Eng02012_Aula 14_Ensaios_nãovulcanizados_2007

Aula 14 – Controle da qualidade de compostoselastoméricos não vulcanizados

Eng 02012

Profª Mª Madalena de Camargo ForteEngenharia de Materiais – Escola de Engenharia/UFRGS

Aula 14 – Controle da qualidade de compostoselastomérico não vulcanizados

ObjetivosFornecer conhecimentos sobre a importância do controle da qualidade nos compostos elastoméricos não vulcanizados, indicando como e quando é adequado fazê-lo.

Tópicos a serem abordados:Propriedades dos compostos não vulcanizados

ReologiaViscosidadeElasticidadeReometriaOutros

Propriedades dos compostos não vulcanizados

⇒Os ensaios no elastômero puro ou compostos não vulcanizados estão relacionados com suas propriedades reológicas,ou seja, sua processabilidade.

⇒A reação dos êlastômeros e compostos à imposição de forças durante as operações de mistura, extrusão, calandragem, moldagem e vulcanização determinam sua processabilidade.

⇒É necessário a realização de inúmeros ensaios para assegurar um processamento uniforme, vulcanização adequada e propriedades finais desejadas.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Reologia

ηO que é

reologia?

Reologia é a ciência da deformação e do fluxo da matéria

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Propriedades dos compostos não vulcanizados:Reologia

Resposta Puramente Elástica

Sólido Hookeano σ = Gγ

Mola Resposta Puramente Viscosa

Líquido Newtonianoσ = ηγ

Êmbolo

Modelos Clássicos

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Propriedades dos compostos não vulcanizados:Reologia

Linearidade x Não Linearidade

As Leis de Hooke e Newton são leis lineares. Assumem proporcionalidade direta entre tensão e deformação ou taxa de cisalhamento para qualquer tensão.

A maior parte dos materiais com que trabalhamos obedecem essas leis dentro de um limite de faixa de tensão. Acima desse limite de faixa, o material comporta-se não-linearmente.

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Propriedades dos compostos não vulcanizados:Reologia

VISCOELASTICIDADE

Sólido LíquidoSólido Ideal Maior parte dos Materiais Fluido IdealPuramente Elástico Visco elástico Puramente Viscoso

Viscoelasticidade: propriedades viscosas e elásticas

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Propriedades dos compostos não vulcanizados:Reologia

T é curto [< 1s] T é longo [24 horas]

Comportamento viscoelástico dependente do tempo:propriedades líquidas e sólidas

Propriedades dos compostos não vulcanizados

Os testes para avaliação da processabilidade das borrachas podem ser divididos em três tipos relacionados a:

1. Plasticidade - medida essencialmente por teste de viscosidade:Viscosidade MooneyViscosidade de cisalhamentoElasticidade

2. Características de curaTempo scorchVelocidade de curaEstado de cura máximo

3. OutrosResistência a reversão Dispersão Resistência Green Características GarveyTackiness – pegajosidade Estabilidade/armazenamento Stickness – adesão Reação de expansão/composto celular

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Viscosidade

Viscosidade : é resistência de um fluído, tal como a borracha em escoar sob tensão; dependente da T (altas T ⇔ baixa viscosidade).Medida por 04 métodos:

1. Viscosímetro rotacional – Viscosidade Mooney (Viscosímetro Mooney) -mais amplamente utilizada na indústria, relacionada a massa molar do polímero, o tipo e quantidade de carga e plastificantes dos compostos, assim como a quantidade de cisalhamento sofrida pelo composto durante seu processo.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Viscosidade

Viscosímetro Mooney⇒ Neste equipamento um disco do composto é cisalhado em um movimento rotacional. A borracha é comprimida com considerável pressão.⇒ O disco gira dentro de uma cavidade cilíndrica. O espaço entre o disco e a parede da cavidade é preenchida com o material em teste. O disco é o rotor e as paredes da cavidade a parte fixa; ambos são dentados para facilitar o aprisionamento do material.

Rotor dentadoCavidade preenchida

com o elastômero

T = 100 +/- 0,5 °C; rpm = 2 +/- 0,2

Diâmetros do disco:= 1,5 pol - para a maioria das medidas= 1,2 pol para viscosidades muito altas

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Viscosidade

Expressão dos resultados:70 – UML 1+4

(100ºC), ASTM70 – ML (1+4) 100ºC,

ISO

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Viscosidade

2. Reômetro Capilar – viscosidade aparente (ηapp) (Pas-1)em taxas de cisalhamento relativamente altas, maior que 1000 s-1, usado em pesquisas de base – não apresentam facilidade de operação.

