Resolução de problemas de fratura por fusão na extrusão: um guia completo

A fratura de fusão é um desafio comum no processo de extrusão, manifestando-se como uma superfície áspera ou irregular nos produtos de plástico. Este defeito ocorre quando o polímero fundido sofre uma comportamento stick-slip¹ na parede da matriz, interrompendo o fluxo suave e afectando a qualidade de artigos como películas, tubos e perfis. Indústrias como a da embalagem, construção e automóvel deparam-se frequentemente com este problema, o que torna essencial a resolução eficaz de problemas.

A fratura da massa fundida na extrusão é um defeito de superfície causado pelo comportamento stick-slip na parede da matriz, levando a superfícies irregulares em produtos plásticos como películas e tubos.

Compreender e resolver a fratura de fusão é fundamental para manter uma produção de alta qualidade e eficiência operacional. Este guia analisa as suas causas, classificações, métodos de resolução de problemas e estratégias práticas para o ajudar a resolver este problema de forma eficaz.

O que é a fratura por fusão na extrusão?

A fratura de fusão, por vezes referida como "pele de tubarão" ou "molho de maçã", é uma imperfeição superficial em produtos plásticos extrudidos caracterizada por rugosidade ou irregularidade. Resulta do facto de o polímero fundido se colar e escorregar alternadamente da parede da matriz durante a extrusão, interrompendo o fluxo laminar.

Classificações da fratura por fusão

A fratura de fusão pode ser classificada de vários ângulos:

• Perspetiva do processo: Surge durante o processo de extrusão, particularmente na fase de moldagem, em que o polímero fundido é forçado a passar por um molde para formar a sua forma final.

• Perspetiva dos materiais: Os polímeros viscoelásticos - aqueles com propriedades viscosas e elásticas - são os mais afectados. Os polímeros de elevado peso molecular com distribuições estreitas de peso molecular, como o polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) e o polietileno de alta densidade (HDPE), são especialmente propensos.

• Perspetiva das aplicações: Aparece frequentemente em produtos como películas (por exemplo, películas de embalagem), tubos (por exemplo, sistemas de abastecimento de água), perfis (por exemplo, caixilhos de janelas) e fios ou cabos, com impacto em indústrias como a das embalagens, da construção e automóvel.

Onde é que a fratura por fusão ocorre habitualmente?

A fratura da massa fundida tende a surgir em contextos específicos de extrusão, influenciados pela indústria e pelo tipo de produto:

• Extrusão de película LLDPE: Muito utilizadas em embalagens, as películas de PEBDL apresentam frequentemente fracturas de fusão, com a aparência de "pele de tubarão" ou "molho de maçã", o que compromete a clareza e a qualidade.

• Extrusão de tubos PEAD: Na construção, os tubos de PEAD podem apresentar fratura por fusão, afectando a suavidade da superfície e a resistência estrutural.

• Extrusão de fios e cabos de fluoropolímero: Os fluoropolímeros como o PTFE, utilizados para o isolamento elétrico, podem sofrer fracturas por fusão a elevadas taxas de extrusão, degradando a qualidade do fio.

Estes exemplos sublinham a importância de abordagens de resolução de problemas personalizadas, adaptadas a polímeros e aplicações específicos.

Quais são os prós e os contras dos diferentes métodos de resolução de problemas?

Existem várias estratégias para atenuar fratura de fusão²Cada um com os seus próprios pontos fortes e limitações. O quadro seguinte compara estes métodos:

Esta comparação ajuda a selecionar o melhor método com base no custo, na eficácia e na viabilidade operacional.

Quais são os principais passos no processo de extrusão em que ocorre a fratura da massa fundida?

O processo de extrusão compreende várias fases, sendo a fratura da massa fundida mais provável na saída da matriz. Aqui está o fluxo de trabalho com os principais passos e parâmetros:

1. Alimentação: Os granulados de polímero são introduzidos na extrusora.

   • Parâmetros: Taxa de alimentação, consistência do material.

2. Fusão e mistura: O polímero é derretido e homogeneizado no cilindro através de um parafuso.

   • Parâmetros: Temperatura do barril, velocidade do parafuso, eficiência da mistura.

3. Bombear através da matriz: O polímero fundido é moldado forçando-o através de um molde - onde a fratura da fusão surge frequentemente devido às elevadas taxas de cisalhamento.

   • Parâmetros: Taxa de cisalhamento, geometria da matriz (relação comprimento/diâmetro, conicidade), temperatura da matriz.

