Avaliação dos processos de mistura e vulcanização de compósitos de borracha natural com mica e negro de fumo por meio de reômetro de torque

Transcrição

1 Avaliação dos processos de mistura e vulcanização de compósitos de borracha natural com mica e negro por meio de reômetro de torque Rosane Macchiarulo Jorge, ( 1; 2); Leila Léa Y. Visconte (2); Regina C. R. Nunes (2). (1) Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento / Centro Tecnológico do Exército (IPD-CTEx) Av. das Américas, 28705, Guaratiba, CEP , Rio de Janeiro, RJ mrosane@ipd.eb.mil.br (2) Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano / Universidade Federal do Rio de Janeiro (IMA-UFRJ) Caixa Postal CEP , Rio de Janeiro, RJ rcnunes@acd.ufrj.br Palavras-chave : compósitos de borracha natural; mica; negro ; processabilidade; reômetro de torque; vulcanização. Resumo O processamento das misturas e a vulcanização de composições de borracha natural, tipo goma pura e carregada com mica e/ou negro foram estudadas em reômetro de torque HAAKE. Por meio dos parâmetros obtidos pela curva torque versus tempo, foi demonstrado que a mica aumenta a processabilidade das misturas de borracha natural. Foi observado também que a energia gasta no processamento e vulcanização das diferentes composições é função do teor de negro Abstract The mixing and vulcanization processing of natural rubber compositions, unfilled, mica-filled and/or carbon black-filled compositions were studied in torque rheometer HAAKE. Using parameters obtained from torque-time curve, it was showed that mica improved the natural rubber mixes processability. In addition, it was observed that the supplied energy in the processing and vulcanization of the different compositions is dependent on the carbon black content. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48901

2 I Introdução Atualmente uma das maiores preocupações mundiais é a economia de energia. Com o intuito de se obter produtos de importância tecnológica em que a economia em tempo e energia gastos na sua produção são essenciais para se reduzir custos, é necessário que sejam estimadas as condições ótimas de processamento para que possam ser transpostas para níveis de produção industrial [1, 2]. O objetivo principal deste trabalho é o estudo da processabilidade e das reações de cura dos compósitos de borracha natural tipo goma pura e carregados com mica e/ou negro de fumo no reômetro de torque HAAKE As diferentes formulações foram realizadas com o propósito de obter artigos elastoméricos de baixo custo, mas oferecendo resistência mecânica e elétrica. Assim o negro foi utilizado como carga, devido às suas características tradicionais de reforço e a mica além de oferecer resistência elétrica aos compósitos, por pertencer a uma classe de minerais de baixo custo e de grande disponibilidade no Brasil [3, 4]. A borracha natural é um elastômero fundamental em vários segmentos industriais, tais como, artefatos leves, materiais de engenharia e principalmente pneumáticos, devido ao conjunto de propriedades que oferece. É muito importante que seja estimado o consumo de energia da produção de um artefato elastomérico de borracha natural, ou seja, obter informações quanto à processabilidade, vulcanização e degradação de suas composições em escala laboratorial, antes de ir à produção. Para tal, é essencial o uso de um equipamento que dê informações mais próximas da realidade, tal como o reômetro de torque HAAKE [1]. O reômetro de torque é um equipamento que permite a determinação de vários parâmetros relacionados à processabilidade, operando não só com controle eficaz em ampla faixa de temperatura e velocidade de rotação, mas também na simulação de condições reais de processamento. Os parâmetros são determinados a partir de curva de torque versus tempo, os quais, para a etapa de mistura, destacam-se : torque estabilizado, relacionado à viscosidade da mistura; torque totalizado, referente ao trabalho gasto nas condições do processamento; e energia de mistura, relacionada à energia consumida nas etapas de mistura. No caso da vulcanização é possível também acompanhar toda a reação de cura pela variação do torque e temperatura, obtendo-se torque máximo, que pode ser relacionado ao número máximo de ligações cruzadas; tempo de vulcanização, que é o tempo no torque máximo; e energia de vulcanização, que é a energia consumida até o torque máximo [1,5]. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48902

3 II Experimental Os produtos químicos utilizados foram, borracha natural (NR), GEB tipo 1, fornecida pela Braslátex; ácido esteárico (standard reference material, NBS 3721), produzido por National Bureau Standard; óxido de zinco fornecidos pela Uniroyal; 1,2-dihidro-2,2,4- trimetil-quinolina polimerizado e N-tert-butil-2-benzotiazol-sulfenamida produzidos pela Bayer; enxofre, da Carlo Erba; mica ( 215-B) fornecida da Brasil Minas ; e negro SRF, (N774), da Copebrás. As características da Borracha natural, mica e negro são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Características físico-químicas da borracha natural, mica e negro [3, 6] Tipo granulado escuro brasileiro Borracha natural Viscosidade Mooney* 95,4 Peso específico (g/cm 3 ) 0,92 Tipo Muscovita Mica Óxidos predominantes** SiO 2, Al 2 O 3 ; K 2 O Peso específico (g/cm 3 ) 2,7 Negro Tipo SRF Peso específico (g/cm 3 ) 1,8 *determinação experimental, condições de ensaio: ML, o C **determinação experimental, por Espectrometria de Emissão Atômica com Fonte de Plasma Indutivamente Acoplado Foram realizadas misturas tipo goma pura, misturas com teores variados de mica (10, 15, 20 e 25 phr), misturas com apenas negro (35phr) e misturas com quantidade de carga total de 35 phr das diferentes cargas, mica/negro (7/28, 10/25, 14/21). Segundo a norma ASTM D 3184, as composições e respectivas vulcanizações foram realizadas em câmara de mistura tipo REOMIX 600, com capacidade para 85 cm 3, acoplada ao reômetro de torque HAAKE, utilizando rotores tipo CAM [5], a 60 o C para o processamento das misturas e 140 o C para a vulcanização, ambos a 60 rpm de velocidade dos rotores e 15 minutos para cada etapa. Baseada nesta mesma norma [7], foi utilizada a seguinte formulação (em phr): NR (100); NBS 3721 (0,5); ZnO (6,0); TMQ (1,0); TBBS (0,7); S (3,5); mica (0-25); N774 (0-35). As cargas sofreram tratamento térmico imediatamente antes de serem incorporadas às composições. A mica foi seca à 120 o C por 1 hora de acordo com a literatura [8] e negro de fumo à o C por 1 hora de acordo com a norma [9] ASTM D CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48903

