COMPÓSITOS ALTAMENTE REFORÇADOS PARA JUNTAS DE VEDAÇÃO: PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES MECÂNICAS

Transcrição

1 COMPÓSITOS ALTAMENTE REFORÇADOS PARA JUNTAS DE VEDAÇÃO: PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES MECÂNICAS Patrícia de Souza Paiva (*) ; José Eduardo de Sena Affonso (**) e Regina Célia Reis Nunes (*) (*) Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia Bloco J Cidade Universitária - Ilha do Fundão CEP Rio de Janeiro, RJ (**) Teadit Indústria e Comércio Ltda Resumo Compósitos utilizando por base borracha nitrílica (NBR) e caulim (CAU) foram analisados quanto às propriedades de processamento e mecânicas, quando teores diferenciados de poliamida aromática (PAA) e vermiculita (VER) foram adicionados, com o objetivo de se desenvolver materiais para junta de vedação. As formulações foram realizadas em câmara de mistura acoplada a reômetro de torque, para a determinação da processabilidade. Após vulcanização das diferentes misturas foram obtidos os corpos de prova para os seguintes testes: resistência à tração, selabilidade e compressão/recuperação. Todos os procedimentos foram baseados em normas internacionais. O compósito NBR-caullim tendo como cargas adicionais PAA:VER, na proproção 1:1, foi o que apresentou o melhor comportamento quanto às características necessárias a um artefato termorrígido para uso como junta de vedação. Introdução Há diversos meios para a conexão de tubos entre sí, de tubos a válvulas, sendo os principais as ligações flangeadas, onde sempre existe uma junta, que é o elemento de vedação (1). Quando em serviço, a junta está submetida a uma forte compressão provocada pelo aperto dos parafusos, e também a um esforço de cisalhamento devido a pressão interna do fluido circulante. Para que não haja vazamento através da junta, é necessário que a pressão exercida pelos parafusos seja bem superior à pressão interna do fluido, que tende a afastar os flanges. Por este motivo, quanto maior for a pressão do fluido, tanto mais resistente terá de ser a junta, para aguentar ao duplo esforço de compressão dos parafusos e de cisalhamento pela pressão. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25301

2 A junta também deverá ser suficientemente deformável e elástica para se amoldar às irregularidades das superfícies dos flanges garantindo a vedação (1). A utilização de material fibrilar na confecção de juntas de vedação visa um maior reforço ao compósito, resultado do esforço aplicado, que pode ser transferido através da matriz polimérica, de fibra para fibra. Uma vez que as fibras possuem módulo superior ao do polímero, quando se aplica uma tensão ao artefato, as primeiras oferecem resistência local à deformação, sendo a tensão absorvida, superior a da matriz que as envolve, resultando no reforço mecânico do compósito (2,3). A PAA é uma fibra orgânica sintética muito utilizada quando a resistência à chama é solicitada, apresentando também excelentes propriedades mecânica, térmica e de resistência a produtos químicos. Sua estrutura altamente cristalina é responsável por sua grande rigidez (4). Para que se obtenha um material de alto desempenho mecânico e fácil processabilidade, compatível com grandes quantidades de carga, o uso de VER foi proposto. Sendo um silicato hidratado da família das argilas micáceas, sua estrutura cristalina e lamelar apresenta várias aplicações, dentre elas a de lubrificante. Além disso, já foi evidenciada sua eficiência alterando de forma positiva as propriedades físico-mecânicas de compósitos (5,6). O uso de CAU em compósitos utilizados em juntas de vedação é bastante difundido, geralmente em combinação com outras cargas. Sua utilização diminui consideravelmente o custo do produto, conferindo-lhe também uma certa rigidez. O presente estudo tem como objetivo o desenvolvimento de compósitos para juntas de vedação e sua avaliação quanto à processabilidade e às propriedades mecânicas tendo por base NBR e três tipos diferentes de cargas: fibrilar, granulada e em pó, PAA, VER e CAU respectivamente. Experimental Materiais: Os materiais utilizados no presente estudo estão listados na Tabela 1. Todos os materiais foram utilizados como recebidos, com exceção do CAU que foi colocado em estufa à C durante 1 hora antes do uso. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25302

