Adesivos Estruturais

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1 Adesivos Estruturais Que adesivos se utilizam nos aviões e qual a sua função? 2010 / Cátia Batalha Pedro Lúcio Paulo Reis Hugo Soares Frederico Silva José Sarilho MIEM / MIEMM

2 Adesivos Estruturais Que adesivos se utilizam nos aviões e qual a sua função? Cátia Batalha Pedro Lúcio Paulo Reis Hugo Soares Frederico Silva José Sarilho MIEM / MIEMM Outubro de 2010 Coordenador: Teresa Duarte Supervisor: António Monteiro Batista Monitor: Francisco Duarte

3 Agradecimentos Os nossos agradecimentos são dirigidos à coordenadora do Projecto FEUP, Teresa Duarte pela orientação dada ao longo desta unidade curricular e aos supervisor e monitor, António Monteiro Batista e Francisco Duarte, respectivamente, pelos esclarecimentos fornecidos acerca da temática do trabalho.

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5 Resumo A utilização de adesivos em ligações estruturais tem conhecido ao longo do tempo uma evolução significativa, tanto a nível dos processos de ligação como nas tecnologias utilizadas. Actualmente, o uso de adesivos estruturais na colagem de metais é uma prática muito comum e a indústria aeronáutica não foge à regra. As juntas adesivas e o seu comportamento são ainda actualmente alvos de profundas investigações (estão em causa, por exemplo, a resistência às solicitações mecânicas ou a factores ambientais). Os epóxidos estão actualmente na base da maioria das aplicações de adesivos em juntas. A sua versatilidade de configurações permite obter adesivos mais ou menos resistentes/elásticos, bem como adaptá-los a juntas de diversos materiais em diferentes condições de temperatura, pressão, etc. É importante realçar que há um conjunto de aspectos que devem ser pesquisados quando se estudam os adesivos estruturais, tais como os seus métodos de aplicação e os seus diferentes tipos.

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7 Índice Agradecimentos...iii Resumo... v Índice... vii Índice de Figuras... ix Índice de Tabelas... xi 1 Introdução Adesivos Estruturais O que são adesivos estruturais? Adesivos estruturais vs. Outros tipos de ligações Métodos de aplicação dos adesivos nas juntas Adesão e Resistência Processos de Cura Fadiga e Resistência nos Adesivos Tipos de Adesivos Estruturais Conclusões Bibliografia... 23

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9 Índice de Figuras Figura 1 Camada limite de uma junta colada na interface Polímero/Metal (Ref. [3])... 9 Figura 2 - Evolução da Resistência à rotura em função do parâmetro rugosidade (Ref. [3])... 9 Figura 3 - Variação das Forças de ligação versus Distâncias interatómicas e intermoleculares (Ref. [3]) Figura 4 Exemplos de desenhos de juntas (Ref. [4])... 17

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11 Índice de Tabelas Tabela 1 Tipo de ligações interatómicas e intermoléculares (Ref. [3]). 7 Tabela 2 - Grupos funcionais mais comuns, de polímeros utilizados no fabrico de adesivos e as ligações que se estabelecem com uma superfície metálica (Ref. [3]) 11 Tabela 3 - Comparação entre os vários adesivos estruturais quanto à sua resistência e tensões (Ref. [1]) 16 Tabela 4 - Características de diferentes adesivos (Ref. [2]) 18 Tabela 5 Tipos de Epóxidos 19

