O básico da fabricação de plástico

O termo “plástico” inclui materiais compostos por vários elementos tais como carbono, hidrogénio, oxigénio, nitrogénio, cloro e enxofre. Os plásticos têm tipicamente um peso molecular elevado, o que significa que cada molécula pode ter milhares de átomos ligados entre si. Os materiais naturais, tais como madeira, chifre e resina, são também compostos por moléculas de elevado peso molecular. Os plásticos fabricados ou sintéticos são frequentemente concebidos para imitar as propriedades dos materiais naturais. Os plásticos, também chamados polímeros, são produzidos pela conversão de produtos naturais ou pela síntese de produtos químicos primários geralmente provenientes do petróleo, gás natural, ou carvão. 

A maioria dos plásticos é baseada no átomo de carbono. Os silicones, que são baseados no átomo de silício, são uma exceção. O átomo de carbono pode se ligar a outros átomos com até quatro ligações químicas. Quando todas as ligações são com outros átomos de carbono, podem resultar em diamantes ou grafite ou fuligem carbono negro. Para os plásticos, os átomos de carbono também estão ligados ao hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, cloro ou enxofre como acima mencionados. Quando as conexões dos átomos resultam em longas cadeias, como um colar de pérolas, o polímero é chamado de termoplástico. Os termoplásticos são caracterizados por serem fundíveis. Todos os termoplásticos têm unidades de repetição, a menor seção da cadeia que é idêntica. Chamamos essas unidades de repetição de células de unidade. A grande maioria dos plásticos, cerca de 92%, são termoplásticos. 

Os grupos de átomos que são usados para fazer células unitárias são chamados de monômeros. Para alguns plásticos, como o polietileno, a unidade de repetição pode ser apenas um átomo de carbono e dois átomos de hidrogênio. Para outros plásticos, como os nylons, a unidade de repetição pode envolver 38 ou mais átomos. Quando combinamos monômeros, geramos polímeros ou plásticos. As matérias primas formam monômeros que podem ser ou são usados para formar células unitárias. Os monômeros são usados para formar polímeros ou plásticos.

Quando a conexão dos átomos de carbono formar redes bidimensionais e tridimensionais em vez de cadeias unidimensionais, o polímero será um plástico termofixo. Os plásticos termofixos são caracterizados por não serem fundíveis. Os plásticos termofixos, tais como adesivos epóxi ou cascos e banheiras de barcos de poliéster insaturado ou os adesivos fenólicos usados para fazer compensados, são criados pelo usuário misturando dois produtos químicos e imediatamente usando a mistura antes dos “arranjos” ou curas do plástico.

A formação das unidades de repetição para termoplásticos geralmente começa com a formação de pequenas moléculas à base de carbono que podem ser combinadas para formar monômeros. Os monômeros, por sua vez, são unidos por mecanismos de polimerização química para formar polímeros. A formação da matéria prima pode começar separando os produtos químicos hidrocarbônicos do gás natural, petróleo ou carvão em fluxos puros de produtos químicos. Alguns são então processados em um “processo de rachadura”. Aqui, na presença de um catalisador, as moléculas da matéria-prima são convertidas em monômeros como etileno (eteno) C2H4, propileno (propeno) C3H6, e buteno C4H8 e outros. Todos esses monômeros contêm ligações duplas entre átomos de carbono, de modo que os átomos de carbono podem reagir subseqüentemente para formar polímeros.

Outras matérias-primas químicas são isoladas do petróleo, tais como benzeno e xilenos. Estes produtos químicos reagem com outros para formar os monômeros para poliestireno, nylons e poliésteres. As matérias primas foram transformadas em monômeros e não contêm mais as frações de petróleo. Ainda outras matérias-primas podem ser obtidas de recursos renováveis, como a celulose de madeira para fazer butirato de celulose. Para que a etapa de polimerização funcione eficientemente, os monômeros devem ser muito puros. Todos os fabricantes purificam as matérias-primas e monômeros, capturando matérias-primas não utilizadas para reutilização e subprodutos para disposição adequada.

