estudo da influÊncia de triÓxido de antimÔnio na flamabilidade de compostos de borracha...

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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIEESCOLA DE ENGENHARIAENGENHARIA DE MATERIAIS

OSVALDO RAMOS FILHOVITOR GALELO NASCIMENTO ZANIBONI

Estudo da Influncia de trixido de antimnio na flamabilidade de compostos de borracha nitrlica (nbr)

SO PAULO2014



Trabalho de graduao interdisciplinar apresentado ao curso de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para a obteno do ttulo de Engenheiro.

ORIENTADOR: PROF. DR. NILSON CASIMIRO PEREIRA

SO PAULO2014



Trabalho de graduao interdisciplinar apresentado ao curso de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para a obteno do ttulo de Engenheiro.

Aprovado em,

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________________Prof. Dr. NILSON CASIMIRO PEREIRA OrientadorUniversidade Presbiteriana Mackenzie

____________________________________________________________Profa. Dra. MARIA OLIVIA ARGUESO MENGOD Universidade Presbiteriana Mackenzie

____________________________________________________________Profa. Dra. TEREZINHA JOCELEN MASSON Universidade Presbiteriana Mackenzie

Aos nossos pais, mentores dessa nossa jornada

AGRADECIMENTOS

Ao professor Dr. Nilson Casimiro Pereira, pelo conhecimento e orientaes no decorrer dos estudos e realizao deste trabalho.

A nossa famlia pelo incentivo constante.

EPGRAFE

A competitividade de um pas no comea nas indstrias ou nos laboratrios de engenharia. Ela comea na sala de aula.Lee Iacocca

RESUMO

Este trabalho discorre do estudo de flamabilidade de compostos da borracha NBR com a adio do Trixido de Antimnio (Sb2O3), Hidrxido de Alumnio (Al(OH)3) e Carbonato de Clcio (CaCO3), visando alterar a resistncia chamas do mesmo com nfase na adio do Trixido de Antimnio.O mercado de produtos est cada vez mais saturado devido enorme gama de materiais disponveis para fabricao. Muitas matrias primas possuem as mesmas caractersticas no produto final, sendo como fator de escolha o custo do produto. Como as empresas esto cada vez mais reduzindo despesas para obterem mais lucro, a reduo do custo da matria prima essencial para a permanncia desse produto no mercado. O estudo tratar junto a borracha NBR a adio de trs componentes Trixido de Antimnio, Hidrxido de Alumnio e Carbonato de Clcio que espera-se dos resultados uma maior resistncia a chamas aps a adio desses aditivos. Poder ser formado novos materiais com um novo ramo do mercado no explorado anteriormente por falta dessas propriedades e a um custo baixo frente as matrias primas concorrentes disponveis e com essa mesma caracterstica.

Palavras chave: Borracha NBR, Flamabilidade, Trixido de Antimnio, Hidrxido de Alumnio, Carbonato de Clcio, Resistncia a chamas.

ABSTRACT

This article discusses the study flammability of compounds of NBR with the addition of antimony trioxide (Sb2O3), aluminum hydroxide (Al(OH)3) and calcium carbonate (CaCO3), to change the flame resistance thereof with emphasis on addition of antimony trioxide.The product market is increasingly saturated due to the huge range of materials available for manufacturing. Many raw materials have the same characteristics in the final product as a choice factor being the cost of the product. As companies are increasingly reducing costs for obtaining more profit, reduce the cost of raw material is essential to maintain this product in the market.The study will treat rubber NBR with the addition of three antimony trioxide, aluminum hydroxide and calcium carbonate components of the results is expected to a greater flame resistance after addition these additives.New materials may be formed with a new branch in the market not previously exploited for lack these properties and low cost front competitors available raw materials and the same characteristic.