3 Tabela 1 Materiais utilizados e suas respectivas fontes. Matéria-Prima Fonte Borracha Nitrílica, 39% (NBR) Nitriflex Óxido de zinco (ZnO) Global Ácido esteárico (AE) Ceralit Enxofre (S) Supervent Difenilguanidina (DPG) Bayer Bis-N-etil-N-fenilditiocarbamato de zinco (PEN) Bayer Poliamida aromática (PAA) DuPont Vermiculita (VER) Mineração Matheus Leme Caulim (CAU) Eucatex Processamento: As formulações foram preparadas em câmara de mistura Haake Rheomix, utilizando rotor tipo Cam e velocidade de rotação de 40 rpm, com temperatura inicial de 30 0 C. O tempo total de mistura foi de 15 minutos e as composições e ordens de adição são mostradas nas Tabelas 2 e 3 respectivamente. Tabela 2 Composições das formulações C1, C2 e C3 (phr). C1 C2 C3 NBR ZnO AE S DPG PEN PAA VER CAU phr per hundred resin (por cem partes de resina/borracha) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25303

4 Tabela 3 Ordem de adição dos componentes nas composições. MP Tempo (min) NBR 0-1 PAA + VER 1-8 CAU 8-13 ZnO+AE+S+DPG+PEN Descarregar 15 Após o processamento, cada uma das composições foi laminada em misturador de rolos Berstoff, 10x22,5 cm, a 35 0 C e velocidade dos rolos de 50 (anterior) e 60 rpm (posterior), obtendo-se uma espessura final de 1±0,2mm. Os laminados foram curados em prensa hidráulica à C, segundo os tempos ótimos obtidos por reômetro de disco oscilatório usando arco de ±3 0. Dos laminados curados, foram cunhados corpos-de-prova para realização dos testes de resistência à tração conforme Norma ASTM F (7), de selabilidade, seguindo a Norma ASTM F (8) e de compressão/recuperação determinados pela Norma ASTM F (9). Resultados e Discussão Processabilidade: As composições propostas apresentaram Energias específicas, durante o processamento conforme mostrado na Tabela 4. Tabela 4 Energia específica (J/g)das composições. Composição Energia (J/g) C1 1770,07 C2 2084,01 C3 2338,58 Os valores obtidos revelam que a composição com maior teor de PAA requer uma energia maior para seu processamento. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25304

5 Resistência à tração: A Figura 1 ilustra a variação da resistência à tração das composições. MPa ,47 7,37 11, C1 C2 C3 Composições Figura 1 Gráfico de Resistência à tração (MPa) De acordo com os valores apresentados, a composição C2, com as proporções PAA/VER 1:1 apresentou o melhor resultado de resistência à tração. Selabilidade: Com variações de pressão, os testes de selabilidade apresentaram os resultados mostrados na Tabela 5, evidenciando que em geral a composição C2 possui melhor comportamento de selabilidade. Tabela 5 Selabilidade das composições à diversas pressões de aperto. Pressão de aperto C1 C2 C3 500 psi (ml/h) 0,80 0,64 1, psi (ml/h) 0,37 0,29 0, psi (ml/h) 0,31 0,23 0, psi (ml/h) 0,21 0,14 0,18 Compressão/Recuperação: Os valores de Compressão/Recuperação apresentados pelas composições na Tabela 6 demonstram que para recuperação, todas se comportam de maneira semelhante enquanto que a composição C2 sofre uma menor compressão durante o teste. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25305

6 Tabela 6 Compressão (%) e Recuperação (%) das composições. Compressão (%) Recuperação (%) C1 25,4 72,5 C2 16,8 72,4 C3 21,5 72,5 Conclusão De uma maneira geral, pôde-se concluir que a formulação C2, com proporções iguais de PAA e VER apresentou os melhores resultados. Referências 1. P. C. S. Telles, Tubulações Industriais Materiais, Projeto e Desenho, 7 ª edição, Livros Técnicos e Científicos Editora, Brasil (1987). 2. J. V. Milewsky, Polymer Composites, 13, 3, (1992). 3. Y. Termonia, Journal of Polymer Science, 25, (1990). 4. Kevlar Aramid Fiber Technical Guide DuPont. Material Safety Data Sheet, 11 (1996). 5. J. Hoyes, Sealing Technology, 46, 8-9 (1998). 6. C. C. Ou, D. G. Pickering, Journal of Coated Fabrics, 22, July, (1992). 7. Método ASTM F Tension Testing of nonmetalic gasket materials - Vol Método ASTM F Sealability of Gasket Materials Vol Método ASTM F Compressibility and recovery of gasket Materials Vol CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 25306