A geração de pó é uma ocorrência muito familiar para os fabricantes de pré-formas (semi-produtos que posteriormente são moldados por sopro na forma de garrafas de PET). Ela decorre da degradação da resina PET altamente sensível, quando ocorre a decomposição das cadeias moleculares expostas a tensões térmicas ou mecânicas. O pó impede a movimentação dos pistões das válvulas-agulha e precisa ser removido periodicamente. É por este motivo que alguns fabricantes de moldes também oferecem dispositivos para sucção para acompanhar o seu ferramental.

Contudo, seria muito melhor evitar definitivamente essa formação de pó – e a chave para isto está no sistema de canais quentes. Ao contrário do que ocorre no caso das peças técnicas de alta precisão, o sistema de canais quentes utilizado na produção de bilhões de pré-formas frequentemente não é projetado especificamente para uma dada peça. Muitos fabricantes combinam uma metade quente (por exemplo, com distância entre as cavidades do molde igual a 50 x 140 mm) já existente com metades frias ajustadas apresentando contornos completamente diferentes, resultando no fato de que o mesmo sistema de canais quentes precisa atender à produção de pré-formas pesando de 6 até 40 g, e com comprimentos variando de 30 a 150 mm. Ao mesmo tempo, o uso de até 192 cavidades constitui uma prática comum na indústria de embalagens, que é muito sensível a preços. Quanto maior o número de cavidades e mais longos forem os trajetos de fluxo (como no caso das pré-formas longas e com paredes finas), maiores as demandas impostas ao sistema de canais quentes.

O Instituto de Tecnologia de Plásticos na Escola Superior de Darmstadt (Institut für Kunststofftechnik der Hochschule Darmstadt - h_da) e a companhia MHT Mold & Hotrunner Technology AG, com sede em Hochheim/Main, Alemanha, titular de um total de 29 patentes nesse campo, decidiram se unir em um projeto de pesquisa financiado pelo governo, cujo objetivo foi o estudo das condições térmicas e reológicas nos moldes de pré-formas e a otimização do sistema de canais quentes. Seu objetivo foi a redução da geração de pó a partir do PET, capacitando assim o cliente a dispor da vantagem de intervalos de manutenção mais longos.

Molde com quatro cavidades simula 96 cavidades

Tudo começou com um truque técnico. A MHT confeccionou um molde experimental com quatro cavidades (peso da pré-forma: 12,5 g), o qual simulou as condições existentes de um molde com 96 cavidades por meio de canais quentes conectados em série (figura 1). Foram incorporados sensores integrados de pressão e temperatura para permitir a medição da viscosidade da resina fundida em vários pontos.

Fig. 1 – Sistema de canais quentes do molde experimental com três placas para simular
o comprimento dos canais de alimentação de resina fundida em um molde com 96 cavidades (MHT)

Uma equipe de sete membros da Escola Superior de Darmstadt instalou o molde, mais a unidade de remoção em uma injetora KM160-540PX dotada de um sistema de manipulação LRX100 (fabricada pela Krauss-Maffei Technologies GmbH, de Munique, Alemanha) e também desenvolveu um reômetro de bocal em linha para a saída da unidade de plastificação (ver figura no início do artigo). Ele registrava a viscosidade verdadeira durante a injeção e, dessa forma, separava o molde da injetora. Isso evita que as influências do lado da máquina falseiem os resultados das medições feitas no molde experimental. O reômetro de bocal em linha pode acomodar até quatro sensores de pressão e temperatura, o que permite que a condição da resina fundida após a unidade de plastificação seja monitorada a qualquer instante.

Foram disponibilizados vários insertos para alterar a geometria conforme fosse requerido. Ao mesmo tempo, a equipe usou um programa computacional para simular todo o fluxo de calor em um (genuíno) molde com 96 cavidades (figura 2), para determinar se houve a ocorrência de pontos quentes, ou seja, temperaturas excessivamente altas, ou tempos de residência excessivamente longos, em áreas específicas do sistema de canais quentes, algo que, afinal, não pode ser descartado em qualquer sistema de condução.

Fig. 2 – A simulação mostra o fluxo de calor no sistema de
canais quentes para 96 cavidades (MHT)

Os fabricantes de pré-formas precisam estar conscientes da existência de tais zonas porque, além da formação de pó, a decomposição das cadeias moleculares também pode afetar a qualidade do componente e degradar suas características de barreira e resistência à pressão de estouro, bem como a neutralidade gustativa. Portanto, de maneira geral, os sistemas de canais quentes são projetados de forma tal

que tanto os requisitos de pressão, como o tempo de residência da resina fundida, sejam minimizados, levando-se em consideração a influência das variações de seção transversal e das curvaturas. Os pesquisadores em Darmstadt efetuaram numerosos testes e projetaram seu próprio molde (figura 3), com o propósito de estudar canais para resina fundida com diferentes diâmetros, retos ou curvos, bem como o comportamento de diversos polímeros. Ao todo foram usados nove modelos, com ângulos de 180 o, 90 o e 45 o e diâmetros de 4, 6 e 8 mm.

Fig. 3 – Arranjo experimental com um canal de alimentação de resina fundida com 4 mm de
diâmetro para a simulação reológica (Escola Superior de Darmstadt/MHT)
 

O resultado: para fluidos viscoelásticos, tais como polímeros fundidos, pode-se esperar perdas reduzidas de pressão nas curvas (figura 4). Mais estudos são necessários para confirmar se isso se deve às propriedades elásticas na forma de tensões normais ou então a efeitos de cisalhamento. Contudo, uma vez que essa influência diminui para valores crescentes do diâmetro do canal, parece óbvio considerar os efeitos do cisalhamento como a sua causa.

