4.11 - Espumas rígidas integrais

O processo de obtenção de espuma rígida de PU moldada encontra diversas aplicações na construção civil e industria automobilística e é particularmente adequado para a produção de artigos grandes como carcaças de computadores, máquinas de escritório e outros equipamentos especializados. As excelentes propriedades dos materiais, as múltiplas alternativas de construção, a ampla gama de flexibilidade de desenho, e a atraente economia do processo determinam as aplicações das espumas com pele integral de PU rígido.

A estrutura tipo sanduíche dá origem a materiais de alta resistência com baixa densidade. Apesar do baixo peso específico das partes moldadas, as espumas integrais de PU rígido podem ser comparadas aos materiais não espumados, no que diz respeito à dureza da peça, dureza da pele, e resistência à abrasão e fratura. A densidade da pele de uma espuma estrutural moldada de PU rígido pode ser variada em uma ampla faixa. Como as densidades das partes moldadas podem variar em uma extensa faixa, partes grossas podem ser fabricadas fora da espuma rígida integral. Isto é obtido aumentando-se simultaneamente a densidade da pele e diminuindo-se a densidade do coração, o que deixa o peso total da peça moldada inalterado. As propriedades das espumas integrais de PU rígido estão baseadas tanto na constituição da matriz de PU, quanto na natureza da estrutura sanduíche. Adicionalmente, as propriedades dependem da densidade das peças espumadas. O fabricante pode variar extensivamente a densidade, variando parâmetros de processo.

Espuma de baixa densidade - Tanto as espumas rígidas de poliuretano (PUR) e poliisocianurato (PIR) podem ser moldadas vertendo-se em um molde aberto ou por técnicas de moldagem por injeção e reação (RIM). Espumas de baixa densidade com peles delgadas ou celulares são moldadas para formar núcleos estruturais rígidos complexos para artigos como arcabouços de cadeira. O uso de espuma estrutural moldada permite grande liberdade de projeto porque podem ser produzidas economicamente formas complexas e superfícies com curvatura acentuada. Espumas integrais de baixa densidade usadas em arcabouços de cadeira normalmente são reforçadas pela incorporação de fibra de vidro, fibra de polipropileno, ou metal distendido, durante o processo de moldagem. Também é prática usual unir tiras de madeira na espuma durante o processo de moldagem para formar tiras de emenda para o tapeceiro prender o tecido que cobre o PU rígido. O PU rígido com pele integral pode substituir madeira ou complementá-la em mobília decorativa ou estrutural.

Espumas estruturais de alta densidade - Estas espumas são fabricadas a partir de sistemas de dois componentes especialmente formulados. A peça moldada possui uma estrutura sanduíche rígida, com uma pele exterior densa e um núcleo celular de baixa densidade. A densidade média da peça moldada da espuma rígida integral pode ser variada desde aproximadamente 250 kg/m3 para mais de 800 kg/m3, dependendo da formulação de espuma e da relação volume / superfície do artigo. Usualmente, utilizando o processo RIM são produzidos artigos com densidades de 400 a 600 kg/m3. A baixa viscosidade da mistura reagente da espuma e a excelente fluidez da espuma em expansão permitem a obtenção de peças moldadas grandes e complexas sob baixa pressão dentro do molde. Peças moldadas de espuma estrutural de PU apresentam-se livres de marcas de afundamento, mesmo onde estruturas de reforço e insertos são moldados in situ.

4.11.1 - Matérias-primas

Normalmente, o fabricante de matéria prima para espuma de PU estrutural fornece ao cliente um sistema de dois componentes. O componente isocianato é composto de graus standard de MDI polimérico, que é líquido na temperatura ambiente. No lado de componente de poliol, polióis poliéteres formulados são os preferidos devido às suas propriedades e custo benefício. Além do poliol poliéter, estas formulações contêm aditivos como catalisadores, extensores de cadeia, surfactantes de silicone, etc. Quando necessário, o cliente acrescenta o agente de expansão à formulação do poliol. A formulação de poliol que não contém nenhum agente de expansão é líquida na temperatura ambiente, e suas viscosidades variam entre 100 a 8.000 cps, dependendo da quantidade, peso molecular e funcionalidade do poliéter na formulação.

Os agentes de expansão mais usados são a água, e produtos de baixo ponto de ebulição como os HCFCs, HFCs e hidrocarbonetos (pentanos). Em muitas aplicações, quando inflamabilidade reduzida é necessária, são usados retardantes de chama. Além disso, quando são utilizados aditivos sólidos inertes ou cargas (fibras de vidro, sulfato de bário), devem ser tomadas precauções relativas ao teor de umidade das cargas ou formação de sedimento sólido para não prejudicar a homogeneidade e a preparação correta do produto por RIM.

