O poli(cloreto de vinila) (PVC) é uma das resinas mais utilizadas. Ele é empregado sobretudo no setor de construção civil, para a fabricação de tubos e conexões, perfis rígidos ou para janelas, filmes rígidos e placas, cabos, pisos etc(1). No entanto, o processamento do PVC difere significativamente do que é adotado para as outras resinas termoplásticas. Neste caso, antes da transformação propriamente dita, deve ser elaborada uma mistura seca em um processo descontínuo em lotes. Só então o PVC pode ser processado em uma extrusora para se obter produtos semiacabados, como folhas, chapas, perfis ou tubos. A produção de misturas secas geralmente é feita usando misturadores com aquecimento e resfriamento (HKM). A rotação da ferramenta de mistura faz com que os componentes pulverulentos da formulação de PVC sejam misturados e aquecidos, permitindo que os aditivos se difundam nos grânulos de PVC.

Este processo de elaboração de mistura seca consome muita energia e implica um alto custo. Outra desvantagem do processamento clássico de PVC é a combinação de um processo descontínuo, ou seja, a elaboração de misturas secas, e de um processo contínuo, a extrusão. Isso faz com que haja um grande potencial de economia associado à simplificação de todo esse processo. Por esse motivo, o Centro de Plásticos da Alemanha Meridional (Süddeutsches Kunststoff-Zentrum – SKZ) e a empresa Entex Rust & Mitschke GmbH, fabricante de extrusoras com rolos planetários, pesquisaram, dentro de um projeto conjunto, o potencial do processamento de PVC rígido sem elaboração prévia de mistura seca, desenvolvendo um processo de extrusão direta.

Extrusão direta de PVC rígido sem a produção de mistura seca.

 

Potencial de economia proporcionado pela extrusora com rolos planetários

As extrusoras com rolos planetários (PWE) são um tipo de máquina adequado para explorar esse potencial de economia. Elas já são utilizadas há muito tempo na transformação de PVC. No início da década de 1950, as crescentes demandas nessa área levaram ao desenvolvimento desse tipo de equipamento, o qual pode processar a mistura seca de PVC com suavidade. A ideia principal por trás do desenvolvimento desta máquina foi transferir o conceito dos já conhecidos moinhos de mistura, que trabalham de forma descontínua, para um equipamento contínuo. Na extrusora com rolos planetários, vários fusos planetários giram em torno de um fuso central sob temperatura controlada, dentro de um canhão cuja temperatura também é controlada (Figura 1). Nas máquinas modernas, vários desses módulos são conectados de forma sequencial. Além disso, também podem ser integrados dispositivos periféricos, como alimentadores laterais de eixo duplo, injetores de líquidos e sistemas de desgaseificação (Figura 2). A modularidade do equipamento, em combinação com sua grande superfície para controle de temperatura do material e o bom efeito de mistura dos fusos planetários rotativos, permite dispensar a elaboração de mistura seca antes da extrusão de PVC ao se usar a extrusora com rolos planetários(2, 3).

Fig. 1 – Representação esquemática de um módulo de processo da extrusora com rolos planetários: vários fusos planetários giram em torno do fuso central sob temperatura controlada em um canhão também sob temperatura controlada (Fonte: Entex; Gráfico: Hanser).

Fig. 2 – Nos modelos atuais de extrusora com rolos planetários os vários módulos de processo são conectados em série. Também podem ser integrados sistemas adicionais para otimizar os processos (Entex).

A Entex, em um projeto anterior, já havia investigado a adequação da extrusora com rolos planetários para o processamento direto de PVC plastificado. Para atender a esse objetivo, foi montado e testado um sistema com dois módulos (Figura 3). No primeiro módulo, a superfície dos grânulos de PVC era rompida por rotação sob calor moderado, permitindo assim a difusão dos aditivos. Estabilizantes e aditivos são prensados mecanicamente sobre o grão. Isso encurta os caminhos de difusão. Consequentemente, os estabilizadores atuam de forma rápida. Além disso, a degradação inicial da formulação de PVC é evitada pelo rígido controle de temperatura.

Fig. 3 – O uso de extrusoras com rolos planetários com dois módulos já foi comprovado no caso do PVC plastificado. Alguns ajustes foram necessários para se efetuar a transformação de PVC rígido (Fonte: Entex, SKZ; Gráfico: Hanser).

A fusão ou gelificação, e a homogeneização, ocorrem em ambos os módulos. No entanto, a primeira seção da extrusora é crucial para isso. A introdução de energia mecânica e térmica deve ser dimensionada com cuidado para evitar degradação das macromoléculas do PVC, que ainda se encontra insuficientemente estabilizado. Isso requer a seleção de uma configuração adequada para os fusos planetários. O tipo e o número de fusos planetários influenciam tanto a introdução de energia mecânica quanto os efeitos de mistura dispersiva e distributiva. Também o perfil de temperaturas desempenha um papel importante, porque há uma linha tênue entre uma velocidade suficiente de difusão e danos térmicos. Outros fatores de influência importantes são a velocidade de rotação e o diâmetro do anel de dispersão. No segundo módulo também é possível desgaseificar a resina fundida. Essa tecnologia já foi estabelecida com sucesso para a granulação de PVC plastificado (PVC-P) e material para alimentação de calandras.

