Na extrusão de filmes planos são obtidos altos valores de vazão de massa combinados com alta qualidade do produto por transferência de calor e por condução entre o rolo de resfriamento polido e a resina fundida aplicada pela ma triz de extrusão⁽¹⁾. Entretanto, ao processar plásticos como, por exemplo, poli(tereftalato de etile no) (PET), policarbonato (PC) e poli(cloreto de vinila) (PVC) ocorre frequentemente a formação de depósitos (plate-out em inglês) sobre as superfícies dos rolos (figura 1)^{(2, 3)}. Isso pode afetar negativamente a qualidade da superfície do filme e a transferência de calor. Se o revestimento do rolo adquirir uma espessura crítica, a produção deverá ser paralisada para que os rolos possam ser limpos manualmente^{(4, 5)}.

Fig. 1 – Registro de um depósito formado sobre o rolo ao se processar PET. O depósito pode causar defeitos superficiais nos filmes (IKV).

Devido a isso, o Instituto de Processamento de Plásticos da Universidade Técnica de Aachen (RWTH Aachen Institut für Kunststoffverarbeitung - IKV an der RWTH Aachen), na Alemanha, desenvolveu um sistema de inspeção para a detecção e quantificação confiáveis dos depósitos formados sobre os rolos, bem como um sistema de limpeza de rolos que se encontra acoplado a ele. Esse sistema procede a limpeza das superfícies dos rolos as sim que se forma uma quantida de crítica de depósitos, e ainda possibilita, pela primeira vez, a de terminação da influência das tem peraturas da resina fundida e do rolo na formação dos depósitos sobre eles ao longo do tempo, com alta resolução local, permitindo efetuar correlações com as propriedades resultantes do filme.

O sistema de inspeção baseia se na detecção de alterações no brilho da superfície do rolo devido ao crescimento do depósito que se forma sobre ele. Testes preliminares no IKV mostraram que sistemas de câmeras são adequados para a detecção em linha da deformação de depósitos sobre os rolos⁽⁶⁾. Para avaliar o desempenho do sistema de inspeção, ele foi integrado a um dispositivo laboratorial para polimento, modelo Chill Roll 136-50, fabricado pela Collin Lab & Pilot Solutions.

 

Detecção da formação de depósitos sobre o rolo

Foi usada para a captura das imagens uma câmera de varredura linear, modelo Ral4096-24gm (fabricante: Basler), com resolução de 1 x 4.096 pixels, dotada de uma lente Interlock 2/35 M42 da Carl Zeiss. O filme produzido tinha largura de 150 mm, permitindo que áreas de rolo com e sem formações de depósitos fossem registradas com alta resolução espacial.

Uma vez que a câmera de varre dura linear registra uma área do rolo em forma de linha a cada imagem gravada, foi usada iluminação linear modelo AI LL137E12 WHI24, da Advanced Illumination. Para poder registrar toda a circunferência do rolo ao longo do teste, a câmera foi acionada em posições angulares reprodutíveis, com 4.096 pulsos a cada rotação do rolo, usando um transdutor de posição circunferencial Baumer ITD69H00. Este sistema permitiu, pela primeira vez, registrar e examinar a formação temporal e espacial dos depósitos sobre os rolos com precisão científica. O dispositivo de limpeza integrado era constituído por um cinto de não tecido embebido em solvente.

Um algoritmo escrito em linguagem Python combinava as imagens da câmera de varredura linear em uma imagem geral, que mostrava toda superfície cilíndrica do rolo. Para determinar o crescimento do depósito, os valores de cinza da superfície do filme em movimento (afetado pelo depósito sobre o rolo) são comparados com os da área da periferia (não afetada pelo depósito sobre o rolo). Assim, pode-se quantificar a formação de depósito sobre o rolo (figura 2).

Fig. 2 – A superfície do rolo foi registrada em vídeo, usando uma câmera de varredura linear para determinar a formação do depósito. A seguir, uma imagem geral foi montada a partir das linhas individuais e foi quantificada a formação de depósito no rolo (Fonte: IKV; gráfico: Hanser).

 

Quais parâmetros afetam a formação do depósito?

Como parte dos ensaios de ex trusão, foi examinada a influência de parâmetros industrialmente re levantes na formação do depósito sobre o rolo (ver tabela na página 28), tais como a sua temperatura e a da resina fundida. Foram usa das uma extrusora de laboratório, modelo Plastograph EC (diâmetro do canhão igual a 19 mm, com primento da rosca [L/D] igual a 25 D), fabricada pela Brabender, e uma matriz de filme plano com saída apresentando largura de saí da igual a 150 mm. Como exem plo de resina, PET (grau Rama pet N180, fabricado pela Indore ma Ventures) foi processado sob velocidade de linha igual a 0,3 m/ s, sendo quantificado o cresci mento do depósito.

A figura 3 mostra a quantidade de depósito formado devido ao comprimento do extrudado, sob diversas temperaturas da resina fundida e do rolo. Ficou claro que uma resina fundida com menor temperatura (270°C), especial mente no início do experimento, levou à formação mais rápida de depósitos do que sob temperatu ras mais altas de resina fundida. Isso provavelmente se deve ao fato de que a força de adesão en tre o depósito formado sobre o rolo e a sua superfície aumenta à medida que a diferença de tem peratura entre a resina fundida e o rolo diminui, fazendo com que os depósitos resultantes perma neçam sobre sua superfície em vez de serem arrastadas pelo fil me. Quando a resina fundida se encontra sob temperaturas altas, predomina a adesão entre o depó sito que está se formando sobre o rolo e a resina fundida, razão pela qual ele não se agrega ao depósito já formado sobre o rolo.

