Selecção do Subsistema Reforço

 

Feita a selecção da borracha ou borrachas, coloca-se agora o problema de seleccionar o Subsistema de Reforço, ou seja, seleccionar o tipo e o nível de dosagem da carga ou cargas que vão ser incorporadas. Nas páginas Cargas descrevemos as propriedades das cargas em geral, as cargas minerais não negras e os negros de carbono.

Numa primeira abordagem, será determinante para a selecção da carga ou cargas, saber qual a cor pretendida para o composto de borracha. Se a cor for natural (cor natural do composto, sem qualquer tipo de pigmentação), branca ou colorida, as cargas de negros de carbono estão obviamente postas de parte. Pequenas quantidades de negro de carbono poderão ser eventualmente utilizadas para afinação de tonalidades, em borrachas coloridas; mas terá de ser um tipo de negro de carbono não manchante. Resta-nos então seleccionar, das cargas não negras, a carga ou cargas a utilizar.

Os compostos de cor negra podem comportar, além dos negros de carbono outros tipos de cargas, normalmente com a finalidade de reduzir o custo do composto. Não é o caso do uso de negros de carbono e de sílica, no fabrico de alguns compostos para o fabrico de pneus, pois que aqui existem razões de natureza técnica (resistência ao rolamento e o aquecimento dos pneus); de resto, o preço das sílicas precipitadas ombreia com os dos negros de carbono. Noutros casos ainda, a utilização de cargas claras apresentam justificações de natureza técnica (por exemplo, a utilização de cargas com partículas do tipo lamelar em compostos com requisitos de impermeabilidade a gases).

Na selecção das cargas, sejam elas não negras sejam de negros de carbono, terá sempre de se entrar em linha de conta com vários factores, como sejam:

  • Nível de reforço pretendido: a exigir cargas reforçantes ou semi-reforçantes, ou sua combinação;
  • Tipo de borracha ou borrachas utilizado: o efeito das cargas nos diversos tipos de borracha depende do carácter hidrofóbico ou hidrofílico e da actividade superficial das cargas (cargas com actividade superficial modificada ou não) e também do grau de polaridade das borrachas;
  • Grau de brancura da carga: importante para borrachas de cor branca ou colorida;
  • Índice de refracção da carga: o grau de transparência da carga depende do seu índice de refracção e é importante para compostos que se pretendam translúcidos ou transparentes;
  • Densidade da carga: face às quantidades normalmente utilizadas, a densidade da carga contribui, em elevado grau, para a densidade do composto. De referir também que a utilização de cargas de alta densidade origina uma menor diluição do composto, visto que o volume de carga introduzido na matriz de borracha é menor. E vice-versa.
  • Densidade versus preço: deve ser efectuada uma análise da carga ou cargas que apresentem maior interesse de utilização, tomando em linha de conta com a densidade da carga ou cargas e o seu efeito diluente no composto. Pode simular-se em computador, numa folha de cálculo Excel, introduzindo as diferentes cargas e observar as variações na densidade e nos custos por kg ou por dm3 de composto. Esta simulação não pode, no entanto, perder de vista o efeito que se pretende obter com a carga: um efeito mais ou menos reforçante ou um efeito mais ou menos diluente.
  • Obtenção de determinado tipo de propriedades físicas, químicas e tribológicas;
  • Obtenção de determinado tipo específico de propriedades como, por exemplo, impermeabilidade, resistência eléctrica, resistência química, etc.;
  • Isotropismo e anisotropismo das propriedades: relacionado com a forma geométrica das partículas elementares da carga;
  • Preço da carga por unidade de peso e de volume: face às quantidades normalmente utilizadas, o preço da carga contribui, em elevado grau, para o preço final do composto;
  • Efeito da carga no sistema de vulcanização: as cargas podem acelerar ou retardar a velocidade de vulcanização; é necessário que o técnico de formulação conheça bem os seus efeitos, de forma a introduzir as correcções necessárias;
  • Efeito da carga na viscosidade do composto: as cargas podem aumentar ou diminuir – ainda que ligeiramente, a viscosidade dos compostos;
  • Tipo de processo produtivo a ser utilizado: por exemplo, ciclos produtivos que envolvam operações de calandragem ou de extrusão induzem anisotropia de propriedades, uma vez que as partículas de carga são orientadas pelas linhas de fluxo do material.

