UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS Curso de Engenharia de Produo Qumica Tecnolgica
PolicarbonatoFabricao de lentes de policarbonato para culos de proteo contra impacto
Filipe Nunes Renato Tenroller Vinicius Marttoni
So Leopoldo - RS 2009
SUMRIO 2.1. Caractersticas e propriedades do policarbonato..............................................................7 2.1.1. Transparncia Luminosa...........................................................................................7 2.1.2. Raio de Curvatura.....................................................................................................8 2.1.3. Comportamento Trmico..........................................................................................8 2.1.4. Queima......................................................................................................................9 2.1.5. Resistncia ao impacto..............................................................................................9 2.1.8. Mtodos de Unio...................................................................................................12 2.1.9. Manuteno e Limpeza...........................................................................................12 2.1.10. Resistncia Qumica..............................................................................................13
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Formao do policarbonato de Bisfenol-A.....................................................6 Figura 2: Solados e saltos...........................................................................................15 Figura 3: Peas automotivas.......................................................................................16 Figura 4: Mamadeiras de policarbonato......................................................................16 Figura 5: Obteno do Bisfenol-A...............................................................................17 Figura 6: Obteno do fosgnio..................................................................................17 Figura 7: Curva de tenso versus deformao para o PC de bisfenol-A...................22 Figura 8: Policarbonato bisfenol-A..............................................................................22 Figura 9: Injetora hidrulica dividida em unidades de injeo e fechamento.............29 Figura 10: Unidade de Injeo....................................................................................29 Figura 11: Ciclo de Injeo..........................................................................................30 Figura 12: Rosca na fase de dosagem.......................................................................31 Figura 13: Rosca na fase de pressurizao e recalque..............................................32 Figura 14: Resfriamento e extrao............................................................................32
1.INTRODUO
A utilizao de produtos polimricos em substituio aos materiais convencionais, bem como a busca de novas tecnologias para a reduo de custos e aumento do conforto para a sociedade tm sido fatores determinantes para o desenvolvimento e introduo de novos materiais polimricos. A produo de materiais polimricos apresentou um crescimento acelerado nos ltimos 30 anos e com a versatilidade, que no superada por nenhuma outra classe de materiais garante que os polmeros continuaro a ter uma grande importncia no futuro. Com o aumento da demanda e a exigncia cada vez maior do mercado, o desenvolvimento de materiais com propriedades superiores aos j existentes tornouse o principal objetivo da indstria polimrica. No entanto, para alcanar este objetivo, no se faz necessrio o desenvolvimento de novos monmeros, uma vez que o potencial dos monmeros j conhecidos no foi completamente explorado. A exploso no mercado de discos laser (CD) e a recente introduo no mercado dos discos de verstil digitais (DVD) esto contribuindo para o aumento no consumo mundial do policarbonato. Dentre outras aplicaes mais comuns do policarbonato destacam-se as embalagens plsticas, lentes oftlmicas, na aviao e no setor automotivo, e mais recentemente em vidros a prova de balas, o que tem incentivado um grande crescimento industrial e de mercado. Policarbonatos so uma classe especial de polisteres resultantes da reao de derivados do cido carbnico com compostos dihidroxilados. So essencialmente
polmeros termoplsticos lineares, que podem ser divididos em alifticos, alifticoaromticos e aromticos. Os policarbonatos alifticos tm pouca importncia comercial devido a suas caractersticas de baixo ponto de fuso, facilidade de ser hidrolisado e em geral no formarem fibras. Os primeiros policarbonatos com utilidade tecnolgica que foram preparados foram os aromticos derivados de bisfenis. O principal deles o policarbonato de bisfenol A (4,4 - dihidroxi difenil 2,2 propano), devido a suas caractersticas de alta estabilidade trmica, transparncia e excelentes propriedades mecnicas, entre outras. Policarbonatos foram primeiro preparados por Einhorn em 1898 por reao de dihidroxido-benzeno, com hidroquinona e resorcinol, separadamente, com fosgnio em soluo de piridina. Em 1929, W.H. Carothers e F.J. Natta prepararam vrios policarbonatos alifticos e aliftico-aromticos usando reaes com formao de anel. Esses materiais no tiveram interesse industrial. Em 1932 Carothers, atravs de uma policondensao especial, produziu um grande nmero de policarbonatos alifticos lineares, mas no conseguiu um polmero que formasse fibras. Devido a isso, Carothers descartou os polisteres. Contudo, em 1941 Whinfield e Dickson anunciaram a descoberta de uma fibra de poli(tereftalato de etileno) e, induzido pelo sucesso desse polmero, Farbenfabriken Bayer iniciou um programa em busca de outros polmeros teis contendo anis aromticos em sua cadeia principal. Derivados de cido carbnico foram reagidos com muitos compostos dihidroxilados e, um desses, o bisfenol A, produziu um polmero de muito interesse. Em 1958, os policarbonatos foram introduzidos no mercado pela Bayer AG com o nome de Makrolon. Independentemente, na General Electric Co nos Estados Unidos, estava sendo feita uma pesquisa de resinas trmica e hidroliticamente estveis, onde tambm foram produzidos policarbonatos de bisfenol A, comercializado em 1960 com o nome de Lexan. Hoje, resinas de policarbonatos comerciais esto sendo vendidas na Alemanha pela Bayer (Makrolon), nos Estados Unidos pela General Electric (Lexan), Mobay (Merlon) e pela Dow e no Brasil pela Policarbonato do Brasil S A.
