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Processos de Transformação de Polietilenos

Extrusão

Extrusão é um processo de transformação de termoplásticos. O processo utiliza um equipamento denominado extrusora que é constituído de um cilindro aquecido dentro do qual uma rosca. Este conjunto plastificada a resina.

A extrusora é alimentada com resina através de um funil alimentador situado na seção traseira. A resina é transportada ao longo do cilindro pelo movimento de rotação da rosca.

As resinas são fundidas gradativamente pelo contato com a parede aquecida do cilindro e o calor gerado cisalhamento da massa entre a rosca e o cilindro.

A rosca comprime o polímero através da matriz, que molda o fundido na sua forma final.

O diâmetro externo da rosca é igual ao diâmetro interno do cilindro com a devida folga proporcional ao diâmetro e comprimento da rosca.

Um sistema de aquecimento e resfriamento, composto, geralmente, de quatro ou mais termopares instalados no corpo do cilindro, informa a temperatura do processo.

A rosca á acionada por um conjunto motor – caixa de redução.

A resina já totalmente plastificada é forçada a passar por uma placa perfurada que sustenta um jogo de telas, cuja finalidade é filtrar os eventuais contaminantes da massa fundida e criar uma contrapressão no fluxo que se dirige à matriz.

O dimensionamento do equipamento é padronizado pelo diâmetro interno do cilindro e varia, normalmente, entre 45 a 200 mm. A capacidade de produção é dada, normalmente, por:

Diâmetro da rosca

Tipo de resina a ser processada

Desenho da matriz

Potência do motor

Este processo é comum a vários segmentos da terceira geração petroquímica, como:

Extrusão de filmes

Extrusão de ráfia

Extrusão de monofilamentos

Extrusão de chapas

Extrusão de lâminas

Extrusão de tubos

Extrusão de perfis

Revestimento por extrusão

Moldagem por sopro

Moldagens por injeção

Construção de fios e cabos

Até a matriz ou cabeçote, este processo é semelhante a todos os tipos de transformação mencionados. A matriz é que dá forma, ou molda o termoplástico fundido no produto que se pretende obter.

Motor e caixa de redução
A rosca é acionada por motor elétrico, geralmente de 220, 380 ou 440 volts. A força requerida é de 1 a 2 CV do motor para cada 2,3 a 4,5 kg/h de resina.

Portanto o processo para extrudar 23 a 45 kg/h de resina requer um motor de 10 a 20 CV.

O mais comum é um conjunto de velocidade variáveis formado por um motor com potência, geralmente, 30% maior que a exigida pela extrusora na sua condição mais crítica e um variador de velocidade que pode ser eletromagnético ou mecânico.

A massa plástica extrudada depende da velocidade da rosca. Assim, aumentando-se a velocidade de rotação da rosca, a massa de plástico fundido bombeado pela extrusora é proporcional. Este mecanismo deve proporcional uma velocidade constante que é importantíssima ao processo.

Para se alterar a taxa de bombeamento deve-se ajustar a velocidade da rosca de duas maneiras:

Ajustar a rotação do motor quando este possuir velocidade variável.

Ajustar a rotação do variador quando o motor de velocidade constante for adaptado com este dispositivo.

A velocidade dos motores elétricos é normalmente de 1.750 rpm em ligações diretas com a rosca. As roscas comuns têm suas rotações de 20 a 200 rpm e por esta razão as caixas redutoras são usadas entre o motor e a rosca.

Geralmente, estas caixas redutoras requerem o mínimo de manutenção, como por exemplo, verificação periódica do nível de óleo. A redução de velocidade da rosca é efetuada através de polias e correias, unindo o motor à caixa redutora.

As unidades de conversão proporcionam reduções de velocidade na razão de 8 para 1, ajustando-as na faixa de 20 a 160 rpm.

Para que a velocidade seja mudada num processo de extrusão, é necessários conhecer-se as características físicas da resina e a potência do motor.

