AULA 10 – DO MATERIAL AO PRODUTO (FABRICAÇÃO)

POR QUÊ A EXTRUSÃO?

A extrusão é uma técnica que permite obter objetos de grande comprimento e de baixa seção, as seções estruturais (mangueiras, juntas de estanqueidade ou de para-brisas, cabos elétrico, fios elásticos) que logo em seguida serão vulcanizados.

Ela só representa 10% das técnicas de transformação dos produtos acabados contra 85% por moldagem e 5% para a calandragem. Mas é também a técnica mais usada pela fabricação dos semi-produtos, os esboços, destinados à moldagem direta (juntas tóricas de grandes dimensões), seja pela vulcanização sob forma (cotovelos), ou por confecção de peças mais elaboradas (bandas de rodagens, tubos de isolamento de alta pressão...).

 

A extrusão prevaleceu na indústria da borracha por vários motivos:

- A complexidade da forma de algumas dessas seções estruturais proíbe a transformação por moldagem pois a realização de tais moldes tornaria proibitivo os custos de fabricação das peças;

- A extrusão é o único método que permite obter peças de grandes comprimentos em relação ao molde;

- Devido as evoluções do material e das técnicas de vulcanização, a extrusão possibilita a fabricação continua de produtos complexos por um custo menor.

A EXTRUSÃO, COMO?

A extrusão é um processo de fabricação termomecânica através da qual a mistura compactada é forçada a atravessar uma fileira tendo a seção da peça a ser obtida.

Os perfis assim obtidos são então vulcanizados de maneira descontínua e contínua.

A fileira é o elemento terminal da extrusora que pode ser complexa dependendo dos perfis, nomeadamente os perfis poli componentes, borracha metal ou borracha têxtil por exemplo.

As fileiras são elementos muito importantes já que as aberturas praticadas condicionam a forma e as dimensões dos perfis. Geralmente essa abertura (ou perfil) não tem forma, nem as dimensões do perfil a ser obtido porque as paredes da fileira freiam a mistura e provoca velocidades mais baixas de fluxo na periferia em relação ao centro. O excesso de matéria acumulada no centro, leva um inchamento que dependerá da viscosidade da mistura.

A extrusora, também chamada de "moldeadora" é composta de um corpo cilíndrico, regulado termicamente, no qual gira um parafuso infinitamente acionado por um grupo motorredutor. Na parte traseira, encontra-se uma tremonha de alimentação na qual é introduzida a mistura sob forma de bandas ou grânulos. A mistura é então realizada pelo parafuso até a parte dianteira da extrusora cuja fileira é adaptada dependendo da forma do perfil.

Para realizar os perfis policomponentes são usadas extrusoras com "cabeça de ângulo" ou "cabeça de esquadro"

Ou para realizar perfis bi-matérias, pode-se usar várias extrusoras.

O parafuso é o órgão principal da extrusora e lhe confere sua denominação. Por exemplo, uma extrusora de 60-12D contém um parafuso de diâmetro 60 mm e um comprimento de 720 mm : 12D.

 

Após a extrusão do perfil "cru", existe dois princípios de vulcanização do perfil

1) A vulcanização "em descontínuo":

Neste tipo de vulcanização em bandejas ou coroas de perfis crus, são introduzidos em autoclaves (vulcanização sob pressão de ar ou vapor de água) ou em estufas de ar quente sem pressão.

2) A vulcanização em "contínuo", com uma instalação direta no prolongamento da extrusora.

 

Diversas técnicas são usadas:

No tubo ar quente

A vulcanização de ar quente consiste em veicular os perfis em um forno túnel dentro do qual circula o ar quente por um trocador de energia térmica, resistências elétricas ou tubos de radiação infravermelha.

Em banho de sal

Na vulcanização a banho de sal, o perfil é imerso em um recipiente de aço inox e preenchiso de sal de uma mistura de nitrato de potássio e de sódio, aquecido eletricamente. A solução é muito fluida e penetra perfeitamente nos interstícios dos perfis. É, por conseguinte, um aquecimento direto caracterizado por uma transmissão do calor 50 vezes mais rápido que num forno de ar quente.