Devido combinao nica de resistncia distoro pelo calor, ao impacto, ao escoamento (creep), tenacidade, propriedades eltricas, transparncia e baixa absoro de umidade o policarbonato amplamente utilizado na fabricao de edifcios, sinais de trnsito e rtulos exteriores, proteo interna e externa de veculos, escudos de segurana, vidros de segurana (edifcios desportivos, prises e outros edifcios), instalaes desportivas, equipamentos urbanos, capacetes, janelas de embarcaes e aeronaves, proteo de mquinas, mamadeiras e culos de proteo. Uma das aplicaes mais importantes do policarbonato a sua utilizao na fabricao de lentes de culos de proteo, considerando que o culos de proteo deve ser utilizado por todos aqueles que trabalham em reas operacionais, produo, canteiro de obras e em ambientes externos, alm de outras atividades que possam acarretar em riscos as trabalhadores. A proteo dos olhos passa por proteo contra impactos, contra respingos, contra luminosidade intensa e proteo contra raios UVA e UVB. culos de proteo devem ser leves, confortveis e, altamente resistentes. No passado, a matriaprima mais utilizada para a fabricao desse tipo de equipamento de proteo individual (EPI) era o vidro. Aps muitos anos de evoluo, os culos atuais so fabricados em policarbonato. O policarbonato possui muitas vantagens em relao ao vidro. muito mais leve, durvel e, peso por peso, muito mais resistente.
2. REVISO DA LITERATURA
Policarbonato so polmeros de importante interesse comercial e tecnolgico, devido combinao nica de resistncia distoro pelo calor, ao impacto, ao escoamento (creep), tenacidade, propriedades eltricas, transparncia e baixa absoro de umidade. Eles pertencem a uma classe de polisteres formada pelas reaes de derivados de cido carbnico com diis aromticos ou alifticos. Um do policarbonato de grande interesse o produzido atravs de reao entre o BisfenolA e o fosgnio (Figura 1).
Figura 1: Formao do policarbonato de Bisfenol-A
O policarbonato oriundo do bisfenol A normalmente encontrado no estado amorfo devido rigidez da cadeia principal, causado pela presena de dois anis aromticos, que diminuem a mobilidade de longas extenses da molcula. O estado slido dos materiais polimricos pode ser dividido em estado cristalino e estado amorfo. Os termos cristalino e amorfo so utilizados para indicar regies polimricas ordenadas e desordenadas, respectivamente. Os polmeros
cristalinos so na maioria dos casos semicristalinos, isto , so sistemas heterogneos onde regies ordenadas esto cercadas por regies amorfas. O policarbonato pode ter a sua cristalinidade induzida, por exemplo, pelo aquecimento a 180C por vrios dias, tratamento com solvente, pela ao de plastificantes ou em misturas polimricas. A induo trmica somente ocorre no policarbonato pela exposio excessiva. A exposio realizada ao vapor de solvente tambm promove a formao da fase cristalina do policarbonato.
2.1. Caractersticas e propriedades do policarbonato O Policarbonato semelhante ao vidro, caracteriza-se por possuir alta transparncia, que pode chegar acima de 90%. Essa transparncia conseguida graas sua estrutura amorfa. Dentre todos os termoplsticos, o Policarbonato o que possui maior resistncia ao impacto, sem qualquer aditivao, a no ser os elastmeros. A produo das chapas utiliza a alta tecnologia da coextruso, a qual aumenta a resistncia aos raios ultravioletas solares. O peso molecular varia de 10000 a 30000, e sua densidade 1,2. A Tg, temperatura de transio vtrea ou de amolecimento VICAT, a qual se refere a mobilidade molecular das regies amorfas, de 150C, permitindo aplicaes onde a temperatura de trabalho chegue a 130C, e a raios ultravioletas. A temperatura de amolecimento VICAT a temperatura quando uma agulha de ao de 1mm de rea de seo transversal penetra 1mm em um corpo de prova. A Tm, temperatura de fuso cristalina, a qual se refere a mobilidade molecular das regies cristalinas, de 268C. A cristalinidade, a qual se refere a quantidade de regies cristalinas, muito baixa, o que confere a excelente transparncia do material. 2.1.1. Transparncia Luminosa Com excelente qualidade de transparncia, as caractersticas ticas das chapas de Policarbonato, possibilitam a sua utilizao as mais diversificadas. O Policarbonato tem um elevado grau de absoro das radiaes ultravioleta pela presena importante do estabilizador U.V. que d ao produto estabilidade
durante longos anos, conservando praticamente inalteradas as suas caractersticas iniciais. Alm disso nas chapas alveolares, existe o efeito interessante da difuso luminosa causado pela geometria dos alvolos.