 

Desafios na configuração da linha de extrusão direta

Com base na viabilização bem sucedida do processamento direto de PVC plastificado na extrusora com rolos planetários, o projeto conjunto com a SKZ teve como objetivo verificar se o conhecimento então obtido poderia ser transferido para o PVC rígido (PVC-U, não plastificado). O objetivo do projeto foi extrudar o PVC rígido diretamente na extrusora com rolos planetários, sob aquecimento constante, sem produção preliminar de mistura seca. A implementação no caso do PVC rígido é significativamente mais complexa do que com o PVC plastificado. As formulações de PVC rígido não incluem plastificantes e, por isso, os sólidos puros são deslocados desde o início. Além disso, deve ocorrer um controle de temperatura do processo ainda mais preciso do que no caso do PVC plastificado. Simultaneamente deve ser assegurada boa dispersão de todos os componentes para poder garantir o atendimento aos requisitos das propriedades mecânicas. Além disso, geralmente as pressões reinantes ao se processar o PVC rígido são significativamente maiores do que no caso do PVC plastificado.

A configuração da extrusora com rolos planetários em dois módulos serviu de base para o sistema de extrusão direta. Uma vez que a extrusora de rolos planetários pode não alcançar pressão suficiente para a extrusão do perfil, também foi necessário dimensionar e testar uma unidade para aumento de pressão que fosse adequada para o caso do PVC rígido (Figura 4).

Fig. 4 – Diagrama esquemático da linha de extrusão direta para PVC rígido: uma unidade para elevação de pressão integrada fornece a pressão necessária para a extrusão (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

 

Grânulos de PVC como alternativa às misturas secas

Foi analisado, desde o início do projeto, em que medida a extrusora com rolos planetários é adequada para a transformação contínua de PVC rígido. Para isso, três formulações de PVC foram preparadas e testadas de forma diferente. A primeira formulação (HKM) foi produzida de acordo com o processo clássico em lotes, usando um misturador com aquecimento e resfriamento, sendo disponibilizada na forma de mistura seca. A segunda formulação (HKM+PWE) também foi produzida usando um misturador com aquecimento e resfriamento e adicionalmente granulada na extrusora com rolos planetários. No caso da terceira formulação (PWE), os componentes individuais da formulação foram pré-misturados a frio (mistura fria), processados na extrusora com rolos planetários e então granulados. Foi selecionada para as investigações uma formulação padronizada de PVC para perfis de janelas que é comum na SKZ. As três formulações foram então transformadas em perfis em uma extrusora com rosca dupla contra rotativa (DSE). Foram extraídos corpos de prova correspondentes a partir dos perfis extrudados, os quais foram ensaiados para caracterizar sua estabilidade térmica e propriedades mecânicas.

Para analisar a estabilidade do PVC foi determinado, entre outros ensaios, o peso molecular médio, usando cromatografia de permeação em gel. O peso molecular médio das três amostras situou-se no mesmo patamar (Figura 5). Portanto, não houve degradação das cadeias poliméricas em nenhuma das amostras.

Fig. 5 – Resultados da análise cromatográfica de permeação em gel dos testes feitos com a extrusora com rolos planetários de dois módulos: a massa molar média das três amostras foi praticamente idêntica (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

Para avaliar as propriedades mecânicas foram realizados ensaios de tração, bem como a determinação da resistência ao impacto Charpy. A resistência à tração da amostra PWE foi ligeiramente menor em comparação com as outras duas amostras (Figura 6). No entanto, foi verificada uma significativa degradação das propriedades mecânicas quando se determinou a resistência ao impacto (Figura 7). Enquanto as amostras HKM e HKM+PWE mantiveram-se no mesmo patamar, a amostra PWE apresentou queda significativa na resistência ao impacto. Provavelmente isso se deve à dispersão insuficiente das cargas. Essa ocorrência pode ser evitada aumentando o número de módulos da extrusora com rolos planetários para três. Dessa forma os grânulos de PVC podem ser produzidos usando-se este processo, sem efetuar a mistura prévia do material para se obter uma mistura seca.

Fig. 6 – A amostra PWE apresentou resistência à tração ligeiramente inferior à das amostras processadas nos outros dois processos (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

 

Qual equipamento para aumento de pressão é adequado?

Para a granulação do extrudado que foi efetuada aqui é necessária uma pressão de aproximadamente 30 bar. Esse nível de pressão pode ser facilmente conseguido usando a extrusora com rolos planetários. Por outro lado, níveis de pressão significativamente mais altos são necessários no caso da extrusão de produtos semiacabados. Para usar a extrusora com rolos planetários puramente como um misturador contínuo de preparação para extrusão direta é necessário que ela seja desacoplada da elevação de pressão. Portanto, uma unidade de aumento de pressão também se faz necessária para efetuar o processamento sob temperatura constante.