Keywords: rubber NBR, Flammability, Antimony trioxide, Aluminum Hydroxide, Calcium Carbonate, resistance to flame.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1Sintetizao do isopreno em poli-isopreno...............................................Pg.18Figura 2Sintetizao do buta 1,3-deno em Polibutadieno e do Cloropreno em Policloropreno...................................................................................................................Pg.19Figura 3 Copolimerizao de butadieno e acrilonitrilo para obteno do NBR.....Pg.19Figura 4Representao esquemtica dos estgios da combusto...........................Pg.25Figura 5Estrutura do Trixido de antimnio..........................................................Pg.26Figura 6Remetro ODR.........................................................................................Pg.35Figura 7Torque versus tempo.................................................................................Pg.35Figura 8Durmetro Shore A...................................................................................Pg.36Figura 9Aparelho para medio de Resilinci........................................................Pg.37Figura 10Aparelho para determinao da deformao permanente em compresso.Pg.38Figura 11Ensaio de resistncia chama mtodo horizontal.....................................Pg.40Figura 12Equipamento para realizao do Ensaio Dinmico-Mecnico (DMA).....Pg.41Figura 13Modelo de resultado obtido no ensaio DMA............................................Pg.42Figura 14Calandra utilizada para conformao da borracha NBR...........................Pg.48Figura 15Tipos de prensas para vulcanizao...........................................................Pg.49Figura 16Resultado do ensaio DMA para amostra 1............................................ ...Pg.56Figura 17Resultado do ensaio DMA para amostra 2................................................Pg.57Figura 18Resultado do ensaio DMA para amostra 3................................................Pg.57Figura 19Resultado do ensaio DMA para amostra 4................................................Pg.57Figura 20Resultado do ensaio DMA para amostra 5................................................Pg.57Figura 21Grfico radar de anlise de qualidades......................................................Pg.59

LISTA DE TABELAS

Tabela 1Distribuio do consumo dos retardantes de chama por tipo de aplicao ..........................................................................................................................................Pg.23Tabela 2Temperaturas de decomposio e de autoignio para vrios tipos de polmeros ..........................................................................................................................................Pg.26Tabela 3Consumo dos diversos tipos de anti-chama..............................................Pg.27Tabela 4Distribuio de consumo dos principais aditivos nos EUA......................Pg.31Tabela 5Materiais utilizados nas amostras..............................................................Pg.44Tabela 6 Resultados do ensaio de dureza Shore A.................................................Pg.52Tabela 7Resultados do ensaio de Resilincia.........................................................Pg.53Tabela 8Resultados do ensaio compression set......................................................Pg.54Tabela 9Resultados do ensaio imerso lquidos...................................................Pg.55Tabela 10Resultados do ensaio flamabilidade (mm/min).........................................Pg.55

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SMBOLOS

ACNAcrilonitrilaASTMAmerican Society for Testing and MaterialsATHHidrxido de alumniocmUnidade centmetrosDMAEnsaio Dinmico-MecnicoEPIEquipamentos de proteo individualEUAEstados Unidos da AmricagUnidade gramainUnidade polegadasISOOrganizao internacional para padronizaoJUnidade JouleKgUnidade KilogramaKHzUnidade Kilo HertzlbfUnidade de libra / foramUnidade metros quadradosmUnidades metros cbicosMHzUnidade Mega HertzminUnidade MinutosmmUnidade MilmetrosMNUnidade Mega NewtonNUnidade NewtonNBRBorracha NitrlicaNRBorracha naturalCUnidade Graus CelsiusODRRemetro de disco oscilatrioPETPoliterftalatoPHRPer Hundred RubberPMMAPolimetilmetacrilatoPVCPolicloreto de vinilaQtdQuantidadesUnidade segundosTgTemperatura de transio vtreaTHAAlumina trihidratadaTVTelevisoUPMUniversidade Presbiteriana Mackenzie

SUMRIO

1.INTRODUO151.1OBJETIVOS151.1.1OBJETIVO GERAL151.1.2OBJETIVOS ESPECFICOS161.2JUSTIFICATIVA161.3METODOLOGIA171.4ESTRUTURA DO TRABALHO172.REVISO DE LITERATURA182.1BORRACHA SINTTICA182.2BORRACHA NBR192.2.1PROPRIEDADES DOS VULCANIZADOS DE NBR202.2.2APLICAES212.3AGENTES ANTICHAMAS222.3.1REQUISITOS242.3.2O PROCESSO DE COMBUSTO DOS POLMEROS242.3.3TIPOS E MODO DE ATUAO DOS RETARDANTES DE CHAMA262.3.3.1INORGANICOS272.4TRIXIDO DE ANTOMNIO292.5HIDRXIDO DE ALUMNIO302.6OUTROS ADITIVOS302.6.1CARGAS312.6.2PLASTIFICANTES322.6.3ACELERADOR322.6.4ANTIOXIDANTE322.6.5LUBRIFICANTE322.6.6AGENTE DE VULCANIZAO332.7VULCANIZAO332.8ENSAIOS342.8.1REMETRO DE DIScO OSCILATRIO (ODR)342.8.2DUREZA SHORE352.8.3RESILINCIA362.8.4COMPRESSION SET372.8.5IMERSO A LIQUIDOS382.8.6FLAMABILIDADE392.8.7ANLISE DINMICO-MECNICA (DMA)403.MTODOS E MATERIAIS433.1MATERIAIS433.1.1COMPOSIO433.1.2MATERIAIS DA COMPOSIO443.1.3EQUIPAMENTOS473.1.3.1CALANDRA473.1.3.2PRENSA HIDRULICA COM AQUECIMENTO483.1.4UTENSLIOS AUXILIARES503.2MTODOS504.RESULTADOS E DISCUSSES504.1CONFORMAO DA BORRACHA504.2DUREZA SHORE524.3RESILINCIA534.4COMPRESSION SET534.5IMERSO LQUIDOS544.6FLAMABILIDADE554.7ANLISE DINMICO-MECNICA (DMA)565.CONCLUSO58REFERNCIAS61

