Desenvolvimento de tecnologia de extrusão para indução de microestrutura controlada em materiais poliméricos

Abstract

As propriedades finais de componentes extrudidos dependem das características inerentes ao polímero e da microestrutura criada durante o processamento (cristalinidade, textura, orientação molecular, etc.). Contudo, as técnicas convencionais de processamento, neste caso a extrusão, permitem controlar limitadamente aqueles parâmetros, uma vez que as respectivas janelas operatórias são relativamente estreitas. Por este motivo, revela-se particularmente interessante desenvolver tecnologias que permitam induzir, de forma controlada, a microestrutura final dos componentes produzidos, conseguindo assim melhorias significativas no desempenho de produtos, nomeadamente na rigidez e na resistência, nas propriedades barreira e na estabilidade dimensional. O presente trabalho centra-se no desenvolvimento de tecnologias de extrusão que permitam controlar a morfologia final obtida em tubos. Uma vez que no processo de extrusão convencional o número de parâmetros passíveis de serem controlados é reduzido, torna-se necessário introduzir no processo novas variáveis capazes de aumentar o controlo sobre a morfologia final. Para o efeito foram seleccionadas duas tecnologias: a tecnologia de rotação do mandril e a tecnologia de vibração. Foram desenvolvidos e construídos equipamentos capazes de reproduzir experimentalmente as condições pretendidas durante o processo de extrusão. No caso da tecnologia de rotação foram modeladas as condições termomecânicas do fundido no interior da fieira quando se sobrepõe ao fluxo de pressão o escoamento de corte criado pela rotação do mandril. O modelo analítico, adaptado de estudos anteriores, foi alargado para considerar o caso da parede interior do canal de escoamento ser adiabática e a sua solução modificada de modo a poder determinar o binário necessário para rodar o mandril a velocidade constante e a queda de pressão gerada no interior da fieira. O modelo foi posteriormente validado experimentalmente e utilizado para prever o estado termomecânico do fundido durante o escoamento no interior da fieira. Em termos de processamento foram identificadas as janelas operatórias quando é introduzida a rotação do mandril no processo. Os tubos produzidos a diferentes temperaturas de extrusão foram caracterizados mecânica e morfologicamente, permitindo estabelecer relações processamento – morfologia – propriedades. A extrusão rotacional revelou grandes potencialidades em termos de controlo da morfologia dos tubos produzidos, especialmente quando realizada a baixa temperatura de extrusão. A aplicação de rotação provou ser um meio eficiente para o controlo da formação de esferulites do tipo-β o que permitiu modelar as propriedades finais dos tubos em função das propriedades desta fase e da fracção presente nos extrudidos. Foi estudada ainda a influência da aplicação de gradientes térmicos, permitindo inclusive que o tubo solidifique no interior da fieira sob a acção da rotação do mandril. Os resultados experimentais obtidos revelaram mais uma vez as grandes capacidades da técnica para produzir morfologias específicas. Relativamente à tecnologia de vibração, o equipamento desenvolvido permite a aplicação de vibrações na gama de frequências ultrasónicas de modo a evitar soluções construtivas demasiado complexas, embora se tenha revelado que a utilização desta gama de frequências levanta outro tipo de problemas, nomeadamente em termos de acoplamento aos distintos componentes. Os estudos centraram-se na influência da aplicação de regimes vibratórios sobre as condições de processamento e a respectiva janela operatória, assim como nas possíveis alterações dos extrudidos a nível morfológico. Verificou-se que a aplicação de regimes oscilatórios permite reduzir a queda de pressão gerada ao longo da fieira e melhorar o aspecto superficial dos extrudidos. Paralelamente, foi observado um aumento da temperatura do fundido, sendo que em determinadas condições de processamento se verificou uma redução do índice de fluidez do fundido, revelando a ocorrência de degradação térmica e/ou mecânica do polímero. Na busca pelos mecanismos responsáveis pelo efeito da aplicação de regimes vibratórios, foi ainda possível constatar que as ondas oscilatórias são transmitidas a toda a massa do fundido, não se limitando apenas à superfície do mesmo, e que a propagação das mesmas depende ainda da pressão do fundido no interior do canal de escoamento. Em termos morfológicos, a aplicação de vibrações ultrasónicas favorece a formação de diferentes estruturas cristalinas, entre as quais as esferulites do tipo-β.

The final properties of extruded parts depend on the intrinsic characteristics of the polymer used and on the microstructure created during processing (crystallinity, texture, molecular orientation, etc.). However, conventional processing techniques – extrusion in the present case – allow a very limited control over these parameters since processing windows are relatively narrow. For this reason, it is of particular interest to develop technologies that allow inducing and controlling the microstructure created during extrusion. Thus, parts with improved performance can be obtained, namely with increased stiffness and strength and with better dimensional stability. The present work focuses on the development of extrusion technologies allowing the control of the final morphologies present in after extruded pipes. Since the number of controllable parameters is very limited in conventional extrusion, it is necessary to introduce new process variables. For this purpose two technologies have been chosen: rotational extrusion and vibration technology. The required equipments were designed and manufactured in order to generate experimentally the conditions to be studied. In the case of rotational extrusion, an analytical model was developed to predict the thermomechanical conditions undergone by the melt inside the die when a drag flow due to mandrel rotation is superimposed to the pressure flow. The model, adapted from previous studies, was extended to consider the case when the inner channel wall is adiabatic and modified to predict torque and pressure drop. The model was then validated with the use of the experimental equipment, operated in the same conditions used during modeling, and later used to predict the thermomechanical state during processing. In terms of processing, the operating windows were identified when mandrel rotation is introduced. The pipes produced at different extrusion temperatures were characterized morphologically and mechanically, enabling the establishment of processing – morphology – properties relationship. Rotational extrusion revealed great potential in terms of morphology control during pipe production, especially when operated at low extrusion temperatures. The use of rotational extrusion was able to control the formation of β-spherulites, allowing the tailoring of final properties as a function of phase fraction and properties. The influence of applying thermal gradients was also studied, allowing the pipe to solidify inside the die under the action of mandrel rotation. The experimental results obtained revealed, once again, great possibilities to control pipe morphology. As for the vibration technology, the equipment developed allows the application of ultrasonic frequencies, avoiding complex mechanical solutions for the experimental equipment. However, it was soon found that the level of energy involved poses new problems in terms of coupling the different components. The work was centered on the study of the influence of applying vibration regimes superimposed on the processing conditions on the correspondent operating window, as well as on possible morphological changes. The way oscillatory regimes are applied influences the reduction of pressure drop along the die and the improvement of the surface quality of extrudates. Also, an increase in melt temperature was observed, and under specific operating conditions, a reduction in MFI was measured, indicating a possible thermal and/or mechanical degradation. When searching for the underlying mechanisms, it was found out that oscillatory waves are transmitted to the bulk of the melt, and their propagation depends also on the pressure inside the flow channel. In morphological terms, the application of ultrasonic vibrations promotes the formation of different structures, including β-spherulites.