Guia de Moldagem
Guia de Moldagem para as resinas da DuPont Minlon ® e Zytel ® ™
Conteúdo 1. Introdução............................................................................................................................ 03 Moldagem de nylon por injeção................................................................................................ 03 Famílias de nylon DuPont.......................................................................................................... 03 Precauções de operação............................................................................................................. 03 Efeitos térmicos.......................................................................................................................... 03 Emissão de gases e partículas..................................................................................................... 04 Informações sobre segurança..................................................................................................... 04 Riscos de escorregamento.......................................................................................................... 04 Operação de moagem................................................................................................................. 04 2. Características do Polímero Fundido................................................................................. 05 Estrutura de material.................................................................................................................. 05 Calor específico.......................................................................................................................... 05 Viscosidade do polímero fundido............................................................................................... 06 Fluidez do polímero fundido...................................................................................................... 07 Estabilidade do polímero fundido...............................................................................................08 Caracterização do polímero fundido com moldes instrumentados............................................ 08 3. Manuseio do Material.......................................................................................................... 10 Transporte do material................................................................................................................ 10 Manuseio de resinas de nylon.................................................................................................... 10 Efeito da umidade....................................................................................................................... 12 Secagem...................................................................................................................................... 12 Coloração.................................................................................................................................... 13 Controle da Qualidade................................................................................................................ 14 4. A Máquina de Injeção.......................................................................................................... 16 Requisitos da máquina................................................................................................................ 16 Design da máquina......................................................................................................................16 Manutenção e precauções de segurança..................................................................................... 20 5. Projeto do Molde.................................................................................................................. 21 Material do molde...................................................................................................................... 21 Os sistemas de alimentação........................................................................................................ 21 Saídas de gases........................................................................................................................... 23 Contrasaídas.............................................................................................................................. 24 Circuito de refrigeração.............................................................................................................. 24 Moldes de câmara quente........................................................................................................... 24 6. Condições de Moldagem..................................................................................................... 27 Temperatura do polímero fundido............................................................................................. 27 Perfil de temperatura do cilindro............................................................................................... 27 Temperatura do Bico.................................................................................................................. 27 Velocidade e pressão de injeção................................................................................................ 28 Pressão e tempo de recalque...................................................................................................... 29 Velocidade de dosagem da rosca e contrapressão...................................................................... 30 Descompressão.......................................................................................................................... 31 Temperatura do molde............................................................................................................... 31 Tempo de resfriamento.............................................................................................................. 32 Extração..................................................................................................................................... 32 7. Funcionamento da Máquina de Injeção........................................................................... 33 Partida......................................................................................................................................... 33 Interrupção do ciclo................................................................................................................... 33 Parada......................................................................................................................................... 33 Purga........................................................................................................................................... 33 8. Considerações Dimensionais de Moldagem e Pós-Moldagem......................................... 34 Contração de moldagem............................................................................................................ 34 Efeito da absorção de umidade nas dimensões......................................................................... 35 Contração Pós-Moldagem e recozimento................................................................................... 36 Empenamento............................................................................................................................ 36 Tolerâncias................................................................................................................................. 36
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1. Introdução Famílias de nylon DuPont As resinas de nylon Zytel® são classificadas pela sua composição química nos seguintes grupos:
Este manual é composto por duas partes. A primeira parte apresenta uma visão abrangente do processo de moldagem por injeção de nylon. O objetivo é o de proporcionar uma melhor compreensão sobre o que ocorre durante o processo de moldagem. As informações referentes aos fenômenos e processamento de polímeros foram elaboradas para possibilitar uma comparação entre as diversas características de diferentes famílias de nylon ao invés de características detalhadas de grades específicos. A seção “Moldagem de nylon por injeção” contém maiores informações sobre a subdivisão das diversas famílias de nylon.
– – – – – –
Nylon 66 Nylon 6 Copolímero de Nylon 66/6 Blenda de Nylon 66 + 6 Nylon 6.12 Nylon amorfo transparente
As principais propriedades das resinas de nylon Zytel® são: – Alta resistência mecânica – Excelente balanço de rigidez e tenacidade – Bom desempenho sob altas temperaturas – Boas propriedades elétricas e de flamabilidade – Boa resistência à abrasão e química.
A segunda parte é composta por tabelas ilustrando os parâmetros mais importantes e recomendados para o processo de moldagem por injeção. A seguir, é apresentada uma relação completa da linha de resinas de nylon da DuPont.
Propriedades como ponto de fusão, absorção de umidade e módulo de elasticidade são determinadas principalmente pelo tipo de nylon. O peso molecular do nylon determina a viscosidade do fundido e a resistência ao impacto.
Moldagem de nylon por injeção Apesar do fato das resinas de nylon Minlon® e Zytel® serem comercializadas por mais de 50 anos, continua sendo importante otimizar as condições de moldagem para se obter o máximo das propriedades disponíveis nestes materiais. Basicamente, o processo envolve o aquecimento e o cisalhamento dos grânulos sólidos até sua fusão, a transferência deste material fundido para um molde e a sua manutenção sob pressão até que se cristalize.
Além disso, o nylon pode ser facilmente modificado e reforçado, permitindo a obtenção de uma variedade de produtos com características personalizadas para processos e usos específicos. As principais famílias dos nylon Zytel®, descritas neste manual, são as seguintes: – Sem reforço – Tenazes/Supertenazes – Reforçados com fibras de vidro – Reforçados com carga mineral – Reforçados com carga mineral/fibras de vidro – Auto-Extinguíveis – Alta viscosidade/extrusão – Especialidades.
Cada tipo de nylon possui as suas próprias características específicas de processamento que devem ser consideradas e compreendidas antes que seja moldado, para que se obtenha o nível de qualidade desejado. As condições de moldagem afetam consideravelmente a qualidade da peça, alterando características tais como a resistência nas linhas de emenda, aparência superficial e a estabilidade dimensional. As condições ótimas de moldagem para qualquer grade são determinadas através da combinação das características de processamento dos polímeros utilizados, com a dos modificadores e aditivos, que possuem suas próprias características reológicas.
1.1 Precauções de operação Assim como no caso da maioria das resinas termoplásticas, a moldagem das resinas Zytel® reforçadas com fibras de vidro e Minlon® é uma operação simples e segura. A boa prática recomenda que os seguintes riscos potenciais sejam considerados: * Efeitos térmicos * Emissão de gases e partículas * Riscos de escorregamento
O conhecimento básico destas características reológicas auxilia na compreensão das influências que as alterações de um parâmetro de moldagem exercem na qualidade das peças moldadas. A Seção 2 aborda este tema. As recomendações contidas neste manual são aplicáveis à maioria dos nylons da DuPont. Com o objetivo de simplificar as diretrizes de moldagem, possibilitando que sejam de fácil leitura, os grades foram classificados sob tipos genéricos.
1.1.1 Efeitos térmicos O contato da pele com as resinas Zytel® reforçadas com fibra de vidro e Minlon® fundidas pode provocar queimaduras graves. Isto pode acontecer quando formam-se gases em excesso, gerando alta pressão no cilindro da máquina e, consequentemente, risco de explosão, liberando polímero fundido através do bico ou do funil de alimentação. 3
1.1.2 Emissão de gases e partículas Durante as operações de secagem, purga, moldagem e moagem, são liberadas pequenas quantidades de gás e de partículas. Como regra geral, recomenda-se uma ventilação local por exaustão durante o processamento das resinas Zytel® e Minlon®, assim como para todas as resinas plásticas. Uma taxa de exaustão de aproximadamente 5 m3 ar/min por kg/h de resina processada mantém a concentração de partículas e de gases bem abaixo do limite de 5 mg/m3 quando o processamento for executado dentro dos parâmetros recomendados (moldagem, purga e secagem). Para mais detalhes consulte o manual “Utilização Adequada de Exaustão Durante o Processamento de Plásticos” publicado pela DuPont.
Para minimizar as probabilidades de um acidente, as instruções fornecidas neste manual devem ser cuidadosamente observadas. Os riscos potenciais devem ser previstos e eliminados ou minimizados através do estabelecimento dos seguintes procedimentos, incluindo a utilização de equipamentos e roupas próprias de proteção. Não permita que a resina permaneça na máquina de injeção por mais de 15 minutos na temperatura de moldagem. Caso esta situação ocorra, por exemplo, durante uma interrupção prolongada de ciclo, mantenha-se particularmente alerta durante o processo de purga. Leia cuidadosamente o Capítulo 7: Funcionamento da máquina de injeção. Ao executar a purga, certifique-se de que a bomba de alta vazão esteja desligada e que a proteção do bico esteja encaixado corretamente. Reduza a pressão de injeção e acione várias vezes de modo intermitente o botão de injeção minimizando a possibilidade de ocorrência de acúmulo de gás no cilindro, o que causaria uma expulsão violenta do polímero fundido. Coloque o material da purga em um recipiente com água para suprimir a exalação de gases e o odor.
1.1.3 Informações sobre segurança A DuPont fornece as Fichas de Segurança de Material (MSDSs) a seus clientes juntamente com o pedido inicial de compras e sempre que forem revisadas. As MSDSs incluem informações sobre componentes perigosos, riscos à saúde, procedimentos de emergência e de primeiros socorros, procedimentos de descarte e informações sobre armazenamento.
Havendo suspeita de degradação1 de resina em qualquer momento, o conjunto de injeção deve ser recuado, a projeção do bico posicionado e o cilindro esvaziado. Após o início da rotação da rosca, deve-se introduzir um material de purga adequado (polietileno de alta densidade). A temperatura pode então ser gradualmente reduzida e a máquina desligada. Veja “Purga” no Capítulo 7: Funcionamento da máquina de injeção, para maiores detalhes.
1.1.4 Riscos de escorregamento Os grânulos das resinas Zytel® e Minlon® podem provocar escorregamento no caso de serem derramados no piso. Qualquer derramamento deve ser limpo imediatamente. 1.1.5 Operação de moagem Ao executar qualquer operação de moagem, além da utilização de um equipamento com sistemas de segurança adequados, a instalação deve proporcionar uma proteção adequada contra ruído e poeira. Devem ser utilizadas telas, filtros e ventilação em condições adequadas de operação. Os operadores devem utilizar equipamentos de proteção individual (EPI) apropriados, incluindo luvas e protetores faciais.
Caso, ao acionar o comando de injeção ou de rotação da rosca, não seja verificado fluxo de material, o bico pode estar obstruído. Neste caso, desligue as resistências do cilindro e observe as práticas de segurança preestabelecidas. Sempre considere que pode haver gás sob alta pressão confinado no cilindro, com a possibilidade de liberação inesperada. Um protetor facial e luvas de mangas longas devem ser usados nestas condições. Antes de reiniciar a operação, tanto a máquina como o material devem ser avaliados para determinação da causa da degradação. Na eventualidade do polímero fundido entrar em contato com a pele, resfrie a área afetada imediatamente com água fria ou com uma bolsa de gelo e procure auxílio médico especializado em queimaduras. Não tente retirar o polímero da pele. Consulte as Fichas de Segurança do Material (MSDS) para referências. Para informações adicionais telefone para o número indicado nas Fichas de Segurança do Material (MSDS). Devido ao fato das resinas Zytel® e Minlon® necessitarem de secagem a altas temperaturas, o contato com funis, silos ou tubulações de ar quentes pode resultar em queimaduras graves. O isolamento térmico destes componentes reduz esta possibilidade.
1
Escape excessivo de gás pelo bico, polímero severamente descolorado, rosca recuando além do limite traseiro estabelecido, etc.
4
2. Características do polímero fundido
A Fig. 1 mostra algumas curvas experimentais de volume específico de Zytel® sem reforço. No estado fundido, o volume específico é muito maior que no estado sólido. Durante a moldagem, a resina fundida é mantida sob pressão, tipicamente a 70 MPa, o que significa que há uma alteração menor do volume durante a cristalização nesta condição em relação a quando a pressão é zero. A contração é o resultado direto da cristalização da resina fundida.
As características físicas de um polímero fundido definem as condições em que deve ser moldado. Dentre estas podemos citar: * A estrutura molecular, que é basicamente semi-cristalina, e as diversas alterações que ocorrem com as variações de temperatura e pressão. * A quantidade de energia (calor específico e calor latente).
Fig. 1 Diagrama de Pressão-Volume-Temperatura (volume específico em função da temperatura e pressão)
* O comportamento de fluxo do material fundido e especificamente a viscosidade, como o parâmetro reológico mais importante.
1,10
P=
ZYTEL® 103 HSL NC-10
0
* A velocidade de cristalização da resina. * A estabilidade da resina, especificamente sob altas temperaturas e na presença de água.
30
1,05
volume específico cm 3/g
2.1 Estrutura do Material 2.1.1 Cristalinidade A maioria das poliamidas possui uma estrutura semi-cristalina. Isto significa que uma proporção do polímero se solidifica em uma certa estrutura ordenada e uniforme. O restante se solidifica em um estado amorfo, sem uniformidade.
60 80 100 120
1,00
150
MPa
0,95
0,90
Durante o processo de cristalização, as moléculas se agrupam em cristais que normalmente se juntam uns aos outros, formando esferolitos com até 0,2 mm de diâmetro. Se a orientação dos cristais se apresentar em apenas uma direção, como freqüentemente ocorre na superfície da peça, a zona do material será transparente.
0,85
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperatura (°C)
Uma vez que a contração deve ser mínima, a resina fundida deve ser mantida sob pressão até que esteja totalmente cristalizada.
Diferenças fundamentais nas estruturas de polímeros semi-cristalinos e amorfos resultam em propriedades e condições de moldagem diferentes.
No estado sólido, as resinas de nylon possuem uma cristalinidade entre 40% e 60%. A curva correspondente na Fig. 1 deve ser interpretada como uma faixa que reflete esta variação e os outros fatores que influenciam a estrutura cristalina.
