Contracção da Borracha

 
Os efeitos da contracção da borracha, do material de construção do molde e da temperatura de vulcanização

O artefacto vai ser obtido por moldagem numa cavidade de um molde construído num determinado tipo de material (aço, mais geralmente) e a uma determinada temperatura de vulcanização. Quer dizer: nós vamos moldar a peça numa cavidade que está dilatada, pelo efeito da temperatura a que se encontra o molde e essa dilatação será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura de vulcanização. Essa dilatação é, por outro lado, dependente das características térmicas do aço (o seu coeficiente de dilatação térmica varia, obviamente, com o tipo de aço).

Depois da vulcanização o artefacto é removido do molde e arrefece até à temperatura ambiente. Durante este arrefecimento ocorre uma contracção, que vai levar a que o artefacto apresente determinadas dimensões e forma final. E em todo este processo pode ainda acontecer haver algum anisotropismo das propriedades térmicas, quer da borracha quer do aço. Contudo, para o cliente ou mesmo para o fabricante, são a forma e as dimensões finais que têm de estar de acordo com os desenhos, com as diversas cotas e respectivas tolerâncias, tal como deve acontecer também com as diversas propriedades, que devem satisfazer os requisitos previamente especificados.

Para que tudo isto aconteça, devem ser conhecidos, com rigor, determinados parâmetros, que são:

    • O coeficiente da dilatação térmica da borracha (αbor;);
    • A temperatura de vulcanização, ºC;
    • O material de construção do molde (aço, por exemplo) e o seu coeficiente de dilatação térmica (αaço).

O construtor do molde tem de entrar em linha de conta com estes parâmetros, de forma que o molde permita obter os artefactos com as dimensões correctas. Este assunto já foi analisado com algum detalhe na página Contracção da Borracha, em Propriedades Térmicas.

Vamos ver, com alguns exemplos, como a temperatura de vulcanização influencia os valores da contracção e também o material que constitui o molde.

Consideremos o fabrico, por moldagem, de um artefacto em borracha NBR, dureza Shore A 45 ± 2; neste artefacto vamos considerar a cota fixa de 255 mm. A tolerância exigida é da classe M2, de acordo com ISO 3302-1 (2014). Para aquela dimensão, o valor da tolerância é ± 0,5%, portanto será ±1,275 mm. Então, esta dimensão do artefacto de 255 mm deve estar compreendida entre 256,275 e 253,725 mm.

A contracção da borracha, determinada em Laboratório é de 3,05% a que corresponde um factor de expansão linear αBor=226.10-6/ºC.

Para que o artefacto adquira, após contracção, o valor central da tolerância, isto é, a dimensão de L = 255 mm, a 160ºC a cavidade do molde deve possuir a dimensão de 262,78 mm, valor obtido a partir da dimensão original do artefacto (255 mm), acrescido pela sua dilatação ao passar de 25ºC para 160ºC:

LA160 = LA25 + LA25 . αBor . (160-25);

LA160 = 255 + 255 . 226.10-6. (160-25);

LA160 = 262,78 mm

LA = cota do artefacto.

 

Para que o artefacto, após arrefecimento, apresente uma contracção de 3,05%, numa vulcanização a 160ºC, vimos que a correspondente cota a 255 mm, no molde a 160ºC terá de ter a dimensão de 262,78 mm. Vamos considerar também que o molde é construído num aço, com um coeficiente de dilatação linear de αaço = 12.10-6. A correspondente dimensão da cavidade do molde a 25ºC deve ser:

LM25 = LM160 – LM160 . αaço . (160-25);

LM25 = 262,78 – 262,78 . 12.10-6 . (160-25);

LM25 = 262,35 mm.

LM = cota do molde (para a dimensão em causa).

 

Se o molde tiver sido construído em alumínio, com αal= 24,7.10-6/ºC, então a dimensão correspondente a 262,78 mm, no molde a 25ºC terá o valor:

LM25 = LM160 – LM160 . αal. (160-25);

LM25 = 262,78 – 262,78 . 24,7.10-6 . (160-25);

LM25 = 261,90 mm.