Recomenda-se que seja consultada, sempre que necessário, a documentação técnica disponibilizada pelo fabricante ou pelo fornecedor relativa aos vários tipos de cargas utilizadas. Muita dessa documentação descreve o efeito da carga nos vários tipos de borrachas, em termos de variação de dureza, de módulo, tensão e alongamento na rotura, resiliência, resistência ao rasgo, propriedades dinâmicas, efeito na vulcanização, etc.

Alguma literatura exibe mesmo tabelas de formulação por dureza: indica o número de partes de carga para que a dureza do composto aumente ou 1 ou 10 pontos de dureza, isto para vários tipos de borracha. É o que se mostra no Quadro 7, para o qual recomendamos seja utilizada com alguma prudência:

  • Primeiro, porque a dureza é apenas uma propriedade e as mais das vezes não é a propriedade fundamental.
  • Segundo, porque existe uma grande diversidade dos vários tipos de borracha e o comportamento das cargas pode afastar-se dos valores esperados. Mas, sobretudo o valor da dureza do composto base pode apresentar variações mais amplas conforme o tipo de borracha utilizado.

Com efeito, e a título de exemplo, o teor de estireno ligado (bound styrene) nas borrachas de SBR pode variar entre 5,5 e 60%. As borrachas SBR referidas na Tabela 5 (ver aqui), das séries 1500 e 1700 possuem entre 9,5 e 40,5% de estireno ligado. Também o teor de óleo presente influencia naturalmente a dureza base; para as borrachas SBR da série 1700 referidas na Tabela 5, o teor de óleo pode variar entre 25 e 75 PHR. Porém, para os tipos mais correntes de borracha SBR, das séries 1500 ou 1700 o teor de estireno ligado é de 23,5%; e nas borrachas estendidas com óleo a quantidade deste (embora varie também o tipo de óleo) é normalmente, nos tipos mais correntes, de 37,5 PHR.

Outro exemplo que se pode apresentar é o caso das borrachas de Acrilonitrilo butadieno (NBR). Na Tabela 11 (ver aqui) refere-se apenas NBR; mas o teor de Acrilonitrilo pode variar entre 15 e 51%. Os tipos de utilização mais corrente são os de teor médio, os quais possuem entre 30 e 37 % de Acrilonitrilo.

Quadro7-Seleccao-Reforco-57pc(Clicar para ampliar)

A cor do composto de borracha é, normalmente, especificada pelo cliente: tanto pode ser exigido um composto de cor preta, como um de determinada cor (definida, por exemplo, pelo sistema RAL), como um translúcido ou como um transparente. A cor do composto de borracha é determinante na selecção do tipo de carga ou cargas a utilizar. A maioria dos artefactos de borracha possui a cor preta; mas em muitas aplicações, a utilização de cores surge por variados motivos:

  • Razões de normalização: por exemplo, as mangueiras para utilização em soldadura oxiacetilénica, as mangueiras para condução de oxigénio devem possuir uma cobertura em cor azul claro e as mangueiras para condução de acetileno devem possuir uma cobertura em cor vermelha.
  • Razões comerciais: os tubos para gás butano das diferentes marcas comerciais apresentam, em geral, cores diferentes.
  • Opção do cliente ou do fabricante: as mangueiras de jardim podem apresentar as mais variadas cores, além da cor verde, que é muito frequente.
  • Razões de moda e design: solas para calçado podem apresentar as mais variadas cores, como cor crepe (transparentes ou translúcidas), cor branca, cores diversas (uma, duas, três e por vezes mais cores na mesma sola) e cor preta.
  • Razões de natureza estética: um componente de borracha pode possuir uma cor que lhe permita integrar-se, esteticamente, num determinado conjunto ou subconjunto.
  • Razões técnicas: um determinado componente pode ter necessariamente a cor preta, para melhor resistir à acção dos raios ultravioletas, face à elevada capacidade de absorção destas radiações pelos negros de carbono (caso de membranas de impermeabilização e de muitos outros artefactos expostos à acção da intempérie e da luz solar).

Estas são apenas algumas das razões que explicam o porquê das cores dos diversos produtos de borracha.

