo de produção está centralizado no custo da matéria-prima, o polímero.
Por serem derivados de petróleos o valor dos plásticos oscila facilmente de acordo com o cenário político/económico mundial. Por conseguinte, hoje em dia algumas empresas têm investido em tecnologia para obter estes materiais de outras fontes que não o petróleo, dando preferência às fontes renováveis e naturais.
Figura 13 - Preço das Resinas Plásticas em Maio de 2012.
O valor do polietileno de alta densidade no mês de Maio de 2012 era de $1,62 por Kg, enquanto o polipropileno custava $1,70 e o policarbonato 1,92$, tornando assim o
$1.60 $1.70 $1.92 $0.00 $0.50 $1.00 $1.50 $2.00 $2.50 PEAD PP PC P reço p or K g Plástico
24 polietileno mais atractivo em matéria de custos, como se pode observar na Figura 13. Entre os termoplásticos analisados o polietileno reúne características importantes que permite que seja utilizado para produzir embalagens plásticas. Em comparação com o polipropileno e o policarbonato este destaca-se pelo preço, já em relação a outras resinas os polietilenos destacam-se pela resistência química, resistência mecânica, entre outras propriedades que aqui não foram destacadas. Sendo assim, não é por acaso que os polietilenos são a família de polímeros mais utilizados na indústria de transformação de plásticos actualmente, conforme já foi visto no início deste trabalho. A empresa em que foi realizada o trabalho prático que fundamenta esta dissertação adoptou o polietileno como matéria-prima para o processo de produção das suas embalagens.
2.2. Características Químicas e Físicas dos Polietilenos
Após pronunciar as atractividades dos polietilenos é preciso justificá-las do ponto de vista químico e físico e diferenciar este grupo polimérico mencionando um pouco de cada um dos seus principais representantes: o polietileno de alta e o polietileno de baixa densidade.
Os polietilenos são polímeros produzidos a partir do monómero etileno e parte de sua cadeira polimérica pode apresentar uma organização espacial, sendo esta a zona cristalina e outra parte desordenada, a parte semicristalina.
25 A estrutura molecular dos polietilenos é classificada como uma estrutura esferulita, onde se encontram camadas organizadas cristalinas interligadas por camadas amorfas desorganizadas, como se pode confirmar na Figura 14. Quanto maior o grau de cristalização maiores serão as camadas cristalinas e consequentemente mais compacta será a macromolécula, o que significa uma maior massa por unidade de volume, ou seja, uma maior densidade. A variação de densidade é resultante da estrutura cristalina, a qual afeta as propriedades mecânicas, térmicas e químicas (Genizia Islabão,2005).
Os polietilenos são considerados os hidrocarbonetos poliméricos mais simples formados por unidades repetidas de [ ] . Os PE’s classificam-se em famílias de polímeros, podendo ser: polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) (0,900< d<0,915), polietileno de baixa densidade (PEBD) (0,910<d<0,925), PELMD (0,926 < d<0,940), polietileno de alta densidade (PEAD) (0,941<d<0,959) e PEUAPM ( d ≅ 0,930). Cada tipo apresenta as suas características específicas, podendo apresentar diferenças significativas em termos de arquitetura molecular, morfologia, flexibilidade, transparência e resistência ao impacto, entre outras propriedades (Genizia Islabão, 2005).
Destas cinco classes pode-se destacar o polietileno de alta densidade e o polietileno de baixa densidade como os dois grandes grupos de polietilenos.
Cada uma dessas classes é diferenciada principalmente pelas suas propriedades mecânicas (maior ou menos dureza, maior ou menor resistência ao impacto), ou pelas suas propriedades físicas (temperatura de plastificação, índice de fluidez). À medida que o grau de cristalinidade de um polímero cresce, o módulo elástico, a resistência ao escoamento e a dureza também aumentam (Sebastião V. Canevarolo, 2006). Essa afirmação pode ser justificada ao observar a Figura 14 e analisar a estrutura macromolecular do polietileno; quanto mais cristalino mais denso será o empacotamento desta estrutura, logo maiores as forças intermolecular, e consequentemente maior a energia necessária para romper este arranjo.
Tabela 2 - Propriedades para Diferentes Densidades de Polietileno.
