Selecção e Definição das Características de Outros Materiais
Muitos produtos de borracha vulcanizada são constituídos por borracha e outros materiais, normalmente têxteis, metais ou plásticos. Como se mostra, de forma esquemática na Figura 5, a borracha e os materiais de reforço possuem curvas Tensão de rotura vs. Deformação completamente distintas. Poderá questionar-se o porquê da associação de materiais de natureza tão diferente. As principais razões são as seguintes:
- A obtenção e manutenção de determinada forma, sob tensão ou sob pressão;
- A manutenção da estabilidade dimensional, dentro dos limites que forem considerados aceitáveis, mediante a contenção dos valores da deformação, sob a acção de tensões ou de pressões relativamente elevadas;
- Suportar e transmitir tensões muito elevadas.
Fig. 5: Comparação das curvas tensão-deformação da borracha e de vários materiais de reforçoOs materiais geralmente utilizados no “reforço” de artefactos de borracha são os seguintes:
- Materiais têxteis, sob a forma de:
- Fibras;
- Fios, cabos ou cords;
- Tecidos;
- Não-tecidos (non woven fabrics)
- Metais, sob a forma de:
- Fios cortados;
- Fios, cabos ou cords;
- Tecidos.
- Vidro, sob a forma de:
- Fibras;
- Fios ou cabos;
- Tecidos.
Vamos analisar, ainda que de uma maneira muito resumida, os vários materiais.
Têxteis
As fibras mais correntemente utilizadas são o algodão, rayon, poliamidas, poliésteres e poliamidas aromáticas (aramidas). Na Tabela 7 podem observar-se as principais características destes materiais. Podemos mencionar as seguintes aplicações dos materiais têxteis: pneus, correias transportadoras, mangueiras, folhas, membranas, etc.
As fibras sintéticas são submetidas, normalmente, a um tratamento especial de impregnação, o que lhes confere propriedades de adesão à borracha. Na operação de impregnação são alteradas, também, as propriedades elásticas do material. O banho de impregnação contém, fundamentalmente, resorcina, formaldeído e látex; este é o conhecido “sistema RFL”. A quantidade de banho fixada pelas fibras, expresso em percentagem do peso inicial das fibras, em base seca, é o chamado “dip pick up”.
| Tabela 7: Principais características das fibras têxteis | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Característica | Algodão | Rayon | Poliamida | Poliéster | Aramida |
| Massa específica, Mg/m3 | 1,54 | 1,52 | 1,14 | 1,38 | 1,40 |
| Humidade absoluta, % | 8,5 | 13,0 | 4,5 | 0,5 | 2,0 |
| Temp. máx. Serv., ºC | 150 | 150 | 180 | 180 | 250 |
| Ponto de fusão, ºC | Dec. 230* | Dec. 210* | 245 | 257-260 | 500 |
| Diâmetro das fibras, µm | 12 | 12 | 25 | 22 | 12 |
| dtex / filamento | 1,6 | 1,8 | 6,7 | 5,7 | 1,7 |
| Tensão de rotura, MPa | 230 | 685 | 950 | 1100 | 2750 |
| Tenacidade, cN/tex | 15 | 45 | 85 | 80 | 190 |
| Módulo, GPa | 9,8 | 18,6 | 4,9 | 10,8 | 53 |
| Módulo Inicial, cN/tex | 225 | 600 | 500 | 850 | 4000 |
| Alongamento na rotura, % | 8 | 10 | 16 | 13 | 4 |
| Encolhimento em ar quente, a 150ºC, % | 0 | 0 | 5 | 11 | 0,2 |
| Resistência aos: | |||||
| Ácidos | NR | NR | FR-R | FR-R | R |
| Alcalis | R | R | R | FR | R |
| *Decomposição do material | R = Resistente | NR = Não Resistente | FR = Fraca Resistência | |||||
Nota:
Definição de tex e de dtex: 1 tex é o peso, em gramas, de 1000 metros de filamento ou de fio. 1 dtex = 0,1 tex
Deve ser considerada a perda que ocorre no valor da resistência à rotura das fibras, depois da vulcanização. Esta degradação depende do tipo de borracha utilizado, do nível de enxofre, do tipo de sistema de aceleração e da natureza das cargas utilizadas, para além da composição do banho.
A estabilidade térmica das fibras sintéticas coloca algumas dificuldades na sua utilização, sobretudo no caso das poliamidas e dos poliésteres não previamente estabilizados. A estabilização térmica das fibras, que também é designada por termo-fixação, é efectuada, normalmente, a temperaturas inferiores em cerca de 5 a 15 °C relativamente às temperaturas de fusão das fibras. Esta operação de estabilização é efectuada, geralmente, pelos fabricantes das fibras.
Na operação de secagem, que se efectua a seguir à impregnação, é normalmente praticada uma outra operação, também chamada termo-fixação, operação que se efectua a temperaturas bem inferiores às temperaturas atrás referidas, por razões de natureza técnica, relacionadas com a estabilidade dos produto utilizados no banho de impregnação. Durante esta operação, o fio ou o tecido deve manter-se sob tensão, de forma a contrariar a tendência ao encolhimento.