Em forno UHF (Frequência Ultra-Alta) + Ar quente

O perfil é inserido num túnel e em seguida é submetido às ondas electromagnéticas de Alta Frequência. A elevação da temperatura é efetuada de maneira homogênea em todos os pontos do perfil. Porém as micro-ondas perdem pouco a pouco sua eficiência, existe um risco importante de subvulcanização dos perfis. Para solucionar este problema, um túnel UHF sempre é seguido de um forno de ar quente.

 

De maneira geral, as misturas destinadas a extrusão devem ser formuladas especificamente para:

  • Dar perfis lisos.
  • Garantir uma vulcanização sem deformação importante (compromisso entre a desagregação do perfil e sua grade)
  • Não inflar excessivamente na saída da fileira (compromisso entre plasticidade e recuperação elástica).
  • Responder ao caderno de encargos correspondente.

Para ilustrar esse processo, nós realizaremos a extrusão de um perfil celular em vulcanização contínua em nossos ateliês. Assim você poderá visualizar as diferentes etapas da alimentação, até a saída da fileira e a forma definitiva na saída do túnel de vulcanização.

Começamos.

  • Instalação da fileira
  • Preenchimento do corpo da extrusora
  • Ajuste da máquina até obtenção do perfil desejado
  • Ajuste do túnel ar quente e verificação perfil na saída

As borrachas alveolares

PARA QUAIS APLICAÇÕES?

As matérias alveolares resultam da vontade de introduzir de forma controlada uma proporção de cavidades cheias de gás num esqueleto de matriz polímera com a finalidade de:

  • aumentar a flexibilidade: primeiras espumas de látex para a mobília;
  • melhorar o caráter isolante, térmico ou fônico: espumas para os prédios;
  • tornar a matéria amortizada: espumas de embalagem;
  • diminuir a carga da matéria conservando suas propriedades estruturais.

Unicamente para a isolação, o mercado mundial se eleva em bilhões de dólares. A boa compressibilidade e elasticidade, seu poder absorvente e sua aderência superficial tornam, até hoje, a borracha alveolar única. Eis alguns setores nos quais as borrachas alveolares são usadas:

  • Indústria automóvel tais como o pneu anti furo ou juntas de portas
  • Indústria elétrica
  • Construção de máquinas ou ferramentas tais como cortantes para extração das peças ou como tampão nas rotuladoras ou como rolo de aplicação de pintura
  • Construção de aparelhos e construção metálica
  • Técnica de ventilação e climatização para a limpeza das tubulações
  • Técnica de eletrodoméstico e sanitários
  • Aeronáutica e navegação espacial tais como buchas isotérmicas
  • Construção naval tais como os perfis de estanqueidade das janelas
  • Paramédico tais como as solas ortopédicas
  • O esporte como nos revestimentos das raquetes de tênis de mesa ou as roupas de mergulho.

COMO OBTER UMA BORRACHA ALVEOLAR?

A borracha alveolar é uma borracha contendo várias células (abertas ou fechadas, ou ambas) repartidas em toda sua massa.

Distinguem-se 3 tipos de estruturas :

  • a borracha esponjosa, composto de uma pele e no interior constituído de alvéolos comunicantes, também chamada de estrutura semifechada
  • a borracha celular, matéria de células completamente fechadas e sem pele, geralmente, e
  • a borracha microporosa ou micro alveolar, dado que as células são invisíveis a olho nu.

As borrachas alveolares podem ser seja flexíveis, ou rígidas (como a ebonite porosa, por exemplo).

Para obter essa estrutura alveolar, incorpora-se à mistura um produto suscetível de se decompor sob ação do calor liberando um gás, um ou dois agentes incháveis, os quais por difusão na matéria levarão à formação de alvéolos ‘’fixadas’’ durante a vulcanização. Os agentes incháveis frequentemente usados (o Azodicarbonamida ou a dinitrosopentametileno tetramina) emitem com mais frequência azoto ou dióxido de carbono a partir de uma temperatura determinada.

A arte do borracheiro é permitir a libertação de gases antes que a parte de borracha seja completamente vulcanizada.