4. Arrefecimento e solidificação: O extrudado é arrefecido para fixar a sua forma.

   • Parâmetros: Taxa de arrefecimento, método de arrefecimento (ar ou água).

A fase de moldagem da matriz é o ponto crítico, com a taxa de cisalhamento, a temperatura e a conceção da matriz a desempenharem papéis fundamentais.

Como é que os diferentes materiais afectam a fratura da fusão?

As propriedades do polímero influenciam significativamente a suscetibilidade à fratura por fusão:

• Polímeros de elevado peso molecular: O LLDPE e o HDPE são mais propensos devido à maior elasticidade e resistência ao fluxo, aumentando a tensão de cisalhamento na parede da matriz.

• Distribuição estreita do peso molecular: Os polímeros de comprimento de cadeia uniforme podem fluir menos suavemente sob alto cisalhamento, aumentando o risco.

• Ramificação e aditivos: Os polímeros ramificados (por exemplo, LDPE) comportam-se de forma diferente dos lineares, enquanto os aditivos como o nitreto de boro podem suprimir a fratura por fusão reduzindo a tensão extensional.

• Sensibilidade à temperatura: Temperaturas mais altas podem elevar a taxa de cisalhamento crítica, reduzindo a suscetibilidade em alguns polímeros.

A seleção do material correto e o ajuste das condições do processo em conformidade podem minimizar os riscos de fratura por fusão.

O que é uma lista de verificação de projeto para minimizar a fratura de fusão?

Utilize esta lista de verificação para conceber e operar um processo de extrusão que reduza a fratura da massa fundida:

1. Desenho da matriz: Optar por uma relação comprimento/diâmetro (L/D) adequada e entradas cónicas para aumentar a taxa de cisalhamento crítica.

2. Temperatura de processamento: Manter uma gama de temperaturas óptima para o polímero, normalmente aumentando-a para diminuir a viscosidade e retardar a fratura.

3. Taxa de extrusão: Manter a taxa abaixo do limiar crítico de cisalhamento.

4. Utilização de Auxiliares de processamento³: Incorporar auxiliares como PPAs ou nitreto de boro para melhorar a janela de processamento, especialmente a taxas elevadas.

5. Manutenção de ferramentas: Assegurar que o molde está limpo e isento de contaminantes para evitar a exacerbação do stick-slip.

Como tomar decisões na resolução de problemas de fratura de fusão?

Siga esta árvore de decisão para uma resolução sistemática de problemas:

1. Observar o extrudado: Verificar fratura de fusão⁴ (por exemplo, superfície áspera e irregular).

2. Verificar a taxa de extrusão: Reduzir se exceder a taxa de cisalhamento crítica.

3. Avaliar a temperatura: Aumentar se for demasiado baixo para melhorar o fluxo e reduzir a viscosidade.

4. Avaliar a conceção da matriz: Modificar (por exemplo, afunilamento, ajuste da relação L/D) se os parâmetros forem óptimos.

5. Inspecionar a contaminação: Limpar o molde ou ajustar os materiais se houver contaminação.

6. Consultar especialistas: Procurar ensaios reológicos⁵ ou aconselhamento do fornecedor se o problema persistir.

Esta abordagem estruturada garante uma resolução eficiente dos problemas.

Quais são as tecnologias relacionadas com a fratura por fusão?

A fratura por fusão partilha desafios reológicos com outros métodos de processamento de polímeros:

• Moldagem por injeção: Altas taxas de cisalhamento na porta do molde podem causar marcas de fluxo, semelhantes à fratura da massa fundida.

• Calendário: Os defeitos de superfície semelhantes à fratura por fusão podem ocorrer a altas velocidades na produção de chapas.

• Moldagem por sopro: A fratura de fusão no parison durante a extrusão pode afetar o produto final.

• Impressão 3D por modelação por deposição fundida (FDM): As instabilidades de fluxo relacionadas com a extrusão podem afetar a adesão da camada e a qualidade da superfície.

Os conhecimentos obtidos com estas tecnologias podem informar as estratégias de gestão das fracturas de fusão.

Conclusão

A resolução eficaz de problemas de fratura por fusão na extrusão é vital para a produção de produtos de plástico de alta qualidade. Ao compreender as suas causas, classificações e estratégias de atenuação, pode melhorar a sua processos de extrusão⁶. Aplique a lista de verificação do projeto e o quadro de tomada de decisões aqui descritos para obter resultados consistentes e sem defeitos.