Os materiais têxteis de reforço são utilizados numa ampla gama de produtos de borracha, tais como os pneus, correias transportadoras, correias de transmissão de movimento, membranas, diafragmas, mangueiras, juntas de vedação, etc.
Metais
Dos metais disponíveis, o aço é, sem dúvida, aquele que é mais utilizado como material de reforço. Podemos mencionar as seguintes aplicações: pneus (é utilizado no talões, na estrutura da carcaça e cintas); rodas maciças; mangueiras (espirais ou tranças de reforço); correias transportadoras (tecidos ou cabos); apoios de pontes; etc.
A utilização do aço como material de reforço na generalidade das aplicações, implica também a necessidade de obter uma boa adesão da borracha ao metal. Isso é conseguido mediante o recobrimento dos fios de aço com uma fina película de latão (liga de cobre e zinco). Os valores da aderência são função da relação cobre:zinco (normalmente é de 65% de cobre e 35% de zinco) da película de revestimento (coating). A quantidade da liga de cobre e de zinco depositado por quilograma de aço, é de 3 a 7 gramas. O valor da adesão é também função de diversos parâmetros ligados à composição da borracha, como sejam: a dosagem de enxofre, o tipo de sistema de aceleração e a presença de determinados promotores de adesão (nomeadamente sais de cobalto). Na Tabela 8 apresentam-se as principais características do aço em comparação com as de fibra de vidro.
| Tabela 8: Principais características do aço e do vidro | |||
|---|---|---|---|
| Característica | Unidades | Aço | Vidro |
| Massa específica | Mg/m3 | 7,85 | 2,56 |
| Tensão de rotura | MPa | 2800 | 3400 |
| Alongamento na rotura | % | 2,5 | 5 |
| Tenacidade | cN/tex | 35 | 132 |
| Módulo específico | N/tex | 26,5 | 28,3 |
| Módulo inicial | cN/tex | 1500 | 2150 |
| Encolhimento | % | 0 | 0 |
Vidro
A crescente necessidade de obter materiais de reforço para condições de serviço que envolvem temperaturas relativamente elevadas e aplicações em que o isolamento eléctrico ou a resistência química é determinante, conduziu à utilização do vidro, seja sob a forma de fibras, de fios ou de tecidos. Podemos citar alguns produtos de borracha em que se utilizam fibras de vidro: correias transportadoras, correias de transmissão de movimento, cabos eléctricos, mangueiras, folhas, diafragmas e membranas.
Os filamentos de vidro são também impregnados com uma solução que contém látex, de forma a proporcionar aderência à borracha. É bem característico das fibras de vidro o seu elevado “dip pick up”, que é da ordem dos 20%. Na Tabela 8 são também indicadas as principais características das fibras de vidro.
Na Figura 6 apresentamos as curvas tenacidade-deformação para os principais materiais de reforço. Esta representação permite definir, de algum modo, as classes de resistência possíveis de obter com os vários materiais. Refira-se que a tenacidade do aço é significativamente afectada pela sua elevada massa específica.
Fig. 6: Curvas tenacidade-deformação para os principais materiais de reforçoNa selecção do material de reforço deve tomar-se em consideração:
- A aplicação do artefacto a produzir;
- As condições de serviço, sobretudo no que diz respeito à temperatura e agressividade química do meio envolvente do artefacto;
- O módulo pretendido;
- A resistência à tracção pretendida;
- O alongamento permitido.
Definido o tipo de material de reforço, tem de ser definido, de seguida, sob que forma vai ser utilizado: como fibras propriamente ditas (cortadas ou não), como fios ou cabos ou como tecidos. O projectista também tem de dispor da documentação adequada, que normalmente é fornecida pelos fabricantes dos materiais. Muitas publicações contêm informações muito específicas, seja para o fabrico de pneus, de correias transportadoras, de correias de transmissão de movimento, de mangueiras, de juntas e diafragmas, de equipamentos insufláveis, etc. Recomendamos o contacto com um técnico especializado em cada área específica, sempre que tal seja considerado necessário.
Nas aplicações de carácter dinâmico, em que as solicitações variam com o tempo, em intensidade e em amplitude, a resistência à fadiga é um factor importante. Os valores de adesão devem ser analisados cuidadosamente, uma vez que é na interface borracha/material de reforço que surgem normalmente as falhas, que se traduzem em separações, com resultados e consequências por vezes dramáticas. A resistência à fadiga está relacionada também com aspectos que têm a ver com a transformação das fibras, como se mostra nas Figuras 7 e 8. Estas representações traduzem o efeito da torção na força de rotura e na resistência à fadiga do cord de rayon 1840/2.
Fig. 7: Efeito da torção na força de rotura (Cord de Rayon, 1840/2 dtex)
Fig. 8: Efeito da torção na resistência à fadiga (Rayon 1840/2 dtex)Em muitas situações é recomendável proceder à execução de ensaios, de preferência nas condições reais de serviço ou, então, em condições de simulação quanto possível próximas das reais. O projectista deve também utilizar os coeficientes de segurança que a experiência recomenda ou, nalguns casos, as próprias normas.
