Compósitos de Borracha e Matérias Têxteis

 

Entre os tipos de Materiais Compósitos produzidos actualmente, temos a considerar um grande número de Materiais Compósitos de Borracha, Matérias Têxteis e Aço. Um destes  materiais são os Pneus, que equipam os nossos veículos automóveis e outros tipos de veículos. Os Pneus, desde a sua invenção (1845) pelo escocês R.W. Thompson, mais tarde (1888) aperfeiçoados por um outro cidadão escocês, J.B. Dunlop, sofreram uma grande evolução ao longo dos anos, mas, na sua constituição, estiveram praticamente sempre presentes Borracha, Têxteis e Aço.

Um outro exemplo são as Correias Transportadoras e de Transmissão de Movimento, igualmente constituídas por Borracha, Têxteis e Aço ou Fibra de Vidro.

As Mangueiras constituem mais um vasto campo de aplicação de compósitos à base de Borracha, Têxteis e Aço.

Perfis em Borracha podem ter inserido um cord em Fibra de Vidro, para impedir o seu alongamento.

Discos de Embraiagem associam, actualmente, a um composto especial de borracha, rico em resinas fenólicas e fibras de vidro.

E muitos mais exemplos podem ser mencionados, tais como Folhas de Borracha reforçadas com fibras, telas ou redes, Diafragmas, Saias dos Hovercraft, Coberturas para veículos automóveis e de carga, Tendas de Campanha e de Campismo, Barcos Pneumáticos, Barragens em Borracha, etc.

Neste contexto, a Adesão entre todos estes elementos componentes como sejam Têxteis (fibras, fios, cords, tecidos ou não-tecidos), Fibras de vidro ou Cords de Aço e Borracha apresenta uma grande importância, não somente na Indústria da Borracha, mas também nas Indústrias que produzem os referidos materiais de reforço, com particular relevância para a Indústria Têxtil. E é neste tema da Adesão que vamos focar toda a nossa atenção, sobretudo pela importância  que apresenta em todas as Indústrias que produzem os tipos de produtos atrás referidos.

Como vimos, muitos produtos de borracha são constituídos por Borracha e Elementos Reforçantes Têxteis. E muitos produtos têxteis recebem revestimentos de borracha ou de matérias plásticas (Coatings) que lhes conferem determinados tipos de propriedades, tais com a Impermeabilização a diversos tipos de fluidos, Revestimento de protecção antiabrasiva, etc… Para um bom desempenho é necessário que o material compósito formado se comporte como se de um único material se tratasse, apresentando, nomeadamente, deformações semelhantes, quando submetidos a tensões.

Mas os diversos tipos de  fibras apresentam, entre si, características bem diferenciadas, o que coloca alguns problemas no seu tratamento, Nada, contudo, que a Ciência Química não resolva. E assim, ao longo de várias décadas, e acompanhando também o desenvolvimento de novas fibras sintéticas e de novos materiais, esta área específica foi sendo aperfeiçoada e pode considerar-se que os resultados obtidos são excelentes.

Atualmente são produzidas grandes quantidades de Compósitos de Borracha, com Materiais Têxteis, Vidro e Aço.

Borrachas, Têxteis, Vidro e o Aço são materiais com propriedades muito diferenciadas e, sobretudo as propriedades das Borrachas, relativamente aos outros materiais, como pode ser observado nas Figuras 1 e 2, onde se mostram as curvas Tensão/Deformação para Borrachas de várias durezas e para matérias Têxteis, Vidro e Aço.

Figura 1 – Curvas Tensão/Deformação para borrachas de várias durezas

 

Figura 2 – Curvas Tensão /Deformação para matérias têxteis, vidro e aço. (A linha horizontal em cor laranja representa a borracha)

 

Pode-se observar-se que a gama de tensões das borrachas é muitíssimo inferior à das matérias têxteis, vidro e aço. Contrariamente, os alongamentos na rotura são muitíssimo mais elevados para as borrachas. Isto também significa (pela definição de módulo), que os módulos de elasticidade das borrachas são muitíssimo inferiores aos módulos de elasticidade das matérias têxteis, do vidro e do aço.