1. INTRODUO

A borracha sinttica produzida a partir de derivados de petrleo no qual adiciona-se aditivos de acordo com sua aplicao para adequar propriedades mecnicas, fsicas, qumicas, estruturais entre outras. Submetendo-se ao processo de vulcanizao para formao da borracha.A borracha nitrlica pertence classe das borrachas especiais resistentes ao leo e um copolmero de butadieno e acrilonitrilo, sendo a polimerizao feita por um processo de emulso.Devido ao seu preo, o NBR usado em aplicaes onde, para alm de boas propriedades mecnicas e/ou boa resistncia fadiga dinmica, tambm exigida boa resistncia ao inchamento em leo e/ou em gasolina, boa resistncia ao envelhecimento por calor e abraso. utilizado na indstria em geral, indstria automvel e no sector dos leos minerais.O NBR tipicamente usado em o-rings estticos, membranas, foles, tubos e mangueiras quer para aplicaes hidrulicas ou pneumticas quer para transporte de hidrocarbonetos alifticos (propano e butano), correias transportadoras, material de frico, cobertura de rolos para diversos fins especialmente para as indstrias de pintura e txtil e solas para calado de segurana. Tambm bastante usado na indstria alimentar.A borracha de NBR tem vindo a ser substituda por outras borrachas em algumas aplicaes, nomeadamente na indstria automvel, devido s maiores exigncias impostas pelos construtores no respeitante temperatura de utilizao e resistncia aos leos.Visando a expanso dos tipos de aplicaes da borracha NBR so adicionados diferentes aditivos. Uma propriedade que vem sendo melhorada a resistncia a chama com adio de cargas brancas, no qual potencializar a flamabilidade da borracha.Trixido de antimnio (Sb2O3) e carbonato de clcio (CaCO3) so aditivos que podem ser adicionados a composio da borracha NBR para melhoria da resistncia a chama.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 OBJETIVO GERAL

Estudar a flamabilidade em compostos de borrachas com diferentes cargas.

1.1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Estudar a flamabilidade de compostos de borracha nitrlica contendo cargas de trixido de antimnio, hidrxido de alumnio e carbonato de clcio.

1.2 JUSTIFICATIVA

Nos Dias atuais a necessidade de materiais com propriedades diferenciadas evidente, e quando relacionados segurana temos uma maior ateno.Devido ao seu preo, o NBR usado em aplicaes onde, para alm de boas propriedades mecnicas e boa resistncia fadiga dinmica, tambm exigida boa resistncia ao inchamento em leo e/ou em gasolina, boa resistncia ao envelhecimento por calor e abraso. (NAGDI, KHAIRI, Manualle della Gomma, Tecniche Nuove, 1987) Sendo utilizada na indstria em geral, indstria automvel e no sector dos leos minerais. (MORTON, M. - Rubber Technology, 2nd Edition, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989)A borracha NBR com as cargas de trixido de antimnio, hidrxido de aluminio e carbonato de clcio desempenham uma grande funo, tendo em vista uma boa melhoria em relao resistncia chama, onde a mesma poder ser utilizada como proteo de equipamentos que no podem ser expostos ao fogo, como componente em motores automobilsticos (mangueiras de leo) ou at mesmo substituindo alguns EPIs apresentando assim grande crescimento em outros setores.O setor automobilstico vem se adaptando cada dia mais com o cenrio em que atua, diminuindo o tamanho dos veculos devido ao crescimento populacional e preocupao com o meio ambiente. Com isso os motores foram reduzidos para baixas cilindradas com altas potncias, necessitando assim de materiais que resistam a calor, baixa densidade e alta resistncia mecnica.Com toda essas modificaes no h ainda preocupao por parte das montadoras de como solucionar itens de conexo, como mangueiras, cabos e outros.Poder haver a substituio de outros componentes anti-chamas pela borracha em questo, sempre visando a otimizao de processos e a diminuio de custos.Visando essa melhoria de propriedades, podero ser empregados novos produtos que atendam novas tendncias do mercado, expandindo o uso da NBR para outras categorias.1.3 METODOLOGIA

