ADESIVOS EM ENGENHOS MECÂNICOS

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1 Outubro 2010 MMM515 ADESIVOS EM ENGENHOS MECÂNICOS Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função? Projecto FEUP I

2 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Adesivos em engenhos mecânicos Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função? Francisco Carlos de Oliveira Coelho de Azeredo Pinto (ee10262) Joana Maioto Santos (emt10024) Manuel Maria Aguiar Ramos Sampaio Silva (emt10037) Mariana Freire Resende de Moura (em10051) Mário Nuno Caiado Cunha Ferreira da Silva (em10043) Nuno Gonçalo Pereira Choupina (em10082) Equipa MMM515 Supervisor: António Monteiro Baptista Monitor: Francisco Duarte Projecto FEUP Outubro 2010 II

3 Resumo No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, realizou-se um relatório bibliográfico sobre Adesivos Estruturais, que se foca nos adesivos utilizados em aeronaves. Os adesivos, habitualmente designados de colas, podem ser entendidos como sendo uma substância com propriedades de juntar um ou mais objectos através de uma ligação superficial. Após a pesquisa realizada concluiu-se que os mais utilizados nas aeronaves são os do tipo epóxido e cianoacrilato. Para construir uma ligação mais eficaz, são também bastante usados os vedantes, cujo principal objectivo é protegê-las contra os factores ambientais. No que diz respeito aos epóxidos, destaca-se a sua elevada resistência mecânica, bem como as suas propriedades de isolamento; quanto aos cianoacrilatos é possível afirmar-se que têm uma secagem bastante rápida e uma ligação resistente. Nas próximas páginas poderá encontrar informação detalhada e sucinta em relação ao tema proposto. Inicialmente optou-se por abordar o tema dos adesivos em geral, (situação histórica e impactos ambientais). Mais à frente poderá dispor de conteúdos específicos sobre adesivos utilizados em aeronaves, sob a forma de texto, tabelas, imagens ou tópicos. Para finalizar é apresentada uma conclusão na qual se dá uma resposta ao problema: Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função? II. Palavras chave Adesivos estruturais; Cianoacrilato; Epóxido; Vedante; Resinas termoplásticas; Resinas termoendurecíeis; Elastómeros. III

4 III. Agradecimentos Agradecemos de um modo especial ao nosso supervisor, Professor António Monteiro Baptista e ao monitor, Francisco Duarte pela atenção e dedicação que nos dispensaram no decorrer de todo o projecto. Ao Professor Lucas Silva pela sua atenção ao conceder-nos material imprescindível para a concretização do mesmo. IV

5 Índice I. Resumo III II. Palavras-chave......III III. Agradecimentos IV IV. Índice......VI 1. Introdução Metodologia Apresentação e discussão dos resultados Adesivos estruturais Vantagens e desvantagens gerais Impactos Ambientais Adesivos utilizados em aeronaves Epóxido Cianoacrilatos Vedantes Ensaios Conclusão Bibliografia...12 V

6 1. Introdução Com este relatório pretende-se responder a uma questão-problema: Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?. Para tal, foi preciso realizar uma pesquisa alargada sobre o tema. Assim, apercebeu-se que uma das principais indústrias impulsionadoras destes materiais é a aeronáutica, uma vez que tem grande necessidade de arranjar materiais leves e de elevada fiabilidade. Desta forma, acabou não só por desenvolver juntas e adesivos estruturais para uso próprio, como para outras indústrias, nomeadamente a indústria automóvel. Os adesivos utilizados em aeronaves quase que não acrescentam peso às juntas, dado que as camadas são muito finas. Estes adesivos apresentam também uma elevada durabilidade e demonstram uma elevada força de ligação, pelo que são bastante usados pela aeronáutica. 2. Metodologia Inicialmente, fez-se uma pesquisa onde se tentou saber o que é, qual a sua função, e como se classifica um adesivo estrutural. Posteriormente, e de forma a arranjar informações mais específicas, optou-se por recorrer a livros sobre o tema proposto, onde se analisaram alguns textos, tabelas e imagens. À semelhança da estrutura da pesquisa realizada, decidiu-se que também o relatório abordaria o tema do geral ao particular. Começou-se, então, por transmitir a ideia de adesivo, a sua função, bem como algumas vantagens e desvantagens gerais. A segunda parte do corpo do relatório ficaria reservada para um desenvolvimento mais profundo acerca dos adesivos usados na indústria aeronáutica (epóxidos e cianoacrilatos). Optou-se igualmente por alargar o conceito de vedante, uma vez que desempenha uma função importante no acabamento de uma ligação, protegendo-a contra influências externas que poderiam pôr em causa a durabilidade dessa mesma ligação. 1