Propriedade Tipo I Tipo II Tipo III
Densidade (g.cm3) 0,910 - 0,925 0,926 - 0,940 0,941 - 0,965
Resistência à Tração (MPa) 4,1 - 15,9 8,3 - 24,1 21,4 - 37,9
26 Na tabela Tabela 2 pode-se observar a variação da resistência à tracção e módulo de flexão com o aumento da densidade, que confirma a melhoria de algumas propriedades com o aumento do grau de cristalinidade do polímero.
Sendo o PEAD e o PEBD os polímeros da família dos polietilenos com maior relevância no mercado das resinas plásticas, uma vez que estes foram exaustivamente estudados e caracterizados pelo meio científico, a utilização de um destes dois materiais como matéria-prima do processo torna-se menos preocupante pela abundância de informações e elevada produção mundial.
Figura 15 - Diferença Entre a Estrutura Molecular do PEBD e do PEAD.
A diferença básica entre o polietileno de alta densidade e de baixa densidade está na sua ramificação da cadeia principal, conforme pode-se observar na Figura 15. Enquanto o primeiro apresenta uma ramificação moderada e uma elevada densidade o segundo possui um elevado grau de ramificação da sua cadeia e uma densidade baixa. Essas características terão uma influência directa nas propriedades mecânicas em cada uma dessas classes de polietileno. A linearidade das cadeias, e consequentemente a maior densidade, do PEAD fazem com que a orientação, o alinhamento e o empacotamento das cadeias sejam mais eficientes; as forças intermoleculares (Van der Waals) podem agir mais intensamente, e, como consequência, a cristalinidade é maior que no caso do PEBD. Sendo maior a cristalinidade, a fusão poderá ocorrer em temperatura mais alta (Coutinho, F. M. B. Et al, 2003).
27
Tabela 3 - Comparação das Propriedades do PEAD com o PEBD.
Propriedades PEBD PEAD
Densidade (g.cm-3) 0.915 a 0.935 0.941 a 0.967
Temperatura de Fusão (ºC) 102 a 112 130 a 133
Tensão de Ruptura (MPa) 6.9 a 17.2 18 a 30
Elongação Máxima Até a Ruptura (%) 100 a 700 100 a 1000
Módulo de Flexão (MPa) 415 a 795 689 a 1654
Na Tabela 3 pode-se comparar algumas propriedades importantes do PEAD e do PEAB; observa-se uma melhoria de propriedades à medida que aumenta a densidade do polímero e a densidade por sua vez é inversamente proporcional ao grau de ramificações das cadeias polimericas.
A origem da diferença entre esses dois polímeros está nas condições em que se processam as suas polimerizações. O polietileno de alta densidade é sintetizado em condições de baixas temperaturas e pressões. Isto é, pode ser realizado pela utilização de catalisadores estereoespecíficos, por exemplo, do tipo Ziegle-Natta, que direccionam o monómero em formação e possibilitam um crescimento da cadeia do polímero, de maneira ordenada (Whelan,1999). O PEBD por sua vez é produzido em condições mais severas e difíceis de serem controladas. O processo de produção de PEBD utiliza pressões entre 1000 e 3000 atmosferas e temperaturas entre 100 e 300 ºC. Temperaturas acima de 300 ºC geralmente não são utilizadas, pois o polímero tende a degradar-se.
Vários iniciadores (peróxidos orgânicos) têm sido usados, porém o oxigénio é o principal. A reacção é altamente exotérmica e assim uma das principais dificuldades do processo é a remoção do excesso de calor do meio reaccional. Essa natureza altamente exotérmica da reacção a altas pressões conduz a uma grande quantidade de ramificações de cadeia, as quais têm uma importante relação com as propriedades do polímero (Coutinho, F. M. B. Et al, 2003).
Dentre as classes de polietileno, aqueles que apresentam características que atendam as necessidades para a produção de embalagens plásticas é o polietileno de alta densidade, devido às suas propriedades que são superiores às propriedades do de baixa densidade, o que o tornou a matéria-prima a ser utilizada na empresa em que se desenvolveu o estudo.