 

Portanto: com o molde construído em aço ou em alumínio, com as dimensões da cavidade em causa de, respectivamente 262,35 e 261,90 mm (a 25ºC), a correspondente dimensão do artefacto vulcanizado, após arrefecimento e contracção, é de 255 mm.

 

Vamos ver agora quais serão as dimensões do mesmo artefacto vulcanizado nos mesmos moldes construídos em aço ou em alumínio, mas a uma temperatura de 170ºC.

No molde em aço, a dimensão da cavidade a 170ºC será:

LM170 = LM25 + LM25 . αaço . (170-25);

LM170 = 262,35 + 262,36 . 12.10-6 . (170-25);

LM170 = 263,29 mm.

 

Após arrefecimento, o valor desta cota do artefacto será:

LA25 = LA170 – LA170 . αBor . (170-25);

LA25 = 263,29 – 263,29 . 226.10-6 . (170-25);

LA25 = 254,67 mm.

Esta cota mantém-se dentro dos limites exigidos (deve estar entre 256,275 e 253,725 mm).

 

Se o molde for construído em alumínio, a 170ºC a dimensão da cota considerada tem o valor:

LM170 = LM25 + LM25. αal . (170-25);

LM170 = 261,90 + 261,90 . 24,7.10-6. (170-25);

LM170 = 262,84 mm.

 

O artefacto depois de vulcanizado a 170ºC e arrefecido, contrai e ficará com a dimensão seguinte:

LA25 = LA170 – LA170 . αBor . (170-25);

LA25 = 262,84 – 262,84 . 226.10-6 . (170-25);

LA25 = 254,23 mm.

Esta cota mantém-se dentro dos limites exigidos (deve estar entre 256,275 e 253,725 mm).

 

Finalmente vamos ver agora quais serão as dimensões do mesmo artefacto vulcanizado a 180ºC, nos mesmos moldes construídos em aço ou em alumínio.

No molde em aço, a dimensão da cota da cavidade em análise, a 180ºC, será:

LM180 = LM25 + LM25 . αaço . (180-25);

LM180 = 262,35 + 262,35. 12.10-6. (180-25);

LM170 = 262,84 mm.

 

Após arrefecimento, o valor desta cota do artefacto será:

LA25 = LA180 – LA180 . αBor . (180-25);

LA25 = 262,84 – 262,84 . 226.10-6 . (180-25);

LA25 = 253, 46 mm.

Esta cota não está dentro dos limites exigidos  (deve estar entre 256,275 e 253,725 mm).

 

Se o molde for construído em alumínio, a 180ºC a dimensão da cota considerada tem o valor:

LM180 = LM25 + LM25 . αal . (180-25);

LM180 = 261,90 + 261,90 . 24,7.10-6 . (180-25);

LM180 = 262,90 mm.

 

O artefacto depois de vulcanizado a 180ºC e arrefecido, contrai e ficará com a dimensão seguinte:

LA25 = LA180 – LA180 . αBor . (180-25);

LA25 = 262,90 – 262,90 . 226.10-6 . (180-25);

LA25 = 253,70 mm.

Esta cota não está dentro dos limites exigidos  (deve estar entre 256,275 e 253,725 mm).

 

Estes exemplos servem para mostrar que, moldes construídos para operar a determinada temperatura podem não ser adequados para operar a temperaturas superiores. No caso estudado, a dimensão considerada é relativamente grande e a tolerância exigida é relativamente grosseira. Imagine-se, pois, o que poderá acontecer com artefactos de pequenas dimensões e com tolerâncias dimensionais bem mais rigorosas (classe M1, por exemplo).

Na construção do molde devem ser considerados, para maior rigor:

  • A temperatura de vulcanização a utilizar;
  • O tipo de material a utilizar no fabrico do molde;
  • O valor da contracção da borracha ou o seu coeficiente de expansão térmica linear.

Assim, não surgirão certamente surpresas no processo de fabrico.