Se as propriedades individuais de cada material assumem uma grande importância no desempenho do compósito, não será menos verdade que uma boa Adesão entre os materiais componentes terá uma grande quota-parte nesse bom desempenho. Isto porque todas as tensões e deformações que se exerçam num dos materiais componentes terão de ser exactamente transmitidas ao outro componente, com idênticos valores, para que o conjunto permaneça estruturalmente equilibrado e coeso. É o que sucede com pneus, correias transportadoras, correias de transmissão e mangueiras, que em serviço estão sujeitos a solicitações elevadas, de diversos tipos. Nestes tipos de aplicações são exigidos elevados níveis de adesão. Noutros tipos de produtos, tais como folhas de borracha reforçadas com telas e telas revestidas, para aplicações muito variadas, essas solicitações não serão tão exigentes e os níveis de adesão requeridos não serão, por isso, tão elevados.

Em geral, todas as fibras têxteis apresentam grande dificuldade em aderir a borracha, porque a sua superfície é lisa a apresentam, de um modo geral, uma fraca reactividade química, devida a uma baixa actividade superficial, derivada de uma baixa polaridade e de uma baixa reactividade das moléculas de polímero. Deste modo, é praticamente reduzida a possibilidade de se estabelecerem ligações de natureza física e/ou química entre o material têxtil e a borracha. Assim sendo, para que se verifiquem boas condições de adesão entre os dois materiais (Substrato A e Substrato B), há que recorrer a sistemas adesivos que promovam essa adesão na extensão requerida (Figura 3).

Figura 3 – Sistema adesivo

 

Os mais elevados níveis de adesão são conseguidos:

  • Pelo tratamento dos materiais têxteis com sistemas de adesão (adequados ao tipo de fibra têxtil e ao tipo de aplicação);
  • Pela introdução, nos compostos de borracha, de um conjunto de ingredientes, que promoverão a adesão ao substrato têxtil;
  • Pela combinação dos dois tipos de tratamento anteriormente considerados.

O valor da força de adesão entre borracha e têxtil depende, para além do sistema de adesão utilizado, do tipo de material têxtil, da sua forma de apresentação (em fio, cord, tecido ou não-tecido) e, dentro de cada tipo, de vários aspectos, como o comprimento das fibras utilizadas, das torções, do tipo de construção do cord e do tipo de tecido e da sua contextura. É que o valor da força de adesão acaba por ser o resultado dos vários tipos de mecanismos que podem estar presentes.

A adesão pode manifestar-se de três formas diferentes:

  • Adesão Fundamental: é a soma de todas as interacções intermoleculares que ocorrem na interface;
  • Adesão Termodinâmica: é a adesão que resulta de variações de energia livre, num e noutro substrato, sempre que é estabelecida uma interface.
  • Adesão Prática: é a adesão que é mensurável e que se traduz na força requerida para separar dois materiais. Relaciona-se com a Adesão Fundamental e com a Adesão Termodinâmica da seguinte forma:

Em que circunstâncias ocorre a adesão? Um processo de adesão ocorre quando:

  • Quando há moléculas adsorvidas;
  • Quando há moléculas que se difundem ou penetram na interface e promovem a formação de ligações na interface;
  • Quando se formam ligações químicas entre o substrato e moléculas da interface.

Definição:

Para que ocorra um processo de adesão, a substância adesiva deve possuir um conjunto de características, que a seguir se enumeram:

  1. Deve molhar a superfície das fibras em contacto. Na sua acção de molhagem deve ter a capacidade de remover da superfície da fibra ar e matérias estranhas que estejam eventualmente presentes;
  2.  Deve possuir poder de aderência às fibras e as superfícies destas, depois de molhadas com o sistema de adesão, devem permanecer totalmente revestidas;
  3. O sistema de adesão, após a sua cura, deve possuir um módulo o mais possível aproximado do da fibra, para uma contínua e suave transferência de tensões;
  4. O sistema de adesão deve permanecer estável por um razoável período-de-tempo, nas condições de armazenagem que se considerem mais adequadas e que permita, por outro lado, realizar uma logística económica.

A substância adesiva apenas molhará a superfície das fibras se a sua tensão superficial for inferior à tensão superficial da fibra (Figura 4).

Figura 4 – Tensão superficial e molhabilidade

 

Vamos designar sA a tensão superficial da substância adesiva, sS a tensão superficial do substrato e sSA a tensão superficial interfacial entre a substância adesiva e o substrato. Para que a substância adesiva possua um bom poder de molhagem, o ângulo a, também chamado ângulo de molhagem, deve possuir um valor inferior a 90º. A substância adesiva possuirá uma molhabilidade parcial, portanto inferior, para valores do ângulo de molhabilidade compreendidos entre 90º e inferior a 180º; quando o valor do ângulo a é igual a 180º ou muito perto de 180º, a molhabilidade é nula ou praticamente nula.