Considerações sobre o uso de corantes líquidos

Os corantes líquidos passam atualmente por um renascimento. Eles são particularmente requeridos na coloração direta de produtos plásticos transparentes. Em comparação com os masterbatches coloridos convencionais, sistemas de corantes líquidos fornecidos com equipamentos de dosagem e programa computacional supervisório permitem uma economia de custos no processo de transformação da ordem de 10 a 40%.


C. Burkhart e K. Ullmann

Data: 11/05/2017

Edição: PI Março 2017 - Ano - 19 No 223

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Placa de PMMA colorida com corantes líquidos (foto: Polycasa)

Inicialmente, para colorir plásticos o corante em pó era incorporado diretamente no material, em grânulos ou em pó. Também era usado um ativador de adesão líquido para proporcionar melhor adesão do corante em pó aos grânulos de plástico e reduzir a emissão de particulados. Não havia mais do que isso até o desenvolvimento dos corantes em pasta ou líquidos. Estes últimos corantes precisam atender aos seguintes requisitos:

Desenvolvimento e aplicação

Fig. 1 – Fabricação de corante líquido (foto: Clariant)

Há veículos universais para os corantes líquidos, da mesma forma como ocorre com os masterbatches usados na coloração de diversas resinas termoplásticas. Geralmente são usados veículos fluidos (líquidos) concebidos sob medida para diferentes tipos de aplicações e processos de transformação com correspondentes perfis de temperatura e resinas termoplásticas especiais.

Normalmente se trabalha com cores básicas ou únicas. Nas assim chamadas cores com um único pigmento (single pigment colors, SPC), apenas um corante é disperso, sob teores altos e otimizados, no veículo que se fizer necessário. Dessa forma, se dispõe de um sistema modular de monocores para o conjunto correspondente de plásticos. Numa segunda etapa de processo, os corantes líquidos são misturados.

A aplicação de corantes líquidos ocorre de diversas maneiras:

Na fabricação de masterbatches o corante é fortemente cisalhado e solicitado termicamente durante seu processamento na extrusora com rosca dupla; isto também ocorre no caso dos aditivos. Por sua vez, a fabricação do corante líquido no tanque de dissolução e a posterior moagem fina do corante e aditivos constituem um processamento mais suave. Portanto, quando estiverem presentes componentes sensíveis na formulação, a preparação e utilização em meio líquido apresenta vantagens como, por exemplo, no caso de:

Fig. 2 – Placas de plástico transparentes coloridas usadas como proteção contra ruído (foto: Polycasa)

Ao se utilizar a versão líquida, o corante fica uniformemente distribuído no veículo (figura 1). Quando o corante líquido for acrescentado à resina original, cada grânulo dela terá sua superfície molhada por ele. Já durante a fusão, na seção de processamento da extrusora, a cor será distribuída de maneira extremamente homogênea. Dessa forma é possível conseguir uma coloração “isenta de estrias”, mesmo sob adições extremamente baixas do corante líquido. Colorações transparentes produzidas dessa forma apresentam tingimento perfeito, apesar das adições extremamente baixas de corante líquido (ver figura no início do artigo e figura 2). Isto pode ser bem observado sob condições comerciais por exemplo, na coloração de garrafas de PET (figura 3), a qual hoje usa quase exclusivamente corantes líquidos. A adição de corante líquido para cada tonalidade de cor varia de 0,02 até 0,3%.







Desde a cor até o sistema

Os primeiros sistemas de corantes líquidos frequentemente tinham um veículo muito simples do ponto de vista do comportamento de molhamento, para que pudesse ser usado um teor otimizado de agente de coloração. Por outro lado, o comportamento de migração de alguns corantes líquidos no produto final nem sempre era o melhor. A manipulação frequentemente consistia no tamboreamento direto no plástico em grânulos e nas necessárias medidas de limpeza do recipiente e do misturador.