De acordo com a cor e com o grau de reforço pretendido, será efectuada a selecção da carga ou cargas a utilizar. Genericamente, a regra é a seguinte:

  • Para produtos de cor preta, o negro de carbono é a carga recomendada, nalguns casos em combinação com cargas claras; por exemplo, um sistema de reforço constituído por negro de carbono e por sílica é, por razões de natureza técnica, como já foi referido, actualmente muito utilizado no fabrico de pneus. Existem vários tipos de produtos de cor preta, mas que contêm apenas uma pequena dosagem de negro de carbono; o sistema de reforço é basicamente constituído por cargas claras e a pequena dosagem de negro de carbono destina-se apenas a dar a coloração negra ou a conferir uma determinada tonalidade de cor (mais escura, naturalmente). A utilização de uma pequena dosagem de negro de carbono destina-se, como referimos, apenas a dar a coloração negra, e estes níveis de dosagem são utilizados, por exemplo, em componentes para calçado – solas, tacões e placas para solados – com exigências de “não marcantes”, isto é, que não deixem, por atrito, marcas negras nos pavimentos, nomeadamente nos pavimentos de madeira.
  • Para produtos de cor crepe, transparentes ou translúcidos, ou ainda transparentes ou translúcidos coloridos, terá de ser utilizada uma carga de sílica de boa qualidade, ou um carbonato de magnésio (mais para translúcidos), além de cuidados especiais na inclusão de determinados ingredientes, os quais podem conferir um indesejável grau de opacidade ao vulcanizado. Ainda no caso de translúcidos ou transparentes coloridos, terão de ser utilizados pigmentos corantes orgânicos que não prejudiquem o carácter translúcido ou transparente dos vulcanizados. Iremos analisar estes assuntos na página Compostos Translúcidos e Transparentes.
  • Para produtos de cor podem ser utilizadas como cargas, sílica, silicatos, carbonatos de cálcio ou de magnésio, caulino, china clay, barita, diatomite e talco. A cor destes tipos de cargas pode ser muito importante na obtenção da coloração pretendida. Um caulino ou uma barita de fraco grau de brancura pode exigir um maior nível de pigmentos corantes e, em consequência, tornar muito cara a pigmentação. A este respeito, recomendamos que seja consultada a página Coloração de Compostos de Borracha.
  • Para produtos de cor branca, as cargas utilizadas devem possuir o mais elevado grau de brancura, de modo que o nível de pigmento ou pigmentos brancos a introduzir no composto (dióxido de titânio, litopone ou mesmo óxido de zinco) seja o mais baixo possível, para não encarecer o produto e aumentar também, de forma indesejável, a densidade do composto, visto tratar-se de pigmentos de densidade elevada (dióxido de titânio anátase d=3,9; dióxido de titânio rútilo d=4,1; litopone a 30%: d= 4,3; óxido de zinco: d = 5,4).

Quando são utilizadas cargas inorgânicas há que tomar em consideração, se o artefacto em serviço estiver em contacto com substâncias químicas, que as cargas presentes não reagem com essas substâncias. Caso estas substâncias possuam características ácidas – mais ou menos fortes – podem reagir com cargas como carbonatos e provocarem uma degradação do artefacto. É pois importante verificar qual a estabilidade das cargas inorgânicas que se pensa utilizar perante o meio químico envolvente.

Se o composto a desenvolver for de cor preta, o sistema de reforço poderá comportar um ou mais tipos de negro de carbono. Na sua selecção devem ser tomados em linha de conta vários factores, nomeadamente:

  • Tipo de aplicação: Por exemplo, um negro de carbono para um composto de parede lateral de um pneu deve ser do tipo carcass, com 31 a 200 nm de tamanho de partícula, que são os negros de carbono das séries N500, N600 e N700. Porém, para um composto para uma banda de rodagem, deve ser utilizado um negro de carbono tipo tread, com 10 a 30 nm de tamanho de partícula, ou seja, negros de carbono das séries N100, N200 ou N300.
  • Propriedades requeridas: em especial o grau de reforço pretendido. Deve existir particular atenção com as propriedades mais críticas, isto é, a propriedade ou propriedades que em maior grau influenciam o bom desempenho e durabilidade do artefacto. Por exemplo, num composto com uma boa deformação residual após compressão devem utilizar-se negros de carbono de maior tamanho de partícula (negros de carbono das séries N700 e N900).
  • Processos de transformação que vão ser utilizados: alguns processos de transformação influenciam, de forma decisiva, a processabilidade do composto em operações tais como calandragem, extrusão e moldagem por injecção. Para estes processos, os negros de carbono das séries N500 e N600 e, particularmente, os negros de carbono N550 (FEF – Fast Extrusion Furnace) e N683 (APF – All Purpose Furnace), são particularmente recomendados.