COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 175882

Processo de injeção de polímeros utilizando aditivos e cargas Jorge Luís Marques Garcia Júlio César Pestana

Palestra apresentada no empresa Soil Industria e Comércio de Aquecedor Solar S/A, 2018, Birigui.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Processo de injeção de polímeros utilizando aditivos e cargas

Jorge Luís Marques Garcia

Júlio César Pestana

Público alvo

Operadores,

líderes,

encarregados e

supervisores de fábrica.

Objetivo

Estimular o interesse do participante a

desenvolver-se nesta área, por meio do

conhecimento básico de materiais plásticos

e noções sobre o processo de injeção de

plásticos.

Conscientizar os participantes, a utilizar de

forma adequada o equipamento, molde

material.

Conteúdo Programático

Introdução;

1 - Plásticos em geral;

2 - Processamento;

3 - Características do processamento;

4 - Utilização de aditivos e cargas;

5 - Segurança das máquinas injetoras; 6 - Fundamentos da injeção;

7 - Processo de injeção;

8 - Ciclo de Injeção;

9 - Guia de Problemas e Soluções;

10 – Bibliografia.

1 - Plásticos em geral

Os plásticos fazem parte da família dos

polímeros que são formados por

macromoléculas caracterizadas pela

repetição múltipla de uma ou mais unidades

químicas simples, os monômeros, sendo

unidas entre si por reações químicas

chamadas de reações de polimerização.

Termoplásticos

Os termoplásticos possuem a propriedade de tornarem-se moles e pastosos durante a ação contínua do calor, endurecendo somente com o resfriamento. Desta forma, pode-se reaproveitar o material quantas vezes forem necessárias, dependendo de três fatores:

Qualidade do produto;

Condições de processamento;

Tipo de material.

Termoplásticos

À medida que processamos e reciclamos o

material plástico, nota-se a diminuição nos

valores de suas propriedades físicas,

mecânicas e químicas, deixando o produto

final com qualidade inferior ao que foi

processado com material virgem.

Classificação

Devido a grande variedade de materiais poliméricos

existentes, torna-se necessário selecioná-los em

grupos que possuam características comuns.

Portanto, iremos dividir apenas em dois grupos, a

saber:

Os termoplásticos e os termofixos.

Porém, apenas os termoplásticos serão objetos de

estudo neste curso.

Termoplásticos

Os termoplásticos são classificados em

homopolímeros, copolímeros e blendas, e, de

acordo com a sua estrutura, poderão ser

amorfos ou cristalinos.

Homopolímero

É obtido a partir de um só tipo de monômero.

Ex.: Polietileno, Polipropileno, Poliestireno,

PVC, Poliacetal, etc.

Copolímero

É obtido a partir de dois monômeros diferentes.

Ex: SAN, EVA, PP Copolímero (Propileno +

Etileno), Poliacetal copolímero, etc.

Blenda

Resulta da mistura entre dois polímeros

diferentes; trata-se de uma mistura física e não

química.

Ex: NORYL (PPO + PS), XENOY (PC + PBT),

TERMALOY (ABS + PC), ETC.

Blenda

Polímero A

Polímero

Blenda

B

A B

Termoplásticos

De acordo com o arranjo molecular, os

termoplásticos podem ser divididos em

AMORFOS e CRISTALINOS.

Amorfos

São materiais plásticos onde as diversas

macromoléculas estão dispostas

desordenadamente. As distâncias entre as

moléculas e as cadeias são irregulares criando

espaços vazios, que permitem a passagem de

luz dando impressão de transparência.

Amorfos

Ex: Polimetacrilato de metila (Acrílico),

Policarbonato, Poliestireno Cristal e SAN.

A incorporação de aditivos, elastômeros ou cargas

retiram a transparência de alguns polímeros

amorfos; temos como exemplo o PSAI, ABS e o

PVC.

Cristalinos

Têm como característica o arranjo ordenado de

suas moléculas que impedem a passagem da luz,

dando a impressão de material opaco ou branco.

