2010000203.pdf, Resumos de Materiais

Baixe 2010000203.pdf e outras Resumos em PDF para Materiais, somente na Docsity!

Universidade de

Aveiro

Departamento de Engenharia Mecânica

TIAGO REBELO NUNES

DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO PARA INJECÇÃO DE TERMOENDURECÍVEIS COM REFORÇO

o júri

presidente Prof. Dr. Robertt Angelo Fontes Valente Professor auxiliar da Universidade de Aveiro

Prof. Dr. Fernando Jorge Ventura Antunes Professor auxiliar da Universidade de Coimbra

Prof. Dr. Francisco José Queirós de Melo Professor associado da Universidade de Aveiro

Prof. Dr. Carlos Alexandre Bento Capela Professor adjunto do Instituto Politécnico de Leiria

agradecimentos Aos professores Francisco José Malheiro Queirós de Melo e Carlos Alexandre

Bento Capela pela orientação, pelo incansável apoio e dedicação que tiveram para comigo ao longo deste trabalho. Ao Eng. Artur Mateus do CDRsp, pelo apoio para concretizar o trabalho proposto. Ao Eng. Marco Santos, do Departamento de Electrónica pela ajuda no desenvolvimento do controlo do equipamento. Ao Rui Santo e Nuno Santo da RMC pelo sabedoria transmitida e apoio no desenvolvimento do equipamento Ao Mestre Pedro Sinogas e à Tekever pelo tempo concedido na elaboração deste trabalho.

Este trabalho foi possível graças ao apoio de: CDRsp – Centro de Desenvolvimento Rápido e sustentado do Produto. IPL – Instituto Politécnico de Leiria RMC ENGRENAGENS

keywords Reactive extrusion, twin screw, termoset, fillers, laboratorial machine, extruder.

abstract Currently, the integration of inorganic or organic fillers in thermosetting matrix

composites, is a subject under investigation, whether the need to pursue sustainable policies, and also the possibility of obtaining composite materials with specific characteristics. This creates new challenges regarding the processing of these compounds. It‘s about of this type of technology that this work focuses. A different approach to processing is studied, design, put into operation and tested. The employ of a twin self wiping screw extruder is used as a polymerization reactor, reactive extrusion, where also is mixed the fillers in high volume fractions. The characterization of the equipment is taken into account before processing of polyurethane compounds with organic fillers, cork pine powder and inorganic fillers, thermoplastic from domestic recycling. Samples of these compounds are analyzed in terms of density, homogeneities and their mechanical properties. It is concluded that the equipment is effective in promoting mixing and homogeneous polymerization, thus, more valuable as a process available for this type of compounds. Although machining of the screws should be reviewed because some material is stick on the surface of their channel.

i

Índice

Índice ..............................................................................................................................................i Lista de Figuras ............................................................................................................................. ii Lista de Tabelas............................................................................................................................. v

• Capítulo 1 Introdução.............................................................................................................. Lista de Siglas vi
  • 1.1 Introdução
  • 1.2 Objectivos e estrutura da tese
• Capítulo 2 Materiais e Técnicas de Processamento de Termoendurecíveis com e sem cargas
  • 2.1 Introdução
  • 2.2 Materiais Poliméricos
  • 2.3 Termoplásticos ...............................................................................................................
  • 2.4 Materiais Termoendurecíveis .........................................................................................
  • 2.5 Cargas ...........................................................................................................................
  • 2.6 Processos comerciais de processamento .......................................................................
    • 2.6.1 Cabeças de mistura ..............................................................................................
  • 2.7 Extrusão reactiva ...........................................................................................................
  • 2.8 Extrusora .......................................................................................................................
• Capítulo 3 Desenvolvimento e Fabrico do Equipamento MixFill ..............................................
  • 3.1 Introdução ......................................................................................................................
  • 3.2 Motivações e Requisitos.................................................................................................
  • 3.3 Sistema Mixfill ................................................................................................................
  • 3.4 Extrusora MixFill.............................................................................................................
  • 3.5 Sistema de bombagem dos dois componentes poliméricos ............................................
  • 3.6 Sistema de controlo da extrusora MixFill ........................................................................
• Capítulo 4 Resultados Experimentais .....................................................................................
  • 4.1 Introdução ......................................................................................................................
  • 4.2 Avaliação do desempenho da extrusora MixFill ..............................................................
  • 4.3 Materiais processados e caracterização .........................................................................
• Capítulo 5 Conclusões e trabalhos futuros .............................................................................
  • 5.1 Conclusões ....................................................................................................................
  • 5.2 Trabalhos Futuros ..........................................................................................................
• Referências..................................................................................................................................