Acionamento
Dois são, atualmente, os tipos de acionamento mais usados no processo de extrusão:

Eletromagnético

Corrente continua

Eletromagnético que usa um motor de corrente alternada, velocidade constante e acoplamento magnético. O controle de velocidade é mantido pelo ajuste do campo magnético no acoplamento. Este tipo de acoplamento é pequeno e de baixo custo. Sua grande desvantagem é o seu alto nível de ruído, superando, às vezes, o nível de 80 decibéis que é o máximo tolerado pelo ouvido humano.

Corrente contínua que utiliza um motor de corrente contínua com seu próprio sistema de controle. Requer grande espaço para instalação, é de alto custo, entretanto tem baixo custo por não consumir muita energia elétrica e é eficiente a baixas velocidades.

Conjunto cilindro-rosca
O cilindro e a rosca são construídos em aço especial de alta resistência física à ação da força de cisalhamento e temperatura impostas pelo aquecimento da parede do cilindro e alta resistência química à abrasão do polímero, masterbatches, cargas e aditivos.

O acionamento da rosca, como já mencionado, é obtido por motores elétricos de corrente alternada ou contínua cuja velocidade é modificada por uma caixa de engrenagens redutoras ou variador, respectivamente.

O aquecimento da extrusora é conseguido, na grande maioria dos processos, por resistências elétricas e o controle de temperatura por termopares ou termoelementos inseridos em poços perfurados ao longo do cilindro, monitorando o “liga-desliga” das resistências.

Na seção dianteira do cilindro, é instalada uma placa perfurada que sustenta um conjunto de telas, objetivando filtrar ou impedir a passagem de contaminantes da resina para a matriz e ao mesmo tempo criar uma contrapressão no fluxo de material fundido.

Esta contrapressão melhora a plastificação e homogeneíza a massa de polímero.

Nesta região, termina o processo de extrusão propriamente dito. Daí para a frente, dependendo do tipo de matriz acoplada, outras configurações ou periféricos são colocados.

A capacidade máxima produtiva de uma extrusora é determinada pela:

Seleção do diâmetro da rosca

Seleção de rotação da rosca

Seleção do motor e redutor

Profundidade do canal da rosca na zona de alimentação e dosificação

Seleção do comprimento da rosca

De forma geral, o que determina a capacidade de produção da máquina, na linguagem comum, é o diâmetro interno do cilindro (que é, aproximadamente, igual ao diâmetro da rosca).

Cilindro
Enfatizando, o cilindro, que também é chamado barril ou canhão, é fabricado com aços especiais que resistam à ação corrosiva e abrasiva das resinas termoplásticas. Ele é um tubo onde é instalada uma rosca e deve ser construído com resistência para:

Permitir um acoplamento sem flexão face às pesadas matrizes posicionadas na sua extremidade

Suportar as pressões exercidas pelas resinas processadas

Suportar a contrapressão gerada pelo conjunto placa-filtro e telas

Uma carenagem para isolamento térmico deve ser instalada ao redor do cilindro. Esta carenagem deve, também, possuir contatos apropriados para reduzir ao máximo a perda de calor por convecção do cilindro para a atmosfera. Esta carenagem também serve como segurança, evitando o contato do operador com as resistências elétricas de aquecimento.

A relação comprimento e diâmetro (C/D) são uma característica própria do cilindro, que permite determinar a dimensão da sua superfície interna para uma homogeneização satisfatória do plástico e eficiente transferência de calor.

Esta relação é definida pela distância no cilindro entre a zona traseira sob o funil de alimentação e a placa-filtro dividida pelo diâmetro interno nominal do cilindro.

A relação comprimento-diâmetro normalmente é de 15:1 a 30:1

Maiores relações proporcionam melhor plastificação da resina.

Menores relações são utilizadas em extrusoras adiabáticas.

Sistema de aquecimento e resfriamento do cilindro
Para aquecer o cilindro são resistências elétricas em forma de banda ou braçadeira que se abraçam ao redor do corpo do cilindro.

Conjuntos dessas bandas ou braçadeiras envolvem o cilindro, proporcionando-lhe regiões uniformes de aquecimento. Suas larguras, diâmetros e potências variam de acordo com as exigências do processo.