Ex: Polietileno, Polipropileno, Poliacetal, PA (6 e

6.6), PBT e PET (que são Poliésteres).

2 – Processamento - Conceito

Moldagem por injeção é um processo cíclico de

transformação de termoplásticos, é uma

adaptação do processo de fundição de metais e

abrange as seguintes etapas:

Aquecimento e fusão da resina;

Homogeneização do material fundido;

Injeção do extrudado no interior da cavidade

do molde;

Resfriamento e solidificação do material na

cavidade.

Processamento - Conceito

A resina deverá ser isenta de umidade e

colocada no funil de alimentação, o qual deve

estar constantemente tampado para evitar

poeira.

As peças injetadas são separadas do canal de

injeção e inspecionadas pelo operador

enquanto se inicia outro ciclo.

Os canais de injeção são moídos e retornados

ao processo numa proporção preestabelecida.

3 - Características de processamento

Para se efetuar o processamento adequado de um

material é necessário conhecer algumas propriedades

como veremos a seguir:

Fluidez

Fluidez é o grau de facilidade com que o material

plástico escoa no interior do cilindro de plastificação e

preenche as cavidades do molde.

Para cada processo existe uma faixa de fluidez

adequada.

O processo de injeção utiliza-se de uma faixa de índice

de fluidez que vai desde 2 g/10 min. a 30 g/10 min.

Plastômetro

Viscosidade

Viscosidade é o grau de dificuldade com que o material

plástico escoa no interior do cilindro de plastificação e

preenche as cavidades do molde.

Podemos concluir que, quando a fluidez é alta, a

viscosidade é baixa; e quando a viscosidade é alta, a

fluidez é baixa, de onde se conclui que, uma é o inverso

da outra.

Temperatura de processamento

É a diferença entre a temperatura de

amolecimento e a temperatura de degradação

do material plástico.

Para se regular uma injetora, é necessário

conhecer a temperatura de processamento do

material que será injetado, pois cada material

possui uma temperatura de processamento

específica e adequada ao seu processamento.

Temperatura de amolecimento

Temperatura de processamento

Temperatura de degradação

Material sólido Material pastoso Material degradado

Contração

É a diferença entre as dimensões do produto acabado e

as dimensões da cavidade do molde, cujo valor é dado

em porcentagem (%).

No projeto do molde, bem como na sua construção,

deve-se sempre levar em conta a contração do material

especificado para o produto.

A contração é uma propriedade diretamente relacionada

às dimensões do produto, portanto, em peças cujas

tolerâncias sejam muito pequenas (décimos, centésimos

ou milésimos de milímetro), além da contração do

material, o regulador ou preparador de máquina deverá

possuir conhecimento do equipamento e dos parâmetros

de processo que influenciam nesta propriedade.

Fatores que influenciam na

contração

A matéria-prima

Em relação à matéria-prima, os materiais cristalinos

contraem mais que os amorfos, mas também sofrem

a interferência das cargas que, quando incorporadas,

reduzem a contração em função do porcentual

utilizado.

As cargas normalmente utilizadas são: o talco, o

carbonato de cálcio e a fibra de vidro, que podem

fazer com que um material possa contrair até menos

do que alguns materiais amorfos, mas tudo

dependerá do percentual de carga utilizado.

Fatores que influenciam na

contração

O processo

Alguns parâmetros de injeção têm influência direta na

contração, ou seja:

Quanto maior a pressão de injeção, menor será a

contração;

Quanto maior o tempo de injeção e resfriamento,

menor será a contração;

Quanto maior a temperatura do material, maior será a

contração.

Fatores que influenciam na

contração

Moldes de injeção

A refrigeração do molde é o item que tem mais

influência na contração, como também a espessura

de parede e o ponto de injeção da peça.

A temperatura do molde deve ser controlada e

ajustada adequadamente a cada tipo de material.

Em relação à contração pode-se dizer que:

Quanto maior a temperatura do molde, maior

será a contração;

Quanto maior a espessura da parede da peça

(mais massa), maior será a contração;

Quanto maior o ponto de injeção (“gate”),

menor será a contração.