4 III Resultados e Discussão Os valores dos diversos parâmetros obtidos por meio de curva de torque versus tempo, fornecidos pelo reômetro de torque HAAKE, durante as misturas de borracha natural, com teores variados de mica, são mostrados na Tabela 2. Pelos valores obtidos para as diferentes composições com apenas mica, pode-se afirmar que a mica aumenta a processabilidade, pois o aumento do teor desta carga nas composições acarreta mais baixos valores para energia específica e energia mecânica, e apresentando resultados próximos para o torque estabilizado. Para as misturas com as duas cargas, mantendo 35 phr como valor total, pode ser verificado pela Tabela 3, uma diminuição na processabilidade com valores crescentes de negro, ou seja, valores crescentes de energia. Embora a mica apresente resultados comparáveis ao do negro quanto as propriedades mecânicas, quando compósitos são preparados com estas cargas para testes mecânicos, sua interação com o elastômero é inferior à do negro, o que pode ser uma justificativa para o aumento de processabilidade com teores crescentes desta carga e o inverso acontecendo para o negro, carga de reforço por excelência para elastômeros, interagindo de maneira mais efetiva com a matriz elastomérica. Tabela 2 - Processamento das misturas com teores variados de mica no reômetro de torque HAAKE Mica/Negro Totalizado (Nm=J) estabilizado (Nmmin) 0/0 247,28 82, , ,00 18,01 10/0 244,86 81, , ,66 16,76 15/0 236,86 81, , ,65 16,21 20/0 233,36 80, , ,05 16,73 25/0 231,77 83, , ,27 18,51 Tabela 3 - Processamento das misturas com teores variados de mica e negro no Reômetro de torque HAAKE Mica/Negro Totalizado (Nm=J) estabilizado (Nmmin) 0/0 247,28 82, , ,00 18,01 0/35 258,82 85, , ,71 19,61 7/28 252,86 84, , ,23 19,68 10/25 232,57 83, , ,26 17,69 14/21 222,57 82, , ,46 16,96 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48904

5 Como comentado anteriormente as reações de vulcanização podem ser monitoradas pelo reômetro de torque HAAKE, determinando-se torque máximo, tempo de cura e energia de vulcanização. No caso das formulações com apenas mica como carga, apresentadas na Tabela 4 é possível afirmar que o torque máximo, o tempo de vulcanização e consequentemente a energia específica, crescem com o aumento de mica. Para as composições com mistura de cargas, o negro que está sempre em maior teor, se faz presente, acelerando a vulcanização ( iniciando em menores tempos), aumentando o torque e aumentando a energia de vulcanização, como é apresentado na Tabela 5. Tabela 4 - Vulcanização das composições com teores variados de mica no reômetro de torque HAAKE Mica / Negro de cura Tempo de vulcanização* (min) Máximo (Nm =J) 0/ ,6 23, ,96 54,89 10/ ,0 20, ,28 52,98 15/ ,7 21, ,47 54,49 20/ ,1 20, ,74 50,40 25/ ,3 22, ,33 53,11 *obtido no torque máximo Tabela 5 - Vulcanização das composições com teores variados de mica e negro no reômetro de torque HAAKE. Mica / Negro de cura Tempo de vulcanização* (min) Máximo (Nm =J) 0/ ,6 23, ,96 54,89 0/ ,0 29, ,12 101,33 7/ ,3 32, ,18 72,63 10/ ,0 25, ,14 62,98 14/ ,6 25, ,49 72,09 *determinado no torque máximo CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48905

6 IV - Conclusões As composições contendo mica como carga única e na mistura com negro apresentaram melhor processabilidade do que aquela somente com negro e também em relação à goma pura. Como conseqüência, a energia gasta no processamento e na vulcanização é função da concentração de negro adicionado. Pelos resultados obtidos pode-se afirmar que com o reômetro de torque é possível fazer um planejamento de custos na produção de artefatos elastoméricos. V Referências 1. N. P. Cheremisinoff, Polymer Mixing and Extrusion Technology, cap.7, p.382, Marcel Dekker, C. Chen and F. S. Lai, Processability and thermal properties of blends of high density polyethylene, poly(ethylene terephthalate), and ethyl vinyl acetate compatibilizer, Polymer Engineering and Science, vol 34, p , M. Hancock and R.N. Rothon, Principal types of particulate fillers, in Particulate-filled polymer composites, cap.2, p.47-87, C. M. Batista, Sumário Mineral 2000, Mica (Moscovita), Haake Rheocord System Bulletin, LR E, Cálculo de energia. 6. J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke, Polymer Handbook, p. V/5 V/6, Fourth Edition, A Wiley-Interscience Pub., American society for testing and materials, ASTM D , Standard test methods for rubber evaluation of NR (natural rubber), A. Garton, S. W. Kim, D. M. Wiles, Journal of Applied Polymer Science, Chlorinated hydrocarbon coupling agents for mica-polypropylene composites, vol. 27, , American society for testing and materials, ASTM D , Standard test methods for carbon black evaluation in NR (natural rubber), CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 48906