  • As diferenças de propriedades entre uma borracha compacta e uma borracha alveolar são principalmente a nível físico devido à presença desses alvéolos:
  • A densidade das borrachas alveolares é inferior, a ver muito inferior a 1, em comparação à densidade compactada geralmente próxima de 1,2, garantindo a diminuição da carga dos produtos finais;
  • As peças em borrachas alveolares são muito mais flexíveis do que as em borracha compacta de dureza entre 20 e 90 pontos Shore A, enquanto mediremos a sustentação das matérias alveolares, ou seja, sua resistência ao esmagamento.
  • As tensões em compressão são muito mais baixas para as borrachas alveolares mantendo uma boa deformação remanente à compressão (volta ao estado inicial após esmagamento). Essa particularidade é utilizada, por exemplo, nas juntas de capô, porta-malas e a porta do carro para diminuir as forças de fechamento assegurando uma boa estanqueidade no ar e na água.
  • O inchamento na água das misturas celulares é inferior a 5%

As peças de borracha alveolares podem ser produzidas por moldagem e por extrusão continua.

1) No que diz respeito a moldagem, ao encher parcialmente a cavidade do molde, obtém-se uma peça esponjosa impedindo o molde de fechar hermeticamente para que a mistura possa se expandir livremente como o fermento de bolo e uma parte do gás se liberar.

Caso se encha a totalidade da cavidade do molde aplicando uma pressão forte, o gás emitido durante a decomposição do agente inflável não pode nem escapar, nem se dilatar e como a mistura é realizada entre os tempos vulcanizados, a expansão será feita durante a abertura do molde: obtém-se então uma estrutura celular, com células fechadas.

No caso da borracha esponjosa, o operador desmoldará a peça. Enquanto que com a borracha celular, na abertura do molde, a peça se expulsará sozinha da pegada do molde. Esse fenômeno é levado em conta durante a concepção do molde celular atenuando os ângulos retos para evitar a extração no decorrer da saída da peça.

Para isso, a viscosidade das misturas deve ser muito baixa, o peso e o posicionamento dos esboços exatos e a natureza e a quantidade do agente inflável determinados com minúcia, a temperatura de decomposição sendo o principal critério de seleção.

2) A extrusão com cozedura UHF (ondas Ultra Alta Frequência) seguido por um túnel de ar quente permite obter juntas celulares continuamente. Ao usarem várias extrusoras e um sistema de conectores adaptado, essas juntas podem inclusive ser tri-componentes: estrutura dura de plástico coberta de uma borracha duro na qual será fixada a parte tubular celular.

A calandragem e o revestimento

POR QUÊ?

Essas técnicas permitem obter objetos de grande comprimento, largura e de pequena espessura: de 0,1mm a 2mm para a calandragem e de 0.01mm a 0.1mm para o revestimento. Esse processo representa apenas 5% das técnicas de transformação dos produtos acabados em borracha.

Elas são utilizadas particularmente para a fabricação dos casacos impermeáveis, tapetes, , e também vestuários para mergulho (de borracha alveolar).

É, também, uma técnica para a preparação dos produtos semiacabados destinados à fabricação das pneumáticas ou peças moldadas em compressão.

Algumas bandas transportadoras ou as correias, tapetes, e revestimento dos cilindros de impressão.

COMO?

Dois princípios:

A calandragem: Ela consiste em obter, a partir de uma mistura a base de borracha cru « seca », uma folha homogênea, lisa e regular por passagem entre os cilindros de uma calandra.

As misturas destinadas à calandragem devem comportar:

  • Geralmente, poucas cargas para evitar que a folha não quebre e obter espessuras inferiores a 0.5mm,
  • Uma ótima plasticidade: ML (1+4) à 100°C de 40 a 70 pontos Mooney para obtenção de espessura mínima de 0.09mm e inferior a 25 pontos Mooney para obter folha inferiores de 25/100°.
  • E sistemas de vulcanização sem reversão e sem queimadura

O processo da calandragem pode ser feito com 2 cilindros :

  • Para a "tiragem" de folhas compostas integralmente de borracha
  • Para a calibragem de uma folha já preparada
  • Para a dobragem a frio

A calandragem também pode ser realizado com 3 cilindros :

  • Tiragem de folha "integralmente de borracha"
  • Recobrimento de uma face de um tecido

A linha de calandragem com calandra de 3 cilindros é constituída de várias aparelhagens para o desenrolamento e enrolamento do tecido coberto a fim de obter continuamente grandes comprimentos sob forma de rolos.

