MONTANDO UM LABORATÓRIO PARA PLÁSTICOS

Laboratório de plásticos
Plásticos são materiais que sofrem muitas variações em suas estruturas químicas, principalmente quando aditivados ou reciclados (ou as duas coisas ao mesmo tempo), e isso pode causar uma série de problemas na hora de transformar esse material numa peça, filme, perfil, placa etc, pois a regulagem das máquinas também precisa ser corrigida e nem sempre isso é o suficiente para produzir uma peça perfeita.

No caso de materiais reciclados esses problemas são ainda mais evidentes, pois a variação de propriedades de lote para lote é bem maior que a de um material novo, principalmente se a origem da matéria-prima nunca é a mesma. Então, para evitar que o cliente descubra que o material está fora de padrão somente ao processá-lo, o que pode causar a devolução ao vendedor e prejuízos às duas partes, o ideal é ter um laboratório para realizar o controle de qualidade.

É importante salientar que o objetivo da análise em laboratório não é simular o que ocorre na produção ou no uso, e sim verificar se as propriedades daquele material estão dentro de um padrão. Geralmente esse padrão é estabelecido pelo próprio fabricante, baseado no resultado dos testes em laboratório em comparação com o desempenho em produção ou uso do produto final. Por exemplo: a empresa produziu 3 amostras, onde a primeira obteve no teste de resistência ao impacto o resultado de 100 J/m, a segunda 200 J/m e a terceira 300 J/m. Ao produzir controles remotos de TV com o material de cada amostra, o fabricante identificou que o controle feito com o material da primeira quebrou ao cair no chão, o da segunda trincou e o da terceira amostra não sofreu nenhum dano. Então ele estabelece que o seu material não pode ter menos que 300 J/m no teste de impacto.


PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS PARA ANÁLISE DE RESINAS TERMOPLÁSTICAS

Esses são os equipamentos mais indicados para se ter no laboratório. Repare que alguns deles são dispensáveis dependendo do material com o qual você trabalha.


Plastômetro (determinador de índice de fluidez)

Plastômetro
Usado para determinar a quantidade de material que, ao ser aquecida e fundida a determinada temperatura, consegue passar por um pequeno orifício quando pressionada por uma determinada carga durante 10 minutos.

A máquina consiste de um cilindro vertical aquecido por resistências elétricas controladas por um pirômetro, onde dentro deste cilindro existe uma matriz com um único orifício no meio. O material granulado é então despejado no cilindro para que seja pressionado por um pistão, que com a ajuda de um peso e da gravidade força o material fundido através da matriz. Um mecanismo corta o espaguete produzido a cada 10 minutos, que em seguida é colocado em uma balança de precisão para se obter o resultado do teste.

O resultado do índice de fluidez indica para qual processo e tipo de peça o material se destina. Materiais com índice de fluidez baixo são usados em processos de extrusão, como chapas, perfis e filmes; já os de índices de fluidez médios são usados para moldagem por injeção de peças de parede grossa, enquanto os de índices altos são indicados para moldagem por injeção de peças de parede fina, por exemplo. Esse teste é muito importante para a maioria dos termoplásticos, com exceção das poliamidas, que por causa da instabilidade de sua viscosidade e do costumeiro uso de cargas (fibra de vidro, principalmente) acaba tendo um resultado que não tem muita representatividade na “vida real”.

As normas que descrevem os testes de determinação de índice de fluidez são a ASTM D 1238 e a ISO 1133.


Determinador de umidade
Determinador de umidade


O determinador de umidade é basicamente uma balança semi-analítica ou analítica com um sistema de aquecimento e controles eletrônicos para interromper a secagem depois de um determinado tempo, ou após a secagem completa do material. Nele o material granulado ou moído é colocado sobre seu prato de pesagem, e ali permanece enquanto é aquecido e libera umidade. Usando o peso inicial e final o aparelho calcula e exibe o percentual de umidade que a amostra continha.

A umidade pode causar muitos problemas em certos plásticos, principalmente PET, PBT, PC e poliamidas, que são plásticos que absorvem umidade naturalmente; ou plásticos reciclados em geral. Por mais que esses materiais sejam aquecidos antes do processamento, um excesso de umidade pode ser muito difícil de ser retirado e impossibilitar ou encarecer o uso da resina.

