A ideia de primeiro aquecer e depois estirar uma resina termoplástica, visando melhorar suas propriedades, surgiu na década de 1930. Na década de 1970 a empresa DuPont moldou as primeiras garrafas de poli(tereftalato de etileno) (PET) usando sopro. O uso desses recipientes aumentou enormemente nos últimos anos⁽¹⁾. Enquanto 300 bilhões de garrafas de PET foram produzidas globalmente em 2004, estima-se que o montante tenha sido de aproximadamente 583 bilhões em 2021⁽²⁾. Além das garrafas de PET usadas para o acondicionamento de bebidas carbonatadas, outros recipientes plásticos, com diferentes formatos, são fabricados usando moldagem por estiramento e sopro. No caso de moldagem por sopro em dois estágios, a preforma deve ser aquecida separadamente antes de ser conformada. Na indústria a etapa de aquecimento é geralmente realizada usando aquecedores infravermelhos, mantendo-se as preformas em movimento rotativo⁽³⁾. No caso do PET, a proporção de energia efetivamente aproveitada é de apenas 15 a 20%, devido à perda de calor pelas superfícies e pela radiação emitida para o meio ambiente⁽⁴⁾.

Isso levou o Instituto de Tecnologia de Plásticos (Institut für Kunststofftechnik, IKT) a pesquisar, em cooperação com as empresas Spritzguß Müller GmbH e Fricke and Mallah Microwave Technology GmbH, um novo método para aquecer plásticos de forma eficiente e usando radiação de micro-ondas.

 

Aumento da eficiência

O uso de radiação de micro-ondas para aquecer preformas durante a moldagem por sopro e estiramento apresenta várias vantagens. As microondas podem atingir alta profundidade de penetração em muitos polímeros e, assim, promover um aquecimento homogêneo em todo o volume do material. O aquecimento por microondas de preformas de PET já foi estudado, tendo então sido comprovada a duplicação da eficiência energética⁽⁴⁾. No entanto, a absorção da radiação de micro-ondas, especialmente no caso dos plásticos apolares, é severamente limitada devido à falta de momentos de dipolo. Portanto, para garantir um aquecimento eficiente, cargas absorvedoras de micro-ondas podem ser misturadas ao plástico, as quais são aquecidas e aumentam a temperatura de toda a formulação plástica por condução térmica (figura 1). 

 

Fig. 1 – O aquecimento eficiente do plástico é promovido pela presença de cargas finamente distribuídas (Fonte: IKT; Gráficos: Hanser)

 

Como a introdução de cargas não só promove a capacidade de aquecimento por meio da radiação de micro-ondas, mas também causa alterações nas propriedades mecânicas e reológicas, também deve ser considerada a processabilidade.

 

Os requisitos sobre os materiais dependem da aplicação

Os requisitos para diferentes recipientes variam de acordo com a aplicação, mas geralmente incluem estabilidade dimensional, propriedades de barreira e certas propriedades mecânicas. No caso deste projeto de pesquisa conjunto, foi escolhido como material da matriz, entre outros, um grau de polietileno de alta densidade (PEAD). O polietileno é um plástico apolar que dificilmente pode ser aquecido por radiação de micro-ondas, mas está sendo investigado devido à sua boa resistência a fluidos, alta disponibilidade e boa processabilidade.

Foi selecionado um grau específico para moldagem por estiramento e sopro (grau: ACP5331A. Fabricante: Lyondellbasell Industries). A seleção de cargas adequadas para aquecimento por micro-ondas se baseou em altos fatores de perda dielétrica na faixa de comprimentos de onda de micro-ondas e sua boa processabilidade. Com base nos critérios mencionados, foram usadas cargas como magnetita (grau: 48800. Fabricante: Kremer Pigmente), grafite (grau: Graphcond 15/95. Fabricante: Luh Georg H. Luh GmbH) e masterbatch de nanotubos de carbono (grau: Plasticyl HDPE 1501. Fabricante: Nanocyl).

A magnetita (MA) e o grafite (GR) são cargas em forma de pó, com tamanho médio de partícula d50 igual a 2,6 µm para a magnetita e 10~25 µm para o grafite. Os nanotubos de carbono (CNT) foram previamente dispersos em matriz de PEAD com fração de massa da ordem de 20%.