Dentre as propriedades mais importantes dos materiais cristalinos, em contraste com os materiais amorfos, podemos citar as seguintes: * Grandes alterações de volume com a temperatura, ao passar do estado fundido para o sólido e vice-versa.
As resinas de nylon 66 apresentam o mais alto grau de cristalinidade dentro da família do nylon. Isto tem grande influência sobre as propriedades mecânicas, absorção de umidade e resistência química do produto moldado.
* É necessário muita energia para fundir o polímero. Estes dois fenômenos, juntamente com os demais implicam, ao contrário dos materiais amorfos, na inexistência do risco de supercompactação, mesmo sob pressões muito altas de injeção e recalque.
2.2 Calor Específico A energia necessária para aumentar a temperatura de um polímero é determinada, geralmente, pelo seu calor específico, definido como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura da massa unitária do material em 1 °C. No caso de materiais com estrutura cristalina, há a necessidade de maior aquecimento para passar o material do estado sólido para o estado fundido. Esta energia é representada por um pico na curva de calor específico (Fig. 2).
2.1.2 Alterações de volume As alterações de volume são normalmente descritas em termos de volume específico, que é o inverso da densidade. Para materiais semi-cristalinos, o volume específico é função da temperatura, pressão e, na fase sólida, do grau de cristalinidade.
5
2.3 Viscosidade do polímero fundido A viscosidade do polímero fundido determina em grande parte a pressão de injeção - a alta viscosidade implica em menos fluxo e queda de pressão mais alta. A viscosidade do polímero fundido é uma função direta do peso molecular (por exemplo, o Zytel® 42 tem um peso molecular mais alto, portanto, uma viscosidade mais alta que o Zytel® 101 L).
Fig. 2 Calor específico em função da temperatura 8,3
2,75 Nylon 66
2,6
DELRIN® 2,2
A viscosidade dos nylons fundidos é influenciada por vários fatores, especialmente pela temperatura, cisalhamento e teor de umidade na resina.
2,0 1,8 1,6
2.3.1 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Temperatura A regra geral de que os líquidos se tornam menos viscosos com o aumento de temperatura é certamente verdadeira para polímeros fundidos. Por este motivo, torna-se necessário especificar a temperatura na qual a viscosidade do polímero fundido foi medida. A Fig. 3 mostra que a viscosidade de um Zytel® sem reforço é menos sensível às alterações de temperatura do que os grades reforçados e modificados ao impacto.
1,4 1,2 1,0 0,8 0,6
Poliestireno
0,4 0,2 0
0
50
100
150
200
250
300
350
2.3.2 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Taxa de Cisalhamento O cisalhamento é um parâmetro que caracteriza a velocidade de deformação do fluxo do material, sendo uma função da velocidade do fluxo e da geometria dos canais de alimentação. A viscosidade diminui consideravelmente com o aumento da taxa de cisalhamento (veja a Fig. 4).
Temperatura (°C)
Desta forma, a quantidade total de calor necessária para fazer com que cada polímero atinja sua temperatura de processo é representada pela área sob cada curva. Portanto, as resinas cristalinas precisam de uma energia calorífica mais alta que as resinas amorfas, sendo que as resinas de nylon sem reforço precisam de duas vezes mais calor total em comparação com o poliestireno, por exemplo, conforme mostra a Tabela 1.
Portanto, através do aumento da velocidade de injeção pode-se reduzir a viscosidade, melhorando o preenchimento de peças mais complexas. A viscosidade varia de acordo com o grade da resina, conforme mostram as Fig. 3 e 4.
Essa diferença no comportamento influencia o design do cilindro e da rosca, fator crítico para polímeros semi-cristalinos.
Fig. 3 Viscosidade do polímero fundido em função da temperatura Tabela 1 - Energia calorífica necessária para o processamento Resina
Calor de Fusão (kJ/kg)
Calor Total Necessário (kJ/kg)
Poliestireno Delrin® Polietileno de alta densidade Zytel® 101L
0 163
372 419
242 130
1000
Viscosidade em Pa·s (at 1000 s-1)
Calor específico (kJ kg –1 K –1)
2,4
721 791
ZYTEL® ST801 ZYTEL® 70G30 MINLON® 13 MM 100
ZYTEL® 101 L
10
265
275
285
295
305
Temperatura do polímero fundido em °C
6
315
2.3.5 Temperatura do polímero fundido e ponto de fusão A maioria das resinas de nylon Zytel® e Minlon® são semi-cristalinas, portanto, apresentam pontos de fusão bem definidos, ao contrário das resinas amorfas que apresentam uma larga faixa de amolecimento. A temperatura recomendada para o polímero fundido pode variar não apenas de grade a grade, mas também de aplicação para aplicação.
Fig. 4 Viscosidade do polímero fundido em função do cisalhamento a 290°C
Viscosidade aparente (Pa·s)
1000 ST801 70G43 490 70G30 450 408 101L
O preenchimento da cavidade pode ser melhorado com o aumento da temperatura do fundido, porém, ela deve ser mantida abaixo do ponto onde o material possa começar a degradar (veja a Seção 2.5).
100
Uma baixa temperatura do polímero fundido pode levar a efeitos indesejáveis, tais como heterogeneidade ou auto-nucleação.
10
100
1000
2.4 Fluidez do polímero fundido A fluidez do polímero fundido é um parâmetro crucial para o seu desempenho durante a moldagem. Para que se possa comparar a fluidez de vários materiais, aceita-se geralmente um método padrão de medição chamado fluxo em espiral. Este método mede o comprimento de fluxo em função da pressão de injeção para um dado material, seção da espira (redonda ou retangular) e a temperatura do molde. A umidade da resina deve ser levada em consideração (veja a Seção 2.2) para que se chegue a conclusões corretas. Para os materiais da DuPont, quanto maior a quantidade de modificador de impacto, menor o comprimento de fluxo. A Fig. 6 mostra as características de fluidez relativa de diversos grades de Zytel®. As resinas foram moldadas dentro das condições padrão, seguindo os parâmetros recomendados para cada uma.
10000
Cisalhamento aparente (1/s)
2.3.3 Viscosidade do Polímero Fundido em Função da Umidade A viscosidade do polímero fundido durante a injeção é um parâmetro importante, portanto, as reações químicas que podem ocorrer no cilindro devido à umidade não podem ser ignoradas. O teor de umidade afeta a viscosidade do polímero fundido, devido à hidrólise que ocorre durante o processo de injeção (veja a Seção 2.5). Como regra geral, para todos os nylons, quanto maior o teor de umidade menor é a viscosidade do polímero fundido (Fig. 5).
Fig. 5 Influência do teor de umidade na viscosidade do ZYTEL® 101 at 295°C
Fig. 6 Fluidez relativa de resinas ZYTEL® 1 H2O = 0,07%
Espessura: 2,5 mm
100
0,8 H2O = 0,20%
10
Teor de umidade entre 0,15 e 0,2 %
0,9
Fluidez relativa
Viscosidade aparente. (Pa s)
1000
100
1000
10000
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
Cisalhamento aparente (s–1)
0,2
7
ZYTEL® 70G60
ZYTEL® 70G43
ZYTEL® 70G30
ZYTEL®70G20
ZYTEL®79G13
ZYTEL® 80G14
ZYTEL®ST801
ZYTEL® 490
ZYTEL® 450
ZYTEL® 408
0
2.3.4 Viscosidade Relativa (VR) A viscosidade relativa é uma medição (adimensional) do peso molecular médio da resina. Quanto maior a viscosidade relativa maior o peso molecular do polímero.
ZYTEL® 101
0,1
PA 66 não modificada
Reforçadas com fibras de vidro/tenazes
Tenazes
Reforçadas com fibras de vidro
2.5 Estabilidade do polímero fundido Um tema que gera grande preocupação entre os transformadores é a estabilidade da resina, principalmente quanto à degradação durante a moldagem. A degradação diminui o peso molecular e, consequentemente, as propriedades finais. A degradação pode ocorrer por um dos seguintes motivos:
Para teores de umidade acima de 0,25%, observa-se diminuição da flexibilidade e elasticidade, manchas e tendência à geração de rebarbas. 2.5.2 Degradação térmica Assim como ocorre com todos os demais plásticos, as resinas de nylon da DuPont estão sujeitas a degradação térmica. A degradação depende tanto da temperatura do polímero fundido como do tempo de residência (ou tempo de permanência no cilindro). Quanto mais alta a temperatura do polímero fundido, menor o tempo de residência que provoca danos ao material (veja a Fig. 8). Sob condições normais, a degradação térmica é desprezível.
* Hidrólise resultante de resina com alto teor de umidade. * Degradação térmica devido a um tempo de residência excessivo (ou a presença de pontos de retenção) ou temperaturas acima das recomendadas no cilindro. 2.5.1 Hidrólise Os nylons são produtos de policondensação, portanto, condensação ou hidrólise podem ocorrer dependendo da pressão, teor de umidade, temperatura e tempo de residência.
Como exemplo, o Zytel® 101L quando processado a 310ºC pode ter seu peso molecular reduzido em 6% após 10 minutos e em 17% após 30 minutos de tempo de residência.
Durante a moldagem o peso molecular e, consequentemente, a viscosidade relativa (VR) são alterados dependendo dos parâmetros mencionados acima. A Fig 7 mostra que, durante a moldagem, a resina muito seca pode sofrer uma policondensação e consequente aumento de VR, enquanto um alto teor de umidade leva à hidrólise e a uma diminuição de VR. O teor de umidade de equilíbrio é de aproximadamente 0,12% a uma temperatura de 295°C para a resina em questão.
Deve-se dar uma atenção especial ao tempo de residência durante a moldagem de grades auto-extinguíveis, estabilizados termicamente e formulações especiais.
Resistência ao impacto Izod c/ entalhe (J/m)
Fig. 8 Efeito do tempo de residência nas propriedades de impacto de nylons reforçados
Para um teor de umidade inferior a 0,20% em peso e sob condições normais de processamento, a velocidade de reação do processo de hidrólise ou policondensação é lenta, de modo que as características das peças moldadas permanecem praticamente inalteradas.
1000
280°C
800 600 400 200 5
Limite do TR p/polímero fundido a 310°C 10
para 280°C
310°C
15
Tempo de residência (min)
Fig. 7 Viscosidade do polímero fundido em função do tempo e umidade para o ZYTEL® 101 Com taxa de cisalhamento de 1000 s –1
2.6 Caracterização do polímero fundido com moldes instrumentados Através do uso de transdutores de pressão na cavidade acoplados a um sistema de coleta de dados é possível avaliar rapidamente pequenas diferenças nas propriedades da resina (comportamento de fluxo e cristalização) e compreender melhor como diversos parâmetros de injeção influenciam a qualidade da moldagem.
150
ZYTEL® 101L Viscosidade do fundido (Pa·s)
130 H2O = 0,1%
110
90
70 H2O = 0,2% 50 H2O = 0,3% 30
0
5
10
15
20
25
Tempo de residência (min)
8
20
Normalmente um transdutor de pressão simples instalado próximo ao ponto de injeção é o suficiente para determinar o tempo de cristalização (TC) da peça (Fig. 9). Havendo necessidade de maiores informações sobre a consistência da viscosidade da resina, um segundo sensor pode ser colocado em um ponto mais distante do fluxo de resina, de modo a permitir o cálculo da queda de pressão entre os dois pontos durante as fases de injeção e de recalque.
Molde A Transdutor de Pressão Simples Z YTEL ® 135 F Espessura da parede: 2,0 mm
60
30
Fig. 10 Pressão na cavidade medida durante a injeção e o recalque (2 transdutores)
Tempo de recalque 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tempo (s)
Pressão na Cavidade 100 do Molde
Pressão no Interior da cavidade (MPa)
15
Dois Transdutores de Pressão
ZYTEL® 70G30 Espessura de Parede: 2,0 mm
Queda de 80 Pressão Dinâmica
Transdutor 2
60 40 20
Tempo de Preenchimento Dinâmico
0
1
2
3
4
5
Tempo
9
Molde B
Transdutor 1
TC 6,0 s
Tempo de preenchimento dinâmico
45
TC 5,27 s
75
TC 6,30 s
Pressão no interior da cavidade (MPa)
Fig. 9 Pressão na cavidade medida durante a injeção e o recalque (1 transdutor)
6
7
8
9
10
3. Manuseio do material 3.1 Transporte do Material 3.2.1 Armazenamento
3.1.1 Forma Física da Resina As resinas de nylon Zytel® são materiais sólidos granulados, tipicamente cortados em cilindros com dimensões nominais de 3 x 2,5 mm.
* A resina de nylon deve ser armazenada em área seca sob uma temperatura próxima da área de operação. * Quando o material for armazenado em um local frio, deve-se permitir que a embalagem atinja a temperatura da área de moldagem antes de abri-la.
Algumas das propriedades de armazenamento, necessárias para o dimensionamento adequado de equipamentos como funis, válvulas rotativas e zonas de alimentação das roscas são mostradas na Tabela 2.
* O armazenamento deve permitir uma disposição do tipo “primeiro a entrar/primeiro a sair”. Apesar do material estar protegido contra umidade por uma embalagem especial, pequenos teores de umidade podem ser absorvidos com o passar do tempo. 3.2.2 Manuseio de resina virgem
Tabela 2 Propriedades de armazenamento Material Não modificados Tenazes Reforçados com fibras de vidro Super tenazes
Nylon66 Nylon 66 Nylon 66 Nylon 66
Densidade aparente (kg/m3) 720-800 640-720 800-870 640-720
Ângulo de Repouso (graus) 45 <60
Procedendo de acordo com as recomendações abaixo, as dificuldades de moldagem que poderiam resultar de altos teores de umidade podem ser quase que completamente eliminadas. * Para evitar a condensação de umidade do ambiente na resina, certifique-se de que a embalagem da resina seja mantida por um determinado período de tempo à temperatura da área de moldagem (ou acima), antes de abri-la. Para tanto, recomenda-se que embalagens para o suprimento de pelo menos um dia de utilização sejam estocadas na área de moldagem.