12 1 Introdução Este trabalho de pesquisa/investigação surge no âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, e tem o objectivo de abordar a temática dos Adesivos Estruturais e suas aplicações na indústria aeronáutica (mais concretamente nos aviões). Esta proposta de trabalho foi recebida, inicialmente, com bastantes interrogações, uma vez que, o nosso conhecimento sobre o assunto era escasso ou nulo. Isso foi tomado como um incentivo extra e uma oportunidade de aprender novos conceitos e conteúdos dentro da engenharia. Este relatório tem um carácter informativo e foi simplesmente baseado em pesquisas realizadas em livros, web e teses, de modo que, não houve um estudo aprofundado sobre o assunto, mas sim uma reflexão sobre o mesmo, com o intuito de reunir informação relevante para que uma pessoa com um grau de formação relativamente baixo possa ter acesso a um conhecimento base sobre o assunto. Um dos principais objectivos propostos foi também o desenvolvimento de hábitos de trabalho em ambiente universitário e uma iniciação à realização de projectos científicos, bem como todas as técnicas de divulgação do mesmo (relatório, poster, apresentação oral, etc.). Tendo em conta os dois parágrafos anteriores, da conjugação desses dois aspectos surge este relatório que tenta fazer uma abordagem generalizada ao tema Adesivos Estruturais, tendo em conta todas as regras formais associadas à realização de relatórios de divulgação científica. Este relatório não é dotado de um grande rigor técnico, uma vez que a formação académica dos seus autores não é suficiente para cobrir este tema. Houve no entanto um esforço por confrontar informação de várias fontes, de forma a evitar que pudessem surgir falsidades científicas de carácter maior. Revela-se assim, desde já, que todo o conteúdo aqui presente é susceptível de eventuais erros, resultado das escassas fontes de informação existentes em redor desta temática. O trabalho é constituído essencialmente por uma abordagem geral aos Adesivos estruturais com certas referências às suas aplicações nos aviões (embora MMM516 1

13 estas sejam escassas devido aos deficientes dados obtidos após pesquisa). Pretende-se fazer referência à definição de adesivos estruturais, às vantagens e desvantagens perante outros tipos de ligações, aos diferentes tipos de adesivos (propriedades, aplicações, modos de aplicação, etc), aos Epóxidos como adesivos estruturais e ao desenho das juntas nas quais são aplicados, assim como a resistência à fadiga de várias aplicações. Fazendo uma nota introdutória ao tema, não muito extensa, pois o próprio relatório é uma introdução ao tema, é importante afirmar que os adesivos estruturais cada vez mais estão presentes no nosso dia-a-dia. São uma opção sólida, segura e leve para unir diferentes materiais numa estrutura de uma forma coerente e versátil. Na industria aeronáutica isto toma uma importância superior, uma vez que é imperativa a redução da massa da estrutura, a fiabilidade e segurança da construção, bem como a facilidade de aplicação de ligações entre partes integrantes da mesma. É por isso necessária a tomada de consciência por parte do cidadão informado de que os obsuletos parafusos/porcas, soldaduras, etc começam a ser substituídos (em certas aplicações) por adesivos (colas) que cumprem a função de forma mais eficaz, simples e coesa. MMM516 2

14 2 Adesivos Estruturais 2.1 O que são adesivos estruturais? O conceito de adesivo estrutural apareceu, na indústria de construção mecânica, a partir da altura que se começaram a realizar colagens em que havia a necessidade de assegurar a transmissão de esforços de uma peça para a outra. O adesivo estrutural apresenta uma resistência equivalente aos materiais que constituem a estrutura a ser colada, passando a fazer parte integrante da estrutura, em contraste com os produtos de revestimento. Estes adesivos são, portanto, capazes de suportarem a transmissão de esforços de grandeza considerável. Além disso, têm boa resistência a perturbações atmosféricas/variação brusca do clima, produtos químicos e à temperatura. Há várias técnicas para se efectuar uma ligação permanente de mais do que um componente. A colagem estrutural de componentes de entre essas técnicas possíveis, tais como, soldadura e aparafusagem, é a que tem apresentado uma evolução maior nos últimos anos. A realização de juntas de ligação simples é um processo simples e económico. Tal facto, provoca um aumento enorme de aplicações desta tecnologia de ligação, contribuindo para que as diversas aplicações tenham propriedades mais interessantes que as outras técnicas de ligação. No entanto, o uso de adesivos estruturais ainda é visto de uma forma cuidada por parte de algumas empresas. A razão para esta desconfiança é o facto de não existirem métodos estabelecidos para o dimensionamento de juntas com adesivos estruturais. MMM516 3