Higroscopicidade

É a capacidade que um material tem para absorver

água.

Ao se processar um material com umidade, este

formará vapores no interior do cilindro de injeção

(“canhão”), podendo apresentar manchas, bolhas,

estrias esbranquiçadas, prejudicando a qualidade do

produto. Em alguns materiais poderá haver perda das

propriedades elétricas, mecânicas e químicas,

inviabilizando a fabricação de produtos que

dependam dessas características.

Higroscopicidade

Para alguns casos a umidade não permite o

processamento do material; este é o caso da PA (nylon)

e do PET, portanto, há a necessidade de estufar alguns

materiais, caso eles não tenham sido estufados pelo

fornecedor, ou no caso de material reciclado.

Alguns fatores fazem variar o tempo e a temperatura de

estufagem:

A posição geográfica da empresa;

O tipo de estufa utilizada;

Calibração do pirômetro;

O tipo da matéria-prima.

Tabela de processamento de

matéria-prima

Material Classificação Contração

(%) Temp. de

Processo (C) Secagem (C / h)

PEAD Cristalino 2 a 4 170 a 280 -

PEBD Cristalino 1,5 a 3 160 a 250 -

PP Cristalino 1 a 3 180 a 260 -

PS Amorfo 0,4 a 0,6 180 a 230 -

PSAI Amorfo 0,4 a 0,7 180 a 250 -

SAN Amorfo 0,4 a 0,7 190 a 260 80 / 3

ABS Amorfo 0,4 a 0,8 190 a 250 80 / 3

PVC Amorfo 0,3 e 2 130 a 200 -

PA Cristalino 1,5 e 4 210 a 290 80 / 4

POM Cristalino 2 a 3 180 a 230 80 / 2

Tabela de processamento de

matéria-prima

Material Classificação Contração

(%) Temp. de

Processo (C) Secagem (C / h)

PC Amorfo 0,4 a 0,8 250 a 320 120 / 5

PMMA Amorfo 0,2 a 0,8 180 a 260 90 / 5

CA Amorfo 0,3 a 0,7 170 a 250 80 / 2

PET Cristalino 1 a 2 250 a 290 140 / 5

PBT Cristalino 1,5 a 2 230 a 270 120 / 4

EVA Cristalino 0,8 a 2,2 130 a 240 -

PU Cristalino 0,8 a 1,5 180 a 250 110 / 2

Densidade

É a quantidade de massa existente em um determinado volume à temperatura t, expressa em quilograma por metro cúbico, grama por centímetro cúbico ou grama por milímetro cúbico.

Tabela de densidade

Materiais Plásticos Densidade (g/cm3)

Polietileno de Alta Densidade (PEAD) 0,96

Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) 0,92

Polipropileno (PP) 0,90

Poliestireno Cristal (PS) 1,04

Poliestireno de Alto Impacto (PSAI) 1,05

Estireno Acrilonitrila (SAN) 1,10

Acrilonitrila -Butadieno – Estireno (ABS) 1,10

Policloreto de Vinila (Plastificado) (PVC) 1,20

Policloreto de Vinila (Rígido) (PVC) 1,40

Poliamida (Nylon) (PA) 1,15

Tabela de densidade

Materiais Plásticos Densidade (g/cm3)

Poliacetal (Homopolímero) (POM) 1,42

Poliacetal (Copolímero) (POM) 1,41

Policarbonato (PC) 1,20

Acetato de Celulose (CA) 1,30

Polimetilmetacrilato (Acrílico) (PMMA) 1,20

Polibutileno Tereftalato (PBT) 1,35

Polietileno Tereftalato (PET) 1,30

4 - Utilização de aditivos e cargas

As resinas termoplásticas, nem sempre são fabricadas pela petroquímica ou pelo reciclador com propriedades necessárias para determinada aplicação, em função disto, os aditivos podem modificar as propriedades dos termoplásticos, obtendo como por exemplo o aumento da resistência ao impacto, melhoria no acabamento superficial, aumentar ou redução da dureza ou também podem servir apenas para reduzir o custo do material tornando-o competitivo no mercado.