7 3. Apresentação e discussão dos resultados Desde cedo que o Homem tenta descobrir novos materiais, novas formas de melhorar a rentabilidade dos transportes, quer aeronáuticos, quer automobilísticos. O uso de técnicas como a rebitagem, brasagem e soldadura, com objectivo de juntar peças metálicas, apesar de eficazes, faziam com que os veículos aumentassem o seu peso. O uso de adesivos, com o mesmo objectivo, surgiu na década de quarenta, quando os adesivos sintéticos de alta resistência se tornaram comercialmente viáveis, substituindo assim, as antigas técnicas. 3.1 Adesivos Estruturais Os adesivos são uma substância que permite manter vários objectos de um mesmo material ou de materiais diferentes unidos através de uma ligação superficial. Antigamente eram produzidos a partir de matérias naturais, de origem animal, vegetal ou mineral (fécula, goma etc.) Actualmente e com o desenvolvimento da química, foi possível a introdução de adesivos sintéticos produzidos de acordo com a utilização que lhes era destinada. Os adesivos sintéticos são fabricados a partir de materiais feitos pelo homem, tais como os polímeros [2]. Os adesivos podem ser classificados de várias maneiras, nomeadamente, pela sua Fig.1 função, composição química, origem, estrutura molecular, modo de aplicação, condições de cura e estabilidade. Segundo a classificação funcional dos adesivos podemos definir os mesmos como sendo estruturais ou não estruturais. Habitualmente, são definidos como sendo adesivos estruturais os que apresentam uma resistência ao corte superior a 5-10 MPa [2,7] e uma boa resistência aos meios ambientais mais comuns. São materiais de elevada resistência e desempenho cuja principal função é manter ligadas as estruturas e resistir a cargas elevadas sem grandes deformações. 2

8 Por sua vez, os adesivos não estruturais não são adequados para o suporte de cargas substanciais pelo que são referidos, por vezes, como adesivos de posição ou de manuseamento. São frequentemente usados para ligações temporárias ou como complemento às ligações mecânicas. Atendendo à classificação através da composição química podemos considerar, adesivos: Termoplásticos: acrílicos, celulósicos, vinilicos, poliamidas, etc; Termoendurecíveis: fenólicos, epóxido, poliéster, etc; Elastómeros: poliuretanos, nitrilos, policloroprenos, silicones, etc; Híbridos. As resinas termoplásticas podem ser divididas em dois grandes grupos: materiais cristalinos e materiais amorfos, dependendo do momento em que ocorre a sua cristalização. Este tipo de resina pode ser fundido através da adição de calor o que permite a sua fácil utilização. As resinas termoendurecíveis são polímeras muito reticuladas possuindo normalmente uma grande rigidez após a sua cura. Quando se eleva demasiado a temperatura este tipo de adesivo torna-se fraco devido à oxidação ou quebras nas cadeias moleculares. Os elastómeros tanto podem ser materiais termoplásticos como termoendurecíveis consoante a sua composição. Baseiam-se em polímeros elastoméricos que têm uma grande resistência e capacidade de deformação. São capazes de elevados graus de deformação, retomando a sua forma original após a remoção da carga. Os adesivos híbridos são constituídos por resinas termoplásticas, termoendurecíveis e elastoméricas. Desenvolvidos de forma a tirar partido das características mais úteis dos seus constituintes, são cada vez mais utilizados [2,7]. 3

9 Material Flexibilidade Resistência mecânica Resistência térmica Resistência a agentes químicos Resinas Má Boa Boa Boa Termoendurecíveis Resinas Média Medíocre Medíocre Boa Termoplásticas Elastómeros Muito boa Má Variável Medíocre Tabela 1: Comparação das propriedades dos adesivos, [2] Vantagens e desvantagens gerais Vantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções: Praticamente qualquer tipo de material ou combinação de materiais podem ser unidos; Materiais de diversas formas e tamanhos (mesmo finos e delicados) podem ser ligados; Garantem uma superfície contínua, sem saliências, aberturas ou furos; Protegem as juntas contra o calor e evita a corrosão electrolítica; Servem para amortecer choques e vibrações; Distribuem as tensões uniformemente por uma vasta área; Oferecem uma maior leveza ao produto acabado; Não são necessários operários especializados; Mais barato que outros métodos de fixação; A união adesiva pode ser concebida a temperaturas relativamente baixas. Desvantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções: Requerem uma selecção minuciosa para melhor resistência em ambientes específicos; Por vezes, é necessário um reforço mecânico; Determina-se a qualidade de um adesivo por meios destrutivos; Juntas quando unidas, dificilmente são separadas. 4

