A Borracha Como Material de Engenharia

Introdução

A borracha vulcanizada é um material sólido, constituído por longas cadeias moleculares, que formam uma estrutura tridimensional, mais o menos desordenada. Uma estrutura deste tipo, responde às deformações produzidas, com variações na configuração daquelas cadeias.

A extensão dessas variações de configuração depende do  grau  de reticulação; quanto maior for este, maior será a resistência oposta à deformação. A borracha  distingue-se da generalidade dos materiais disponíveis principalmente por quatro características:

Deformabilidade

A borracha quando submetida a esforços de tracção à temperatura ambiente, pode apresentar deformações da ordem de 1000% ou mesmo superiores, até atingir a rotura. Apenas para deformações muito pequenas (da ordem de 10-20%) é observada proporcionalidade entre tensões e deformações (LEI de HOOKE). É esta região, muito aproximadamente linear, que permite a determinação do coeficiente de proporcionalidade entre tensões e deformações, que vulgarmente  se designa por MÓDULO DE YOUNG (símbolo  E_o).

A título comparativo, podemos citar o comportamento do aço estrutural  o qual, submetido a esforços de tracção, à temperatura  ambiente, apresenta uma deformação, no seu limite elástico, de cerca 0,5% e, na rotura, de cerca 20-25%. Este comportamento é, de certa maneira, idêntico ao de muitos outros materiais metálicos.

Baixo Módulo

Para produzir na borracha as  elevadas deformações que atrás referimos, são necessárias tensões relativamente baixas (da ordem de 20-25 MPa.) Para o aço estrutural, a tensão correspondente ao limite elástico é da ordem dos 250 MPa. Podemos assim afirmar que o MÓDULO da borracha é muito inferior ao módulo do aço.

Recuperação

A borracha apresenta uma  recuperação quase total de pequenas ou grandes deformações, logo que termina a acção deformadora, seja esta uma acção de tracção, de compressão, de corte ou de torção. Este comportamento não ocorre com os materiais metálicos, como por exemplo, o aço estrutural, onde as deformações provocadas para além do seu limite elástico, permane­cem,  mesmo na ausência da acção deformadora. A possibilidade de recuperação de grandes deformações que a borracha possui,  corresponde à armazenagem de uma grande quantidade de energia. Na Tabela 18 apresentam-se, para comparação, para alguns materiais, as quantidades de energia armazenadas, em Joule por quilograma.

Elevado Módulo de Compressibilidade

Vimos que  uma das características da borracha é a sua elevada deformabilidade. Vimos também que deformações relativamente elevadas são obtidas com tensões relativamente baixas, e que este facto significa ser a borracha um material de baixo módulo. Se numa acção de  compressão a deformação da borracha for contrariada, como ocorre numa acção de compressão hidrostática, a deformação obtida é muito pequena, para  cargas de compressão relativamente elevadas (veja-se a Figura 15). Temos, nestas condições, um módulo com valor muito elevado, que pode ser cerca de 1000 vezes o módulo de Young. É o chamado MÓDULO DE COMPRESSIBILIDADE (ou MÓDULO VOLÚMICO – em inglês BULK MODULUS). Este módulo representa-se, habitualmente, pelo símbolo E∞.

Fig. 15: Blocos de borracha, submetidos a uma compressão pura, do tipo hidrostático

Este comportamento significa, também, que a borracha comporta-se como um material praticamente incompressível. Com efeito, o chamado COEFICIENTE DE POISSON (Φ) para a borracha é sensivelmente 0,5. Este  coeficiente é definido pelo cociente  entre a  deformação transversal relativa (δe/δe_o) e a deformação longitudinal relativa (δL/δL_o):

Pode demonstrar-se que a variação relativa de volume num sólido submetido a uma força de tracção (ou de compressão), é:

A variação relativa de volume é δV/V_o. Da expressão (2) pode-se concluir facilmente que δV = 0, quando Φ = 0,5, isto é, o sólido não apresenta variações de volume ou, o que é o mesmo, é incompressível.

Vamos analisar algumas relações importantes que governam o comportamento da borracha, sob diferentes formas de solicitação.

Dureza

Como foi dito, a dureza é a medida mais correntemente utilizada para caracterizar os produtos de borracha. A medida da dureza é baseada na penetração de uma esfera rígida num provete normalizado, em condições previamente fixadas. É conhecida a relação entre a profundidade de pene­tração de uma esfera rígida e o módulo de Young, para um material perfeitamente elástico e isotrópico:

sendo:

F – força de penetração, em Newton;
E_o– módulo de Young, em MPa;
R – raio do penetrador esférico, em mm;
P – profundidade de penetração, em mm.

Para cada valor da penetração podemos fazer corresponder  um  valor ou grau de dureza e temos  então, por exemplo, a escala de Graus Internacionais de Dureza da Borracha, abrevia­damente, GIDB. Veremos adiante que esta relação entre a dureza e o módulo de Young é muito importante em todo o desenvolvimento da teoria das deformações.