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A extrusão é um processo industrial que transforma polímeros e outros materiais em formas definidas, como tubos e tubulações para aplicações tão diversas quanto peças de automóveis e brinquedos. É estudado em pequena escala antes do projeto de máquinas industriais. Os materiais comuns para extrusão são poliolefinas, polietileno e copolímeros. Durante a extrusão, o material plástico térmico, conhecido como alimentação sólida, é transportado, misturado e derretido. A substância é passada por um molde conhecido como matriz, após o qual esfria e retoma as propriedades não flexíveis. Extrusoras de laboratório simples podem ser usadas para investigar vários parâmetros que afetam a produção de polímeros usando um modelo de lei de potência. Além disso, podem ser estabelecidas relações entre as condições operacionais e os desvios do comportamento teórico, bem como a forma do extrudado. Este vídeo ilustrará como funciona uma extrusora, como operá-la e como usar o modelo de lei de potência para avaliar o processo.
A extrusora é composta por uma tremonha, que alimenta os grânulos de polímero, um barril, composto por uma câmara cilíndrica com elementos de aquecimento resistivos para controlar as diferentes zonas de temperatura, e uma rosca helicoidal que gira em torno da linha central. Os canais do parafuso são mais largos no alimentador para promover a mistura e o derretimento. No entanto, os canais tornam-se cada vez mais estreitos e rasos ao longo do comprimento do parafuso. A rosca é projetada para garantir o transporte constante do alimentador, ao mesmo tempo em que leva em conta a redução no volume, acúmulo e pressão à medida que a ração derrete. O comportamento de um polímero fundido depende da temperatura, pressão e viscosidade, que é a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento. Para a maioria dos polímeros, a viscosidade diminui com a temperatura e a taxa de cisalhamento, tornando-os fluidos não newtonianos. Especificamente, os polímeros fundidos são geralmente viscoelásticos e seu fluxo é descrito por um modelo de lei de potência. A lei de potência contém duas constantes empíricas. M é o módulo de viscosidade e fortemente dependente da temperatura. E n também pode variar com a temperatura. As constantes da lei de potência podem ser calculadas a partir da vazão volumétrica, pressão e geometria. A vazão é estabelecida pesando a saída da matriz em dois intervalos de tempo. Agora que você sabe como funciona uma extrusora, vamos aplicar o modelo da lei de potência em um experimento real.
O material termoplástico utilizado neste experimento é um copolímero de polietileno de alta densidade, que contém elos de etileno e uma olefina de cadeia longa. Para começar, ligue o escapamento. Pegue os pellets de polímero e encha a tremonha da extrusora. Certifique-se de que o interruptor do motor esteja desligado e, em seguida, ligue o interruptor principal. As configurações de temperatura devem ser ajustadas ao material em uso. Defina a temperatura da zona um para cerca de cinco a 20 graus Celsius acima do ponto de fusão do polímero, que é de aproximadamente 200 graus Celsius. Defina a temperatura da zona três, que é a temperatura da matriz cilíndrica, entre 220 e 250 graus Celsius. Por fim, defina a temperatura da zona dois para ficar entre as zonas um e três. Verifique a temperatura de todas as zonas aquecidas para ver se atingiram o ponto de ajuste desejado. Uma vez atingidos os pontos de ajuste, aguarde no mínimo uma hora, uma fase chamada heat-soak. A absorção térmica garante a fusão de qualquer polímero sólido residual, que de outra forma pode exercer pressão excessivamente alta sobre a matriz, resultando em fluxos instáveis.