10 3.1.2 Impactos ambientais Existem três factores principais a considerar na utilização de adesivos: Toxicidade; Inflamabilidade; Incompatibilidades perigosas. Os adesivos têm de ser cuidadosamente planeados pois podem causar problemas de saúde e de segurança, não só dentro da fábrica mas também dentro da comunidade em que vão ser depositados os resíduos desta produção. Todos os adesivos, solventes, e produtos químicos têm de ser manuseados de forma a evitar o contágio dos operários. 3.2.Adesivos utilizados em aeronaves Epóxido epoxy Os adesivos epoxy são considerados como um tipo de adesivos estruturais sendo usados, maioritariamente, na construção de aviões, automóveis, barcos ou noutra qualquer aplicação onde sejam necessárias grandes forças de ligação. São essencialmente constituídos por uma base de resina, um endurecedor, um acelerador, diluentes e outros aditivos. Estes adesivos são normalmente produzidos como um ou dois componentes, e tomam a forma de líquidos, pasta ou filme. Os adesivos de dois componentes conseguem suportar a temperatura ambiente e altas temperaturas. Os adesivos de apenas um componente devem ser curados em altas temperaturas (150 C) [4]. Os adesivos mais utilizados são os de dois componentes já que é possível armazená-los por períodos longos de tempo. É de salientar ainda a capacidade de alteração de algumas propriedades do adesivo, tais como: condutividade eléctrica e estabilidade térmica, de acordo com a sua aplicação. Fig.2: Teste de tensao em ligação com adesivo Características: 5

11 Versatilidade e elevada resistência mecânica; Boa adesão química; Boas propriedades de isolamento. Vantagens: Alta resistência a tracção; Boa rigidez; Alta resistência térmica. Desvantagens: Baixa resistência ao impacto; Alto custo Cianoacrilatos Cyanoacrylate A forca de ligação e a durabilidade de um adesivo são duas propriedades fundamentais na escolha dos adesivos a utilizar. A força da ligação é uma combinação das várias propriedades físicas do material, que é testado através de uma fina camada desse material entre peças [4]. A durabilidade é caracterizada pela forma como o adesivo reage a efeitos ambientais tais como o calor, a humidade, outras substâncias químicas, radiação e tensão mecânica [4]. Fig.3 Certos processos ajudam a aumentar a durabilidade da ligação, como uma limpeza exaustiva da superfície, pois este tipo de adesivo é extremamente sensível a óleos ou resíduos existentes na zona onde é aplicado. O tempo que decorre entre a limpeza e a aplicação do adesivo também é importante, ou seja, quanto mais rápido este for aplicado mais forte será a ligação e maior a sua durabilidade. Isto acontece porque os cianoacrilatos são adesivos que não são eficazes a preencher falhas ou a contornar pequenos resíduos existentes. Daí que tenhamos para diferentes materiais, diferentes processos de limpeza: 6

12 Metais: O resultado é melhor se a superfície for submetida a um processo de abrasão em vez de ser polida por um jacto de areia [4]; Polímeros: na maioria dos polímeros o processo mais eficaz acaba por ser a limpeza com um não-solvente como o isopropanol; Vidro e cerâmica: melhores resultados com produtos à base de água, tanto em vidro e/ou cerâmica como em todos os materiais vítreos. Com as suas propriedades descritas podemos concluir que apesar de não ser um adesivo que forma uma ligação muito forte, é amplamente utilizado na indústria, assim como em aeronaves (partes internas da aeronave). É essencialmente usado em ligações de plástico-plástico. Vantagens: Velocidade de secagem; Versatilidade; Força de ligação. Desvantagens: Fragilidade, os cianoacrílatos formam, geralmente, ligações fracas; Durabilidade, quando aplicado em metais, esta é muito fraca, no entanto, em plásticos possuem uma durabilidade muito elevada; Exigência de uma superfície sem falhas, pois estes não possuem a capacidade de preencher essas falhas; Pouca resistência ao calor e à humidade, podendo facilmente desgastarem-se e consequentemente diminuir tanto a durabilidade como a força da ligação Vedantes Sealant 7