15 2.2 Adesivos estruturais vs. Outros tipos de ligações Os adesivos estruturais são utilizados cada vez mais nas indústrias aeronáuticas e aeroespaciais, mas existem outros tipos de ligações como a soldagem ou a fixação de objectos como pregos, parafusos ou rebites. Nos aviões, a tecnologia de soldagem tem de corresponder à união de materiais com um certo aerodinamismo para atingir o objectivo proposto. Ambos têm vantagens e desvantagens nas suas aplicações mesmo sendo os adesivos estruturais mais recentes que os outros tipos de ligação. Algumas vantagens e desvantagens nos adesivos são: terem boas propriedades químicas e mecânicas, menores temperaturas de processamento comparadas com a soldadura, garantem uma fixação contínua, alta resistência às solicitações mecânicas ou às tensões e obtenção de importantes reduções de custo de fabrico e de ligação. Embora nos adesivos haja degradação originada por um ou mais factores ambientais, a resistência à temperatura, caso as peças não sejam colocadas com precisão, faz com que não seja possível a união após o endurecimento do adesivo e para que a colagem seja eficaz é necessário preparar as peças. Agora, quanto às vantagens e desvantagens dos tipos de ligação, o ponto forte dos outros tipos de ligações é a possibilidade da desmontagem dos objectos após a sua união. As ligações podem ser feitas de alumínio, aço e até mesmo plástico conforme a aplicação que se queira dar ao objecto. Embora, estas possam dobrar ou enferrujar como no caso dos pregos e parafusos de pequenas dimensões, ou então, depois de dobrada ou danificada, a ligação não pode ser mais usada para unir os objectos, pois corre o risco de danificar os componentes do projecto. Quanto à resistência nos adesivos e nas ligações, ambos têm o mesmo objectivo mas tomam caminhos diferentes. Nos adesivos, aumenta a resistência quando o material colado choca ou vibra em alguma coisa, aumenta a resistência quando acontecem variações bruscas, produtos químicos, à temperatura e aumenta a resistência quando se força a tensão no adesivo. Nas ligações, quanto maior o seu volume, maior será a resistência da união entre os objectos. No caso das anilhas, é MMM516 4

16 importante que tenha grande resistência para criar um espaço para que não haja atrito entre a anilha (ligação) e o material. As ligações (pregos, parafusos, porcas, anilhas etc.) durante anos foram utilizadas na indústria para fazer a ligação de metais, madeiras e todos os vários tipos de ligas metálicas. Com o surgimento dos adesivos, diminuiu a utilização das ligações porque os adesivos são mais práticos e resistentes que as ligações, embora os adesivos sejam mais caros, pois requerem grande cuidado no seu fabrico, uma vez que se criaram vários tipos de adesivos, o que não quer dizer que se deixe de usar as ligações embora com menos frequência que antigamente. MMM516 5

17 2.3 Métodos de aplicação dos adesivos nas juntas Adesão e Resistência Os fenómenos de adesão são explicados por diferentes e inúmeras teorias e a cada uma delas estão associados resultados experimentais, verificando-se a existência, por vezes, de atitudes contraditórias, o que indica que os fenómenos de adesão não dependem em separado de uma só teoria, mas da associação de mais do que uma, não permitindo atribuir a uma das teorias um carácter de generalidade na explicação de tais fenómenos. A adesão é, portanto, um fenómeno essencialmente interfacial no qual estão envolvidas forças químicas e físicas. A resistência da adesão de uma interface corresponde ao grau de atracção entre duas superfícies unidas e o seu valor depende do teste utilizado na sua avaliação. Na prática, a base molecular da adesão é raramente estruturada, por isso se recorre a interpretações secundárias para a determinação da resistência da adesão. Assim, a compreensão da teoria da adesão exige, cada vez mais, uma resposta científica, mais concretamente, para provar o papel da sorção química e da difusão nos efeitos de adesão, embora, do ponto de vista químico, o fenómeno de adesão possa resultar da actuação de diferentes forças na Interface Aderente/Adesivo (Tabela 1). Estas forças podem ser polares e não polares, como são as forças de Van der Waals (absorção física) e as ligações hidrogénio (atracção polar muito forte) ou ainda iónicas, covalentes ou de coordenação. A natureza exacta destas ligações e a sua importância relativamente ao fenómeno de adesão, nunca foram directamente estabelecidas. Na tabela 1 apresentam-se os diferentes tipos de ligações conhecidas, indicando as suas respectivas energias de rotura e as distâncias de interacção das forças de ligação. MMM516 6

