Análise de difração de raios X aplicada à injeção de plásticos em tempo real

A moldação por injeção é a tecnologia mais utilizada no fabrico de peças plásticas [1]. O processo costuma ser totalmente automatizado para a produção repetível e reprodutível de peças que, em geral, não necessitam de acabamento. A primeira máquina de moldação por injeção foi patenteada pelos irmãos Hyatt John e Isaiah em 1872 [2]. Estas primeiras máquinas eram bastante rudimentares em comparação com os sistemas contemporâneos. A tecnologia foi revitalizada na década de 1940 com a substituição do êmbolo para injetar o plástico quente no molde por um parafuso de extrusão [3]. A rosca rotativa deu à máquina um controlo mais eficaz sobre a velocidade de injeção refletindo-se na qualidade das peças plásticas produzidas. A rosca também permitiu a mistura de, por exemplo, materiais reciclados com materiais virgens devido à sua ação de mistura. A interação da rosca com a matéria-prima sólida do pellet contribuiu bastante para o primeiro estágio do processo de fusão ou amolecimento do plástico devido ao atrito. As máquinas de parafuso agora constituem a grande maioria de todas as máquinas de moldação por injeção. Não muito depois da introdução do sistema de moldagem por injeção por extrusão de parafuso, novos termoplásticos de alta qualidade, incluindo polietileno, polipropileno, poliestireno e nylons, tornaram-se disponíveis [4] e ajudaram muito na aceleração da adoção da moldação por injeção de plásticos como tecnologia de fabrico.

A moldação por injeção de plásticos é uma tecnologia aparentemente simples. O reservatório é alimentado com plástico, geralmente na forma de pellets de tamanho milimétrico, aquecido até o estado líquido e então injetado a alta pressão num molde metálico para definir a forma. O polímero líquido arrefece e torna-se sólido após passar por uma transição vítrea, no caso de um polímero amorfo, ou cristaliza para formar um sólido semicristalino, no caso de um polímero semicristalino. A peça sólida é então ejetada do molde. A presente investigação focou sobretudo polímeros semicristalinos como polipropileno isotático, polietileno, nylon e alguns biopolímeros, como polihidroxibutirato e polibutileno succinato. Nestes materiais, os processos de fluxo inerentes à moldação por injeção e as rápidas mudanças de temperatura envolvidas à medida que o fluido plástico entra no molde têm um impacto profundo na estrutura e morfologia, que se desenvolvem à medida que o plástico fluido solidifica e, portanto, nas propriedades da peça [5].

No último ano, um novo e importante projeto levado a cabo no Centro para o Desenvolvimento Rápido e Sustentado do Produto (CDRSP) desenvolveu um sistema de moldação por injeção de elevado valor para a fileira dos moldes. Trata-se de um sistema que pode ser colocado na linha de feixe NCD-SWEET na fonte de radiação de sincrotrão ALBA para levar a cabo medições de difração de raios X de pequeno ângulo (SAXS).

Este novo sistema permite aos investigadores monitorizar o processo de moldação por injeção em tempo real, fornecendo insights sobre a dinâmica molecular e a formação de estruturas que ocorrem durante o processo. Ao combinar o feixe NCD-SWEET e o sistema de moldação por injeção, os investigadores podem estudar a evolução das cadeias poliméricas, domínios cristalinos e outras características microestruturais. Esse conhecimento pode ajudar a otimizar o processo de moldação por injeção para produzir materiais com propriedades e desempenho inovadores.

A realização de medições de difração de raios X de pequeno ângulo durante a moldação por injeção aporta vários benefícios. Em primeiro lugar, permite uma análise detalhada da cinética do processo, proporcionando uma melhor compreensão das diversas etapas de fusão, fluxo e solidificação do polímero. Em segundo lugar, permite aos investigadores estudar o impacto das condições de processamento, tais como temperatura, pressão e taxa de arrefecimento, na microestrutura resultante e nas propriedades da peça moldada. Além disso, esta técnica ajuda a identificar e resolver quaisquer potenciais defeitos ou inconsistências nas peças moldadas, levando a melhorias na qualidade e fiabilidade do produto. Ao adquirir informações ao nível molecular em tempo real, os investigadores podem tomar decisões informadas e ajustar os parâmetros do processo de moldação por injeção, otimizando a eficiência da produção e reduzindo o desperdício.