Este trabalho ser desenvolvido a partir de pesquisas tericas e laboratoriais.A pesquisa terica consiste na reviso de literatura referente a borracha NBR e suas propriedades. Sero estudadas as mudanas de propriedades quando adicionado cargas de trixido de antimnio, hidrxido de alumina e carbonato de clcio em diferentes quantidades.As anlises de resultados sero obtidas atravs de diversos ensaios realizados em laboratrio e seguidos de acordo com suas normas tcnicas, comparando-se os diferentes ensaios feitos com a borracha com diferentes nveis de aditivos.Aps estes procedimentos o foco ser em equiparar os resultados obtidos com as diferentes formulaes desenvolvida para essa pesquisa, para analisar se o mesmo ser vivel se produzido em larga escala, e se o custo necessrio ser menor se comparado outros materiais com o mesmo desempenho.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho est estruturado em cinco sees.A seo 1 apresentar a introduo, que composta pelos seguintes itens: texto de conceituao e caracterizao do tema; Objetivos; Justificativa; Metodologia.A seo 2 retratar a NBR e suas propriedades. Apresentar uma reviso de literatura sobre todas as caractersticas da borracha, relacionando-se com a aplicao de diferentes aditivos para a modificao de suas propriedades, sempre apontando as condies em que a mesma foi processada.A seo 3 compreender a parte laboratorial, sendo processados os corpos de provas com as diferentes composies que sero discutidas nesta pesquisa. E os mesmos sero submetidos a diversos ensaios, necessrios para a definio de propriedades de uma borracha.A seo 4 entende-se como a anlise e comparativo de todos os resultados obtidos nos procedimentos realizados na seo 3, para que haja uma caracterizao e uma definio dos efeitos gerados pelas modificaes de cargas que ocorrero durante a pesquisa.A seo 5 abrange a concluso geral e a anlise do material em relao ao mercado que o mesmo poder ser utilizado, assim como um comparativo entre os materiais j existentes.2. REVISO DE LITERATURA

So descritos nessa reviso as composies e propriedades da borracha com aditivos, retardantes anti-chama (trixido de antimnio e hidrxido de alumnio).

2.1 BORRACHA SINTTICA

Borracha sinttica aquela que pode ser feita da polimerizao de uma variedade dos monmeros, incluindo o isopreno (2-metil-1,3-butadieno), o 1,3-butadieno, o cloropreno (2-cloro-1,3-butadieno), e o isobutileno (metilpropeno).A borracha natural que vem do ltex , na maior parte, isopreno polimerizado com pequena porcentagem de impurezas, o que limita a sua variedade de propriedades disponveis. Tambm, h limitaes nas propores de ligaes duplas cis e trans resultantes dos mtodos de polimerizao do ltex natural, que limita as propriedades disponveis da borracha natural, embora a adio do enxofre e vulcanizao sejam usados para melhor-las.No entanto, os cientistas conseguiram sintetizar uma espcie de polmero de adio que apresenta exatamente a mesma estrutura da borracha natural. Esse poli-isopreno um polmero dinico porque, conforme pode ser visto na sua estrutura mostrada abaixo, seus monmeros tm a estrutura de um dieno conjugado, conseguindo assim, a modificao das propriedades de acordo com sua necessidade.

Figura 1 Sintetizao do isopreno em poli-isopreno

Alm do poli-isopreno acima, por meio de reaes anlogas os qumicos conseguiram sintetizar outros polmeros dinicos, como o polibutadieno e o policloropreno, ou neopreno, que so os mais comuns para a produo de borrachas sintticas.

Figura 2 Sintetizao do buta 1,3-deno em Polibutadieno e do Cloropreno em Policloropreno

Todos esses polmeros tm propriedades iguais s da borracha natural, como a elasticidade; assim, eles so chamados de borrachas sintticas ou elastmeros. No entanto, se compararmos as borrachas naturais com as sintticas, veremos que as sintticas so at mesmo mais resistentes a variaes de temperatura e ao ataque de produtos qumicos.

