Materiais de Reforço

Nalguns tipos de diafragmas o Material de Reforço constitui um componente muito importante, mesmo decisivo, na sua perfeita funcionalidade (em particular, no suporte da pressão e na sua flexibilidade), numa perspectiva de uma adequada e expectável vida útil.

Na selecção do material a utilizar no reforço de um tipo particular de diafragma, devem ser considerados vários tipos de factores, nomeadamente:

Os materiais de reforço utilizados são os seguintes:

Sem dúvida que os materiais têxteis são os mais utilizados. Telas metálicas e fibras de vidro são utilizadas em diafragmas que operam em condições muito especiais (ambientes muito agressivos, alta temperatura e elevadas pressões).

Vejamos agora, com algum pormenor, os diferentes tipos de materiais de reforço:

 

Telas Têxteis

São sem dúvida as mais utilizadas. Dos vários tipos de padrões de tecelagem (texturas) que existem, são os que a seguir se descrevem, aqueles que, para o reforço de diafragmas,  um maior interesse apresentam:

Padrão Tafetá ou Padrão Liso (Plain Weave)

Este tipo de tecido apresenta uma resistência e uma estabilidade muito equilibradas nas direções da teia e da trama (especialmente na designada construção quadrada, em que a resistência no sentido da teia e da trama são iguais), constituindo por isso uma boa opção para o reforço de diafragmas.

Padrão Sarja (Twill weave)

Este tipo de tecido apresenta uma boa flexibilidade e uma boa resistência ao rasgo quando comparado com o padrão liso. É o padrão preferido, quando a flexibilidade é crucial.

Padrão cetim (Satin weave)

É um tipo de padrão que se caracteriza por apresentar a sua superfície muito macia e uma grande flexibilidade. Estas características são particularmente úteis quando é exigido um baixo nível de fricção e uma elevada flexibilidade.

Na Figura 18 são mostradas as estruturas destes tipos de tecidos.

Figura 18 – Estruturas dos tecidos dos tipos tafetá, sarja e cetim

 

As fibras mais utilizadas no fabrico destes tipos de telas são de Poliéster, Poliamida, Para e Meta Aramida, Seda Natural, Rayon e Algodão. No Quadro 1 assinalam-se as principais vantagens e desvantagens na sua utilização.

 

O conteúdo deste Quadro 1 tem a particularidade de ser aplicável a todas as formas em que se apresentem estes materiais têxteis (tecidos, não-tecidos, malhas, redes ou fibras).

 

Telas Têxteis Não- tecidas (Non-Woven Fabrics)

As Telas Têxteis Não- Tecidas (Figura 19), são constituídas por um emaranhado de fibras têxteis, unidas entre si, num ou em vários pontos, o que pode ser conseguido utilizando processos mecânicos, térmicos ou químicos.

Figura 19 – Tela Não-Tecida

 

A estrutura assim obtida é caracterizada por uma distribuição muito uniforme das fibras, o que lhe confere uma resistência bastante uniforme em todas as direcções. A sua resistência mecânica depende do tipo de fibras utilizadas (mais geralmente, poliéster, poliamida e para ou meta aramidas), mas obviamente a sua resistência é inferior à das telas tecidas (woven fabrics). O seu preço de custo é também bastante atractivo.

As telas não tecidas são utilizadas, sobretudo, em diafragmas que operam em solicitações dinâmicas de forma contínua, embora estejam limitados pela sua resistência mecânica.

 

Malhas Têxteis (Knitted Textiles)

No fabrico de diafragmas são também utilizados materiais têxteis com a estrutura de malhas (Knitted Fabrics). Existem dois tipos básicos destas estruturas: a malha com estrutura do tipo trama e a malha com estrutura do tipo teia (Figura 20).

Figura 20 – Tipos básicos de malhas

 

Como todos os tipos de materiais, a sua utilização proporciona algumas vantagens mas também apresenta algumas desvantagens. Podem ser produzidas com vários tipos de fibras, tais como algodão (muito pouco utilizado), poliamida, poliéster e aramidas (para ou meta aramidas). Por vezes são utilizadas misturas destes materiais (por exemplo,  poliéster com algodão ou aramidas com poliéster).