 

Confecção dos corpos de prova

Durante as investigações experimentais foram elaboradas formulações de grafite e magnetita com frações de 2, 5 e 10% em massa, e outras contendo nanotubos de carbono com 2 e 5% em massa de carga. Elas foram denominadas com as letras que representam as abreviaturas das cargas e os números que representam a fração de massa das cargas na formulação. Portanto, a sigla 5MA denomina uma formulação de PEAD contendo 5% em massa de magnetita. As formulações foram feitas em uma extrusora com rosca dupla co-rotativa (modelo: ZSK 26 MC. Fabricante: Coperion).

Em seguida, foram confeccionados corpos de prova a partir das formulações. Foi adotada uma geometria de placa uniforme (100 x 70 x 2 mm) para garantir as mesmas condições iniciais para os ensaios usando aquecimento por micro-ondas. A confecção dos corpos de prova ocorreu em uma prensa hidráulica laboratorial com placas (modelo: 200 E. Fabricante: Collin Lab & Pilot Solutions).

 

Micro-ondas com frequência controlável

O estado atual da arte demonstra que, até o momento, houve apenas investigações pouco profundas sobre o uso de aquecimento por micro-ondas na tecnologia de plásticos. Poucos estudos vêm sendo feitos, especialmente no campo da moldagem por sopro, em que uma alta eficiência de aquecimento pode levar à redução do consumo de energia. Alguns trabalhos incluíram o uso de geradores de micro-ondas comuns, baseados em magnetron^{(5, 6)}. Como o comportamento da absorção dos materiais é altamente dependente da frequência e da temperatura, e os magnetrons geram um espectro de comprimentos de onda, não é possível controlar, de forma discreta, as frequências sob as quais a transmissão e absorção de energia são eficientes

Portanto, o uso de micro-ondas geradas por semicondutores, graças à sua abordagem inovadora, oferece a possibilidade de determinar a frequência ideal de maneira direcionada e usá-la para conseguir um aquecimento eficiente. Essa abordagem foi viabilizada pela adoção do gerador de micro-ondas baseado em semicondutores (modelo: FM S500/2450-W. Fabricante: Fricke and Mallah Microwave Technology GmbH) (figura 2). Esse equipamento gera ondas em uma faixa de frequências entre 2.400 e 2.500 MHz, com potência ajustável de 0 a 500 W. Simultaneamente, a potência refletida pode ser aferida e analisada usando-se um programa de controle.

Fig. 2 – Um gerador de micro-ondas com frequência controlável fabricado pela empresa Fricke and MallahMicrowave Technology GmbH

 

Caracterização da frequência ótima

O valor da frequência de absorção ótima, fotp, foi determinado medindo-se a retrorreflexão em função do comprimento de onda incidente. Uma reflexão com baixa intensidade indica alta absorção e, portanto, boa capacidade de aquecimento da formulação. Na primeira etapa dos testes usando micro-ondas foram determinadas as frequências ótimas correspondentes às cargas puras e das formulações sob temperatura ambiente. Neste procedimento as varreduras de reflexão foram realizadas sob potência de 10W, incremento de passo de 1 W e faixa de varredura entre 2.400 e 2.500 MHz.

Foi feita uma caracterização adicional para determinar a taxa de aquecimento. As formulações foram aquecidas sob a frequência fotp e potência de 180W por 10, 20 e 30 segundos, sendo então determinada a sua temperatura.

 

Resultados dos ensaios

Os resultados dos ensaios de varredura de reflexão mostraram que a reflexão e, portanto, a absorção nas cargas puras e no masterbatch de nanotubos de carbono são altamente dependentes da frequência irradiada (figura 3). O grafite mostrou uma retrorreflexão de apenas 1%, dentro de uma ampla faixa de frequências. Já a magnetita mostrou apenas uma frequência ótima muito limitada em 2.427 MHz. No entanto, com base nas varreduras de reflexão de várias formulações (usando o exemplo da formulação de nanotubos de carbono), medições complementares indicaram uma frequência de absorção ideal de 2.426 MHz.

Fig. 3 – Reflexão da radiação de micro-ondas promovida por diferentes cargas (Fonte: IKT; Gráficos: Hanser)​​​​​​​

 

Embora a frequência de absorção ideal ainda seja de 2.405 MHz para uma fração de nanotubos de carbono igual a 20% em massa, essa frequência evolui para valores mais altos à medida que seu conteúdo na matriz aumenta. O espectro de reflexão da matriz polimérica domina o comportamento de absorção das formulações devido à sua alta proporção em massa e volume. Medições comparativas feitas sob outras frequências confirmaram que o aquecimento mais rápido ocorreu sob frequência fotp igual a 2.426 MHz.

