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Desenvolvimento de compostos de TPEs expansíveis para aplicações em calçados

Sónia Miranda - Engenheira de Polímeros e Investigadora no PIEP Ana Costa - Gestora de Projetos da área de Extrusão, Composição e Materiais Avançados do PIEP25/02/2022
Nas últimas décadas a indústria do calçado foi pressionada por uma crescente procura por materiais de elevada qualidade, tendo-se tornado extremamente competitiva. Este setor que tanto influencia a qualidade de vida de milhões de pessoas, procura investir em materiais de fácil processamento e boas propriedades físicas, que possam proporcionar conforto, além de requisitos funcionais como leveza e durabilidade.

Os materiais mais promissores para atender todas essas solicitações são os termoplásticos elastómeros (TPEs). Os TPEs possuem muitas das propriedades físicas das borrachas, como suavidade, flexibilidade e durabilidade. Mas, ao contrário das borrachas convencionais, são processados como termoplásticos. Portanto, podem ser processados usando técnicas convencionais como moldação por injeção e extrusão.

Embora existam no mercado agentes expansores para diminuir o peso das peças, quando estes são incorporados nos polímeros fundidos durante a extrusão ou moldação por injeção, é necessário ter em consideração algumas condições específicas de processamento para obter boas propriedades e aparência superficial aceitável nos produtos finais. Assim, é uma grande vantagem para a indústria de composição adquirir compostos que já incluam os agentes de expansão na sua matriz.

O PIEP – Pólo de Inovação em Engenharia de Polímeros, juntamente com a Componit, apresenta o projeto Compofoam com uma estratégia que servirá como uma prova de conceito para a validação de uma solução para o desenvolvimento de compostos expansíveis de base de TPE, nomeadamente TPU (Poliuretano Termoplástico) e SEBS (Estireno-Etileno-Butileno-Estireno). Para este efeito, foram desenvolvidas formulações poliméricas com a incorporação de agentes expansores químicos (reagem por decomposição térmica libertando, como produtos da reação, gases que se difundem na matriz termoplástica) e agentes expansores físicos (podem ser aplicados diretamente no fundido e posteriormente evaporar para fazer o material expandir).

Estas formulações foram desenvolvidas através de uma extrusora duplo-fuso modular co-rotativa. Diferentes agentes de expansão, como microesferas termoexpansíveis e uma azodicarbonamida, foram selecionados e diferentes configurações de fuso e perfis de temperatura foram avaliados, uma vez que esses parâmetros têm uma influência particular na inibição da expansão dos agentes na fase da extrusão. Assim, o principal foco do projeto foi otimizar as condições de processamento no processo de composição por extrusão, para que, a expansão dos agentes expansores, apenas ocorresse num segundo processo térmico (moldação por injeção).

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Figura 1. Duplo-fuso usada no processo de composição por extrusão.

No processamento por composição por extrusão, um aspeto relevante considerado foi a natureza do agente expansor, mais concretamente a sua compatibilidade com o perfil de temperaturas definido para a matriz polimérica. Nesse sentido, foi desejável que o intervalo de temperaturas projetado na extrusora fosse o adequado, de forma que, a matriz polimérica fundisse o mais rapidamente possível com um índice de mistura distributiva (e tensões de corte associadas) alta o suficiente, nas zonas imediatamente anteriores à entrada do agente expansor. Assim, definiu-se um perfil de temperaturas decrescente, baixando gradualmente até à zona de entrada do agente expansor para evitar a expansão/degradação precoce deste aditivo. Projetou-se também uma configuração de fuso com cinco zonas de mistura distintas constituídas por elementos com ângulos diferentes separados por zonas de transporte.

Após a extrusão destes compostos, a expansão foi testada pelo processo de injeção. Observou-se que, através de SEM (Microscopia Eletrónica de Varrimento), é possível incorporar os agentes de expansão nos TPEs sem que eles expandam no processo de extrusão. Somente no reprocessamento (moldação por injeção) a expansão ocorre.

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Figura 2: Micrografias do composto de base SEBS: A) SEBS + microesferas (não expandido no processo de extrusão); B) SEBS + microesferas (expandido no processo de injeção).
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Figura 3: Micrografias do composto de base TPU. A) TPU + azodicarbonamida (não expandido no processo de extrusão);

Os demais resultados experimentais mostraram um bom desempenho mecânico e diminuição de sua densidade (35% para SEBS e 42% para TPU).

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Figura 4: Massa volúmica dos compostos produzidos.

Este estudo sugeriu que é possível desenvolver compostos otimizados pelo processo de extrusão (composição) para aplicações em calçado por exemplo, que só expandem durante o processo de moldação por injeção.

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