A Arte e a Ciência da Extrusão de Filmes: O Papel Crucial da Reologia de Polímeros

1.Reologia

É o estudo do comportamento deformacional de um fluxo de matéria submetido a tensões, sob determinadas condições termodinâmicas ao longo de um intervalo de tempo. Inclui propriedades como: elasticidade, viscosidade e plasticidade.

Segundo Bretas, Rosario Elida Suman, em "Reologia de polímeros fundidos",os materiais poliméricos podem ser considerados um tipo especial de material, já que apresentam ao mesmo tempo características tanto de materiais sólidos como de materiais líquidos. Esta propriedade é conhecida como viscoelasticidade e é inerente aos materiais de alto peso molecular.

A reologia de polímeros é um campo crucial para entender o comportamento de polímeros, especialmente em processos como a extrusão de filmes. Aqui estão algumas vantagens de se ter conhecimento em reologia de polímeros para este processo:

Otimização do Processo de Extrusão

A reologia ajuda a entender como os polímeros fluem sob condições variadas de temperatura e pressão. Esse conhecimento é essencial para otimizar as condições de operação na extrusão de filmes, garantindo eficiência e qualidade.

Seleção de Materiais Adequados

Compreender a reologia permite escolher os polímeros mais adequados para aplicações específicas. Diferentes polímeros exibem diferentes características reológicas que podem afetar propriedades como a transparência, resistência e flexibilidade do filme.

Melhora na Qualidade do Produto

O conhecimento em reologia ajuda a prever e controlar a espessura do filme, sua orientação molecular e outras propriedades mecânicas. Isso leva a uma melhora significativa na qualidade do filme extrudado

Prevenção de Defeitos de Fabricação

Problemas como a formação de bolhas, irregularidades na superfície e falhas na estrutura do filme podem ser minimizados com um melhor entendimento das propriedades reológicas do material

Inovação e Desenvolvimento de Novos Materiais

A reologia é fundamental na pesquisa e desenvolvimento de novos polímeros e aditivos, possibilitando a criação de filmes com propriedades inovadoras, como maior resistência a UV, barreiras a gases, entre outras

Economia de Tempo e Custos

Uma melhor compreensão da reologia pode levar a processos mais eficientes, reduzindo o desperdício de material e economizando energia, o que se traduz em economia de custos

Adaptação a Diferentes Escalas de Produção

A reologia é importante tanto em pequenas escalas de laboratório quanto em grandes operações industriais. Compreender como os polímeros se comportam em diferentes escalas ajuda a facilitar a transição do desenvolvimento de produtos para a produção em massa

Em resumo, a reologia de polímeros é um conhecimento fundamental que impacta diretamente na eficiência, qualidade e inovação no processo de extrusão de filmes  

1.1 Viscosidade

É a medida da resistência interna ou fricção interna de uma substância ao fluxo quando submetida a uma tensão. Quanto mais viscosa a massa, mais difícil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade.

Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando sujeito à ação de uma força. Os fluidos reais (líquidos, gases, sólidos fluidizados) apresentam uma resistência à deformação ou ao escoamento quando submetidos a uma determinada tensão. Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. Já a viscosidade dos líquidos relaciona-se mais com as forças de coesão entre as moléculas.

O elevado peso molecular dos materiais poliméricos leva ao constante emaranhamento e desmaranhamento de suas moléculas.

1.2 Viscoelasticidade

Os líquidos viscosos não possuem forma geométrica definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forças externas. Por outro lado, os sólidos elásticos apresentam forma geométrica bem definida e se deformados pela ação de forças externas, assumem outra forma geométrica de equilíbrio. Muitos materiais apresentam um comportamento mecânico intermediário entre estes dois extremos, evidenciando tanto características viscosas como elásticas e, por este motivo, são conhecidos como viscoelásticos.

2.     DEFORMAÇÃO E GRADIENTE DE VELOCIDADE

Considere um fluido contido entre duas placas planas paralelas, de área A, separadas por uma distância y. Uma força Fr é aplicada na parte superior, movimentando a placa a uma velocidade ur constante em relação à placa inferior, que é mantida fixa, conforme mostra a Figura 1.

Figura 1: Força de cisalhamento aplicada sobre um fluido.

Esta força F dá origem a uma força de mesma intensidade, porém em sentido contrário, a força de cisalhamento, que existe somente devido às forças de coesão do fluido com as paredes da placa e entre as camadas de fluido, em caso de regime laminar. A força de cisalhamento dá origem a um gradiente de velocidade   entre as placas.

Supondo que não haja deslizamento do fluido nas paredes das placas, a velocidade do fluido será igual a zero na placa inferior e igual a u na placa superior.

