EXTRUSÃO DE
TERMOPlÁSTICOS
Fundação Santo André – FSA
Engenharia de Materiais – 60 semestre
Profa. Dra. Sandra A. Cruz
Extrusão
Extrusora
-Um dos processos mais utilizados
-Reator → Pó → Extrusora → pellets ou grânulos.
- Desde a antiguidade o princípio de extrusão já era
utilizado.
Produtos plásticos feitos por extrusão
-Filmes plásticos
-Canos e tubos para transporte de água, gás,
combustível, etc.
-Isolantes de fios e cabos elétricos
-Filamentos para fabricação de linhas de pesca,
escova de dente, de cabelo, etc.
-Recobrimento de papel (filmes e folhas) para a
fabricação de embalagens para alimentos
(Tetrapack).
-Chapas de plástico para posterior termoformagem,
etc.
Princípios Gerais e Componentes de uma
extrusora monorosca
-Processo contínuo
-Material é alimentado na forma de grânulos (ou
pó).
Função de uma extrusora:
1) Transformar o polímero em produto plástico
2) Plastificação (fusão) do polímero:
- resistências elétricas
- cisalhamento
Princípios Gerais e Componentes de uma
extrusora monorosca
3) Mistura e homogeneização
Exemplo:
Blendas
Composto
4) Bombeamento do material sob pressão até a matriz.
5) Conformação do polímero pela sua passagem sob
pressão através da matriz → PRODUTO
Componentes de uma extrusora
Componentes de uma extrusora
1) Mancal de Apoio
- fixar a rosca mantendo-a centralizada
- para empurrar o material para frente é necessário
criar uma pressão do fundido. A pressão criada
empurra a rosca para trás tendendo a esmagá-la
contra o rolamento.
- a pressão de 2000 psi utilizada em um processo de
extrusão (50 mm) causa uma força de recuo na
rosca de 3 toneladas.
Componentes de uma extrusora
2) Barril / canhão / cilindro
Diversos tipos de aço (85:50) – desgaste: abrasão e
corrosão, pressão.
Superfície interna (Nitretação ou bimetálico)
Diâmetros internos típicos: 1; 1,5; 2; 2,5; 3,5; 4,5 e 6 in)
Comprimento do cilindro (L): comprimento da rosca
L/D: característica da extrusora
Mais comuns de L/D = 24, 30, 32 e 36.
Alto L/D- podem indicar boas capacidades de mistura
e fusão de polímeros
Relação L/D determina a superfície interna disponível
para transmissão de calor para a fusão do material
Materiais mais comum para a fabricação do barril
•Liga aço 85:50 (mais comum)
•Ligas tipo Nitraloy 135 M – nitretação com íons –
formação de uma camada protetora contra corrosão e
abrasão.
• Dureza de 55 a 72 Rockwell C
• Resistência a tração de 360 a 600MPa.
• Ligas de Xaloy 800 – constituídas de 25% ou mais
partículas de carbeto de tungstênio.
• Ligas de Xaloy X-102
Recondicionamento do barril:
-Brunimento
As dimensões retiradas do barril devem ser introduzidas na
rosca.
Exemplo: Retirada de 1 mm do diâmetro interno do barril,
colocar 1 mm no filete da rosca.
Altera a taxa de compressão:
Exemplo:
RC = hi/hf
→Antes: hi=24,5 e hf=7 (RC=3,5)
→Depois: hi = 25 e hf=7,5 (RC=3,3)
Componentes de uma extrusora
3) Motor e Caixa de engrenagens
- Motor elétrico (220, 380 e 440 V)
- ↑ velocidade da rosca ↑ vazão (normalmente)
- Alteração da velocidade da rosca (60 a 150 rpm)
usar um motor de velocidade ajustável (CC).
usar um motor de velocidade constante acoplado
a um sistema mecânico de alteração de
velocidade (antigo).
usar um inversor de freqüência
Componentes de uma extrusora
4) Funil e Goela
Funil é onde ocorre a alimentação do material por
gravidade.
Alimentação:
- por afogamento ou inundação (nível cte)
- contínua: o funil não permanece cheio mas existe um
sistema de alimentação ou dosagem composto por calhas
vibratórias, esteiras de transporte ou roscas sem fim que
alimentam a extrusora à taxas constantes e programáveis
(Ex: Dupla rosca)
Componentes de uma extrusora
Goela é um furo feito na parede do canhão que possibilita a
passagem do material do funil para dentro do barril. O
tamanho da goela deve ser a pelo menos o Ø interno do
canhão. RESFRIAMENTO
Componentes de uma extrusora
5- Sistemas de aquecimento e resfriamento
Resistências elétricas
Montadas externamente ao
barril-pode-se ter cobertura
para minimizar a troca de calor
para o ambiente.