Ligue o motor. Defina a velocidade desejada usando o interruptor começando com RPM baixo. E aumente gradualmente a velocidade à medida que o polímero é visto saindo da matriz até que a velocidade mais baixa desejada seja atingida. Não exceda a pressão da matriz de 3,000 psi. Execute a extrusora por 10 minutos após atingir a velocidade desejada. Verifique periodicamente a tremonha para garantir que ela tenha pellets de resina suficientes. Pesar previamente as panelas a utilizar para a recolha de amostras. Coloque luvas de segurança. Usando uma tesoura, corte cuidadosamente o extrudado muito quente em uma panela pré-pesada e pese a massa de polímero que foi extrudada entre os intervalos de tempo medidos para calcular a taxa de fluxo. Meça o diâmetro da fita extrudada com um micrômetro. Usando o controlador de velocidade, ajuste o ponto de ajuste para uma nova configuração e aguarde 10 minutos. Colete amostras e dados conforme realizado anteriormente. Para obter o conjunto de dados em diferentes temperaturas, diminua a velocidade e use os controladores de temperatura para ajustar o ponto de ajuste das zonas. Aguarde 15 minutos antes de coletar as amostras.
Desligue o interruptor do motor da extrusora e o interruptor principal. Usando a taxa de massa e a densidade de fusão do polímero, calcule a taxa de fluxo volumétrico, Q. Use a lei de potência para determinar o módulo de viscosidade, m, e o índice de lei de potência, n, que melhor caracteriza o material em uma determinada temperatura da matriz. O eixo entre essas duas equações é o equilíbrio de momento, que relaciona a tensão de cisalhamento com a queda de pressão no barril. Combine essas três equações em uma equação diferencial que pode ser resolvida para produzir vazão volumétrica. Linearize essa equação e use regressão linear e não linear para encontrar m e n e comparar os resultados. Agora, vamos analisar os dados e examinar o quão bem eles são ajustados pelo modelo da lei de potência e se são consistentes com o modelo.
A regressão linear ao modelo da lei de potência é vista neste gráfico, que descreve a relação entre a pressão, P, e a taxa de fluxo, Q. O coeficiente de determinação mostra um bom ajuste. O índice de lei de potência, n, e o módulo de viscosidade, m, indicam que se trata de um pseudoplástico, ou seja, à medida que a taxa de cisalhamento aumenta, a viscosidade diminui. É mais de 10 milhões de vezes mais viscoso que a água à temperatura ambiente e 10.000 vezes mais viscoso que a glicerina. A taxa de fluxo pareceu ter algum efeito ligeiro na taxa de inchaço da matriz, mas não no deslizamento do polímero. Em resumo, mostra que o modelo da lei de potência, em conjunto com a equação do momento, descreve adequadamente o fluxo desse fluido não newtoniano, indicando as mudanças de fluxo e viscosidade em resposta à velocidade e temperatura do parafuso.
Existe uma variedade de técnicas de extrusão que são usadas tanto em processos de habilidades industriais quanto em pesquisas de bancada para criar vários tipos de produtos, desde tubos e plásticos até biomateriais. As extrusoras convertem polímeros em formas simples. Eles também podem misturar aditivos não poliméricos à mistura de polímeros. Os aditivos são adicionados para modificar as propriedades mecânicas do produto final, muitas vezes conferindo mais tenacidade. Exemplos incluem plastificantes, antioxidantes e retardadores de chama. Aditivos inorgânicos, como talco ou carbono, são de uso limitado porque não derretem. A extrusão também é a base para a impressão 3D, um processo no qual uma tinta termoplástica sai de um bico e é depositada em uma superfície em várias camadas para criar um material tridimensional. Essa técnica versátil está sendo explorada em aplicações de bioengenharia para bioimprimir construções celulares específicas de tecidos. Outro uso importante para extrusoras é alimentar produtos em um molde de injeção, que força o material em uma cavidade do molde usando pressão. É semelhante à fundição sob pressão. Este processo cria produtos mais especializados e, portanto, é limitado em sua gama de aplicações. Além de tubulações, tubos e materiais de embalagem, a extrusão também é comumente usada para processamento de alimentos. Produtos, como pães, massas, confeitarias, cereais ou alimentos para animais de estimação, são extrudados em grandes quantidades. Produtos com alto teor de amido são comumente processados na extrusão de alimentos devido aos seus perfis de umidade e viscosidade.
Você acabou de assistir à introdução da JoVE à extrusão de polímeros. Agora você deve entender o processo de extrusão, como o fluxo, a velocidade e a temperatura podem afetar o processo e como aplicar o modelo da lei de potência para avaliá-lo. Obrigado por assistir.