2.1.2. Raio de Curvatura As chapas podem ser utilizadas para solues em arco, curvado a frio, na ocasio da sua instalao. Neste caso importante evitar o sobretensionamento da chapa. Para isto, os raios de curvatura devem ser de 100 a 150 vezes a espessura da chapa empregada. 2.1.3. Comportamento Trmico A mais importante caracterstica das chapas sua estabilidade em temperatura e em utilizaes difceis, onde no possvel o uso de outros materiais. Outra caracterstica sua elevada dilatao, que uma varivel importante para um correto dimensionamento das chapas caso sejam contidas em estruturas ou perfis metlicos, fixas e colocadas, ou acopladas a outros materiais. A sua elevada estabilidade permite a utilizao em situaes onde ocorrem constante oscilaes de temperatura e umidade ambiente. Alm disso as chapas alveolares permitem obter uma sensvel economia energtica devido aos elevados valores de isolamento trmico, obtido atravs do colcho de ar que se forma entre as paredes da chapa de Policarbonato. A condutividade trmica do PC menor que a do vidro, o PC pior condutor de calor que o vidro; logo, melhor isolante trmico que o vidro. No caso de chapas coloridas os resultados so ainda melhores, pois a penetrao de calor menor, j que se tem menor incidncia de raios solares. O coeficiente de expanso trmica do policarbonato maior quando comparado com outros materiais usados para construo. A expanso trmica a propriedade que mede o volume adicional necessrio para acomodar os tomos e molculas, por estarem vibrando mais rpido e com maior amplitude, devido ao aquecimento, e pode ser expresso em mm/cm/C.
TABELA 1. Dados comparativos do coeficiente de expanso trmica do PC com outros materiais.MATERIAL Vidro Ao Alumnio Policarbonato Acrlico COEF. DE EXPANSO TRMICA 0,000080 0,000101 0,000206 0,000600 0,000656
2.1.4. Queima Preveno de incndios: por ser um material auto extinguvel, o policarbonato evita a propagao de fogos e os gases txicos que gera no so to txicos quanto os do acrlico.
2.1.5. Resistncia ao impacto O Policarbonato possui grande resistncia ao impacto. Chapas compactas utilizadas isoladamente ou em sistema composto incorporando vidros, constituem uns dos mais avanados meios de segurana em envidraamento.
O Policarbonato classificado como material para envidraamento estrutural, pois cerca de 250 vezes mais resistente que o vidro e cerca de 30 vezes mais que acrlico. As chapas de Policarbonato adequadamente especificadas podem resistir a impactos de projteis disparados por armas de grande potncia, e muito utilizado por oferecer alta segurana contra atos de vandalismo.
TABELA 2. Teste de resistncia ao impacto para o policarbonato.RESISTNCIA AO IMPACTO Teste 1 2 3 4 Peso (kg) 2.0 2.4 2.7 3.2 Energia de queda (J) 19.6 23.5 26.5 31.5 Flecha (mm) 9.5 11.0 12.0 Placa perfurada s/ fragmentao Resultado Nenhum dano Deformao na zona de impacto
2.1.6. Resistncia Radiao UV A grande transparncia da chapa de Policarbonato Compacto permite uma tima utilizao da luz solar, possui uma superfcie especialmente concebida contra a radiao U.V., a qual protege o material contra o envelhecimento pela ao dos agentes atmosfricos, protege os envidraados contra o amarelecimento e perda de transmisso luminosa, garantindo a conservao das propriedades ticas - sem diminuio da resistncia do policarbonato; mesmo sob exposio intensa radiao solar.
2.1.7. Usinagem, processos de transformao
Serrar: Recomenda-se o uso de disco de serra com dentes sem trava (retos), preferencialmente de vdea e com refrigerao; a rotao da serra deve situar-se entre 1800 a 2400rpm para um disco com distncia entre dentes de 2 a 5mm. importante que ao final da operao de corte as extremidades das chapas sejam levemente arredondadas, evitando o acmulo de tenses residuais.
Furar: Devem ser usadas brocas recomendadas para plsticos, aquelas com ngulo de avano entre 160 a 180, e angulo de sada de aproximadamente 16; a rotao da broca deve situar-se entre 350 e 1750rpm para brocas entre 18 e 3mm de dimetro. No usar qualquer tipo de lquido refrigerante durante a operao.
Rosquear: O PC pode ser rosqueado com machos convencionais para ao, o dimetro do furo deve ser de 1mm maior que normalmente usado para ao; no deve ser usado qualquer tipo de lquido refrigerante durante a operao. Fresar: O PC pode ser fresado com uma fresadora universal e corn, ferramentas normais usadas para plsticos, aqualas com ngulo de sada entre 20 e 25, ngulo de ataque de 5, rotao entre 100 a 500rpm e velocidade de corte de 0,1 a 0,5mm/revoluo. Estampar: Chapas de at 2mm de espessura, podem ser estampadas com matrizes para metais, bem afiadas. Para espessuras maiores recomenda-se o aquecimento das chapas at 130C. O corte por guilhotina pode ser feito em chapas de at 2,5mm de espessura, com lminas de ao, ngulo de inclinao de 45 e folga entre 0,01 a 0,02mm. Desbastamento: Devem ser usados discos abrasivos de carbeto de silcio ou correias de lixa fina. Polimento: Usar rodas de polir de mdia densidade (rodas de pano) e velocidade perifrica em torno de 30m/s. No incio, recomenda-se o uso de pasta de polir do tipo no alcalina (xido de cromo verde, p.e.), finalizando com o polimento sem pasta.
2.1.8. Mtodos de Unio Colagem: PC apresenta boa colagem com ele prprio ou outros materiais, no se deve esquecer que a limpeza das superfcies a serem coladas muito importante. Soldagem: mais indicado para peas prottipos ou de pequeno volume. indispensvel a secagem da chapa e do cordo de solda antes da soldagem; junta-se as duas partes o mais prximo possvel e inicia-se a soldagem; a pistola de ar quente para aplicao deve estar entre 475 a 500C. Outros mtodos: Outros tipos de unies podem ser feitas, usando-se rebites de alumnio, parafusos auto-tarrachantes e parafusos com porcas. No se deve esquecer que neste tipo de unio, a contrao e expanso das chapas unidas, devem ser consideradas. No se deve usar nesses tipos qualquer tipo de material lubrificante para auxiliar a introduo do rebite ou parafuso; os lubrificantes podem atacar o PC originando crasing nessa regio, que se propagar com facilidade, quebrando a chapa.
