2236EM1 - Borracha e Compósitos de Matriz Polimérica

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Borracha e Compósitos de Matriz 
Polimérica
Prof. Dr. Thiago Valle França
 Muitos dos processos utilizados na fabricação de produtos plásticos 
são aplicáveis para borrachas e compósitos de matriz polimérica
 A indústria da borracha é distinta da indústria de plásticos
 Esta indústria é dominada por um segmento: pneus. No entanto 
outros produtos possuem grande importância comercial, como: 
produtos para vedações; correias; mangueiras; produtos de 
vestuário; mantas etc.
 Aplicação industrial se deu pela utilização do enxofre como 
elemento capaz de realizar ligações cruzadas na borracha natural 
crua. Processo chamada de vulcanização e descoberto por Charles 
Goodyear (1839)
 Durante a Primeira Guerra Mundial a borracha sintética foi 
desenvolvida e aperfeiçoada na Segunda Guerra Mundial. Atualmente 
este material possui uma produção 3x maior do que a borracha natural
 A borracha de muitos pneus, e de outros produtos, é na verdade um 
compósito de matriz polimérica (CMP) pois apresenta fuligem (ou 
negro de fumo, ou negro de carbono) em sua composição como uma 
fase de reforço além de outros elementos como o aço
 O Compósito de Matriz Polimérica é um material compósito formado 
por um polímero que envolve uma fase de reforço, tais como fibras ou 
partículas
 A importância comercial e tecnológicas deste material deriva do seu 
uso crescente, especialmente dos polímeros reforçados por fibras 
(PRF) que pela suas razões de resistência-peso e rigidez-peso 
elevadas se tornam atrativos em aplicações na aviação, 
automobilística, naval e equipamentos esportivos
 Pode ser dividido em:
◦ Produção da própria borracha; e
◦ Processamento da borracha em produtos acabados
 A produção da borracha depende se esta é borracha natural (BN), 
obtida da atividade agrícola (látex) ou sintética, obtida do petróleo
 A fabricação de produtos de borracha consiste em:
1. Formulação;
2. Mistura;
3. Conformação; e
4. Vulcanização
 As técnicas são praticamente as mesmas para a borracha natural e 
sintética. A diferença está nos produtos químicos utilizados para 
fazer as ligações cruzadas (vulcanização)
Produção da Borracha Natural Crua
 Extração do látex da seringueira (Hevea brasiliensis)
 Mistura em grandes tanques com a produção de 
diversas árvores
 Diluição em água até cerca de metade da sua 
concentração natural
 Adição de ácido para coagulação (fórmico ou acético)
 Prensagem para retirada de água e formação 
de chapas
 Secagem em estufa (defumação) e ao ar livre
Látex: dispersão 
coloidal de partículas 
sólidas do polímero 
poli-isopreno em água
Mistura + Diluição 
em água + Adição 
de ácido
Prensagem + Secagem estufa + 
Secagem ao ar livre
ribbed smoked 
sheet - RSS
Borracha Sintética
 As borrachas sintéticas de maior importância comercial são:
◦ Borracha de Butadieno (ou polibutadieno): é importante 
principalmente para a combinação com outras borrachas. É misturada 
com borracha natural e com estireno para aumentar a resitência ao 
rasgamento e à abrasão para a produção de pneus automobilísticos
◦ Borracha Butílica: composta de poli-isobutileno (98 a 99%) e poli-
isopreno. Quando vulcanizada possui baixa permeabilidade ao ar e é 
utilizada em produtos infláveis como: câmaras de ar, recobrimentos em 
pneus sem câmaras e produtos esportivos
◦ Borracha de Cloropreno (neoprene): utilizada em aplicações especiais 
pois é mais resistente a óleos, intempéries, ozônio, calor e chamas que 
as borrachas naturais, porém é mais cara. Aplicações em mangueiras 
de combustível, correias, juntas de vedação etc. (não são 
usadas em pneus automobilísticos)
Borracha Sintética
 As borrachas sintéticas de maior importância comercial são:
◦ Borracha de Etileno-Propileno: é muito utilizada em diversos 
componentes da indústrial automobilística e no isolamento de cabos e 
fios (não são usadas em pneus automobilísticos)
◦ Poliuretanos: quando se apresentam na forma de espumas flexíveis 
são utilizados em almofadas para móveis e assentos automobilísticos. 