18 Tabela 1 Tipo de ligações interatómicas e intermoléculares (Ref. [3]). Na ausência de uma teoria geral de adesão, observa-se que a adesão se dá quando os átomos ou as moléculas da superfície de um corpo estão suficientemente perto dos átomos ou moléculas da superfície de outro corpo. A distância entre as moléculas, deve ser, sensivelmente da ordem de alguns Angstroms. Não há razão, a priori, para se pensar que as forças de adesão sejam de natureza diferente das forças de coesão, sendo as ligações constituídas por estas forças igualmente ligações interatómicas ou intermoleculares. Tenhamos, então, algumas considerações relativamente aos diferentes tipos de ligações e respectivas forças de ligação: As ligações primárias são mais sólidas e resistentes que as ligações secundárias; As ligações químicas provêm de uma utilização comum ou de uma transferência de electrões entre átomos; As ligações de hidrogénio advêm das interacções entre dipolos constituídos por átomos de hidrogénio e de oxigénio ou azoto. As forças de Van der Waals surgem da interacção entre os dipolos das moléculas. Se as moléculas tiverem um dipolo de modo permanente ou induzido, as MMM516 7

19 forças correspondentes serão forças de orientação ou de indução. Todavia, podem ser consideradas forças de dispersão se as moléculas tiverem um dipolo nulo mas, no decorrer do tempo, não nulo instantaneamente. Neste âmbito temos, resumidamente, de abordar as teorias de adesão existentes: Teoria da absorção: Nesta teoria as interacções químicas e físicas são as principais forças de atracção. O adesivo, no estado líquido, fixa-se sobre a superfície sólida do aderente graças às forças intermoleculares que provêm de interacções entre os dipolos das moléculas do aderente e do adesivo. Teoria da difusão: De acordo com esta teoria a adesão é atribuída a uma interpenetração molecular na interface do adesivo e do aderente. As moléculas encontram-se ligadas por efeito mecânico e por forças intermoleculares. Teoria eléctrica: Explica as forças de atracção na adesão em termos de efeitos electroestáticos na interface; o sistema adesivo/aderente é comparado a um condensador, no qual as armaduras são as duas camadas eléctricas formadas pelo contacto dos dois substractos. A adesão resulta das forças de atracção desenvolvidas entre as duas armaduras. Teoria mecânica: O adesivo preenche as microcavidades da superfície ou infiltra-se nos poros, se estes existirem. Na superfície ocorre ancoragem mecânica do adesivo. Teoria da polaridade: Nesta teoria, obtêm-se juntas com boas características quando o adesivo e o aderente são ambos polares ou não polares. Teoria da camada limite: Bikerman em 1968 introduziu uma interpretação teórica da adesão que é a teoria da camada limite. Esta teoria propõe a existência, na interface, de uma camada limite finita composta por moléculas absorvidas, que são diferentes, na sua constituição, das moléculas constituintes do adesivo e do aderente. A figura 1 mostra um diagrama esquemático da camada limite. Note-se que a camada limite também inclui a camada superficial do aderente. A fase A corresponde à fase do polímero absorvida cuja espessura pode ir de 10 a 600 Angstroms. A fase B corresponde à fase limite do aderente que possui a mesma rugosidade que a superfície metálica e inclui a camada de óxidos, espécies absorvidas, impurezas, etc. A rugosidade da superfície influencia a sua espessura. MMM516 8