O cilindro de extrusão deve ter facilidade de resfriamento para que sua temperatura seja controlada rápida e eficientemente. O resfriamento é efetuado na maioria das vezes, com ar de ventoinhas distribuídas ao longo das secções da rosca.

Os sistemas de aquecimento e resfriamento do cilindro são importantes para manter sua temperatura uniforme retirando o calor gerado pelo trabalho mecânico da resina contra a sua parede.

Tipos de sistema de aquecimento:

Resistência elétrica – O tipo amplamente usado, pelo seu baixo custo, fácil limpeza e manutenção e abrange uma grande faixa de temperatura. Esse tipo de sistema requer outro de resfriamento acoplado, para um controle de temperatura apropriado.

Óleo ou vapor – Óleo quente ou vapor é circulado em camisas ou serpentinas helicoidais em torno do cilindro. Tem alto custo de instalação e manutenção. O controle de temperatura é feito separadamente por resistências elétricas imersas no óleo ou vapor. Pouco usado na prática.

Tipos de sistema de resfriamento:

Resfriamento por ar – Consiste de ventoinhas independentes para cada zona da rosca ou uma ventoinha central com controle de fluxo de ar para cada zona.

Resfriamento por líquido – Utiliza água. Este sistema pode ser fechado ou aberto. Neste caso, perde água após seu uso. O calor é dissipado pela circulação da água através de camisa ou serpentina que envolve o corpo do cilindro. É um sistema bem eficiente, porém pouquissimamente usado.

Independentemente destes sistemas de refrigeração, o cilindro sempre é construído com uma região de resfriamento independente para a zona de alimentação da rosca, cuja temperatura deve se manter abaixo da temperatura de fusão da resina.

Rosca
A função da rosca é transportar e gradativamente fundir e homogeneizar a resina, comprimindo-a pela matriz.

Há uma enorme variedade de tipos de rosca, porém o mais comum é a rosca de compreensão e fusão crescente, desenhada com:

1. Passo constante

2. Profundidade do canal maior e constante na de alimentação, diminuindo suavemente ao longo da zona de compressão e mantendo-se constante novamente na zona de dosificação.

As zonas de uma rosca são, fundamentalmente, três:

1. Alimentação

2. Compressão

3. Dosificação

A zona de alimentação objetiva, somente, transportar as resinas, embora as aqueça um pouco. O transporte é realizado do fundo do funil até a zona de compressão. Para um transporte eficiente a resina não deve remanescer nos canais da rosca.

O material deve, desta forma, possuir alto grau de deslizamento com a superfície do canal e um baixo grau de cisalhamento com a parede do cilindro.

O máximo desempenho da zona de alimentação pode ser obtido por:

Canal relativamente profundo, comparando-se com o das outras zonas – sua finalidade é transportar.

Baixo atrito entre ângulos e parede do cilindro – não deve ocorrer fusão da resina.

Ângulo helicoidal adequado, 20° para o PEBD – para intensificar o transporte.

Para otimização do processo, deve-se manter a rosca fria na zona de alimentação e o cilindro aquecido.

Na zona de compressão, transição ou plastificação, a altura do filete vai se reduzindo gradativamente o que provoca o cisalhamento da resina e com a ajuda do aquecimento do cilindro faz com que o polímero se funda. Nesta, os grãos começam a se aquecer e se compactar com pressão que gradualmente vai aumentando.

Na zona de dosificação, dosagem ou bombeamento, o polímero já está todo fundido. O filete tem pequena e constante altura. Sua finalidade é homogeneizar e transportar o material fundido com pressão e vazão uniforme para a matriz.

Em alguns casos, acopla-se uma ponta homogeneizadora na extremidade posterior da rosca para intensificar a plastificação.

O aço para construção da rosca deve ser especial, como o 8550. Pelo fato da rosca ser muito solicitada, um tratamento superficial torna-se imprescindível. Normalmente ela é nitretada, cromada etc. Isto visa minimizar o seu desgaste por corrosão e abrasão.

Ligas de aço como o Xaloy resistem condições mais criticas. Seu único defeito é o ...preço!

