O processo InMould-Plasma (aplicação de plasma no molde) foi desenvolvido a partir de uma parceria entre a empresa Plasmatreat GmbH e o Departamento de Engenharia de Plásticos (Kunststofftechnik Paderborn, KTP) da Universidade de Paderborn, ambos na Alemanha. Os processos convencionais de aplicação de plasma consistem no tratamento da superfície de peças feitas em plástico após a fabricação delas.

O método aqui abordado se baseia em tecnologia convencional de aplicação de plasma sob pressão atmosférica, mas efetua a etapa de ativação diretamente no interior do molde, sendo indicado para a moldagem por injeção de múltiplos componentes.

 

Novas propriedades para superfícies

Fig. 1 – Plasma: o quarto estado da matéria (Plasmatreat)
 

O plasma é criado pelo acoplamento de energia em matéria gasosa. Seus átomos liberam elétrons, ele se torna ionizado e assume novas propriedades, tais como condutividade elétrica ^(1,2). Portanto, o plasma é considerado o quarto estado da matéria (figura 1). O plasma é gerado continuamente sob pressão atmosférica em um bocal específico. O gás usado nesse processo, que geralmente é ar comprimido isento de óleo, passa por uma zona de descarga onde é gerado um arco por meio de uma corrente elétrica de alta voltagem ⁽³⁾. O gás é então convertido ao estado de plasma. À medida que ele emerge do bocal, o plasma em relaxação é agrupado de maneira a formar um feixe. O bocal OpenairPlasma, fabricado pela Plasmatreat^(4,5), também se baseou neste princípio construtivo (figura 2).

Fig. 2 – Estrutura de um gerador de plasma atmosférico (Plasmatreat)
 

Nos processos convencionais de geração de plasma sob pressão atmosférica o bocal de plasma assegura uma ativação superficial uniforme pela manutenção de uma distância constante desde a superfície do substrato. A funcionalização ocorre quando o plasma entra em contato com a superfície do plástico, porque as moléculas e íons excitados no plasma possuem energia suficiente para romper as ligações entre os átomos das cadeias poliméricas ^(4-9). Geralmente, essas ligações são do tipo carbono-carbono ou carbono-nitrogênio.

 

Proteção contra reações ao oxigênio atmosférico

Os radicais resultantes reagem com as moléculas e íons excitados ou com as moléculas do ar circundante. Isso eleva a energia superficial e a polaridade das superfícies tratadas e melhora a molhabilidade do plástico tratado^(5,10-12).

Durante o tratamento com plasma sob pressão atmosférica o contato entre o plasma e o ar dá origem a reações de recombinação, levando à redução do número de moléculas excitadas no plasma e à perda de energia, fazendo com que a vida do plasma seja relativamente curta.

O processo InMould-Plasma é caracterizado pelo uso de um bocal de plasma desenvolvido recentemente, o qual é montado em flange diretamente no molde de injeção. A cavidade fechada do molde apresenta uma área livre acima da superfície plástica a ser tratada (figura 3).

Fig. 3 – Representação esquemática do processo InMould-Plasma. Ele ocorre dentro da cavidade fechada do molde (Kunststofftechnik Paderborn)
 

Antes do ciclo do plasma se iniciar, o canal de tratamento é inundado com nitrogênio puro através de uma válvula de admissão durante o período de um segundo, para assegurar uma troca completa de gás e suprimir os processos de recombinação com o oxigênio atmosférico. A introdução do nitrogênio é seguida pela ignição do bocal do plasma durante um período de tratamento pré-definido. A seguir é novamente injetado nitrogênio ao longo do canal, o qual é extraído pela saída. Assim se assegura que o plasma passe ao longo de todo o comprimento do canal e que a superfície plástica seja ativada em grau suficientemente uniforme. Durante os testes puderam ser ativados, de forma confiável, comprimentos de canal superiores a 850 mm.

 

Estudo de caso: vedação para o módulo inferior de um eletrodoméstico

Os parceiros de desenvolvimento usaram o módulo inferior de uma secadora de roupas para investigar se e como o processo InMould-Plasma poderia ser implementado industrialmente⁽¹³⁾. Esse módulo possui uma vedação integrada que precisa oferecer resistência permanente em um ambiente sob temperatura de 40 °C e umidade relativa de 100%. Além disso, a vedação é submetida a forças mecânicas e precisa suportar repetidas montagens no caso de reparos.