28
2.3. Polietileno de Alta Densidade (PEAD)
O PEAD é utilizado em diferentes segmentos da indústria de transformação de plásticos, abrangendo os processamentos de moldagem por sopro, extrusão e moldagem por injecção. Pelo processo de injecção, o PEAD é utilizado para a confecção de baldes e bacias, bandejas para pintura, banheiras infantis, brinquedos, conta-gotas para bebidas, jarros d’água, potes para alimentos, assentos sanitários, bandejas, tampas para garrafas e potes, engradados, bóias para raias de piscina, caixas d’água, entre outros. Já pelo processo de sopro destaca-se a utilização na confecção de embalagens, tanques e tambores de 60 a 250 litros, onde são exigidas principalmente resistência à queda, ao empilhamento e a produtos químicos, frascos e embalagens de 1 a 60 litros, onde são embalados produtos que requeiram alta resistência ao fissuramento sob tensão (Coutinho, F. M. B. Et al, 2003).
O PEAD, assim como os demais polietilenos, é um material termoplástico, pois funde por aquecimento e solidifica por resfriamento num processo reversível. A sua densidade é determinada pela presença e regularidade das ramificações, onde as cadeias poliméricas podem ter de 50.000 a 100.000 átomos de carbono ligados (Lester H. Gabriel)
Dentre o grupo dos PEAD tem-se uma gama de densidade e previsivelmente uma gama de propriedades que leva a uma escolha criteriosa do produto a ser utilizado, levando em conta um balanço de características que irão influenciar na processabilidade, produtividade do processo e na qualidade final do produto. Muitas destas propriedades são directamente proporcionais, mas os seus efeitos são inversos, como por exemplo, o índice de fluidez, variável importante para a processabilidade, e a densidade, variável importante para a qualidade do produto final; quanto maior a densidade, menor será o índice de fluidez, porém o aumento da densidade trará um benefício às propriedades mecânicas do produto, e o decréscimo do índice de fluidez trará um prejuízo ao processo (Whelan,1999).
29
3. Descrição Técnica
3.1. Descrição do Processo de Moldagem por sopro e produção de
embalagens plásticas
O nome “Moldagem por Sopro” advém da manufacturação do vidro com o auxílio de uma técnica bastante simples: aquecimento da sílica até à formação de uma massa moldável. Posteriormente a massa é posta numa das extremidades de um grande cano de ferro e com o auxílio da boca o moldador sopra a outra extremidade do cano, o ar pressionará a massa quente de sílica e este adquire a forma oca.
O processo de sopro foi então importado para a indústria plástica, passando de um processo exclusivo para a moldagem de vidros para um processo largamente utilizada na formação de diversos produtos a partir de resinas plásticas. Há diversas razões para o extenso emprego das resinas plásticas no processo de sopro entre as quais pode-se destacar:
Redução de custo, devido ao baixo preço de algumas resinas, e do peso do produto final, devido a leveza do plástico;
Possibilidade de reciclagem ou reaproveitamento ou ainda a reutilização do produto;
Baixa temperatura de fusão das resinas em comparação com outros materiais, como pro exemplo os metais, que possibilita uma redução do custo processual;
Boas propriedades mecânicas do produto final.
Actualmente a forma mais prática e mais barata na indústria de transformação plástica, para produzir peças ocas que apresentem boa qualidade e eficiência na sua utilização, é a moldagem por sopro. Este processo consiste em 4 etapas:
1. Fusão do termoplástico;
2. Formação da mangueira de termoplástico fundido, conhecida neste ramo como praison;
3. Introdução do praison no molde e sopro do praison; 4. Pré-resfriamento e ejecção da peça moldada.
30
3.1.1. Extrusora - Fusão do Termoplástico
O primeiro passo do processo consiste na fusão da matéria-prima numa zona da máquina que, a depender do equipamento, pode consistir numa extrusora ou numa injectora. No caso do processo em estudo tem-se uma extrusora na zona inicial. Estima-se que cerca de 90% dos processos de moldagem por sopro utiliza a extrusora para plastificação das resinas.
A extrusão consiste em forçar o movimento horizontal da matéria-prima plástica através de um canhão de aquecimento com o auxílio de uma rosca em movimento constante. Ao longo deste canhão irá se processar a transferência de calor entre o termoplástico e as resistências de aquecimento, e o termoplástico então irá fundir-se formando uma massa plástica.
Figura 16 - Representação Esquemática da Extrusora.