iii

Figura 25 Desenho esquemático de uma extrusora (Ito et all 2004)......................................... 35 Figura 26 Classificação das extrusoras pelo número de fusos (Kohlgruber 2008) .................... 36 Figura 27 Corpo de um extrusora da ZSK, monobloco (esquerda) e bloco com inserto (direita) (Kohlgruber 2008) ................................................................................................................... 37 Figura 28 Configurações de extrusoras: (a) fuso único, (b) co-misturadora, (c) modo de mistura sem engrenamento, (d) modo de transporte sem engrenamento, (e) contra-rotação engrenamento completo, (f) co-rotação engrenamento completo, (g) contra-rotação cónica e (h) auto-limpeza em co-rotação (Janssen 2007) ........................................................................... 37 Figura 29 Secções de fuso, da esquerda para a direita, fuso com lobo único, fuso de duplo lobo e fuso de três lobos (Kohlgruber 2008) .................................................................................... 39 Figura 30 Material proveniente da reciclagem doméstica e industrial....................................... 43 Figura 31 Exemplo da aplicação de um pavimento com termoplástico reciclado (Extruplas

2009. ...................................................................................................................................... 44 Figura 32 Metodologia para encontrar os requisitos do produto (Completo 2008) .................... 45 Figura 33 Esboço do equipamento MixFill ............................................................................... 47 Figura 34 Esquema do princípio de funcionamento da extrusora de duplo fuso MixFill ............ 48 Figura 35 Desenho em CAD 3D da extrusora de duplo fuso desenvolvida (MixFill).................. 48 Figura 36 Protótipo MixFill desenvolvido e fabricado para o processamento de materiais poliméricos com elevadas fracções volúmicas de cargas. ....................................................... 49 Figura 37 Evolução das características das extrusoras de duplo fuso engrenado da ZSK (Kohlgruber 2008) ................................................................................................................... 50 Figura 38 Geometria da extrusora de duplo fuso com auto-limpeza (Janssen 2007) ................ 51 Figura 39 Construção da Geometria dos fusos de uma extrusora de duplo fuso em auto- limpeza (Janssen 2007) .......................................................................................................... 52 Figura 40 Corpo e fusos da extrusora desenvolvida ................................................................ 53 Figura 41 Superfícies dos fusos com problemas de acabamento superficial ............................ 54 Figura 42 Fusos montados no corpo da extrusora, com chumaceiras e rolamentos axiais. ...... 54 Figura 43 Distribuição do factor de segurança para a situação crítica considerada (bloqueio dos fusos com material solidificado). .............................................................................................. 55 Figura 44 Distribuição de deslocamentos para a situação crítica considerada (bloqueio dos fusos com material solidificado)............................................................................................... 56 Figura 45 Pormenor do sistema de transmissão ...................................................................... 56 Figura 46 Folha de cálculo para dimensionamento das engrenagens ...................................... 57 Figura 47 Pormenores do sistema mecânico de processamento da extrusora MixFill. ............. 58 Figura 48 Sistema mecânico do processamento da extrusora MixFill: componentes maquinados. ........................................................................................................................... 58 Figura 49 Imagem da aplicação do kit de vedantes em “viton” ................................................. 60 Figura 50 Imagem do programa de dimensionamento das correias dentadas e de polias ........ 61 Figura 51 Desenho do sistema de bombagem e sistema de armazenamento .......................... 61