A Lei de Newton da Viscosidade diz que a relação entre a tensão de cisalhamento (força de cisalhamento x área) e o gradiente local de velocidade é definida através de uma relação linear, sendo a constante de proporcionalidade, a viscosidade do fluido. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados fluidos newtonianos.

 (2.1)

Na qual:

τyx : é a tensão de cisalhamento na direção x, g/cm.s2;

dux/dy : é o gradiente de velocidade ou taxa de cisalhamento, s-1;

μ : é a viscosidade, cP = 10-2g/cm.s = 0,001kg/m.s = 10-3 N.s

2.     CLASSIFICAÇÃO REOLÓGICA

Quanto à deformação, os fluidos podem ser classificados em:

• Reversíveis ou elásticos: são sistemas que não escoam; sua deformação é reversível e o sistema obedece à Lei de Hooke.

• Irreversíveis ou viscosos: são sistemas que escoam; sua deformação é irreversível e o sistema obedece à Lei de Newton, de viscosidade constante.

Também podem ser classificados quanto à relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento:

• Fluidos Newtonianos: sua viscosidade é constante, seguem a Lei de Newton. Esta classe abrange todos os gases e líquidos não poliméricos e homogêneos. Ex.: água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais.

• Fluidos Não Newtonianos: a relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento não é constante.

Além disso, os fluidos não newtonianos ainda podem ser classificados em: viscoelásticos, dependentes e independentes do tempo, como podemos ver na Figura 2.

Figura 2: Classificação dos Fluidos segundo seu comportamento reológico.

A Figura 3 mostra o comportamento reológicos do fluido newtoniano e dos fluidos não newtonianos independentes do tempo e a seguir é dada uma breve descrição sobre cada um deles.

Figura 3: Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e não newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento.

2.1  Fluidos não newtonianos independentes do tempo

São aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. São ainda divididos em:

A) Sem tensão inicial

são aqueles que não necessitam de uma tensão de cisalhamento inicial para começarem a escoar. Compreendem a maior parte dos fluidos não newtonianos. Dentro desta classe destacam-se:

• Pseudoplásticos

São substâncias que, em repouso, apresentam suas moléculas em um estado desordenado, e quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada. E quanto maior esta força, maior será a ordenação e, conseqüentemente, menor será a viscosidade aparente.

Este fluido pode ser descrito pelo Modelo de Ostwald-de-Waele ou Modelo Power Law (1923, 1925), representado pela Equação:

(3.1)

 (3.1)

Na qual:

K é o índice de consistência do fluido,

n é a inclinação da curva, neste caso, menor que 1. (A inclinação da curva só atinge o valor da unidade para taxas de deformação muito baixas ou muito altas, e o fluido se torna mais newtoniano.)

• Dilatantes

São substâncias que apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento. No caso de suspensões, à medida que se aumenta a tensão de cisalhamento, o líquido intersticial que lubrifica a fricção entre as partículas é incapaz de preencher os espaços devido a um aumento de volume que freqüentemente acompanha o fenômeno. Ocorre, então, o contato direto entre as partículas sólidas e, conseqüentemente, um aumento da viscosidade aparente.

Também podem ser representados pelo Modelo de Orswado-de-Waele ou Modelo Power Law (Eq. 3.1). No entanto, para este caso, n é maior que a unidade.

B) Com tensão inicial

. Esta relação depende do expoente adimensional n, característico para

São os que necessitam de uma tensão de cisalhamentos inicial para começarem a escoar. Dentre os fluidos desta classe se encontram:

• Plásticos de Bingham

Este tipo de fluido apresenta uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, a partir do momento em que se atinge uma tensão de cisalhamento inicial. Este comportamento é descrito pela equação:

(3.2)

Na qual:

τ0 é a tensão de cisalhamento inicial,

μ0 é uma constante análoga à viscosidade de fluidos newtonianos.

O sinal positivo de τ0 é utilizado quando τyx é positivo ou negativo, caso contrário.

• Herschel-Bulkley

Também chamado de Bingham generalizado. Este tipo de fluido também necessita de uma tensão inicial para começar a escoar. Entretanto, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não é linearcada fluido.

       (3.3)

3.0 Fluido de lei das potências.

Os polímeros fundidos somente apresentam comportamento Newtoniano quando estão escoando e, taxas de cisalhamento muito baixas, ou quando o cisalhamento são extremamente elevados.

(3.1)

A lei das potências é um dos modelos mais utilizados para expressar o comportamento polimérico enquanto está fluindo.

O índice da lei das potências, n, revela se um material tem comportamento Newtoniano, Não-Newtoniano ou dilatante.

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Qual dos materiais assemelha-se mais a um fluido Newtoniano

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  (a)
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  (b)

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Teste seu conhecimento com três perguntas básicas sobre o Reologia.