Princípios Básicos de Formulação

Uma composição de borracha pode ser entendida como um sistema que pretende responder a um determinado conjunto de exigências. Exigências que se colocam do lado do cliente e utilizador do produto, como também do lado da empresa que o vai produzir.

Exigências do cliente e utilizador do produto:

• A primeira é, naturalmente, o cumprimento da especificação técnica do produto vulcanizado. É condição fundamental que o composto, depois de convertido em produto final, cumpra todos os requisitos estabelecidos na especificação.
• Em segundo lugar é necessário que o produto, quando colocado em serviço, proporcione um correcto desempenho da função ou funções para que foi concebido.
• Em terceiro lugar, é necessário que o produto em serviço apresente uma adequada durabilidade.
• Em quarto lugar e por último, o preço do produto final deve estar em sintonia com as expectativas do cliente relativamente ao seu nível de qualidade e de durabilidade.

Exigências da empresa que o vai produzir:

• A primeira é de que o composto apresente um fácil processamento em todas as fases do processo produtivo adoptado. Não esquecer que há casos em que, para obter o mesmo produto, podem ser seguidos processos produtivos diferentes. A selecção do processo produtivo pode ser determinada, por exemplo, por exigências de natureza dimensional a observar (tolerâncias); pode ser também determinada pela quantidade de produtos a produzir e pela cadência das suas entregas. Estes aspectos já foram referidos aqui.
• A segunda é de que o composto, respondendo aos requisitos exigidos pelo cliente, apresente um custo em matéria-prima que, adicionado aos custos da sua transformação, permita obter um custo industrial o qual, acrescido de uma determinada margem de comercialização, seja competitivo com as empresas concorrentes.

O técnico de formulação tem, perante todas estas exigências, uma tarefa tão estimulante quanto interessante. Se uma composição de borracha for então considerada como um sistema, poderemos ainda considerar que este é constituído por vários subsistemas, cada um dos quais desempenha uma determinada função:

• Matriz polimérica: constituída pela borracha ou borrachas;
• Reforço: constituído pelas cargas (reforçantes, semi-reforçantes ou cargas mesmo inertes);
• Auxiliares de processo: constituído por todos os aditivos para facilitar o processamento da composição no decurso de todo o ciclo produtivo (plastificantes, factices, peptizantes, agentes de homogeneização, agentes dispersantes, lubrificantes internos, adjuvantes de processo);
• Aditivos diversos: constituído por todos os aditivos que contribuem para a melhoria de determinadas propriedades (endurecedores, agentes anti-chama, agentes anti-estáticos, agentes de pegajosidade, promotores de adesão a substractos, etc.);
• Protecção: constituído pelos ingredientes que protegem a borracha das acções degradativas do oxigénio, ozono, intempérie, fungos, etc.; são os chamados antioxidantes, antiozonantes, ceras, fungicidas, etc.;
• Vulcanização: constituído pelo agente ou agentes de vulcanização, pelo acelerador ou aceleradores de vulcanização, pelo retardador de vulcanização e pelos activadores de vulcanização.

Os níveis de dosagem dos diversos constituintes são correntemente expressos em partes por 100 partes de polímero (PHR = per hundred). Na Figura 2 mostra-se, de forma esquemática, numa pirâmide invertida, a constituição de um sistema elastomérico e dos seus subsistemas.

Os níveis de dosagem dos vários subsistemas normalmente decrescem da base para o vértice da pirâmide – com as excepções dos subsistemas Reforço e Auxiliares de Processo (em especial os plastificantes e factices), cujas dosagens podem exceder, por vezes largamente, 100 PHR.

Fig. 2 – Sistema elastomérico e subsistemas

A elaboração de uma composição de borracha exige um perfeito conhecimento de todos os tipos de borrachas e dos mais variados ingredientes de mistura disponíveis no mercado, os quais, devidamente formulados, permitem obter composições facilmente processáveis, cujos vulcanizados possuem as propriedades desejadas, possuem um bom desempenho e apresentam uma durabilidade adequada ao seu custo de produção.

É pois um aliciante desafio para o técnico de formulação selecionar, qualitativa e quantitativamente, o ingrediente ou ingredientes que vão constituir os vários subsistemas, de forma que o composto resultante responda a todos os requisitos de processamento (durante as fases de transformação) e requisitos de produto final vulcanizado, quando em serviço.

No Quadro 1 são apresentados, de uma forma resumida, os tipos de matérias-primas e a sua função e, apenas a título indicativo, uma ideia do nível quantitativo em que são geralmente doseadas.

