Processamento de Polímeros I - Departamento de Engenharia de

Transcrição

Relatório da Unidade Curricular:
Processamento de Polímeros I
Mestrados Integrados em:
Engenharia de Polímeros
Engenharia de Materiais
da Universidade do Minho
ANTÓNIO GASPAR LOPES DA CUNHA
Relatório elaborado nos termos da alínea b) do artigo 5º do
Decreto-Lei nº239/2007 para a atribuição do título académico de Agregado
Universidade do Minho
Dezembro de 2013
ÍNDICE
1.
INTRODUÇÃO
3
2.
OBJECTIVOS
4
3.
ENQUADRAMENTO NOS MESTARDOS INTEGRADOS
6
4.
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
7
4.1. Principais tópicos
7
4.2. Conteúdo programático resumido
11
4.3. Conteúdo programático detalhado
13
5.
INFRA-ESTRUTURAS DE SUPORTE
18
6.
FUNCIONAMENTO / PLANEAMENTO
19
6.1. Introdução
19
6.2. Plano geral das aulas
19
6.3. Plano detalhado das aulas
21
7.
AVALIAÇÃO
29
8.
APRECIAÇÃO CRITÍCA
29
9.
BIBLIOGRAFIA E TEXTOS DE APOIO
29
ANEXOS
Anexo I: Exercícios
31
Anexo II: Planos Curriculares
40
1
2
1. INTRODUÇÃO
O presente relatório foi elaborado com vista à obtenção do Título Académico de Agregado, tendo por
base os termos da alínea b) do artigo 5º do Decreto-Lei nº239/2007, e nele se apresentam o conteúdo
programático, o regime de funcionamento e o método de avaliação relativos à Unidade Curricular
(UC) de Processamento de Polímeros I dos Mestrados Integrados em Engenharia de Polímeros e
Engenharia de Materiais da Universidade do Minho (UM). Neste relatório faz-se, também, uma
apreciação e discussão da UC. Na tabela mostra-se localização da UC nos dois cursos onde é
leccionada.
Tabela 1. Mestrados Integrados onde é lecionada a UC de Processamento de Polímeros I.
Mestrados Integrados
Ano/Semestre
Mestrados Integrados em Engenharia de Polímeros (MIEPol)
3ºA/1ºS
Mestrados Integrados em Engenharia de Materiais (MIEMat)
3ºA/1ºS
A UC de Processamento de Polímeros I (PPI) é uma das UCs semestrais obrigatórias do plano
curricular destes mestrados integrados, sendo lecionada no 1º Semestre do seu 3º Ano, com a carga
horária semanal de 4 horas dividida em 2 módulos.
Esta UC foi introduzida nos referidos MIs que foram criados no ano letivo 2006/2007. Estas UCs
correspondem a reformulações de disciplinas existentes anteriormente nas Licenciaturas
correspondentes (Licenciaturas em Engenharia de Polímeros e Materiais). Esta UC foi reformulada
novamente com a restruturação dos MIs respetivos no ano letivo de 2012/2013, adquirindo a
configuração atual.
O programa proposto neste relatório para esta UC resulta de um compromisso entre vários fatores.
Assim, por um lado pretende-se ministrar aos alunos um nível de conhecimento científico e
tecnológico em Extrusão de Polímeros adequado ao que é expectável de um Mestrando em Engenharia
de Polímeros e em Engenharia de Materiais e, por outro lado, assegurar que os alunos ficam de posse
das ferramentas necessárias para posteriormente aplicarem o conhecimento adquirido a situações
práticas que o exijam.
A definição dos métodos/técnicas de ensino a utilizar nesta UC dependem basicamente de quatro
factores, os objectivos da disciplina, o seu carácter eminentemente prático, a necessidade de lecionar
modelos matemáticos envolvendo a realização de cálculos e o enquadramento na estrutura de cada
semestre letivo e dos respetivos cursos. Tendo em conta a estrutura dos dois mestrados integrados, a
implementação de aplicações práticas de extrusão só poderá ser realizada através de trabalho
experimental pelos alunos no âmbito das UCs Integradoras (UCIs), no caso do MIEPol, e dos
Laboratórios Integrados (LabInt), no MIEMat. Isto exige a coordenação com os responsáveis pela UCI
3
5 e LabInt IV, lecionadas no mesmo ano e semestre letivos. Esta interação será melhor explicada na
seção 3 mais adiante. Por outro lado, considerando o conteúdo programático da UC, onde são descritas
as tecnologias de extrusão e são lecionados modelos matemáticos de cálculo referentes aos fenómenos
termomecânicos que ocorrem dentro da extrusora, existiu a necessidade de separar as aulas
expositivas, mais teóricas, das aulas de cálculo. Assim, esta UC foi dividida em dois módulos
principais, Tecnologia de Extrusão de Polímeros e Plasticização de Polímeros, como se verá mais
adiante.
Uma planificação possui geralmente um carácter estático, sendo assente na definição inicial dos
objectivos e definindo-se a partir daí as metodologias a adoptar para atingir determinados resultados.
Por isso, deverá em qualquer momento ser avaliada para agregar algumas das circunstâncias que
poderão condicionar o processo de ensino aprendizagem.
Como consequência do acima exposto, a UC será leccionada com base em duas partes (ou módulos)
distintas. Na primeira parte, Tecnologia de Extrusão de Polímeros, os alunos serão sensibilizados para
o carácter eminentemente prático da disciplina e são introduzidos conceitos sobre a processabilidade
dos polímeros, linhas de extrusão, descrição do funcionamento dos equipamentos usados (extrusoras e
equipamentos acessórios) e estabelecimento das relações entre processamento e qualidade dos
produtos extrudidos. Na segunda parte, Plasticização de Polímeros, são introduzidos os modelos
matemáticos adequados para modelar o processo de plasticização tendo em conta os fenómenos
termomecânicos envolvidos, sendo, de seguida, esses modelos usados para calcular alguns dos
parâmetros importantes do processo.
2. OBJECTIVOS
Nesta UC pretende-se conferir aos alunos conhecimentos relativos ao processo de extrusão de
polímeros, nomeadamente no que se refere: à processabilidade dos polímeros, à necessidade da
existência de diferentes linhas de extrusão na produção de produtos extrudidos de diferentes formas,
ao conhecimento da função de cada um dos equipamentos nas diferentes linhas de extrusão, ao
conhecimento da existências de diferentes tipos de extrusoras e geometrias de parafusos usados nas
máquinas, relacionar algumas das variáveis do processo com as propriedades finais dos extrudidos,
identificar os fenómenos termomecânicos desenvolvidos na plasticização numa extrusora monofuso e
conhecer e aplicar os modelos matemáticos desenvolvidos para modelar a extrusora. Revestindo-se,
neste último caso, de primordial importância a criação de um espírito crítico nos alunos de forma a
interpretar os resultados dos modelos, tendo em conta as limitações resultantes da natureza analítica
dos modelos matemáticos usados.