Anteriormente essa vedação era feita de poliuretano (PU) expandido, o qual era aplicado no piso do módulo feito de polipropileno (PP) pelo processo de vedação expandida conformada no local. Um robô dotado de controle numérico aplicava um cordão uniforme de vedação no piso do módulo. Para conseguir uma forte ligação entre o PU e o PP apolar é necessário efetuar a ativação usando plasma sob pressão atmosférica. Sem isso, a ligação entre o piso e o componente expandido macio será fraca demais e os dois polímeros não poderão ser processados.

Esse processo pode ser otimizado pelo tratamento InMould-Plasma aplicado no molde de injeção e utilizando um poliuretano termoplástico (TPU) para aplicação da vedação. O resultado disso consiste em um tempo de ciclo mais curto e na eliminação do uso de robô, como mencionado anteriormente.

 

Comprovação da resistência ao envelhecimento

Para provar que o processo InMould-Plasma cria uma ligação permanente da vedação de TPU moldada sobre o piso do módulo feito de PP, o KTP utilizou corpos de prova para descascamento duro/macio feitos com PP contendo 40% de talco como carga (PP-T40) e TPU (grau Hostacom HBC 386L cinza/Desmolpan 481, fabricado pela LyondellBasell e Covestro, respectivamente). Os corpos de prova foram feitos usando um molde de injeção modular para dois componentes com três estações, dotado de bocal de plasma desenvolvido pela Plasmatreat (figura 4).

Fig. 4 – Ferramental para a sobremoldagem de dois componentes com bocal de plasma adaptado para a produção de três corpos de prova duros/macios para ensaio de descascamento (Kunststofftechnik Paderborn)
 

Na primeira estação da placa deslizante do molde foi moldado um painel quadrado, o qual permanecia no lado do bocal no molde. A segunda estação (de plasma) era então movida para a frente do painel moldado. Ocorria a ativação parcial da superfície nas áreas expostas, com formato de serpentina – esta condução do plasma simulava a concepção de um processo envolvendo um canal de ativação com 850 mm de comprimento. Após a reabertura do molde, na terceira estação, o componente macio era moldado por injeção sobre as superfícies de contato funcionalizadas no painel da base. A geometria dos três corpos de prova resultantes, feitos em uma única etapa de injeção, se baseou na diretriz VDI 2019 para a determinação da resistência ao descascamento⁽¹⁴⁾.

 

Ligação PP/TPU com alta resistência

A ativação foi feita usando um bocal de plasma (modelo PFW30-LT) associado a um gerador de plasma modelo FG 5005 e um transformador HTR12, fabricados pela Plasmatreat. Estudos posteriores foram efetuados usando um sistema composto por um gerador de plasma FG 5005S e uma unidade para controle de plasma. O tempo de tratamento foi definido em 1 s. Foi usada uma máquina universal de testes, fabricada pela ZwickRoell (Alemanha) para executar os ensaios de descascamento subsequentes, conforme definido pela norma técnica VDI 2019. O componente feito de TPU moldado sobre o PP-T40 foi descascado sob um ângulo de 90° em relação ao plano de união⁽¹⁴⁾.

A resistência ao descascamento alcançou valor máximo de 4,2 N/mm após tratamento de plasma aplicado durante 1 s. Esse resultado foi notável, uma vez que o PP e o TPU não se unem entre si no estado não-tratado e, dessa forma, apresentam resistência ao descascamento nula na ausência do tratamento InMould-Plasma. É difícil obter ligações com alta resistência mecânica devido ao uso de talco como carga incorporada ao PP. Para outra combinação de PP/TPU (grau Moplen HP500N/Elastollan E 1185 A10, fabricados respectivamente pela LyondellBasell e BASF SE), foram determinadas resistências ao descascamento de até 16 N/mm.

 

Carregamento dos corpos de prova

O grau de resistência adesiva dos corpos de prova confeccionados pelo processo InMould-Plasma foi obtido por meio de um ensaio de condensação alternada baseado na norma técnica ISO 6270-2: Condensação (exposição em câmara climática com reservatório de água aquecida). O tempo de duração do ciclo foi de 24 h, com fase de carregamento de 8 h e uma fase de repouso de 16 h.