2.2 BORRACHA NBR

A borracha nitrlica pertence classe das borrachas especiais resistentes ao leo e um copolmero de butadieno e acrilonitrilo, sendo a polimerizao feita por um processo de emulso, podendo ser realizada a quente ou a frio, obtendo-se os denominados, hot nitriles e cold nitriles conforme a temperatura superior a 30 C ou se situa entre 5 C e 30 C, respectivamente.A reao bsica da produo do NBR pode ver-se na figura 4.

Figura 3 - Copolimerizao de butadieno e acrilonitrilo para obteno do NBR Na produo de NBR, existem muitos parmetros que variando originam uma grande diversidade de graus comerciais disponveis. Alguns desses parmetros so:Teor em acrilonitrilo que influencia diretamente a resistncia ao leo e gasolina, bem como a flexibilidade a baixa temperatura;Temperatura de polimerizao que origina os hot ou cold nitrilos;- modificador da cadeia que provoca diferenas na viscosidade Mooney e no processamento;Estabilizador que origina diferenas na cor e na estabilidade durante a armazenagem;Misturas com PVC que produzem os tipos de borracha conhecida como NBR/PVC.A borracha nitrlica (NBR) oferece um bom balano entre a resistncia a baixa temperatura (entre -10C e -50C), ao leo, ao combustvel e aos solventes, resistncia essa funo do teor em acrilonitrilo. Estas caractersticas combinadas com uma boa resistncia a alta temperatura e abraso, tornam a borracha de NBR aconselhada para uma grande variedade de aplicaes. Apresenta tambm boa resistncia fadiga dinmica, baixa permeabilidade ao gs e a possibilidade de ser misturada com materiais polares como o PVC.Existem graus especiais de NBR que contm, ligados cadeia do polmero, antioxidantes que tornando-se assim menos volteis, originam que esses graus de NBR sejam menos solveis em combustvel e leo, aumentando tambm a resistncia ao calor. H ainda vrios outros graus especiais de NBR, no s para serem usados com vantagem nos processos de vulcanizao por transferncia ou por injeo, como tambm, para que a necessidade de limpeza do molde seja menor, uma vez que diminui a ocorrncia do fenmeno conhecido por mold fouling. Os graus referidos podem ser encontrados em vrios produtores de NBR, tais como, por exemplo, Korea Kumho Petrochemical Co, Nitriflex, Polimeri Europe e Zeon, sendo conhecidos como graus limpos, green grades ou Nitriclean.

2.2.1 PROPRIEDADES DOS VULCANIZADOS DE NBR

A resistncia ao leo a propriedade mais importante da borracha nitrlica. A grande maioria das propriedades dos vulcanizados de NBR depende do teor em ACN e do tipo e quantidade de plastificante usado na formulao. Uma maior resistncia ao leo, e ao combustvel, benzina ou a qualquer outro lquido, traduz-se num menor aumento de volume (menor inchamento) dos provetes de NBR quando mergulhados nos lquidos referidos.Analisando em particular o aumento de volume da borracha de NBR, podemos referir que quanto maior for o contedo aromtico do leo ou do combustvel no qual o vulcanizado de NBR mergulhado maior ser o inchamento (variao de volume) por ele sofrido. Devemos ter tambm em considerao que a maioria dos plastificantes usados para melhorar a resistncia a baixa temperatura extravel, o que pode influenciar bastante o inchamento que, para alm dos fatores anteriormente referidos, depende tambm da densidade de reticulao do vulcanizado.A borracha de NBR combinada com cargas reforantes, negro de fumo ou slica, permite a obteno de vulcanizados com excelentes propriedades fsicas. As propriedades mecnicas dependem da temperatura de vulcanizao.Para propriedades anti-chamas possvel a adio de retardantes, que agem de maneira direta ou indireta sobre a combusto no material. Pode-se adicionar variando a composio o trixido de antimnio, hidrxido de alumnio (utilizao comum em mercado) e carbonato de clcio. A resistncia deformao por compresso depende principalmente do contedo em ACN do tipo de NBR usado e do sistema de vulcanizao escolhido, conseguindo-se obter excelentes valores para esta propriedade. Quanto maior for a resistncia deformao por compresso, menor ser, obviamente, o valor obtido nos ensaios de compression set.A elasticidade do NBR consideravelmente menor do que a de vulcanizados comparveis de NR ou SBR, conseguindo-se obter uma elasticidade relativamente elevada usando misturas de borracha baseadas em graus de NBR com um baixo teor em ACN, negros de carbono semi-reforantes (por exemplo, N 772) e plastificantes tipo ster ou baseados em ster.A resistncia abraso dos vulcanizados de NBR formulados com cargas reforantes cerca de 30% superior de vulcanizados comparveis de NR e cerca de 15% superior de vulcanizados comparveis baseados em SBR.A dureza dos vulcanizados de NBR com baixo e mdio teor em ACN, mantm-se constante num intervalo grande de temperatura (70C a 130C) enquanto a tenso de rotura diminui significativamente com o aumento da temperatura.Relativamente resistncia elctrica e dado que a borracha nitrlica considerada um semicondutor, os seus vulcanizados so pouco adaptveis para serem usados quando necessrio um isolamento elctrico.A borracha nitrlica tem uma fraca resistncia ao ozono, ao envelhecimento e intemprie, embora superior da borracha natural (NR).