3. Reômetro oscilatório – Viscosidade complexa ou dinâmica (rad/s) (Rubber Process Analyser (RPA) - Deformação sinusoidal da amostra em cavidade fechada.ηapp(γ) = η*(ω)|ω = γ

4. Plastímetro por compressão: mede plasticidade (facilidade de deformação) - operam em taxas de cisalhamento de 0,0025 a 1 s-1.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Viscosidade

Viscosidade cisalhamento:

Fluídos NÃO-NEWTONIANOS apresentam a característica de diminuir o valor da viscosidade com o aumento da tensão de cisalhamento aplicada. Medida por 02 métodos:

1. Reômetro Capilar – viscosidade aparente (ηapp) em taxas de cisalhamento relativamente altas, maior que 1000 s-1, usado em pesquisas de base – não apresentam facilidade de operação.

2. Reometro Oscilatório – Viscosidade complexa ou dinâmica (rad/s) (Rubber Process Analyser (RPA) - Deformação sinusoidal da amostra em cavidade selada e pressurizada.⇒ Variação da taxa de cisalhamento pela variação da freqüência ou deformação da amostra.

1s-1 100s-1 10.000s-110s-1 1.000 s-1MisturaMoldagem

compressão ExtrusãoMoldagem

injeção

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Elasticidade

A elasticidade da borracha pode ser medida por 04 métodos:

1. Relaxação da tensão Mooney (relaxação de stress):Resposta de um polímero puro ou composto a uma rápida interrupção de fluxo ou deformação.Relação com o processo: extrusão, calandragem, etc.

A relaxação é influenciada por:- processo de polimerização- ramificação- peso molecular médio- microestrutura- conteúdo de gel

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Elasticidade

Obedece a seguinte lei das potências:

ML = Kt-a

ML - Viscosidade Mooney durante a relaxaçãoK - constante em unidades de Viscosidade Mooney referente à viscosidade medida 1s após a parada do rotort - tempo para relaxação (s)a - expoente que determina a taxa de relaxação de stress

Logaritmando ambos os lados tem-se:

log M = a(log t) + log ky = a⋅x + b

a – inclinação da curva

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Elasticidade

Aplicações do resultado de Relaxação de Stress

Avaliação comparativa da ramificação em SBR

Polímero ML 1+4 K aSBR 1006 82,5 53,0 -0,28SBR 1502 74,7 47,2 -0,37

Valores maiores de “a” (a 0) indicam uma relaxação mais lenta, ocasionada pelo maior grau de ramificação encontrado no SBR 1006, que faz com que a molécula perca mobilidade, o que diminui o deslizamento de uma molécula na outra.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Elasticidade

Aplicações do resultado de Relaxação de Stress Avaliação comparativa da processabilidade de policloroprenos

Polímero CaracterísticaNeoprene TRT (3) Facilmente extrudávelNeoprene TRT (2) Relativamente Difícil para

extrudarNeoprene WD (1) Impossível para extrusão

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Elasticidade

2. Reometro Oscilatório – Viscosidade complexa ou dinâmica (rad/s) (Rubber Process Analyser (RPA) - Deformação sinusoidal da amostra em cavidade selada e pressurizada (ASTM D 6204).

Módulo de armazenamento: G’ = É uma medida direta da elasticidadeMódulo de perda: G”tan δ = G” / G’

⇒ Quanto maior G’ maior a qualidade elástica do elastômero a uma temperatura, frequência e deformação definidasDie swell (inchamento) - Reometro capilar – inchamento do extrudado édevido a memória elástica do material

3. Recuperação elástica – Plastímetro de compressão – Observa-se a recuperação de um corpo cilíndrico após compressão. Não muito preciso.

4. Medida do encolhimento direto – Uma tira do material trabalhado a uma dada temperatura é resfriado a uma T menor, e o encolhimento medido.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Características de cura

As propriedades de elasticidade/viscosidade e cura são discutidas juntas porque são frequentemente determinadas ao mesmo tempo em Viscosímetro rotacional (Mooney), reômetro oscilatório ou capilar.

Viscosímetro Mooney (ASTM D 1646)

Este equipamento determina a viscosidade do elastômero puro, e/ou do composto não-vulcanizado, em função da resistência oferecida ao cisalhamento, podendo ser utilizado para a determinação do tempo de pré-vulcanização.

⇒Quanto maior a viscosidade, menor a plasticidade do elastômero ou da composição.

Propriedades dos compostos não vulcanizados:Características de cura

Ajustar a temperatura para que ocorra um aumento nas unidades Mooney num período entre 10 a 20 min.