A princípio, uma bomba de engrenagem, extrusora com rosca simples ou extrusora curta com rosca dupla contra rotativa podem ser usadas para aumentar a pressão. Após consulta a vários fabricantes de bombas de engrenagem, ficou estabelecido que elas não são adequadas para a extrusão direta de PVC rígido porque, sob operação contínua, o risco de degradação dessa resina nos mancais é muito alto. Testes efetuados com extrusoras com rosca dupla contra rotativa disponíveis na SKZ mostraram que, no caso de uma transferência sem pressão, não se garantiu uma passagem de resina fundida em grau suficiente. A passagem através da linha de resina fundida falhou devido à pressão que se faz necessária para atravessá-la. O flangeamento direto de um contra rotor não pôde ser implementado neste projeto devido a questões de tempo e custo. Mesmo que esta variante seja interessante do ponto de vista do processo, o foco se manteve, portanto, no aumento de pressão usando uma extrusora com rosca simples.

Fig. 7 – Nos testes de impacto Charpy a amostra PWE apresentou resultado significativamente aquém das outras duas. No entanto, se forem utilizados três módulos no equipamento, em vez de dois, obtém-se valores melhores (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

Os parceiros do projeto optaram então por usar uma extrusora com rosca simples 120 da Entex, com relação L/D (L sendo comprimento do canal de fluxo e D o diâmetro da rosca) igual a 5,5, a qual também é usada para aumentar a pressão durante a extrusão de PVC plastificado ou resinas contendo fibras de madeira. Ao contrário das extrusoras convencionais para plastificação convencional, esta é alimentada com resina fundida e possui controle de temperatura usando fluido, o que garante um bom controle da temperatura da resina fundida.

Um protótipo de linha foi montado no centro técnico da Entex. Para se investigar o aumento de pressão, foram realizados testes de extrusão direta usando matriz com perfil simples e geometria de saída variável sem calibração. Foram testados três diferentes cenários de mistura para extrusão direta. O primeiro cenário envolveu o uso de formulação pronta (mistura quente) que foi elaborada no misturador com aquecimento e resfriamento. O segundo cenário envolveu o emprego de pré-mistura sem introdução de energia (mistura fria). Já no terceiro cenário a formulação foi dividida entre três dosadores para reproduzir a adição de componentes individuais.

Fig. 8 – O sistema aqui implantado tornou possível a extrusão direta de PVC rígido utilizando extrusoras com rolos planetários (SKZ).

 

Ensaios bem-sucedidos no protótipo de linha

A capacidade para elevação de pressão dos diferentes dosadores foi examinada por meio de mistura a quente. A pressão máxima, de aproximadamente 180 bar, pôde ser obtida usando um bico oval medindo 32 mm x 4 mm. Com este bocal foi possível alcançar pressão muito próxima à de uma matriz para perfis. Na próxima etapa foi feito o teste da mistura a frio na planta. Ao manter o mesmo nível de vazão mássica, a mistura a frio de PVC mostrou-se tão homogênea após a passagem na extrusora com rolos planetários e na extrusora com rosca simples quanto no teste de referência com a mistura a quente. Neste teste, também se conseguiu manter a pressão de aproximadamente 180 bar. Finalmente foi realizado o teste com componentes individuais. Também se obteve neste caso uma mistura homogênea de PVC, e com o mesmo rendimento (Figura 8). Conseguiu-se assim atingir a pressão de aproximadamente 170 bar. Os resultados mostraram que a extrusora com rolos planetários é muito adequada para o processamento de PVC sem que seja necessário elaborar previamente a mistura seca. Os testes também demonstraram que a extrusão direta de PVC é possível, desde que seja usado um equipamento adequado para aumento de pressão.

Com este processo, a Entex e a SKZ viabilizaram a produção contínua de PVC granulado sem a elaboração preliminar de mistura seca. As formulações elaboradas neste processo apresentam propriedades mecânicas e térmicas comparáveis a uma mistura seca produzida de forma descontínua. Além disso, foi montado e testado um protótipo de linha para extrusão direta de PVC no centro técnico da Entex, cuja operação foi bem-sucedida. No futuro os resultados deste trabalho conceitual serão utilizados na implantação de uma linha de extrusão direta para a produção de perfis rígidos de PVC.

 

Agradecimentos

O projeto conjunto “Desenvolvimento de uma unidade para aumento de pressão em extrusoras de rolos planetários para mistura seca e uma linha de demonstração de extrusão de perfil”, desenvolvido pela SKZ e Entex, foi financiado pelo Ministério Federal Alemão de Economia e Tecnologia (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie) com base em uma resolução do Parlamento Federal Alemão, como parte do Programa Central de Inovações para Empresas de Médio Porte (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, ZIM) (código do financiamento: ZF4026625EB7). Os autores agradecem o apoio financeiro.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

As referências bibliográficas deste trabalho podem ser encontradas no seguinte endereço da internet: http://www.kunststoffe.de/onlinearchiv.


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