Características dos materiais de reforço
Vamos passar a referir as principais características das fibras, fios, cabos ou cords e tecidos que são correntemente utilizados como materiais de reforço na Indústria da Borracha.
FIBRAS:
- Natureza: Fibras naturais (algodão), fibras artificiais (rayon) e fibras sintéticas (poliamida, poliéster e aramida);
- Comprimento das fibras: é uma característica importante das fibras de algodão. As fibras artificiais e sintéticas são constituídas por filamentos contínuos; porém podem ser utilizadas fibras cortadas;
- Decitex por filamento (dtex);
- Tenacidade (cN/tex);
- Resistência química;
- Estabilidade térmica;
- Humidade, %;
- Fibras tratadas ou não tratadas; quando tratadas, qual o tipo de tratamento.
FIOS:
- Número de filamentos/fio; é o número de filamentos existente na unidade de título do fio. Por exemplo: 940/140, quer dizer que num fio multifilamentos, de 940 dtex, existem 140 filamentos, tendo cada um 6,7 dtex (que é o título dos filamentos base);
- Título dos filamentos base, dtex;
- Título dos fios, dtex;
- Torções S e/ou Z (voltas/metro;
- Alongamento a uma carga específica, % (também conhecido por EASL – elongation at specific load);
- Alongamento na rotura, %
- Carga a determinado alongamento, %, Newton (também conhecido por LASE – Load at specified elongation);
- Carga de rotura, Newton;
- Encolhimento em ar quente (exemplo: 4’@ 160 °C), % (também conhecido por Testrite);
- Encolhimento em água (exemplo: 30′ @ 100 °C), %;
- Força de encolhimento (gramas/dtex), para determinada temperatura;
- Humidade, %;
- Impregnação: dip pick up, %;
- Temperatura de termo-fixação, °C;
- Adesão: Kg força ou N por centímetro ou polegada.
CABOS E CORDS
- Constituição: aplica-se para cordas derivadas de fios multifilamento contínuos; podemos dar como exemplo: um cabo 1400x1x3, que quer dizer que num fio simples multifilamento, de 1400 dtex., foi aplicada uma torção Z ou S, de X voltas/metro; em seguida, reuniram-se 3 fios desse mesmo tipo e foi aplicada uma torção S ou Z de Y voltas/por metro. O título final deste cabo é de 1400×3=4200 dtex, afectado por uma percentagem variável (cerca de +5%), decorrente da contracção do material durante as operações de torcedura.
- As restantes características dos fios são aplicáveis.
TECIDOS
- Tipo de tecido: (tafetá, sarja, cord, straight-warp, solid-woven, etc.. O tipo tafetá é muito utilizado em tecidos técnicos. A sua construção simples mantém, ao mais alto nível, as características dos fios componentes. Dentro deste estilo, a chamada construção “quadrada” é a mais utilizada; neste tipo de tecido, a resistência à rotura no sentido da teia é sensivelmente igual à do sentido da trama;
- Material e contextura:
- Material da teia;
- N.º de fios de teia por cm;
- Constituição dos fios de teia;
- Título dos fios ou cabos (dtex);
- Torções S e Z (voltas por metro);
- Material da trama;
- N.º de passagens/cm;
- Constituição dos fios de trama;
- Título dos fios ou cabos (dtex);
- Torções S e Z (voltas por metro);
- Estado do tecido: o tecido acabado de tecer, sem qualquer transformação ulterior é designado vulgarmente por “à saída do tear”, ou “ao cair do tear”. O tecido diz-se “impregnado” quando sofre o tratamento, já atrás referido, para promover a adesão à borracha;
- Largura do tecido, antes e depois de impregnar (pode expressar-se em qualquer unidade de medidas de comprimento, por exemplo, em metros);
- Espessura do tecido, em milímetros;
- Peso do tecido, em gramas por metro quadrado, antes de impregnar (P1) e depois de impregnar (P2);
- Peso do tecido, em gramas por metro linear, antes de impregnar (P3) e depois de impregnar (P4):
- P3 = P1 x Largura (em metros) e:
- P4 = P2 x Largura (em metros);
- Resistência e alongamento: estas características são obtidas experimentalmente, mediante um dos seguintes métodos de ensaio: o método “strip” e o método “grab”. No método “strip” é ensaiada, isoladamente, uma secção da teia ou da trama; este ensaio permite a determinação do alongamento; no segundo método determina-se a resistência da teia ou da trama inserida no tecido. Neste método não se efectua, normalmente, a determinação do alongamento;
- Humidade, expressa em percentagem;
- Crimp da teia e da trama, %: chama-se “crimp” ao comprimento real de cada fio de teia ou de trama, relativamente ao seu comprimento determinado no tecido, em cada uma das duas direcções;
- Flecha ou “bow”: existe flecha ou “bow” sempre que a trama não é rectilínea, o que é consequência de má afinação do tear. É a relação, em percentagem, entre a maior distância da trama para a recta ideal e a largura do tecido;
- Encolhimento, % (definir em que condições);
- Temperatura de termo-fixação, °C.