2.2.2 APLICAES

Devido ao seu preo, o NBR usado em aplicaes onde, para alm de boas propriedades mecnicas e/ou boa resistncia fadiga dinmica, tambm exigida boa resistncia ao inchamento em leo e/ou em gasolina, boa resistncia ao envelhecimento por calor e abraso. utilizado na indstria em geral, indstria automvel e no sector dos leos minerais.O NBR tipicamente usado em o-rings estticos, membranas, foles, tubos e mangueiras quer para aplicaes hidrulicas ou pneumticas quer para transporte de hidrocarbonetos alifticos (propano e butano), correias transportadoras, material de frico, cobertura de rolos para diversos fins especialmente para as indstrias de pintura e txtil e solas para calado de segurana. Tambm bastante usado na indstria alimentar.A borracha de NBR tem vindo a ser substituda por outras borrachas em algumas aplicaes, nomeadamente na indstria automvel, devido s maiores exigncias impostas pelos construtores no respeitante temperatura de utilizao e resistncia aos leos.

2.3 AGENTES ANTICHAMAS

Como a maioria dos produtos orgnicos, os polmeros so, em maior ou menor grau, inflamveis. Isto ocorre porque durante o aquecimento h a liberao de pequenas molculas que atuam como combustveis em presena do fogo. Em algumas aplicaes essencial se evitar a combusto, o que tem incentivado o desenvolvimento de formulaes retardantes de chama, reduzindo assim a probabilidade de combusto durante a fase de iniciao do fogo, bem como a velocidade de propagao da chama. Pelas crescentes exigncias das normas de segurana, em algumas aplicaes a inflamabilidade uma das barreiras de utilizao de alguns polmeros. Um exemplo o nitrato de celulose que foi um dos primeiros polmeros sintticos a surgirem, mas altamente explosivo.Resistencia ao fogo, retardamento de chama ou caracterstica auto extinguveis podem ser definidas como uma baixa velocidade de queima quando em contato com a fonte de calor e a rpida supresso da chama quando esta fonte removida. Polmeros que apresentam estas caractersticas so chamados de intrinsecamente auto extinguveis. Exemplos so os halogenados e os de alta aromaticidade.Nos demais materiais esta propriedade conseguida atravs de adio de aditivos retardantes de chama, alargando assim a faixa de aplicaes destes materiais.A Tabela 1 mostra que os principais campos de aplicao dos retardantes de chama so as indstrias eletroeletrnicas e de construo civil. Exemplos de artigos produzidos so: isolamento de fios e cabos, instalaes telefnicas, gabinetes de TV e de aparelhos de som, partes internas de autos e aeronaves, tanques de combustveis e de armazenamento, coberturas de telhados, janelas, mveis, carpetes e muitas outras aplicaes.

