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Introdução às poliolefinas e à extrusão de filmes

As poliolefinas, uma classe de materiais macromoleculares sintetizados a partir de monômeros de olefinas como o etileno e o propileno, são os plásticos mais produzidos e utilizados em todo o mundo. Sua prevalência decorre de uma combinação excepcional de propriedades, incluindo baixo custo, excelente processabilidade, estabilidade química notável e características físicas ajustáveis. Entre as diversas aplicações das poliolefinas, os filmes plásticos ocupam uma posição de destaque, desempenhando funções essenciais em embalagens de alimentos, coberturas agrícolas, embalagens industriais, produtos médicos e de higiene, e bens de consumo do dia a dia. As resinas de poliolefinas mais comuns empregadas na produção de filmes incluem o polietileno (PE) – abrangendo o polietileno linear de baixa densidade (PEBDL), o polietileno de baixa densidade (PEBD) e o polietileno de alta densidade (PEAD) – e o polipropileno (PP).

A fabricação de filmes de poliolefinas depende principalmente da tecnologia de extrusão, sendo a extrusão de filme soprado e a extrusão de filme fundido os dois processos principais.

1. Processo de extrusão de filme soprado

A extrusão de filme soprado é um dos métodos mais comuns para a produção de filmes de poliolefinas. O princípio fundamental envolve a extrusão de um polímero fundido verticalmente para cima através de uma matriz anular, formando uma pré-forma tubular de paredes finas. Posteriormente, ar comprimido é introduzido no interior dessa pré-forma, fazendo com que ela se expanda em uma bolha com um diâmetro significativamente maior que o da matriz. À medida que a bolha ascende, ela é resfriada e solidificada à força por um anel de ar externo. A bolha resfriada é então colapsada por um conjunto de rolos de pressão (frequentemente através de uma estrutura de colapso ou estrutura em A) e, em seguida, puxada por rolos de tração antes de ser enrolada em um rolo. O processo de extrusão de filme soprado normalmente produz filmes com orientação biaxial, o que significa que eles exibem um bom equilíbrio de propriedades mecânicas tanto na direção da máquina (MD) quanto na direção transversal (TD), como resistência à tração, resistência ao rasgo e resistência ao impacto. A espessura e as propriedades mecânicas do filme podem ser controladas ajustando a taxa de expansão (BUR – relação entre o diâmetro da bolha e o diâmetro da matriz) e a taxa de redução (DDR – relação entre a velocidade de recolhimento e a velocidade de extrusão).

2. Processo de extrusão de filme fundido

A extrusão de filme fundido é outro processo de produção vital para filmes de poliolefinas, particularmente adequado para a fabricação de filmes que exigem propriedades ópticas superiores (por exemplo, alta transparência, alto brilho) e excelente uniformidade de espessura. Nesse processo, o polímero fundido é extrudado horizontalmente através de uma matriz plana em forma de T, formando uma fita fundida uniforme. Essa fita é então rapidamente transferida para a superfície de um ou mais cilindros de resfriamento interno de alta velocidade. O material fundido solidifica-se rapidamente ao entrar em contato com a superfície fria do cilindro. Os filmes fundidos geralmente possuem excelentes propriedades ópticas, um toque macio e boa selabilidade a quente. O controle preciso da abertura da matriz, da temperatura do cilindro de resfriamento e da velocidade de rotação permite a regulação exata da espessura e da qualidade da superfície do filme.

Os 6 principais desafios da extrusão de filmes de poliolefina

Apesar da maturidade da tecnologia de extrusão, os fabricantes frequentemente encontram uma série de dificuldades de processamento na produção prática de filmes de poliolefinas, especialmente quando buscam alta produtividade, eficiência, espessuras menores e quando utilizam novas resinas de alto desempenho. Esses problemas não apenas afetam a estabilidade da produção, mas também impactam diretamente a qualidade e o custo do produto final. Os principais desafios incluem:

1. Fratura por Fusão (Pele de Tubarão): Este é um dos defeitos mais comuns na extrusão de filmes de poliolefina. Macroscopicamente, manifesta-se como ondulações transversais periódicas ou uma superfície irregularmente rugosa no filme, ou, em casos graves, distorções mais pronunciadas. A fratura por fusão ocorre principalmente quando a taxa de cisalhamento do polímero fundido ao sair da matriz excede um valor crítico, levando a oscilações de aderência-deslizamento entre a parede da matriz e o material fundido, ou quando a tensão de extensão na saída da matriz ultrapassa a resistência do material fundido. Este defeito compromete severamente as propriedades ópticas do filme (transparência, brilho), a suavidade da superfície e também pode degradar suas propriedades mecânicas e de barreira.

2. Acúmulo de material na matriz: Refere-se ao acúmulo gradual de produtos de degradação do polímero, frações de baixo peso molecular, aditivos mal dispersos (por exemplo, pigmentos, agentes antiestáticos, agentes deslizantes) ou géis da resina nas bordas da matriz ou dentro da cavidade da matriz. Esses depósitos podem se desprender durante a produção, contaminando a superfície do filme e causando defeitos como géis, estrias ou arranhões, afetando assim a aparência e a qualidade do produto. Em casos graves, o acúmulo de material na matriz pode bloquear a saída da matriz, levando a variações na espessura, rasgos no filme e, em última instância, forçando a paralisação da linha de produção para limpeza da matriz, resultando em perdas significativas na eficiência da produção e desperdício de matéria-prima.