20 Figura 1 Camada limite de uma junta colada na interface Polímero/Metal (Ref. [3]) Como já referido, nenhuma teoria é completa para explicar os fenómenos de adesão, mas estes antes serão o resultado da associação de mais do que uma destas teorias. Contudo, nas ligações por adesão, apesar da grande variedade de factos observados experimentalmente, é bastante provável que se as forças de ligação interatómicas e intermoleculares não existissem, não seria possível obter-se uma ligação por adesão, sendo a adesão considerada mecânica, não uma adesão segundo o próprio sentido do termo, mas por efeito do engrenamento e ancoragem mecânica da ligação. Este mecanismo de ancoragem foi introduzido por Mac Bain, em 1926 para analisar a adesão Polímero/Metal. Na presença de asperezas ou de poros o adesivo infiltra-se naturalmente. A rugosidade é um parâmetro preponderante. Ela favorece um aumento da área de contacto entre os dois materiais e um aumento das ligações da interface. Existe uma rugosidade óptima para que a resistência da junta seja máxima. Figura 2 - Evolução da Resistência à rotura em função do parâmetro rugosidade (Ref. [3]) MMM516 9

21 Estes resultados mostram a influência notável da rugosidade. Na presença de uma superfície lisa (a) ou muito rugosa, a colagem pode ser defeituosa. No primeiro caso, o adesivo não encontra nenhum ponto de ancoragem e adere dificilmente. Com um substrato muito rugoso (c), a cola não penetra o suficiente nas cavidades. Os vazios advinham zonas de concentração de tensões (ilustração 2). O adesivo, quando no estado liquido, deve apresentar boas propriedades de moldagem para garantir um bom casamento com o substrato. As forças de ligação primárias e secundárias tornam-se rapidamente desprezáveis quando a distância entre os pontos activos (zona onde se produzem forças de ligação) passa a ser superior a 5 Angstroms, conforme pode ser observado na ilustração 3. Conclui-se assim, que para a obtenção de uma boa colagem é necessário proceder à aproximação o mais perto possível dos pontos activos do adesivo aos pontos activos da superfície do aderente. Figura 3 - Variação das Forças de ligação versus Distâncias interatómicas e intermoleculares (Ref. [3]) Quando a proximidade entre os corpos não permite o estabelecimento de nenhuma daquelas ligações, diz-se que a adesão é mecânica e que resulta da ancoragem mecânica entre o adesivo e o aderente. Outro factor importante no estabelecimento das ligações referidas é o tipo de grupos funcionais presentes, quer no adesivo quer no aderente. É por intermédio desses grupos que as ligações se estabelecem e consoante a sua natureza, podemos ter a formação de ligações metálicas, de hidrogénio e até covalentes. Quando o aderente é um metal, a tabela 2 mostra alguns dos grupos funcionais mais comuns em adesivos e as ligações que se estabelecem neste caso. MMM516 10

22 Tabela 2 - Grupos funcionais mais comuns, de polímeros utilizados no fabrico de adesivos e as ligações que se estabelecem com uma superfície metálica (Ref. [3]) A ligação de juntas, por colagem envolve uma certa preparação: Criação de pontos activos sobre a superfície do aderente que sejam compatíveis com os pontos activos do adesivo; Aproximação ao máximo do maior numero de pares de pontos activos do adesivo e do aderente, criando o maior numero de pontos de ligação possíveis; Garantia de solidez dos pontos de ligação obtidos. A operação desenvolve-se em três etapas. MMM516 11

23 A realização da primeira etapa consiste em obter uma preparação adequada da superfície, de modo a eliminar corpos estranhos fixos à superfície do aderente, eliminando obstáculos à aproximação dos corpos a serem ligados. Consideram-se corpos estranhos diversificados a água, os óxidos, as gorduras, as poeiras, entre outros. Assim a superfície metálica deve sofrer um tratamento superficial, antes da aplicação do adesivo, de modo a assegurar, posteriormente, uma boa aderência do adesivo. Excluindo adesivos especiais e conforme o objectivo as superfícies podem ser pré-preparadas por: Desengorduramento; Abrasão da superfície e desengorduramento; Tratamento químico (que normalmente correspondem a juntas com): o Adesão moderada e fraca durabilidade; o Boa adesão e durabilidade moderada; o Óptima adesão e boa durabilidade. MMM516 12