Contudo, ao longo das décadas, foram surgindo muitos novos desenvolvimentos e modificações nesse campo. Estes aperfeiçoamentos ocorreram particularmente na adição automatizada dos corantes líquidos sem necessidade de supervisão e acompanhamento contínuos. Hoje, o mercado oferece uma ampla variedade de sistemas de dosagem com as correspondentes interfaces para integração com os equipamentos de transformação. Dessa forma, muitos problemas ocorridos no passado durante o processamento usando corantes líquidos hoje foram solucionados e encontram-se bem encaminhados.

Ainda que a utilização de corantes líquidos traga vantagens em muitos campos de aplicação – tanto do ponto de vista financeiro como do processo de transformação –, essa prática de coloração foi rejeitada em países europeus. Ainda assim, é possível reconhecer uma tendência positiva. Agora já se tem a comprovação das vantagens mencionadas nos casos em que, há alguns anos, o uso de corantes líquidos não era relevante.

A Clariant International Ltd, de Pratteln, Suíça, vem constatando taxas de crescimento da ordem de dois dígitos desde a introdução de seu sistema de corantes líquidos HiFormer. Este desenvolvimento fez sobretudo com que a empresa considerasse os corantes fluidos como um sistema integral, em que todos os componentes, bem como a aplicação, encontram-se devidamente ajustados. Contudo, é necessário considerar as condições locais dos clientes dentro desta abordagem global – por exemplo, condições de armazenamento e de transporte, equipamentos para transformação, como também o retorno dos materiais contaminados das embalagens.

Em princípio, os campos para aplicação dos corantes líquidos são as áreas de embalagens e de bens de consumo. As vantagens se encontram, como já foi descrito anteriormente, na obtenção de tons de cor transparentes e translúcidos. Conforme a aplicação, o uso de corantes líquidos pode reduzir os custos em cerca de 10 a 40% em comparação com o uso dos masterbatches convencionais. Para que esse objetivo seja conseguido, é imperativo que as bombas de dosagem utilizadas apresentem precisão máxima.

Sistemas de dosagem e programas para computador

Um componente importante do sistema HiFormer é seu dispositivo de dosagem robusto e de operação simples, o qual é comandado pelo usuário. Ele é constituído de:

No passado tais sistemas de dosagem, em sua maioria, operavam de forma volumétrica. Isso, contudo, não é mais suficientemente adequado para os níveis atuais de qualidade solicitados pelos clientes. Em todos os novos desenvolvimentos, bem como nos futuros, foi dada atenção em termos da melhoria da manutenção, precisão de dosagem e possibilidades de supervisão.

No caso específico das bombas peristálticas foi desenvolvida, por exemplo, uma bomba com seis cabeçotes, a qual possibilitou significativa redução da sua pulsação típica. Quanto à qualidade da mangueira, a Clariant efetuou extensivos ensaios com diversas combinações de valores de viscosidade de corantes e materiais. O objetivo era garantir uma interação otimizada entre o corante líquido, a bomba e o processo de transformação ao longo de toda a faixa de dosagens. O uso de bombas peristálticas é recomendado quando há trocas muito frequentes de cores.

São oferecidas no mercado bombas com parafuso helicoidal, as quais trabalham pelo princípio do parafuso excêntrico. Por conta da geometria de dosagem, a cada rotação sempre será obtido o mesmo volume, mesmo na região de altas contrapressões, com precisão de ±1% em relação à capacidade média de alimentação. As bombas com parafuso helicoidal são frequentemente recomendadas para aplicações que envolvem dosagens de quantidades mínimas ou poucas trocas de cores.

As bombas de engrenagens, geralmente também conhecidas como bombas de resina fundida, igualmente podem ser usadas para a dosagem de corantes líquidos. Elas oferecem alta precisão ao longo de toda a faixa de dosagem e podem ser integradas de forma a ocupar espaço mínimo.

