Processo de Mistura em Misturadores Internos

Dimensionamento das Cargas

Para realizar um correcto dimensionamento da carga de um determinado composto de borracha é necessário conhecer:

• Volume líquido da câmara de mistura (V);
• Tipo de polímero ou polímeros utilizados;
• Viscosidade do composto;
• Densidade do composto (d);
• O factor de enchimento, f (fill factor).

O peso da carga a misturar será dado pela expressão:

Fórmula 4

Este peso da carga deve ser considerado teórico. O peso óptimo da carga deve ser aferido na prática, no misturador. Com efeito, a tipologia dos ingredientes utilizados, a relação entre ingredientes sólidos e líquidos, a presença de maior ou menor quantidade de ingredientes resinosos, de ingredientes cerosos, etc., pode influenciar decisivamente no desenvolvimento de tensões na câmara de mistura, portanto na elevação do valor da potência consumida. O que se recomenda é proceder à mistura de uma carga com o peso teórico e observar o que se passa com a oscilação do pistão (ou calcador) e com a evolução dos demais parâmetros de mistura: temperatura, potência, energia consumida e tempo, necessários para obter um grau de dispersão aceitável.

Se o pistão não oscilar uns 2,5 a 5 cm (e um ouvido bem treinado ouve as batidas dessa oscilação), isso poderá significar que a carga ou é superior ou inferior ao ideal. Para facilitar esta observação, deve existir uma marca referencial do pistão na sua posição inferior. Se o pistão se mantiver sempre numa posição acima do referencial, a carga terá um peso superior ao ideal. Se o pistão se mantiver permanentemente assente na sua posição inferior, isto significará que o peso da carga é inferior ao ideal.

Para encontrar o peso ideal da carga, devem ser retiradas (no caso do peso da carga ser superior ao ideal) ou adicionadas (no caso do peso da carga ser inferior ao ideal) fracções que representem 1% do peso teórico da carga, sucessivamente, até se observar uma correcta oscilação do pistão.

O volume V é fornecido pelo fabricante do misturador. Contudo, ao fim de alguns anos de serviço, será conveniente efectuar uma confirmação desse valor. Com efeito, durante o serviço, ocorrerá um desgaste progressivo da parede interior da câmara de mistura e da superfície dos rotores, embora sejam revestidos por aço de tipo especial, de alta dureza e resistência à abrasão. No Quadro 6 apresenta-se a influência do desgaste do misturador no volume da câmara, em litros.

O volume de carga de um misturador interno pode ser estimado por um método experimental muito simples, o qual consiste em encher, quase completamente, a câmara de mistura com um composto de densidade conhecida e ir adicionando sucessivamente pequenas quantidades de composto até que se obtenha uma oscilação do pistão de cerca 2,5 a 5 cm. O peso do composto introduzido na câmara a dividir pela sua densidade, fornece o volume, em litros, da câmara de mistura.

A densidade do composto é, em princípio, conhecida. Se não for, poderá ser calculada teoricamente como foi indicado no Quadro 1 (ver em A Operação de Mistura). Para o efeito é preciso conhecer a densidade de todos os ingredientes do composto.

O factor de enchimento f varia geralmente entre 0,6 e 0,9. O factor f=0,6 utiliza-se para compostos de alta viscosidade, muito carregados ou de elevada dureza; utiliza-se também para polímeros ou compostos muito sensíveis à temperatura. O factor f=0,9 utiliza-se para compostos de baixa viscosidade, muito pouco carregados ou de baixa dureza.

No Quadro 7 indicam-se os factores de enchimento f para alguns tipos de polímeros e de compostos.

Critérios para descarga (termo do ciclo de mistura)
Existem basicamente quatro critérios para estabelecer o tempo de descarga do composto misturado:

• Por tempo;
• Por temperatura;
• Por potência atingida;
• Por energia total consumida.

A descarga por tempo é o processo mais antigo, mas está em desuso. Nesta técnica a carga será descarregada quando for atingido um tempo previamente estabelecido, tempo que tenha mostrado com a experiência que, ao ser atingido, o composto apresenta um estado satisfatório de dispersão e de homogeneização. Neste processo são desprezados o nível de temperatura atingido e as variações de viscosidade do composto.