<60 <60
As famílias a base de Nylon 6, 6/66, 6.12 possuem uma densidade aparente levemente mais baixa (de até 5%).
* Mantenha no funil uma quantidade de material de forma que o tempo de permanência não seja superior a 1 hora.
A densidade aparente é a densidade das partículas do material incluindo os espaços vazios entre eles. O ângulo de repouso caracteriza a habilidade de fluxo dos grânulos em alimentadores e funis. Ângulos de repouso entre aproximadamente 0º e 45º indicam materiais de fluxo livre. Quando os ângulos excedem aproximadamente a 50° os materiais apresentam fluxo coesivo.
* Para evitar a absorção de umidade pelos grânulos, não exponha a resina não utilizada à atmosfera. Sacos abertos devem ser selados novamente com um ferro elétrico doméstico ou alicates de vedação a quente. Todas as resinas DuPont são fornecidas secas e prontas para serem moldadas diretamente a partir das embalagens de transporte.
3.1.2 Embalagem As resinas de nylon Zytel® encontram-se disponíveis em 3 tipos de embalagens: – Pallet com 40 sacos de 25 kg – Caixas octogonais (octabin) de 1000 kg (com ou sem descarga na parte inferior)
3.2.3 Manuseio de material moído É possível moer e reutilizar resinas previamente moldadas, seguindo o procedimento abaixo. A prática recomendada é a de utilizar o material moído, misturado à resina virgem, na medida em que for gerado. A quantidade máxima de moído depende dos requerimentos da aplicação. Através dos gráficos 11 e 12 é possível prever os efeitos do moído sobre as propriedades mecânicas de peças moldadas com resinas de nylon Zytel® reforçadas com fibras de vidro. É importante ressaltar que a performance das peças são mais afetadas pela qualidade do material moído que pelo percentual utilizado.
Informações detalhadas sobre estes tipos de embalagem podem ser encontradas com seu representante DuPont. 3.2 Manuseio de Resinas de Nylon Ao utilizar resinas de nylon, um requisito importante é assegurar que a resina seja processada seca e livre de contaminação.
10
* Mantenha o tamanho das partículas de material moído uniforme. O pó absorve umidade rapidamente (devido à grande proporção superfície/ volume) e se adere às paredes do cilindro. Também desenvolve carga eletrostática que atrai contaminação que, por sua vez, pode entupir os filtros dos alimentadores a vácuo. Mantenha as facas do moinho afiadas e adequadamente ajustadas para minimizar sua formação. O pó pode ser separado do material moído através de ciclones ou de peneiras vibratórias com malha entre 12 e 16. * Limpe os moinhos e recipientes de material moído constantemente.
Fig. 11 Retenção de propriedades mecânicas em relação ao número de passes (100% moído) 100 90 80 70
%
60 50 40 30 20 10 0
1ª Moldagem 2ª Moldagem 3ª Moldagem 4ª Moldagem 5ª Moldagem em relacão
Comprimento das Fibras ( à virgem )
Resistência à tração (Seco)
Impacto Izod (Seco)
Módulo de flexão (Seco)
Fig. 12 Retenção de propriedades mecânicas em relação ao percentual de material moído utilizado 100 90 80 70
3. Algumas características do material podem variar, dependendo da quantidade de passes. Para manter as propriedades das peças moldadas uniformes, é necessário: * Manter uma proporção constante entre a resina virgem e o material moído. Ambos devem ser misturados antes da alimentação. * Para evitar o acúmulo de material moído, utilize-o à medida em que for gerado. Um sistema de separação, moagem e mistura em circuito fechado é ideal. * A melhor forma de moer resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro é a quente, para minimizar a quebra das fibras.
%
60
As resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro são as que mostram a maior sensibilidade quanto à moagem. Isto ocorre principalmente devido à quebra de fibras durante o processo de moagem. A Fig. 11 mostra o efeito de múltiplas moagens sobre as propriedades mecânicas da peça moldada, neste caso para o Zytel® reforçado com 33% de fibras de vidro. Essa figura mostra a correlação entre a quantidade de processamentos do Zytel® e a queda das propriedades mecânicas. A perda de propriedades mecânicas com 100% de material moído é expressa como um percentual das propriedades do material virgem.
50 40 30 20 10 0
0%
10%
20%
Impacto Izod (Seco)
30%
40%
50%
Módulo de flexão (Seco)
Resistência à tracão (Seco)
Para utilizar o material moído de forma eficaz, os seguintes princípios devem ser observados: 1. O material moído absorve mais umidade, e mais rapidamente, do que a resina virgem. Portanto: * Proteja-o contra umidade, mantendo-o em recipientes vedados. * Os galhos devem ser moídos, misturados e utilizados o mais rápido possível, evitando uma operação extra de secagem.
Se o material moído for manuseado em um circuito fechado e misturado com material virgem de acordo com as recomendações acima, o efeito do mesmo sobre as propriedades mecânicas das peças moldadas será pequeno. A Fig. 12 ilustra este resultado na forma de retenção de propriedades de peças moldadas utilizando-se o Zytel® reforçado com 30% de fibras de vidro para diversas proporções de material moído.
2. O material moído pode conter uma quantidade consideravelmente maior de contaminantes do que o material virgem, portanto: * Não utilize peças moldadas e galhos que estejam descolorados ou com defeitos superficiais. Estas podem ser indicações de que a resina foi degradada. * Certifique-se de que o material moído está livre de contaminação. * Minimize o manuseio de galhos. Utilize luvas sem fiapos.
3.2.4 Descarte de refugo Observando-se as recomendações deste manual, são minimizadas as quantidades de refugo de processamento e de peças rejeitadas. No entanto, durante a produção de peças, uma certa quantidade de refugo, não reutilizável, sempre é gerada. Este refugo deve ser adequadamente descartado. 11
A DuPont recomenda como melhor opção a incineração para recuperação de energia. O incinerador deve possuir equipamentos adequados para limpar os gases de combustão antes que sejam liberados.
As resinas de nylon da DuPont são fornecidas secas e prontas para serem moldadas diretamente a partir das embalagens, desde que estas não estejam danificadas.
Os produtos Zytel® e Minlon® não são solúveis em água e não possuem praticamente nenhum aditivo que possa ser extraído pela água. Portanto o Zytel® e o Minlon® não oferecem qualquer risco à saúde humana ou ao meio ambiente quando dispostos em aterros para materiais sólidos.
Fig. 13 Efeito da VR e do teor de umidade na aparência superficial das peças 65
VRs das resinas
Peças incompletas
Para qualquer descarte deve-se observar a regulamentação local que pode variar significativamente de localidade para localidade. 3.3 Efeito da umidade O teor de umidade das resinas de nylon para injeção é um parâmetro especialmente importante, e exerce um efeito direto sobre o processo, as propriedades mecânicas, a viscosidade do material fundido e a aparência das peças moldadas.
60 Bom
Estrias
55
Rebarbas 50
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Teor de umidade dos nylons reforçados com carga mineral (%)
Todos os nylons são higroscópicos e absorvem umidade da atmosfera conforme o ilustrado anteriormente (seção 3.2.2). * A água reage quimicamente com os nylons sob temperaturas acima do ponto de fusão. Esta reação (hidrólise) resulta em uma diminuição do peso molecular que, consequentemente, diminui as propriedades e o desempenho das peças moldadas (seção 2.5).
3.4 Secagem O teor de umidade máximo para moldagem é determinado pela formulação da resina e pelas exigências de moldagem e deve, em geral, ser sempre inferior a 0,2%. Para certos casos, inferior a 0,1%. Todos os nylons são higroscópicos e absorvem umidade da atmosfera. Assim sendo, se o nylon virgem for mantido em uma embalagem aberta por qualquer período de tempo significativo, ou se material moído for utilizado, é necessário realizar a secagem.
O comportamento reológico do polímero fundido é então modificado e pode causar problemas de processamento, como rebarbas e dificuldade de controle dimensional. * Ao mesmo tempo, a água absorvida pode formar vapor, resultando em marcas superficiais e bolhas internas nas peças moldadas. * O efeito da umidade pode se agravar ainda mais devido a tempos de residência longos e/ou temperaturas do polímero fundido excedendo 315ºC. Isto ocorre devido à diminuição de peso molecular que afeta a viscosidade relativa. Nestes casos é aconselhável reduzir o teor de umidade conforme o necessário. * Como exemplo, a Fig. 13 mostra o efeito do teor de umidade e da viscosidade relativa na aparência superficial das peças moldadas a partir de nylons reforçados com carga mineral.
O tempo necessário para a secagem do nylon depende de: * Teor de umidade do ar de secagem Quanto menor o teor de umidade do ar, menor o tempo de secagem. * Temperatura de secagem Quanto maior a temperatura, menor o tempo de secagem. Entretanto, temperaturas do ar acima de 90°C, por mais de três horas, podem causar uma descoloração inaceitável do nylon. Deve-se conciliar as exigências entre o tempo de secagem e a temperatura. A temperatura máxima recomendada para a secagem do nylon DuPont é de 80°C. * Proporção superfície-volume do nylon O tamanho das partículas é determinado pelas especificações de fabricação e pelo tamanho das peneiras de moagem.
O teor de umidade da resina para moldagem varia de acordo com o grade e com as condições de processo, mas, em geral, não deve ser superior a 0,2 % em peso.
12
Fig. 14 Absorção de umidade do ZYTEL® virgem (grânulos)
3.5 Coloração Corantes e pigmentos em pó ou líquidos e masterbatches (concentrados de cor) podem ser utilizados com as resinas de nylon Zytel® com sucesso. Entretanto, tais sistemas podem causar variações de propriedades e/ou desempenho.
Percentual em peso de umidade absorvida pelo ZYTEL® 66 virgem
1,2
1,0 100% UR 75% UR 0,8
Ao se utilizar corantes ou pigmentos em pó ou líquidos, deve-se dar atenção especial aos seguintes aspectos:
0,6
* Os pigmentos ou corantes utilizados devem ser quimicamente compatíveis com as resinas de nylon e devem ter boa estabilidade térmica acima da temperatura de processo da resina. * Os pigmentos normalmente afetam a cristalização e, consequentemente, a contração das resinas. Além disto, o veículo de corantes líquidos afeta a injeção. * O veículo pode ser considerado como um lubrificante externo que pode, teoricamente, causar escorregamentos da rosca levando a problemas de dosagem. * O ponto chave na moldagem com sistemas de coloração é assegurar que haja uma dispersão e mistura homogênea do pigmento na matriz do polímero.
50% UR 0,4
0,2
0
2
4
6
8
10
12
Tempo de exposição (h) ao ar úmido a 23°C
O teor de umidade do nylon exposto à atmosfera pode ser estimado a partir da Fig. 14. A DuPont recomenda desumidificadores com alimentação automática para as resinas de nylon. A estimativa aproximada do tempo necessário para secar a resina encontra-se indicada na Fig. 15. Os tempos para materiais reforçados com fibras de vidro, carga mineral ou grades tenazes podem ser maiores.
Ao utilizar uma técnica de coloração, os seguintes pontos devem ser cuidadosamente observados: * Utilização de uma proporção razoável entre o polímero e corante. * Utilização de roscas com cabeça para mistura ou de alta compressão. * Utilização de curso de dosagem menor que 30% da capacidade máxima da máquina.
Fig. 15 Dados de secagem para as resinas de MINLON® e ZYTEL® virgens (desumidificador a 80°C) 10 9 8 7 6 5 4
Percentual de umidade
3
2 Ponto de orvalho –19°C 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
Observação importante
0,3
A DuPont não pode oferecer qualquer garantia pelo desempenho e propriedades das peças moldadas quando as resinas de nylon fabricadas pela DuPont forem misturadas com outros produtos como corantes ou pigmentos.
0,2
0,1
0
10
20
30
40
50
60
70
Tempo (h)
13
3.6 Controle da Qualidade A qualidade de uma peça moldada com nylon está diretamente relacionada com a qualidade da resina utilizada e dos procedimentos de moldagem empregados. Se as condições de moldagem, projeto do molde e a qualidade da resina forem aceitáveis, a qualidade da peça será satisfatória. Se a resina ou os procedimentos de moldagem forem deficientes, a qualidade da peça pode ser inaceitável. Normalmente os problemas de qualidade da peça podem ser classificados em três áreas gerais: tenacidade, aparência e dimensões. Veja o capítulo 8 para maiores informações sobre dimensões.
3.6.2 Especificações das Peças Moldadas Na moldagem por injeção certas inspeções visuais e ensaios de laboratório podem ser utilizados para determinar a qualidade da peça. Estes aspectos são abordados abaixo. Aparência O operador da máquina pode detectar rebarbas, marcas de queima, contaminações, bolhas, etc., mediante a inspeção visual das peças ou de seções de peças moldadas. Normalmente estes problemas podem ser corrigidos alterando as condições de moldagem ou realizando a manutenção do molde. Em alguns casos, o exame microscópico (10 a 100X de aumento) pode ser utilizado para inspecionar pequenos, porém importantes, detalhes de moldagem (vazios, cristalinidade e contaminação). Alguns dos problemas mais comuns que afetam a aparência e tenacidade das peças moldadas de nylon são:
3.6.1 Especificações da Resina Todos os grades de Zytel® são monitorados e cuidadosamente controlados quanto à uniformidade da qualidade. Esta qualidade é preservada se as embalagens permanecerem intactas durante o transporte e armazenamento. Se a embalagem ou a vedação for danificada, a resina absorve umidade que, por sua vez, afeta sua qualidade.