Características de pré-vulcanização

Tempo de Scorch, t5 = É o tempo total, a partir do fechamento do aparelho até quando a plasticidade medida é mínima + 5 unidades (rotor grande).t35 = É o tempo de cura = (mínimo + 35) unidades (rotor grande)Índice de cura =∆tL = t35 - t5⇒ As medidas mais freqüentemente feitas são a viscosidade (ML 1 + 4) e tempo de scorch (t5).

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Reometria

Métodos ASTM D 2084 e ASTM D 5289 usados para determinar as características de processamento e de vulcanização de um composto de borracha;O reômetro consiste essencialmente de 2 pratos, que são aquecidos e um registrador de torque x tempo.

Existem dois tipos de reômetros:reômetro de disco oscilante (ODR)reômetro sem rotor ou de cavidade oscilante (MDR)

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Reômetro de disco oscilante (ODR)

Matriz (Cavidade) Superior

Matriz (Cavidade) Inferior

Rotor

A amostra é colocada em uma cavidade termicamente regulada (àtemperatura de vulcanização escolhida) e se mede o torque de resistência oposto pelo composto de borracha a uma oscilação de baixa amplitude (0,5° para o MDR e 1,3 ou 5° para ODR) de um rotor bicônico (ODR) ou de uma meia-cavidade (MDR).

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Reômetro de disco oscilante (ODR)

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Reômetro sem rotor ou de cavidade oscilante (MDR)

Sistema de transmissão de

oscilação: T

Matriz (cavidade) superior oscilante

Matriz (cavidade) inferior

⇒ Com o reômetro do tipo MDR pode-se medir, ao mesmo tempo, a componente viscosa (E") e a componente elástica (E') do composto

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Reômetro sem rotor ou de cavidade oscilante (MDR)

Torque Máximo (MH): medida da rigidez ou módulo de cisalhamento da amostra completamente vulcanizada em dada temperatura de vulcanização obtida como o ponto máximo da curva.

Torque Mínimo (ML): medida da rigidez da amostra não vulcanizada em dada temperatura obtida como o ponto mínimo da curva.

Tempo de scorch ou pré-vulcanização (ts1 ou ts2): medida do tempo no qual começa a vulcanização.

Tempo ótimo de cura ou vulcanização (t90): tempo necessário para atingir 90% do torque máximo na curva.

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Reometria

J.L. Leblanc – Rheological Rubber Processing

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Outras

1. Resistência a reversão⇒ Resistência do composto a deterioração das propriedades do

vulcanizado em tempo de vulcanização excedente ou longo ⇒ Importante quando o tempo de processo do composto é muito longo2. Resistência Green ( borracha não curada ou virgem) – Propriedade

importante durante a mistura ou conformação do composto 3. Tackiness (pegajosidade) – Habilidade do elastômero não curado em

aderir nele mesmo ou em outro composto de borracha – propriedade importante em pneus e correias ou cintas

4. Stickness (adesão) – Qualidade do composto em “grudar” ou colar em superfícies não borrachosa tal como metal ou tecido.

5. Dispersão – Característica que define o quanto bem um elastômero agrega e dispersa partículas da carga ou aditivos

6. Estabilidade/armazenamento – Qto o material resiste sem oxidar/ reticular7. Reação de expansão/composto celular – Deve haver um balanço entre

expansão e reticulação.

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Outras

PegajosidadeApesar de ser propriedade de grande importância, até mesmo

eliminatória na escolha de compostos destinados a artefatos de difícil montagem, tais como pneumáticos e correias transportadoras, não existe ainda um método padronizado para a determinação da pegajosidade.Existe um método que determina o tack verdadeiro a partir de determinações do tack e da pegajosidade. A medição destas propriedades é realizada no aparelho denominado Tel Tack. O tackverdadeiro é a diferença entre o tack e a pegajosidade. O aparelho Tel Tack utiliza como corpos-de-prova duas tiras do composto, medindo 1/4" de largura por 2 a 2 1/2" de comprimento,para medir o tack (adesão de borracha/borracha). A pegajosidade é determinada substituindo-se uma das tiras de composto por lâmina de aço inoxidável (adesão de borracha/metal)

Propriedades dos compostos não vulcanizados: Outras

Extrudabilidade de Garvey (ASTM D 2230)

⇒ Este ensaio é de grande importância, principalmente quando se vai fazer extrudados.

⇒ Consiste em fazer passar o composto não-vulcanizado através de uma extrusora que possui adaptada em sua cabeça uma matriz padrão chamada matriz Garvey.

⇒ Pela perfeição do perfil extrudado, se avalie como o composto se comportará com relação à extrusão.

Figura: Perfil da forma da Matriz Garvey