A descarga por temperatura foi a técnica que se seguiu à descarga por tempo. É um pouco mais perfeita, pois impede que a descarga seja efectuada a temperaturas eventualmente perigosas para o composto. A evolução da temperatura durante o processo de mistura será um reflexo da maior ou menor viscosidade do polímero e, mais propriamente, do composto. A uma maior viscosidade corresponderá uma subida mais rápida da temperatura, em resultado de maiores tensões de corte durante a mistura e maior atrito interno; a uma menor viscosidade corresponderá uma velocidade de subida de temperatura mais lenta, em resultado de menores tensões de corte e menor atrito interno durante a mistura.

A descarga por potência baseia-se na evolução da potência consumida durante o processo de mistura. Normalmente a potência é crescente durante o ciclo de mistura, excepto nos períodos em que a adição de alguns tipos de ingredientes provoca diminuições ou nos momentos em que o pistão calcador é subido, para efectuar operações de limpeza dos ingredientes acumulados na sua parte superior. Concluída a dispersão dos ingredientes, a potência consumida diminui ao fim de algum tempo (Figura 41). A descarga far-se-á a um valor de consumo de potência predefinido.

Fig. 41 – Evolução da potência consumida em função do tempo

Na descarga por energia total consumida, a descarga é efectuada quando a energia fornecida ao composto atinge um determinado valor. O valor da energia consumida é função da evolução da temperatura e do efeito desta nas variações de viscosidade do composto. Obviamente é também função do tipo e quantidade de ingredientes que são dispersos na matriz polimérica. Esta técnica exige equipamento de medida adequado (medidor/registador do consumo integrado de potência).

A descarga por potência corresponde, de certa maneira, ao critério mais adequado. Nos compostos à base de borracha natural este critério apresenta uma maior validade e justificação, pois que a viscosidade do composto, intimamente relacionada com a viscosidade da borracha natural, pode diminuir mais ou menos rapidamente, o que depende do valor do seu índice de retenção de plasticidade (PRI – Plasticity Retention Index), índice que mede, afinal, a resistência da borracha natural à oxidação. Recordemos que o valor PRI é o cociente dos índices de plasticidade Wallace P30 e P0 vezes 100, sendo P30 o valor da plasticidade Wallace medido após um envelhecimento da borracha natural em estufa, durante 30 minutos a 140ºC e P0 é o valor da plasticidade Wallace da borracha não envelhecida; quanto mais elevado for o valor de PRI mais resistente é a borracha natural ao processo de oxidação.

Nos compostos com base em borrachas sintéticas, a variação de viscosidade é muito pequena e a aplicabilidade do método de descarga por potência parece que perderia um tanto a sua justificação em favor do método de descarga por consumo total de energia.

Mas, na verdade, a aplicação prática deste método, isoladamente, não é possível. Com efeito, durante o ciclo de mistura o valor de potência seleccionado para descarga poderá ser atingido por várias vezes, em momentos em que a mistura está bem longe de estar completada (veja-se na Figura 41 os pontos a, b e c). E assim, será necessário estabelecer, em simultâneo, outros critérios de descarga e esses critérios são a temperatura, a energia total consumida e o tempo, ou sejam, os demais critérios atrás referidos.

Para o efeito, será necessário estabelecer:

• Uma janela de temperatura: a mistura deve atingir, durante o processo de mistura, uma temperatura mínima e uma temperatura máxima, por razões puramente técnicas (assegurar a fusão de alguns tipos de ingredientes ou perigo de pré-vulcanização);
• Uma janela de energia consumida: estabelecer um valor mínimo e um valor máximo de energia consumida, valores que, comprovadamente, garantam um grau de dispersão aceitável de todos os ingredientes;
• Uma janela de tempo de mistura: estabelecer um valor mínimo e um valor máximo de tempo de mistura, valores que, comprovadamente, garantam um grau de dispersão aceitável de todos os ingredientes. Este aspecto impõe-se, naturalmente, por razões de produtividade.