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Atendendo a estes requisitos, a UC de Processamento de Polímeros I visa integrar um conjunto de
conhecimentos que permitam ao aluno:
1. Adquirir e interiorizar os conceitos leccionados;
2. Compreender e analisar o comportamento de uma linha de extrusão específica;
3. Compreender e analisar a necessidade e a função dos equipamentos das linhas de extrusão;
4. Compreender e analisar os diferentes tipos de extrusoras e parafusos de extrusão
5. Compreender os modelos matemáticos usados na modelação do processo de plasticização;
6. Aplicar os modelos analíticos lecionados a situações específicas do processo;
7. Interpretar resultados e extrair conclusões dos resultados da modelação;
8. Aplicar os conhecimentos adquiridos nas respetivas UCs integradoras;
9. Desenvolver o espírito crítico;
10. Ser capaz de aplicar os conhecimentos adquiridos a novas situações.
Esta UC visa proporcionar oportunidades para os estudantes desenvolverem e demonstrarem
conhecimentos, qualidades, competências e outros atributos nas seguintes áreas:
Conhecimento e Compreensão
Introdução ao processo de extrusão. Polímeros, extrusão, produtos extrudidos, linhas de extrusão,
etapas do processamento, ciclo de processamento. Processabilidade dos polímeros. Generalidades
sobre linhas de extrusão. Tipos de linhas e produtos. Equipamentos. Tipos de extrusoras. Tipos de
geometria existentes na extrusão monofuso. Parafuso convencional, rasgos no cilindro, seções de
mistura e parafusos barreira. Linhas de extrusão. Funcionamento e utilidade dos equipamentos das
linhas de extrusão. Processamento versus propriedades dos produtos extrudidos. Variantes da
extrusão: bi-orientação e co-extrusão. Modelação da plasticização de polímeros. Geometria e
simplificações. Fenómenos termomecânicos desenvolvidos. Modelos matemáticos analíticos.
Transporte de sólidos na tremonha e parafuso. Atraso na fusão. Fusão de polímeros. Bombagem.
Fluxo na fieira. Ponto Operatório.
Competências Cognitivas
Reconhecer o carácter prático da Extrusão de Polímeros e a sua localização nos objectivos dos
respectivos cursos. Compreender a necessidade da processabilidade dos polímeros. Compreender o
funcionamento das diferentes linhas de extrusão. Compreender a influência do processo nas
propriedades finais dos produtos extrudidos. Compreender os fenómenos termomecânicos
desenvolvidos na plasticização de polímeros. Estabelecer relações entre as variáveis envolvidas,
nomeadamente: estabelecer relações entre as propriedades dos polímeros, as condições de
processamento e a geometria do sistema com o desempenho do processo.
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Competências Práticas
Aplicar os princípios e técnicas da Extrusão de Polímeros no contexto profissional, nomeadamente
identificar as causas dos problemas e sugerir métodos para a sua resolução. Planear e executar projetos
que envolvam a escolha de sistemas de extrusão. Usar os conhecimentos da modelação matemática na
resolução de problemas práticos.
Competências Gerais Transferíveis
Comunicar eficazmente (por escrito e verbalmente). Aplicar competências de extrusão de polímeros.
Desenvolver trabalho como membro de uma equipa interdisciplinar. Usar tecnologias de informação e
comunicação. Gerir recursos e tempo. Aprender de forma independente em situações conhecidas e não
conhecidas com abertura de espírito e sentido crítico. Desenvolver a capacidade de aprendizagem com
vista a um progresso profissional contínuo ao longo da carreira.
3. ENQUADRAMENTO NOS MESTRADOS INTEGRADOS
O caráter eminentemente prático da UC de Processamento de Polímeros I será integrada, como
referido anteriormente, através de trabalho experimental realizados pelos alunos no âmbito das UCs
Integradoras (UCIs), no caso do MIEPol, e dos Laboratórios Integrados (LabInt), no MIEMat. Isto
exige a coordenação com os responsáveis pela UCI 5 e LabInt IV, lecionadas no mesmo ano e
semestres letivos.
UCs integradas no âmbito do MIEPol e MIEMat, respetivamente:
a) Unidade Curricular Integradora 5 (MIEPol):
- Reologia: comportamento reológico de polímeros
- Processamento de Polímeros I: extrusão,
- Ciência de Polímeros IV: microestrutura e propriedades óticas de polímeros
- Resistências de Materiais em Engenharia de Polímeros II: caracterização mecânica
- Mecânica Computacional em Engenharia de Polímeros: modelação numérica
b) Laboratório Integrado IV (MIEMat):
- Fundamentos de Transferência de Calor: propriedades térmicas
- Processamento de Polímeros I: extrusão
- Física de Materiais: propriedades elétricas
A integração com a estrutura curricular dos mestrados sofre, no entanto, de alguns problemas, como
por exemplo: i) Dado o caráter prático desta UC, é de primordial importância os alunos terem um
contato imediato com os equipamentos referidos à medida que a UC é lecionada. ii) A UC de Reologia
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é lecionada em simultâneo com Processamento de Polímeros o que não permite aos alunos integrar os
seus conhecimentos em PPI.
Na seção 8 será apreciado e discutido o funcionamento desta UC, procurando dar respostas aos
problemas encontrados através de sugestões apresentadas
4. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
4.1. Principais tópicos
Nesta secção são apresentados os principais tópicos abordados na UC de PPI, os objetivos de cada um
deles e o correspondente peso relativamente à escolaridade total. Nas próximas secções serão
apresentados os conteúdos programáticos resumido e detalhado.
A lecionação desta UC encontra-se dividida em 2 partes e, em cada uma destas partes, pelos capítulos
identificados na Tabela 1. A percentagem de tempo relativo de cada capítulo é, também, apresentada
na Tabela 1.
Tabela 1. Peso relativo, em termos das aulas teóricas, de cada um dos capítulos
que integram o programa da UC de Processamento de Polímeros I.
Partes/Capítulos
Tempo (%)
1. Tecnologia de Extrusão de Polímeros
50
1.1. Introdução
5
1.2. Processabilidade dos polímeros
10
1.3. Generalidades sobre linhas de extrusão
6
1.4. Extrusoras
4
1.5. Linhas de extrusão
20
1.6. Técnicas especiais nas linhas de extrusão
5
2. Plasticização de Polímeros
50
2.1. Generalidades sobre plasticização
5
2.2. Transporte de sólidos na tremonha
10
2.3. Transporte de sólidos no parafuso
10
2.4. Atraso na fusão
5
2.5. Fusão
10
2.6. Bombagem e ponto operatório
10
7
Parte 1:TECNOLOGIA DE EXTRUSÃO DE POLÍMEROS
Capítulo 1.1. Introdução
Produtos extrudidos. Linhas de extrusão. Etapas do processamento: ciclo do processamento.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para o carácter eminentemente prático desta UC e para a sua
localização nos objetivos dos respetivos cursos. Introdução dos conceitos básicos necessários
relacionados com os polímeros, extrusoras e produtos extrudidos. Sensibilização para exemplos
práticos da indústria onde poderão ser aplicados os conhecimentos adquiridos.
Capítulo 1.2. Processabilidade dos polímeros
Propriedades reológicas. Propriedades térmicas. Propriedades físicas. Estrutura molecular. Caráter
termoplástico versus termoendurecível. Gama de processamento em extrusão.
OBJECTIVOS: Introduzir o conceito de baixa condutividade dos polímeros e a sua influência no
processamento. Introduzir o conceito de viscosidade e viscoelasticidade e a sua influência no
processamento. Sensibilização dos alunos para a importância das propriedades no processamento.
Introduzir os conceitos de orientação molecular e cristalinidade e sua influência no processamento.
Sensibilizar os alunos para a existência de uma gama de temperaturas adequada.
Capítulo 1.3. Generalidades sobre linhas de extrusão
Generalidades. Tipos de linhas de extrusão. Aplicação da tecnologia a outros materiais.
OBJECTIVOS: Neste capítulo pretende-se mostrar que para cada tipo de produto extrudido poderá
existir a necessidade do uso de diferente tipo de equipamento. Pretende-se principalmente mostrar de
uma forma geral as diferenças entre todo o tipo de linhas de extrusão. Sensibilizar os alunos para a
possibilidade de usar o mesmo tipo de equipamento no processamento de outros materiais.
Capítulo 1.4. Extrusoras
Tipo de extrusoras: monofuso, duplo-fuso, multi-fuso e bombas de engrenagens. Funções das
extrusoras. Geometria das extrusoras. Conceitos de mistura. Seções de mistura. Parafusos barreira.
OBJECTIVOS: Neste capítulo pretende-se identificar os tipos de extrusoras existentes, as suas funções
e a sua geometria. Pretende-se, também, introduzir conceitos breves sobre mistura e fusão.