4.11.2 - Processo

O processo RIM (Capítulo 4.2) pode ser conduzido em moldes abertos (RIM de baixa pressão), ou a mistura reagente pode ser injetada em moldes fechados (RIM de alta pressão). Cargas também podem ser utilizadas como no processo RIM reforçado (RRIM). Por exemplo, na fabricação de painéis automotivos, os moldes abertos são normalmente revestidos com filme de termoplástico como PVC, ou PVC/ABS por moldagem rotacional com o pó ou por termo moldagem a vácuo com o filme. Também são podem ser utilizados sistemas de PU com pele integral (SRIM). Em processos menos automatizados e com escala de produção menor, as cargas para reforço como manta de vidro podem ser colocadas manualmente nos moldes abertos, antes da dispersão da mistura reagente. Nos processos automatizados conduzidos sob alta pressão, como na fabricação de pára-choques automotivos, as fibras de vidro são misturadas através de agitação mecânica no tanque de uso diário do componente poliol. A seguir, após a mistura com o componente isocianato, na cabeça misturadora a massa reagente é injetada em moldes fechados.

Componentes leves como a blindagem do motor, laterais das portas, e tetos dos automóveis, podem ser produzidos em processos automatizados, utilizando equipamentos que possuem sistemas de corte e distribuição da fibra de vidro junto com a mistura reagente no molde, segundo padrões predeterminados. Peças também ser fabricadas em processos em que fibras de vidro ou cargas naturais ou sintéticas são misturadas à massa reagente na saída de uma cabeça misturadora com formato interno em L, que possui duas câmaras cilíndricas de diâmetros diferentes conectadas em ângulo de 90 graus. Neste sistema o componente sólido encontra a formulação líquida na entrada da câmara de mistura onde o fluxo turbulento através do ângulo de 90 graus resulta num fluxo laminar. Deste modo, a energia cinética dos líquidos pressurizados é usada para molhar o componente sólido através da área de mistura, antes de colocá-lo no molde. O resultado é o bom rendimento mecânico e a estética da peça moldada.

No processo RIM de PU estrutural, as exigências básicas para uma produção reprodutível consistem em manter constante a temperatura das matérias-primas (± 0,5ºC), como também manter um nível definido de nucleação das matérias-primas. Variação na temperatura das matérias-primas pode comprometer a qualidade da mistura e pode conduzir a características de processo diferentes (tempo de creme, tempo de gel) e conseqüentemente características de fluidez diferentes (retenção de ar e problemas na desmoldagem). Para muitas espumas estruturais de PU rígido, a nucleação através da adição de gás é uma exigência básica para a formação de espuma com uma estrutura celular boa e regular no coração. São recomendados dispositivos de nucleação com unidades de controle para manter um nível desejado de nucleação.

Sistemas de agitação lenta nos tanques de uso diário do poliol provêem boa homogeneidade; isto é especialmente importante se cargas sólidas estiverem suspensas no poliol. Quando se emprega agente de expansão volátil, o nível do líquido nos tanques diários deve ser mantido tão constante quanto possível. Isto manterá o teor de agente de expansão constante no componente poliol, especialmente nas temperaturas mais elevadas. O processo RIM que usa braçadeiras de molde estáticas permite a produção de artigos pequenos e grandes, usando uma máquina dispersora de alta pressão com injeção programada. A temperatura do molde é controlada, por circulação de água com temperatura controlada, de forma a manter a temperatura de enchimento do molde em torno de 55 ± 5ºCe remover o calor gerado pela reação de espumação. O tempo de permanência no molde depende do sistema químico e especialmente das densidades do artigo moldado, e varia dentro da faixa de menos de 2 minutos até aproximadamente 10 minutos.

4.11.3 - Moldes

Devido à baixa pressão desenvolvida pela espuma em crescimento, peças protótipo e corridas de produção pequena podem ser conduzidas empregando moldes de GRP (resina de poliéster reforçada com fibra de vidro) revestido com resina de epóxi, resina de epóxi carregada com pó metálico, ou com metal borrifado. Este último permite a reprodução exata de superfícies texturizadas borrifando um metal que tem um baixo ponto de fusão sobre um padrão feito à mão e revestindo a superfície do metal com GRP, ou resina epóxi carregada com alumínio. Detalhes na superfície são facilmente reproduzidos na pele da espuma estrutural de PU. A moldagem de superfícies lisas e uniformes necessita de uma superfície da ferramenta lisa e livre de marcas. Para longas corridas de produção, moldes feitos de aço com superfície dura são os mais duráveis.