3. Alta pressão de extrusão e flutuações: Em certas condições, particularmente no processamento de resinas de alta viscosidade ou no uso de folgas menores na matriz, a pressão dentro do sistema de extrusão (especialmente na cabeça da extrusora e na matriz) pode se tornar excessivamente alta. A alta pressão não só aumenta o consumo de energia, como também representa um risco para a vida útil do equipamento (por exemplo, rosca, cilindro, matriz) e para a segurança. Além disso, flutuações instáveis ​​na pressão de extrusão causam variações diretas na produção de material fundido, resultando em espessura de filme não uniforme.

4. Produtividade Limitada: Para prevenir ou mitigar problemas como fraturas por fusão e acúmulo de material na matriz, os fabricantes muitas vezes são obrigados a reduzir a velocidade da rosca da extrusora, limitando assim a produção da linha. Isso impacta diretamente a eficiência da produção e o custo de fabricação por unidade de produto, dificultando o atendimento às demandas do mercado por filmes de baixo custo em larga escala.

5. Dificuldade no Controle da Espessura: A instabilidade no fluxo de material fundido, a distribuição não uniforme da temperatura na matriz e o acúmulo de material na matriz podem contribuir para variações na espessura do filme, tanto transversal quanto longitudinalmente. Isso afeta o desempenho do filme no processamento subsequente e suas características de uso final.

6. Troca de resina difícil: Ao alternar entre diferentes tipos ou graus de resinas poliolefínicas, ou ao trocar os masterbatches de cor, o material residual da produção anterior costuma ser difícil de ser completamente removido da extrusora e da matriz. Isso leva à mistura de materiais antigos e novos, gerando material de transição, prolongando os tempos de troca e aumentando as taxas de refugo.

Esses desafios comuns de processamento limitam os esforços dos fabricantes de filmes de poliolefina para aprimorar a qualidade do produto e a eficiência da produção, além de representarem barreiras à adoção de novos materiais e técnicas de processamento avançadas. Portanto, buscar soluções eficazes para superar esses desafios é crucial para o desenvolvimento sustentável e saudável de toda a indústria de extrusão de filmes de poliolefina.

Soluções para o processo de extrusão de filmes de poliolefina: Auxiliares de processamento de polímeros (PPAs)

Os auxiliares de processamento de polímeros (PPAs) são aditivos funcionais cujo principal valor reside na melhoria do comportamento reológico de polímeros fundidos durante a extrusão e na modificação de sua interação com as superfícies dos equipamentos, superando assim uma série de dificuldades de processamento e aumentando a eficiência da produção e a qualidade do produto.

1. PPAs à base de fluoropolímeros

Estrutura Química e Características: Atualmente, esses são os polímeros de adesão mais utilizados, tecnologicamente maduros e comprovadamente eficazes. São tipicamente homopolímeros ou copolímeros baseados em monômeros de fluoroolefinas, como fluoreto de vinilideno (VDF), hexafluoropropileno (HFP) e tetrafluoroetileno (TFE), sendo os fluoroelastômeros os mais representativos. As cadeias moleculares desses polímeros de adesão são ricas em ligações CF de alta energia e baixa polaridade, que conferem propriedades físico-químicas únicas: energia superficial extremamente baixa (semelhante ao politetrafluoroetileno/Teflon®), excelente estabilidade térmica e inércia química. Fundamentalmente, os polímeros de adesão fluoropoliméricos geralmente apresentam baixa compatibilidade com matrizes de poliolefinas apolares (como PE e PP). Essa incompatibilidade é um pré-requisito essencial para sua migração eficaz para as superfícies metálicas da matriz, onde formam um revestimento lubrificante dinâmico.

Produtos representativos: As principais marcas no mercado global de PPAs fluoropolímeros incluem a série Viton™ FreeFlow™ da Chemours e a série Dynamar™ da 3M, que detêm uma participação de mercado significativa. Além disso, certos tipos de fluoropolímeros da Arkema (série Kynar®) e da Solvay (Tecnoflon®) também são usados ​​como componentes principais em formulações de PPA.

2. Auxiliares de Processamento à Base de Silicone (PPAs)

Estrutura Química e Características: Os principais componentes ativos desta classe de PPAs são os polissiloxanos, comumente chamados de silicones. A cadeia principal do polissiloxano consiste em átomos alternados de silício e oxigênio (-Si-O-), com grupos orgânicos (tipicamente metil) ligados aos átomos de silício. Essa estrutura molecular única confere aos materiais de silicone uma tensão superficial muito baixa, excelente estabilidade térmica, boa flexibilidade e propriedades antiaderentes a muitas substâncias. Semelhante aos PPAs de fluoropolímero, os PPAs à base de silicone funcionam migrando para as superfícies metálicas do equipamento de processamento para formar uma camada lubrificante.

Características da aplicação: Embora os PPAs fluoropolímeros dominem o setor de extrusão de filmes de poliolefinas, os PPAs à base de silicone podem apresentar vantagens exclusivas ou criar efeitos sinérgicos quando usados ​​em cenários de aplicação específicos ou em conjunto com determinados sistemas de resina. Por exemplo, podem ser considerados para aplicações que exigem coeficientes de atrito extremamente baixos ou onde características de superfície específicas são desejadas para o produto final.

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