Capítulo 1.5. Linhas de extrusão
Linha de extrusão de tubos. Linha de extrusão de perfis. Linha de extrusão de filme tubular. Linha de
extrusão de filme plano. Linha de extrusão para isolamento de condutores. Linha de extrusão de
filamentos e fibras.
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OBJECTIVOS: Com este capítulo pretende-se identificar as diferentes linhas de extrusão existentes,
identificando todos os seus componentes, o seu funcionamento e a influências da geometria do
equipamento usado nas propriedades finais dos produtos extrudidos.
Capítulo 1.6. Técnicas especiais nas linhas de extrusão
Bi-orientação. Co-extrusão.
OBJECTIVOS: Pretende-se neste capítulo introduzir os conceitos de bi-orientação e co-extrusão, os
objetivos a atingir, as linhas onde poderão ser aplicados, o desenho do equipamento e as diferenças
com as linhas tradicionais.
Parte 2: PLASTICIZAÇÃO DE POLÍMEROS
Capítulo 2.1. Generalidades sobre plasticização
Funções da extrusora. Geometria do sistema: simplificações convencionais. Identificação das zonas
funcionais: experiências de visualização. Parâmetros do processo: importância do atrito, mecanismos
de fusão, percurso do material e mistura. Caracterização geométrica.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para a importância dos fenómenos termomecânicos
envolvidos na plasticização. Introdução dos conceitos básicos necessários para modelar o processo.
Introdução de um exemplo prático da caracterização geométrica de um parafuso.
Capítulo 2.2. Transporte de sólidos na tremonha
Funções da tremonha. Fluxo gravítico: modelo simples para o fluxo gravítico, capacidade de débito
das tremonhas. Modelos para a distribuição de pressões: tremonhas de seção circular e quadrada.
Exercício prático.
OBJECTIVOS: Sensibilizar os alunos para a importância do desenho da tremonha por forma a não
limitar o processo. Introdução de modelos matemáticos analíticos para o cálculo dos perfis de pressões
em tremonhas. Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do processo através da
realização de exercícios práticos.
Capítulo 2.3. Transporte de sólidos no parafuso
Mecanismo de transporte de sólidos. Modelo matemático: simplificações do modelo, cálculo do
débito, ângulo de transporte de sólidos, balanço de forças e momentos, cálculo do perfil de pressões.
Influência dos parâmetros no desempenho da extrusora. Geração de calor por atrito. Exercícios
práticos.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para a importância da existência de uma zona de sólidos no
desempenho de todo o processo. Introdução dos modelos matemáticos analíticos para o cálculo do
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débito, do ângulo de transporte de sólidos e dos perfis de pressões no parafuso. Sensibilização dos
alunos para a influência dos parâmetros do processo através da realização de exercícios práticos.
Capítulo 2.4. Atraso na fusão
Mecanismos de fusão: início da fusão, explicação para o atraso do mecanismo de fusão, critérios para
a determinação do comprimento de atraso da fusão. Análise teórica, balanço de forças e momentos:
cálculo do perfil de pressões.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para a importância desta zona em termos do desempenho
global do processo. Introdução dos mecanismos de fusão. Introdução dos modelos matemáticos
analíticos para o cálculo do perfil de pressões. Sensibilização dos alunos para a influência dos
parâmetros do processo através da realização de exercícios práticos.
Capítulo 2.5. Fusão
Mecanismo de Tadmor. Modelo de fusão: simplificações do modelo, desenvolvimento do modelo de
cálculo do perfil de sólidos ao longo do parafuso, balanços de massa e calor, perfis de temperatura no
sólido e nos filmes de fundido, dissipação viscosa. Cálculo dos perfis de sólidos: canais de
profundidade constante e variável. Influência de parâmetros operacionais e geométricos.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para a importância do controlo da fusão. Introdução dos
mecanismos de fusão. Introdução dos modelos matemáticos analíticos para o cálculo do perfil de
pressões. Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do processo através da realização
de exercícios práticos.
Capítulo 2.6. Bombagem e ponto operatório
Mecanismo do fluxo de fundido. Modelo matemático: simplificações do modelo, desenvolvimento do
modelo de cálculo dos perfis de pressões e velocidades, equação do débito. Padrão de escoamento no
canal. Efeito dos parâmetros no processo: sensibilidade à contrapressão, fluídos não-Newtonianos,
efeito das paredes do canal, dissipação viscosa. Ponto operatório: influência da geometria e condições
de processamento no ponto operatório.
OBJECTIVOS: Sensibilização dos alunos para a importância da zona de bombagem na mistura e
homogeneização do extrudido. Introdução dos mecanismos de transporte de fundido. Introdução dos
modelos matemáticos analíticos para o cálculo dos perfis de pressões e de velocidades e do débito.
Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do processo através da realização de
exercícios práticos.
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4.2. Conteúdo programático resumido
1.1.1. Produtos extrudidos.
1.1.2. Introdução às linhas de extrusão.
1.1.3. Etapas do processamento.
1.2.1. Propriedades dos polímeros.
1.2.2. Estrutura molecular.
1.2.3. Caráter termoplástico versus termoendurecível.
1.2.4. Gama de processamento em extrusão.
1.3.1. Generalidades.
1.3.2. Tipos de linhas de extrusão.
1.3.3. Aplicação da tecnologia a outros materiais.
1.4.1. Tipo de extrusoras.
1.4.2. Funções das extrusoras.
1.4.3. Geometria das extrusoras.
1.4.4. Conceitos de mistura e fusão.
1.5.1. Linha de extrusão de tubos.
1.5.2. Linha de extrusão de perfis.
1.5.3. Linha de extrusão de filme tubular.
1.5.4. Linha de extrusão de filme plano.
1.5.5. Linha de extrusão para isolamento de condutores.
1.5.6. Linha de extrusão de filamentos e fibras.
1.6.1. Bi-orientação.
1.6.2. Co-extrusão.
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2.1.1. Funções da extrusora.
2.1.2. Geometria do sistema.
2.1.3. Identificação das zonas funcionais.
2.1.4. Parâmetros do processo.
2.1.5. Caracterização geométrica.
2.2.1. Funções da tremonha.
2.2.2. Fluxo gravítico.
2.2.3. Modelos para a distribuição de pressões.
2.2.4. Exercício prático.
2.3.1. Mecanismo de transporte de sólidos
2.3.2. Modelo matemático:
2.3.3. Influência dos parâmetros no desempenho da extrusora.
2.3.4. Geração de calor por atrito.
2.3.5. Exercícios práticos.
2.4.1. Mecanismos de fusão
2.4.2. Análise teórica, balanço de forças e momentos.
2.5.1. Mecanismo de Tadmor.
2.5.2. Modelo de fusão:
2.5.3. Cálculo do perfil de sólidos.
2.5.4. Influência de parâmetros operacionais e geométricos.
2.6.1. Mecanismo do fluxo de fundido.
2.6.3. Padrão de escoamento no canal.
2.6.4. Efeito dos parâmetros do processo.
2.6.5. Ponto operatório.
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4.3. Conteúdo programático detalhado
Características dos produtos produzidos por extrusão. Necessidade de uma produção contínua.
Identificação dos vários tipos de produtos feitos por extrusão. Seleção da técnica mais
adequada para cada produto, dada a grande variedade de técnicas de processamento
disponíveis.
Identificação dos vários tipos de linhas de extrusão. Relação dessas linhas com os produtos
produzidos. Identificação da configuração dos equipamentos acessórios usados em cada tipo
de linha.
Ciclo do processamento. Dos polímeros aos produtos finais. Necessidade de transportar as
matérias-primas para as máquinas. Aquecimento e fusão dos polímeros. Arrefecimento.
Discussão de como estas necessidades condicionam o projeto das linhas de extrusão.
