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Co-extrusão
A co-extrusão consiste no processamento simultâneo de, pelo menos, dois materiais em outras tantas extrusoras (ou de um mesmo material com aditivações distintas), que são enformados numa única cabeça de extrusão. Produzem-se assim produtos multi-camada, isto é, pretende-se salvaguardar a existência de camadas paralelas de materiais distintos segundo a espessura da parede e não preparar um novo material a partir da mistura dos componentes. Deste modo, esta tecnologia pretende aumentar as especificações dos produtos e/ou diminuir o seu custo, uma vez que a utilização de um polímero de elevado desempenho (e preço) pode agora ser substituída pela combinação de diversos polímeros que, no seu todo, satisfazem as especificações (e baixam o custo, pois os polímeros mais caros são agora aplicados em menores quantidades).
A embalagem alimentar tem sido particularmente beneficiada com o desenvolvimento da co- extrusão, uma vez que é possível desenvolver filmes/folhas complexos (constituídos por 3 a 10 camadas) combinando materiais que têm boas propriedades de barreira ao oxigénio e/ou ao vapor de água, com outros facilmente seláveis, ou que proporcionem boa impressão, que sejam resistentes à abrasão, etc.
O conceito de co-extrusão tem sido progressivamente aplicado a praticamente todos os tipos de linhas de extrusão e mesmo a outras tecnologias de processamento.
Co-extrusão - Requisitos dos Materiais
Apesar das vantagens já referidas, a opção pela co-extrusão exige a selecção cuidada dos polímeros a combinar:
i) os materiais de camadas adjacentes não devem ser miscíveis entre si porque, nesse caso, tenderiam a misturar-se e formar um novo sistema polimérico com desempenho distinto do pretendido; por outro lado, os materiais também não devem ser totalmente imiscíveis porque, nesse caso, haveria falta de adesão entre as camadas e, portanto, estas tenderiam a separar-se. Em conclusão, os materiais devem ser quimicamente compatíveis entre si, formando uma interface forte e estável.
ii) Quando dois polímeros são incompatíveis, mas as suas características são favoráveis à aplicação pretendida, pode introduzir-se entre ambos um terceiro material (conhecido como adesivo) compatível com os dois (geralmente um ionómero). Na prática, esta solução obriga a que o produto resultante tenha mais camadas do que as previstas inicialmente. iii) Como são combinados numa só cabeça de extrusão, os polímeros devem ter temperaturas de processamento similares. Por exemplo, deve evitar-se que um material exiba viscosidade excessiva devido à baixa temperatura a que está a ser processado, enquanto outro inicia a sua degradação; iv) O comportamento reológico dos fundidos adjacentes também deve ser similar. Com efeito, se as viscosidades forem demasiado distintas, o material menos viscoso inicia um processo de encapsulamento do mais viscoso, dificultando assim a obtenção de filme ou folha em que as camadas individuais têm espessura uniforme e são paralelas. De igual modo, se o grau de elasticidade de dois polímeros for muito diferente, podem formar-se instabilidades na interface entre ambos (ondulações superficiais em forma de Z), que afectam a transparência global.
Co-extrusão - Escoamento nas cabeças
Durante o escoamento através da cabeça de co-extrusão, os materiais podem ser obrigados a escoar: i) separadamente, isto é, em canais de fluxo independentes, sendo a colagem entre as camadas provocada após a extrusão, antes do arrefecimento. Neste caso, os fundidos podem ter características reológicas distintas, mas a adesão entre as diferentes camadas é dificultada pelo início do arrefecimento e a relativa falta de compressão, motivo pelo que esta opção é adoptada raramente; ii) separadamente durante quase todo o comprimento da cabeça, juntando-se as frentes de fluxo na fieira. Esta técnica permite processar materiais com reologia distinta e a junção dos materiais efectua-se sob pressão, o que facilita a formação de um extrudido resistente. Devido à existência de diversos canais de fluxo independentes, a maquinagem destas ferramentas é dispendiosa. Frequentemente, a localização relativa de cada camada/material pode ser alterada substituindo o distribuidor que é montado a montante da cabeça, ou a própria construção da cabeça (de natureza modular);
são solicitados segundo o seu comprimento e a largura, mas a orientação molecular prevalece na direcção do primeiro. Mesmo no caso do filme tubular, onde a insuflação do balão induz algum nível de orientação circunferencial, o balanço entre as duas direcções de orientação pode não ser adequado: os vulgares sacos de plástico são geralmente muito mais resistentes ao transporte de produtos pesados – solicitação axial – do que volumosos e com arestas vivas – solicitação transversal. Quando um tubo é sujeito a pressão interior, desenvolvem-se tensões normais axiais e circumferenciais (mas a resistência às segundas não foi promovida). Os fabricantes de equipamento resolveram estas dificuldades criando linhas de extrusão com bi- orientação onde, como o nome indica, se induz, de forma controlada, orientação em duas direcções preferenciais. Regra geral, o processo passa pela extrusão e arrefecimento de um “pré-extrudido” com secção transversal similar à pretendida, mas dimensões distintas, o seu reaquecimento (a uma temperatura entre a de transição vítrea e a de fusão), a bi-orientação, o arrefecimento e o corte/enrolamento.
