Instabilidade interfacial em co-extrusão de poliestireno e viscosidade elongacional : estudo experimental e computacional

Abstract

A qualidade de produtos obtidos pelo processo de co-extrusão depende fortemente da estabilidade do escoamento multicamada nas cavidades internas da co-extrusora. Problemas de instabilidades interfaciais levam a distribuições de espessura de camadas não uniforme e, em situações mais drásticas, ao colapso de camadas. A possibilidade de ocorrência deste tipo de defeito pode limitar a escolha dos materiais a serem utilizados e a espessura mínima de cada camada do produto, bem como restringir a janela de processamento para uma determinada combinação de materiais. Na literatura existem diversos trabalhos que analisam a influência das propriedades reológicas dos materiais utilizados na formação destas instabilidades interfaciais. Um dos critérios de analise é o do sinal de TNSD (Total Normal Stress Difference), o qual serve para analisar a possibilidade de ocorrência de instabilidades interfaciais do tipo onda. A utilização deste critério requer o conhecimento das propriedades reológicas elongacionais e de cisalhamento dos materiais envolvidos, bem como a representação do estado de tensões viscoelásticas em cada uma das camadas durante o escoamento. Tendo como foco central a análise da ocorrência de instabilidades interfaciais em co-extrusão, neste trabalho foi realizada uma série de estudos relacionados ao desenvolvimento e aplicação de uma metodologia para realização desta análise em nosso grupo de pesquisa. Estes estudos envolveram os seguintes tópicos: i) adaptação da técnica Fiber-Windup para obtenção de dados de viscosidade elongacional no reômetro rotacional ARES (Advanced Rheometric Expansion System); ii) estimação de parâmetros dos modelos constitutivos utilizados; iii) solução numérica para o estado de tensões em escoamentos multicamada de co-extrusão; iv) análise experimental da ocorrência de instabilidades interfaciais em sistemas bicamadas envolvendo materiais poliestirênicos. A adaptação da técnica Fiber-Windup mostrou reprodutibilidade tendo desempenho comparável ao de outras técnicas. Também foi proposto um método de correção dos dados experimentais, visando melhor utilização destes na estimação de parâmetros de modelos constitutivos. Para a estimação dos parâmetros não-lineares do modelo constitutivo de Leonov multimodal foi utilizado um procedimento de estimação por etapas e com método estocástico de otimização, obtendo-se ajustes satisfatórios dos dados experimentais. Nos experimentos de co-extrusão foram observadas instabilidades interfaciais do tipo onda, e a ocorrência destas analisadas pelo critério do sinal de TNSD, variável obtida da solução do campo de tensões através de simulações computacionais das condições experimentais. O formato das curvas da quantidade TNSD pareceu refletir o comportamento do estado de tensões normais do escoamento, bem como os efeitos das condições de processamento neste. Porém, o critério de sinal de TNSD pareceu não ser aplicável ao caso estudado, o que, no entanto, pode ser conseqüência do método numérico utilizado para obter o campo de tensões.

The quality of thermoplastic products obtained by co-extrusion process strongly depends of multilayer flow stability in the internal co-extrusion cavities. Interfacial instabilities troubles lead up to thickness non-uniformity layers and, in more drastic situations, to collapsed layers. The occurrence possibility of this type of defect can limit the choice of materials to be used, such as restrict processing window to certain materials matching. In the literature there are a lot of papers analyzing the rheological properties influence of chosen materials in interfacial instabilities occurrence. One analyze criterion is the TNSD-signal (Total Normal Stress Difference), which is used to predict the occurrence of wave type interfacial instabilities. To using this criterion, one needs to know elongational and shear rheological properties of the used materials, such as the viscoelastic stress state presentation in each layers flow. Having as main focus the interfacial instabilities occurrence analysis in co-extrusion, in this work was done a series of researches related to development and application of a methodology to doing this analyze in our work group. This researches involved the topics as follow: i) adaptation of the Fiber Windup technique to obtain elongational viscosity data in ARES (Advanced Rheometric Expansion System) rotational rheometer; ii) parameter estimation of the constitutive models used; iii) numerical solution to the stress state in multilayer co-extrusion flows; iv) experimental analyzes of interfacial instabilities occurrence in bi-layers co-extrusion systems employing polystyrene. The Fiber Windup technique adaptation shown reproducibility, having performance comparable to other techniques. Also was proposed a correction method to experimental data, which aim for their better using in parameter estimation of constitutive models. To the estimation of non-linear parameters of the multimodal Leonov constitutive model, was used a step estimation procedure and optimization stochastic method, with which was obtained satisfactory fitting of experimental data. In the co-extrusion experiments were observed the wave type interfacial instabilities, and their occurrence analyzed by the TNSD-signal criterion, variable obtained from the stress field solution by computational simulations of the experimental conditions. The TNSD curves shape seems to show the normal stress state behavior of flow, as well as the processing conditions effects in this. However, the TNSD-signal criterion seems not be applicable in the studied case, what, yet, can be consequence of the numerical method used to obtain the stress field.