Pigmentos e corantes

São substâncias utilizadas em um termoplásticos para conferir cor. Os pigmentos são insolúveis e os corantes solúveis, assim, o corante mantém a transparência do objeto tingido, já o pigmento dá cor e tira a transparência.

Exemplo: Master, pó, pasta e líquido.

Dosagem: masterbatch 2 % a 3 % - pó: 0,5 % a 1 % - líquido e pasta: depende do recurso para mistura e da concentração de pigmento.

Cargas

São substâncias misturadas no termoplástico de forma a não se solubilizar ou reagir, e sim permanecer difundidas uniformemente no mesmo.

São utilizadas para conseguir ou aumentar algumas propriedade definidas dos mesmos, mesmo que, quase sempre, às custas da diminuição indesejável de outras propriedades.

Exemplo: Carbonato de cálcio, talco, caulim, fibra de vidro, etc.

Dosagem: 5 % a 50 %.

Modificadores de impacto

É usado no termoplástico com o objetivo de obter o aumento na propriedade de impacto do material.

Exemplo: Elastômeros olefínicos, EPDM, SBS, SBC, SBR e TR

Dosagem: de 2 % a 5 %.

Retardante de chama

Sua função é inibir ou, quando possível, eliminar a propagação do fogo em um material termoplástico.

Exemplo: Trióxido de antimônio e Decabromo.

Dosagem: 5 % a 6 % de Trióxido de antimônio + 12 % a 15 % de Decabromo.

Agente Antiultravioleta (anti-UV)

Sua função é transformar a radiação em energia calorífica inofensiva, agindo basicamente como um filtro.

Exemplo: Benzofenona, Benzotriazol.

Dosagem: Depende do tempo de proteção desejado.

Plastificantes

Melhoram a processabilidade e a flexibilidade do produto.

Exemplo: Óleos utilizados, normalmente em PVC.

Dosagem: Depende e da necessidade.

Lubrificantes

Reduzem viscosidade da massa polimérica durante processamento.

Exemplo: Ceras e estearatos.

Dosagem: 0,2 % a 1 %.

5 - Segurança das máquinas injetoras

São consideradas áreas de risco de uma máquina injetora:

1- Área do molde;

2- Área da unidade de injeção;

3- Área do mecanismo de fechamento;

4- Área de alimentação da matéria-prima;

5- Área dos extratores da máquina e do molde;

6- Área das resistências de aquecimento;

7- Área de descarga.

Segurança das máquinas injetoras

Dispositivo de segurança de acionamento mecânico:

Esse dispositivo consiste em uma trava, cujo movimento é controlado pela porta frontal, impedindo o fechamento do molde, com a porta aberta, caindo entre a placa móvel e a placa fixa ou entre os dentes da barra de segurança.

Segurança das máquinas injetoras

Dispositivo de segurança de acionamento

elétrico:

Esse dispositivo é composto por chaves de

fim de curso que são instaladas nas portas

frontal e traseira das injetoras, interrompendo

o movimento do molde e/ou o funcionamento

das bombas.

Segurança das máquinas

injetoras

Dispositivo de segurança de acionamento

hidráulico:

Esse dispositivo fica instalado na porta

frontal, acionando uma válvula de came, faz

com que o óleo direcionado para o cilindro

hidráulico de fechamento, seja desviado para

o reservatório, impedindo o fechamento da

máquina.

Segurança das máquinas injetoras

Dispositivo de segurança de acionamento

hidráulico:

Para que o operador possa ter

acesso a uma área de risco, a

máquina injetora deverá possuir

pelo menos dois dispositivos de

segurança ativos e operantes, para

impedir o funcionamento da

máquina enquanto o operador

estiver atuando na área de risco.

