O setor de Engenharia de Plásticos é um dos que mais cresce segundo dados da Associação Brasileira da Indústria do Plástico (ABIPLAST). No Brasil existem cerca de 11500 empresas que operam no setor de plásticos, mas a tendência é que esses números aumentem ainda mais com o crescimento de áreas como construção civil, embalagens, automobilística, alimentos, calçados, cosméticos e agricultura, aponta o professor Msc. José Mauro Diniz Oliveira das Faculdades Oswaldo Cruz (FOC). Assim, de acordo com a importância do setor, veremos hoje algumas dicas de processamento de polímeros, mais especificamente termoplásticos com elevada temperatura de fusão.
Polímeros podem ser amorfos ou semicristalinos, o que afeta diretamente a forma com que serão processados. Polímeros amorfos não apresentam temperatura de fusão, mas sim de transição vítrea, acima da qual o polímero amolece, deixando de ser quebradiço e rígido e tornando-se fluido, processável. Já os semicristalinos apresentam em sua estrutura alguns cristais cujo percentual depende, entre outros fatores, da composição do polímero e das condições de síntese. Essas fases cristalinas apresentam uma temperatura de fusão, acima da qual passam do estado sólido para o líquido viscoso. Considerando suas características, polímeros amorfos devem ser processados no mínimo a 100°C acima da suas transições vítreas, enquanto semicristalinos, 25°C acima da fusão, já que o fenômeno ocorre a temperaturas superiores à transição vítrea, de forma que a fase amorfa do polímero semicristalino já encontra-se fluida na temperatura em que os cristais fundem. A temperatura de fusão nos polímeros representa o rompimento de ligações secundárias entre as cadeias, enquanto que o rompimento de ligações covalentes primárias caracteriza a decomposição do mesmo. Como as ligações covalentes são mais fortes do que as secundárias, mais energia térmica precisa ser fornecida para quebrá-las. No entanto, se um polímero possui ligações secundárias fortes, provocadas por exemplo por pontes de hidrogênio, sua temperatura de fusão é elevada, mas sua temperatura de degradação continua similar, por ainda se tratarem de ligações covalentes. Dessa forma, esses polímeros com alta temperatura de fusão podem ter um sério problema durante o processamento, a pequena janela de processo. O fato de a fusão acontecer em temperaturas elevadas faz com que ela esteja muito próxima da degradação do polímero, exigindo que o controle da temperatura durante o processamento seja mais rígido para mantê-la sempre dentro do intervalo entre os dois fenômenos, o que pode não ser possível ou viável. Além disso, ainda que esteja abaixo da temperatura de degradação, uma vez fundido o polímero já começa a sofrer certa degradação, a qual aumenta com a temperatura em que este se encontra. Sabendo disso, veremos algumas maneiras de manter a temperatura de processamento de polímeros mais baixa o possível, ampliando a janela de processo e diminuindo a degradação e o gasto energético durante o processamento desses materiais.
Diminuir a viscosidade do polímero
Polímeros no estado líquido são bastante viscosos devido a suas longas cadeias, sendo esta propriedade, portanto, dependente do grade da resina comprada. A elevada viscosidade desses materiais desencadeia um fenômeno conhecido como aquecimento viscoso. Basicamente, quando um polímero é deformado a taxas bastante elevadas como as presentes nos processos de extrusão e injeção, parte da energia fornecida para gerar a deformação é convertida em calor devido à fricção interna entre as cadeias do polímero. Uma vez que esses geralmente têm baixa condução térmica, isso desencadeia um grande aumento na temperatura do material, que é proporcional à viscosidade que ele possui. Assim, para manter a temperatura de processamento desses polímeros de alta viscosidade sobre controle e evitar degradação, a janela de processo é ainda mais apertada. Uma solução, nesse caso, é comprar resinas com um peso molecular menor, o que vai causar um decréscimo em algumas propriedades, como a resistência mecânica. No entanto, o peso molecular tem uma influência muito mais significativa na viscosidade (e portanto no processamento) do que nas propriedades do material, podendo ser uma boa troca, já que o aquecimento viscoso não é relevante para polímeros de baixa viscosidade.
Configuração da rosca (processo de extrusão)
Essa parte fundamental da extrusora deve ser desenvolvida para gerar as forças necessárias ao processo de extrusão, e não maiores, já que isso provocaria uma geração excessiva de calor no material.
Diminuir velocidade da rosca (processo de extrusão)
Em alguns tipos de extrusora a taxa de alimentação e a velocidade da rosca são independentes. Nesse caso, é possível diminuir a velocidade da rosca mantendo a taxa de alimentação, o que culmina em uma menor energia mecânica fornecida ao polímero por unidade de massa e, com isso, menor produção de calor.
Diminuir taxa de alimentação (processo de extrusão)
Diminuir a taxa de alimentação é algo que deve ser evitado, já que diminuirá a produtividade do processo. No entanto, às vezes os passos acima podem não ser suficientes para diminuir a temperatura de fusão para o grau desejado, e produzir toneladas e toneladas de um produto fora das conformidades pode ser ainda mais prejudicial à empresa do que tornar o processo um pouco mais demorado.
Uso de plastificantes
Há diferentes modelos que explicam a ação dessas substâncias sobre os polímeros. Elas podem agir como lubrificantes, diminuindo o atrito intermolecular existente entre as cadeias poliméricas e facilitando o movimento das mesmas umas sobre as outras (lubrificação interna). Ou, além disso, podem se posicionar entre as cadeias poliméricas e com isso aumentar a distância entre elas, atenuando a força das ligações secundárias. Como consequência do movimento mais facilitado das cadeias, há uma diminuição na temperatura de fusão e, com isso, também na temperatura de processamento.
Fontes:
High Temperature Plastics: How to Well Control Melt Temperature;
SYRJALA, S.; AHO, Johanna. Evaluation of the effect of viscous heating in capillary rheometry of polymer melts. ANNUAL TRANSACTIONS-NORDIC RHEOLOGY SOCIETY, v. 15, p. 99, 2007;
MADALENO, Emerson et al. Estudo do uso de plastificantes de fontes renovável em composições de PVC. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 19, n. 4, p. 263-270, 2009;
BUECHE, A. M. Melting Temperature and Polymer—Solvent Interaction: Polychlorotrifluoroethylene. Journal of the American Chemical Society, v. 74, n. 1, p. 65-67, 1952;
Empregabilidade no Setor de Tecnologia em Plásticos (Polímeros).