2.1.9. Manuteno e Limpeza Para uma manuteno e uma limpeza adequada recomendvel seguir algumas instrues bsicas. Molhar a chapa com gua morna; Lavar a chapa com soluo de detergente neutro; Usar um pano ou esponja para eliminar os restos de sujeira; Repetir a lavagem e secar um pano macio para evitar que a gua acumulada possa manchar a chapa. Nunca usar benzol, gasolina, xilol ou tetracolreto de carbono Remoo de respingos de tintas ou graxas, usar lcool isoproplico, antes que sequem. No limpar sob sol quente ou elevadas temperaturas. Precaues:
No usar elementos de limpeza abrasivos ou altamente alcalinos, como por exemplo: saponceos ou limpadores a base de amonaco; No usar Butilo Celusolo nem Isopropanol na superfcie protetora do Policarbonato; No lavar as chapas de Policarbonato sob sol forte ou temperatura elevada; No aplicar esforos fsicos nas estruturas e chapas sem orientao prvia. OBS: O mais recomendvel sempre procurar empresas especializadas para que no haja danos no material.
2.1.10. Resistncia Qumica O Policarbonato resiste agentes qumicos, sendo importante observar que alguns reagentes podem causar danos quando em contato com as chapas por longo tempo. A resistncia qumica e a caracterstica do Policarbonato em determinados agentes, considerando que Tabela 3. Efeitos ocasionados quando o policarbonato exposto em contato com produtos qumicos.CLASSE QUMICA cidos EFEITOS No provocam danos em temperatura ambiente e baixas concentraes. Etanol, Isoproplico e Etlico no provocam danos. O metanol provoca. No provocam efeitos em temperatura ambiente e baixas concentraes. Concentraes e temperaturas elevadas atacam o Policarbonato. No provocam danos ao Policarbonato.
lcoois
lcalis
Hidrocarbonetos Alifticos Aminas Hidrocarbonetos Aromticos Detergentes
Evitar. Atacam quimicamente o Policarbonato Evitar, so solventes que causam severos danos qumicos ao Policarbonato. Solues de sabo neutro no provocam danos, porm detergentes altamente alcalinos devem ser evitados.
steres Graxas e leos
Evitar. Evitar. Muitos aditivos usados nestes materiais causam danos qumicos ao Policarbonato. Em temperatura mxima de 85C no provocam danos. Porm a composio qumica destes produtos tem como base hidrocarbonetos aromticos devendo ser evitado. Evitar. Causam severos danos ao Policarbonato.
leo de Silicone
Hidrocarbonetos Halogenados
O tempo de exposio a estes dever ser mnimo possvel: cidos, lcoois, Alcalis, Silicone. Hidrocarbonetos Alifticos, Aminas, Hidrocarbonetos Aromticos, Detergentes, steres Graxas e leos, Hidrocarbonetos Halogenados e leo de
2.2. Aplicaes do policarbonato O policarbonato tem excelentes propriedades que lhe conferem uma ampla gama de utilizao, tanto como plstico de engenharia como tambm na linha de commodities, porm o seu custo de fabricao elevado limita suas aplicaes aos casos em que no existam outras alternativas mais econmicas. Atualmente, cerca de 50% da produo de policarbonato est voltada para as aplicaes nas indstrias eletroeletrnicas. Os recobrimentos para rels e outros materiais eltricos requerem ao mesmo tempo um bom isolamento, dureza, transparncia, resistncia chama e durao; esses conjuntos de propriedades somente so encontrados nos policarbonatos. Outra aplicao importante a fabricao de bobinas; nesse caso, a propriedade de envolver cabos sem deformlos, a resistncia ao calor, a oxidao e as boas propriedades eltricas, fazem dos policarbonatos o material preferido. Outras aplicaes muito freqentes nesse campo so: terminais, junes, diversas partes de baterias, recobrimento de fusveis, plugues, etc. Assim, pelas suas excelentes propriedades eltricas, pela alta resistncia temperatura, estabilidade dimensional, alta resistncia ao impacto e retardante de chama, o policarbonato encontra aplicaes como plstico de engenharia, tambm
em outros segmentos industriais, tais como, construo civil e equipamento de segurana, computadores, comunicaes, iluminao e automobilstica. Substitui metais com menos custo e maior flexibilidade de desenho e substitui os vidros, pela sua excelente transparncia e resistncia a impacto numa ampla faixa de temperatura. Os filmes de policarbonatos so muito utilizados em condensadores. Pode-se citar ainda como exemplo de aplicaes os faris e carcaas de lanternas para carros, visores, refletores blocos de telefonia, ferramentas ou aparelhos eltricos sem necessidade de chassi interno, acessrios para aparelhos hospitalares (em substituio ao ao e ao vidro), vidros para controle de nvel de leo, recipiente para filtro de leo, recipientes para filtro de leo, capacetes de segurana, culos de segurana, placas resistentes ao impacto, janelas de segurana, escudos de proteo, cabines de proteo, discos compactos (CDs), recipientes para uso em fornos de microondas, tubos de centrfugas para sistemas aquosos, painis de anncio em estradas, painis de instrumentos, instrumentos de engenharia como rguas e transferidores, luzes de posio para avies, partes do interior de avies, rotores de bombas e ventiladores, chassi para geradores, solados de sapatos femininos, etc.