Zonas de aquecimento.
Vapor
Semelhante ao aquecimento
por fluidos
É o método mais antigo e o
menos usado
Distribuição de calor é lenta
Fluidos (óleo)
Óleo aquecido circulando por
camisas que envolvem cilindro
ou em serpentinas na
canaletas do cilindro que
acomodam tubos de cobre
Mais caro mas controle mais
preciso. Usado em alguns
equipamentos de grande porte
Controle pode ser individual
e a refrigeração é no tanque
de óleo referente a cada zona
e não no cilindro
Componentes de uma extrusora
6) Placa de Quebra Fluxo ou Crivo
Disco de aço com orifícios de diâmetro de 3 a 5 mm sem
pontos de estagnação
Funções:
- Aumentar a pressão de contra-fluxo
- Homogeneizar a massa viscosa
- Quebrar fluxo rotacional
- Segurar as telas
Tela
- consiste em uma malha metálica disponível em vários
tamanhos de furos (ou mash) que agem como filtros para
retirar do material fundido partículas de material não
plastificado e outros tipos de impurezas.
- em geral aumentam a contra-pressão dependendo do seu
tamanho.
- extrusoras mais modernas possuem sistemas de
troca telas.
Trocador de telas
Previne “descontinuidade” e garante troca rápida da tela
Troca tela contínuo
Componentes de uma extrusora
7) Rosca de Extrusão
PARAFUSO
ARQUIMEDEANO
Concebido por
Arquimedes para
transporte de
matérias que teriam
um escoamento
entre os filetes do
parafuso menor
que o transporte
desta matéria,
usado até hoje para
transporte de água
Monorosca de Extrusão
- Parte móvel
- Velocidades típicas entre 30 e 150 rpm.
- Função: transportar e plastificar o material.
Baixa condutividade térmica e alta
viscosidade
- Deve ser projetada para: máxima eficiência, Q cte,
durabilidade, plastificação e homogeneização adequadas.
Sem danos ao polímeros
Projetos específicos
Monorosca de Extrusão - padrão
alimentação
compressão
dosagem
Zona de alimentação (responsável pelo transporte)
O aquecimento é menor e em geral há resfriamento nesta
região
A altura do filete é maior sendo o material apenas
transportado devido ao pequeno aquecimento
Z. Wei
Polymer Extrusion
23
Zona de compressão (responsável pela fusão)
Redução gradual da altura do filete
Extensão desta região depende do polímero
Fusão: temperatura, pressão e cisalhamento
Ar é expulso e polímero é entregue à zona de dosagem
Zona de dosagem ou controle de vazão (responsável pela
finalização da homogeneização e pelo fluxo uniforme)
Objetivo é homogeneizar o polímero no estado viscoso e
entregá-lo à matriz com vazão e pressão constante
Fundir eventuais partículas
7) Rosca de Extrusão
A) Teoria de fluxo para a monorosca
+
Fluxo de Arraste
=
Fluxo de contrapressão
Fluxo resultante
7) Rosca de Extrusão
Modelo de fusão entre filetes da rosca: turbilhonamento
para otimizar distribuição dos pellets e garantir contato
com paredes para fusão
7) Rosca de Extrusão
barril
Normalmente não há
vazamento mas pode
ocorrer desgaste no
maquinário
filete
Qtotal = Qd - Qp - Qe
arraste
pressão
escape
7) Rosca de Extrusão
h
Vazão: Q = b ∫ Vdy
y
0
z
b – largura do canal da rosca
x
h – profundidade do canal
Q = Qarraste − Qcontra − pressão
3
bVb h bh dP
Q=
−
2
12η dz
Q=
πDN cos θbh
2
bh 3 dP
−
12η dz
7) Rosca de Extrusão
B) Parâmetros que afetam a geração de pressão e o
perfil de velocidades ao longo do cilindro e rosca
Dependência do perfil de pressão:
- Matriz e crivo
- Forma de alimentação
- Atrito rosca material e paredes do cilindro (região do funil)
- Temperatura e viscosidade do fundido
QA < QB < QC < QD
7) Rosca de Extrusão
C) Homogeneização e plastificação nos canais da rosca
Convivência fase sólida / fase líquida:
Taxa de cisalhamento/ T das zonas, gradiente de P e tipo de
polímero
7) Rosca de Extrusão
Formação ???