* Cor - O controle deve ser feito com relação ao tom real e a uniformidade da cor através da peça. As peças descoloradas não devem ser reaproveitadas.
Todos os aditivos tais como estabilizantes térmicos e contra UV, lubrificantes e corantes são controlados para permitir uma uniformidade de desempenho tanto na moldagem como na utilização final.
* Estrias - Apesar de grandes quantidades de estrias serem facilmente observadas, peças com pequenas quantidades podem passar despercebidas até que sejam submetidas a um exame visual mais detalhado.
Teor de Umidade As resinas de nylon Zytel® são fornecidas em embalagens à prova de umidade, de modo que a secagem normalmente não é necessária. Entretanto, as resinas de nylon são higroscópicas e absorvem umidade quando expostas à atmosfera. Caso tenha ocorrido absorção excessiva, a resina deve ser seca a 80°C, até que o teor de umidade seja inferior a 0,2%.
Esta observação mais detalhada permite antecipar eventuais problemas futuros. Normalmente as estrias são causadas pela umidade ou calor excessivos. * Rebarbas - O exame visual é o método mais simples de verificar a existência de rebarbas. * Marcas de queima - Estas marcas podem ser detectadas durante a produção. Elas ocorrem devido a saídas de gases inadequadas no molde.
A umidade excessiva não afeta apenas as propriedades de fluxo da resina mas também reduz a tenacidade assim como outros problemas (Veja a Seção 3.3).
* Peças incompletas - Grandes falhas podem ser facilmente percebidas visualmente. Porém pequenas depressões podem-ser causadas por preenchimento incompleto.
Viscosidade relativa A viscosidade relativa (viscosidade relativa, número de viscosidade ou viscosidade intrínseca) de uma resina é uma medição do peso molecular que, por sua vez, define a tenacidade e o processamento. As resinas de nylon Zytel® são fabricadas com um peso molecular que oferece um bom balanço de fluidez e tenacidade.
* Linhas de emenda - A presença de linhas de emenda visíveis constituem um problema estético e podem, ainda, resultar em redução de resistência da peça. * Contaminação - A contaminação superficial pode ser freqüentemente detectada visualmente.
Uma vez que umidade e calor excessivos podem causar uma perda de peso molecular e, consequentemente, uma perda de tenacidade, deve-se dedicar atenção especial para proteger esta propriedade. A viscosidade relativa pode ser medida em resinas que são solúveis em solventes comuns de nylon. Para resinas que foram modificadas com aditivos insolúveis (fibras de vidro, carga mineral, modificadores de impacto, etc.), outros meios, tais como a viscosidade de fundido, devem ser empregados para avaliar o peso molecular.
14
A presença de contaminantes no interior da peça pode ser normalmente detectada através de observação com o auxílio de uma iluminação potente. Pequenas quantidades de contaminantes podem ser examinadas com o auxílio de um microscópio.
Testes de Impacto passa-não-passa Os resultados destes testes são difíceis de quantificar. Na maioria dos casos, uma grande quantidade de testes individuais devem ser executados antes de definir os critérios de aceitação.
* Acabamento - A precisão de reprodução da superfície do molde, assim como a existência de riscos indesejáveis, podem ser detectados pela inspeção visual.
A altura ou peso correspondente é uma medida da tenacidade. Tanto o teste de impacto Izod, o impacto de dardo ou testes de impactos instrumentados se enquadram nesta categoria. Em alguns casos os parâmetros reais de teste são especificados (veja a ISO 180/1U e 1A para impacto Izod) e em outros as condições são escolhidas arbitrariamente.
* Partículas não Fundidas - Estas partículas podem ser facilmente visualizadas através da inspeção visual minuciosa da peça. Elas aparecem como partículas discretas com tons diferentes. * Bolhas - Em pequenas espessuras, as bolhas podem ser detectadas observando a peça moldada através de um feixe de luz potente. O exame microscópico de seções transversais das peças pode ser utilizado para detectar pequenos poros.
No estabelecimento de uma programação de teste, diversos fatores devem ser especificados e controlados. * Orientação e Geometria da Amostra - O dardo de impacto deve aplicar a mesma carga na mesma direção e localização constantemente. * Temperatura da Amostra - Deve ser constante e controlada. Tal requisito é especialmente importante em temperaturas de teste diferentes da temperatura ambiente. Qualquer variação anormal de temperatura pode influenciar o resultado. Os testes de impacto sob baixas temperaturas são especificamente difíceis de controlar. * Teor de Umidade da Amostra - O teor de umidade em cada peça influencia seu desempenho significativamente em um teste de impacto. O teor de umidade deve ser mantido constante para cada amostra e preferivelmente deve ser medido.
Tenacidade A tenacidade das peças moldadas com nylon Zytel® pode ser estimada através de ensaios de viscosidade relativa, testes de impacto passa-não-passa e simulações das condições de uso. Em qualquer um destes testes, o teor de umidade deve ser especificado, uma vez que a tenacidade das peças de nylon é influenciada pela umidade. Viscosidade relativa (VR) O nível potencial da tenacidade do nylon é proporcional ao seu peso molecular. A viscosidade relativa, que é uma medida indireta do peso molecular, pode ser determinada conforme descrito pelo método ASTM D789.
Simulações das Condições de Uso Estes testes devem refletir a aplicação final da peça. Deve-se tomar um cuidado especial de modo a assegurar que sejam empregadas as condições mais importantes. Estas condições devem simular e não exceder os níveis de tensão estipulados em projeto. Caso contrário, peças boas podem ser rejeitadas.
A determinação de uma VR mínima, entretanto, não é suficiente para assegurar a tenacidade de uma determinada peça. A degradação molecular não uniforme por toda a peça, tensões internas e contaminação reduzem a tenacidade, mas não são necessariamente detectados através da medição da viscosidade relativa. Uma vez que este tipo de teste implica em dissolver amostras em ácido fórmico, sua utilização limita-se aos nylons não modificados, tais como o Zytel® E101 L e E 103 HSL.
15
4. A máquina de injeção
A velocidade de plastificação efetiva é determinada pelos seguintes fatores:
4.1 Requisitos da máquina As máquinas de injeção são normalmente caracterizadas por três fatores básicos: força de fechamento, capacidade de injeção e capacidade de plastificação.
1. Ciclo total 2. Peso de injeção 3. Capacidade de plastificação
* Força de Fechamento. As máquinas para processamento das resinas de nylon DuPont devem oferecer uma força de fechamento suficiente para suportar uma pressão na cavidade de cerca de 0,7 ton/cm2 de área projetada.
4. Design da rosca 5. Presença ou não de “zonas mortas” (pontos de retenção) 6. Velocidade de rotação da rosca
* Capacidade de Injeção. A capacidade de injeção é igual ao peso máximo de resina fundida injetada pela rosca. A densidade das resinas de nylon Zytel® sem reforço no estado fundido é aproximadamente igual à densidade do poliestireno fundido (o padrão utilizado para a especificação das máquinas de injeção) sob temperaturas e pressões normais de processamento. Portanto, o peso máximo de injeção para os nylons não reforçados Zytel® será aproximadamente igual àquele especificado para poliestireno.
7. Potência das resistências 8. Tipo de resina - estrutura (amorfa, cristalina), densidade, ponto de fusão, ponto de amolecimento, etc. 9. Forma dos grânulos 10. Percentual de material moído. Uma vez que o nylon sofre uma alteração física de estado e volume (diagrama de PVT, Fig. 1) durante o processo de plastificação, deve-se dar uma atenção especial à seleção do equipamento e às condições de processamento.
A capacidade de injeção deve ser dimensionada de forma que o tempo de residência não seja muito curto ou excessivamente longo - idealmente, para a maioria dos grades, entre 3 e 10 min.
O esforço dedicado à seleção da máquina pode ser em vão se o problema de pontos de retenção não for meticulosamente considerado.
* Velocidade de Fusão ou Plastificação. A velocidade de fusão ou plastificação é a velocidade máxima em que uma máquina injetora pode fundir o polímero uniformemente sob um determinado conjunto de condições: velocidade da rosca, tempo total do ciclo e temperaturas do cilindro (perfil).
A unidade de injeção deve ser capaz de injetar o nylon sob pressões de até 140 MPa. O controle preciso e a repetibilidade da pressão de injeção são essenciais para a manutenção das tolerâncias das dimensões das peças e de outras características da qualidade.
Muito freqüentemente este valor pode ser mal interpretado, uma vez que a velocidade de plastificação normalmente baseia-se na máquina de injeção operando como uma máquina de extrusão.
4.2 Design da máquina Nesta seção são resumidas diversas regras básicas para a escolha correta da máquina injetora. O item “Desgaste” fornece diretrizes importantes quando da moldagem de resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro ou cargas minerais.
Em uma máquina de injeção, ao contrário de uma extrusora, o polímero é fundido de forma intermitente e, assim sendo, sua velocidade efetiva de plastificação ou fusão é consideravelmente inferior àquela normalmente definida.
16
4.2.1 A base do funil Muito freqüentemente a temperatura da base do funil e o seu sistema de refrigeração são ignorados, considerados sem importância, ou apenas como um meio de se evitar problemas de dosagem. Na verdade, esta é a primeira área onde a resina entra em contato com a máquina e é neste ponto que as considerações sobre a qualidade tornam-se importantes. A base do funil deve ser projetada de modo a evitar qualquer ponto de retenção (veja a Fig. 16) onde a resina, pigmentos, lubrificantes ou outros aditivos podem permanecer retidos. Mesmo quando as temperaturas do funil estiverem baixas, a qualidade do material pode ser afetada ao passar por tais áreas. Por exemplo, os materiais ou compostos podem ser alimentados de forma descontínua causando variações na quantidade ou no tempo de dosagem.
4.2.2 Cilindro São necessários controles independentes para cada zona de aquecimento do cilindro (correspondente às zonas funcionais da rosca) inclusive para o bico. Um comprimento do cilindro de 20 diâmetros é necessário para uma temperatura uniforme a grandes vazões. Desgaste. Os revestimentos internos bimetálicos têm mostrado resistência excepcional ao desgaste quando utilizando fibras de vidro. Cilindros nitretados, por outro lado, não toleram a abrasão pelas resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro e freqüentemente apresentam desprendimentos (fragmentação da superfície) e desgaste excessivo do diâmetro após pouco tempo de utilização.
A refrigeração da base do funil apresenta-se muito freqüentemente mal localizada em uma área onde a eficiência de refrigeração é limitada (veja a Fig. 17). O resultado é que as temperaturas da base do funil podem alcançar valores elevados (acima de 100ºC). Por este motivo os grânulos na parte inferior do funil podem começar a amolecer antes de atingirem a rosca. Eles podem aderir à rosca, causando consequentemente, problemas de uniformidade ciclo a ciclo, variações de tempo de dosagem e afetando diretamente a QUALIDADE DO MATERIAL FUNDIDO. Uma temperatura muita baixa da base do funil também pode fazer com que o teor de umidade contido na atmosfera se condense, resultando em problemas de moldagem, tais como hidrólise, formação de bolhas ou estrias.
17
4.2.3 Perfil da rosca Um material fundido de qualidade somente pode ser obtido com a plastificação adequada da resina. A capacidade de plastificação de uma rosca depende de seu perfil, do comportamento térmico e reolólgico do polímero e dos parâmetros de processamento.
Os polímeros cristalinos possuem uma queda brusca de viscosidade no ponto de fusão. Para gerar calor por cisalhamento suficiente, é preciso haver mais atrito e, portanto, uma zona de plastificação mais longa e mais rasa (Fig. 19. Parte Inferior). Por estes motivos, e para obter a melhor qualidade do fundido com o maior vazão, o perfil da rosca deve ser adequado. No entanto, as roscas de uso geral, fornecidas com a maioria das máquinas de injeção, são normalmente adequadas para a moldagem das resinas de nylon da DuPont sob baixas taxas de vazão*. Sob altas taxas de vazão, entretanto, uma rosca especificamente projetada para a moldagem das resinas de nylon Zytel® possibilita maior uniformidade da temperatura do fundido e inexistência de partículas não fundidas.
Em uma unidade injetora, a energia necessária para alcançar a temperatura de processo de uma resina é fornecida pela condução de calor através do cilindro e pelo calor gerado pelo atrito entre a rosca e o polímero. O calor de condução é limitado pela condutividade térmica do polímero, que é baixa. O calor de atrito depende principalmente da viscosidade da resina e do cisalhamento (contrapressão e velocidade da rosca). As resinas amorfas sofrem uma alteração gradual na viscosidade com relação à temperatura e normalmente apresentam uma viscosidade mais alta na temperatura de processamento. Estas resinas exigem menor cisalhamento e roscas mais profundas (Fig. 19 - Parte Superior).
Fig. 18
O perfil recomendado para a rosca para altas vazões é apresentado na Fig. 18. * N.B. “Baixas Taxas de Vazão” significa não mais do que 2-3 D para o curso de dosagem.
Sugestão de perfil de rosca para o ZYTEL® não reforçado Diretrizes de unidade injetora com rosca de 20 L/D
Diâmetro da rosca
mm
Taxa de compressão
30
50
70
2,8 – 3
3 – 3,2
3 – 3,2
Profundidade da zona de plastificação
mm
1,95
2,10
Velocidade de rotação da rosca
rpm
250
150
Velocidade tangencial da rosca
m/s
0,4
Contrapressão
MPa
*
Curso ótimo x diâmetro da rosca
110
1 a 2 diâmetros da rosca
Tempo de residência (estimativa aproximada)
min
Velocidade de dosagem
g/s
Tempo de ciclo
capacidade máxima dosagem
* 2 *
tempo do ciclo (s) 60
20 – 25
s
TR + TD + abertura+ extração+ fechamento
TR: Tempo de recalque TD: Tempo de dosagem * Mínimo para uma dosagem uniforme. Tipicamente 5 a 10 MPa na frente do anel de bloqueio
Fig. 19 Comparação de perfis de rosca
15%
30%
T 25%
t
55%
30%
t
18
Rosca de uso geral (Principalmente para polímeros amorfos)
45%
Rosca para polímeros cristalinos
4.2.5 Bico Recomenda-se bicos aquecidos abertos (Fig. 21) para utilização na moldagem com todas as resinas de nylon DuPont. Devido à viscosidade mais alta dos nylons reforçados com fibras de vidro, o diâmetro de abertura do bico deve ser 25% maior do que a dos bicos utilizados para nylons não reforçados. O controle de temperatura e localização das resistências são muito importantes para evitar tanto a degradação do material quanto o esfriamento do mesmo.