Os tecidos de malha possuem uma razoável combinação de resistência mecânica, de flexibilidade, de estabilidade dimensional e de resistência à fadiga. A sua produção, bastante automatizada, torna o seu custo muito atractivo. E constituem  assim uma escolha favorável para o reforço de diafragmas para vários tipos de aplicações, particularmente actuadores e sistemas de controlo de pressão.

Os tecidos de malha do tipo trama possuem uma excelente elasticidade e a sua estrutura oferece um elevado grau de adaptabilidade de forma, pelo que é um tipo de malha muito adequado para diafragmas que, no desempenho da sua função, assumam formas variadas.

Os tecidos de malha do tipo teia possuem também uma excelente elasticidade, mas uma melhor resistência mecânica do que os tecidos de malha do tipo trama, sendo mais recomendados para diafragmas que, na sua função, requeiram maior flexibilidade e estejam submetidos a solicitações repetidas.

 No entanto, existe alguma controvérsia entre as vantagens e desvantagens na utilização de malhas como materiais de reforço de vários tipos de diafragmas.

Uma das desvantagens apontadas é a sua estabilidade dimensional. Como todos temos a noção, as malhas tendem a deformar-se com relativa  facilidade. Este aspecto, quando excessivo, pode comprometer a integridade estrutural do diafragma. Por outro lado, a resistência mecânica das malhas é também inferior à de outros tipos de materiais têxteis reforçantes (particularmente os tecidos – woven fabrics). As malhas não podem suportar, portanto, solicitações de natureza mecânica muito significativas.

Bastarão, certamente, estas duas considerações, para evidenciar que cuidados muito especiais devem ser colocados na selecção de malhas para reforço de certos tipos de diafragmas. 

 

Telas em Fibras Vidro (Glass Fibers Fabrics)

As telas em fibra de vidro (vidro do tipo S) são utilizadas no reforço de diafragmas de borracha, quando as condições de operação decorrem a temperaturas muito elevadas. As telas em fibras de vidro caracterizam-se ainda por uma elevada resistência mecânica e excelentes estabilidade dimensional e resistência química. No entanto, face à sua grande fragilidade e muito limitada flexibilidade, a sua utilização em diafragmas de borracha que operam com solicitações dinâmicas e/ou que estejam sujeitos a grandes deformações não deve ser considerada.

No Quadro 2 assinalam-se as principais vantagens e desvantagens na utilização de fibras de vidro.

 

Telas Metálicas

Vários tipos de metais, na forma de fios, são utilizados no fabrico de telas para reforço de diafragmas em borracha. Os principais metais são os aços (aço carbono e aço inoxidável), latão, alumínio, ligas de níquel e titânio.

No Quadro 3 são indicadas as principais características dos metais mais utilizados no reforço de diafragmas sob a forma de telas.

 

Do conteúdo do Quadro 3 podem ser extraídas conclusões quanto à aplicabilidade dos diferentes tipos de metais em meios mais agressivos de temperatura, de ataque químico, de corrosão, tomando também em consideração os requisitos de peso (densidade), de resistência mecânica, de flexibilidade, de estabilidade dimensional, de durabilidade e de custo.

O aço inoxidável possui um bom equilíbrio de propriedades, sendo particularmente recomendado para aplicações onde a resistência à oxidação e à corrosão por agentes agressivos estejam presentes.

Os aços ao carbono recomendado para aplicações onde não existam agentes oxidantes e/ou corrosivos e onde o custo constitua um aspecto relevante.

O latão é recomendado para aplicações onde não existam agentes agressivos do ponto de vista de corrosão e onde os requisitos de uma mais elevada  flexibilidade sejam dominantes.

O alumínio, com características gerais bem mais modestas, é recomendado para aplicações com requisitos de uma resistência razoável à corrosão e de uma excelente flexibilidade. A flexibilidade do alumínio e a melhor de todos os metais considerados.