24 2.3.2 Processos de Cura O processo de colagem de duas superfícies por um adesivo tem como principal finalidade que a junta assim resultante apresente a máxima resistência, tanto à aplicação de forças externas, como a condições ambientais desfavoráveis. Como já foi referido, para que ocorra um contacto íntimos interfacial, o adesivo deve encontrar-se no estado líquido com baixa viscosidade. Porém, para que a junta obedeça aos seus objectivos, terá de ser rígida e resistente. Esta modificação de fase do adesivo é designada por cura e consiste num endurecimento do material. A cura dos adesivos líquidos pode ser efectuada por vários processos: 1. Endurecimento por remoção do solvente ou do meio dispersante; 2. Arrefecimento; 3. Reacção química. Existem outros adesivos que não têm que passar por este processo, por já se encontrarem devidamente polimerizados. Quando os adesivos já se encontram polimerizados, mas estão dissolvidos ou dispersos num meio orgânico ou em água, têm de ser endurecidos por remoção do solvente ou do meio dispersante. Os termoplásticos fundem quando aquecidos e só solidificam quando são arrefecidos. O endurecimento é feito por reacção química quando a polimerização se dá no local da aplicação. Os adesivos de epóxi são os mais usados devido aos excelentes resultados que apresentam. A sua constituição e caracterização do ponto de vista químico são muito favoráveis, visto que é feita através de uma reacção de endurecimento típica característica da reacção do éter diglicil de bisfenol A (contendo dois grupos oxiranos, peculiares dos compostos epóxis) com uma diamina primária, resultando um adesivo de epóxi. MMM516 13

25 As cadeias moleculares originam uma rede tridimensional cuja massa e viscosidade vão aumentando até se formar uma rede infinita. Atinge-se assim o ponto de fusão, o polímero deixa de fluir e solidifica. A gama de temperaturas a que se dá a solidificação, influencia muitas características importantes da ligação final resultante. Deve, por este motivo, ser cuidadosamente estudada. A temperatura de cura, assim como as proporções de resina ou endurecedor, são condicionadas pelos tipos comerciais dos produtos a utilizar. Na formulação industrial dos produtos encontram-se determinados aditivos (plasticizantes, anti-oxidantes, antisedimentares, catalisadores, etc.), que influenciam as características químicas do adesivo e as propriedades mecânicas das juntas. Por esta razão é recomendado seguir as instruções dos fornecedores dos produtos, a menos que se opte por formular um adesivo com as especificações referidas. É necessário procurar o melhor compromisso temperatura-tempo, o que se traduz, simultaneamente, por uma reactividade o mais adaptada possível com os imperativos de produção e para um temperatura de transição vítrea, o mais alta possível. Os materiais utilizados são fornos com circulação de ar com resistência de aquecimento. Portanto, a fase de colagem é importante porque a segurança da ligação depende do bom desenrolar da operação. Assim, há que ter cuidado para evitar erros. MMM516 14

26 2.4 Fadiga e Resistência nos Adesivos Os adesivos estruturais caracterizam-se por serem produtos muito resistentes e com uma excelente durabilidade, uma vez que resistem à vibração, a fluidos e a altos níveis de temperatura. Os adesivos estruturais têm capacidade de transformar estruturas complexas em montagens sólidas unitárias e monolíticas utilizando diferentes materiais. Assim, emendas ou junções passam a integrar as referidas estruturas proporcionando um aumento considerável da resistência mecânica e rigidez. Então, é sabido que os adesivos estruturais são tão fortes quanto os materiais que unem, mas a resistência à ruptura de uma junta adesiva é determinada por diversos factores, entre eles existe a presença de tensões exercidas na junta, a extensão do contacto entre as superfícies e o desenho da junta. Conforme os diferentes tipos de materiais, existem diferentes tipos de adesivos, sendo necessária uma análise detalhada dos materiais e estruturas nas quais os adesivos vão ser usados passando por uma escolha mais adequada na geometria destes para o tipo de ligação em causa. As tensões mais importantes a que uma junta adesiva é submetida são as tensões de tracção, corte, clivagem e arrancamento. Como é possível verificar na figura (a), na tracção as forças são perpendiculares ao plano da junta adesiva e, como tal, estas distribuem-se uniformemente ao longo da zona de colagem fazendo com que todas as partes da junta estejam à mesma tensão. Já na figura (b) exibe-se um esforço de corte; neste caso, a tensão é paralela ao plano da junta e uniforme em toda a área colada e, por isso, esta resiste ao mesmo tempo à solicitação. Seguidamente, em (c), representa-se uma tensão de clivagem que, ao contrário dos outros casos, representa uma tensão concentrada num extremo da junta. Por fim, a figura (d) apresenta o arrancamento, que consiste no aparecimento de uma elevada tensão na zona limite da junta que, por sua vez, tem de ser flexível. MMM516 15