Bi-orientação - Filme tubular No caso do filme tubular, extrude-se/co-extrude-se verticalmente um tubo (designado por primário) com uma espessura relativamente elevada, que é calibrado e arrefecido por uma corrente de água. O tubo primário é então conduzido por meio de diversos pares de rolos para a parte superior da linha, onde é re-aquecido em fornos de radiação, até atingir a temperatura adequada à bi-orientação. É então simultaneamente estirado axialmente e insuflado (cerca de 6 vezes em cada direcção) por meio de rolos de puxo e da injecção de ar no interior, respectivamente, formando um balão cuja espessura é cerca de 40 vezes inferior à do tubo primário. Depois de arrefecido por acção de anéis de arrefecimento e do ar ambiente, é planificado e cortado/enrolado.
Bi-orientação - Filme plano As linhas para bi-orientação de filme plano são particularmente complexas, estando disponíveis tecnologias similares, mas com algumas variantes. Após extrusão/co-extrusão do filme, este é arrefecido. Na etapa seguinte, o filme é re-aquecido (de modo a atingir a gama temperatura de transição vítrea – temperatura de fusão) e estirado na direcção longitudinal, por meio de rolos de puxo a juzante que giram a velocidade mais elevada que os a montante, sendo novamente arrefecido. Para efeitos de orientação segundo a largura, o filme é de novo aquecido e agarrado nas suas extremidades por um conjunto de amarras de aperto mecânico, que se afastam progressivamente, enquanto avançam ao longo da linha (a velocidades até cerca de 400 metros/minuto). Após ter-se induzido o nível adequado de orientação molecular (correspondente a
razões de estiramento de cerca de 3-6 vezes em cada direcção), a velocidade das amarras diminui ligeiramente, para permitir alguma relaxação molecular. As amarras libertam o filme, recuam na linha e actuam de novo.
Bi-orientação -Tubagem
Curiosamente, e apesar da importância do mercado, a bi-orientação de tubagens encontra-se tecnologicamente mais atrasada que a de filme plano e de filme tubular. As dificuldades práticas são de facto significativas, pois como qualquer defeito superficial ou descentragem da parede do tubo primário é ampliada durante a bi-orientação, pode colocar-se em risco a resistência do produto em serviço. Algumas (poucas) empresas procedem à bi-orientação de tubagem em PVC rígido, após extrusão convencional. Apesar da elevada rigidez deste material à temperatura ambiente, a sua ductilidade aumenta significativamente a temperaturas ligeiramente superiores à de transição vítrea, proporcionando a possibilidade da bi-orientação. Assim, numa das soluções desenvolvidas, o tubo é fixo entre amarras e imerso numa tina de água. A água é aquecida e, uma vez atingida a temperatura adequada, é aplicada pressão interior (dando-se a correspondente expansão do tubo) enquanto as amarras se afastam (estirando o tubo longitudinalmente), de modo a proporcionar a orientação pretendida. A água quente é então substituída por água fria. Os processos de orientação em linha (isto é, incorporados na linha de extrusão) são ainda mais raros. Um exemplo consiste em puxar o tubo extrudido a velocidade mais elevada que a de extrusão ao longo de um mandril divergente, aquecido no cone e arrefecido na secção paralela. A razão de puxo e a divergência do mandril determinam o grau de bi-orientação.