4.11.4 - Acabamento

O material de PU que escapa pela linha divisória da ferramenta, muito freqüentemente projeta-se como um filme delgado de PU (flash) na peça moldada. Após a desmoldagem da peça (Capítulo 4.6), é removido com um raspador. Em produções elevadas, dispositivos automáticos de limpeza são utilizados para a refilagem das partes moldadas. Após a refilagem as espumas integrais de PU podem ser pintadas para melhorar a aparência. As espumas rígidas integrais de PU podem ser pintadas ou coloridas pela adição de pasta de corante. Devido à sua natureza aromática, estas espumas têm uma tendência para amarelar, e a coloração é limitada aos tons escuros.

4.11.5 - Propriedades

As espumas rígidas integrais são usadas como material isolante na construção de portas e janelas, e também em peças moldadas para aplicações estruturais como: gabinetes para aquecedores e condicionadores de ar, molduras e carcaças para computadores, grades, spoilers, partes internas de automóveis, etc. Apesar do baixo peso específico das peças moldadas com espumas rígidas estruturais, suas propriedades, referentes à dureza e resistência à abrasão, são comparáveis as dos materiais não celulares. A excelente fluidez permite a produção de peças de grande tamanho, e perfis complicados. A espessura da parede das peças moldadas pode variar de uns poucos milímetros a vários centímetros. As espumas estruturais permitem ao projetista grande liberdade, e dimensionar peças de poucas gramas até superiores a 100 kg.

As espumas estruturais de PU utilizam a pele dura e lisa como fonte de resistência ao impacto, à combustão e à distorção pelo calor. A resistência ao impacto das espumas estruturais de PU é superior à dos demais termoplásticos espumados como poliestireno (PS), resina ABS e poli (óxido de fenileno) modificado (PPO) (Tabela 4.20). Além disso, elas apresentam menor ciclo de moldagem devido à redução dos tempos de limpeza e desmoldagem. Sistemas com desmoldagem interna reduzem a necessidade de aplicação de desmoldante externo e aumentam a produtividade dos processos de fabricação de espumas estruturais (SRIM).

As propriedades de espumas integrais de PU variarão com mudanças na formulação e com mudanças na relação e na temperatura dos componentes químicos. As propriedades também podem variar com a temperatura do molde, e mudanças no equipamento de processo e seu ajuste e operação. Mudanças nas condições ambientes, i.e. temperatura e umidade, também podem influenciar a reação química e as propriedades físicas da peça resultante. As propriedades mecânicas (Tabela 4.21) de uma espuma estrutural moldada depende de sua forma e espessura como também da formulação e da densidade da espuma. Para propósitos de comparação e projeto, as propriedades físicas são determinadas de amostras cortadas de folhas moldadas planas, normalmente aproximadamente com 10 mm de espessura. Tipicamente, tais amostras têm um núcleo celular de densidade quase uniforme. As peles possuem entre 1 mm e 2 mm de espessura e as superfícies exteriores são quase sólidas. A estrutura permite uma combinação de alta dureza e alta temperatura de distorção ao calor com alta resistência de impacto.

Espumas estruturais reforçadas são usadas em aplicações onde alta rigidez, baixa distorção ao calor e pequeno coeficiente de expansão térmica são necessários. A rigidez necessária aos painéis e laterais automotivas pode ser obtida pelo reforço com cargas como: manta, fibra ou flocos de vidro; fibras naturais; volastonita (silicato de cálcio); carbonato de cálcio; mica; etc. No processo RRIM o uso de fibra de vidro (1,5mm) resulta em melhores, propriedades dos materiais e características de processamento. A temperatura do molde é normalmente mantida entre 48 e 60ºC. A temperatura do isocianato é de 32 a 35ºC e a do poliol varia entre 32 a 48ºC, e dependendo da quantidade de carga, a mistura é aquecida a 43-48ºC para reduzir a viscosidade.

A fibra de vidro dispersa, toma a orientação da direção do fluxo do líquido durante o enchimento do molde. O grau de orientação aumenta com o comprimento das fibras, e com a diminuição da espessura da peça. Como conseqüência, os produtos são anisotrópicos, e as propriedades como: aumento da rigidez; redução da distorção ao calor; redução do coeficiente de expansão térmica; redução do encolhimento; e a redução do alongamento na ruptura; são todas maiores na direção do fluxo durante o enchimento do molde (Tabela 4.22). O uso de flocos de vidro no lugar das fibras resulta em diminuição da anisotropia. Processos conduzidos em baixa pressão, em moldes abertos, obviamente, não apresentam os problemas de anisotropia do material.

5 - Espumas Rígidas