13 Os vedantes oferecem uma boa protecção contra a corrosão, óleos e combustíveis e são ainda impermeáveis à água. São, também, juntas confiáveis, que se podem criar com nenhum dos problemas encontrados nos outros métodos de selagem. Mantêm-se ainda flexíveis e compatíveis sobre várias tiras e ciclos de instalação. Existe uma grande variedade de vedantes próprios para atender às necessidades da indústria aeronáutica. O material com que são fabricados é inerte a todos os elementos químicos comuns, e Fig.4: Adesivos aplicados no reforço de fuselagens funcionam numa vasta gama de temperatura [-240 ºC, 260 ºC]. São resistentes às variadas condições climatéricas, bem como a um envelhecimento precoce. Vantagens: Redução da hipótese de corrosão; Protecção contra a água e outros factores ambientais; Tempo de cura inexistente; Facilidade de instalação. Desvantagens: Materiais de elevado custo; Força de ligação reduzida; Dificuldade de adesão em algumas superfícies, por exemplo, plásticometal [4]. 4. Ensaios 8

14 Tabela 2: Efeito das condições do Meio Ambiente no envelhecimento em juntas Alumínio-Alumínio [4] Tabela 3: Classificação de alguns adesivos com base nas suas características Epóxi Uma parte Duas partes Acrílicos Cianoacrílatos Força da Ligação (MPa) passados: Propriedades Adesivo Condições 7 Dias 21 Dias Força Cianoacrilato da Controladas ++ (22ºC) até + Ligação 22ºC água Facilidade de 32ºC/90% RH ºC uso Velocidade Epóxi de Controladas - até 0 (22ºC) secagem 22ºC água ºC/90% RH Segurança 0-0 até ºC Energia necessária (Nota: Classificação de ++, melhor até --, pior.) [6] Quando comparamos os adesivos cianoacrilatos com outros como o epóxido ou com os acrilicos, podemos afirmar, com base na tabela acima [6], que os cianoacrilatos são, segundo Martin 1977, os melhores em termos de facilidade de uso e de velocidade de secagem. Por outro lado, também se pode concluir que em termos da força da ligação quando comparado é o que providencia uma menor força de ligação. 9

15 5. Conclusão Com este trabalho podemos constatar que os adesivos são um método eficaz para juntar materiais. Os principais adesivos usados em aviões são o epóxido e o cianoacrilato, oferecendo uma maior leveza ao produto acabado. A leveza é um aspecto muito importante nesta área, como já referido, procura-se o mais leve mas o melhor, o que se acaba por tornar numa demanda sem fim. Os adesivos estruturais têm como principal função nas aeronaves permitir uma ligação ou reforçar uma já existente, por exemplo o adesivo cianoacrilato é muito usado no interior do aparelho, nas ligações plásticoplástico que se podem encontrar, por exemplo, nas cabines de bagagem acima das nossas cabeças; o epóxido pode ser encontrado na fuselagem onde é utilizado para reforçar as ligações existentes; os vedantes são maioritariamente utilizados tanto no interior como no exterior de aparelhos aeroespaciais, pois possuem capacidades estanques que são de extrema importância neste tipo de aparelhos. No entanto pode-se dizer que com os materiais que temos hoje já se formam ligações fortes e de longa durabilidade com adesivos, coisa que não se fazia há cerca de 70 anos, quando estes começaram a ser desenvolvidos e introduzidos no mercado. 10

16 6. Bibliografia 1. Adams, Robert D Structural adhesive joints in engineering. London : Elsevier Applied Science; 2. Esteves, José Luís Soares - Estudo do comportamento de adesivos estruturais. Porto: [s. n.], Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Estrutural, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor António Torres Marques; 3. Grimes, David L Application of Structural Adhesives in Air Vehicles : presented at the Seventh Meeting of the Structures and Materials Panel, held from 24th March/3rd April, 1958, in Rome, Italy. Paris : Agard; 4. Hartshorn, S. R Structural adhesives : chemistry and technology. New York : Plenum Press, cop; 5. Kinloch, A. J Durability of structural adhesives. London : Applied Science; 6. Martin, F.R.. Developments in Adhesives Vol.1, p.157. Apllied Science Publishers, Londres 7. Silva, Lucas Filipe Martins da, António Gonçalves de Magalhães, and Marcelo Francisco de Sousa Ferreira de Moura Juntas adesivas estruturais. Porto: Publindústria, Edições Técnicas, cop. 8. Welding Technology Machines Adhesive Bonding. (acedido em Setembro 29, 2010). 11