As ligas de níquel e, particularmente a liga comercialmente designada por Inconel, são caracterizadas por um conjunto de excelentes características, com excepção da sua flexibilidade, que é a pior de todos os metais considerados. As ligas de níquel são recomendadas para aplicações de que decorram a altas temperaturas e em ambientes altamente corrosivos.

O titânio possui um conjunto de características muito similares às ligas de níquel, sendo um pouco melhor na sua resistência à corrosão e também na sua flexibilidade. Por isso, também recomendados para aplicações de altas temperaturas e em ambientes altamente corrosivos.

 

Redes (Mesh Fabrics)

No fabrico de diafragmas para diversos tipos de aplicações (sem requisitos especiais) sempre dei preferência a redes em materiais têxteis (Mesh Fabrics) como materiais de reforço. Com efeito, as redes em materiais têxteis proporcionam uma série de vantagens, que a seguir se descrevem:

As estruturas das redes, por mais “abertas”, proporcionam uma maior penetração da borracha através dessas “aberturas”. Mesmo com redes não tratadas para adesão à borracha, a “fixação” dos fios na matriz de borracha é bastante efectiva e permite, de certo modo, que a parede do diafragma possua um grau de flexibilidade ligeiramente superior, em comparação com outros tipos de materiais de reforço.

Há umas décadas, o problema era o de obter tipos de redes, tratadas para adesão à borracha ou mesmo não tratadas.

Actualmente a situação é diferente e são produzidas redes, com estruturas tafetá, sarja e cetim, pautando-se estas últimas por uma superior flexibilidade (Figura 21). Podem ser obtidas sem ou com tratamento para adesão à borracha.

Figura 21 – Redes com estruturas de tafetá, sarja e cetim

 

Os materiais têxteis mais utilizados são o algodão, poliamida, poliéster, para aramida e meta aramida. Relembro que no Quadro 1 foram assinaladas as principais vantagens e desvantagens na utilização destas fibras.

Em aplicações com requisitos muito especiais, estão disponíveis redes em fibras de vidro (vidro do tipo S) e em metais (aço inoxidável, aço ao carbono, latão, alumínio, ligas de níquel e titânio).

No Quadro 4 são assinaladas algumas vantagens e desvantagens na utilização destes materiais.

 

Fibras Têxteis e Fibras de Vidro (Textile and Glass Fibers)

As fibras têxteis são amplamente utilizadas para reforçar compostos de borracha para inúmeras aplicações, nomeadamente para diafragmas. Esse reforço traduz-se numa melhoria significativa de algumas propriedades, das quais destacamos:

Dependendo do tipo de fibras utilizados, podem também ser obtidos ganhos significativos na resistência ao calor,  na resistência a substâncias químicas e a derivados do petróleo.

Também o aumento de flexibilidade obtido (e que se traduz na melhoria da resistência à fadiga, já atrás referida), permite uma maior resistência a todos os tipos de solicitações, nomeadamente flexões repetidas e dobragens. A presença das fibras na matriz de borracha confere também uma maior estabilidade dimensional. Como consequência, é aumentada a durabilidade do diafragma.

A adição de fibras têxteis a compostos de borracha creio que se vulgarizou com a utilização das fibras de Santoweb, designação comercial de fibras de celulose tratada, comercializadas desde 1955 pela empresa americana Monsanto. Este material é ainda comercializado, agora pela empresa alemã Lanxess, que adquiriu a empresa Monsanto em 2018.

A empresa Rhein-Chemie, do grupo Lanxess, produz actualmente, sob a designação comercial Rhenogran, misturas-mãe (masterbatches) de fibras de celulose tratada (o antigo Santoweb) e também de fibras de aramida,  sob a designação fiber masterbatches, que têm, como ligantes, vários tipos de compostos de borracha, como a seguir se descreve:

1. Rhenogran da série WP (fibras de celulose tratada)

Rhenogran WPD 70/SBR (70% de fibras de celulose);

Rhenogran WPDX 73/SBR (73% de fibras de celulose);

Rhenogran WPH 65/EPDM (65% de fibras de celulose);

Rhenogran WPW 77/PVC (77% de fibras de celulose).

