Processos de Engenharia de Materiais 4

Processamento de Termoplásticos

1. Introdução• Definição

• Fatores que influenciam o 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 Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser Publishers

Estrutura

PropriedadesProcessamento

Aplicações

Estrutura atômica -arranjo eletrônico,

composição

Arranjo atômico -estrutura cristalina ou

amorfa.

Microestrutura - tamanho e formado dos grão,

esferulitos, cristais únicos poliméricos.

Macroestrutura

Mecânicas

óticas

densidade

térmica

elétrica

química

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Extrusão

Injeção

Calandragem

Termoformagem

Compressão

Moldagem por transferência

Condições de processamento

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.

Vantagens e Desvantagens do emprego de polímeros em Engenharia

Vantagens Desvantagens

Facilidade de conformação Baixa resistência

Menor densidade Instabilidade dimensional

Alta Resistência à corrosão Baixa resistência térmica

Isolação elétrica Degradação

Isolação térmica Dificuldade de recuperação de peças

Baixa permeabilidade a vapores Baixa resistência química

Baixa resistência à intempériesTransparência

Problema de queima (liberação de gases tóxicos)

Tensão

(MPa)

Nylon

Polietileno

Polímeros

Cerâmicas

SiC

Si3N4

ZrO2

Al2O3

Epoxi/FC

Epoxi/Kevlar

Poliimida/FC

Poliester/FV

Compósitos

MetaisLiga 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

43,5Propriedades Mecânicas de

Alguns Materiais

Resumo do Comportamento mecânico de Metais, Cerâmica e Polímeros:

BaixaMédia

alta

Alta-

alta

AltoBaixoAlto

DúctilD/F

Dúctil

AltaBaixaAlta

MetaisPolímeros

Compósitos

AltaBaixaAltoFrágilMédiaCerâmica

FadigaImpactoMóduloFraturaσσσσ

TraçãoTipo de Material

Propriedades Físicas

Propridade Física Material

Densidade(g/cm3)

Polímeros – 0.9 –1.4Metais – 2.5- 10

Cerâmicas – 3.4 – 6

Condutividade Elétrica(S/cm)

Polímeros – 10-19 – 10-12

Cerâmicas – 10-17 – 10-12

SiC 10-1 a 10-2

B4C – 1 a 2Metais – 105

Polímeros – 10-4

Condutividade Térmica(Cal/cm.s.K)

Cerâmica – 10-1 a 10-4

Metais – 0.5 a 0.05

CorrosãoPolimeros - AltaCerâmicos – Alta

Metais – Baixa

Resitência à IntempériesPolímeros – BaixaCerâmicos – Alta

Metais – Alta

Propriedades ÓticasPol. amorfos - TransparentesPolímeros semi-crist. opacos

Condutividadeelétrica

(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

CuAlumínio

FerroAço

Semi-Condutores

Metais

Condutividade Elétrica de Alguns Materiais

POLÍME

C

RO

ONDUTOR

Alta resistência, baixo pesoComponente aeronáuticosEpoxi-fibra de carbono

MetaisMetais

Bom isolamento elétrico eboa resit. Àintempéries

Encapsulamento de circuitos integrados

Epoxi

Filme fino, flexível e transparenteEmbalagem de alimentosPolietileno

Polímeros e compósitos poliméricos

Comportamento elétricoTransistores e circuitos integradosSilício

Converte sinal elétrico em luzSistemas de fibra óticaGaAs

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 metálicosAl2O3, MgO, SiO2

Boas prop. óticas e térmicasVidroSiO2-Na2O-CaO

CerâmicasCerâmicas

Excelente propriedades mecânicasQuadro de bicicletaLigas de Aço

Boa resistência à temp, à vibraçãoBloco de motores de automóveisFerro cinza

Alta condutividade elétrica, boa flexibililade

Fio elétricoCobre

PropriedadesPropriedadesAplicaAplicaççõesõesTipo de MaterialTipo de Material

Amorfo

Tg

Semicristalino

Tg e Tm

ESTRUTURA MOLECULAR NO ESTADO SÓLIDO

Estrutura esferulítica de um polímero

resfriado a partir do fundido

Morfologiados Cristais

Método deObtenção

ParâmetrosEstruturais

Controle dosParâmetros deProcessamento

Efeito nasPropriedades

Mecânicas

Efeito nasDimensõesdas Peças

Efeito nasPropriedades

ÓticasFração

volumétricade cristais

(Vc)