Desgaste. O desgaste abrasivo das roscas de injeção ocorre principalmente nos filetes. Com o passar do tempo o diâmetro do núcleo se desgasta nas zonas de compressão e de homogeneização (o desgaste na zona de alimentação ocorre normalmente devido à temperatura muito baixa da zona traseira para altas vazões). Os filetes devem ter uma superfície dura constituída por ligas tais como “Stellite” para proporcionar uma melhor resistência ao desgaste do que o endurecimento por têmpera ou de roscas comumente nitretadas. Recomenda-se também o recobrimento da rosca por cromação. (É possível, ainda, aplicar recobrimentos resistentes à abrasão em toda a superfície da rosca para uma proteção máxima contra o desgaste). 4.2.4 Anel de bloqueio Os anéis de bloqueio (válvula anti-retorno) são necessários para a moldagem das resinas de nylon DuPont, para assegurar uma pressão constante na cavidade e uniformidade de peso de ciclo a ciclo. O anel de bloqueio (Fig. 20) deve ser cuidadosamente projetado com tolerâncias mínimas para evitar restrições de fluxo devendo, ainda, ser perfeitamente ajustado para evitar qualquer possível ponto de retenção. Deve ser especificado o uso de aço resistente ao desgaste.
Fig. 20 Anel de bloqueio 1
2
3
4.2.6 Bicos valvulados A utilização de um bico valvulado invariavelmente leva ao acúmulo de contaminação. Como a válvula é montada contra as paredes do bico, há a formação de pontos de retenção. Se ocorrer decomposição do material nestes pontos, a pressão pode ser liberada pela parte traseira da rosca, provocando movimentos bruscos de retração. Desgaste. O anel de bloqueio é o item mais afetado pelo desgaste na unidade de injeção. Os anéis de bloqueio do tipo deslizante sofrem um desgaste rápido e significativo ao serem utilizados com resinas reforçadas com fibras de vidro, especialmente quando não adequadamente endurecidos. Mesmo quando endurecidos superficialmente, estes anéis sofrem desgaste e precisam de um controle rigoroso. Antes disso, devem ser substituídos os assentos desgastados uma vez que é importante manter um colchão (almofada) durante a injeção do polímero fundido. Bons resultados foram obtidos com aços com altos teores de cromo.
Fig. 22 Adaptador para bicos abertos
19
4.2.7 Eliminação dos Pontos de Retenção O objetivo do projeto de máquina injetora que inclui o aquecimento do cilindro e a seção através da qual o polímero fundido flui (anel de bloqueio, ponta da rosca, adaptador e bico), deve ser o de se obter um fluxo suave do material. Uma atenção especial deve ser dada à eliminação de todos os possíveis pontos de retenção, tais como:
4.3 Manutenção e precauções de segurança Uma vez que o equipamento correto esteja sendo utilizado conforme o recomendado, as resinas de nylon não necessitam que o operador execute qualquer outra verificação na máquina injetora. Atenção deve ser dada, entretanto, à verificação do desgaste do anel de bloqueio na moldagem de resinas contendo fibras de vidro.
a) As superfícies de ajuste entre o adaptador e o cilindro e entre o adaptador e o bico.
O cilindro deve ter uma cobertura protetora para impedir queimaduras ao pessoal.
b) O anel de bloqueio, ou válvula anti-retorno, onde as superfícies não se unam em um ponto onde o ajuste possa assegurar a ausência de ressaltos, fendas e/ou pontos de retenção. A experiência tem mostrado que quando existem tais defeitos há problemas de contaminação e de pontos pretos. c) Bicos valvulados que se tornam fontes de contaminação, especialmente em nylons reforçados com fibras de vidro. A Fig. 22 ilustra um projeto ideal (montagem de um bico aberto, adaptador e anel de bloqueio). Esta ilustração mostra as superfícies de união localizadas em juntas cilíndricas e a utilização de um bico aberto.
20
cantos vivos. O extrator deve ser longo mas suficientemente fino para estar solidificado no término do ciclo.
5. Projeto do molde 5.1 Material do Molde Em geral, o desgaste na cavidade, bucha de injeção e canais de alimentação não é tão crítico quanto nos pontos de injeção. À medida em que o material fundido flui através dos canais de alimentação e nas cavidades, um fina película solidificada de resina se forma e reduz o desgaste.
5.2.2 Canais de alimentação Sistemas de Canal de Alimentação Balanceados e Não Balanceados Em sistemas de canal de alimentação balanceados, a distância de fluxo da bucha de injeção às diversas cavidades são iguais. Os sistemas de canal de alimentação balanceados possibilitam a melhor uniformidade de fluxo a partir da bucha de injeção até cada cavidade, o que possibilita tolerâncias rígidas da peça se os canais de alimentação e pontos de injeção forem adequadamente dimensionados. Os canais de alimentação e as conexões entre eles devem ser generosamente arredondados para um fluxo do polímero fundido suave e uniforme, e devem ser livres de restrições (Fig. 23).
Em áreas onde ocorrem fluxos intensos e altas taxas de cisalhamento, pode ser gerado um desgaste localizado uma vez que a película solidificada pode romper (especificamente no caso de resinas reforçadas). O aparecimento prematuro de rebarbas na cavidade pode levar a um intenso desgaste. É importante que para resinas reforçadas seja utilizado um molde robusto (para evitar qualquer possível flexão) e uma força de fechamento na máquina suficiente para evitar as rebarbas. As cavidades devem possuir saídas de ar suficientes para evitar corrosão proveniente de gases confinados em linhas de emenda (efeito Diesel).
Fig. 23 Design de ponto de injeção capilar
A área do ponto de injeção fica sujeita ao desgaste especialmente quando são utilizados pontos de injeção finos, ou seja, capilares ou submarino, e devem ser verificadas periodicamente quanto à erosão que pode levar a projeções indesejáveis e extração defeituosa do canal de alimentação. 5.2 Os sistemas de alimentação As diretrizes chave que devem ser observadas ao projetar um sistema de alimentação incluem o seguinte:
D1
* Planejar um layout para transmitir pressão uniformemente a todas as cavidades. * Projetá-lo o suficientemente grande para um fluxo suave, queda mínima de pressão, cisalhamento mínimo (especialmente nos pontos de injeção para nylons reforçados) e suficiente para permitir a retenção da pressão durante todo o processo de cristalização (Fig. 23).
2°
0,8 mm max.
D = T + 1mm d = 0,5-0,6 T D1>D
D
T d
* Manter o tamanho e comprimento mínimos, consistente com um tempo mínimo de ciclo.
Recomenda-se, sempre que possível, que os canais de alimentação sejam circulares. Um canal circular possui a menor área superficial por unidade de volume, desta forma, apresentando menor necessidade de pressão e perda de calor. O diâmetro mínimo de um canal de alimentação circular é normalmente por volta de 3 mm, ou aproximadamente 1,5 vezes a espessura da peça. O modo mais preciso para determinar a dimensão do canal de alimentação é calculando a queda de pressão prevista e dimensionar o canal de alimentação em conformidade com os cálculos obtidos.
5.2.1 Bucha de injeção As buchas de injeção devem ser as mais curtas possíveis e bem polidas, com suas conexões aos canais de alimentação através de superfícies suavemente arredondadas. A entrada na bucha de injeção deve ser de 1 a 3 mm maior em diâmetro do que a saída do bico da máquina. A bucha de injeção deve ser cônica formando um ângulo de 1º a 5º. As buchas de injeção devem ser suficientemente espessas para impedir a solidificação prematura do material fundido ou um fluxo deficiente. É importante projetar o extrator da bucha cuidadosamente para evitar o agarramento ao molde.
Na utilização de canais de alimentação trapezoidais, a inclinação dos lados deve ser 5° por lado, enquanto que a profundidade deve ser determinada pelo diâmetro de um círculo inscrito.
Por este motivo, a região da bucha de injeção deve ser cuidadosamente limpa, deixando-a isenta de riscos ou 21
Fig. 24a Ponto de injeção em túnel ou submarino para nylon reforçado a ≈0,5 ... 0,7 • t a min = 0,8 mm a max = 2,5 mm
25 ± 5° ≈1
Fig. 25 Diferentes tipos de pontos de injeção
≈1 0 °
Diafragma
t
Leque
ø t + 0,5 øa 4°
Diafragma
Capilares
Fig. 24b Ponto de injeção em túnel ou submarino para nylon não reforçado 25°
a ≈0,5 ... 0,7 • t a min = 0,5 mm a max = 2,5 mm
5°
10 °
a
t
Anel
Direto
t + 0,5
5.2.3 Pontos de injeção Todos os tipos de pontos de injeção têm sido utilizados eficazmente com as resinas de nylon da DuPont. A localização, tamanho e quantidade de pontos de injeção são considerações importantes. A Fig. 24a e Fig. 24b mostram o design tipo túnel ou submarino. Outros tipos de pontos de injeção encontram-se ilustrados na Fig. 25.
Borda Retangular
Estimativa das Dimensões do Ponto de Injeção Geralmente, a espessura do ponto de injeção deve ser de 45% a 75% da espessura da peça. Para pontos de injeção retangulares, a espessura do ponto deve ser 65% da espessura da peça, a largura do ponto deve ser uma a duas vezes a espessura do ponto de injeção e o comprimento do ponto de injeção não deve ser maior que 1 mm.
Filme
Para pontos de injeção em túnel ou submarinos, o diâmetro mínimo recomendado é de 0,7 mm, porém, não deve jamais exceder 2,5 mm. O design de um ponto de injeção em túnel longo é crítico e o típico “design para material amorfo” deve ser evitado.
Os pontos de injeção muito pequenos normalmente aumentam a contração e o empenamento, aumentando o risco de quebra das fibras de vidro (veja a Fig. 11). Os diâmetros do ponto de injeção capilares maiores que 2.0 mm devem ser evitados devido a suas resistências muito altas contra quebra durante a fase de extração.
Para nylons reforçados com fibras de vidro, os pontos de injeção em túnel ou agulha podem ser utilizados contanto que o diâmetro do ponto seja maior que 0,7 mm.
22
Posição do ponto de injeção. Havendo grandes diferenças na espessura da peça, a melhor solução é posicionar o ponto de injeção na seção mais espessa de modo a simplificar o preenchimento e minimizar rechupes e porosidade.
5.3 Saídas de gases Uma saída de gases inadequada do molde pode causar os seguintes problemas:
Para minimizar os defeitos superficiais e jateamento, o fluxo do ponto de injeção deve ir de encontro com a parede da cavidade. Entretanto, os pontos de injeção não devem ser posicionados de maneira que o fluxo do polímero fundido seja direcionado contra um elemento do molde não apoiado em ambas as metades do molde.
* Descoloração (queima) do nylon
A localização do ponto de injeção determina a posição das linhas de emenda e conseqüentemente das saídas de gases (veja a Seção 5.3 Saídas de gases).
Tanto as cavidades quanto os canais de alimentação devem possuir saídas de gases na linha de união do molde conforme o recomendado na Fig. 27.
Para os nylons reforçados com fibras de vidro, a localização do ponto de injeção é extremamente crítica para minimizar a distorção da peça após a moldagem e controlar as propriedades finais, uma vez que as fibras tendem a se orientar na direção do fluxo do polímero fundido (veja a Fig. 26).
Fig. 27 Geometrias de saídas de gases para resinas de nylon
* Resistência deficiente da linha de emenda
* Erosão ou corrosão do molde * Variação dimensional da peça injetada * Peças incompletas
Saída de Gases Fim de Fluxo
Canal de ventilação
Fig. 26 Efeito de localização do ponto de injeção e orientação de fluxo sobre as propriedades mecânicas
Resistência a tração (MPa)
140 120
100 80 60 40 20 0
Nylon 66% não reforçado Linha de emenda
Nylon 66 reforçado Nylon 66 reforçado c/ 13% de fibra de vidro c/ 30% de fibra de vidro Transversal
L ≥ 0,8 mm
Fluxo
Correlação entre a orientação do polímero, linha de emenda e resistência a tração
Lado da cavidade A > 2 mm
Ponto de injeção 0,012 mm
Corpo de prova T Inserto
A área da saída de gases deve ser o suficientemente grande (A x p) para impedir uma elevação da pressão de gás na cavidade do molde. O comprimento da saída de gases não deve ser maior do que 1 mm. A área do canal de ventilação deve aumentar proporcionalmente à sua distância da borda da cavidade. Isto ajuda reduzir o “efeito Venturi” e, portanto, o depósito no molde.
Corpo de prova W Corpo de prova F
Linha de emenda
Corpos de provas extraídos da placa
23
5.4 Contrasaídas As seguintes sugestões destinam-se à extração de contrasaídas em resinas de nylon:
Ao dimensionar o canal, o projetista do molde deve atender a dois objetivos opostos: * O canal deve ser o suficientemente grande para assegurar que o fluxo seja adequado para a remoção necessária de calor.
* A contrasaída deve ser arredondada para facilitar o deslizamento da peça de plástico sobre o metal.
* O canal deve ser o suficientemente pequeno para assegurar um fluxo turbulento, uma vez que o coeficiente de transferência de calor é bem melhor sob condições de fluxo turbulento.