7) Rosca de Extrusão
7) Rosca de Extrusão
Variação na formação do “fundido”
passo a passo da rosca
7) Rosca de Extrusão
7) Rosca de Extrusão
Zonas de compressão longas:
- ↑ tempo de residência
- ↑ convivência sólido/líquido
- ↓ cisalhamento
- ↓ poder de mistura
Zonas de compressão curtas:
- ↑ cisalhamento (+ e -)
- Ideal: materiais de baixa viscosidade e Tm brusco
7) Rosca de Extrusão
Profundidade (h)
↓ h ↓ Q ↑ γ ↑ T → ↑ mistura
Razão de compressão (RC)
↓ RC ↑ aprisionamento de ar
↑ RC
↑ atrito
L/D (comprimento/diâmetro)
↑ L/D ↑ tempo de residência ↑ mistura
7) Rosca de Extrusão
Eficiência da plastificação → diferentes tipos de roscas:
- Tipo de polímero
- Formato da matéria-prima
- Densidade aparente
- Aditivos presentes
↑ Q ↓ Eficiência de plastificação
↑N
↑ γ ↑ T ↓η
7) Rosca de Extrusão
Para ↑ EP e ao mesmo tempo ↑ Q → roscas com
misturadores e cisalhadores intensivos
Garantem a qualidade
do extrudado dentro do
limite superior de
produditividade
Ajudam a aumentar a
eficiência de fusão
Mono rosca padrão
Comprimento da rosca: 20 D a 30 D
Comprimento da zona de alimentação: 4 D a 8 D
Comprimento da zona de dosagem: 6 D a 10 D
Passo: 1 D (ângulo do filete ~17.66o)
Largura real do filete: 0.1 D
Altura do canal na zona de alimentação (hi): 0.10 D a 0.15 D
Altura do canal na zona de dosagem (hf): 0.03 D a 0.06 D
Taxa de compressão (RC): 2 a 4
Z. Wei
Polymer Extrusion
40
Componentes de uma extrusora
8) Matriz e Cabeçote
Cabeçote é o ferramental que fica após a rosca.
Matriz é a extremidade final do cabeçote que tem como
função dar forma à massa polimérica
Cabeçote/Matriz
8) Matriz e Cabeçote
Transporte no cabeçote da matriz
Ocorre por diferença de pressão
Elevação de pressão:
- Geometria da rosca
- Rotação e Temperatura
- Coeficiente de atrito
- Canais estritos
- Propriedades reológicas
- Grelhas e telas
8) Matriz e Cabeçote
↓ Orifício ↑ pressão → vazão cte
8) Matriz e Cabeçote
8) Matriz e Cabeçote
a) Transporte no cabeçote da extrusora
Q=
Q = αN − β
πDN cos θbh
2
bh 3 dP
−
12η dz
P
η
QM = K
∆PM
η
Constante geométrica da rosca
QT = QM = αN − β
P
η
=K
∆PM
η
8) Matriz e Cabeçote
QT = QM = αN − β
P
η
=K
∆PM
η
Componentes de uma extrusora
9) Degasagem
- Alguns produtos plásticos liberam gases quando
aquecidos
São equipados com um ou mais
orifícios (3/4 L) no cilindro a partir do
qual os voláteis, por diferença de
pressão ou vácuo podem ser
extraídos.
Os orifícios podem ser utilizados
também
para
a
adição
de
componentes como aditivos, cargas,
componentes reativos, etc
Extrusora com degasagem
Z. Wei
Polymer Extrusion
52
Extrusora com degasagem
Extrusoras com degasagem são usadas para
extrair voláteis de polímeros de uma maneira continua.
São equipadas de um ou mais orifícios pelos quais os
voláteis podem escapar.
Duas importantes condições para o polímero sob
a saída de degasagem são “pressão zero” e o
material estar completamente fundido.
Aplicações:
Z. Wei
Polymer Extrusion
53
Componentes de uma extrusora
6) Quebra
fluxo
4) Funil e
goela
1) Mancal
2) Cilindro
7) Rosca
8) Cabeçote
e matriz
5) Sistemas de
aquecimento
3) Motor e caixa
de engrenagens