Maiorvelocidade deresfriamento

Menor Vc

Menor rigidezmenor módulo

MaiorTenacidade

menordensidade,

maiorvolume

livre

maiortransparência

EsferulitoResfriamento

a partir dofundido

Tamanho doCristal (Tc)

Maiorvelocidade deresfriamento

Menor Tc

maiortenacidade,

maiorresistênciamecânica

Nenhummaior

transparência

Relação Estrutura - Propriedades - Processamento

Em Polímeros Semicristalinos

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

Termofixos ou termorígidos

Rede tridimensional

Fluido de lei das potências

ηηηη = m γγγγn-1m - é a consistência

n índice da lei das potências

ηηηη - viscosidade

Reologia - Ciência que estuda o fluxo e a deformação da matéria

Variação da viscosidade de termofixos durante o processamento

tempo gel

Resina epoxi

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;

•Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.

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;-Guia e Acionamento da Unidade de Injeção.

Máquinas de moldagem por injeção por parafuso

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

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.

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.

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.

Bico de Injeção

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

Bicos AbertosOs 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.

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.

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 HidráulicoO 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

LAEnF

∆= ...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 ColunasL: Comprimento das Colunas

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 porfricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço sãoalguns materiais usados.

Moldes de duas placas

Sistema de canais - polímero fluiaté chegar na cavidade do molde.

i) aumentar a velocidade de resfriamento empontos localizados, ii) aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidadedo polímero para preencher o molde e iii) facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.

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 mantidoaquecido 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

A taxa de cisalhamento alcança valores de 104 s-1

FASE DE CONFORMAÇÃO

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 iráencolher. 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 émáxima 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.

Qualidade das peçasinjetadas

EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NA QUALIDADE DA PEÇA INJETADA

Outros aspectos

Qualidade superficial

Precisão dimensional

Propriedades mecânicas

Propriedades afetadas

Pressãotemperatura

Velocidade de injeção

Temperatura do fundido

Temperatura do molde

Temperatura do fundidoTemperatura do moldePressão na cavidadePressão de recalque

Velocidade de injeção

Temperatura do fundido

Temperatura do molde

Pressão na cavidadePressão de recalque

Parâmetros que afetam a qualidade

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

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

NÃO SERÁ POSSÍVEL INJETAR A PEÇA NESSA INJETORA

CAPACIDADE DE PLASTIFICAÇÃO (CP)

Quantidade máxima de material padrão que uma máquina consegue fundir/amolecer por hora para ser conformado. Normalmente deve-se

usar 80 % da capacidade da máquina

Cálculo do tempo de ciclo de injeção (TC)

Considere uma injetora com capacidade de injeção e plastificaçãode 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?

Termoformagem

• Processo empregado para termoplásticos;

•Produção de peças pequeno a grande porte;

•Processointermitente, alta produção, peças com excelente acabamento superficial e de formatos complexos;

•Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.

•Alto custo de produção dos moldes.

Características do processo

Termoformagem

Termoformagem

Termoformagem

Moldagem por compressão

Seqüência de operações na moldagem por compressão

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

•perda de material, tensões residuais internas no moldado.

Representação do processo de moldagem por transferência

Estágios de moldagem por transferência

Moldagem por Sopro

Figura 27 – Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a)

extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d) estiramento, sopro e resfriamento e (e) extração.

Figura 28 – Representação do processo de sopro via injeção em máquinas que sopram o frasco logo após a injeção da pré-forma.

Moldagem por extrusão

Características do processo

• Processo empregado para termoplásticos e elstômeros termofixos;

•Processo bastante utilizado na produção de chapas, filmes, tubos, sacos, cobertura de arames.

•Processo contínuo, alta produção, baixo custo, peças com excelente acabamento superficial;

Seqüência do processo de injeção

1

2

3

1 - Funil de alimentação;

2 - Sistema motriz;

3 - Cilindro;

4 - Sistema de aquecimento resfriamento;

Rosca

Sistema de tela ou disco quebra fluxo

Cabeçote ou Matriz

Extrusão de chapas e filmes planos

Influência das condições de processamento por extrusão de chapas na estrutura e propriedades

de polímeros

• Temperatura de processamento,

•Taxa de cisalhamento (velocidade da rosca)

•Temperatura da calandra,

•Velocidade de puxamento da chapa,

•Abertura da calandra

Extrusão de Filmes

Coextrusão

Processo de Laminação