1.2.1. Propriedades dos polímeros
A importância das propriedades na processabilidade dos polímeros. A influência das
propriedades reológicas, físicas e térmicas no processamento dos polímeros. O caráter
viscoelástico dos polímeros. Cristalinidade. Estabilidade térmica. Dissipação viscosa.
A estrutura molecular dos diferentes polímeros. O seu caráter semi-cristalino ou amorfo. A
orientação molecular.
O caráter termoplástico de uma classe de polímeros permite versatilidade no seu
processamento. A possibilidade de usar vários ciclos de processamento.
Definição de uma gama de processamento para cada polímero em função da sua viscosidade
para a gama de taxas de corte de cada técnica de processamento.
Identificação do tipo de linha de extrusão em função do produto a extrudir. Ilustração com
alguns exemplos de linhas de extrusão.
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Constituição das linhas de extrusão. Extrusora, cabeça de extrusão e equipamento acessório.
Breve descrição das funções dos elementos das linhas de extrusão. Importância do controlo
dos equipamentos. Condições de processamento. Dimensões dos produtos e capacidade das
máquinas.
Extrusão de alimentos. Extrusão de medicamentos.
Extrusora monofuso. Capacidade das extrusoras. Breve descrição da geometria do sistema
cilindro/parafuso. Parafusos barreira. Parafusos de mistura (seções de mistura). Controlo da
pressão (rasgos no cilindro). Extrusoras especiais (duplo-fuso, planetárias e bombas de
engrenagens).
Transporte de sólidos. Fusão do polímero. Capacidade de transporte de fundido. Influência da
contra-pressão da fieira. Homogeneidade do fundido. Controlo da temperatura.
1.4.3.Geometria das extrusoras.
Extrusora monofuso. Caracterização geométrica do parafuso convencional. Suas limitações.
Rasgos no cilindro para controlo da pressão e aumento da capacidade de débito. Seções de
mistura. Breves conceitos de mistura. Dificuldade na fusão. Parafusos barreira.
Componentes da linha. Extrusora, controlo, filtro, cabeça de extrusão, calibrador,
arrefecimento, marcadores, rolo de puxo e corte ou enrolamento. Tamanhos das linhas. Tipo
de fieiras. Tipos de arrefecimento (tamanho dos tubos). Calibradores. Influências das
propriedades no arrefecimento. Existência de problemas devidos ao estiramento provocado
pelo pese próprio. Distorções ao longo da linha.
Componentes da linha. Semelhança com a linha de tubos. Extrusora, controlo, filtro, cabeça de
extrusão, calibrador, arrefecimento, marcadores, rolo de puxo e corte ou enrolamento.
Tamanhos das linhas. Tipo de fieiras. Particularidades da fieira. Tipos de arrefecimento.
Calibradores. Influências das propriedades no arrefecimento. Balanço de fluxo em seções
diferentes. Especificidades do arrefecimento e calibração.
Componentes da linha. Extrusora, controlo, filtro, cabeça de extrusão, anel de arrefecimento,
caixa de calibração, rolos de puxo, insuflação a ar e enrolamento. Inicialização do processo.
Do filme aos sacos. Tipos de fieiras. Arrefecimento da bolha. Arrefecimento secundário.
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Arrefecimento interno. Ajuste manual versus ajuste automático da fieira. Controlo da
espessura. Técnicas especiais, fieira rotativa.
Componentes da linha. Extrusora, cabeça de extrusão. Tipos de fieiras. Rolos de arrefecimento
(calandra). Comparação de filme tubular com filme plano.
Componentes da linha. Extrusora, cabeça de extrusão, pré-aquecedor do condutor,
arrefecimento, medida do diâmetro e excentricidade, desenrolador e enrolador. Tipos de
condutores. Fios e cabos. Tipo de fieiras.
Componentes da linha. Extrusora, cabeça de extrusão, fases de estiramento. Enrolamento.
Tipos de produtos. Importância do estiramento nas propriedades dos produtos.
Breves conceitos sobre bi-orientação. Modificações necessárias nas linhas de extrusão: filme
tubular e plano e tubos.
Conceito. Modificações necessárias nas linhas de extrusão: filme tubular e plano e perfis.
Constituição de uma extrusora monofuso. Descrição do funcionamento da extrusora. Funções
básicas da extrusora. Transporte de sólidos. Fusão. Transporte de fundido, homogeneização e
controlo da temperatura. Necessidade de compreender o processo. Necessidade de modelar
matematicamente o processo.
Geometria de um parafuso monofuso convencional. Alimentação, compressão e medição.
Necessidade de simplificar devido à complexidade do sistema. Desenrolamento do canal.
Coordenadas cartesianas. Velocidade relativa. Justificação e validade das simplificações.
Experiências de visualização dos fenómenos termomecânicos que ocorrem dentro do cilindro.
Identificação das etapas funcionais. Do polímero sólido ao polímero fundido. Descrição das
zonas funcionais identificadas nas visualizações experimentais. Transporte de sólidos. Atraso
na fusão. Fusão. Bombagem.
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Identificação e descrição dos parâmetros do processo. Geometria do sistema. Propriedades dos
polímeros. Condições de processamento. A influência desses parâmetros no desempenho da
extrusora. Importância dos fenómenos físicos nesse desempenho. A importância do atrito na
zona de transporte de sólidos. A necessidade da existência de condições iniciais promovidas
pela zona de sólidos. Explicação do mecanismo de transporte. Diferença entre coeficientes de
atrito. Geração de uma pressão inicial. Identificação dos mecanismos que promovem a fusão.
A distribuição de tempos de residência da matéria dentro da extrusora.
Identificação dos parâmetros geométricos para caracterização de uma seção do parafuso.
Definição das equações. Resolução de um exercício.
Transporte de sólidos. Definição das funções da tremonha. Comparação com o caso de
líquidos. Conter o polímero. Estabelecer as condições à entrada da extrusora. Promover a
estabilidade do processo.
Dedução de um modelo simples para explicar o fluxo gravítico. Capacidade de débito das
tremonhas. Problemas de fluxo.
Distribuição de pressões ao longo da tremonha. Geometria do sistema. Propriedades físicas.
Densidade aparente. Coeficientes de atrito interno e externo. Modelos para o cálculo dos perfis
de pressões em tremonhas verticais e de paredes convergentes.
Resolução de um exercício prático.
2.3.1. Mecanismo de transporte de sólidos
Identificação do mecanismo de transporte. Importância do atrito. Simplificações do modelo.
2.3.2. Modelo matemático.
Dedução da equação do débito através de um balanço de velocidades. Balanço de forças e
momentos. Ângulo de transporte de sólidos. Perfil de pressões.
Influência da geometria do parafuso, das condições operatórias e das propriedades dos
polímeros no desempenho do transporte de sólidos e da pressão máxima gerada.
Dedução de um modelo para a quantificação do calor gerado por atrito. A sua influência no
desempenho do processo.
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Resolução de exercícios práticos.
2.4.1. Mecanismos de fusão
Início da fusão na interface sólido paredes do cilindro. Condução de calor. Dissipação por
atrito. Formação de filmes de fundido junto às paredes do cilindro e parafuso. Formação do
poço de fundido. Razão para o atraso do mecanismo normal de fusão. Definição dos critérios
para a determinação do comprimento de atraso da fusão com base em dados experimentais e
um parâmetro adimensional de fusão.
Análise teórica semelhante à existente na zona de transporte de sólidos. Substituição do atrito
na interface sólido parede do cilindro pela existência de um filme de fundido. Balanço de
forças e momentos para a determinação do perfil de pressões. Caráter linear da variação da
pressão. Desenvolvimento de um modelo analítico para o cálculo do perfil de pressões.
Identificação do mecanismo que ocorre durante o processo de fusão. Simplificações
geométricas. Considerações sobre a variação das propriedades ao longo do processo.
Simplificações dos perfis de velocidades.