Hoje os sistemas de dosagem oferecem a possibilidade de introduzir formulações específicas para o produto, de modo que, a cada reinício de produção, se possa recorrer à formulação já elaborada. O sistema de dosagem já testado e liberado pela Clariant também pode ser configurado de forma a trabalhar gravimetricamente. Isso permite abandonar a demorada calibração do sistema volumétrico ou a recorrente introdução dos dados específicos dos produtos. Naturalmente alguns sistemas também oferecem as necessárias possibilidades de supervisão, por exemplo, do nível de preenchimento do recipiente e comparação entre parâmetros ajustados/reais para conseguir uma dosagem efetiva. Ao ocorrer um desvio para baixo ou para cima dos limites de uma função de supervisão, um alarme é ativado e pode, por exemplo, ativar um alerta de incidente técnico na máquina. Além disso, o sistema pode ser conectado à rede digital local usando um programa computacional específico. Dessa forma é possível seguir, em tempo real, o consumo de corante e supervisionar os níveis dos estoques.

Diferentes processamentos de corantes líquidos

Fig.3 – Garrafas de PET coloridas usando corantes líquidos (foto: Clariant)

Além da dosagem, também merece atenção especial o local onde ela ocorrerá, ou seja, em que ponto do processo o corante líquido será adicionado. Neste caso há algumas abordagens técnicas, sendo que dentro deste trabalho serão citadas apenas as mais convencionais.

Uma possibilidade simples para introduzir corante líquido no processo de uma injetora é selecionar a zona de entrada. Para isso basta simplesmente usar uma placa adaptadora já disponibilizada pelo sistema HiFormer, a qual deve ser parafusada entre o funil e a abertura de preenchimento da injetora (figura 4, parte superior). Esta placa adaptadora disponibiliza uma tomada para uma lança de dosagem. Dessa forma se ga-rante um posicionamento otimi-zado (no meio da abertura de preenchimento) para a lança, a qual está ligada à mangueira de dosagem. Assim, sistemas de dosagem de masterbatches já existentes podem permanecer instalados. Além disso, também se mantém a possibilidade de trabalhar paralelamente com masterbatch granulado.

Em determinadas aplicações é recomendado o uso de um prémisturador na região de entrada para assegurar uma evolução uniforme de processo (figura 4, parte central). Mangueiras de ligação com válvulas apresentando fechamento automático fazem a ligação entre o recipiente e a lança de dosagem. Dessa forma se garante que, durante uma troca de recipiente ou de cor, todos os componentes possam ser substituídos sem gotejamento.

Uma outra possibilidade é a adição do corante na região de plastificação do canhão. Contudo, devido às altas pressões e temperaturas esperadas nesse local, trata-se de uma solução tecnicamente sofisticada, que precisa estar adaptada ao equipamento em uso. É necessário que tal solução seja implementada dentro de um trabalho conjunto com o fabricante da máquina. A Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery GmbH, com sede em Schwaig, Alemanha, já oferece tal sistema (figura 4, parte inferior), o qual permite que o corante seja introduzido na zona de dosagem do canhão de uma injetora, um pouco antes do bico de injeção. Essa adição do corante em um ponto mais adiante na unidade de plastificação, proposta pela Sumitomo Demag, permite reduzir as taxas de rejeição associadas às trocas de cores, bem como fazer com que elas ocorram dentro de tempos extremamente curtos. Em razão da dosagem sob alta pressão que se faz necessária nesse caso, o veículo do corante líquido precisa atender a requisitos complexos. Além disso, o sistema pode efetuar troca entre cinco cores de forma automática durante o processo de produção, sem intervenção do operador da máquina.

Veículos concebidos sob medida

Uma vez que os processos de transformação e os polímeros são aperfeiçoados continuamente, é necessário que os veículos disponíveis no mercado se adaptem a isso. Dessa forma, é importante efetuar atualizações com os fabricantes de máquinas, por conta não só do grande número de máquinas disponíveis no mercado, como também do surgimento de novos equipamentos. Só assim se garante a funcionalidade dos sistemas de coloração nos mais variados processos.