Porém, não se deve esquecer da relação custo x beneficio.

Generalidades
“Rosca neutra” é o nome que se dá à rosca sem refrigeração interna.

A rosca pode ser perfurada no seu sentido longitudinal, permitindo resfriamento interno. Neste caso, ela é denominada “roca controlada”.

Quando a rosca tem a distancia entre os filetes igual ao seu diâmetro externo, ela é chamada “rosca quadrada”.

Razão de compressão de uma rosca é a relação da altura do filete da zona de alimentação e a altura do filete da zona de dosificação.

Funil de alimentação
A grande maioria dos transformadores emprega um funil simples de alimentação, onde a resina é colocada manualmente e por gravidade mantém o cilindro alimentado.

No entanto, alimentadores automáticos ou outros sistemas mais sofisticados, como silo, permitem o controle de nível do funil com maior facilidade e rapidez. Com o alimentador automático, um succionador leva a resina de sua embalagem original para o funil sem a necessidade da presença contínua do operador.

A zona de alimentação é isolada da área de aquecimento do cilindro, pois ela deve ser mantida fria. Para tanto, há um sistema de refrigeração com água individual para esta seção.

Se área logo abaixo do funil não se mantiver com temperatura menor que a temperatura de fusão do polímero, este poderá se fundir indevidamente, formando uma “ponte” que impedirá os grânulos fluírem para a zona de alimentação da rosca.

Placa-filtro e conjunto de telas
A placa-filtro é um disco de aço com orifícios, geralmente, de diâmetro entre 3 a 5 mm e fica instalado num rebaixo da parede interna do cilindro entre a ponta da rosca e o adaptador.

Os orifícios devem ser aerodinâmicos para a livre fluidez de resina através da placa. Menor o diâmetro dos orifícios, melhor a funcionalidade da placa.

A placa sustenta as telas de malhas diferentes. As de malha mais aberta como 20 e 40 “mesh”, apóiam as de malha mais fechada, como 80 a 120 “mesh”. Aliás, as telas mais abertas só servem para apoio das mais fechadas e não para filtrar, propriamente dito.

Uma só tela do tipo “brush heap”, com uma trança toda especial substitui um conjunto de telas padrões. O que facilita a troca, porém tem maior custo que a tela convencional. Sua utilização precisa de um estudo econômico para se conhecer a sua relação custo x beneficio.

Existem troca-telas mais avançados que agilizam o tempo de interrupção da troca. Um troca-tela tipo gaveta ou de fita é muito eficaz, mas...caro!

As telas se saturam de impregnantes indesejáveis que provocam aumento de pressão no cilindro e redução de velocidade do extrudado. Quando isso acontece, é necessário parar a máquina e trocar o conjunto de telas. A parada do processo para a troca de telas acarreta, evidentemente, perda de produtividade. Por isso, acessórios mais sofisticados são interessantes, justamente para reduzir este preciso tempo.

As funções básicas da placa-filtro são:

Auxiliar o aumento de contrapressão da massa polimérica

Transformar o fluxo turbulento do extrudado em fluxo laminar

Segurar impurezas

O projeto e construção da placa requerem precisão, para serem evitados “pontos mortos”, que são espaços que retêm o plástico fundido e degradam ou contaminam o processo ou o produto.

Conjunto de telas mais freqüentemente usados na extrusão do PEBD
Índice de fluidez ( g/10m )
“Mesh”
0,3 a 0,7
30-60-80-30

1,0 a 2,0
30-60-100-30

2,5 a 3,0
30-80-120-40

“Mesh” é o número de aberturas por polegada quadrada.

Controle do processo
Toda extrusora tem uma instrumentação própria, que facilita ao máximo sua operação e manutenção. Um painel de controle mais simples possível é configurado com:

Chaves e botões de partida e parada

Tacômetro para indicação da rotação da rosca

Amperímetro do motor de acionamento

Indicadores e controladores de temperatura

Contatores

Potenciômetros

Voltímetro

Lâmpadas indicadoras do funcionamento do processo

Cada zona possui um amperímetro individual que indica se o termopar, resistência elétrica ou os instrumentos estão operando normalmente.