Durante a fase de carregamento, que ocorreu em uma câmara estanque ao vapor, a temperatura do ar foi ajustada em 40 °C e sua umidade relativa em 100%. Durante a fase de repouso foram estabelecidas condições climáticas padronizadas, a 23 °C e 50% de umidade relativa do ar. A resistência ao descascamento dos corpos de prova foi determinada após 7, 14 e 28 ciclos no ensaio de condições climáticas alternadas. Os valores obtidos foram comparados com o resultado do teste de um corpo de prova que não foi submetido a esse ciclo.

 

Grau de adesão da ligação

Para melhor caracterizar a influência do envelhecimento induzido pelas solicitações climáticas alternadas, os corpos de prova também foram envelhecidos sob condições climáticas padronizadas. Foi usado o método da tira flexionada, descrito na norma técnica ISO 22088-3, para determinar possíveis interações entre as solicitações térmicas e mecânicas. Os corpos de prova foram fixados em gabaritos de flexão com diferentes raios de dobramento (figura 5).

Fig. 5 – Condicionamento de corpos de prova com dois componentes sob diferentes raios de dobramento. A deformação da fibra exterior (å_RF) é igual a 0%, 0,8%, 1,3% e 2% (⁽¹³⁾, J. Braun)
 

Não foi observada deterioração da resistência da ligação entre o TPU e o PP-T40 nos ensaios efetuados (figuras 6 e 7), tampouco a resistência ao descascamento foi significativamente reduzida, seja pela solicitação de flexão ou pelo condicionamento. Portanto, a moldagem por injeção de dois componentes de uma vedação de TPU sobre um substrato de PP pode ser considerada uma alternativa ao processo que inclui uma etapa separada de ativação, com plasma sob pressão atmosférica seguida pela aplicação de um sistema reativo de PU.

Fig. 6 – Resistência ao descascamento para diferentes períodos de armazenamento, sem carregamento mecânico (⁽¹³⁾, J. Braun)
 

Fig. 7 – Resistência ao descascamento para graus variáveis de deformação da fibra externa (å_RF) após 28 dias de armazenamento. O armazenamento sob carga não reduziu a resistência ao descascamento ((13), J. Braun)
 

A implementação deste princípio de manufatura foi exemplificada com um molde giratório com três estações que foi exposto na edição de 2019 da Feira K, na Alemanha, em que uma vedação de TPU era moldada sobre uma base de um gabinete feito com PP em um processo neutro em termos de tempo de ciclo. A ativação do plasma ocorria na área marcada em cor vermelha (ver figura no início do artigo).

 

Conclusão

O processo InMould-Plasma é adequado para a produção industrial de compósitos de polímeros compatíveis a partir de combinações incompatíveis de materiais duros/macios usando moldagem por injeção de dois componentes. A fabricação usando esse processo, com ativação integrada de plasma e neutra em termos de tempo de ciclo, promove vantagens econômicas em relação à produção separada de componentes em duas injetoras, que demanda processo posterior de montagem ou a aplicação separada de um cordão de PU usando um robô dotado de sistema de comando numérico. Além disso, também podem ser usados polímeros commodity como materiais-base.

Enquanto neste desenvolvimento foi dada ênfase a combinações baseadas em TPU e PP, a resistência adesiva de muitas outras combinações de materiais também pode ser consideravelmente aumentada. Alguns exemplos dessas combinações são elastômeros termoplásticos, tais como os copolímeros termoplásticos em bloco de estireno (TPS) sobre poli(tereftalato de butileno) (PBT), polimetilmetacrilato (PMMA) e policarbonato (PC). Os TPUs se caracterizam pela sua boa resistência a arranhões e a óleos, além de baixa viscosidade no estado fundido, o que lhes proporciona boa fluidez e precisão na moldagem.

Isso abre espaço para possibilidades de aplicação do processo InMould-Plasma, desde o revestimento por inundação de poliuretano nas colunas A e B no interior de automóveis até vedações em gabinetes e solas de calçados.

 

Agradecimentos

Este projeto de pesquisa (com sigla ERDF-0800287) foi desenvolvido em cooperação com a empresa Plasmatreat GmbH e financiado pelo Fundo Europeu para Desenvolvimento Regional (Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, ERDF).