O veículo não pode, de forma alguma, influenciar negativamente nem o processo nem as propriedades finais dos produtos. Mas é verdade que no passado foram repetidamente desenvolvidos novos veículos. São oferecidas soluções compatíveis para quase todos os polímeros e seus processos de transformação conhecidos.

Não apenas os polímeros e processos de transformação, como também os óleos, componentes básicos dos corantes líquidos, precisam ser continuamente aperfeiçoados. Esses óleos otimizados podem agora contribuir para melhorar antigas formulações, que futuramente deverão ser disponibilizadas contendo quantidades cada vez menores de veículo, mas mantendo o mesmo grau de eficiência para todos os polímeros e aplicações.

Fig. 4 – Ponto de adição para corante líquido numa injetora: adição convencional (figura superior); com pré-misturador (figura central); e desenvolvimento feito pela Sumitomo Demag (figura inferior) (figura fornecida pela Sumitomo Demag)

Hoje, os assim chamados combibatches – ou seja, masterbatches de cor contendo aditivos específicos, como estabilizantes contra radiação ultravioleta, agentes de expansão e de deslizamento – são produtos disponibilizados de forma padronizada. Também aqui estão ocorrendo novos desenvolvimentos no sentido de disponibilizar, também em sistemas líquidos, toda a variedade de produtos já disponíveis nos masterbatches em forma de grânulos.

Um tema pertinente ao se utilizar corantes líquidos é a sedimentação, ou seja, a deposição de pigmentos e outros componentes ao longo do tempo. Os componentes se depositam a partir do veículo ao longo do tempo de forma mais ou menos rápida. Contudo, de forma alguma isso implica que o corante líquido não mais poderá ser utilizado. Caso tenha ocorrido a deposição de sedimentos após longos períodos de armazenamento, o conteúdo de recipientes não abertos pode ficar pronto novamente para uso por meio do acionamento de um vibrador que se encontra disponível no sistema HiFormer. Além disso, estão sendo feitos desenvolvimentos contínuos para a melhoria dos aditivos presentes no veículo, de forma a minimizar a evolução da deposição e, dessa forma, prolongar o tempo de armazenamento.

Assistênciaaos clientes técnica

No caso dos sistemas HiFormer, as embalagens, recipientes e tubulações internas contaminadas com o corante, após o esvaziamento de seus resíduos até não mais ocorrer qualquer gotejamento, podem ser encaminhados gratuitamente para empresas que efetuam seu descarte sob condições ecologicamente amigáveis. Uma vez que os corantes HiFormer não contêm nenhum material perigoso, também não há recomendações adicionais específicas a serem observadas em termos de seu transporte e armazenamento.

Mas o trabalho com corantes líquidos não se restringe à encomenda de novas cores. Sob esse aspecto a Clariant oferece seu apoio já na fase de concepção de um novo produto feito de plástico. A partir de uma seleção correta de cores, por exemplo, acompanhando as tendências da época, também se deve decidir desde o tipo de corante, líquido ou masterbatch em forma de grânulos, até a escolha dos sistemas de dosagem adequados.

Também é naturalmente importante oferecer cursos e treinamento aos transformadores. É particularmente relevante para o usuário de máquinas ser informado tanto sobre as vantagens como as peculiaridades associadas ao uso de corantes líquidos em comparação com a coloração efetuada usando-se masterbatches.

Conclusões

Considerando o contexto e desenvolvimentos aqui apresentados, é muito provável que o uso de corantes líquidos assumirá grande importância no futuro para a coloração durante a própria moldagem do produto. O uso de corantes líquidos é decisivo em muitas aplicações, em razão das vantagens, tanto técnicas como econômicas, proporcionadas por ele.