* Se houver deformações evidentes da peça, os parâmetros de moldagem devem ser ajustados para minimizar o efeito. Freqüentemente, temperaturas de molde mais altas ou ciclos mais curtos podem ser úteis na desmoldagem de contrasaídas internas, enquanto que ciclos longos e contração mais elevada podem ajudar na desmoldagem de contrasaídas externas.
5.6 Moldes de Câmara Quente Existe uma grande quantidade de sistemas de câmaras quentes disponíveis no mercado. Os fornecedores oferecem uma grande variedade de designs. Isto permite uma seleção do sistema correto em função da aplicação e da matéria prima.
Devido ao baixo alongamento dos nylons reforçados com fibras de vidro, rebaixos maiores que 3% devem ser evitados. O ângulo de saída de 1/4 a 1º em nervuras, laterais e canais deve ser o suficiente.
Os parâmetros de processamento e comportamento em termos de solidificação são muito diferentes entre os materiais amorfos e semicristalinos. Uma atenção especial deve ser dedicada a este ponto. É necessária uma seleção cuidadosa do sistema de câmara quente, especificamente quanto a grades auto-extinguíveis.
5.5 Circuito de refrigeração Devido à alta influência da temperatura do molde na qualidade da cristalização - e das propriedades mecânicas - com resinas cristalinas, o ajuste do circuito deve ser projetado cuidadosamente para possibilitar uma temperatura de parede homogênea.
As principais diretrizes com relação aos requisitos de seleção e projeto de câmaras quentes para o Zytel®/Minlon® são fornecidas neste capítulo.
Os moldes operados sem qualquer refrigeração acabam por alcançar uma temperatura de equilíbrio à medida em que o calor adicionado ao molde pelo polímero fundido se iguala ao calor perdido pela radiação, condução e convecção. A temperatura do molde durante um ciclo de moldagem ótimo será um equilíbrio entre um molde quente para facilidade de preenchimento e qualidade superficial e um molde frio para uma rápida solidificação e extração da peça. O ideal é que os canais de refrigeração do molde sejam localizados nas áreas que necessitam de maior transferência de calor. Estes canais não devem permanecer a uma distância inferior a 1 diâmetro de canal das parede da cavidade.
Isolamento térmico Devido à limitada flexibilidade de processamento em termos de temperatura do nylon, é necessário que haja um isolamento térmico muito bem projetado entre a câmara quente e o molde. Isto possibilita evitar grandes diferenças de temperatura dentro do sistema. Veja exemplos nas Fig. 28 e 29 mostrados para o nylon 66. Câmara quente Para um tratamento adequado do polímero fundido, é essencial que haja uma distribuição de temperaturas uniforme. Os seguintes princípios devem ser considerados para a câmara quente:
Para uma temperatura uniforme do molde, a diferença de temperatura entre o refrigerante (água, óleo etc.) de entrada e de saída deve ser a menor possível (5ºC no máximo). O fluxo do refrigerante através dos canais deve ser suficientemente alto para que pequenas flutuações de fluxo não alterem a temperatura do molde. Para moldagens de altas tolerâncias, as cavidades devem ser refrigeradas em uma disposição em paralelo capaz de fazer com que as temperaturas das cavidades sejam mais uniformes que em uma configuração em série.
* Baixa queda de pressão Recomenda-se apenas câmaras quentes com todo o diâmetro livre para o fluxo (Fig. 30). Os sistemas aquecidos internamente com um fluxo em anel não são recomendados. * Recomenda-se um curso de fluxo que não contenha canais sem saída (Fig. 31). * Recomenda-se disposições de bicos de injeção naturalmente balanceadas (Fig. 32). Isto assegura uma queda de pressão uniforme e a mesma duração de contato sob pressão a cada ponto de injeção.
24
Fig. 28
Temperatura na área da câmara quente para PA 6.6
Fig. 31
Projeto do curso de fluxo Ineficiente
Temperatura do material fundido na câmara quente 290°–310°C Melhor
Desejável
Temperatura máxima do bico 310°C
Temperatura do bico de injeção 265°C mínimo
Temperatura superficial do molde 80°C
Fig. 32 Fig. 29
Ineficiente
Efeitos de isolamento térmico no perfil de temperatura no bico
Adequada
Adequada Bom isolamento térmico =perfil de temperatura estável Comprimento do bico
Comprimento do bico
Deficiente Grande área de contato = diferença muito grande de temperatura
Disposição de bicos para um molde de cavidades multiplas
Fig. 30
∆T
Os pontos principais para se obter bons resultados são baixa queda de pressão e uma distribuição de temperatura muito bem projetada com um controle por termopar na rea do ponto de injeção. A melhor solução: Devem ser utilizados, sempre que possível, bicos abertos aquecidos externamente com um canal de fluxo livre (Fig. 33).
260
Temp (°C)
300
Temp (°C)
340
260
300
340
380
∆T
Bicos
Seção transversal para o fluxo e aquecimento da câmara quente Adequado Aquecedor
Fig. 33
Sistema para bicos recomendados Aquecedor bem distribuído ( preferivelmente embutido )
Ineficiente ( fluxo em anel apenas )
Alterável
controle de temperatura
Estes podem ser utilizados para aplica es com sub canais frios (fig.34) 25
Fig. 34
* Além do custo muito alto, eles causam uma queda de pressão muito grande devido ao fluxo em anel. O curso do fluxo não pode ser bem projetado. Com produtos reforçados problemas funcionais podem ocorrer nos sistemas de vedação. * Deve ser utilizada uma combinação de bico/agulha com uma grande área transversal para o fluxo. Recomenda-se a utilização de unidades operadas hidraulicamente, um sistema com mola não é recomendado.
Subcanal frio com bico aquecido externamente
Controle de temperatura Recomenda-se um circuito de controle de temperatura individual para a câmara quente e cada bico com um controle por loop totalmente fechado (Fig. 36). Os melhores resultados são obtidos através de controladores automáticos de temperatura com resposta PID. Eles permitem uma variação mínima próxima ao ponto de ajuste (setpoint) de temperatura.
Especificamente, os materiais com reforço de fibras de vidro ou mineral devem ser preferivelmente processados desta maneira. Um orifício do lado oposto do ponto de injeção retém qualquer tampão frio do bico.
Fig. 36
Controle de temperatura para cada bico e câmara quente (manifold)
Para injeção direta, estes bicos podem ser utilizados com uma modificação na área do ponto de injeção (pequeno torpedo) para evitar a formação de canais. Menos preferível: * Bicos que dividem o fluxo em dois ou mais fluxos menores. * Bicos com pontos de retenção na zona frontal. * Sistema aquecidos internamente com um fluxo em anel.
1
4
5
Canais de refrigeração em moldes de câmara quente A utilização de canais individuais de aquecimento / refrigeração na área do bico quente é uma solução vantajosa (Fig. 37). As condições de temperatura na área da câmara quente são mais facilmente obtidas sem afetar a temperatura geral do molde.
Bico quente aquecido internamente Utilização restrita
3 Controle
Se estes tipos precisarem ser utilizados para a injeção direta com o objetivo de se obter um ponto muito pequeno de injeção, será importante ter uma bucha com isolamento térmico (Fig. 35). Fig. 35
2
Deficiente
Fig. 37
Canais individuais de aquecimento/refrigeração na área da câmara quente
Não! Montagem direta do torpedo
Utilizar uma bucha para isolamento térmico
Canais de refrigeração individuais
Necessidade de um grande afastamento
A utilização de bicos do tipo agulha é sempre uma questão de ajuste. Quando utilizados para se obter uma qualidade de superfície muito boa na área do ponto de injeção o seguinte deve ser observado:
26
Fig. 39 Efeito da temperatura da zona traseira no comprimento médio das fibras e nas propriedades (para nylon 66 reforçado)
6. Condições de moldagem 6.1 Tempertaura do polímero fundido A temperatura do polímero fundido pode ser medida diretamente do material purgado (utilizando um termômetro de agulha) e deve ser comprovada periodicamente para garantia de que não excede os limites recomendados. As temperaturas do polímero fundido recomendadas para as resinas de nylon da DuPont encontram-se listadas na parte 2.
100
Retenção de propriedades (%)
98
6.2 Perfil de temperatura do cilindro A temperatura do polímero fundido e sua homogeneidade é determinada pela temperatura do cilindro, perfil da rosca e tempo de residência. Devem ser utilizados controles individuais para cada uma das três zonas do cilindro. A temperatura do bico também deve ser controlada individualmente.
50% da dosagem (constante)
–10 20% dosagem (crescente) Funil
ZONA FRONTAL
ZONA CENTRAL
86 84
290
275
260
Comprimento das fibras
Resistência a tração (seco)
Impacto Izod (seco)
Módulo de flexão (seco)
Quando da moldagem de nylons reforçados com fibras de vidro, devem ser utilizadas altas temperaturas no cilindro para: * Melhorar a velocidade de dosagem. * Reduzir a quebra das fibras. * Reduzir problemas potenciais de desgaste devido à abrasão entre partículas não fundidas, a rosca e o cilindro. * Reduzir o torque na rosca e, consequentemente, o desgaste da rosca em ciclos rápidos.
15
–20
88
A temperatura mínima recomendada para a zona traseira, para o nylon 66 reforçado é de 290°C . Uma temperatura na zona traseira muito alta pode resultar na fusão prematura do material e, portanto, em uma dosagem incorreta.
80% da dosagem (decrescente)
–15
90
Temperatura da zona traseira °C
Uso do cilindro
Temperatura 10 5 do polímero fundido 0 recomendada –5
92
80
Fig. 38 Perfil de temperatura do cilindro para uma temperatura do polímero fundido constante.
20
94
82
A Fig. 38 mostra o perfil de temperatura do cilindro recomendada para se obter a temperatura do polímero fundido desejada em função da dosagem. O perfil da rosca e design da máquina e cilindro variam, de modo que não é possível especificar um perfil de temperaturas aplicável a todos os casos.
°C
96
6.3 Temperatura do Bico O bico deve atuar apenas como uma ponte entre o cilindro e o molde e não deve afetar a temperatura do polímero fundido. A temperatura do bico deve ser ajustada de modo a evitar o resfriamento ou escorrimento da resina. Para um funcionamento ótimo, o bico deve ser provido de um controle de temperatura independente.
ZONA TRASEIRA
A temperatura da zona de alimentação é importante e deve ser mantida entre 70 e 90°C com um sistema de refrigeração bem localizado, de modo a evitar o superaquecimento da resina (ver Figs. 16 e 17).
Para evitar o escorrimento, são recomendados apenas poucos milímetros de descompressão ao utilizar-se bicos abertos padrão como descrito na Fig. 21. Pode ser necessário uma segunda resistência para bicos mais compridos, também controlada individualmente e mantida na temperatura mais baixa possível. Quando da utilização de bicos compridos é recomendado o uso de uma resistência na parte dianteira para controle do resfriamento e escorrimento e uma segunda resistência controlada individualmente que deve manter a temperatura mais baixa possível.
Em nylons reforçados com fibras de vidro, o perfil de temperaturas do cilindro pode reduzir o comprimento das fibras na peça injetada, principalmente quando a temperatura da zona traseira é muito baixa. Além disso, o tempo de dosagem aumenta quando são necessários altos torques. Como ilustrado na Fig. 39, a diminuição da temperatura crítica da zona traseira reduz o comprimento médio das fibras de vidro e, portanto a resistência ao impacto Izod e o módulo de flexão também diminuem, sendo que as propriedades de impacto são as mais afetadas. 27
Fig. 41 Característica de fluxo em função da pressão para ZYTEL® 101 a uma temperatura de molde de 60°C.
6.4 Velocidade e pressão de injeção Todas as máquinas de injeção modernas fornecem a pressão de injeção necessária para se alcançar a velocidade de injeção desejada.
120 2,5 mm 100
A velocidade de injeção ideal para uma peça depende da geometria da peça, dimensões do ponto de injeção e temperatura do polímero fundido. Na injeção de seções estreitas de peças, normalmente são necessárias altas velocidades de injeção para preencher a peça antes da solidificação da resina. Na injeção de seções espessas ou de peças com ponto de injeção relativamente pequeno, é recomendável utilizar velocidades mais baixas para retardar a solidificação do ponto de injeção sendo possível compactar a peça durante o maior tempo posível.
Fluxo (cm)
80
60
40 1,0 mm 20
0
O acabamento superficial é mais uniforme quando a velocidade de injeção é suficientemente alta para que se preencha a cavidade antes da resina começar a solidificar.
50
70
90
110
130
150
Pressão (MPa)
São necessárias altas velocidades de preenchimento pois o nylon reforçado com fibras de vidro ou outras resinas de nylon nucleado solidificam-se mais rapidamente que nylons não reforçados.
Fig. 42 Características de fluxo em função da pressão para vários grades de ZYTEL®. 120
ZYTEL® 101 (Molde 100∞ °C)
De fato, altas taxas de cisalhamento no ponto de injeção podem afetar as propriedades. A Fig. 40 estabelece regras para grades de nylon sem reforço. Note que acabamentos superficiais ruins, normalmente são resultados de solidificação prematura devida a baixas velocidades de preenchimento e podem ser confundidos com má dispersão de fibras de vidro ou umidade.
110 ZYTEL® 101 (Molde 65°C) 100
Cm por 2,5 mm de espessura
90
Fig. 40 Velocidade máxima de preenchimento vs. diâmetro do ponto de injeção redondo para nylon 66 sem reforço. Velocidade máxima de preenchimento g/s
30
1000
80 70 ZYTEL® ST801 (molde 65°C)
60 50
ZYTEL® 70G30 (molde 100°C)
40 100
ZYTEL® 42 (molde 65 °C)
30 20 10
20
40
60
80
100
120
140
Pressão (MPa)
1
0,6 0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
O excesso de pressão imediatamente anterior ao completo preenchimento da cavidade pode acarretar em uma alta concentração de tensão na área do ponto de injeção e provocar um desempenho inferior da peça.