Figura 2: Solados e saltos
Figura 3: Peas automotivas
Como commodities os policarbonatos tem encontrado numerosas aplicaes como embalagens, artigos esportivos e em utenslios domsticos, como vasos, pratos, mamadeiras, etc. Uma vez que so suficientemente resistentes e no absorvem as cores dos lquidos domsticos ou sucos de frutas, Figura 5. Nessas aplicaes, compete com as resinas de melaminaformaldedo, apesar de serem estas mais resistentes frico.
Figura 4: Mamadeiras de policarbonato
No processo de reciclagem, os resduos (recuperados) de PC, podero ser reprocessados, somente se no forem cuidadosamente secados. Por outro lado, como os PC so classificados como termoplsticos amorfos podem ser reciclados via processamento por fuso.
3. POLICARBONATO
3.1. Produo do monmero 3.1.1. Bisfenol A O bisfenol A ou difenilol propano, pode ser produzido pela condensao do fenol com acetona sob condies cidas, como indica a figura 6.
Figura 5: Obteno do Bisfenol-A
Para obteno do policarbonato, o bisfenol A deve possuir grau de pureza elevado (ponto de amolecimento entre 154-157C). Material com menos grau de pureza, como utilizado na produo de resina epxi, resulta em um policarbonato com carecteristicas fsicas pobres e colorao extremamente amarelada. Aps a reao o bisfenol A separado do sistema por cristalizao com solventes apropriados ou por destilao do fenol.
3.1.2. Fosgnio O fosgnio obtido pela ao do cloro gasoso no monxido de carbono a aproximadamente 200C como ilustra a Figura 7.
Figura 6: Obteno do fosgnio
O fosgnio um gs a temperatura ambiente extremamente txico e de odor desagradvel. Seu ponto de ebulio est em torno de 8C.
3.1. Policarbonato de Bisfenol A As duas espcies iniciais para a preparao de policarbonato so bisfenol A e fosgnio:
Inicialmente ser analisado o bisfenol A. Mais tarde se dar ateno ao fosgnio. O primeiro passo para fazer um policarbonato tratar o bisfenol A com NaOH. O grupo hidroxila, sendo uma base, retirar um prton do bisfenol A. Quando isto acontece o grupo hidroxila se torna uma molcula de gua, e o bisfenol A, um lcool, ficar na forma de seu sal sdio. Ento a mesma reao acontece novamente no outro grupo lcool do bisfenol A.
Agora que o bisfenol A um sal, ele pode reagir com o fosgene. V-se que o oxignio no sal de bisfenol A agora possui uma carga negativa. Isto significa que ele pode doar um par de eltrons ao tomo de carbono no fosgnio. Tal carbono est com baixa densidade eletrnica porque est ligado ao oxignio, eletronegativo. Quando este carbono ganha um novo par de eltrons do sal de bisfenol A, ele libera
um dos pares que estava compartilhando de forma desigual com o oxignio da carbonila. Este par permanece no oxignio, conferindo-lhe uma carga negativa.
A molcula no permanece neste estado. Os eltrons no oxignio voltaro para o carbono, restaurando a ligao dupla carbono-oxignio. Como o carbono no pode compartilhar dez eltrons, ele deve desfazer-se de dois. Estes dois eltrons so aqueles que o carbono estava compartilhando com um dos tomos de cloro. Desta forma, o cloro e seus eltrons so expelidos da molcula. A molcula resultante chamada cloroformato. O on cloreto que foi expulso se combinar com o on sdio para formar NaCl.
Este cloroformato pode ser atacado por outra molcula de bisfenol A, tal como o foi o fosgnio. Uma segunda molcula de bisfenol A pode atacar exatamente como o fez a primeira.
Passa-se por um intermedirio similar e um movimento de eltrons semelhante, para chegar ao carbonato contendo as espcies mostradas.
Aps isto, os grupos salinos na nova molcula grande podem reagir com mais fosgnio, e desta forma a molcula cresce, at que se tenha o policarbonato.
3.2. Propriedades do policarbonato de bisfenol A A solubilidade dos policarbonatos aromticos dependente do seu estado cristalino e da natureza dos compostos dihidroxilados aromticos usados na sua preparao. As seguintes substncias so solventes prticos para o policarbonato de bisfenol A: 1,1,2,2-tetracloroetano, cloreto de metileno, cis-1,2-dicloroetileno, clorofrmio e 1,1,2-tricloroetano. As propriedades ticas e mecnicas desses policarbonatos so quelas comuns a de polmeros amorfos. O policarbonato de bisfenol A exibe uma extraordinria estabilidade trmica, que combinada com o seu alto grau de aromaticidade gera uma caracterstica de ser resistente chama. A curva tenso deformao do policarbonato de bisfenol A (Figura 8) tipicamente de materiais dcteis, consistindo de uma extenso linear reversvel, at altos valores de tenso, o que lhe confere uma boa estabilidade dimensional. Notase, por essa regio, que o mdulo de elasticidade relativamente alto. Seguindo essa regio observa-se o escoamento, seguido da deformao plstica at alongamento de 120% antes da ruptura. A rea sob essa curva uma medida da energia absorvida por unidade de volume, ou seja, uma medida da resistncia ao impacto.