27 Os adesivos estruturais resistem, com um grau elevado, a estas várias formas de solicitação que podem sofrer os materiais que foram unidos. Isto deve-se à natureza do material e à capacidade que este tem de distribuir as cargas e tensões actuantes sobre a área total da união em vez de concentrá-las. Como por exemplo, este tipo de adesivos pode ser submetido a tensões de cisalhamento muito próximas à tensão de ruptura por longos períodos de tempo sem ocorrer uma falha na junta adesiva. Tabela 3 - Comparação entre os vários adesivos estruturais quanto à sua resistência e tensões (Ref. [1]) Propriedades dos Adesivos Estruturais Epóxi Poliuretano Acrílico modificado Cianoacrilato Anaeróbico Resistência ao Impacto baixa excelente boa baixa regular Tensão de Cisalhamento 15,4 15,4 25,9 18,9 17,5 (MPa) Tensão de Arrancamento (N/m) < < De acordo com os tipos de fadiga apresentados, pode-se afirmar que a resistência ao cisalhamento é muito maior que a resistência à tracção, à clivagem e ao arrancamento. Assim, deve-se enfatizar os esforços de cisalhamento quando se projecta uma junta adesiva de modo a obter uma máxima resistência. Deste modo, os bons desenhos de juntas adesivas tentam distribuir as cargas impostas na camada adesiva como uma combinação de tensões de cisalhamento e de compressão, fugindo da tracção, da clivagem e do arrancamento na medida do possível. Na ilustração 1 apresentam-se bons ( Good designs ) e maus ( Poor designs ) exemplos de desenhos de juntas. MMM516 16

28 Figura 4 Exemplos de desenhos de juntas (Ref. [4]) MMM516 17

29 2.5 Tipos de Adesivos Estruturais Tabela 4 - Características de diferentes adesivos (Ref. [2]) Os adesivos estruturais do tipo epóxido constituem, actualmente, a base daquilo que é usado na indústria aeronáutica. É um tipo de adesivo muito versátil no que à formulação diz respeito. Os adesivos epóxidos são com maior frequência utilizados na colagem estrutural de componentes, por apresentarem uma elevada resistência a diversos factores. Estes adesivos apresentam propriedades mecânicas muito favoráveis no que diz respeito a resistência de tracção, corte ou mesmo resistência química (óleos, solventes, etc ). MMM516 18

30 Essa resistência conduz a uma elevada durabilidade. Além disso, todo o processo de cura é bastante simples e versátil (não há recurso a água ou outros produtos voláteis, baixo grau de deformação, pode ser realizado a diversas gamas de temperaturas e pode ser rápido ou lento). As juntas adesivas deste material produzem um resultado bastante coeso, mesmo entre superfícies irregulares e de diferentes materiais (entre metal, pedra, vidro, madeira e alguns plásticos) sem ser necessário recorrer à aplicação de qualquer tipo de pressão durante a cura. A versatilidade dos epóxidos permite variar diversas propriedades no adesivo conforme a sua aplicação. Entre elas está o nível de flexibilidade/rigidez do sistema (por exemplo: um adesivo mais rígido serve para solicitações mecânicas de corte e tracção; soluções mais flexíveis garantem uma maior resistência à temperatura). A modificação dos Epóxidos através da adição de outras resinas (como poliamida, fenólicas, polisulfido, etc) ou de elastómeros (silicone, poliuretano, nitrilo, etc), leva a necessidade de separar os epóxidos em 4 grandes grupos. Tabela 5 Tipos de Epóxidos Epóxido-Fenólico Elevada estabilidade e resistência ao corte a elevadas temperaturas Resistências de clivagem e arrancamento inferiores aos outros. Cura é feita sob acção da pressão a temperaturas de 170 o C Epóxido-Polisulfido Grande versatilidade Usados nas juntas de materiais com características térmicas diferentes Boa resistência ao meio ambiente, a vibrações e choques MMM516 19