Por último, a calandragem também pode ser efetuada com 4 cilindros ou calandragem "duas faces" particularmente usada para a fabricação de carcaça para pneumática:

  • remoção de folha (bi-matéria)
  • recobrimento das 2 faces de um tecido simultaneamente

O revestimento: esse consiste em obter, a partir de uma mistura a base de borracha crua "líquida", uma película em um tecido homogêneo, liso e regular por passagem entre os cilindros da matéria a revestir.

O revestimento é um processo complementar da calandragem que inclui todas as técnicas garantindo o depósito das capas finas de borracha líquida ou pastosa (látex ou dissolução) em um suporte têxtil.

  • A matéria a revestir constituída de um cilindro composto de uma lâmina e de dois perfis ajustáveis constituindo um reservatório para receber a mistura líquida ou pastosa.

A linha de revestimento tal como a linha de calandragem, inclui acessórios para:

  • permitir o desenrolamento do tecido
  • assegurar a secagem da água ou do solvente
  • realizar o enrolamento com a retenção anti adesiva
  • A impregnação complementa a matéria a revestir, ela:

- utiliza a técnica de imersão total ou imersão total "banho completo"

- é utilizada para o revestimento "dupla faces"

- impõe um líquido de baixa viscosidade e molhabilidade elevada

As folhas obtidas por essas 2 técnicas são :

- utilizadas como semi-produtos e logo em seguida serão confeccionadas peças complexas (pneumáticas, correias, barcos...)

- ou vulcanizadas para obter um produto acabado

A vulcanização dos rolos realizados está efetuada:

  • Seja descontínua em estufa, forno ou autoclave
  • Ou contínua usando uma máquina especial de vulcanização por rotação chamada "Rotocure"

A aderização

POR QUÊ A ADERIZAÇÃO?

As indústrias usam cada vez mais conjuntos associando os elastômeros em diferentes materiais. Esses conjuntos frequentemente chamados "compósitos" incluem uma larga gama de aplicações e devem responder a diversas exigências. O uso final do "Compósito", a natureza desses materiais a serem unidos, os imperativos econômicos que determinam o melhor processo de associação a ser usado.

Distingue-se, então, dois grupos :

- As montagens elastômeras – suportes flexíveis, o seja as ligações elastômeras-têxteis, primeiramente destinadas à impermeabilização dos tecidos a fim de obter uma boa proteção contra as intempéries, e em seguida para a indústria da pneumática, estruturas suportadas por ar, reservatórios flexíveis, revestimentos de solos e paredes, correias e esteiras transportadoras.

Vários processos são usados com frequência, necessitando em todos os casos uma preparação dos têxteis (desengordura desensimagem para eliminar as impurezas do têxtil e/ou branqueamento e secagem conformes às fibras):

  • O revestimento ou impregnação dos látex ou dissoluções da mistura por pulverização, fricção ou simples contato para as características técnicas menos elevadas
  • Tratamento prévio dos têxteis e banhos adensáveis tipo RFL (Resorcina, Formaldeído e Látex) para as aplicações mais técnicas
  • as Misturas auto-adensáveis
  • Ou técnicas mistas para as maiores aplicações

- As montagens elastômeros-suportes rígidos, são principalmente associações borracha-metais ou elastômeros-plásticos rígido (aço, inox, alumínio, zinco, poliamida, P.T.F.E, vidro)

Inicialmente, os elastômeros vulcanizados eram montados em seus suportes flexíveis por meios mecânicos usuais: parafusos, parafusos com duas cabeças, porcas... Além de seu peso, essas montagens eram volumosas e demoravam a serem realizadas. A aparição das colas possibilitou limitar o peso, o volume e o tempo de montagem, mas as características das colagens ao longo do tempo e pela temperatura permaneciam medíocres.

A aparição dos adesivos químicos chamados "agentes de aderazação" permitiu a adesão de quase todos os elastômeros na maioria dos suportes rígidos de boa qualidade e confiança resolvendo os problemas de reação da temperatura e longevidade.

