A extrusão de plásticos é um processo de fabricação de alto volume no qual o plástico bruto é derretido e formado em um perfil contínuo. A extrusão produz itens como tubos, calafetagem, cercas, grades de deck, caixilhos de janelas, filmes e folhas plásticas, revestimentos termoplásticos e isolamento de fios.
Este processo começa com a alimentação de material plástico (pelotas, grânulos, flocos ou pós) de uma tremonha para o cilindro da extrusora. O material é gradualmente derretido pela energia mecânica gerada pelo giro dos parafusos e pelos aquecedores dispostos ao longo do cano. O polímero fundido é então forçado a entrar em uma matriz, que molda o polímero em um formato que endurece durante o resfriamento.
HISTÓRIA
Extrusão de tubo
Os primeiros precursores da extrusora moderna foram desenvolvidos no início do século XIX. Em 1820, Thomas Hancock inventou um “mastigador” de borracha projetado para recuperar restos de borracha processada e, em 1836, Edwin Chaffee desenvolveu uma máquina de dois rolos para misturar aditivos em borracha. A primeira extrusão termoplástica foi em 1935 por Paul Troester e sua esposa Ashley Gershoff em Hamburgo, Alemanha. Pouco depois, Roberto Colombo da LMP desenvolveu as primeiras extrusoras de dupla rosca na Itália.
PROCESSO
Na extrusão de plásticos, o material composto bruto é comumente na forma de nurdles (pequenos grânulos, muitas vezes chamados de resina) que são alimentados por gravidade a partir de um funil montado na parte superior para o cilindro da extrusora. Aditivos como corantes e inibidores de UV (na forma líquida ou em pellets) são frequentemente usados e podem ser misturados à resina antes de chegar à tremonha. O processo tem muito em comum com a moldagem por injeção de plástico do ponto de vista da tecnologia da extrusora, embora seja diferente por ser geralmente um processo contínuo. Embora a pultrusão possa oferecer muitos perfis semelhantes em comprimentos contínuos, geralmente com reforço adicional, isso é conseguido puxando o produto acabado para fora de uma matriz, em vez de extrusar o polímero fundido através de uma matriz.
O material entra pela garganta de alimentação (uma abertura próxima à parte traseira do cilindro) e entra em contato com a rosca. O parafuso rotativo (normalmente girando, por exemplo, a 120 rpm) força as esferas de plástico para a frente, para dentro do cilindro aquecido. A temperatura de extrusão desejada raramente é igual à temperatura definida do cilindro devido ao aquecimento viscoso e outros efeitos. Na maioria dos processos, um perfil de aquecimento é definido para o cilindro no qual três ou mais zonas de aquecimento independentes controladas por PID aumentam gradualmente a temperatura do cilindro da parte traseira (onde o plástico entra) para a frente. Isto permite que as esferas de plástico derretam gradualmente à medida que são empurradas através do cilindro e reduz o risco de sobreaquecimento que pode causar degradação do polímero.
O calor extra é fornecido pela intensa pressão e fricção que ocorrem dentro do cano. Na verdade, se uma linha de extrusão estiver operando certos materiais com rapidez suficiente, os aquecedores poderão ser desligados e a temperatura do fundido mantida apenas pela pressão e fricção dentro do cilindro. Na maioria das extrusoras, ventiladores de resfriamento estão presentes para manter a temperatura abaixo de um valor definido caso seja gerado muito calor. Se o resfriamento com ar forçado for insuficiente, serão utilizadas camisas de resfriamento moldadas.
Extrusora de plástico cortada ao meio para mostrar os componentes
Na frente do cilindro, o plástico derretido sai da rosca e passa por um conjunto de telas para remover quaisquer contaminantes do fundido. As telas são reforçadas por uma placa rompedora (um disco de metal grosso com muitos furos), pois a pressão neste ponto pode exceder 5.000 psi (34 MPa). O conjunto do conjunto de telas/placa de ruptura também serve para criar contrapressão no cano. A contrapressão é necessária para a fusão uniforme e a mistura adequada do polímero, e a quantidade de pressão gerada pode ser “ajustada” variando a composição do conjunto de telas (o número de telas, o tamanho da trama do fio e outros parâmetros). Esta combinação de placa de ruptura e conjunto de tela também elimina a “memória rotacional” do plástico fundido e cria, em vez disso, “memória longitudinal”.