A norma que descreve o teste de determinação de umidade é a ASTM D6980. Não existe norma equivalente na ISO. Observação: a ASTM D6980 exige que a balança do determinador seja analítica (saiba mais sobre balanças analíticas mais abaixo).


Determinador de resistência ao impacto

Determinador de resistência ao impacto
O determinador de resistência ao impacto consiste de uma máquina simples, que tem a forma de um cavalete onde no topo se encontra o eixo de um pêndulo, que por sua vez possui um peso na ponta conhecido como martelo. O teste é realizado apoiando ou prendendo um corpo-de-prova com medidas especificadas numa base fixada no equipamento, então o pêndulo é erguido a uma altura determinada e sem seguida liberado, para que através da gravidade o martelo em sua ponta atinja o corpo-de-prova e o quebre. Um mostrador analógico ou digital exibe a energia necessária para quebrar a amostra, que é usada para calcular o resultado final que geralmente é dado em J/m.

Dependendo o material que está sendo testado o corpo-de-prova pode conter um entalhe, que vai concentrar as tensões em um ponto fazendo com que ele quebre com uma quantidade de energia menor.

Existem dois métodos usados na realização desse teste: Izod e Charpy. No Izod o corpo-de-prova fica preso em uma morsa na base da máquina, na vertical e com o entalhe de frente para o martelo. Já no método Charpy o corpo-de-prova fica na horizontal, apenas apoiado na base, e o entalhe fica apontado para o lado o oposto do martelo.

A resistência ao impacto é uma propriedade crucial em plásticos de engenharia e/ou plásticos reciclados e é extremamente arriscado comercializar ou produzir peças em materiais que tenham sofrido algum tipo de reciclagem ou incorporação de carga/aditivo sem a realização desse teste.

Existem variações de norma para determinação de impacto sendo as principais a ASTM D256 e a ASTM D6110 para determinação via método Izod e Charpy, respectivamente. A ISO 180 é equivalente a ASTM D256, enquanto a ISO 179 é equivalente a ASTM D6110.

Você encontra uma explicação mais específica da ASTM D256 aqui.


Máquina de ensaio de tração
Máquina de ensaio de tração

Apesar de estar listada aqui, essa máquina é dispensável para a maior parte das empresas, não só pelo custo de 6 a 10 vezes mais alto que de uma máquina de resistência ao impacto, mas também pela propriedade que ela analisa, que não é crítica para a grande maioria das aplicações. Para esse teste são usados os corpos-de-prova conhecidos como “gravatinha”, que são mais finos no centro. O objetivo do teste é esticar o corpo-de-prova e obter as tensões necessárias para fazer a amostra escoar (mudar sua forma) e romper.

A norma que descreve o ensaio de tração em plásticos é a ASTM D638. A equivalente é a ISO 527.


Balança analítica

Balança analítica
Usada para pesar o espaguete gerado pelo plastômetro, determinar o percentual de carga nos plásticos, pesar pequenas quantidades de pigmento, entre outras coisas.

A balança analítica possui precisão de 0,0001g, enquanto a semi-analítica possui precisão de 0,001g. Caso o único objetivo da balança seja a determinação de índice de fluidez através da pesagem do espaguetti, uma semi-analítica é o suficiente; porém, se existe alguma possibilidade de usá-la para outros fins recomenda-se investir em uma analítica. Devido a sensibilidade dessas balanças, elas são protegidas por portinholas de vidro e uma rampa ao redor do prato para que o vento não influencie na pesagem.


Colorímetro
Colorímetro


O colorímetro é um equipamento que possui uma fonte de luz e três filtros (azul, verde e vermelho) que simulam o comportamento da visão humana e fornecem coordenadas para as 3 cores, facilitando assim o desenvolvimento de materiais coloridos (já que você passa a ter números indicando cada tonalidade de cor), ou até mesmo a identificação do quão preto ou branco um material é, através do sistema CIE L*a*b.

É um equipamento indispensável para quem produz materiais coloridos, e recomendável para quem produz material preto e/ou branco, pois assim você evita ouvir do cliente que o material não está preto o suficiente, ou que o branco está amarelado, azulado ou acinzentado.