Fórmulas de Borracha: Base de Expressão

Como atrás referimos, numa fórmula de borracha, as proporções dos diversos ingredientes são referidas, por norma, a 100 partes em peso de borracha (por exemplo, peso em kg das diversas matérias-primas referidas a 100 kg de borracha) (em inglês, PHR = Per Hundred Rubber). Ainda mais correctamente: referidos a 100 partes de hidrocarboneto borracha (RHC = Rubber Hidrocarbon Content); e isto porque muitas borrachas, além do polímero, podem conter borrachas estendidas com óleo – oil extended rubbers), negro de carbono, sílica ou resina reforçante (resina de estireno) (misturas-mãe de negro de carbono, de sílica ou de resina reforçante – carbon black masterbatches, sílica masterbatches, high styrene resin masterbatches) ou ainda, como no caso da borracha regenerada, apenas uma determinada percentagem é constituído por hidrocarboneto borracha.

No Quadro 2 apresenta-se uma fórmula típica de placas para solados. Este composto foi seleccionado por apresentar uma borracha com óleo (SBR 1778 – 100 partes de SBR para 37,5 partes de óleo nafténico, ou seja 72,72% de hidrocarboneto borracha) e um tipo de borracha com resina de estireno (SBR 1904 – 150 partes de HSR – High Styrene Resin para 100 partes de borracha SBR, ou seja 40% de hidrocarboneto borracha).

(Clicar para ampliar)

Cálculo da quantidade de hidrocarboneto borracha presente:

[box style=”blue”] P = V . d_t;

P = peso da carga, na base PHR;

Logo: V = P / d_t;

Sendo: V = volume da carga correspondente à base em PHR;

E ainda: d_t = P / V. d_t = densidade teórica do composto.

No caso do composto Quadro 2:    d_t = 274,2/ 228,0 = 1,203 [/box]

Um quadro deste tipo pode ser facilmente criado numa folha de cálculo (por exemplo EXCEL), o que permitirá realizar todas as operações de cálculo automaticamente. Este quadro contém, normalmente, as seguintes colunas:

• Código: é utilizada sempre que a empresa utiliza matérias-primas devidamente codificadas;
• Ingrediente: a designação da matéria-prima;
• Custo €/kg: o custo da matéria-prima, em €/kg. Este custo deve estar sempre actualizado (último preço de aquisição ou, mais correctamente, o custo médio do produto existente em armazém);
• Densidade: a densidade da matéria-prima (utilizar os valores da densidade real e não da densidade aparente, muitas vezes fornecidas nas especificações do material (como, por exemplo, no caso das sílicas e silicatos);
• PHR: a proporção da matéria-prima na fórmula, como atrás se disse, sempre referidas a 100 partes de borracha ou borrachas;
• Volume: os valores desta coluna são o resultado dos valores da coluna PHR a dividir pelos correspondentes valores da coluna Densidade (veja-se a caixa que se segue ao Quadro 2);
• Custo total: os valores desta coluna são o resultado da multiplicação dos valores da coluna PHR pelos correspondentes valores da coluna Custo €/kg.

O número de linhas tem a ver com o número de ingredientes utilizados. Contudo, pode ser utilizada um quadro com 20 a 25 linhas (além das 6 linhas utilizados como cabeçalho, totais e cálculos), pois raramente os compostos excedem esse número de ingredientes. No caso do composto exemplificado no Quadro 2, este contém 17 ingredientes. As últimas linhas do Quadro 2 (4 linhas) estão reservadas:

• Aos diversos totais e que são os somatórios dos valores constantes nas colunas PHR, Volume e Custo Total, €;
• Ao cálculo da densidade teórica do composto, dt (veja-se caixa acima); na célula cor azul claro, onde se encontra o valor da densidade, este será o cociente entre o valor total  da coluna PHR e o valor total da coluna Volume;
• Ao cálculo do custo do composto por quilograma (custo em matérias-primas); o valor contido na célula de cor verde-claro será o cociente entre o valor total da coluna de Custo total, € e o valor total da coluna PHR.
• Ao cálculo do custo do composto por dm³ ou litro (custo em matérias-primas); o valor contido na célula de cor amarela será o resultado da multiplicação do valor do Custo/kg pelo valor da densidade teórica.

Formulação de um composto de borracha

Completadas as tarefas do projectista e do tecnologista, competirá ao técnico de formulação (em inglês, compounder) desenvolver o composto de borracha que o tecnologista terá de processar adequadamente, de forma a produzir os artefactos em causa. O composto deve responder a todos os requisitos definidos pelo cliente e/ou projectista e, por outro lado, deve ser processado facilmente em todas as fases do seu ciclo produtivo e permitir obter artefactos a um preço de comercialização competitivo. O cumprimento dos requisitos técnicos é, de certo modo, um garante do bom desempenho e da durabilidade do artefacto.