6 - Fundamentos de injeção

Força de Fechamento

A área projetada total da peça determina a força

de fechamento necessária para manter o molde

fechado durante a injeção. Pode-se visualizar

esta área projetada como a sombra de uma

peça injetada que cai sobre um plano paralelo.

É importante notar que a área projetada inclui

os canais.

Força de fechamento = Área projetada das

moldagens (cm²) x (⅓ a ½) da pressão da

injeção (kg/cm²).

Força de fechamento

Pressão de Injeção

Para determinada pressão da rosca, a pressão

exercida nas cavidades dependerá da peça a ser

injetada (relação direta) e da viscosidade do

material (relação inversa). Secções espessas

requerem forças de fechamento maiores, pois o

material permanece semifluido por mais tempo

durante a injeção. O mesmo acontece com altas

temperaturas do material, moldes quentes,

entradas amplas, ou quando é empregada

grande velocidade de injeção. Geralmente na

prática, usam-se cerca de três toneladas de

fechamento para cada polegada quadrada de

área projetada da peça.

Pressão de injeção

Cálculo da pressão de injeção: Pressão de injeção (kg/cm²) = [Pressão manométrica

da linha hidráulica de injeção (kg/cm²)] x [di² / dp²].

Onde:

Pressão di = Diâmetro do cilindro hidráulico

de injeção (cm).

dp = Diâmetro da haste do cilindro de injeção

ou da rosca (cm).

Balanceamento das cavidades

A distribuição das cavidades dentro do molde deve

considerar os diferentes caminhos que o material

percorre ao atingi-las, por isso distribuem-se as

cavidades em torno do canal de distribuição, de modo

que seja utilizada a menor pressão de injeção

possível para preenchimento de todas as cavidades

do molde.

Moldes desbalanceados resultam em peças falhadas

ou cheias de rebarba, processo de injeção instável,

perda de produtividade e vida útil do molde reduzida.

Ao iniciar o processo de injeção,

observe:

1 - Uma boa peça injetada, só pode ser conseguida com a

combinação correta de máquina, molde e material.

2 - Também a máquina, mesmo tendo o melhor projeto e

técnica de processamento, várias possibilidades de

comando e regulagens, e alta produção, não será a

ideal, se:

O molde for projetado erradamente ou sua execução

mal feita;

A temperatura não for controlada corretamente;

O rendimento e a velocidade do molde não se

harmonizem com a máquina;

O material não for preparado corretamente (pré

secagem).

3 - Antes de efetuar a regulagem da máquina, levar

em consideração as variáveis do material e da

peça, ao invés de considerar valores de

referência fixos.

4 - Preencha e modele a peça com atenção.

5 - Deve-se considerar o controle do molde, já que é

nele que nasce a peça.

6 - Ajustando a máquina para produzir.

7 - Ordem e sistema de trabalho resultam em

produtividade.

8 - Segurança no trabalho: as mãos não são tão

fortes quanto a força de fechamento da

máquina.

7 - Processo de injeção

1 - A preparação: que peça, molde, máquina e material?

2 - A preparação da máquina: fixação do molde / ajuste

da unidade de fechamento;

3 - Ajuste da unidade de injeção;

4 - Ajuste do comando da máquina;

5 - Início do processo de injeção:

Uma vez verificados todos os ajustes, passar a

injeção de manual, para semi automática.

Raramente primeira injeção é aproveitável, mas

em seguida deve-se otimizar os ajustes.

8 - Ciclo de injeção

O processo de moldagem por injeção possui várias etapas para que se estabeleça o ciclo de injeção:

Velocidade de fechamento;

Cursos de Amortecimento;

Segurança do Molde: funcionamento da segurança do molde;

Pressão de fechamento ou travamento.

Fechamento do molde

Fechamento do molde

Velocidade de fechamento;

Cursos de Amortecimento;

Segurança do Molde: funcionamento da segurança do molde;

Pressão de fechamento ou travamento.