Os monômeros são então ligados quimicamente em cadeias chamadas polímeros. Existem dois mecanismos básicos para a polimerização: reações de adição e reações de condensação. Para as reações de adição é adicionado um catalisador especial, freqüentemente um peróxido, que faz com que um monômero se ligue ao seguinte e ao seguinte e assim por diante. Os catalisadores não provocam reações, mas fazem com que as reações ocorram mais rapidamente. A polimerização da adição, utilizada para polietileno e poliestireno e cloreto de polivinila, entre outros, não cria subprodutos. As reações podem ser feitas na fase gasosa dispersa em líquidos. O segundo mecanismo de polimerização, a polimerização por condensação, utiliza catalisadores para que todos os monômeros reajam com qualquer monômero adjacente. A reação resulta em dois monômeros formando dímeros (duas células unitárias) mais um subproduto. Os dímeros podem se combinar para formar tetrâmeros (quatro células unitárias) e assim por diante.  Para a polimerização da condensação, os subprodutos devem ser removidos para que a reação química produza produtos úteis. Alguns subprodutos são água, que é tratada e descartada. Outros subprodutos são matérias primas e reciclados para reutilização dentro do processo.  A remoção de subprodutos é realizada de forma que matérias-primas recicladas valiosas não sejam perdidas para o meio ambiente ou expostas às populações. As reações de condensação são normalmente feitas em uma massa de polímero fundido. Os poliésteres e nylons são feitos por polimerização de condensação.

Diferentes combinações de monômeros podem produzir resinas plásticas com diferentes propriedades e características. Quando todos os monômeros são iguais, o polímero é chamado de homopolímero. Quando mais de um monômero é usado, o polímero é chamado de copolímero. As jarras plásticas de leite são um exemplo de homopolímero PEAD. O leite é satisfatoriamente embalado no homopolímero menos caro PEAD. Garrafas de detergente de lavanderia são um exemplo de copolímero PEAD. A natureza agressiva do detergente faz de um copolímero a escolha certa para a melhor função de serviço.  Cada monômero produz uma resina plástica com propriedades e características específicas. Combinações de monômeros produzem copolímeros com outras variações de propriedades. Assim, dentro de cada tipo de polímero, tais como nylons, poliésteres, polietilenos, etc., os fabricantes podem fazer plásticos personalizados que tenham características específicas. Os polietilenos podem ser feitos para serem rígidos ou flexíveis. Os poliésteres podem ser feitos para serem adesivos fundentes a baixa temperatura ou peças de automóveis resistentes a altas temperaturas. Os polímeros termoplásticos resultantes podem ser fundidos para formar muitos tipos diferentes de produtos plásticos com aplicação em muitos mercados principais. A variabilidade do plástico tanto dentro de tipos familiares de plástico quanto entre tipos familiares permite que um plástico seja adaptado a um projeto específico e às exigências de desempenho. É por isso que certos plásticos são mais adequados para algumas aplicações enquanto outros são mais adequados para aplicações totalmente diferentes. Nenhum plástico é o melhor para todas as necessidades.

Alguns exemplos de propriedades do material em aplicações de produtos plásticos são:

• Embalagens com enchimento a quente utilizadas para produtos como o ketchup;
• Embalagens resistentes a produtos químicos utilizadas para produtos como lixívia;
• Resistência ao impacto de pára-choques de carro;

A Estrutura dos Polímeros

Como já discutimos, os polímeros podem ser homopolímeros ou copolímeros. Se as longas cadeias mostram um elo contínuo de átomos de carbono com carbono, a estrutura é chamada de homogênea. A cadeia longa é chamada de espinha dorsal. Polipropileno, polibutileno, poliestireno e polimetilpenteno são exemplos de polímeros com estrutura homogênea de carbono na espinha dorsal. Se as cadeias de átomos de carbono são interrompidas intermitentemente por oxigênio ou nitrogênio, a estrutura é chamada de heterogênea. Poliésteres, nylons e policarbonatos são exemplos de polímeros com estrutura heterogênea. Os polímeros heterogêneos como uma classe tendem a ser menos duráveis quimicamente do que os polímeros homogêneos, embora os exemplos ao contrário sejam numerosos.

Diferentes elementos podem ser afixados na espinha dorsal de carbono carbono a carbono.  O cloreto de polivinila (PVC) contém átomos de cloro anexados. O teflon contém átomos de flúor.