Equipamentos de tecnologia mais avançada podem possuir, também:

CLP – Controlador Lógico Programável

SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído (ou Distância)

“Este último encontra campo junto aos processos que contribuem para controlar e otimizar as paredes dos filmes. Assim melhora-se a relação do binômio transformador/usuário através do trinômio custo / beneficio / desempenho.

O SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído (ou Distância) consiste em um sistema computadorizado que recebe um “input” das características da matéria-prima a ser utilizada e do filme que se pretende produzir. A seguir, se estabelecem as condições ideais de processamento e, também, monitora-se o equipamento para obter o perfil ideal traçado de temperatura, regulagem de espessura, velocidade de arraste, vazão de ar refilagem do filme (acerto da largura da bobina).”

Matéria publicada no Jornal de Plásticos em setembro de 1994.

Um indicador de pressão da massa é instalada no corpo do cilindro, antes da placa-filtro e é muito útil. Ele indicará se as telas estão saturadas ou se há variação na tempetura de massa. Poderá até ser um sinalizador de problemas, desligar o motor da extrusora, quando houver aumento indevido de pressão.

Um indicador de temperatura da massa opcionalmente instalado no adaptador, com sua ponta imersa na massa do extrudado indica se o controle exercido pelo sistema de aquecimento está operando satisfatoriamente.

Adaptador
O adaptador é uma conexão do cilindro com a matriz. Seu desenho muda com o processo no qual se adapta. Pode ser um simples tubo reto, usado na extrusão de filme. Uma cruzeta, usada no revestimento por extrusão ou construção de fios e cabos.

Como na placa-filtro, ele precisa ser projetado com linhas aerodinâmicas para dar continuidade ao tipo de fluxo do material efluente da placa e não apresentar nenhum “ponto morto”.

Equipamento de resfriamento e arraste
A ergonomia convenciona que o centro da matriz esteja a 1.050 mm de altura do solo. Assim uma pessoa de porte médio não terá dificuldades em efetuar qualquer tipo de manutenção nesta região.

O equipamento de resfriamento e arraste deve estar alinhado diretamente à frente da matriz. Qualquer distorção no alinhamento provocaria defeito no produto.

Este equipamento é móvel e de altura ajustável. Possui roldanas na sua base ou é montado sobre trilhos para ser movido quando da troca de matriz ou conjunto de telas.

Resfriamento
Dependendo da qualidade exigida no produto final, um controle apurado de temperatura do sistema de resfriamento é importante. Como geralmente o sistema usa água, o controle de temperatura da mesma precisa ser realizado com atenção.

Normalmente, utiliza-se um sistema de circuito de troca térmica fechado com torres de resfriamento e geladeiras, que mantêm a temperatura uniforme.

Arraste
A velocidade de arraste do produto emergente da matriz precisa estar sintonizado à velocidade de rotação da rosca.

Esta relação determina a espessura!

Qualquer desvio nesta relação implicará mudanças indesejáveis na espessura e conseqüentemente, prejudicará a qualidade do produto.

O equipamento possui tacômetro para visualização e correção rápida da velocidade, pelo operador.

Operação do equipamento
A mudança nas condições de operação exige paciência!

Qualquer alteração numa condição, por exemplo temperatura de uma zona, é obtida com um mínimo de tempo, que não pode ser diminuído, pois a massa de metal que está sendo controlada é muito grande.

Como partir?
Iniciar a operação de uma extrusora depende do processo, do produto e como se encontra o equipamento. Alguns aspectos são comuns para todos os tipos de processo. Haverá diferença se, por exemplo, a máquina estiver com carga ou não, e se ela estiver aquecida ou não.

Supondo-se que a extrusora esteja vazia, aquecida e limpa:

É importante que o cilindro e a matriz estejam aquecidos adequadamente, isto é, com temperatura apropriada à transformação da resina. Um tempo de aquecimento maior que o previsto é necessário.