Na Figura 3 são mostradas as diferentes áreas de intervenção.

Na área comum, devem intervir o projectista, o tecnologista e o técnico de formulação; nesta área devem ser resolvidos os pontos de conflito e estabelecidos os compromissos julgados necessários para que deles resultem um processo produtivo inteiramente harmonioso e produtos finais de boa qualidade e durabilidade, a preços competitivos. Na tarefa da formulação, o técnico deve ter em mente os três principais aspectos envolvidos (Figura 4):

• Preço do composto;
• Processabilidade;
• Propriedades.

Vejamos como são importantes, no seu conjunto, estes três aspectos de um composto de borracha:

Pelo que ficou dito facilmente se deduz da importância da tarefa do técnico de formulação. E, portanto, do domínio que ele terá de ter das áreas técnicas envolvidas nesta tarefa. Pode afirmar-se que nas tarefas de formulação, Ciência, Arte e Experiência competem nas decisões a assumir.

As propriedades a obter são determinadas por aspectos mais científicos: elas constituem o resultado das opções efectuadas relativamente ao elastómero ou elastómeros utilizados, tipos e níveis de cargas (subsistema de reforço), de plastificantes (subsistema de auxiliares do processo), subsistema de protecção e subsistema de vulcanização.

Nas questões relacionadas com a processabilidade, a selecção adequada do elastómero ou elastómeros, do sistema de reforço e de auxiliares de processo são determinantes do êxito do composto no ciclo produtivo.

O custo final do composto é reflectido no resultado de todas as opções tomadas na sua elaboração. Terá de ser tomado em linha de conta qual o tipo de custo que é importante considerar para a produção de um determinado artefacto: se o custo do composto por unidade de volume ou se o custo do composto por unidade de peso.

Quando os artefactos são comercializados numa base de peso, o custo por unidade de peso é o custo que deve considerado; se os artefactos são comercializados por unidade, é o custo por unidade de volume que deve ser considerado. Quando as densidades dos compostos são elevadas, são maiores as diferenças entre o custo por unidade de peso e o custo por unidade de volume, visto que:

Custo por unidade do volume = Custo por unidade de peso x densidade do composto

Isto quer dizer que para os artefactos comercializados à unidade, a densidade deve ser preferencialmente baixa bem como o custo por unidade de peso, para que o custo por unidade de volume seja o mais baixo possível.

Para os artefactos comercializados a peso, uma densidade alta é boa para quem vende e má para quem compra. Neste caso, os preços e as densidades correntes no mercado determinam se o nosso composto, para o preço por unidade de peso que possui e com a densidade que apresenta, é ou não competitivo perante os da concorrência.

A fórmula final de um composto de borracha é, regra geral, o resultado de uma sequência de tentativas (mais curta ou mais longa) de fórmulas que são misturadas, vulcanizadas e ensaiadas no Laboratório. Obviamente que o Laboratório deve estar devidamente apetrechado para ser possível levar a cabo este conjunto de tarefas. Cada fase do seu desenvolvimento deve ser devidamente registada em impresso apropriado, de forma a poder observar-se a evolução nos seus custos e nas suas diversas propriedades.

O arquivo destes estudos pode, por outro lado e em qualquer momento, ser o ponto de partida para outros desenvolvimentos. A experiência de um técnico de formulação é enriquecida no dia-a-dia, ao longo de vários anos. Contudo, há que estar preparado para a ocorrência, por vezes, de alguns fracassos. Contudo, saiba o técnico aprender, também, com estas situações de insucesso.

No Quadro 3 apresentamos um modelo típico para este tipo de registos, modelo que pode ser ajustado e personalizado, conforme a vontade de cada técnico.

Quadro 3-Desenvolvimento de Compostos de Borracha

O modelo de registo consta, geralmente, como se vê, de três páginas:

Nota (1): a dimensão da carga a misturar pode ser o resultado da multiplicação dos valores da coluna PHR por um factor (inteiro ou não), e que depende, fundamentalmente, da capacidade do equipamento de mistura que o Laboratório dispõe. Contém ainda informações relativas à cor do composto, às fases de processamento, com os nomes das operações, do respectivo operador e vulcanização dos provetes de ensaio, com a indicação do tipo e número de provetes e as respectivas condições de vulcanização. Obviamente, estas condições serão fixadas apenas depois de conhecidas as informações reométricas (veja-se página 2 deste modelo).

 

Actualização em 2018-10-17