3,2
Diâmetro do ponto de injeção mm
A viscosidade do polímero fundido aumenta com o teor de fibras de vidro. Por este motivo, a pressão de injeção necessária para resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro é maior que a necessária para nylons sem reforço. Normalmente a faixa de pressões situa-se entre 75 e 100 MPa.
Em muitos casos é necessário utilizar um ciclo com duas fases de injeção: * Inicialmente utilizando altas velocidades até o preenchimento da peça e, em seguida; * Utilizar velocidades inferiores para completar o preenchimento com o intuito de evitar queimaduras no final do fluxo. * Ajustar o ponto de comutação de injeção dinâmica para recalque tão tarde quanto possível, porém não após o completo preenchimento do molde.
Nas Figs. 41 e 42 é mostrado o efeito da pressão de injeção no fluxo de vários grades de nylon para o fluxo em espiral de 1,0 e 2,5 mm.
28
6.4.1 Queda de pressão dinâmica (QPD) Quando o molde está equipado com transdutores de pressão, pode-se detectar uma alteração na viscosidade do polímero fundido o que provoca uma alteração da pressão necessária para preencher a cavidade.
Devido ao caráter cristalino dos nylons, deve ser aplicada a pressão de recalque máxima possível que reduza a contração, normalmente 90 MPa. Uma variação de 10 MPa pode resultar em uma contração de aproximadamente 0,1%.
Devido a este efeito são necessários dois transdutores, uma vez que a base de cálculo está apoiada na queda dinâmica de pressão: pressão detectada pelo primeiro transdutor quando o fluxo atinge o segundo, como mostrado na Figura 10.
É essencial que seja programada apenas uma pressão para todo o tempo de recalque. Do contrário, a peça injetada pode apresentar cristalinidade não uniforme e propriedades mecânicas inferiores. A Fig. 44 ilustra a influência da pressão de recalque na contração do Zytel® 101L.
Por exemplo, uma alteração da viscosidade relativa da resina ou no teor de umidade pode ser medida indiretamente pela medida de QPD. A viscosidade relativa é uma medida confiável dos pesos moleculares que pode ser determinada rotineiramente em laboratório. É um bom guia para a resistência ao impacto e está relacionada com a viscosidade do polímero fundido.
Fig. 44 Contração em função da pressão de recalque para peças de 3mm de espessura e temperatura de molde de 70°C 2
ZYTEL® 101 L 1,8
Contração %
Durante o processamento ocorrem reações de hidrólise e policondensação que resultam em alterações de peso molecular e viscosidade do material e, consequentemente da QPD. Este efeito cruzado é difícil de controlar, uma vez que a umidade, a temperatura do polímero fundido e o tempo de residência afetam tais reações. A Fig. 43 mostra a relação entre QPD, VR e teor de umidade para o nylon 66.
1,6
1,4
1,2
1
Fig. 43 Queda de pressão dinâmica em função do teor de umidade e da VR do material.
40
50
60
70
80
90
Pressão de recalque (MPa)
Queda de pressão dinâmica (MPa)
40 ZYTEL® 101L Espessura da parede 2,0 mm Comprimento do fluxo 280 mm.
38 36
6.5.2 Tempo de recalque A contração de moldagem dos nylons depende da pressão de recalque, mas também do tempo em que esta pressão é mantida sobre a resina na cavidade. A isto se chama tempo de recalque. Para a obtenção de peças com boa aparência, boas propriedades mecânicas, estabilidade dimensional e planicidade, é essencial que se aplique uma pressão de recalque suficiente por um tempo suficiente para que a maior parte da cristalização se complete a pressão constante. Note, porém, que o tempo de recalque só é eficaz em moldes que possuam pontos de injeção nas dimensões adequadas. O ponto de injeção deve solidificar ao mesmo tempo que a peça, até que esteja totalmente cristalizada e não antes. O tempo de recalque depende da espessura da peça e em menor proporção da temperatura do molde.
34 32 30 28 26 24 22 20
51
50
49
48
47
46
VR Umidade
0,08
0,15
0,22
(% em peso)
6.5 Pressão e tempo de recalque.
Um método excelente para estabelecer o tempo de recalque correto em condições de moldagem padrão para qualquer peça, consiste em pesar peças moldadas com diferentes tempos de recalque. O gráfico típico deste tipo de medidas é mostrado na Fig. 45.
6.5.1 Pressão de recalque Assim como para todos os termoplásticos, a contração de moldagem dos nylons depende principalmente da pressão de recalque e do tempo em que essa pressão é mantida. A pressão de recalque se aplica sobre a resina durante o processo de cristalização de modo que se possa compensar a variação de volume e limitar a contração da peça (ver seção 2.1 Estrutura do material). 29
Fig. 46 Tempo de cristalização para vários grades de nylon.
Fig. 45 Contração e peso da peça em função do tempo de recalque para o ZYTEL® 101 L (para peças de 3mm de espessura) 2,4
9 100
so
8
Pe
99
2,2
97
6
96
1,8
95 1,6
94 93
1,4
Peso da peça % do máx.
Contração %
7
Tempo de cristalização (s)
ão aç ntr Co
2
98
5
4 3
92
2
1,2 91
1 1
0
5
10
15
20
25
90
0
Tempo de recalque (s)
Padrão ZYTEL® 101 L
Nucleado ZYTEL® 135 F
Reforçado ZYTEL® 70G30
Peça de 2 mm de espessura, temperatura do molde típica com pressão de recalque de 85 MPa.
Durante estes testes o ciclo total deve ser mantido constante para assegurar uma temperatura do polímero fundido constante. O tempo de recalque correto é alcançado quando o peso da peça atinge, pela primeira vez, o valor máximo. Na Fig. 45 também se pode observar que a contração alcança seu valor mínimo para o tempo de recalque correto.
Para nylons reforçados com fibras de vidro a velocidade de rotação da rosca (RPM) deve ser baixa. É recomendado um máximo para a velocidade periférica de 0,15 m/s para minimizar a quebra das fibras e evitar um desgaste excessivo da rosca e cilindro.
Os tempos de recalque recomendados para resinas injetadas em condições padrão, estão listados na parte 2.
Na Fig. 47 é ilustrado o efeito de uma velocidade periférica excessiva para resinas reforçadas.
Com um transdutor de pressão, é possível determinar o tempo de cristalização analisando a pressão na cavidade nas proximidades do ponto de injeção. Isto se consegue em um único ciclo, analisando-se as variações da curva de pressão durante a fase de recalque.
Fig. 47 Efeito da velocidade da rosca nas propriedades de impacto 100
95
Retenção da resistência ao impacto
Este sistema determina a velocidade de cristalização da resina sob condições de injeção específicas - a cristalização varia com a temperatura do polímero fundido ou do molde. A influência da presença de agentes nucleantes como pigmentos e material moído na velocidade de cristalização pode ser medida. Na Fig. 46 é mostrado o tempo de cristalização de várias resinas de nylon, medidos por este método.
90
85
80
75
70
6.6 Velocidade de dosagem da rosca e contrapressão A energia proveniente da rosca deve corresponder a 80% da energia necessária para aumentar a temperatura a um valor uniforme (as resistências contribuem em menor quantidade). Por isso, o perfil e as características da rosca devem ser consideradas.
65
60 0
0,1
0,2
0,3
Velocidade tangencial da rosca (m/s)
Para nylons sem reforço, a velocidade periférica máxima recomendada é de 0,4 m/s.
30
0,4
6.8 Temperatura do molde Tendo em vista que o nylon é um material semi-cristalino, sua contração de moldagem é relativamente alta quando comparado com materiais amorfos. Em geral, a velocidade de resfriamento influencia o grau de cristalização e, conseqüentemente, a contração.
O gráfico da Fig. 48 pode ser utilizado para determinar a velocidade de rotação máxima (RPM) em função do diâmetro da rosca e da velocidade periférica.
Rotações por minuto (RPM)
Fig. 48 Velocidade da rosca em função do diâmetro 400 375 0,4 350 325 300 275 250 225 0,2 200 175 0,15 150 125 0,1 100 75 0,05 50 25 0 10 20 30
A velocidade de resfriamento, no processo de injeção, definida principalmente pela espessura da peça e pela temperatura do molde. A baixas temperaturas, a velocidade de resfriamento é alta, resultando em um grau de cristalização menor que para temperaturas mais altas de molde. Então, a contração de moldagem aumenta com a temperatura do molde como visto na Fig. 49.
m/s
40
50
60
70
80
Fig. 49 Contração em função da temperatura do molde em uma peça de 3 mm de espessura e pressão de 90 MPa.
90 100 110 120 130 140 150 160
Diâmetro da rosca
2
ZYTEL® 101 L
Aumentando a velocidade da rosca, quando se utiliza rosca para propósitos gerais de baixa compressão, geralmente provoca uma diminuição da temperatura do polímero fundido. Roscas com zonas de plastificação profundas e curtas podem permitir a passagem de partículas não fundidas a altas velocidades.
Contração %
1,8
Devem ser utilizadas baixas contrapressões. O efeito da contrapressão é produzir um esforço adicional da rosca, o que pode causar a quebra das fibras de vidro e redução das propriedades mecânicas da peça. O aumento da contrapressão resulta em um aumento do trabalho da rosca sobre o polímero fundido. Isto pode aumentar progressivamente a temperatura do material e sua uniformidade. Quando a qualidade do polímero fundido é baixa, uma contrapressão maior pode reduzir o número de partículas não fundidas, porém não aumenta sensivelmente a qualidade do fundido.
1,6
1,4
1,2
1
40
50
60 70 Temperature do molde (°C)
80
90
Fig. 50 Contração em função da espessura da peça para uma temperatura de molde de 70°C e uma pressão de recalque de 90 MPa. 2,4
ZYTEL® 101 L
O aumento da pressão também aumenta o tempo de dosagem. Quando se injeta resinas de nylon da DuPont é recomendado utilizar a menor contrapressão possível que seja consistente com a boa qualidade do fundido.
2,2
2
Contração %
6.7 Descompressão Normalmente o uso da descompressão só é necessário para evitar o escorrimento no bico. O uso da descompressão ajuda a prevenir o escorrimento de bicos quentes e impede a emissão de gases em cilindros com respiros. O uso excessivo de descompressão pode causar entrada de ar pelo bico. Isto, por sua vez, pode levar à oxidação do material, verificada pela descoloração de algumas áreas na peça. Outra consequência pode ser a injeção de pontos frios no ciclo seguinte, o que causa defeitos superficiais, fragilidade da peça e falta de uniformidade de pesos.
1,8
1,6
1,4
1,2
1
2
4
6
Espessura da peça (mm)
31
8
Para se obter altas temperaturas de molde pode ser necessário o uso de aquecedores a óleo ou água pressurizada, porém o acabamento superficial é melhorado assim como o preenchimento da peça.
Para peças espessas, a velocidade de resfriamento é mais baixa do que para peças delgadas devido à baixa condutividade térmica dos termoplásticos. Por isso, peças delgadas possuem um menor grau de cristalinidade. A contração de moldagem aumenta com a espessura da peça, como mostrado na Fig. 50.
6.9 Tempo de resfriamento Devido às características cristalinas das resinas de nylon, não há necessidade de resfriar as peças uma vez acabado o processo de cristalização (após o tempo de recalque). A peça permanece suficientemente rígida para ser extraída.
Na temperatura de molde ideal para cada grade, listadas na parte 2, se pode obter o grau ideal de cristalização. Além disso, peças injetadas a altas temperaturas apresentam baixa contração pós-moldagem e boa estabilidade dimensional. Peças injetadas a baixas temperaturas apresentam alta contração pós-moldagem, o que em alguns casos resulta em graves tensões internas. Isto pode, geralmente, causar rupturas prematuras das peças injetadas.
6.10 Extração O lubrificante presente nas resinas de nylon Minlon® e Zytel® é, normalmente, adequado para a desmoldagem da peça, mesmo em cavidades complexas.
As resinas de nylon reforçadas com fibras de vidro podem ser injetadas em uma ampla faixa de temperaturas de molde. Entretanto, para que se obtenha o melhor aspecto superficial, o molde deve estar aquecido (normalmente entre 100 e 120°C).
32
7. Funcionamento da Máquina de Injeção 7.2 Interrupção do ciclo. No caso de haver uma pequena paralisação no ciclo, é recomendado o seguinte procedimento para evitar a degradação do material: 1- Afastar a unidade de injeção. 2- Reduzir as temperaturas do cilindro e ajustar a temperatura do fundido em 30°C abaixo da recomendada. 3- Purgar várias vezes para retirar a resina em degradação do cilindro.
7.1 Partida Máquinas que contenham resinas sensíveis termicamente como acetal, PVC ou resinas com altas temperaturas de processamento como nylons, devem ser purgadas com polietileno de alta densidade (PEAD) ou poliestireno (PS). Máquinas grandes que trabalharam anteriormente com ABS ou policarbonato podem requerer um procedimento de purga especial, por exemplo: * Purga com PEAD (preferivelmente grades de extrusão). * Purga com Zytel® reforçado com fibras de vidro. * Purga com acrílico. * Purga com PEAD.