O aumento de velocidade pode ser feito gradualmente, logo após a partida. A velocidade de rotação da rosca e do arraste é aumentada conjuntamente a taxas normais de operação, para se dar continuidade ao tipo de produto. Pensar na espessura.

Se somente a velocidade de rotação da rosca for aumentada, a parede do produto será grossa. Se somente a velocidade do arraste for aumentada a parede do produto será fina. E aí?

Como mudar as condições?
Mudar as condições de operação de uma extrusora requer mais atenção que normalmente lhe é dada.

Aumento de velocidade de rotação da rosca, aumento a produção, mas, também, aumentará a temperatura do extrudado.

Um ajuste no perfil de temperatura do cilindro ou matriz é iniciado, somente com um “girar de botão”, porém a mudança de temperatura não é tão rápida assim.

Impaciência pode causar a alteração de outras condições, uma após a outra, se não se esperar o resultado da primeira alteração que se efetuou.

Agindo-se impacientemente, não se pode esperar que uma relação de causa e efeito ocorra totalmente.

Como regra geral, resultados significativos são conseguidos, quando as mudanças das condições de processo são realizadas com grandes intervalos de tempo!

Cuidados nas paradas e seus resultados
Geralmente, a parada do equipamento é bem simples. O fluxo de material do funil para a zona de alimentação é interrompido, mas a rotação da rosca continua igual até que não haja mais fluxo de resina na matriz, quando a rosca é parada. Isto é “bombeamento com rosca a seco”.

No mesmo momento, a alimentação é interrompida e as resistências elétricas do cilindro e da matriz são desligadas. A resina remanescente no cilindro se resfria com relativa rapidez e assim diminui-se a possibilidade de ocorrer degradação por exposição a aquecimento prolongado.

Quando o perfil de temperatura está alto, o procedimento anterior não é apropriado. Deve-se deixar a resina sair totalmente do cilindro enquanto se abaixa a temperatura.

A parada logo após o “bombeamento a seco” gera oxidação da resina pelo ar que remanesce dentro do cilindro.

A oxidação ou queima da resina pode causar a formação de géis que se depositarão no lábio da matriz, provocando defeitos no produto e sua limpeza implicará perda de tempo.

Como se limpa a extrusora?
Limpeza é sempre desagradável, difícil e onerosa. Porém...se ela for programada, passa a ser mais fácil e diminui seu tempo de operação. Indesejável, é sempre.

A limpeza deve ser sempre planejada, dentro do possível.

Após extrusão de uma resina pigmentada, pode se programar uma manutenção preventiva dos equipamentos par, desta forma, se limpar o processo.

Quando se extruda uma resina que não se funde totalmente ou não flui normalmente, se torna necessária à remoção da rosca, placa-filtro e desmonte da matriz.

Aumento de rotação da rosca pode auxiliar na limpeza. Logo após girar a rosca ao máximo, desligar a máquina.

E quanto à segurança?
Segurança em primeiro lugar! Esta é uma das frases que mais prêmios ganhou nos concursos da C.I.P.A.(Comissão Interna de Prevenção de Acidentes).

Mas é verdade! O extrusor precisa ser instruído a respeito dos perigos apresentados por uma extrusora e seus acessórios.

Proteções das partes mecânicas, elétricas e aquecidas devem estar sempre instaladas no seu devido lugar.

Os protetores de polias e correias são importantes para prevenir acidentes.

Os painéis elétricos devem ter suas portas fechadas.

A proteção externa do cilindro evita contatos do extrusor com o corpo aquecido do cilindro e suas resistências elétricas.

Os rolos de arraste precisam ser equipados com botões de segurança para partida e parada rápida.

Os equipamentos de corte, granulação, soldagem etc são usualmente bem protegidos para prevenir contatos com superfícies cortantes ou inseguras.

As ferramentas devem ficar longe do funil da extrusora, quando em operação.

Usar os E.P.I’s (Equipamento de Proteção Individual) recomendados pelo Departamento de Segurança ou C.I.P.A.. Não esquecer que o protetor auricular é um E.P.I.

Instituto Avançado do Plástico

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