Como os elos em termoplásticos são dispostos também podem mudar a estrutura e as propriedades dos plásticos. Alguns plásticos são montados a partir de monômeros de tal forma que há aleatoriedade intencional na ocorrência de elementos e grupos químicos ligados. Outros têm os grupos anexos ocorrendo em ordem muito previsível. Os plásticos, se a estrutura permitir, formam cristais. Alguns plásticos formam cristais de forma fácil e rápida, como o PEAD – polietileno de alta densidade. O PEAD pode parecer nebuloso a partir dos cristais e exibe rigidez e força. Outros plásticos são construídos de forma que não se encaixam para formar cristais, como o polietileno de baixa densidade, PEBD. Um plástico amorfo é tipicamente claro na aparência. Ao ajustar a disposição espacial dos átomos nas cadeias de espinha dorsal, o fabricante de plásticos pode alterar as propriedades de desempenho do plástico.

A estrutura química da espinha dorsal, o uso de copolímeros e a ligação química de diferentes elementos e compostos a uma espinha dorsal e o uso de cristalizabilidade podem mudar as propriedades de processamento, estéticas e de desempenho dos plásticos. Os plásticos também podem ser alterados através da inclusão de aditivos.

Aditivos

Quando os plásticos surgem dos compartimentos de reações, eles podem ou não ter as propriedades desejadas para um produto comercial. A inclusão de aditivos pode conferir ao plástico propriedades específicas. Alguns polímeros incorporam aditivos durante a fabricação. Outros polímeros incluem aditivos durante o processamento em suas peças acabadas. Aditivos são incorporados aos polímeros para alterar e melhorar as propriedades mecânicas, físicas ou químicas básicas. Aditivos também são usados para proteger o polímero dos efeitos degradantes da luz, calor ou bactérias; para alterar tais propriedades de processamento do polímero, como fluxo de fusão; para fornecer cor ao produto; e para fornecer características especiais, como melhor aparência da superfície, atrito reduzido e retardamento de chama.

Tipos de Aditivos:

• Antioxidantes: para processamento de plástico e aplicação externa onde a resistência às intempéries é necessária
• Colorantes: para peças plásticas coloridas
• Agentes espumantes: para copos de poliestireno expandido e tábua de construção e para subpavimentos de alcatifa de poliuretano
• Plastificantes: utilizados no isolamento de fios, pisos, calhas e alguns filmes
• Lubrificantes: utilizados para a fabricação de fibras
• Anti-estatísticas: para reduzir a coleta de poeira por atração de eletricidade estática
• Antimicrobianos: utilizados para cortinas de chuveiro e revestimentos de parede
• Retardadores de chama: para melhorar a segurança dos revestimentos de fios e cabos e mármore cultivado

Os Dois Tipos de Plástico, Baseados no Processamento

Um termoendurecido é um polímero que solidifica ou “endurece” irreversivelmente quando aquecido ou curado. Semelhante à relação entre um ovo cru e um ovo cozido, um ovo cozido não pode voltar à sua forma original uma vez aquecido, e um polímero termofixo não pode ser amolecido uma vez “endurecido”. Os termofixos são valorizados por sua durabilidade e resistência e são amplamente utilizados em automóveis e construções, incluindo aplicações tais como adesivos, tintas e revestimentos. O termoendurecedor mais comum é o caminhão de borracha e o pneu de automóvel.  Alguns exemplos de plásticos termofixos e suas aplicações de produtos são:

Poliuretanos:

• Colchões
• Almofadas
• Isolamento

Poliésteres insaturados:

• Cascos de barcos
• Banheiras e banheiras de chuveiro
• Móveis

Epóxis:

• Colas adesivas
• Revestimento para dispositivos elétricos
• Pás de helicópteros e motores a jato

Fenol Formaldeído:

• Placas de fios orientados
• Compensados
• Aparelhos elétricos
• Placas de circuitos elétricos e interruptores

Um termoplástico é um polímero no qual as moléculas são mantidas juntas por fracas forças de ligação secundária que amolecem quando expostas ao calor e retornam ao seu estado original quando resfriadas de volta à temperatura ambiente. Quando um termoplástico é amolecido pelo calor, ele pode então ser moldado por extrusão, moldagem ou prensagem. Os cubos de gelo são itens domésticos comuns que exemplificam o princípio do termoplástico. O gelo derrete quando aquecido, mas se solidifica facilmente quando resfriado. Como um polímero, este processo pode ser repetido inúmeras vezes. Os termoplásticos oferecem versatilidade e uma ampla gama de aplicações. Eles são comumente usados em embalagens de alimentos porque podem ser rápida e economicamente formados em qualquer forma necessária para cumprir a função de embalagem. Exemplos incluem jarras de leite e garrafas de refrigerante carbonatadas. Outros exemplos de termoplásticos são:

Polietileno:

• Embalagem
• Isolamento elétrico
• Garrafas de leite e água
• Película de embalagem
• Envoltório doméstico
• Película agrícola

Polipropileno:

• Fibras para tapetes
• Pára-choques automotivos
• Recipientes de microondas
• Próteses externas

Cloreto de polivinila (PVC):

• Revestimento para cabos elétricos
• Revestimentos para pisos e paredes
• Revestimentos
• Painéis de instrumentos automotivos

Métodos de processamento termoplástico e termofixos

Há uma variedade de diferentes métodos de processamento usados para converter polímeros em produtos acabados. 

Extrusão

Este processo contínuo é usado para produzir filmes, chapas, perfis, tubos e canos. O material plástico como grânulos, pellets ou pó, é primeiro carregado em um funil e depois alimentado em uma longa câmara aquecida através da qual é movido pela ação de um parafuso continuamente giratório. A câmara é um cilindro e é referida como uma extrusora. As extrusoras podem ter um ou dois parafusos giratórios. O plástico é derretido pelo trabalho mecânico do parafuso e pelo calor da parede da extrusora. No final da câmara aquecida, o plástico fundido é forçado a sair através de uma pequena abertura chamada matriz para formar a forma do produto acabado. Como o plástico é extrudado da matriz, ele é alimentado em uma esteira transportadora para resfriamento ou em rolos para resfriamento ou por imersão em água para resfriamento. O princípio da operação é o mesmo que o de um picador de carne, mas com aquecimento adicional na parede da extrusora e resfriamento do produto. Exemplos de produtos extrudados incluem bordas de gramado, tubos, filme, papel revestido, isolamento em fios elétricos, calhas e bico de descida, madeira plástica, e guarnições de janelas. Os termoplásticos são processados por extrusão contínua. O elastômero termoplástico pode ser extrudido para a remoção de intempéries, adicionando catalisadores ao material de borracha à medida que ele é alimentado na extrusora. 

Calandragem

Este processo contínuo é uma extensão da extrusão de filmes. O extrudado ainda quente é resfriado em rolos polidos e frios para criar chapas de 0,1mm de espessura a 1,2cm de espessura. A espessura é bem mantida e a superfície fica lisa com os rolos polidos.  A calandragem é utilizada para alta produção e a capacidade de lidar com a baixa resistência ao derretimento. Os filmes pesados de polietileno usados para vapor de construção e barreiras líquidas são calandrados. Filmes de PVC de alto volume são normalmente feitos usando calandras. 

Filme soprado

um anel de polímero semifundido em uma direção ascendente, como uma fonte. É mantida uma bolha de ar que estica o plástico axial e radialmente em um tubo muitas vezes o diâmetro do anel. O diâmetro do tubo depende do plástico sendo processado e das condições de processamento. O tubo é resfriado pelo ar e cortado e enrolado continuamente como um tubo achatado. O tubo pode ser processado para formar sacos vendáveis ou fenda para formar rolos de filme com espessuras de 0,007mm a 0,1mm de espessura. Várias camadas de resinas diferentes podem ser usadas para fazer o tubo.

Moldagem por injeção

Este processo pode produzir peças tridimensionais complexas de alta qualidade e grande reprodutibilidade. É predominantemente usado para termoplásticos, mas alguns termofixos e elastômeros também são processados ​​por moldagem por injeção. Na moldagem por injeção, o material plástico é alimentado em um funil, que alimenta uma extrusora. Uma rosca extrusora empurra o plástico através da câmara de aquecimento na qual o material é então derretido. No final da extrusora, o plástico fundido é forçado a alta pressão para um molde frio fechado. A alta pressão é necessária para garantir que o molde seja totalmente preenchido. Depois que o plástico esfria e se transforma em um sólido, o molde se abre e o produto acabado é ejetado. Este processo é usado para fazer itens como potes de manteiga, recipientes de iogurte, tampas de garrafa, brinquedos, acessórios e cadeiras de gramado. Catalisadores especiais podem ser adicionados para criar os produtos plásticos termofixos durante o processamento, como peças de borracha de silicone curada. A moldagem por injeção é um processo descontínuo, pois as peças são formadas em moldes e devem ser resfriadas ou curadas antes de serem removidas. A economia é determinada por quantas peças podem ser feitas por ciclo e quão curtos os ciclos podem ser.

