Novos campos de aplicação para os materiais com evolução controlada de propriedades

Foi desenvolvido no Centro de Plásticos do Sul da Alemanha (Süddeutsches KunststoffZentrum, S.K.Z.), em Würzburg, um processo contínuo para fabricação de perfis com seção redonda, os quais apresentam uma transição radial fluida entre dois materiais através da seção transversal. Essa característica abre múltiplas possibilidades para combinações de propriedades oportunas em novos campos de aplicação.


Christina Hirt, Marieluise Lang, Karsten Kretschmer, Peter Heidemeyer e Martin Bastian

Data: 25/11/2016

Edição: PI Novembro 2016 Ano 19 No 219

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Os aditivos, cargas e agentes de reforço utilizado nos plásticos normalmente são distribuídos de forma homogênea no componente após o processamento convencional por extrusão. Contudo, em muitas aplicações seria vantajoso que esses materiais se encontrassem em quantidades adequadas em áreas específicas, conforme requerido pela aplicação de forma homogênea no componente após o processamento convencional por extrusão. Contudo, em muitas aplicações seria vantajoso que esses materiais se encontrassem em quantidades adequadas em áreas específicas, conforme requerido pela aplicação exemplo, por meio da coextrusão convencional. Neste caso são estabelecidos gradientes de materiais que não apresentam uma distribuição homogênea de cargas ou de composição de materiais ao longo de uma dimensão do componente, mas sim uma distribuição heterogênea. Tem-se aqui valores de propriedades diferentes através da seção transversal do componente, definidas pela aplicação (figura 1). Desta forma é possível, por exemplo, obter perfis para aplicações externas em que a superfície ou lado exposto ao intemperismo apresente maior concentração de estabilizantes contra a radiação ultravioleta ou com ação a longo prazo, ou então melhorar as propriedades mecânicas dos perfis por meio do uso de agentes de reforço em sua região periférica.

Inspirado pela natureza

Fig. 1 – Configuração convencional de camadas obtida por meio de coextrusão em comparação com uma gradação radial

A noção para otimização dos materiais por intermédio da imposição de um gradiente não é, de forma alguma, nova. O conceito de gradação radial já é demonstrado por numerosos exemplos na natureza. Por exemplo, os talos de grama apresentam gradiente na sua fração de fibras nas direções radial e longitudinal conforme as condições do ambiente e, dessa forma, se adaptam às enormes solicitações de dobramento ali existentes(1) . Esse princípio também se encontra na estrutura dos joelhos humanos, onde o gradiente de densidade contribui para a redução de seu peso, mas mantendo nível suficientemente alto de estabilidade(2) . Há mais de mil anos são usados métodos de tratamento de aço que são muito parecidos com os atuais processos de cementação ou nitretação. Por meio da difusão de nitrogênio ou carbono a partir do exterior, os forjadores japoneses de espadas criaram gradientes de dureza sobre a sua superfície, as quais suportam as solicitações mecânicas extremas decorrentes dos choques entre essas armas(3). Materiais técnicos com gradiente já se encontram em uso desde os anos 1980, por exemplo, na área espacial. Neste caso era usado prioritariamente um par de materiais constituído por cerâmica e metal, o qual era solicitado termomecanicamente(4.5). Hoje em dia os materiais com gradiente incluem numerosas combinações que são usadas em aplicações especiais. Contudo, até o momento, poucas investigações foram desenvolvidas sobre a fabricação dos materiais com gradientes constituídos exclusivamente à base de polímeros.

Fig. 2 – Máscaras utilizadas com aberturas triangulares (centro) e circulares (parte superior), bem como “cacho” de aberturas (parte inferior)

Em razão disso, recentemente o Centro de Plásticos do Sul da Alemanha (Süddeutsches Kunststoff-Zentrum, S.K.Z.) desenvolveu um processo para a fabricação contínua de semi-produtos constituídos por materiais com gradientes. Trata-se de um perfil com seção redonda constituído por, pelo menos, dois materiais, o qual apresenta uma transição radial fluida entre os dois componentes através da seção transversal e composição homogênea na direção da extrusão.

A resina fundida

A noção de processo para a fabricação de semi-produto contínuo com gradação radial foi implementada por meio de um método inovador de extrusão. Para tanto foi selecionada e adaptada uma extrusora de configuração modular, com rosca dupla sincronizada, modelo ZSK26 Mcc, fabricada pela Coperion GmbH, de Stuttgart, Alemanha. Seu conceito se baseia em roscas sem fim apresentando comprimentos diferentes, de forma que no final da rosca mais curta o orifício do canhão se encontra fechado, fazendo com que, durante o processo, a resina fundida fique retida na câmara interna do canhão. A rosca longa possui, mais adiante desse bloqueio, dois discos, os quais apresentam padrões diferentes de abertura. A alimentação principal corresponde ao primeiro componente, enquanto a introdução do segundo componente ocorre após o primeiro disco, por meio de uma coextrusora presente no sistema. A ação do primeiro disco rotativo, a assim chamada máscara, permite gerar uma estrutura de camadas em forma espiral no fluxo de resina fundida, ao mesmo tempo em que a resina fundida correspondente ao primeiro componente é comprimida pelas aberturas da máscara rotativa e unida a partir da região externa ao segundo componente imediatamente após a máscara. Durante a implementação desse conceito de máquina ela foi dotada de dois, quatro ou seis aberturas triangulares ou redondas (figura 2, parte central e superior). Subsequentemente o fluxo de resina fundida, já subdividido de forma espiral, passa pelo segundo disco, pelo assim chamado “cacho” (cluster) de aberturas, sendo então submetido a uma homogeneização concêntrica, sendo obtida dessa forma uma evolução graduada. O “cacho” utilizado pode apresentar diferentes números e tamanho de canais (figura 2, parte inferior), conforme a análise preliminar feita em termos da influência da superfície da passagem sobre a formação dos gradientes. A configuração implementada para o processo encontra-se mostrada na figura 3.