A tabela mostra uma visão geral das temperaturas obtidas após diferentes tempos de aquecimento sob a frequência otimizada fotp . As temperaturas foram calculadas como a média de três medições. Como já era esperado, a capacidade de aquecimento aumenta com a fração de disponibilidade e, quando presente em fração de 10% em massa, apresenta capacidade de aquecimento ainda maior do que a de formulações contendo nanotubos de carbono. Entretanto, seu uso é limitado nesta aplicação devido à redução da elasticidade do material que é observada sob altas frações de grafite. Os ensaios de elasticidade foram realizados usando uma metodologia comparativa (caracterização do material termoformado, TMC).

 

Projeto de equipamento para moldagem por estiramento e sopro

A fim de integrar, de forma otimizada, a etapa de aquecimento da preforma no processo e, ao mesmo tempo, testar as formulações quanto à sua capacidade de moldagem por estiramento e sopro, os dois parceiros do projeto, Spritzguß Müller GmbH e Fricke and Mallah Microwave Technology GmbH, desenvolveram um equipamento para este processo (figura 4). Seu componente principal é um aplicador de ressonância, que, além de funcionar como antena de micro-ondas, serve como pino para alongamento. Inicialmente, a preforma pode ser introduzida no molde sob temperatura ambiente, sendo então aquecida por radiação de microondas, estirada de forma direta e moldada em seu contorno final usando ar comprimido.

Fig. 4 – Novo tipo de máquina para moldagem por estiramento e sopro, à qual está incorporada uma antena de microondas (IKT)​​​​​​​

 

Assim, tanto o tempo de ciclo como o espaço físico para a máquina que será usada para realizar a moldagem por estiramento e sopro podem ser significativamente reduzidos. Atualmente, estão sendo realizados testes neste equipamento para verificar a adequação de formulações elaboradas para a transformação.

 

Conclusão

A importância da frequência otimizada para aquecimento foi demonstrada pela execução de varreduras de reflexão, tomando-se como exemplo formulações de polietileno contendo cargas. Esse fato exerce influência significativa na eficiência e velocidade de aquecimento. Foram elaboradas formulações contendo diferentes frações mássicas de cargas como magnetita, grafite e nanotubos de carbono, as quais foram posteriormente caracterizadas. Investigou-se o aquecimento por radiação de micro-ondas usando um gerador de radiação baseado em semicondutores. O controle exato das frequências entre 2.400 e 2.500 MHz, com medição simultânea da retrorreflexão, permitiu uma investigação precisa do comportamento do aquecimento em função da frequência. Apesar de sua apolaridade, pela primeira vez, o PEAD pôde ser modificado com sucesso usando cargas adequadas, de forma a viabilizar o aquecimento por meio da radiação de micro-ondas. Ao serem usadas formulações contendo nanotubos de carbono, foram obtidas taxas de absorção de até 99% e tempos de aquecimento até a temperatura de conformação de cerca de 20 segundos, o que indica um aumento significativo da eficiência do processo e, no caso de preformas com paredes mais espessas, redução do tempo de ciclo. O próximo passo na transferência dessa tecnologia para a escala de produção industrial é a validação do novo equipamento de moldagem por estiramento e sopro.

 

Aquecimento de plásticos usando micro-ondas

Micro-ondas são ondas eletromagnéticas não ionizantes dentro da faixa de frequências de 300 MHz a 300 GHz. A radiação é absorvida pela excitação de oscilações de dipolo e multidipolo nas moléculas. As moléculas se alinham com o campo eletromagnético alternado através dessas vibrações. O calor é gerado no material porque esses processos de polarização e o alinhamento das moléculas induzem perdas devido às propriedades específicas do material e forças de ligação^(7,8).

A polarização da orientação dos dipolos e das áreas das moléculas polares é a principal responsável pelas perdas dielétricas durante o aquecimento de plásticos não condutores e isentos de cargas por micro-ondas⁽⁹⁾. Na região de baixas frequências dentro da faixa das micro-ondas as moléculas ou áreas moleculares de um plástico podem acompanhar a alternância do campo, porém, sob frequências cada vez maiores, forças inerentes, como inércia e forças de atrito, neutralizam esses movimentos. Os processos de polarização são então amortecidos e não mais ocorrem de forma completa. Devido à defasagem resultante do campo alternado para a polarização, ou seja, o movimento retardado das cargas, a energia que não foi armazenada é convertida em calor.

 

As referências bibliográficas relativas a este artigo podem ser encontradas no seguinte endereço eletrônico: https:// www.kunststoffe.de/onlinearchiv