Depois de passar pela placa do disjuntor, o plástico derretido entra na matriz. A matriz é o que dá perfil ao produto final e deve ser projetada de forma que o plástico fundido flua uniformemente de um perfil cilíndrico até o formato do perfil do produto. O fluxo irregular nesta fase pode produzir um produto com tensões residuais indesejadas em determinados pontos do perfil, o que pode causar empenamento durante o resfriamento. Uma grande variedade de formas pode ser criada, restrita a perfis contínuos.
O produto deve agora ser resfriado e isso geralmente é conseguido puxando o extrudado através de um banho-maria. Os plásticos são isolantes térmicos muito bons e, portanto, são difíceis de resfriar rapidamente. Comparado ao aço, o plástico conduz o calor 2.000 vezes mais lentamente. Em uma linha de extrusão de tubos ou canos, um banho de água selado é acionado por um vácuo cuidadosamente controlado para evitar o colapso do tubo ou cano recém-formado e ainda fundido. Para produtos como folhas de plástico, o resfriamento é obtido puxando-se através de um conjunto de rolos de resfriamento. Para filmes e folhas muito finas, o resfriamento a ar pode ser eficaz como estágio inicial de resfriamento, como na extrusão de filme soprado.
As extrusoras de plástico também são amplamente utilizadas para reprocessar resíduos de plástico reciclado ou outras matérias-primas após limpeza, classificação e/ou mistura. Este material é comumente extrudado em filamentos adequados para serem cortados em grânulos ou pellets para uso como precursor para processamento posterior.
PROJETO DE PARAFUSO
Existem cinco zonas possíveis em um parafuso termoplástico. Como a terminologia não é padronizada na indústria, diferentes nomes podem referir-se a estas zonas. Diferentes tipos de polímero terão diferentes designs de parafusos, alguns não incorporando todas as zonas possíveis.
Um simples parafuso de extrusão de plástico
Parafusos extrusores de Boston Matthews
A maioria dos parafusos tem estas três zonas:
● Zona de alimentação (também chamada de zona de transporte de sólidos): esta zona alimenta a resina na extrusora e a profundidade do canal é geralmente a mesma em toda a zona.
● Zona de fusão (também chamada de zona de transição ou compressão): a maior parte do polímero é fundida nesta seção e a profundidade do canal fica progressivamente menor.
● Zona de dosagem (também chamada de zona de transporte de massa fundida): esta zona funde as últimas partículas e mistura até obter uma temperatura e composição uniformes. Assim como na zona de alimentação, a profundidade do canal é constante em toda esta zona.
Além disso, um parafuso ventilado (dois estágios) possui:
● Zona de descompressão. Nesta zona, cerca de dois terços abaixo do parafuso, o canal fica repentinamente mais profundo, o que alivia a pressão e permite que quaisquer gases presos (umidade, ar, solventes ou reagentes) sejam extraídos por vácuo.
● Segunda zona de medição. Esta zona é semelhante à primeira zona de medição, mas com maior profundidade de canal. Serve para repressurizar o fundido para fazê-lo passar pela resistência das telas e da matriz.
Freqüentemente, o comprimento do parafuso é referenciado ao seu diâmetro como relação L:D. Por exemplo, um parafuso de 6 polegadas (150 mm) de diâmetro em 24:1 terá 144 polegadas (12 pés) de comprimento e em 32:1 terá 192 polegadas (16 pés) de comprimento. Uma proporção L:D de 25:1 é comum, mas algumas máquinas vão até 40:1 para mais mistura e mais produção com o mesmo diâmetro de parafuso. Os parafusos de dois estágios (ventilados) são normalmente 36:1 para compensar as duas zonas extras.
Cada zona é equipada com um ou mais termopares ou RTDs na parede do cilindro para controle de temperatura. O “perfil de temperatura”, ou seja, a temperatura de cada zona é muito importante para a qualidade e características do extrudado final.
MATERIAIS TÍPICOS DE EXTRUSÃO
Tubo HDPE durante a extrusão. O material HDPE vem do aquecedor, vai para a matriz e depois para o tanque de resfriamento. Este tubo conduíte Acu-Power é coextrudado – preto por dentro com uma fina capa laranja, para designar cabos de alimentação.
Os materiais plásticos típicos usados na extrusão incluem, mas não estão limitados a: polietileno (PE), polipropileno, acetal, acrílico, náilon (poliamidas), poliestireno, cloreto de polivinila (PVC), acrilonitrila butadieno estireno (ABS) e policarbonato.[4 ]
TIPOS DE MORRER
Há uma variedade de matrizes usadas na extrusão de plásticos. Embora possa haver diferenças significativas entre os tipos e a complexidade das matrizes, todas as matrizes permitem a extrusão contínua do polímero fundido, em oposição ao processamento não contínuo, como a moldagem por injeção.