Fig. 3 – Modificação das roscas da extrusora

Nos primeiros ensaios foi usada uma mistura de formulações negra e branca de polipropileno, o que permitiu que a gradação obtida fosse avaliada de forma visual por intermédio da evolução de cores conseguida ao longo do semiproduto.

Avaliação da gradação

A tabela 1 mostra os parâmetros variáveis de ensaio para todas as combinações de máscara e “cacho”. Posteriormente os perfis das seções transversais obtidos foram avaliados opticamente usando o programa computacional para microscopia Axio-Vision da Carl Zeiss MicroImaging GmbH, de Jena, Alemanha, o qual efetuou a análise dos níveis de cinza ao longo de uma linha, podendo determinar dessa forma a evolução dos gradientes em função dos parâmetros de processo variáveis. A escala de níveis de cinza empregada para descrever o valor de claridade de um pixel variou desde 0 (negro) até 255 (branco)(6). O programa computacional representou a evolução dos níveis de cinza tanto na forma de tabelas, como de gráficos. Os assim determinados perfis de níveis de cinza foram a seguir comparados com os idealizados.

Os ensaios executados mostraram que foi conseguida melhor formação dos gradientes ao se usar maiores velocidades de rotação nas máscaras ou “cachos”, em combinação com as máximas distâncias testadas entre a máscara e o “cacho”, uma vez que dessa forma se conseguiu um melhor efeito de mistura concêntrica dos componentes na extrusora (figura 4). A variação do número de aberturas na máscara não apresentou nenhuma melhoria significativa nos gradientes obtidos. Além disso, também a adoção das duas diferentes geometrias de abertura nas máscaras aqui utilizadas, “círculo” ou “triângulo”, não levou a diferenças significativas nos gradientes obtidos, uma vez que o sistema e a resultante diferença de pressão na seção transversal foram muito pequenos para se reproduzir as geometrias das aberturas usadas nas máscaras. A seguir foram testados três “cachos” com diferentes números e superfícies de furos, tendo sido constatado que o uso de “cachos” com maiores superfícies de passagem e menores diâmetros de canais levaram a melhores resultados em comparação com a evolução ideal de gradiente que havia sido objetivada. A utilização de polímeros com viscosidade idêntica revelou que ocorreram menores desvios em relação à evolução ideal do gradiente do que quando foram processados polímeros com viscosidades diferentes.

Esta investigação teve sucesso em comprovar a adequabilidade funcional deste processo. Com base nos resultados obtidos pode-se agora aperfeiçoar esse método promissor.

Conclusões e campos futuros para utilização

O conceito de produção contínua de um semi-produto com gradiente na direção longitudinal foi implementado e comprovado no SKZ por meio da adoção de pequenas modificações num processo de transformação já padronizado. Dessa forma foi estabelecida a base para que, no futuro, se possa fabricar semi-produtos feitos com materiais dotados de gradientes, os quais poderão apresentar múltiplas possibilidades de combinações de propriedades voltadas para numerosos campos de aplicação inovadores. Além dos campos de aplicação já descritos no início deste trabalho, poderão ser produzidos componentes contínuos, como fibras ópticas para a transmissão de ondas na faixa de frequências do terahertz por meio do ajuste da fração de cargas ou do índice de refração. Novas evoluções de cores para designs individuais ou indicadores de desgaste em componentes também serão igualmente viabilizados por meio desse novo processo. Com a utilização de aditivos e cargas condutoras será possível no futuro obter gradientes de resistência elétrica, tendo-se assim um núcleo condutor e camadas externas progressivamente isolantes. Aditivos antimicrobianos na camada externa de corrimãos garantem proteção consistente, mesmo se ocorrerem danos mecânicas à superfície.

Fig. 4 – Seções transversais de perfis obtidos em extrusoras com máscara dotada de aberturas triangulares sob velocidades de rotação de 60, 200 e 500 rpm (da esquerda para a direita) e com distâncias entre máscara e “cacho” de 25 mm (à esquerda) ou 45 mm (foto central e à direita)

As múltiplas possibilidades de aplicação, junto com os resultados positivos dessa investigação, indicam que esta inovação apresenta grande potencial. Há fundamentos suficientes para motivar investigações complementares sobre esse novo processo usando essa matriz para extrusão recentemente desenvolvida.

Agradecimentos

O projeto de pesquisa IGF1024-0002 foi apoiado pela Secretaria Estadual da Baviera para Economia, Infraestrutura, Trânsito e Tecnologia (Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie) por intermédio da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industrielle Gemeinschaftsforschung und entwicklung, IGF). Os autores manifestam seu profundo agradecimento pelo apoio financeiro.