Moldagem por sopro

A moldagem por sopro é um processo utilizado em conjunto com a extrusão ou moldagem por injeção.  Em uma forma, a moldagem por sopro por extrusão, o molde forma um tubo contínuo semi-molde de material termoplástico. Um molde resfriado é fixado ao redor do tubo e o ar comprimido é então soprado no tubo para conformar o tubo ao interior do molde e solidificar o tubo estirado. Em geral, o objetivo é produzir um derretimento uniforme, moldá-lo em um tubo com a seção transversal desejada e soprá-lo na forma exata do produto. Este processo é usado para fabricar produtos plásticos ocos e sua principal vantagem é sua capacidade de produzir formas ocas sem ter que unir duas ou mais peças moldadas por injeção separadamente. Este método é usado para fazer itens como tambores comerciais e garrafas de leite. Outra técnica de moldagem por sopro é moldar por injeção uma forma intermediária chamada pré-forma e depois aquecer a pré-forma e soprar o plástico amolecido por calor até a forma final em um molde resfriado. Este é o processo de fabricação de garrafas de refrigerante carbonatadas.

Sopro de Contas Expandidas

Sopro de Contas Expandidas – Este processo começa com um volume medido de grânulos de plástico sendo colocados em um molde. Os grânulos contêm um agente de sopro ou gás, geralmente pentano, dissolvido no plástico. O molde fechado é aquecido para amolecer o plástico e o gás se expande ou o agente de sopro gera gás. O resultado é uma estrutura de célula fechada fundida de plástico espumado que se conforma a uma forma, como copos de poliestireno expandido.  A placa de isolamento térmico de poliestireno expandido é feita em um processo de extrusão contínua utilizando sopro de esferas expandidas.

Moldagem rotacional

A moldagem rotacional consiste em um molde montado em uma máquina capaz de girar em dois eixos simultaneamente. A resina sólida ou líquida é colocada dentro do molde e é aplicado calor. A rotação distribui o plástico em um revestimento uniforme no interior do molde, depois o molde é resfriado até que a peça plástica esfrie e endureça. Este processo é usado para fazer configurações ocas. Os produtos comumente moldados em rotação incluem tambores de transporte, tanques de armazenamento e alguns móveis e brinquedos de consumo.

Moldagem por compressão

Este processo tem um volume preparado de plástico colocado em uma cavidade do molde e então um segundo molde ou tampão é aplicado para espremer o plástico na forma desejada. O plástico pode ser um termoendurecedor semicurado, como um pneu de automóvel, ou um termoplástico ou uma esteira de resina termoendurecedora e fibras de vidro longas, como para um casco de barco. A moldagem por compressão pode ser automatizada ou requerer considerável trabalho manual. A moldagem por transferência é um refinamento da moldagem por compressão. A moldagem por transferência é usada para encapsular peças, tais como para a fabricação de semicondutores.

A formação de compensados ou placas de fios orientados utilizando adesivos termofixos é uma variante de moldagem por compressão. O folheado ou fios de madeira são revestidos com resina de fenol formaldeído catalisada e comprimidos e aquecidos para fazer com que o plástico termofixado se forme em um adesivo rígido, não fundente.

Fundição

Este processo é a baixa pressão, muitas vezes apenas vazamento, adição de resinas líquidas a um molde. Os plásticos termoconformados catalisados podem ser formados em formas intrincadas por fundição. O termoplástico polimetilmetacrilato fundido pode ser fundido em placas para formar janelas para aquários comerciais. A fundição pode fazer chapas grossas de 0,1mm a qualquer tamanho de espessura. 

Termoformagem

Os filmes de termoplástico são aquecidos para amolecer o filme, e então o filme macio é puxado por vácuo ou empurrado por pressão para se adaptar a um molde ou pressionado com um tampão em um molde. As peças são termoformadas a partir de peças cortadas para chapas grossas, acima de 2mm, ou a partir de rolos de chapas finas. As peças acabadas são cortadas da chapa e o material da chapa sucata é reciclado para a fabricação de chapa nova. O processo pode ser automatizado para a produção de grandes volumes de recipientes para alimentos clamshell ou pode ser um simples processo de trabalho manual para a fabricação de artigos artesanais individuais