Modelo simplificado: bloco de sólidos, poço de fundido e filme de fundido na superfície do
cilindro.
2.5.2. Modelo de fusão
Dedução de um modelo analítico para a determinação do perfil de sólidos ao longo do
parafuso. Balanços de massa e calor. Perfis de temperatura no sólido e nos filmes de fundido.
Resolução das equações de balanço, momento e energia. Resolução da equação diferencial
obtida para a geometria do sistema. Importância da dissipação viscosa no desenvolvimento
dos perfis de temperatura e de velocidade.
Determinação do perfil de sólidos em canais de profundidade constante e variável através do
balanço de calor na interface e do balanço de massa no filme. Taxa de fusão para canais de
profundidade constante e variável. Parâmetro adimensional de fusão.
Estudo da influência de parâmetros operacionais e geométricos no desempenho da fusão.
Parâmetros operacionais: velocidade de rotação do parafuso, temperatura do cilindro e
temperatura dos sólidos. Parâmetros geométricos: profundidade do canal/razão de compressão,
largura do canal e declive da compressão.
17
Desenvolvimento de perfis de velocidades devido à existência de diferenças de pressão e ao
movimento relativo entre as paredes do canal.
Simplificações: regime estacionário, fluxo isotérmico, fluido newtoniano. Desenvolvimento
do modelo de cálculo dos perfis de pressões e velocidades. Resolução das equações da
quantidade de movimento e de energia. Equação do débito. Débito de pressão e débito de
arraste. Variáveis do processo e sua contribuição para o débito de pressão e arraste.
Desenvolvimento de um padrão de escoamento tridimensional devido às paredes do canal do
parafuso. Explicação para a distribuição dos tempos de residência.
2.6.4. Influência dos parâmetros do processo.
Importância da sensibilidade à contra-pressão devido à possibilidade de variações geometria
da fieira usada. Soluções para minimizar o efeito. Importância do caráter não-Newtoniano dos
polímeros no desempenho da extrusora. Modificação da equação do débito para ter em conta
estes efeitos. Importância do efeito das paredes do canal no débito. Modificação da equação do
débito para ter em conta estes efeitos. Efeito da folga mecânica entre o parafuso e o cilindro.
Efeito da dissipação viscosa no modelo. A variação de energia interna é devida ao balanço
entre o calor gerado por forças viscosas e o calor perdido por condução. Modelo para o cálculo
da variação da temperatura média.
Definição de ponto operatório. Influência da viscosidade, da geometria do sistema e das
condições de processamento no ponto operatório do conjunto extrusora/fieira.
2.6.6. Exercícios práticos
5. INFRA-ESTRUTURAS DE SUPORTE
As actividades decorrentes da leccionação desta disciplina requerem essencialmente a utilização dos
seguintes recursos:
Recursos humanos
Um docente para as aulas teóricas e teórico-práticas.
18
Sala de aulas
Nas aulas teóricas são necessários, um quadro, um projector multimédia e um computador. Os
alunos deverão estar munidos de uma máquina de calcular para a resolução dos exercícios nas
aulas teórico-práticas.
Outros meios
Os alunos necessitam de ter acesso a livros e artigos científicos, os quais podem ser acedidos
através da biblioteca da UM.
6. FUNCIONAMENTO/PLANEAMENTO
6.1. Introdução
A escolaridade semanal da UC de PPI, apresentada na Introdução inclui dois blocos de duas horas para
as aulas teóricas (usando dois períodos consecutivos de 50 minutos úteis). Cada bloco é atribuído a
cada uma das partes identificadas no programa (Tecnologia de Extrusão de Polímeros e Plasticização
de Polímeros).
Os principais meios audiovisuais utilizados nas aulas teóricas da disciplina são as apresentações
“multimédia” (PowerPoint ou outras). A resolução dos exercícios propostos no 2º módulo
(Plasticização de Polímeros) é feita pelos alunos após uma breve explicação inicial dos problemas. O
método de resolução e as soluções dos problemas são colocados no quadro pelo docente. Na
planificação de cada sessão lectiva (a apresentar na secção 6.3) serão explicitadas as diversas
estratégias e métodos de ensino aprendizagem utilizadas. Estas estratégias estão relacionadas com os
conhecimentos e as competências definidas anteriormente (capítulo 2).
A carga de trabalho a realizar deve estar distribuída ao longo do semestre e não localizada no fim do
ano, altura em que os alunos normalmente necessitam de fazer os exames às outras disciplinas. Com o
programa proposto pretende-se fazer com que a matéria leccionada nas aulas teóricas tenha uma
aplicação sequencial na resolução dos exercícios propostos. É importante, também, assegurar que os
exercícios práticos sejam introduzidos por ordem de complexidade crescente.
6.2. Planeamento geral das aulas
O planeamento das aulas foi efectuado considerando que existem 18 semanas letivas efetivas,
incluindo as duas semanas em que se realizam os exames escritos.
O plano geral de todos os tipos de aulas apresenta-se nas Tabelas 2 e 3.
19
Tabela 2. Planeamento geral das aulas, Parte 1.
Semana
Parte 1- Tecnologia de Extrusão de Polímeros (2 horas/semana)
1
Apresentação da disciplina. Método de avaliação.
1.1.1. Produtos extrudidos. 1.1.2. Introdução às linhas de extrusão.
2
1.1.2. Introdução às linhas de extrusão. (continuação) 1.1.5. Etapas do processamento.
3
4
1.2.2. Estrutura molecular. 1.2.5. Caráter termoplástico versus termoendurecível
5
1.2.3. Caráter termoplástico versus termoendurecível. (continuação) 1.2.4. Gama de processamento em
extrusão.
6
1.3.1. Generalidades. 1.3.2. Tipos de linhas de extrusão.
7
1.3.2. Tipos de linhas de extrusão. (continuação) 1.3.3. Aplicação da tecnologia a outros materiais.
8
1.4.1. Tipo de extrusoras. 1.4.2. Funções das extrusoras. 1.4.3. Geometria das extrusoras. 1.4.4. Conceitos
de mistura e fusão.
9
Teste escrito.
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Teste escrito.
20
Tabela 3. Planeamento geral das aulas, Parte 2.
Semana
Parte 2 - Plasticização de Polímeros (2 horas/semana)
1
2.1.1. Funções da extrusora. 2.1.2. Geometria do sistema.
2
2.1.3. Identificação das zonas funcionais. 2.1.4. Parâmetros do processo. 2.1.5. Caracterização geométrica.
3
2.2.1. Funções da tremonha. 2.2.2. Fluxo gravítico. 2.2.3. Modelos para a distribuição de pressões. 2.2.4.
Exercício prático.
4
5
6
2.3.1. Mecanismos de transporte de sólidos. 2.3.2. Modelo matemático. 2.3.3. Influência dos parâmetros no
desempenho da extrusora. 2.3.4. Geração de calor por atrito.
7
8
9
Teste escrito.
10
2.4.1. Mecanismos de fusão.
11
12
2.5.1. Mecanismo de Tadmor. 2.5.2. Modelo de fusão. 2.5.3. Cálculo do perfil de sólidos.
13
2.5.4. Influência de parâmetros operacionais e geométricos. 2.5.5. Exercícios práticos.
14
15
2.6.1. Mecanismo do fluxo de fundido. 2.6.2. Modelo matemático. 2.6.3. Padrão de escoamento no canal.
16
2.6.5. Ponto operatório. 2.6.6. Exercícios práticos.
17
18
Teste escrito.
6.3. Plano específico das aulas
Nos quadros seguintes apresentam-se, para cada um dos capítulos, a sequência das aulas, os objetivos
a atingir e a estratégia adotada para apresentação da matéria a lecionar. Optou-se por agrupar as aulas
por capítulos para evitar a repetição do seu conteúdo.