Extrusão de filme soprado
Extrusão por sopro de filme plástico
A fabricação de filme plástico para produtos como sacolas de compras e folhas contínuas é realizada por meio de uma linha de filme soprado.
Este processo é igual a um processo de extrusão normal até a matriz. Existem três tipos principais de matrizes usadas neste processo: anular (ou cruzeta), aranha e espiral. As matrizes anulares são as mais simples e dependem da canalização do polímero fundido em torno de toda a seção transversal da matriz antes de sair da matriz; isso pode resultar em fluxo irregular. As matrizes Spider consistem em um mandril central preso ao anel externo da matriz por meio de uma série de “pernas”; embora o fluxo seja mais simétrico do que nas matrizes anulares, são produzidas várias linhas de solda que enfraquecem o filme. As matrizes espirais eliminam o problema das linhas de solda e do fluxo assimétrico, mas são de longe as mais complexas.
O fundido é resfriado um pouco antes de sair da matriz para produzir um tubo semi-sólido fraco. O diâmetro deste tubo é rapidamente expandido através da pressão do ar, e o tubo é puxado para cima com rolos, esticando o plástico nas direções transversal e de tração. O estiramento e o sopro fazem com que o filme seja mais fino que o tubo extrudado e também alinha preferencialmente as cadeias moleculares do polímero na direção que apresenta maior deformação plástica. Se o filme for estirado mais do que soprado (o diâmetro final do tubo é próximo ao diâmetro extrudado), as moléculas do polímero ficarão altamente alinhadas com a direção de estiramento, formando um filme que é forte nessa direção, mas fraco na direção transversal. . Um filme que tenha um diâmetro significativamente maior que o diâmetro extrudado terá mais resistência na direção transversal, mas menos na direção de estiramento.
No caso do polietileno e de outros polímeros semicristalinos, à medida que o filme esfria, ele cristaliza no que é conhecido como linha de congelamento. À medida que o filme continua a esfriar, ele é passado por vários conjuntos de rolos de pressão para alisá-lo em um tubo plano, que pode então ser enrolado ou cortado em dois ou mais rolos de cobertura.
Extrusão de folha/filme
A extrusão de folhas/filmes é usada para extrusar folhas ou filmes plásticos que são muito grossos para serem soprados. Existem dois tipos de matrizes utilizadas: em forma de T e cabide. O objetivo dessas matrizes é reorientar e guiar o fluxo do polímero fundido de uma única saída redonda da extrusora para um fluxo plano e fino. Em ambos os tipos de matrizes garantem um fluxo constante e uniforme em toda a área da seção transversal da matriz. O resfriamento normalmente é feito através de um conjunto de rolos de resfriamento (calandra ou rolos de “resfriamento”). Na extrusão de chapas, esses rolos não apenas fornecem o resfriamento necessário, mas também determinam a espessura da chapa e a textura da superfície.[7] Freqüentemente, a coextrusão é usada para aplicar uma ou mais camadas sobre um material de base para obter propriedades específicas, como absorção de UV, textura, resistência à permeação de oxigênio ou reflexão de energia.
Um processo comum de pós-extrusão para folhas de plástico é a termoformação, onde a folha é aquecida até ficar macia (plástico) e formada por meio de um molde em um novo formato. Quando o vácuo é usado, isso é frequentemente descrito como formação de vácuo. A orientação (isto é, capacidade/densidade disponível da folha a ser puxada para o molde, que normalmente pode variar em profundidade de 1 a 36 polegadas) é altamente importante e afeta muito os tempos de ciclo de formação para a maioria dos plásticos.
Extrusão de tubos
Tubos extrudados, como tubos de PVC, são fabricados usando matrizes muito semelhantes às usadas na extrusão de filme soprado. A pressão positiva pode ser aplicada às cavidades internas através do pino, ou a pressão negativa pode ser aplicada ao diâmetro externo usando um medidor a vácuo para garantir as dimensões finais corretas. Lúmens ou furos adicionais podem ser introduzidos adicionando os mandris internos apropriados à matriz.
Uma linha de extrusão médica Boston Matthews
As aplicações de tubos multicamadas também estão sempre presentes na indústria automotiva, na indústria de encanamento e aquecimento e na indústria de embalagens.