Figura 7: Curva de tenso versus deformao para o PC de bisfenol-A
O limitado grau de cristalinidade um fator que contribui para a alta resistncia ao impacto do policarbonato de bisfenol A. Outro fator importante para a resistncia ao impacto o volume livre, que so espaos vazios dentro do material que acomodam movimentos moleculares. Aps vrias tentativas para a atribuio desta transio aos movimentos internos das cadeias e grupos laterais, foi proposto um modelo molecular que combina movimentos intramoleculares com acoplamento intermolecular, como esquematizado na Figura 8.
Figura 8: Policarbonato bisfenol-A
A ligao C-O, marcada com um asterisco, indica o ponto de rotao. O anel fenila numerado sofre uma inverso quando a ligao C-O realiza o movimento de rotao. A cadeia de policarbonato sofre mudanas conformacionais envolvendo rotaes de ligaes de dois grupos carbonatos vizinhos, que mudam da conformao trans-cis para uma trans-trans. Este movimento requer a rotao em torno da ligao C-O, marcada com asterisco, com uma inverso do grupo fenila em torno do eixo C1C4, resultando em uma flutuao de volume livre como conseqncia da translao do grupo bisfenol A. Estes processos de relaxao se difundem ao longo da cadeia com sucessiva mudana conformacional constituindo um mecanismo de rpida dissipao de tenso e, portanto, rpida absoro de energia durante o impacto. Este modelo consistente com os requisitos geomtricos obtidos por ressonncia magntica nuclear.
4. LENTES DE POLICARBONATO PARA CULOS DE PROTEO
O culos um objeto ao alcance dos olhos de qualquer um. Poucos enxergam, no entanto, a complexidade do processo de fabricao de um par de culos. Nesse mercado, o plstico ganhou visibilidade nos ltimos anos. O material se tornou concorrente dos metais nas armaes e desbancou o vidro, que no passado reinava absoluto na fabricao das lentes. Nas armaes, a conquista de espao do plstico se deve muito s suas propriedades, como resistncia, leveza e facilidade de moldagem. Nessa aplicao, porm, a escolha do material depende de um quesito extra de grande importncia, alheio s propriedades fsicas e qumicas das matrias-primas. Trata-se da moda, que a cada momento favorece uma matria-prima diferente. No caso das lentes, por sua vez, o avano do plstico foi impressionante. Mais leve e resistente, hoje ele presena obrigatria tanto nos modelos de proteo contra o sol quanto nos corretivos. No Brasil, estima-se que a venda de culos movimente aproximadamente R$ 1 bilho por ano, de acordo com dados da Associao Brasileira de Produtos e Equipamentos pticos. Em 2006, foram vendidas no mercado nacional cerca de 80 milhes de unidades. Esse volume, no entanto, no significa uma indstria ptica forte. Ao contrrio. O pas est longe da auto-suficincia e conta com poucos fabricantes reconhecidos pela qualidade de seus produtos. No existem dados para mensurar a diviso do mercado entre nacionais e importados. Sabe-se que, no caso dos culos de sol, a presena dos produtos chineses expressiva, em especial, no nicho formado pelos modelos populares. Entre os mais sofisticados, os pases avanados, principalmente a Itlia, tm participao muito importante. A fatia destinada aos estrangeiros tambm significativa nos culos de lentes corretivas. Lentes corretivas A produo das lentes corretivas um captulo parte dentro da indstria dos culos, pois requerem polmeros especiais, com propriedades pticas especiais. As lentes quase sempre so fabricadas por empresas especializadas, dotadas com maquinrios especficos. O processo envolve vrias etapas e conhecido como surfaagem.
Vale lembrar que no passado o vidro reinava absoluto na fabricao de lentes corretivas. Os polmeros existentes no apresentavam propriedades adequadas para a aplicao. O maior problema era a propriedade ptica, que permitia apenas a produo de lentes demasiadamente espessas e sujeitas a riscos. No incio da dcada de 70, chegaram ao Brasil os primeiros materiais plsticos desenvolvidos para essa finalidade. Suas formulaes permitiam a produo de lentes com espessura similar s feitas de vidro. Como os polmeros apresentam densidade menor, os culos com lentes plsticas se tornaram mais leves, proporcionando maior conforto ao usurio. O problema da pouca resistncia aos riscos foi superado com a sofisticao das formulaes e o uso de vernizes especiais. Outras vantagens tambm foram decisivas para o avano do plstico nesta aplicao. Uma delas sua resistncia quebra, muito superior do vidro. Alm disso, as lentes em plstico podem ser pintadas, conferindo aos designers mais opes estticas na hora de desenvolver um projeto. O policarbonato um dos mais leves materiais para lentes de culos. um plstico e possui estabilidade dimensional muito boa. Possui alta resistncia ao impacto, mesmo sob grandes variaes de temperatura. Comparado com o vidro comum, aproximadamente 300 vezes mais forte. Isso o torna ideal para confeco de escudos de proteo, janelas, CDs, DVDs e, claro, culos (sejam eles de proteo ou de uso comum, com grau), alm de outros usos na indstria e em objetos do nosso dia-a-dia que requeiram alta durabilidade. Devido a essas caractersticas de resistncia, somadas ao fato de este plstico ter um ndice de refrao maior que o vidro comum, as lentes de policarbonato podem ser acabadas com centros bem finos, tornando-as mais leves e dando-lhes melhor esttica. Outro ponto importante de ser mencionado que estas lentes bloqueiam os raios UV-A e UV-B na faixa perigosa, de at 380 nm. A cor cinza pode ser incorporada resina dessas lentes, mas para se obter outras cores, a absoro do pigmento acontece no revestimento. Uma pequena desvantagem, quando comparado ao vidro comum, que o policarbonato relativamente macio, tornando-o suscetvel a leses em sua
superfcie (riscos, depresses, etc.). necessrio, ento, acrescentar um revestimento antiabraso, para diminuir os riscos de arranhes. Da mesma forma que outros plsticos ou vidros de alto ndice, as lentes de policarbonato apresentam um nmero Abbe relativamente baixo (32). Um nmero Abbe baixo indica maior aberrao cromtica, mas, ainda assim, a disperso cromtica resultante importante apenas nas prescries mais fortes (acima de 4,00 ou 5,00 dioptrias). Na prtica, um nmero Abbe reduzido no restringe o uso de um material na confeco de lentes oftlmicas, nem a aceitao das mesmas pelo usurio.
