Extrusão – Princípios de Funcionamento
1) Taxa de Compressão (RC)
-Descrição da rosca de acordo com a taxa de compressão (baixa ou alta taxa de compressão).
RC = hi / hf
RC = 2 – corresponde a baixa taxa de compressão RC = 4 – corresponde a alta taxa de compressão
2) Alimentação da rosca
- grânulos ou pó.
- Granulometria parecida (uso de reciclado,cargas, masterbaches ou outros aditivos, blendas, etc)... - Problemas mais comuns:
material parar na goela
os grânulos podem ficar agarrados na rosca (goela) impedindo a entrada de material.
Roscas refrigeradas à água
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3) Homogeneização e Plastificação
Fusão
Resistências elétricas Cisalhamento
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4) Mistura
Função do processo de extrusão
Refluxo – 50% de material é empurrado para frente. Maior grau de mistura pode ser obtido aumentando a pressão no fim da rosca (perto do cabeçote):
- Matriz com alta resistência ao fluxo - Aumento de telas
- Roscas especiais Uso:
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Roscas especiais (misturadores e cisalhadores intensivos):
- ajudam o processo de homogeneização e plastificação - alterações na zona de controle de vazão: elementos de mistura.
- elementos de mistura tem a função de bloquear o fluxo, aquecer ainda mais o material e aumentar o tempo de residência no barril.
A) Rosca com elemento de cisalhamento intensivo tipo anel
- Garante a fusão total da massa polimérica
- Estabiliza o fluxo na zona de controle de vazão - Baixa produtividade
B) Rosca com filetes duplos – roscas com barreira
- Roscas que separam o líquido do sólido (Vantagem?)
- Folga (escape) do filete secundário é maior para o líquido passar
- Cisalhamento crescente sobre o sólido (h decrescente) e cisalhamento decrescente sobre o líquido (h crescente)
Extrusão – Princípios de Funcionamento
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Comparações entre roscas convencionais e roscas com barreira
Vantagens:
- Processo de fusão melhor e mais estável - Menores pressões
- Maiores vazões
- Menor temperatura no cilindro
Desvantagens: -Custo - maior desgaste - Configuração limita o uso de alguns polímeros
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Elementos de
mistura Distributivos e dispersivos
Distribuição
Boa Má
Dispersão
Boa Má
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A) Elementos Dispersivo
- Capacidade de fragmentar um aditivos em pedaços pequenos
- Homogeneização sob altas γ
- Importante em extrusão de espessuras muito finas Ex: fibras e filmes.
- Exemplos: barreira na forma de anel, elemento Maddock, elemento tipo Egan
Misturador dispersivo de Maddock
-Todo o material tem que fluir pelo canal de saída, assim o material é forçado sobre a chaveta divisória, aumentando a mistura dispersiva. A desvantagem deste misturador é que ele aumenta a pressão na saída da rosca. Além disso, a geometria favorece pts de estagnação.
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B) Elementos Distributivos
- capacidade de distribuir um aditivo ou a massa polimérica - Normalmente são utilizados para a confecção de
composto
- Descontinuidade do perfil de canal da rosca
Misturador de Dulmage (Dow Química)
5) Bombeamento do fundido -Fluxo de Arraste - Vazão:
η
β
α
N
P
Q
=
−
.
Q é a vazão (mL/s ou L/s), α e β são constantes que dependem da geometria da rosca, N é a velocidade de rotação da rosca (rpm), P é a pressão (psi).dz
dP
bh
hb
DN
Q
η
θ
π
12
2
.
cos
.
3−
=
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6) Pressão no Cabeçote
→ Dentro do cabeçote existe caminhos para que o
material percorra até chegar a matriz. A rosca ao girar manda material para dentro do cabeçote e, como o
Pressão no cabeçote ↔ Fluxo de pressão
Maior para menor P
Empurrando o material para a matriz (P=0) Dificulta o bombeamento de material da rosca para o cabeçote
Pcabeçote > P na ponta da rosca
REFLUXO
Refluxo positivo Maior homogeneização negativo ↓vazão ↓produtividade altas pressões
Telas fina ou crivos com furos peq.