Fig. 4 – Quanto maior for o diâmetro do canal, menores são as perdas de
pressão devido às descontinuidades na seção transversal (fonte: Escola Superior de Darmstadt)

A formação de pó varia conforme o tipo de PET

Testes preliminares com o molde experimental com quatro cavidades revelaram que a geração de pó varia amplamente conforme o grau de resina obtida a partir de vários fabricantes. Por esse motivo, a equipe da universidade decidiu estudar esse fenômeno para estabelecer quais graus são mais suscetíveis à degradação. Eles geraram o pó e constataram que se trata de uma substância gasosa composta por produtos de degradação, chamados oligômeros, que escaparam do PET e se condensaram nas superfícies metálicas do molde.

Foi então utilizada a análise térmica para investigar os graus de PET. Os resultados decorrentes do tempo de permanência foram particularmente interessantes quando a temperatura de transformação se situou em torno de 280 °C. A análise termogravimétrica (TGA) permitiu constatar se houve ocorrência de degradação e, em caso positivo, qual foi a sua taxa, expressa em mg/min.

Parte da investigação consistiu na execução de análises por calorimetria diferencial de varredura (DSC, differential scanning calorimetry), na qual um perfil de temperaturas em função do tempo foi aplicado ao material, sendo então registrada a diferença entre as quantidades de calor nele introduzidas ou removidas. Isso reflete a quantidade de energia gerada pelas alterações no estado físico e pelas reações químicas, permitindo que sejam elaboradas conclusões sobre a estabilidade térmica e o comprimento da cadeia do polímero. Foi observada uma forte dependência entre tempo de residência e temperatura de cristalização quando os tempos de residência e as temperaturas variaram de forma independente um do outro.

Também foi usado um viscosímetro capilar de alta pressão nesses estudos. Isso possibilitou a determinação das viscosidades sob diferentes taxas de cisalhamento. A equipe foi capaz de reconstituir as alterações na viscosidade decorrentes da degradação térmica, mantendo-se o polímero aquecido no canhão durante diferentes períodos de tempo, seguindo-se a aplicação de um perfil de velocidades de cisalhamento (figura 5).

Fig. 5 – Degradação em função do tempo de residência para diferentes graus de PET sob a mesma
velocidade de cisalhamento. Agora a Escola Superior de Darmstadt e a MHT já podem prever a
formação de pó nos projetos de pré-formas feitas de PET para poder neutralizá-la efetuando
alterações no projeto (fonte: Escola Superior de Darmstadt)

Sistema de canais quentes para transporte de material rápido e suave

De maneira geral, os estudos mostraram que os vários graus de PET apresentaram diferenças significativas em termos do comprimento de cadeia e, aparentemente, continham aditivos que influenciaram sua cristalinidade. A equipe da universidade desenvolveu uma equação para determinar se uma quantidade prejudicial de pó de PET seria produzida durante sua transformação, com base no grau do material, peso da pré-forma, tempo máximo de residência e volume de canais quentes. No futuro a MHT pretende desenvolver um modelo comercial a partir desses resultados.

Os resultados obtidos nesta pesquisa básica foram incorporados ao novo sistema de canais quentes que foi projetado para transportar o material de forma rápida e suave. Ele foi instalado em um protótipo de molde com 96 cavidades, com distância entre elas de 50 x 140 mm, o qual já operou continuamente durante um ano em um cliente da MHT. Durante essa fase de testes a qualidade da pré-forma e a formação de pó foram verificadas regularmente, os dados dos sistemas de medição foram armazenados e as peças sujeitas a desgaste foram inspecionadas. Foi constatado que a geração de pó foi realmente muito reduzida, muito embora a proporção de material reciclado fosse da ordem de 70%.

O novo sistema de canais quentes com duas placas, o qual ainda está sendo aperfeiçoado atualmente, foi lançado no mercado durante a edição de 2019 da feira K. Ele é constituído por diversos elementos individuais padronizados que são inseridos no bloco distribuidor. A resina fundida é fornecida de forma centralizada e os canais de alimentação são naturalmente balanceados. Há molas no local de transferência da resina fundida, entre o distribuidor transversal e as duas buchas do sistema de alimentação do distribuidor de canais quentes, as quais pré-carregam o sistema. Como resultado disso, o sistema se encontra plenamente estanque e à prova de vazamentos, estando tanto frio como quente. Uma placa adaptadora permite o uso de diferentes componentes nas carcaças do pistão, seja da série Legacy ou Vulcan II (ambas fabricadas pela MHT). Esta última se caracteriza pela rápida acessibilidade, vida útil mais longa e menores perdas de calor.

O trabalho cooperativo entre a Escola Superior de Darmstadt e a MHT mostra como a pesquisa básica e a produção industrial podem se beneficiar mutuamente. Portanto, não é uma surpresa saber que elas já estão trabalhando no próximo desenvolvimento conjunto.

Agradecimentos

A equipe do projeto gostaria de agradecer ao Ministério Federal Alemão da Economia e Energia (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) e à Associação dos Grupos de Trabalho de Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF) pelo financiamento por meio do Programa Central de Inovação para Empresas de Médio Porte (Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand – ZIM, projeto número ZF4004201EB5).