4.1. Fabricao de lentes de policarbonato 4.1.1. Pr-tratamento do PC Na sua produo, transporte e armazenagem, o policarbonato tende a absorver uma certa quantidade de umidade da atmosfera at atingir o equilbrio, por causa dos grupos carbonatos presentes. Os carbonatos so extremamente sensveis a hidrlise e, por se encontrar na cadeia principal do polmero, a hidrlise pode provocar degradao, reduzindo drasticamente sua massa molecular com a conseqente queda da resistncia ao impacto, bem como deteriorao de outras propriedades e aparncia do produto final. Assim, os grnulos de policarbonato devem sempre ser secos antes do processamento. Existem trs tipos de equipamentos usados para a secagem dos grnulos de PC. Estrutura de bandeja com ar circulante Utilizando-se estufas de secagem apropriadas a uma temperatura de 120C. A durao da secagem dos grnulos midos depende da classe e do tipo da estufa, podendo variar de 4 a 24 horas. Este tipo de equipamento suficiente para baixas produes de peas relativamente simples, pos tem eficincia limitada. Funis secadores Este tipo de equipamento diminui risco de contaminao por outros materiais e por poeira ou outros contaminantes do ambiente. O funil secador deve ser dimensionado de acordo com as peas que se est processando, de modo a garantir um tempo mnimo de quatro horas de residncia no funil.
Desumidificadores Este equipamento seca o ar, passando-o por cmeras de silicagel, aquece-o na temperatura desejada e faz com que ele passe pelo material retirando sua umidade. Por trabalhas com ar seco este equipamento possui uma eficincia muito mais alta em relao aos outros equipamentos. o equipamento mais aconselhado para secagem, principalmente quando se trabalha com grandes produes e com peas com muitos detalhes. Na moldagem por injeo do policarbonato a etapa de secagem determinante. Durante o processo, a presena de umidade nos grnulos, submetidas temperatura e presso, ir causar a degradao das molculas e uma liberao acentuada de gases. Com isto a pea moldada apresentar uma srie de defeitos como: manchas prateadas, perda de propriedades fsicas e bolhas internas. Quanto maior a taxa de cisalhamento necessria para injetar a pea, mais crtica se torna a necessidade de uma eficiente etapa de secagem.
4.1.2. Processamento do policarbonato Moldagem por injeo O processamento de termoplsticos atravs do processo de injeo representa o principal mtodo de fabricao de peas plsticas. No presente trabalho, estudou-se a produo de lentes de policarbonato atravs da moldagem por injeo. A moldagem por injeo pode ser descrita de forma simplificada como um processo que aquece o polmero at o seu estado fundido para ento ser transferido sob presso para um molde no qual ocorrer o preenchimento da cavidade e o resfriamento, obtendo-se a pea final. Vale lembrar que a moldagem por injeo no um processo contnuo como a extruso, mas sim um processo cclico que ser explicado mais adiante. Algumas caractersticas do processo de injeo so: Boa exatido de forma, dimenses e peso da pea; Peas de geometrias complexas so obtidas em uma nica etapa; Peas com elevada qualidade superficial; Pouco ou nenhum trabalho posterior de acabamento;
Ausncia de rebarbas ou aparas (exceto para moldes de canais frios); Elevada produtividade. Este processo possui algumas desvantagens, como o elevado custo dos moldes e o tensionamento das peas, que deve ser minimizado. As injetoras atuais so projetadas para termoplsticos, elastmeros ou termofixos. Alm disso, tambm existem algumas configuraes (principalmente de roscas) especialmente projetadas para PVC e polmeros termoplsticos de engenharia, como a poliamida. Os termoplsticos so a grande maioria dos polmeros transformados por injeo. As resinas de PC podem ser processadas em quaisquer injetoras destinadas a termoplsticos. A qualidade dos produtos injetados ir depender de diversos fatores, tais como: Escolha apropriada da matria-prima; Tipo e estado de conservao da injetora; Projeto adequado da pea; Projeto e estado de conservao do molde; Processamento adequado para cada tipo de resina.
4.1.2.1. Estrutura bsica de uma injetora As injetoras podem ser dividas em duas mquinas ou partes principais: unidade de injeo e unidade de fechamento. A Figura 9 ilustra uma injetora hidrulica dividida nestas duas unidades.
Figura 9: Injetora hidrulica dividida em unidades de injeo e fechamento
As injetoras tambm possuem sistemas para a movimentao dos componentes, painel de controle e freqentemente contam com elementos auxiliares ou perifricos.