Extrusão sobre revestimento
A extrusão de revestimento permite a aplicação de uma camada externa de plástico em um fio ou cabo existente. Este é o processo típico para isolar fios.
Existem dois tipos diferentes de ferramentas de matriz usadas para revestimento de arame, tubulação (ou revestimento) e pressão. Nas ferramentas de encamisamento, o polímero fundido não toca o arame interno até imediatamente antes das bordas da matriz. Nas ferramentas de pressão, o fundido entra em contato com o arame interno muito antes de atingir as bordas da matriz; isso é feito a alta pressão para garantir uma boa adesão do fundido. Se for necessário contato íntimo ou adesão entre a nova camada e o fio existente, ferramentas de pressão serão utilizadas. Se a adesão não for desejada/necessária, serão utilizadas ferramentas de encamisamento.
Coextrusão
Coextrusão é a extrusão de múltiplas camadas de material simultaneamente. Este tipo de extrusão utiliza duas ou mais extrusoras para derreter e fornecer uma produção volumétrica constante de diferentes plásticos viscosos para uma única cabeça de extrusão (matriz) que extrusará os materiais na forma desejada. Esta tecnologia é utilizada em qualquer um dos processos descritos acima (filme soprado, sobrecapa, tubulação, chapa). As espessuras das camadas são controladas pelas velocidades e tamanhos relativos das extrusoras individuais que fornecem os materiais.
Co-extrusão de camada 5:5 de tubo cosmético “squeeze”
Em muitos cenários do mundo real, um único polímero não consegue atender a todas as demandas de uma aplicação. A extrusão composta permite que um material misturado seja extrudado, mas a coextrusão retém os materiais separados como diferentes camadas no produto extrudado, permitindo a colocação apropriada de materiais com propriedades diferentes, como permeabilidade ao oxigênio, resistência, rigidez e resistência ao desgaste.
Revestimento de extrusão
O revestimento por extrusão utiliza um processo de filme soprado ou fundido para revestir uma camada adicional em um rolo existente de papel, folha ou filme. Por exemplo, este processo pode ser utilizado para melhorar as características do papel, revestindo-o com polietileno para torná-lo mais resistente à água. A camada extrudada também pode ser usada como adesivo para unir dois outros materiais. Tetrapak é um exemplo comercial deste processo.
EXTRUSÕES DE COMPOSTOS
A extrusão de composição é um processo que mistura um ou mais polímeros com aditivos para formar compostos plásticos. As rações podem ser pellets, pó e/ou líquidos, mas o produto geralmente está na forma de pellets, para ser usado em outros processos de formação de plástico, como extrusão e moldagem por injeção. Tal como acontece com a extrusão tradicional, há uma ampla variedade de tamanhos de máquinas, dependendo da aplicação e do rendimento desejado. Embora extrusoras de rosca simples ou dupla possam ser usadas na extrusão tradicional, a necessidade de mistura adequada na extrusão de composição torna as extrusoras de rosca dupla praticamente obrigatórias.
TIPOS DE EXTRUSORA
Existem dois subtipos de extrusoras de rosca dupla: co-rotativas e contra-rotativas. Esta nomenclatura refere-se à direção relativa de rotação de cada parafuso em comparação com o outro. No modo co-rotação, ambos os parafusos giram no sentido horário ou anti-horário; na contra-rotação, um parafuso gira no sentido horário enquanto o outro gira no sentido anti-horário. Foi demonstrado que, para uma determinada área de seção transversal e grau de sobreposição (entrelaçamento), a velocidade axial e o grau de mistura são maiores em extrusoras duplas co-rotativas. No entanto, o aumento de pressão é maior em extrusoras contra-rotativas. O design da rosca é comumente modular, pois vários elementos de transporte e mistura são dispostos nos eixos para permitir uma rápida reconfiguração para uma mudança de processo ou substituição de componentes individuais devido a desgaste ou danos corrosivos. Os tamanhos das máquinas variam de 12 mm a 380 mm.
VANTAGENS
Uma grande vantagem da extrusão é que perfis como tubos podem ser feitos em qualquer comprimento. Se o material for suficientemente flexível, os tubos podem ser feitos em comprimentos longos, mesmo enrolados numa bobina. Outra vantagem é a extrusão de tubos com acoplador integrado incluindo vedação de borracha.
Horário da postagem: 25 de fevereiro de 2022