21
Objetivos
Sensibilização dos alunos para o carácter eminentemente prático desta UC e para a sua
localização nos objetivos dos respetivos cursos. Introdução dos conceitos básicos necessários
relacionados com os polímeros, extrusoras e produtos extrudidos. Sensibilização para
exemplos práticos da indústria onde poderão ser aplicados os conhecimentos adquiridos.
Apresentação dos conceitos através do uso de exemplos práticos.
Visita às instalações do DEP para visualização prática dos equipamentos.
Através das propriedades dos polímeros demonstrar a necessidade da existência das etapas
identificadas.
Usando exemplos práticos de produtos extrudidos explicar a necessidade de diferentes linhas
de extrusão.
Conteúdo
Programático
Semanas 1e 2
Estratégia
Pedagógica
Apresentação da disciplina.
Método de avaliação.
Objetivos
Introduzir o conceito de baixa condutividade dos polímeros e a sua influência no
processamento. Introduzir o conceito de viscosidade e viscoelasticidade e a sua influência no
processamento. Sensibilização dos alunos para a importância das propriedades no
processamento. Introduzir os conceitos de orientação molecular e cristalinidade e sua
influência no processamento. Sensibilizar os alunos para a existência de uma gama de
temperaturas adequada.
Nesta aula alguns dos conceitos necessários na disciplina continuam a ser introduzidos pelo
recurso a exemplos práticos.
Mostrar as vantagens dos polímeros relativamente a outros materiais devido às suas
propriedades.
Através de exemplos práticos mostrar como as propriedades dos polímeros influenciam os
parâmetros do processamento.
Conteúdo
Programático
22
Semanas 3, 4 e 5
Estratégia
Pedagógica
Objetivos
Neste capítulo pretende-se mostrar que para cada tipo de produto extrudido poderá existir a
necessidade do uso de diferente tipo de equipamento. Pretende-se principalmente mostrar de
uma forma geral as diferenças entre todo o tipo de linhas de extrusão. Sensibilizar os alunos
materiais.
Estratégia
Pedagógica
Recorrendo a exemplos práticos de produtos extrudidos mostrar a necessidade de usar
Conteúdo
Programático
equipamentos diferentes em cada linha de extrusão.
Semanas 6 e 7
para a possibilidade de usar o mesmo tipo de equipamento no processamento de outros
Objetivos
Neste capítulo pretende-se identificar os tipos de extrusoras existentes, as suas funções e a sua
geometria. Pretende-se, também, introduzir conceitos breves sobre mistura e fusão.
Demonstrar de uma forma prática o papel principal da extrusora e da cabeça de extrusão nas
diferentes linhas.
Alertar para a existência de diferentes tipos de extrusoras que poderão melhorar algumas das
funções básicas da extrusora, tais como mistura e fusão.
Conteúdo
Programático
1.4.3. Geometria das extrusoras.
1.4.4. Conceitos de mistura e fusão.
23
Semana 8
Estratégia
Pedagógica
Objetivos
Com este capítulo pretende-se identificar as diferentes linhas de extrusão existentes,
identificando todos os seus componentes, o seu funcionamento e a influências da geometria do
equipamento usado nas propriedades finais dos produtos extrudidos.
Através de exemplos identificam-se para cada linha de extrusão os equipamentos acessórios e
específicos necessários ao seu funcionamento.
Mostrara como esse funcionamento poderá afetar as propriedades finais dos produtos
extrudidos.
Conteúdo
Programático
Semanas 10 a 15
Estratégia
Pedagógica
Objetivos
Pretende-se neste capítulo introduzir os conceitos de bi-orientação e co-extrusão, os objetivos
a atingir, as linhas onde poderão ser aplicados, o desenho do equipamento e as diferenças com
Estratégia
Pedagógica
Recorrendo, novamente, a exemplos práticos mostrar como se poderá melhorar o desempenho
de produtos extrudidos através da indução de bi-orientação molecular e de extrusão simultânea
de vários materiais poliméricos.
Identifica-se, também, a necessidade de modificar as linhas tradicionais.
Conteúdo
Programático
24
Semanas 16 e 17
as linhas tradicionais.
Objetivos
Sensibilização dos alunos para a importância dos fenómenos termomecânicos envolvidos na
plasticização. Introdução dos conceitos básicos necessários para modelar o processo.
Introdução de um exemplo prático da caracterização geométrica de um parafuso.
Estratégia
Pedagógica
Através do uso de exemplos práticos explicar as funções básicas de uma extrusora.
Mostrar as experiências de visualização recorrendo a um vídeo, usando essas experiências para
Recorrendo a animações mostrar a importância do atrito, os mecanismos de fusão e o percurso
das partículas no canal do parafuso da extrusora.
Realização de um exercício sobre os cálculos dos parâmetros geométricos de um parafuso.
Conteúdo
Programático
Semanas 1e 2
identificar as zonas funcionais e os parâmetros do processo.
Objetivos
Sensibilizar os alunos para a importância do desenho da tremonha por forma a não limitar o
processo. Introdução dos modelos matemáticos analíticos para o cálculo dos perfis de pressões
em tremonhas. Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do processo através
da realização de exercícios práticos.
Através da comparação com o fluxo de líquidos em contentores explicar as diferenças que
ocorrem quando existem sólidos.
Explicar, através de deduções básicas, o modelo para a distribuição de pressões me tremonhas.
Realização de um exercício prático onde se explica a metodologia a usar para o cálculo e
promovendo a finalização dos cálculos pelos alunos, colocando os resultados no quadro à
medida que forem sendo realizados pelos alunos.
Promover uma análise crítica aos resultados obtidos.
Conteúdo
Programático
25
Semanas 3, 4 e 5
Estratégia
Pedagógica
Objetivos
Sensibilização dos alunos para a importância da existência de uma zona de sólidos no
desempenho de todo o processo. Introdução dos modelos matemáticos analíticos para o
cálculo do débito, do ângulo de transporte de sólidos e dos perfis de pressões no parafuso.
Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do processo através da realização
de exercícios práticos.
Expor, usando exemplos, os mecanismos de transporte de sólidos no parafuso de uma
extrusora.
Fazer as deduções básicas dos modelos analíticos para o cálculo do débito e do perfil de
pressões.
Realização de exercícios expondo a metodologia a usar para o cálculo e promovendo a
finalização dos cálculos pelos alunos, colocando os resultados no quadro e promovendo uma
Semanas 6, 7 e 8
Estratégia
Pedagógica
análise crítica aos resultados obtidos.
Conteúdo
Programático
2.3.1. Mecanismos de transporte de sólidos.
Objetivos
Sensibilização dos alunos para a importância desta zona em termos do desempenho global do
processo. Introdução dos mecanismos de fusão. Introdução dos modelos matemáticos
parâmetros do processo através da realização de exercícios práticos.
Estratégia
Pedagógica
Expor, usando exemplos, os mecanismos de fusão que ocorrem na extrusora.
Fazer as deduções básicas dos modelos analíticos para o cálculo do débito e do perfil de
pressões nesta zona.
Conteúdo
Programático
2.4.1. Mecanismos de fusão.
26
Semanas 10 e 11
analíticos para o cálculo do perfil de pressões. Sensibilização dos alunos para a influência dos
Objetivos
Sensibilização dos alunos para a importância do controlo da fusão. Introdução dos
mecanismos de fusão. Introdução dos mecanismos de fusão. Introdução dos modelos
matemáticos analíticos para o cálculo do perfil de pressões. Sensibilização dos alunos para a
influência dos parâmetros do processo através da realização de exercícios práticos.
Estratégia
Pedagógica
Mostrar através de resultados experimentais da literatura a possibilidade da existência de
vários mecanismos de fusão.
Explicar a necessidade da existência de simplificações na dedução do modelo de cálculo.
Explicar a existência de dissipação viscosa e como esse fenómeno poderá ser incorporado no
modelo de cálculo.
finalização dos cálculos pelos alunos.