Viscosidade e geometria da rosca na ponta
↓ viscosidade ↑ refluxo ↑ h ↑ refluxo
↑folga entre rosca e barril ↑ refluxo
Extrusão – processo contínuo:
Q extrusora = Q matriz
Q arraste – Q refluxo = Q matriz
Q arraste = αN
Onde α é a constante de arraste da rosca e N é a rotação. ↑ o passo da rosca ↑ o Ø da rosca ↑ a profundidade de canal ↑ o ângulo da hélice ↑ α
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Pontos de operação de uma extrusora:
Ponto onde as equações tem solução
dz
dP
bh
bh
DN
Q
η
θ
π
12
2
cos
3−
=
η
β
α
N
P
Q
=
−
Constante geométrica da rosca
η
M MP
K
Q
=
∆
η
η
β
α
M M TP
K
P
N
Q
Q
=
=
−
=
∆
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Exige muita potência da máquina
Baixa produtividade Pressão
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Influência da peseudoplasticidade do polímero na vazão
1) Por que com o aumento da pressão no cabeçote ocorre uma diminuição na vazão da extrusora e um aumento na vazão da matriz?
2) Suponha que você esteja trabalhando com 50 rpm e com uma
matriz estreita. Como você faria para conseguir um aumento de 60% na vazão do processo. Qual seria a P no cabeçote e a Q da
extrusora?
3) O que ocorreria caso você utilizasse uma matriz larga? Quais seriam os valores de P e Q? Explique.
0 1000 2000 3000 4000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 V a z ã o Pressão no cabeçote 50 rpm 80 rpm matriz larga matriz estreit
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
1) Temperatura das resistências elétricas
O calor fornecido para a plastificação advém da condução de calor (resistências elétrica - 40%) e atrito (cisalhamento – 60%).
Facilitar o processamento, aumentar a
produtividade. Porém pode ocorrer risco de degradação.
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
2) Velocidade de rotação da rosca
Aumentando-se a velocidade de rotação da rosca, geralmente aumenta-se o cisalhamento, a
temperatura, a fluidez e portanto, a produtividade ou em casos extremos pode-se degradar o polímero.
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
3) Influência da geometria da rosca:
a) Roscas com zona de compressão longas - ↑ tempo de residência
- ↑ convivência sólido/líquido
- fluxo desigual na região de compressão
- cisalhamento baixo devido à baixa compressividade - baixo poder de mistura
b) Roscas com zona de compressão curtas
- ↑ cisalhamento devido à ↑ compressividade → aq. localizado, principalmente para situações onde a viscosidade é alta.
c) Roscas cuja profundidade h é cte decrescente - Ideal para materiais sensíveis a temperatura. ↓ h (zona de dosagem) ⇒ ↓ vazão, ↑ γ, ↑ T ⇒ ↑
mistura
↑ h (zona de dosagem) ⇒ ↑ P do sistema, ↑ Q d) ↑ L/D ⇒ ↑ tempo de residência, ↑ γ, ↑mistura.
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
3) Pressão no cabeçote
O aumento na pressão do cabeçote causa um aumento no retorno do material para a zona de controle de vazão (filetes rasos) aumentando o cisalhamento.
maior homogeneização
Crivos com poucos ou pequenos furos
Maior quantidade ou telas mais estreitas
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
D) Características do polímero e dimensionamento de matrizes Exemplo: Considere um linha de extrusão de tubos e
canos
Ao sair da matriz o tubo passa por um
sistema de calibração ao mesmo tempo em que é resfriado em uma banheira com água, sendo posteriormente puxado.
D) Características do polímero e dimensionamento de matrizes Ao sair da matriz o tubo passa por um sistema de calibração ao mesmo tempo em que é resfriado em uma banheira com água, sendo posteriormente
puxado.
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
Variáveis básicas que afetam o processo de
extrusão
Possíveis alterações:
- Centragem do dispositivo - Inchamento do extrudado
- Estiramento: o que pode levar a um aumento na resistência mecânica, porém a um aumento das tensões internas.
- Contração térmica: cada material possui um valor típico de contração. Além disso o resfriamento pode alterar esses