Neste caso possuem um mínimo de ligações cruzadas. Quando não se 
apresentam sob a forma de espuma, podem ser moldados em solas de 
sapato e para-choques de carro. Neste caso as ligações cruzadas são 
ajustadas para melhorar as propriedades
◦ Borracha de Estireno-Butadieno (SBR): é o elastômero mais 
produzido, totalizando cerca de 40% de todas as borrachas produzidas. 
Possui baixo custo, resistência à abrasão e maior 
uniformidade quando comparada à borracha natural
Formulação
 A borracha tem sempre aditivos na sua formulação que servem para 
que o produto final tenha as propriedades requeridas, além de 
satisfazer aspectos relacionados ao custo e processabilidade
 Os aditivos incluem cargas reforçadora utilizadas para aumentar a 
resistência mecânica e prevenir a deterioração por radiação solar 
(ex. negro de fumo) ou cargas não reforçadora para ocupar volume 
e reduzir o custo
 Alguns aditivos: argila (mesma função do negro de fumo), carbonato 
de cálcio (carga não reforçadora), sílica (carga reforçadora ou não 
dependendo do tamanho da partícula), borracha reciclada (até 10%) 
e outros polímeros (estireno, PVC, fenólicos etc.)
Aditivos: antioxidantes, pigmentos, 
agentes de expansão, óleos 
plastificantes, desmoldantes, etc.
Mistura
 A mistura deve ocorrer para a completa homogeneização dos 
aditivos e da borracha
 Como a mistura é um processo mecânico e a mesma aumenta a 
temperatura do produto, a mistura é dividida em duas fases
 O termo mistura base (ou masterbatch) é empregado para a 
primeira etapa da mistura com os agentes não vulcanizadores
 Após o completo resfriamento da mistura base, adiciona-se os 
agentes vulcanizadores para a segunda etapa da mistura
Misturador de Cilindros
Moinho de 
dois rolos
Os cilindros giram em velocidades diferentes 
para criar a condição de cisalhamento 
necessária para uma boa mistura.
Limitadores 
laterais
Stock 
blender
Função:
Homogeneizar e resfriar a mistura
Vantagens
Dispersão homogênea de todos os ingredientes, 
incluindo cargas de partículas muito pequenas
Desvantagens:
Longos ciclos de mistura
Misturador Interno
Misturador interno
O misturador interno apresenta as seguintes vantagens em relação
aos misturador de cilindros:
• Rendimento energético é maior
• Tempos de ciclo cerca de dez vezes menor
• Maior automatização, reduzindo erros e melhora da 
uniformidade do composto
• Com uma mesma capacidade de produção utiliza-se muito 
menos mão-de-obra, menor espaço de instalação e investimento
• Maior controle do pó suspenso no ambiente
Dois rotores fechados dentro de 
uma carcaça que giram em 
sentidos opostos e velocidades 
diferentes, gerando um padrão 
complexo de fluxo da mistura
Conformação e Processos Similares
 Os processos de conformação podem ser divididos em 4 categorias:
1. Extrusão:
 Similar à extrusão de termoplásticos mas com razão L/D do corpo da extrusora 
menor (10 a 15) para evitar formação de ligações cruzadas
2. Calandragem:
 Passagem da borracha por uma série de cilindros com espaçamento decrescente
Ocorre inchamento após a saída da 
matriz devido a propriedade de memória
Na fabricação de chapas grossas são 
utilizados cilindros de laminação para 
eliminação de bolhas de ar
Conformação e Processos Similares
 Os processos de conformação podem ser divididos em 4 categorias:
3. Revestimento:
 Impregnação de tecidos com borracha é utilizado para uma série de produtos 
(tecidos à prova d’água, lonas, botes infláveis, correias transportadoras, pneus 
etc.)