Os resultados são colocados no quadro à medida da sua realização por forma a promover uma
Conteúdo
Programático
2.5.2. Modelo de fusão:
27
Semanas 12, 13 e 14
Demonstrar que o mecanismo de fusão mais frequente é o mecanismo de Tadmor.
Objetivos
Sensibilização dos alunos para a importância da zona de bombagem na mistura e
homogeneização do extrudido. Introdução dos mecanismos de transporte de fundido.
Introdução dos modelos matemáticos analíticos para o cálculo dos perfis de pressões e de
velocidades e do débito. Sensibilização dos alunos para a influência dos parâmetros do
processo através da realização de exercícios práticos.
Estratégia
Pedagógica
Mostrar através de animações o mecanismo de fluxo de fundido no canal do parafuso.
Explicar a necessidade da existência de simplificações na dedução do modelo de cálculo.
geometria.
Mostrar como esses fenómenos poderão ser incorporados no modelo de cálculo.
finalização dos cálculos pelos alunos.
Os resultados são colocados no quadro à medida da sua realização por forma a promover uma
Conteúdo
Programático
28
Semanas 15, 16 e 17
Explicar os efeitos da dissipação viscosa, do caráter não-Newtoniano dos polímeros e da
7. AVALIAÇÃO
A avaliação desta UC compreenderá corresponderá à média da nota obtida em cada um dos dois testes
efetuados durante o ano letivo. Em cada teste a nota será a média obtida em cada uma das partes da
matéria. A nota mínima de cada exame é fixada em 9.5 valores (escala de 1 a 20).
8. APRECIAÇÃO CRITÍCA
Os conteúdos lecionados nesta UC de PP I, como ser pode verificar pelo programa descrito
anteriormente, necessitam de alguns conhecimentos prévios, os quais fazem parte do conteúdo de
outras UCs dos respetivos planos cursos (MIEMat e MIEPol). No MIEPol esses conteúdos são
lecionados nas UCs seguintes (ver Anexo II): Introdução aos Polímeros (1º Ano/1º Semestre), Ciência
de Polímeros I e II (1º Ano/2º Semestre e 2º Ano/1º Semestre, respetivamente), Transferência de Calor
(2º Ano/2º Semestre) e Reologia (3º Ano/1º Semestre). No MIEMat são lecionados nas UCs seguintes
(ver Anexo II): Ciência de Polímeros I e II (1º Ano/2º Semestre e 2º Ano/1º Semestre,
respetivamente), Reologia (3º Ano/1º Semestre) e Fundamentos de Transferência de Calor (3º Ano/1º
Semestre). Verifica-se que o fato de estas UCs serem lecionadas em semestres anteriores ao semestre
em que PP I é lecionado permite aos alunos uma mais fácil compreensão dos fenómenos envolvidos
no processamento de polímeros, nomeadamente no processo de extrusão.
No entanto, este fato já não se verifica no caso da Reologia para o MIEPol e no caso de Fundamentos
de Transferência de Calor e Reologia para o MIEMat. Este problema não é ultrapassado pelo fato de o
conteúdos de Fundamentos de Transferência de Calor e Reologia serem lecionados no mesmo ano e
semestre letivo, uma vez que os alunos necessitam de algum tempo para os assimilar. Assim, é sempre
necessário introduzir alguns dos conceitos dos conteúdos de outras UCs para que os alunos
compreendam mais facilmente o conteúdo de PPI.
No caso do MIEPol sugere-se a troca de UC de Ciência de Polímeros II lecionada no 2º semestre do 2º
ano pela de Reologia lecionada no 1º semestre de 3º ano. No caso do MIEMat é muito mais difícil
qualquer alteração, dado o caráter interdepartamental do curso e pelo fato de serem necessárias
alterações em duas UCs.
9. BIBLIOGRAFIA E TEXTOS DE APOIO
Existe um grande número de livros publicados sobre processamento de polímeros, maioritariamente
escritos em inglês, como se pode ver na listagem apresentada de seguida. Serão, também, fornecidas
cópias dos slides apresentados durante as aulas teóricas (em formato electrónico) através da página da
UC.
29
Assim, a bibliografia principal é a seguinte:
[1] T. A. Osswald, Polymer Processing Fundamentals. Hanser.
[2] Z. Tadmor, C. G. Gogos, Principles of Polymer Processing, 2ª edição, John Wiley and Sons,
2006.
[3] C. Rauwendaal, Polymer Extrusion, 4ª edição, Hanser, 2001.
[4] M. J. Stevens, J. A. Covas, Extruder Principles and Operations, 2ª edição, Chapman & Hall,
1995.
[5] F. Hensen, Plastics Extrusion Technology, 2ª edição, Hanser, 1997.
[6] Z. Tadmor, I. Klein, Engineering Principles of Plasticating Extrusion, Van Nostrand Reinhold,
1970.
[7] C. I. Chung, Extrusion of Polymers: Theory and Practice, Hanser, 2000
30
ANEXO I
Exercícios
31
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS I
FOLHA DE EXERCÍCIOS Nº 1
1- Determine as constantes geométricas do parafuso de extrusão ilustrado na figura 1.
NOTA: As constantes devem ser determinadas para todas as zonas geométricas do parafuso.
D = 60 mm
8 mm
D1 = 40 mm
12 D
7D
10D
100 mm
Figura 1 – Geometria da extrusora.
Parafuso de passo quadrado:
Diâmetro exterior do parafuso : 60 mm
Taxa de compressão : 2.5
Diâmetro interior do cilindro: 61 mm
Espessura do filete: 5 mm
32
1- Considere a tremonha representada na figura 1, determine a pressão na sua base.
Dados do material:
Massa específica do material na tremonha = 630 kg/m3
Coeficiente de atrito material-tremonha = 0.3
Ângulo de atrito das partículas = 34°
D440
50
30º
250
8 mm
300
100
D150
Figura 1
2- Represente graficamente o perfil de pressões ao longo da tremonha da figura 2. Considere
as mesmas propriedades do execício anterior.
500
300
75°
Figura 2
400
200
100
33
1- O conjunto extrusora/cabeça de extrusão representado na figura 1, produz varão em HDPE
(temperatura de fusão 130°C) a um débito de 173 kg/hr, a 60 rpm.
Determine a potência consumida na zona de transporte de sólidos.
NOTAS:
problema.
- Antes de iniciar os cálculos, exponha a metodologia para a resolução do
- A tremonha utilizada é igual à da folha de exercícios 3.
Dados do material:
Massa específica do material na alimentação= 630 kg/m3
Massa específica do material sólido= 940 kg/m3
Coef. atrito material/tremonha = 0.29
Coef. atrito material/parafuso = 0.24
Coef. atrito material/cilindro = 0.4
Ângulo de atrito das particulas = 34°
Parafuso:
- Passo quadrado
- D= 60 mm
- Taxa de compressão=2,8
- Largura dos filetes=5mm
D440
D150
50
D1 = 53 mm
30º
250
8 mm
300
100
D = 60 mm
12 D
7D
10D
100 mm
T (ºC)
180
160
140
120
Figura 1 – Geometria da extrusora.
34
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
1- Uma extrusora, com a tremonha e o parafuso definidos na figura, trabalha com LDPE à
velocidade de 40 rpm, e com uma altura de material na tremonha de 200mm.
Sabendo que a zona de transporte de sólidos termina após a 5ª espira do parafuso, e que nesse
ponto a pressão é de 2,07x106 Pa, determine a capacidade de débito da zona de transporte de
sólidos.
NOTA: - Antes de iniciar os cálculos, exponha a metodologia para a resolução do
problema.
Dados do material:
Ângulo de atrito das particulas = 33,7
Parafuso:
- Passo quadrado
- D= 45 mm
- Taxa de compressão=1,5
D460
D3 = 37 mm
230
35.5
10 mm
50
200
D = 45 mm
8D
4D
13D
30 mm
35
1- Pretende-se produzir varão em HDPE com o conjunto extrusora-cabeça de extrusão
representados na figura. A velociadde de rotação é de 60rpm, o perfil de temperaturas é o
indicado na figura, sendo o débito do conjunto de 40kg/hr.