MATERIAIS E MÉTODOS

Este trabalho apenas foi possível devido aos desenvolvimentos das fontes de radiação de sincrotrão de 3.ª geração com recurso a fontes sintonizáveis de raios X de alto brilho e intensidade, capazes de penetrar e interagir com materiais em nível microscópico ampliando as fronteiras no estudo das propriedades e comportamento dos materiais com detalhes sem precedentes.

Tais avanços nas fontes de radiação de sincrotrão, particularmente nas fontes de terceira geração como a ALBA, desempenharam um papel crucial na viabilização deste trabalho.

A figura 1 mostra uma representação esquemática da linha de feixe NCD-SWEET em ALBA onde tiveram lugar estes trabalhos.

A unidade de injeção foi concebida de acordo com um design convencional com a cavidade moldante preparada com placas moldantes standardizadas e insertos feitos numa liga de alumínio e sílica, AW6082. Para o processo de injeção, uma unidade industrial autónoma UAI6/1OP, do Grupo Rambaldi foi montada acima do molde tornando a etapa de injeção totalmente hidráulica [6]. A unidade foi ainda equipada com um conector Euromap, o que tornou a ligação de outros componentes, tais como uma interface para os controladores de ALBA, mais eficaz. A figura 2(a) mostra o sistema com os pontos de entrada do feixe de raios X, a figura 2c mostra as portas de saída e a figura 2(b) apresenta uma perspetiva lateral do sistema montado.

Os insertos moldantes foram maquinados com seis janelas cilíndricas distanciadas a cerca de 0,08 mm do lado oposto de forma a criar uma “janela” capaz de permitir que o feixe de raios X atravesse sem absorção excessiva A transmissão foi medida a cerca de 70 %, sendo esta espessura suficiente para suportar a alta pressão na cavidade durante a injeção. Todo o sistema foi montado numa plataforma translacional que permitiu o posicionamento do sistema de forma a que o feixe de raios X pudesse passar através de qualquer uma das seis janelas. A figura 3 mostra o design da peça de plástico obtida por injeção e usada neste trabalho.

Os materiais usados neste trabalho compreendem alguns grades de polipropileno isotático.

A unidade de injeção permitiu que os parâmetros do processo de injeção fossem definidos antes do início de qualquer série de experiências. A Tabela 2 mostra os parâmetros utilizados neste trabalho.

DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

A técnica de moldação por injeção é um processo de fabrico conhecido pelo seu elevado nível de reprodutibilidade, tornando-o adequado à produção em massa. A reprodutibilidade está ligada à forma exterior e o acabamento superficial das peças moldadas. Os trabalhos desenvolvidos em multi-escala permitiram aferir os limites da reprodutibilidade desta técnica. É de salientar que apesar das posições e conformações das cadeias poliméricas diferirem nas peças moldadas, pretendemos determinar se a estrutura global da peça e a sua morfologia apresentam características semelhantes.

A figura 4(a) apresenta um padrão de SAXS para o PP1 obtido durante 1 s logo após a entrada do polímero na cavidade moldante. A temperatura de injeção é de 230 °C e a temperatura do molde é de 50 °C.

Este padrão, na realidade, corresponde aos primeiros cristais formados na cavidade moldante logo após a injeção do plástico onde é possível inferir um certo nível de orientação preferencial dos cristais.

Apresentamos de seguida sequências de padrões SAXS gravados durante um ciclo de injeção para o PP1, a primeira imagem é da cavidade moldante vazia, a resolução temporal aqui é de cerca de 1s entre imagens sucessivas.