Fig. 3 – Visualização do mapa do depósito e crescimento médio do depósito sobre a superfície do filme em movimento. Dependendo da temperatura da resina fundida e do rolo, ocorrem diferentes níveis de formação do depósito (Fonte: IKV; gráfico: Hanser).

 

Influência da temperatura da resina fundida e do rolo

À medida que o comprimento do extrudado continua a aumentar, e no caso da resina fundida sob tempera tura mais baixa, 270°C, ocorre uma breve remoção do depósito forma do sobre o rolo. Esse efeito não é observado quando a resina fundida se encontra sob temperatura mais alta, 290°C. Pode-se, portanto, as sumir que este é um efeito de adesão induzido termicamente, no qual a adesão entre a resina fundida e o depósito formado sobre o rolo pre domina durante um curto período. À medida que o comprimento do extrudado aumenta, provavelmente se chega a uma condição assintótica de deposição (ou seja, equilíbrio entre as forças de adesão).

Até um comprimento de extru dado de aproximadamente 41 m, o aumento do depósito ocorre de for ma quase linear quando a resina fundida se encontra sob tempera tura de 290°C e o rolo está a 80°C.

Quando a temperatura da resina fundida é reduzida para 270°C, pode-se observar, de forma consis tente, e para extrudados curtos, que valores maiores da temperatura de rolo levam a uma formação mais rápida do depósito do que quando ele se encontra sob tem peraturas menores. Isso reforça a hipótese de que a força de adesão entre o depósito formado sobre o rolo e sua superfície e, portanto, também a formação do depósito sobre o rolo, aumentam à medida que a diferença de temperatura entre a resina fundida e o rolo diminui.

A formação de depósitos geral mente resulta em interações com plexas entre as forças de adesão. Condições favoráveis à condensa ção de oligômeros (resina fundida aquecida, rolo frio) levam à formação mais lenta de depósitos (figura 3). Portanto, a formação de depósitos sobre os rolos não é apenas um fenômeno termodinâmico, mas também um fenômeno mecânico de adesão. Dependendo do tipo de produto, a formação de depósitos sobre o rolo de resfriamento pode levar à degradação das propriedades do filme produzido. Como isso provavelmente é um efeito puramente superficial, as propriedades ópticas dos filmes são particularmente influenciadas.

 

O depósito formado sobre o rolo influencia o efeito de névoa

O efeito de névoa (turbidez, em baçamento, haze gloss, Glanzschleier) em um filme, também descrito como uma aparência leitosa, geral mente é uma característica inde sejável. As amostras de filmes foram examinadas cinco vezes usan do um equipamento para medição de transparência e névoa (modelo haze-hard i, fabricado pela BYK Gardner) para determinar seu grau de turbidez. Quanto maior for o valor dessa propriedade, maior será o efeito de névoa na superfície do filme (figura 4).

Fig. 4 – Influência da formação de depósito na turbidez (névoa) do filme em temperatura constante da resina fundida. Sob menores temperaturas de rolo os valores de turbidez também são mais baixos (Fonte: IKV; gráfico: Hanser).

Quando o rolo se encontrava sob temperatura de 70°C os valores de turbidez variaram entre 1 e 2,5%, com tendência descendente. Como acontece no caso da resina fundida sob temperaturas menores, a correlação não ficou evidente. O fatorr de Pearson foi igual a-0,64, correspondendo a um coeficiente de determinação R² de 0,403. Esses valores indicam uma conexão moderadamente forte entre os pares de fatores. A melhoria na transparência à medida que o depósito sobre o rolo aumentou provavelmente pode ser atribuída à melhoria na qualidade da superfície do rolo por recuperação dos defeitos superficiais.

Quando o rolo se encontra sob temperatura de 80°C é possível observar uma conexão óbvia entre os pares de dados. A forma ção do depósito sobre o rolo e o grau de turbidez apresentam fa tor de correlação produto-momento de Pearson r igual a 0,78 e um coeficiente de determina ção R² igual a 0,61. Essa condição sugere uma conexão forte. À medida que a formação de depósito sobre o rolo aumenta, a turbidez torna-se mais acentuada.

 

Conclusão

Durante a extrusão de filmes planos, dependendo da resina usada, surge um problema que consiste na formação, ao longo do tempo, de um depósito sobre os rolos de metal usados para resfriamento. Esse depósito aumenta de forma localizada e muitas vezes leva à degradação das propriedades do filme. Ensaios de extrusão revelaram correlações entre parâmetros do processo para o caso do PET e a formação resultante de depósito sobre os rolos, bem como as propriedades ópticas resultantes nos filmes extrudados.

Além disso, a formação de depósitos sobre os rolos envolve a interação entre processos de dois tipos: termodinâmico e mecânico de adesão. Durante a investigação efetuada houve uma suspeita de ligação entre a formação dos depósitos e os valores de turbidez medidos nos filmes, mas ela não se mostrou significativa. O IKV agora tem à sua disposição uma bancada de testes cientificamente precisa, na qual as interações entre plásticos e superfícies dos rolos podem ser pesquisadas com pouco dispêndio de material.

 

Agradecimentos

O projeto de pesquisa IGF 21297 N da Associação de Pesquisas em Transformação de Plásticos (Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung) é financiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF), como parte do programa para promoção de pesquisa e desenvolvimento industrial conjunto da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industrielle Gemeinschaftsforschung und-entwicklung, IGF), por meio do Ministério Federal Alemão da Economia e Proteção Climática (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, BMWK), com base em uma resolução do Parlamento Alemão. As empresas Reifenhäuser Cast Sheet Coating GmbH & Co. KG e Sabic Europe forneceram materiais para os ensaios efetuados neste projeto. Os autores gostariam de agradecer às instituições e às empresas pelo apoio.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

As referências bibliográficas deste artigo podem ser encontradas em www.kunststoffe.de/onlinearchiv.