Tabela 1 - Distribuio do consumo dos retardantes de chama por tipo de aplicao (Radian, 1987)AplicaoPorcentual de consumo

Eletroeletrnicos50

Construo civil31

Transportes5

Utenslios3

Outros11

Em cada aplicao se requer um efeito retardante adequado, mas deve-se enfatizar que a eficincia dos retardantes de chama dependem do perodo de tempo e intensidade do fogo Mesmo um produto contendo o aditivo mais eficiente pode no resistir a um fogo forte e duradouro. Em um incndio mostrou-se que os polmeros com retardantes de chama apresentaram as seguintes caractersticas em comparao com polmeros sem anti-chama: Tempos de escape 15 vezes mais longos; 75% menos em termos de gerao de calor; 67% menos de gerao de monxido de carbono.Em termos mundiais o crescimento anual dos aditivos anti-chama de cerca de 8-10% devido s grandes exigncias impostas pelos rgos governamentais em determinadas aplicaes. No Brasil o consumo ainda considerado muito pequeno, pela inexistncia de leis que regulamentem e exijam a utilizao eficaz. Por exemplo, na indstria automobilstica a exigncia para a velocidade mxima de propagao do fogo nos revestimentos internos de 80 mm/min nos pases desenvolvidos; est no Brasil, pelo Contran, de 250 mm/min e ainda desobriga nibus e caminhes.

2.3.1 REQUISITOS

Utilizados em aplicaes onde se exige maior nvel de segurana, os anti-chama devem atender aos seguintes requisitos bsicos: Fornece um efeito durvel com pequenas quantidades adicionadas; Incorporao fcil; No ter efeitos corrosivos nos equipamentos de mistura e processamento; No afetar negativamente as propriedades mecnicas do polmero; No decompor ou reagir com o polmero durante o processamento. A temperatura adequada essencial no processamento de polmeros com estes aditivos; No apresentar caractersticas de migrao; No alterar a estabilidade do polmero; No apresentar toxicidade e gerar pouca fumaa.Evidentemente, um s retardante de chama no tem condies de atender a todos estes requisitos para todos os plsticos cm todas as aplicaes, da ser comum a utilizao de combinaes de aditivos anti-chama. E preciso que se escolha uma formulao adequada para cada polmero e sua aplicao especfica. Em alguns polmeros. Como poliofenas e poliuretanos, isto se torna mais crtico do que em outros, como o PVC e as resinas fenlicas, que so mais estveis ao fogo.

2.3.2 O PROCESSO DE COMBUSTO DOS POLMEROS

Os componentes essenciais da combusto so: calor, combustvel e oxignio. A combusto uma sucesso complexa de processos fsicos e qumicos em que as substncias reagem com o oxignio atmosfrico liberando calor e formando produtos como gua, CO e CO2. O processo de combusto evolve basicamente quatro estgios.

Figura 4 - Representao esquemtica dos estgios da combusto

a) Aquecimento do polmero. A velocidade de aquecimento depende basicamente da temperatura da chama e do tipo de polmero. Neste estgio o polmero termoplstico amolece ou funde-se e comea a fluir. A velocidade de aumento de temperatura do material depende do calor especifico, condutividade trmica, calor latente e calor de vaporizao. Isto significa que nas mesmas condies mais difcil elevar a temperatura de materiais com alto calor especifico do que os com baixo calor especfico.b) Decomposio ou pirlise. No aquecimento do polmero ocorre a decomposio trmica com a liberao de pequenas molculas. Nesta etapa forma-se gases combustveis (como hidrocarbonetos e hidrognio) e gases no combustveis (como e monxido de carbono). A velocidade com que ocorre a decomposio depende da estabilidade trmica do polmero A decomposio um processo exotrmico, o que eleva a temperatura do material.c) Ignio. Se a proporo dos gases inflamveis for suficiente poder haver a ignio e a chama se propagar por todo o produto. A temperatura de auto ignio tambm depende do tipo de polmero (ver Tabela 2) e sempre situa-se acima da temperatura de decomposio. A inflamabilidade de um material depende, alm de sua composio qumica, da forma e da densidade. As reaes de combusto ocorrem por radicais livres cuja velocidade proporcional ao aumento de temperatura. A temperatura mnima de ignio depende da: Temperatura do ar ao redor; Exotrmica de decomposio; Velocidade de fluxo do ar. Velocidade muito alta resfria o material e dilui os gases combustveis. Velocidade muito baixa no supre oxignio suficienteOs polmeros de ignio mais fcil so os derivados de celulose, como nitrato e acetato de celulose, enquanto os de ignio mais difcil so as resinas fenlicas e melamnicas. A dificuldade de ignio em termofixos maior porque as reticulaes diminuem a quantidade de produtos volteis combustveis.