iv

Figura 52 Circuito do sistema de bombagem ........................................................................... 62 Figura 53 Displays de controlo dos 3 VEV, colocados numa zona ergonómicamente correcta. 64 Figura 54 Esquema eléctrico da MixFill ................................................................................... 65 Figura 55 Quadro eléctrico da extrusora MixFill ....................................................................... 66 Figura 56 Folha de cálculo para as frequências dos VEV em função dos caudais pretendidos 69 Figura 57 Ensaios de variação da velocidade de rotação versus frequência. ........................... 70 Figura 58 Variação da velocidade de rotação versus frequência para o alimentador de cargas. ............................................................................................................................................... 71 Figura 59 Variação da velocidade de rotação versus frequência para as bombas dos dois componentes do termoendurecível (A e B) .............................................................................. 71 Figura 60 Resultado de um teste de caudal ao sistema de bombagem da MixFill .................... 72 Figura 61 Alterações efectuadas ao alimentador de cargas (Esq. posição de trabalho; dir. posição de medição de caudal) ............................................................................................... 73 Figura 62 Material agarrado aos canais dos fusos e ao corpo da extrusora ............................. 74 Figura 63 Fotografias dos vários materiais processados na extrusora MixFill .......................... 76 Figura 64 Balança e dispositivo usado para calcular as densidades das amostras do material processado na MixFill ............................................................................................................. 77 Figura 65 Equipamento de DMA ............................................................................................. 78

vi

Lista de Siglas

CAD – Computer aided design

CAM – Computer aided manufacturing

CFC – Clorofluorcarboneto

CNC – Comando Numérico Computorizado

CO2 – Dióxido de Carbono

DMA – Dynamic Mechanical Analysis

ESTG – Escola Superior de Tecnologia e Gestão

IPL – Instituto Politécnico de Leiria

L/D – Comprimento do fuso / Diâmetro do fuso

MEKP – Peróxido de metiletilcetona

PEAD – Polietileno de alta densidade

PEBD – Polietileno de baixa densidade

PID – Controlador proporcional integral derivativo

PU – Poliuretano

RIM – Reaction injetion molding

Tg – Temperatura de transição vítrea

TIM – Termoplastic Injection Moulding

VEV – Variador Electrónico de Velocidade

VMAP – Versatile Moisture Adsorbing Polymers

Desenvolvimento de equipamento para injecção de termoendurecíveis com reforço

Tiago Rebelo Nunes 1

Capítulo 1 Introdução

Desenvolvimento de equipamento para injecção de termoendurecíveis com reforço

Tiago Rebelo Nunes 3

Alguns destes materiais processados serão caracterizados mecanicamente.

1.2 Objectivos e estrutura da tese

O objectivo central deste trabalho de investigação, consiste no desenvolvimento

de um novo conceito de processamento de termoendurecíveis com cargas, utilizando o

princípio da extrusão reactiva, que irá ser apresentado no capítulo 2, e utilizado na

produção de materiais compósitos. Esta técnica irá permitir desenvolver novos materiais,

compósitos com diferentes fracções volúmicas de cargas. Para tal, o sistema deverá

processar materiais termoendurecíveis com cargas, tendo sempre em conta que se trata

de um equipamento laboratorial para pesquisa, ou seja, o mais flexível possível para

permitir o processamento de materiais com fracções volúmicas de fillers diferentes.

O trabalho de investigação realizado para a concretização deste objectivo incidiu,

essencialmente, nas seguintes partes:

 Tecnologias existentes para o processamento de materiais termoendurecíveis com

cargas;

 Concepção do sistema Mixill, selecção de componentes, projecto, fabrico e

montagem;

 Caracterização de materiais processados utilizando o equipamento, de forma a

avaliar o processo/equipamento desenvolvido.

Este trabalho de investigação será desenvolvido ao longo de cinco capítulos. No

primeiro capítulo é feita uma introdução ao tema da tese de dissertação, onde são

descritos os objectivos, assim como os principais materiais e equipamento em foco

essenciais nesta investigação.

Desenvolvimento de equipamento para injecção de termoendurecíveis com reforço

Tiago Rebelo Nunes 4

No capítulo 2 é desenvolvido um trabalho de pesquisa relativo às técnicas de

processamento existentes de materiais termoendurecíveis com fillers. O objectivo deste

capítulo é dar a conhecer as tecnologias existentes que podem ser utilizadas para

processar materiais de matriz polimérica com fillers.