Esse processo de aderazação é bastante usado para a realização de peças técnicas tais como o revestimento de tanques, cabos para pneumáticas, revestimento de cilindros, suportes motor, apoios de pontes ou dispositivos antissísmicos... Para as indústrias de:

  • Automóvel
  • Aeroespacial
  • SNCF
  • Eletrodoméstico
  • Impressão/ papelaria
  • Marinha
  • Pontes e calçadas
  • Energia (eletricidade, eólica…)
  • Indústria química

COMO?

Uma boa aderização está condicionada em grande parte pelo tratamento prévio das áreas a adensarem. Essas áreas devem ser perfeitamente limpas, quimicamente ativas e com um relevo adequado.

A preparação dos suportes é classificada em dois grupos:

  • Tratamento mecânico
  • Tratamento químico particularmente preconizado para os metais não ferrosos inclusive os aços inoxidáveis. A natureza do substrato determinará consequentemente o tratamento da área

Aderização com os agentes de aderização químicos

Um bom agente aderizante deve ser o mais polivalente (ou universal) possível, ou seja oferecer o máximo de possibilidades de associações da borracha com matérias de natureza muito diversificada.

  • O elastômero de base da mistura determina a família de adesivos (polivalentes ou específicos)
  • A dureza da mistura e/ou o modo de vulcanização (moldagem ou autoclave) e a temperatura e o tempo de vulcanização determina numa família o melhor tipo de adesivo. Para as temperaturas de vulcanização inferiores a 130°C ou superiores a 170°C, é necessário selecionar um adesivo mais específico. Igualmente para tempos de vulcanização muito curtos, é necessário escolher um adesivo muito reativo e para tempos relativamente longos, adesivos resistentes ao envelhecimento em termo de temperatura.
  • As condições de serviço do produto acabado orientam a escolha para um sistema adesivo : monocapa ou bicapas (especialmente para os suportes facilmente oxidáveis ou as aplicações severas).

Os agente de aderização (em especial chemosil, thixon ou cilbond) selecionados são aplicados, após a homogeneização e a diluição, em função da importância das séries, do custo da aparelhagem, do grau de perfeição a atingir e segundo as preconizações de cada fabricante:

  • Com pincel (pequenas séries)
  • Por imersão (séries muito elevadas)
  • Por pulverização (instalação mais cara mas polivalente)
  • Por extrusão (limitada às áreas planas)

A espessura da película obtida é primordial para que a reação seja ótima. O descumprimento das espessuras mini / maxi preconizadas pode provocar descolamentos com excesso ou defeito de adesivo. A formulação da mistura também terá um papel essencial para conseguir uma montagem de qualidade (ex: baixa e alta dureza são difíceis a aderirem).

Os agentes de aderização reagem sob a influência da pressão e da temperatura. A reação se desenvolve ao mesmo tempo em que a vulcanização da mistura e segue a curva reométrica do mesmo: A aderização aumenta com a reticulação do agente. A montagem borracha-suporte é realizada a partir do final da terceira etapa do processo.

Transformação por moldagem injeção, compressão, compressão-transferência ou extrusão:

Todos os modos de vulcanização são adequados para a aderização desde que eles combinam calor e pressão. Porém, algumas precauções no caso dos moldes com muitas pegadas quando o carregamento é manual: o primeiro inserto depositado no molde é submetido a um pré-aquecimento que pode torrar o adesivo. Portanto um carregamento semi-automatizado é preconizado. Igualmente no caso de uma suporte rígido espesso, um pré-aquecimento é preconizado com baixa temperatura para evitar torrar a película garantindo uma temperatura inicial dos insertos. Por último, o uso de agente de desmoldagem (sobretudo a base de silicone) deve ser evitado porque isso é nefasto à aderização. Em todos os casos, a peça vulcanizada deve arrefecer antes de ser controlada.

A aderização dos elastômeros em diferentes suportes agora parece uma operação fácil. Se ela implanta métodos simples em teoria, estes na prática são complexos, necessitando o maior cuidado e um controle quase permanente para obtenção da aderização de qualidade:

  • Preparação dos suportes
  • Revestimento dos suportes com o agente de aderização
  • Vulcanização de misturas

QUIZ - Os processos de fabricação