Para elucidar melhor este processo pode-se observar a Figura 16, em que se encontra um funil de alimentação da extrusora por onde a matéria-prima do processo é introduzida e posteriormente captada e empurrada pela rosca em rotação constante através do canhão de aquecimento.
31
Figura 17 - Extrusora (Foto obtida na empresa).
Na Figura 17 pode-se observar a zona extrusora da máquina real onde foi desenvolvido o estudo. Neste ponto é controlado um importante parâmetro para o processo, a temperatura de aquecimento do material plástico, pois toda a energia térmica fornecida ao termoplástico terá que ser retirada por resfriamento após a moldagem da peça; quanto mais baixa for a temperatura de plastificação utilizada nesta etapa mais rápido será o arrefecimento do produto final e naturalmente melhor será a processabilidade. Esta temperatura irá depender diretamente da temperatura de plastificação (Tm) do termoplástico semicristalino utilizado. A duração da etapa de refrigeração normalmente é a mais longa de todo o ciclo podendo representar até 80% do tempo total de produção de uma peça (Whelan, 1999).
3.1.2. Bocal – Formação do Parison
Antes da moldagem propriamente dita é necessário que a resina plastificada seja convertida em algo moldável por sopro, e é então formada uma mangueira desta resina numa zona do equipamento chamada de bocal.
32 Conforme se pode observar na Erro! Auto-referência de marcador inválida. o bocal é constituído por uma peça cilíndrica mássica envolvida por um cilindro oco de maior diâmetro. O termoplástico fundido será então comprimido à entrada do bocal e irá passar pelo espaço existente entre a parede cilíndrica oca e a mássica formando uma espécie de mangueira, o parison. Além disso, é no bocal que irá haver a transição da direcção do processo, uma vez que até a saída da extrusora a massa deslocava-se horizontalmente, porém é necessária uma mudança para o sentido vertical para que a massa possa ser capturada pelo molde.
Aqui tem-se outra propriedade da resina que tem fundamental influência no processo global, a viscosidade. O parison após ser formado é expelido verticalmente do bocal para que o molde o aprisione no seu interior. Durante esta etapa é necessário que o parison não se deforme frente às solicitações verticais exercidas pelo seu peso e, para que isso seja possível, a resina fundida deve possuir uma grande viscosidade. Uma alta viscosidade significa um alto peso molecular e um maior grau de cristalinidade o que implica em melhores propriedades mecânicas do produto, porém uma maior viscosidade implicará uma maior resistência ao deslocamento horizontal da massa fundida, logo exigirá um maior esforço mecânico por parte da rosca na fase de extrusão (Whelan, 1999).
Resinas plásticas de alto peso molecular são ideais para as propriedades do produto, todavia tornam-se um problema quanto entram no campo da processabilidade. Deve haver um equilíbrio entre essas características, e para estabelecer esse equilíbrio é levado em conta o índice de fluidez do termoplástico.
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3.1.3. Molde – Captura do Parison e Sopro
O molde é a peça do equipamento responsável por conferir a forma do produto final, o design do produto terá influência no comportamento mecânico deste. Também é no molde onde acontece o pré-resfriamento da peça, fase que consome quase 80% do tempo de produção. Pode ser considerada então a etapa crítica do processo, em termos de produtibilidade, onde estão englobados factores fundamentais para a produtibilidade da empresa e qualidade do produto.
Figura 19 - Captura do Parison e Sopro (Rosato, 1988).
Após expelido o parison do bocal, o molde irá capturá-lo fechando as suas pontas e englobando-o no seu interior. Depois de capturado pode ter dois diferentes destinos: no primeiro ele é levado para o local onde será soprado através do pino de sopro na parte superior do molde, no segundo será introduzido o pino de sopro na parte inferior do molde, onde o parison é soprado sem o movimento do molde.
O fecho do parison pelo molde deverá ser feito de forma a soldar a extremidade da mangueira que irá formar o fundo da peça soprada, garantido que esta extremidade ficará selada após a moldagem. Para que isso seja possível o molde deverá exercer uma força entre 0,6 a 6 toneladas por metro sobre a massa plastificada. A Figura 19 esquematiza o processo de captura e sopro do parison no molde, no caso em que o sopro se dá na parte superior em local diferente do que o parison é expelido.