No capítulo seguinte, capítulo 3, são apresentados os equipamentos existentes

relacionados com este trabalho, tecnologias de fabrico utilizadas na construção do

equipamento, projecto mecânico, detalhes de construção, e são também justificadas as

várias opções de construção consideradas.

No capítulo 4 são indicados os diferentes materiais processados com o

equipamento MixFill. O material utilizado nos ensaios de avaliação do equipamento foi o

poliuretano. As cargas utilizadas no processamento são partículas de material

termoplástico proveniente de uma unidade de tratamento de resíduos e também

partículas cortiça. São, também, descritas as técnicas de caracterização utilizadas.

Por último, no capítulo 5, são expostos e discutidos os resultados obtidos assim

como se deixam em aberto oportunidades para eventuais trabalhos de investigação a

realizar no futuro.

Desenvolvimento de equipamento para injecção de termoendurecíveis com reforço

Tiago Rebelo Nunes 6

2.1 Introdução

O sistema MixFill nasceu de um conjunto de princípios, que surgiram no decurso

da investigação de soluções existentes para o processamento de termoendurecíveis com

e sem cargas. Neste capítulo, irão ser expostos processamentos disponíveis para estes

materiais, algumas soluções comerciais e outras de cariz académico.

No trabalho de pesquisa realizado, foram encontradas várias soluções com

diferentes objectivos. No entanto, cada equipamento posteriormente descrito, comunga

em pelo menos um requisito com o sistema aqui criado, a MixFill.

2.2 Materiais Poliméricos

Os materiais poliméricos são leves e resistentes, práticos e versáteis, duráveis e

relativamente baratos. São uma constante do nosso dia, o que os torna muito

importantes na sociedade actual. Muitos dos objectos utilizados no nosso dia-a-dia são,

parcialmente ou na sua totalidade, de plástico. O desenvolvimento tecnológico, associado

à crescente evolução no mundo da química orgânica, tem possibilitado um notável nível

de procura, descoberta e utilização de materiais plásticos. De facto, as suas excelentes

propriedades, versatilidade e diversas formas, possibilitam um vasto leque de aplicações,

tornando-o num produto moderno, apetecível e cada vez mais importante. Sectores

como os de utilidades domésticas, brinquedos e construção civil, até aos que empregam

tecnologias mais sofisticadas, como os de saúde, informática, electrónicos, automóveis,

militar e aviação, entre outros, têm vindo a ampliar a utilização desta matéria-prima nos

seus produtos.

Um polímero é uma substância constituída por moléculas de grandes dimensões

(macromoléculas), caracterizadas pela repetição de uma ou mais unidades de dimensões

inferiores, ligadas entre si por ligações covalentes. As unidades repetitivas dos polímeros

unem-se de modo a formar uma estrutura linear ou ramificada. As ramificações podem

ainda interligar-se e formar uma rede tridimensional reticulada.

Desenvolvimento de equipamento para injecção de termoendurecíveis com reforço

Tiago Rebelo Nunes 7

Os polímeros podem ser classificados em homopolímeros, se tiverem apenas um

tipo de unidade repetitiva de monómeros da mesma natureza, ou copolímeros, se

contiverem duas ou mais unidades repetitivas. Podem obter-se diferentes tipos de

copolímeros em função da forma como as moléculas de monómeros se unem entre si.

Assim, as unidades podem ser distribuídas aleatoriamente, alternadas, em blocos, ou

ramificadas, permitindo que estas combinações, dêem origem a polímeros com

diferentes propriedades baseados nas estruturas obtidas.

Na Figura 1 estão apresentadas formas esquemáticas de um homopolímero, de

um copolímero aleatório, de um copolímero alternado e de um copolímero em bloco.

Figura 1 Homopolímero e copolímero (QMCWEB).

Em função da natureza química dos polímeros, e da técnica utilizada na

polimerização, os polímeros podem exibir diferentes tipos de estruturas. Os mais comuns

são os de estrutura linear, ramificada ou em rede. A Figura 2 ilustra o polietileno de alta

densidade (PEAD), uma molécula de cadeia longa e linear, feita pela polimerização do

etileno, um composto cuja fórmula estrutural é CH2=CH2.