31 Epóxido-Poliamida Agente flexibilizante e endurecedor Processo de cura longo (12 a 16h) e realizado á temperatura ambiente Sub-grupo epóxido-nylon especialmente concebiido para a industria aeronáutica devido á sua elevada resistência ao arrancamento Epóxido-Nitrilo Boa resistência ao arrancamento Existe sob forma de filmes e pode ser aplicado numa vasta gama de temperaturas (-55 a 120 o C) Aplicado na construção e manutenção de aviões comerciais a jacto Quando se fala no mercado de adesivos estruturais na indústria aeronáutica, podemos constatar que existem entidades reguladoras de certificação que definem normas de segurança e que sujeitam cada tipo de junta a testes rigorosos. Exemplo disso é um documento retirado do website de uma empresa brasileira de adesivos (A&S: Adesivos e Vedantes, adesivos.asp) do qual extraímos um excerto: Richard Weiss, gerente de desenvolvimento de mercado e vendas para a América do Sul e Central da PPG Aerospace PRC-DeSoto, diz que na indústria aeroespacial os selantes devem passar por especificações técnicas bem rígidas. Cada tipo de aplicação de selante passa por rigorosos testes específicos, garante. Aplicações dos adesivos nos aviões: Reforço estrutural Colagem de vidros em geral (através de poliuretano) Chassis (desde o corpo do avião até às asas) Componentes internos (essencialmente mecânicos) Fuselagem Trem de aterragem MMM516 20

32 3 Conclusões Os adesivos estruturais são um tipo de ligação que veio para ficar. É uma área ainda de bastante desenvolvimento e que no futuro pode vir a substituir de uma forma quase total todas as juntas que ainda usam soldaduras e outros processos idênticos. É uma área muito promissora, no que à investigação diz respeito, mas que aos poucos vai marcando cada vez mais presença em construções mecânicas e estruturais (de que também são caso os aviões). No que diz respeito aos epóxidos (o tipo de adesivo mais referenciado e, na realidade com mais aplicações no dia-a-dia), a sua versatilidade de configurações torna viável que seja possível encontrar adesivos com características únicas, para problemas singulares. Tudo é uma questão de investigação. Isto revela que o campo de aplicação dos adesivos estruturais está longe de ser limitado, por enquanto. MMM516 21

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34 Bibliografia [1] Mendes, Carlos Ney Rocha Pessoa Contribuição ao Desenvolvimento de Projecto de Carrocerias Automotivas Utilizando Adesivo Estrutural para Junção de Chapas Metálicas. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia. [2] Teixeira, Luís Manuel Barbosa Santos Caracterização do Comportamento Mecânico de Juntas de Sobreposição Simples Coladas com Adesivos Estruturais. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. [3] Monteiro, Delfim Ferreira Análise do Comportamento à Fractura de Juntas de Aço Efectuadas com Adesivos Estruturais. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. [4] A.J. Kinloch. Adhesion and Adhesives. Science and Technology. Department of Mechanical Engineering Imperial College of Science and Technology University of London. Chapman and Hall [5] Grimes, David L. Application of Structural Adhesives in Air Vehicles. Advisory Group For Aeronautical Research and Development North Atlantic Treaty Organization Palais de Chaillot, Paris 16. March-April [6] [7] rodutossolucoes/solfiltrmercindustriais/adesivos/adesivosestruturais/ [8] [9] [10] rodutossolucoes/solfiltrmercindustriais/adesivos/adesivosestruturais/ [11] w.3m.com.br/aeroespacial [12] NXM_4XM6EVuQEcuZgVs6EVs6E MMM516 23