4.1.2.2. Unidade de injeo Algumas funes da unidade de injeo so: Transportar o polmero no sentido da unidade de fechamento; Aquecer e plastificar a resina para o alcance da viscosidade desejada; Injetar o polmero na cavidade do molde de injeo; Compactar a massa injetada e compensar parte da contrao devido ao resfriamento da pea. Conforme a Figura 10, a unidade de injeo composta basicamente por um funil de alimentao, cilindro de aquecimento (com resistncias eltricas), rosca e bico de injeo.
Figura 10: Unidade de Injeo
4.1.2.3. Ciclo de injeo O ciclo de injeo caracteriza-se por diversas etapas que se repetem ordenadamente, conforme demonstrado na figura 12. Este ciclo freqentemente dominado pelo tempo de resfriamento da pea. Desta forma, geralmente o tempo de ciclo obtido pela soma dos tempos de resfriamento e abertura/fechamento do molde.
Figura 11: Ciclo de Injeo
Alguns movimentos realizados pela injetora para cumprir as etapas do ciclo de injeo so: Unidade de Fechamento: Avano da placa mvel, fechamento e travamento do molde na presso desejada; Recuo da placa mvel para a abertura do molde; Avano dos extratores para a liberao das peas.
Unidade de Injeo:
Avano desta unidade at ocorrer o encosto do bico com a bucha na unidade de fechamento; Avano da rosca para a injeo da resina; Novo avano da rosca para promover o recalque; Rotao da rosca para propiciar a plastificao da resina e sua dosagem; Recuo desta unidade para o desencosto do bico com a bucha.
4.1.3. Moldagem da lente de policararbonato No ciclo de injeo, o PC passa basicamente por trs etapas principais: 4.1.3.1. Plastificao e dosagem
Figura 12: Rosca na fase de dosagem
Quando a rosca gira, o PC proveniente do funil cisalhado contra a parede interna do cilindro de aquecimento e empurrado para frente em direo ao molde. O aquecimento proveniente das resistncias juntamente com a energia de atrito criada promovem a fuso do PC que ocorre entre 280C e 320C. Assim, o polmero fundido acumulado entre o bico de injeo e a rosca recproca fora a rosca para trs at a posio desejada. A quantidade de material acumulado o volume de dosagem e deve ser suficiente para o preenchimento da cavidade do molde.
4.1.3.2 Preenchimento, pressurizao e recalque
Figura 13: Rosca na fase de pressurizao e recalque
Aps a dosagem, o polmero injetado para a cavidade do molde fechado atravs da rosca recproca que agora funciona como um pisto exercendo a fora necessria para que o material preencha a cavidade. Aps o preenchimento e pressurizao, ocorre o recalque, momento em que a rosca mantm o material pressionado com tempo e presso desejados pelo operador. Isto realizado no intuito de compensar parte da contrao promovida pelo resfriamento inicial.
4.1.3.3. Resfriamento e extrao
Figura 14: Resfriamento e extrao
Nesta fase, ocorre o resfriamento da pea at o produto estar suficientemente slido para ser removido por meio de extratores. Enquanto isso, a rosca inicia novo processo de plastificao e dosagem.
5. CONCLUSES
Conclui-se que policarbonato um plstico de alta resistncia inovador e muito utilizado na produo industrial, construo civil, iluminao, decorao, segurana e eletrodomsticos. Apesar do crescimento em sua utilizao, o Pas ainda est muito aqum de naes desenvolvidas como os Estados Unidos, que tem um consumo per capta de policarbonato cerca de vinte e duas vezes maior que Brasil. At pouco tempo o material era limitado a mercados de alta sofisticao tecnolgica, hoje ele vem ganhando espao no Brasil. Um dos mais avanados polmeros do mercado, o policarbonato tem excelente transparncia, alta resistncia trmica (suporta temperaturas de at 130 C) e mecnica ( o mesmo composto das janelas dos avies e dos escudos da Polcia Militar, por exemplo). O material tambm se destaca por sua grande flexibilidade (aps ser dobrado, o material volta sua forma original sem marcas ou ranhuras), que permite sua larga utilizao na indstria automotiva e de eletroeletrnicos. Por ser atxico, o policarbonato muito utilizado na produo de equipamentos mdicos, embalagens alimentcias e mamadeiras. Devido s caractersticas de transparncia, resistncia temperatura e resistncia a impactos elevadssimos, propriedades que no esto associadas em outro tipo de material, o policarbonato vem permitindo ao fabricante liberdade de design e facilidade de produo das peas finais, o que contribuiu para a sua maior disseminao no Pas.
Em termos unitrios, o policarbonato pode chegar a custar at o dobro que materiais commodities. Mas, se o processo for direcionado desde o incio para o policarbonato, os custos gerais so bastante competitivos, em funo das economias obtidas pelas propriedades do material, com a vantagem de se ter um produto de qualidade superior. Ainda existe uma falta de conhecimento significativo sobre o produto e sua caracterstica de resolver problemas tcnicos em aplicaes complexas. Entretanto h uma mudana de viso do mercado brasileiro. No caso especifico da fabricao de culos a conquista de espao do plstico se deve muito s suas propriedades, como resistncia, leveza e facilidade de moldagem. Nessa aplicao, porm, a escolha do material depende de um quesito extra de grande importncia, alheio s propriedades fsicas e qumicas das matriasprimas hoje ele presena obrigatria tanto nos modelos de proteo contra o sol quanto nos corretivos.
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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