Caso a interrupção seja muito demorada, é recomendada uma purga com PEAD ou PS. 7.3 Parada. A máquina deve ser parada com PS ou PEAD, o que encurta o tempo para partidas posteriores e reduz os problemas de contaminação. O seguinte procedimento de parada é recomendado:
Durante a purga final com PEAD, a temperatura do cilindro deve ser ajustada para o grade específico de nylon a ser processado. Este é o procedimento de partida mais comum: 1- Assegurar-se que a alimentação está fechada. 2- Ajustar a temperatura do cilindro em 10°C abaixo da temperatura de processamento mínima e a temperatura do bico no valor de processamento. Deixar o calor dissipar por todas as partes do cilíndro durante 20 minutos. Aumentar a temperatura para os valores de processamento. 3- Checar se o bico está na temperatura de procesamento. 4- Acionar a rotação da rosca. Caso não haja movimento, aguardar mais tempo para aquecimento do material. 5- Quando houver movimentação da rosca, abrir a alimentação rapidamente e fechá-la novamente. Checar a amperagem da rosca. Caso seja excessiva, aumentar a temperatura da zona traseira. O bico deve estar aberto. 6- Abrir a alimentação e manter a rosca em rotação. Extrudar o material e, caso sejam observadas partículas não fundidas, aumentar a temperatura da zona frontal. 7- Ajustar a dosagem para o peso estimado da moldagem, deixar a rosca em funcionamento, em tempos similares ao ciclo real. Purgar o material, em intervalos iguais ao tempo do ciclo por 10 minutos e comprovar a temperatura do fundido. Realizar os ajustes necessários para se obter a temperatura recomendada. 8- Avançar a unidade de injeção. Iniciar com baixas pressões e velocidades de injeção (exceto quando peças incompletas dificultem a extração) e ajustar as variáveis de processo para a melhor aparência da peça. Geralmente são necessárias altas velocidades de injeção.
1- Fechar a alimentação continuando com o processo de moldagem. Não desligar as resistências do cilindro nem do bico. 2- Esvaziar o funil de alimentação; adicionar uma quantidade de PS ou PEAD; purgar até que acabe o material. 3- Deixar a rosca na posição de avanço. 4- Desligar as resistências de aquecimento. 7.4 Purga. Os materiais de purga mais comuns e que limpam mais eficazmente os nylons são o PS, acrílico (o bico deve ser retirado durante a purga) e PEAD. Os nylons reforçados com fibras de vidro podem ser purgados eficientemente segundo o procedimento: 1- Afastar a unidade de injeção e manter a rosca na posição de avanço. 2- Acionar a rotação da rosca a alta RPM purgando tanto material quanto possível. Adicionar o material de purga e purgar até que saia limpo. Pode ser necessário ajustar as temperaturas do cilindro conforme o material utilizado. 3- É boa prática purgar a altas velocidades para raspar as paredes do cilindro antes de utilizar outra resina. Deve-se tomar cuidado para não causar a expulsão violenta da resina durante este procedimento.
33
8. Considerações Dimensionais de Moldagem e Pós-Moldagem
Para nylons reforçados com fibras de vidro, a orientação das fibras resulta em menor contração na direção do fluxo do que na direção transversal, como mostrado nas Figs. 51 e 52.
A variação dimensional das peças injetadas ocorre durante a moldagem e também após a moldagem durante a vida útil das peças. Algumas vezes estas variações são induzidas ou aceleradas. De qualquer modo, a estabilidade dimensional das peças é influenciada por: * * * *
Fig. 51 Contração restringida em função da espessura do ZYTEL® 70G35 2,2 2,0
Contração Absorção de umidade Contração pós-moldagem Recozimento
X Fluxo
1,8 1,6 ZYTEL ®101 L
1,4
-
1,2 1,0 0,8
Com a finalidade de controlar o processo de absorção de umidade e contração pós-moldagem, se recomendam as etapas técnicas de condicionamento e recozimento.
0,6 0,4
// Fluxo
0,2 0
2
3 3,2
4
6
5
Espessura (mm)
8.1 Contração de Moldagem Assim que a peça sai da máquina de injeção e é resfriada à temperatura ambiente, suas dimensões são, normalmente, inferiores às da cavidade e esta diferença quantificada em porcentagem é conhecida como contração de moldagem.
* Pressão de recalque de 75 MPa, tempo de recalque ideal, temperatura do molde de 90°C e temperatura do fundido de 295°C
Fig. 52 Contração livre em função da espessura do ZYTEL® 70G35
Entretanto, a contração varia conforme a geometria da peça injetada. Por isso, para que seja possível comparar as resinas, a contração de moldagem foi definida. Esta é a contração de um corpo de prova retangular, injetado frontalmente (127x127x3,2 mm), seco a 23°C. A contração de moldagem para grades específicos é dada na parte 2.
2,2 X Fluxo
2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8
A contração de moldagem depende do tipo de nylon, das condições de moldagem e projeto do molde. Os parâmetros críticos de cada item são:
0,6 0,4 // Fluxo
0,2
1- Tipo de resina:
0
2
3
4
5
6
Espessura (mm)
* Porcentagem de fibras de vidro * Presença de agentes nucleantes * Pigmentos
* Pressão de recalque de 75 MPa, tempo de recalque ideal, temperatura do molde de 90°C e temperatura do fundido de 295°C
Por este motivo, é mais prático utilizar uma placa para diferenciar a contração na direção do fluxo da contração na direção transversal. Como as peças apresentam os dois tipos de contração “Livre e Restringida”, uma comparação entre ambas é mostrada na Fig. 53.
2- Condições de Moldagem: * Temperatura de moldagem (Fig. 49) * Temperatura do fundido * Pressão de injeção e recalque (Fig. 44) * Tempo e pressão de recalque (Fig. 45) 3- Projeto do Molde: * Espessura da peça (Figs. 50, 51 e 52) * Tipo e localização do ponto de injeção.
34
O equilíbrio de absorção de umidade dos nylons da DuPont depende do tipo utilizado, conforme a Tabela 3. Os grades tenazes possuem um nível de equilíbrio ligeiramente mais baixo devido a insensibilidade do modificador de impacto à água.
27 mm
Fig. 53 Contração livre vs contração restringida
125 mm
Entrada
Tabela 3
Contração
60 mm
23 mm
6 66 6/66 6/12 6/10 Amorfos.
Absorção em ar a 23°C e UR de 50% Polimiamidas em água a 20°C 8,5% 7,5% 7,5% 3,0% 3,0% 5,8%
Absorção em ar a 23°C de 50% 2,8% 2,5% 2,5% 1,3% 1,2% 2,8%
Contração restringida
Os valores de contração dados nas Figs. 51 e 52 servem apenas como guias aproximadas para estimar a contração de moldagem nas direções especificadas. Devido à isotropia da contração e à influência dos fatores anteriormente citados, é recomendado o uso de moldes protótipo para a obtenção de dados dimensionais mais exatos para peças complexas de precisão.
O tempo necessário para alcançar o estado de equilíbrio depende da espessura da parede, do teor de umidade e da temperatura. A Fig. 55 mostra a absorção de água de um Zytel® não reforçado baseado em nylon 66 em função do tempo, em diferentes condições ambientais e diferentes espessuras. O tempo de absorção de umidade de um disco de 1 mm de Zytel® 101 e 135F é mostrado na Fig. 56. As variações dimensionais devidas à absorção de umidade podem ser aceleradas por condicionamento de hidratação.
8.2 Efeito da absorção de umidade nas dimensões Peças recém moldadas em resinas de nylon, normalmente possuem um teor de umidade relativamente baixo. Assim que são extraídas do molde, começam a absorver umidade lentamente do ambiente até que seja alcançada uma condição de equilíbrio. Esta condição depende da umidade relativa do ar e do tipo de nylon. A absorção de umidade implica no aumento das dimensões das peças conforme mostrado na Fig. 54.
Fig. 55 Teor de umidade em função do tempo para peças injetadas 10 1,5 mm
Fig. 54 Variação dimensional em função do teor de umidade para o ZYTEL® 101
3,2 mm
8 6,35 mm
Teor de umidade (%)
3
Variação dimensional (%)
2,5
6
4 1,5 mm 3,2 mm
2
2 6,35 mm 1,5
0
0
50
100
150
1
imerso em água a 23°C a 50% UR 0,5
0
200
250
300
Tempo (dias)
2,5
5
7,5
10
Teor de umidade (%)
35
50% umidade relativa, 23°C
8.4 Empenamento O empenamento de peças de nylon reforçado com fibras de vidro é devido a uma contração não uniforme (contração anisotrópica) que pode ser causada por:
Fig. 56 Absorção de umidade de um disco de 1mm em função do tempo 1,4
101F 1,2
Umidade (%)
1,0
Orientação da fibra/fluxo: devido à orientação das fibras, a diferença de contração entre a direção do fluxo na qual a fibra restringe a contração normal da resina e a direção transversal (onde os valores de contração são iguais aos do nylon não reforçado), resulta em uma contração anisotrópica que pode induzir o empenamento da peça. As contrações de moldagem mostradas nas Figs. 51 e 52 são sempre mais baixas na direção do fluxo e próximas na direção transversal. Portanto, qualquer condição que possa criar uma distribuição aleatória das fibras de vidro reduz o empenamento, por exemplo alterações abruptas da direção de fluxo, múltiplos pontos de injeção...
135F
0,8
0,6
0,4
0,2
0
20
40
60
80
Espessura da parede da peça: sempre que possível, as peças devem ser projetadas com espessuras uniformes. Peças espessas devem ser estreitadas para minimizar a contração. Formas complexas devem ser capazes de contrairem sem restrição, nervuras em projeções e estreitamento de seções espessas sempre devem ser considerados para diminuir a deformação local.
100
Tempo de exposição (horas) a 50 % de UR
Para o condicionamento de hidratação de peças para aplicação em condições atmosféricas normais (50% UR, 23°C), é recomendado um teor de umidade de aproximadamente 3% (por peso). O excesso de umidade superficial evapora-se rapidamente . A umidade residual pode ser distribuída e, aproximadamente, 2,5% de umidade é retido.
Projeto do molde: é recomendado um ponto de injeção central em peças redondas e na extremidade em peças retangulares ou quadradas (menores que 1,5 mm de espessura). Para peças de fluxo longo, o ponto de injeção deve estar localizado no centro de uma parede. Utilize pontos de injeção maiores (aproximadamente 50% mais largos, porém não mais espessos) que para nylons não reforçados. Em muitos casos, a mistura de grânulos para reduzir o teor de fibras (se possível do ponto de vista da aplicação) pode reduzir as tendências de empenamento. Em casos de extrema dificuldade de empenamento, consulte um representante DuPont.
Os procedimentos para condicionamento de hidratação são detalhados no Manual de Design para o Zytel®. 8.3 Contração Pós-moldagem e Recozimento Como em outros polímeros semi-cristalinos, as peças injetadas em nylons DuPont apresentam contração pós-moldagem. Isto de deve basicamente ao aumento do grau de cristalinidade que ocorre durante um longo período de tempo. Seções delgadas apresentam contração pós-moldagem maior que seções espessas. Paralelamente à contração pós-moldagem, a absorção de umidade provoca a expansão. Portanto, as dimensões finais da peça são determinadas por uma combinação destes fatores.
A não uniformidade de temperatura do molde, superaquecimento, ou ausência de refrigeração em determinadas áreas da cavidade, podem levar a diferenciais de velocidade de cristalização e, conseqüentemente, contrações não uniformes.
Em peças bem injetadas de paredes moderadamente espessas, a expansão provocada pela absorção de umidade domina a contração pós-moldagem. Por outro lado, em peças moldadas em temperaturas muito baixas ou com seções delgadas, a contração pós-moldagem é maior que a expansão por absorção de umidade.
8.5 Tolerâncias As tolerâncias possíveis são determinadas segundo o material, desenho da peça e parâmetros de injeção. A experiência tem provado que para determinados tipos de peças, disposição correta dos pontos de injeção e condições de injeção estáveis, as tolerâncias que podem ser obtidas com nylons sem reforço são as da Fig 57.
36
Tolerâncias para peças injetadas em nylons reforçados com fibras de vidro variam de acordo com a complexidade e espessuras da peça. Embora a contração de moldagem de nylons reforçados seja significativamente menor que a dos nylons sem reforço, a previsão de variações dimensionais (ver seção 8.1) pode ser muito difícil. Isto depende em grande parte da orientação das fibras na peça e das condições de injeção. As tolerâncias de moldagem em nylons reforçados com fibras de vidro tendem a ser um compromisso entre as tolerâncias comerciais e de precisão especificadas pela SPI para nylons sem reforço.
Fig. 57 Guia de tolerância para resinas de nylon 0,35 0,30 GRZ
± mm
0,25 0,20 Z 101 (comercial)
Z 101 (Fine)
0,15 0,10
Para dimensões de 150 ta 300 mm para cada mm adicional somar. Fina ±0,05 e comercial ±0,08
0,05 0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Dimensão nominal mm Estas tolerâncias não incluem margens para características de envelhecimento de material. Tolerâncias baseadas em espessuras de 3mm.
37
Para mais informações sobre os Polímeros de Engenharia: DuPont do Brasil S.A. Alameda Itapecuru, 506 - Alphaville 06454-080 Barueri - São Paulo TeleSolutions: 0800 17 17 15
Suporte Técnico e Qualidade Tel: +55 (11) 4166-8787 E-mail:
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Os dados aqui listados se encontram dentro da faixa normal de propriedades, porém não devem ser utilizados individualmente para estabelecer limites de especificações nem como base para projeto. A DuPont não assume nenhuma obrigação ou responsabilidade por quaisquer recomendações apresentadas ou resultados obtidos a partir destas informações. Estas recomendações são apresentadas e aceitas por conta e risco do comprador. A divulgação destas informações não constitui uma autorização de operação ou para infração de nenhuma patente da DuPont ou de outras empresas. A DuPont garante que o uso ou venda de qualquer material aqui apresentado e comercializado pela DuPont não infringe nenhuma patente que cubra o próprio material, porém não garante contra violações causadas por sua utilização conjunta com outros materiais ou na operação de qualquer processo. ATENÇÃO: Não utilize este material em aplicações médicas que envolvam implantes permanentes no corpo humano. Para outras aplicações médicas, consulte o manual “Declaração de Cuidados Médicos da DuPont”, H5010
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