 

2. Rhenogran da série WP (fibras de aramida)

Rhenogran P91-40/EPDM (40% de fibras de Twaron 1091);

Rhenogran P91-40/NBR (40% de fibras de Twaron 1091);

Rhenogran P91-40/NR (40% de fibras de Twaron 1091);

Rhenogran P95-50/EPDM (50% de fibras de Twaron 1095).

 

No caso das misturas-mãe de fibras de Twaron, podem também ser produzidas, a pedido, misturas com outros tipos de borracha, tais como Policloropreno (CR), Acrilonitrilo Butadieno  (NBR) e Acrilonitrilo Butadieno Hidrogenado (HNBR).

A utilização destas misturas-mãe (são mais propriamente pré-dispersões) mais não visa de que  facilitar a incorporação de fibras nos compostos de borracha. Com efeito, a dispersão das fibras tem de ser muito bem efectuada, pois depende de vários factores. O composto de borracha e a sua composição constituem um dos factores mais importantes, utilizem-se ou não as referidas pré-dispersões. Mas importantes também são o tipo de fibra, o seu diâmetro, o seu comprimento e a quantidade de fibras a dispersar. E, obviamente, e também muito importantes, os equipamentos de mistura e, sobretudo, o processo e as condições de misturação. Na Tabela 4 são indicadas algumas características dos principais tipos de fibras utilizados no reforço de diafragmas.

O processo de dispersão deve dar origem a um material em que as fibras se apresentem em várias orientações (Figura 22a) e não em orientações preferenciais (Figura 22b).

Figura 22 – Fibras desordenadas e fibras orientadas

 

Uma dispersão quanto possível uniforme, com as fibras orientadas nas várias direcções possíveis, corresponderá a um material com um bom nível de isotropismo. Quando as fibras se apresentam com orientações privilegiadas, como aquelas que lhes são conferidas em processos de transformação, como acontece com a laminagem em misturador aberto, ou em processos de calandragem e de extrusão (Figura 23), as propriedades do material não serão de forma alguma isotrópicas. O material será muito rígido numa direcção (na direcção das fibras) e muito flexível, na direcção perpendicular. Situação a evitar no caso dos diafragmas de borracha.

Figura 23 – Efeito de alguns tipos de processamento na orientação das fibras

 

Para além das fibras já referidas (celulose tratada e aramida), podem ser também utilizadas fibras de  poliamida, poliéster, rayon e fibras de vidro. Para estas fibras, são aplicáveis as considerações de vantagens e desvantagens já referidas nos Quadros 1 e 2.

 

Selecção do tipo de Fibras Têxteis dos Materiais de Reforço

Para além da selecção do tipo de material de reforço a utilizar no fabrico de diafragmas quanto à sua forma de apresentação (tecidos, não-tecidos, malhas, etc.), é primordial a selecção do tipo de fibras. Com efeito, as propriedades dos diversos tipos de materiais de reforço dependem, fundamentalmente, das propriedades das fibras utilizadas. E, para além de algumas das propriedades já referidas na Tabela 4, os diferentes tipos de fibras possuem um conjunto de outras propriedades, que são determinantes da boa funcionalidade e boa durabilidade dos diafragmas. Algumas dessas propriedades têm a ver com os seguintes aspectos:

Um largo conjunto de características e propriedades dos diversos tipos de fibras é mostrado na Tabela 5.

(Clicar para ampliar)

No que diz respeito a resistência química dos diversos tipos de fibras, em presença de diversos tipos de agentes químicos, a informação disponível na Internet é relativamente escassa. No entanto, recomendamos a consulta do que me parece serem as três melhores informações em websites e que são:

PRIVILEGED AND CONFIDENTIAL (afirm-group.com)