Avanço da unidade de injeção

Velocidade de encosto do bico de injeção;

Pressão de encosto do bico de injeção;

Curso de encosto do bico de injeção;

Exemplo:

Se programarmos 9, não injetará;

Se programarmos 12, a injeção se

fará do bico encostar no molde;

Teremos que programar 10 ou 11.

Recalque Pressão de recalque;

Tempo de recalque.

Velocidade de injeção;

Pressão de injeção;

Tempo de injeção.

Avanço da unidade de injeção

(Continuação)

Dosagem

Velocidade de dosagem:

Depende de duas outras regulagens, a

temperatura e a contra pressão, sendo uma

consequência das duas;

Limite de dosagem ou carga:

Quando o limite de dosagem for maior do que o

necessário para o preenchimento da peça

sobrará material no bico da rosca, a esta sobra

se da o nome de “colchão”.

Contra pressão

É a pressão hidráulica aplicada na parte traseira do

atuador de injeção, que a rosca tem de vencer para

poder retornar.

A contra pressão é normalmente utilizada para

homogeneizar o material em estado fundido,

influenciando diretamente na plastificação.

A regulagem da contra pressão deve levar em

consideração a temperatura da massa fundida.

A dosagem deve ser regulada de forma que

aconteça antes de terminar o tempo de resfriamento

da peça, lembrando que a rotação da rosca e a

contra pressão devem ser reguladas em conjunto.

Descompressão

A descompressão consiste em retornar a

rosca, por ação hidráulica, sem que esta gire,

ao término do curso de dosagem. Assim, a

rosca faz a descompressão do material

acumulado na câmara de dosagem evitando o

seu escorrimento pelo bico;

Não se deve utilizar um retorno muito longo,

pois isto gera um acumulo de ar na câmara de

dosagem, provocando bolhas e manchas na

peça.

Recuo da unidade de injeção

Quando o contato da bucha de um molde

com o bico de injeção, provoca constantes

resfriamentos no bico, no final da dosagem

ou da descompressão, adota-se o recuo da

unidade de injeção. Ao efetuar o recuo da

unidade de injeção não permitir que este

recuo seja muito curto ou muito longo, para

não aumentar o ciclo total da peça.

Abertura do molde

Tempo de resfriamento;

Velocidade de abertura;

Amortecimento de abertura;

Limite de abertura.

Extração da peça

Velocidade de extração;

Pressão de extração;

Curso de extração;

Extrator com repetição.

Tempo de reciclo

É também chamado de espera, pausa, saída,

fechamento ou tempo de molde aberto;

Sempre que a máquina estiver trabalhando em

ciclo automático esse tempo deve ser

regulado; não poderá ser curto demais e nem

muito longo evitando ciclos elevados; deverá

ser o suficiente para que a peça caia antes do

fechamento do molde.

9 - Defeitos e possíveis soluções

Linha de solda / fluxo;

Manchas;

Rechupe;

Produto quebradiço;

Delaminação;

Baixo brilho;

Difícil extração;

Alta contração / problemas na montagem;

Bolhas;

Pontos de queima;

Peças com rebarbas;

Ciclo de injeção alto.

10 - Bibliografia

Riopol – Curso básico intensivo de plásticos.

Ipiranga química – Guia de problemas e soluções.

Braskem – Problemas e soluções.

Polibrasil – Moldagem por injeção.

Elia Behnke – Apostila de Moldagem por injeção.

SENAI Mário Amato – Apostila do Curso Técnico em Plásticos.

Escola LF – Operador técnico em Injeção de plásticos.

Inyección de plásticos – Editorial Gustavo Gili, S.A. – Barcelona – 1973.

Autor: Walter Mink – Miembro de La Society of Plastics Engineers Inc. (USA).

Participaram da elaboração deste curso: Jorge Garcia

Júlio Pestana

Marco Lima

Maurício Santos

William Klumpp

Participação especial:

Dr. Vicente Mazzarella

Dra. Mari Katayama

Henrique Seguchi

Amilcar Gonçalves

Paulo Fernandes

Izilda Martins

Sueli Meneguelo

Muito obrigado a todos os

participantes deste curso!

FIM