Mufla
Mufla


A mufla é útil quando se trabalha com materiais carregados com fibra de vidro, talco ou qualquer outra carga, pois é nela que é feito o teste de teor de carga, que verifica o percentual do componente que você está colocando como reforço em relação ao material.

A mufla é basicamente um forno aquecido por resistências elétricas e isolado com cerâmica refratária que permite atingir temperaturas altas o suficiente para fazer materiais orgânicos evaporarem.

O teste de teor de carga é parecido com o de umidade, a diferença é que ao invés de colocar o material em um prato de pesagem você o coloca em um cadinho (um pequeno vasilhame de cerâmica), leva-o a mufla, aquece por algumas horas, e o que vai sobrar no cadinho é apenas a carga. Então basta verificar o percentual do que sobrou no cadinho em relação ao material inicial e você terá o teor de carga.


Injetora de laboratório
Injetora de laboratório


A injetora de laboratório é uma versão menor e muito mais simples de uma injetora de produção. Ela não simula tão bem o que aconteceria numa injetora de produção devido ao tamanho do bico, ao tempo curto de residência no canhão, às pressões e forças de cisalhamento menores, etc, mas ela é necessária para injetar os corpos-de-prova que serão usados no teste de resistência ao impacto e de tração, assim como as plaquetas para teste de cor com o colorímetro.

O canhão pequeno da injetora de laboratório requer o pré-aquecimento e secagem de todos os materiais, mesmo as poliolefinas, caso contrário a peça pode sair manchada ou mal compactada. Portanto é necessário possuir uma estufa ou outro equipamento de secagem.


Extrusora de laboratório
Extrusora de laboratório


A extrusora de laboratório é necessária principalmente para o desenvolvimento de materiais coloridos, masterbatches e compostos, pois assim é possível produzir pequenas quantidades, fazer alterações nas fórmulas sem perder muito material e gastar pouco tempo com setup.

Além disso, é possível adiantar os testes granulando nela as formulas que ainda vão entrar em produção, o que economiza tempo e te permite retirar materiais não-conformes antes que entrem na linha.

Assim como a injetora de laboratório, a extrusora necessita de algum equipamento para aquecer o material caso contrário você não consegue puxar o espaguete e, mesmo que consiga, o granulado ficará poroso. Se você trabalha mais com material moído, pode usar um aglutinador de laboratório para pré-aquecer o material rapidamente. Se usar mais granulado, o aglutinador pode não conseguir aquecer o material devido ao fato do granulado produzir bem menor atrito contra as paredes do equipamento; nesse caso, o ideal é usar uma estufa de bandejas.


PERGUNTAS E RESPOSTAS

Vale a pena terceirizar o laboratório?
Depende da localização desse laboratório terceirizado, do custo e da frequência com que você vai precisar de seus serviços. Um teste bem feito pode demorar muitas horas porque o material deve ser condicionado em determinadas temperaturas por determinados períodos, as máquinas devem estar limpas e algumas também condicionadas, então é difícil de imaginar que um laboratório terceirizado vá conseguir realizar os testes em tempo hábil, a não ser que esteja muito próximo do local de produção ou que esse seu material não seja liberado para o cliente tão brevemente. Além disso, o custo que você tem para pagar um laboratório terceirizado é o suficiente para montar o seu próprio a médio prazo.

É necessário seguir as normas fielmente?
O ideal é seguir o mais fielmente o possível para que o seu material possa ser comparado com os de outros fabricantes. Entretanto, muitas normas requerem que o material seja condicionado durante certa temperatura/tempo antes dos testes, o que muitas vezes não é possível, já que numa produção você precisa liberar o material rapidamente e identificar problemas antes que se produzam toneladas dele, então em casos assim é necessário fazer pequenas adaptações no uso da norma.



Bibliografia:
HARPER, Charles A.; PETRIE, Edward M. Plastics Materials and Process: A Concise Encyclopedia. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2003.

Artigo postado em 23/06/2017
Sobre o autor: Daniel Tietz Roda é Tecnólogo em Produção de Plásticos formado pela FATEC/ZL e Técnico em Projetos de Mecânica pela ETEC Aprígio Gonzaga. Trabalhou na área de assistência técnica e desenvolvimento de plásticos de 2008 até 2013 e atualmente é proprietário do Tudo sobre Plásticos.
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