Indústrias transformadoras de produtos em WPC enfrentam nos dias atuais um crescente assédio de fornecedores de matérias primas específicas para seu produto, como polímeros, cargas, aditivos e insumos os quais prometem melhorias em determinadas propriedades de interesse dependendo da aplicação do produto final. Este fato pode ser encarado por estes transformadores como algo natural e benéfico, uma vez que tais fornecedores investem significativamente em pesquisa e desenvolvimento de seus produtos, visando um mercado crescente e em plena evolução. Também fabricantes de máquinas e equipamentos têm destinado esforços para este mercado, propondo continuamente novas soluções de processo que permitam aumentar a produtividade e qualidade do produto.
Conforme verificado nas seções anteriores, inúmeros aspectos devem ser observados no processamento de termoplásticos com resíduos de madeira [49]. A umidade e a granulometria devem ser rigidamente controladas, uma vez que esta produz descontinuidades de processo e peças com características inaceitáveis devido à presença de bolhas ou manchas superficiais causadas por processos termo-oxidativos [63,64]. Assim, como principal requisito, o resíduo celulósico deve ser pré-seco e zonas de degasagem devem ser utilizadas para remoção da umidade residual durante o processamento. A baixa temperatura de degradação da celulose na faixa de 200 a 220°C c onstitui um fator limitante do processo, exceto quando os tempos de residência são minimizados. A exposição do resíduo de madeira a temperaturas acima dessa faixa libera voláteis, provoca descoloração, aparecimento de odor e a fragilização do compósito. Isso tem restringido o uso de termoplásticos em WPCs às principais resinas comerciais como poliolefinas, plásticos estirênicos e o PVC. Além das
propriedades intrínsecas dos componentes do sistema, o desempenho de WPCs é fortemente dependente do processo de manufatura.
Os procedimentos tradicionalmente utilizados para preparação de concentrados ou masterbatches a base de compósitos celulósicos termoplásticos são processos do tipo batelada em misturador intensivo do tipo
k-mixer ou processo contínuo em extrusora de dupla rosca conforme ilustrado
nas Figuras 2.5 e 2.6 respectivamente [49]. Em ambos os casos o compósito polímero-madeira obtido é granulado e posteriormente processado em extrusora de rosca única para obtenção de perfis e chapas laminadas, num processo chamado “duas etapas”. Com base em algumas peculiaridades, como tipo do equipamento e características de alimentação das matérias primas nestes equipamentos (teor de umidade da madeira, polímero granulado ou em pó, etc.), estes processos de obtenção de um granulado com a mistura polímero-madeira já homogeneizada podem ser classificados em quatro categorias distintas [52,65]:
Figura 2.5 – Processo por batelada em misturador interno tipo k-mixer (Catálogo técnico Drais®)
Figura 2.6 – Processos de extrusão contínua de termoplásticos com resíduos de madeira. (a) Laminados obtidos por extrusão direta para uso em painéis automobilísticos (processo woodstock®) e (b) Extrusão de perfis acabados para uso em aplicações estruturais na construção civil.
1 – Madeira pré-seca; mistura pré-homogeneizada (Pre-dry; Pre-mix): Nesse processo são utilizados equipamentos no qual a fibra de madeira é submetida a processos de pré-secagem em níveis de umidade inferiores a 1% e alimentada em uma extrusora rosca dupla contrarrotacional juntamente com o polímero, normalmente na forma de pó. A mistura polímero-madeira e aditivos é preparada em misturadores intensivos do tipo Henschel antes de ser alimentada na extrusora. Esse sistema é muito utilizado para processamento de termoplásticos com baixa estabilidade térmica como o PVC.
2 – Madeira pré-seca; alimentação polímero-madeira em separado (Pre-
dry; Split Feed): Nesse processo a resina e a fibra são alimentadas em
separado propiciando um melhor controle do tempo de residência da carga celulósica durante o processamento. São normalmente utilizadas extrusoras de rosca-dupla de grande capacidade, com pontos laterais de alimentação, onde a fibra é misturada ao polímero fundido, passando por zonas de mistura distributiva e desgaseificação da umidade residual.
3 – Madeira úmida primeiro; alimentação do polímero fundido (Wood
First; Melt Feed): Nesse processo são necessárias duas extrusoras que operam
simultaneamente; uma extrusora primária secando a farinha de madeira e uma outra menor plastificando o polímero e os aditivos. A empresa Davis-Standard dos EUA patenteou um equipamento dedicado para o processamento de
compósitos termoplásticos com essas características, denominado
Woodtruder® com capacidade de até 450 kg/h.
4 – Madeira úmida primeiro; alimentação em separado (Wood First, Split
Feed): Nesse processo a farinha de madeira pode ser alimentada ainda úmida
na zona de alimentação e a mistura de resina e aditivos introduzida posteriormente no barril através de um alimentador lateral. Todavia esse processo requer normalmente equipamentos com barris muito longos (L/D 44:1 ou 48:1) e com zonas de desgaseificação próximas a zona de alimentação para remoção da umidade da madeira, o que nem sempre é possível.
Num seminário realizado em novembro de 2008 pela ABPol – Associação Brasileira de Polímeros, em que um dos temas abordados foi processamento de compósitos de polímeros com fibras naturais, o foco de uma das discussões entre fabricantes de equipamentos foram os prós e contras do processo em “duas etapas”, acima apresentado, em contrapartida ao processo chamado “etapa única” ou “extrusão direta “, no qual madeira, polímero e aditivos são alimentados separadamente na extrusora e o perfil é extrudado diretamente, simultaneamente ao processo de mistura.
A vantagem principal do processo de “etapa única” é que não há necessidade de sistema de mistura, o que acarreta menor investimento inicial. Porém, existem desvantagens importantes neste processo, como incorporar diversos dosadores que devem funcionar em perfeita sincronia com a extrusora, sob pena de provocar alterações na razão polímero/madeira, variando a sua vazão; a necessidade de secagem prévia da madeira, uma vez que teores de umidade acima de 5% reduzem a vazão máxima da extrusora; risco da dosagem da madeira na extrusora ser irregular, refletindo em propriedades mecânicas inferiores no produto, em comparação com o processo em duas etapas.
Já no processo em duas etapas, no qual a madeira, polímero e aditivos são misturados e/ou granulados em um processo e a extrusão dos perfis acontece em um segundo processo, têm-se como vantagens: propriedades mecânicas melhores no perfil extrudado, em comparação ao processo de “etapa única”; a madeira pode ser processada com mais umidade, eliminando-
se o processo de secagem prévia; a alimentação do material pré-misturado na extrusora é mais fácil, com razão constante de madeira e polímero e vazão constante, gerando um processo de extrusão estável. Sua principal desvantagem é o investimento inicial maior, devido aos equipamentos do processo prévio de mistura dos componentes da formulação desejada.
Analisando-se os prós e contras dos dois processos, embora o fator investimento deva ser levado em consideração, a alternativa mais segura adotada pela maioria dos transformadores de perfis em WPC ainda tem sido a utilização de madeira pré-seca adquirida junto aos fornecedores de farinha ou fibra de madeira, aplicando-se esta madeira no processo de “duas etapas” para que sejam minimizados os riscos de defeitos na aparência visual e principalmente nas propriedades mecânicas dos perfis extrudados.