 A calandragem é um dos processos possíveis de realizar a operação Outros processos utilizados são a escumação, mergulho e aspersão
Conformação e Processos Similares
 Os processos de conformação podem ser divididos em 4 categorias:
4. Moldagem e fundição:
 (1) moldagem por compressão – utilizado na fabricação de pneus, baixo volume 
de produção, peças maiores;
 (2) moldagem por transferência – peças mais complexas, tolerâncias mais 
apertadas, baixo-médio volume de produção, molde mais caro; e
 (3) moldagem por injeção – menos rebarba, melhor tolerância dimencional, 
menor tempo de ciclo, alta produção, produtos menores
A vulcanização ocorre durante a moldagem
Conformação e Processos Similares
 Os processos de conformação podem ser divididos em 4 categorias:
4. Moldagem e fundição:
 Fundição por mergulho é utilizada para a produção de luvas e galochas
 Um molde é mergulhado em um tanque de borracha aquecido até obter a 
espessura desejada, suspenso e vulcanizado
Vulcanização
 Processo que promove as ligações cruzadas das moléculas do elastômero
 A borracha se torna mais rígida e resistente mas mantém o alongamento
 Borracha macia: poucas ligações cruzadas
 Borracha mais dura e resistente: muitas ligações cruzadas (plástico 
termorrígido)
 Inicialmente envolvia somente o enxofre com elevados tempos de cura
 Hoje em dia são adicionados outro elementos (óxido de zinco,ácido 
esteárico, etc.) com o enxofre para acelerar e melhorar o processo
 Processos de vulcanização sem enxofre foram desenvolvidos
Processos em batelada (autoclave) e 
Processos contínuos (temperatura e/ou pressão)
Pneus
 ¾ da produção de elastômeros (principal produto)
 Sustentam o peso do veículo, passageiros e carga
 Transmitem o torque do motor para propulsão, além de absorver 
choques e vibração
 É uma montagem de muitas peças (~50 p/ automóveis e ~175 para 
retroescavadeira) e a fabricação é complexa
 Basicamente 3 tipos:
Pneu diagonal Pneu cinturado Pneu radial
Aumenta rigidez
Limita a expansão 
diamentral ao encher
Costado + flexível
Maior vida e melhor estabilidade
Banda de rodagem
Lâminas diagonais⊥
Banda de rodagem Banda de rodagem
Costado Costado 
Costado 
Recobrimento 
do talão 
Recobrimento 
do talão 
Recobrimento 
do talão 
Talões Talões Talões 
Cabo de 
aço 
Cabo de aço Cabo de aço 
Carga Carga Carga 
Revestimento 
interno
Revestimento 
interno
Revestimento 
interno
Cinta
Cintas 
Lâminas diagonais
Lâminas radiais
Introdução
 Tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns 
de propriedades que não podem ser atendidas pelos materiais 
convencionais isoladamente
◦ Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos, resistentes 
à abrasão, ao impacto e corrosão
 Compósito: Material multifásico, obtido da combinação de materiais 
diferentes a fim de atingir propriedades que os componentes 
individuais não atingem
 A principal característica dos compósitos é que as duas fases 
presentes são completamente distintas, formando uma interface entre 
elas
Materiais
 Compósito de matriz polimérica com fase de reforço em partículas
 Polímeros reforçados por fibra (PRF)
 As técnicas de fabricação desses materiais são menos eficientes
◦ Material mais complexo (2 fases) com fase de reforço orientada para PRF
 Matriz + agente de reforço
 Matriz:
◦ Termoplásticos e elastômeros
◦ Termorígidos (mais comum) - resina fenólica (partículas), poliésteres e 
epoxi (PRF)
 Agente de reforço:
◦ Materiais: cerâmicos, metais, outros polímeros, elementos (carbono, boro, 
etc.)
◦ Formas: partículas, plaquetas ou fibras
Exemplos
 Com fibra de vidro: diâmetro da fibra de 3 a 20 μm (pisos industriais, 
recipientes para armazenamento, tubulações)
Exemplos
 Com fibra de carbono: (equipamentos esportivos, componentes 
estruturais de aeronaves, hélice de helicóptero)
Exemplos
 Com fibra de aramida: Nomes comerciais Kevlar e Nomex + epóxi ou 
poliéster. (Cordas, coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, 
substituição do amianto em freios, embreagem, gaxetas etc.)
Comparação de Propriedades Mecânicas
 Capítulos 14 e 15 do Groover