Indique a espira em que espera encontrar unicamente material fundido.
problema.
Tremonha de secção quadrada
500
400
10 mm
200
250
50
D = 60 mm
4D
9D
9D
30 mm
H = 10.5 mm
180
160
140
120
Parafuso:
- Passo quadrado
- D= 60 mm
- Taxa de compressão=3
- Largura dos filetes=5 mm
- Folga () = 0.1 mm
36
Dados do material:
Ângulo de atrito das particulas = 33,7
Propriedades térmicas:
Condutividade térmica do fundido = 0.51 J/m.s.K
Calor específico do fundido = 2300 J/kg/.K
Calor específico do sólido = 1317 J/kg/.K
Calor latente de fusão = 230 kJ/kg
Temperatura de fusão = 130 ºC
Massa específica do fundido
(kg/m3):
T=25ºC – 950
T=150ºC – 800
T=179ºC – 760
T=180ºC – 750
T=200ºC – 750
VISCOSIDADE:
1.00E+06
Viscosidade (Pa.s)
170
190
210
1.00E+04
1.00E+02
1.00E-01
1.00E+01
1.00E+03
1.00E+05
Taxa de corte (s-1)
37
1- Considere o conjunto extrusora-fieira esquematizado na figura, e os perfis de pressão e
temperatura indicados. Sabendo que o parafuso roda a 100 rpm e que o material é um HDPE e
se encontra todo fundido no fim da zona de compressão e que a pressão nesse ponto é dada no
gráfico da figura.
Determine a contra pressão na cabeça de extrusora e o débito do conjunto.
problema.
Q fieira 
 R 4 P
8L 
Tremonha de secção quadrada
500
400
10 mm
200
250
50
D = 60 mm
4D
H = 10.7 mm
9D
9D
100 mm
Pressão (MPa)
Temperatura (ºC)
180
8
160
6
140
4
120
2
38
Dados do material:
Ângulo de atrito das particulas = 34°
Propriedades térmicas:
Massa específica:
Parafuso:
- Passo quadrado
- D= 63.5 mm
- Taxa de compressão= 3
- folga () = 0.1 mm
- condutividade térmica = 0.51 J/m.s.K
- calor específico = 2.3x103 J/kg.K
- calor latente de fusão = 23x104 J/kg
 (g/cm3)
T(°C)
0.95
0.80
0.76
0.75
0.75
25
150
170
180
200
Massa específica aparente = 0.63 g/cm3
Temperatura de fusão = 130 °C
Viscosidade (gráfico)
39
ANEXO II
Planos Curriculares
40
Plano Curricular do MIEPol
Ano
Área
Unidade Curricular
Semestre
1º ano
1
CB
Álgebra Linear EE
1
1
CB
Cálculo EE
1
1
CEPCB Integradora I
1
1
CEP
Introdução aos Polímeros
1
1
CB
Química Geral EE
1
1
CE
Representação Gráfica I
1
1
CB
Análise Matemática EE
2
1
CEP
Ciência de Polímeros I
2
1
CB
Física EE
2
1
CEPCB Integradora II
2
1
CB
Métodos Estatísticos EE
2
1
CE
Representação Gráfica II
2
2
CE
Algoritmia e Programação
1
2
CEP
Ciência de Polímeros II
1
2
CB
Complementos de Análise Matemática EE
1
2
CB
Eletromagnetismo EE
1
2
CEPCB Integradora III
1
2
CE
Mecânica dos Fluídos
1
2
CEP
Ciência de Polímeros III
2
2
CE
Eletrotecnia e Eletrónica
2
2
CEPCE Integradora IV
2
2
EIS
Métodos Numéricos
2
2
CEP
Resistência de Materiais em Engenharia de Polímeros I
2
2
CE
Transferência de Calor
2
3
CEP
Ciência de Polímeros IV
1
3
CEP
Integradora V
1
3
CEP
Mecânica Computacional em Engenharia de Polímeros
1
3
CEP
Processamento de Polímeros I
1
3
CEP
Reologia
1
3
CEP
Resistência de Materiais em Engenharia de Polímeros II
1
3
CEP
Composição e Modificação de Polímeros
2
3
EIS
Engenharia de Custos
2
3
CEP
Integradora VI
2
3
CEP
Processamento de Polímeros II
2
3
CEP
Projeto de Moldes
2
3
CEP
Termoendureciveis
2
4
CEP
Comportamento e Qualidade de Materiais Plásticos
1
4
CEP
Integradora VII
1
4
CEP
Mecânica de Compósitos
1
4
EIS
Organização da Produção
1
4
CEP
Processamento de Polímeros III
1
4
CEP
Projeto com Plásticos
1
4
CEP
Gestão e Ambiente na Indústria de Plásticos
2
4
CEP
Opção I
2
4
CEP
Opção II
2
4
CEP
Opção III
2
2º ano
3º ano
4º ano
41
4
QAC
Opção UMinho
2
4
CEP
Polímeros Naturais e Biodegradáveis
2
5
CEP
Projeto Individual
1
5
CEP
Dissertação em Engenharia de Polímeros
A
5º ano
42
Plano Curricular do MIEMat
Ano
Área
Unidade Curricular
Semestre
1º ano
1
CB
Álgebra Linear EE
1
1
CE
Algoritmia e Programação
1
1
CB
Cáculo EE
1
1
CEM Ciência de Materiais
1
1
CE
Desenho e Métodos Gráficos
1
1
CB
Química Geral EE
1
1
CB
Análise Matemática EE
2
1
CEM Ciência de Polímeros I
2
1
CEM Comportamento Mecânico de Materiais I
2
1
CEM Diagramas de Fases
2
1
CB
2
1
CEM Laboratório Integrado 1
2
2
CEM Ciência de Polímeros II
1
2
CB
1
2
CEM Comportamento Mecânico de Materiais II
1
2
CB
1
2
CEM Estrutura Atómica e Molecular
1
2
1
2
CE
Estatística Aplicada
2
2
CEM Física de Polímeros
2
2
CEM Física dos Materiais
2
2
2
2
CEM Metalurgia Química
2
2
CB
Métodos Numéricos
2
3
CE
Fundamentos de Transferência de Calor
1
3
1
3
CEM Materiais Cerâmicos e Vidros
1
3
CEM Metalurgia Física
1
3
CEM Processamento de Polímeros I
1
3
CEM Reologia
1
3
CEM Composição e Modificação de Polímeros
2
3
2
3
CEM Materiais e Ambiente
2
3
CEM Processamento de Cerâmicos
2
3
CEM Propriedades Eletrónicas dos Materiais
2
3
CEM Tratamentos Térmicos
2
4
CEM Degradação de Materiais
1
4
CE
1
4
1
4
CEM Materiais Nanoestruturados
1
4
CEM Tecnologia de Vácuo
1
4
CEM Tecnologias de Fundição e Soldadura
1
4
CEM Ciência e Tecnologia de Filmes Finos
2
4
CEM Processamento de Polímeros II
2
4
CEM Projeto Individual
2
4
CEM Seleção e Aplicação de Materiais
2
Física EE
2º ano
Complementos de Análise Matemática EE
Eletromagnetismo EE
3º ano
4º ano
Eletrónica e Instrumentação
43
4
CEM Tecnologias de Maquinagem e Conformação
2
5
EIS
1
5
CEM Opção I
1
5
CEM Opção II
1
5
CEM Opção III
1
5
QAC Opção UMinho
1
5
CEM Dissertação em Engenharia de Materiais
A
5º ano
Criação e Organização de Empresas
44

Processamento de Polímeros I - Departamento de Engenharia de

Transcrição

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