Atendendo a estes factores, as empresas desenvolvem procedimentos de descarga que contemplam os quatro parâmetros referidos, tudo dependendo do tipo de compostos de borracha, dos equipamentos utilizados e seu correcto desempenho e também do tipo de sequência utilizada no processo.

Ciclos de mistura
Nos misturadores internos as temperaturas atingidas são relativamente elevadas – em muito casos da ordem dos 160 a 180ºC. Nestas condições não será aconselhável adicionar o agente de vulcanização e alguns tipos de aceleradores, como por exemplo os tiurames e os dadores de enxofre.

O tipo de sequência do processo deve ser escolhido de acordo com as características do composto e com os tipos e características dos equipamentos disponíveis, tal como vimos atrás (processo de mistura directo, em duas fases, em três ou mais fases).

Tempo de mistura, potência consumida e temperatura em função dos parâmetros do misturador, da viscosidade do composto de borracha e do factor de enchimento.
Na Figura 42 são representados, de forma esquemática, as variações dos tempos de mistura, da potência consumida e da temperatura em função de alguns parâmetros variáveis do misturador interno (velocidade dos rotores e pressão do pistão) e da viscosidade do composto de borracha e da dimensão da carga – que é uma função do factor de enchimento f considerado. Esses efeitos são os seguintes:

• Efeito da velocidade dos rotores no tempo de mistura: o tempo de mistura diminui quando aumenta a velocidade dos rotores;
• Efeito da pressão do pistão no tempo de mistura: o tempo de mistura diminui quando aumenta a pressão do pistão;
• Efeito do factor de enchimento no tempo de mistura: o tempo de mistura diminui quando aumenta o factor de enchimento, atinge um valor mínimo e depois aumenta novamente. O que significa que há um valor óptimo do factor de enchimento;
• Efeito da pressão do pistão na potência consumida: a potência consumida aumenta quando aumenta a pressão do pistão;
• Efeito da velocidade dos rotores na potência consumida: a potência consumida aumenta quando aumenta a velocidade dos rotores;
• Efeito da viscosidade do composto na potência consumida: a potência consumida aumenta quando aumenta a viscosidade do composto;
• Efeito da dimensão da carga na potência consumida: a potência consumida aumenta quando aumenta a dimensão da carga, até atingir um valor máximo, o qual corresponde à dimensão ideal da carga. Após atingido este máximo, a potência diminui, muito ligeiramente;
• Efeito do factor de enchimento na temperatura do composto: a temperatura do composto aumenta quando aumenta o factor de enchimento; quando o volume da carga ultrapassa o volume óptimo, a temperatura continua a subir, mas mais lentamente;
• Efeito da pressão do pistão na temperatura do composto: a temperatura do composto aumenta mais rapidamente quando aumenta a pressão do pistão;
• Efeito da velocidade dos rotores na temperatura do composto: a temperatura do composto aumenta mais rapidamente quando aumenta a velocidade dos rotores;
• Efeito da viscosidade do composto na temperatura do composto: a temperatura do composto aumenta mais rapidamente quando aumenta a viscosidade do composto;
• Efeito da dimensão da carga na temperatura do composto: a temperatura do composto aumenta quando aumenta a dimensão da carga, sendo a evolução em tudo análoga ao que se passa com o aumento do factor de enchimento.

Fig. 42 – Tempo de mistura, potência consumida e temperatura em função de vários parâmetros.

Sequência de adição de ingredientes
Com excepção da borracha de EPDM (que utiliza frequentemente um processo de mistura com uma sequência de adição de ingredientes inversa – é o chamado método upside down), os restantes tipos de borracha utilizam o processo dito normal, isto é, com a sequência típica que a seguir se exemplifica (Quadro 8) (ciclo típico), com um processo de descarga por temperatura:

Após esta fase de mistura, o composto de borracha pode ter a sequência mais adequada das que atrás foram referidas, tendo em vista os artigos a produzir.