Tabela 2 - Temperaturas de decomposio e de autoignio para vrios tipos de polmerosPolmeroTemperatura de incio da decomposio (C)Temperatura de autoignio (C)

Polietileno340350

Poliestireno300490

PVC200450

PMMA180430

PA66320530

d) Propagao. Aps a ignio a combusto continua se houver transferncia de calor suficiente da chama para o polmero a fim de manter o suprimento de gases combustveis. Este processo essencialmente dependente da decomposio trmica e do suprimento de oxignio para suportar a combusto. A Propagao no continua se a decomposio do polmero requerer mais calor do que suprido pela chama, ou se resduos no inflamveis na superfcie isolarem o polmero da fonte de calor.e) Extino. Com a propagao da chama a disponibilidade de material combustvel e/ ou de oxignio gradativamente diminui, at que o calor gerado pelas reaes de combusto no seja suficiente para manter a regio de queima em temperatura elevada. Nesta etapa a chama diminui at a extino.As caractersticas de um polmero quando em contato com a chama (cor, odor, densidade da fumaa, severidade da chama, etc.) dependem da composio qumica do polmero e podem ser utilizadas como um critrio simples de identificao de polmeros.

2.3.3 TIPOS E MODO DE ATUAO DOS RETARDANTES DE CHAMA

Os retardantes de chama podem ser subdivido nos seguintes tipos: Inorgnicos; Orgnicos no reativos; Orgnicos reativos;A aplicao de um determinado tipo depende do polmero, do uso final, do processamento e de outros aditivos presentes. A Tabela 3 mostra a distribuio de consumo dos diversos tipos de aditivos anti-chama.

Tabela 3 - Consumo dos diversos tipos de anti-chama (Radian, 1987)ClasseTipoPercentual do consumo

InorgnicosHidrxido de Alumnio44,457,2

Trixido de Antimnio7,6

Compostos de boro1,7

Outros3,5

Orgnicos no reativosCompostos de fsforo14,729,3

Compostos de cloro8,2

Compostos de bromo6,4

Orgnicos reativos13,513,5

Os aditivos retardantes de chama podem atuar em vrios estgios durante o processo de combusto por um ou mais dos seguintes mecanismos:Interferem quimicamente com o mecanismo de propagao de chama;Podem produzir grandes quantidades de fases incombustveis que diluem o suprimento de ar;Podem reagir, se decompor ou mudar de estado endortermicamente, isto , absorvendo calor;Podem formar um revestimento impermevel ao fogo, evitando o acesso do oxignio ao polmero e dificultando a troca de calor.

2.3.3.1 INORGANICOS

Os aditivos retardantes de chama inorgnicos representam mais de 50% do consumo. Existem trs tipos principais: Alumina trihidratada (THA); Hidrxido de magnsio; Trixido de antimnio.A alumina trihidratada largamente empregada em materiais processados em temperaturas abaixo de 250 C (melhor no ultrapassar 200 C). Na faixa de temperatura entre 250-300 C o hidrxido de alumnio (terminologia correta para a THA) se decompe endortermicamente:2 Al2(OH)3 Al2 + 3 H2OEsta decomposio absorve cerca de 1,17 J/Kg, o que contribui para o abaixamento da temperatura do material. A gua liberada (35%) dilui os gases combustveis na chama. Outro aspecto que contribui para o efeito anti-chama deste aditivo a formao de A1203 como uma camada protetora na superfcie do produto, reduzindo a difuso de oxignio para o meio :cativo e dificultando a troca de calor. Como so utilizados em grandes quantidades tambm tm atuao como cargas, geralmente prejudicando o comportamento mecnico. Esta desvantagem pode ser, em parte, superada pela realizao de tratamentos qumicos visando maior aderncia ao polmero.O hidrxido de magnsio, Mg(OH)3, tem atuao muito semelhante ao hidrxido de alumnio mas possui uma temperatura de decomposio mais elevada (cerca de 330 C), sendo indicado para polmeros com temperaturas de processamento elevadas como poliamidas e polisteres. O hidrxido de magnsio tambm pode ser aplicado em compostos de PVC com a funo adicional de neutralizar o cido clordrico.O trixido de antimnio um importante componente de aditivos anti-chama em compostos halogenados. Muito embora s sejam eficientes sozinhos em teores muito elevados (altos custos), a atuao sinrgica tem se mostrado de grande eficcia. A atuao com compostos de bromo ser exemplificada a seguir.Acredita-se que o uso de trixido de antimnio e compostos de bromo forme tribrometo de antimnio que, durante a combusto, decomposto em oxibrometo de antimnio (SbOBr) e cido bromdico.Sb2O3 + Br SbBr3SbBr3 SbOBr + HBrEste ltimo participa diretamente das reaes de combusto reagindo com os radicais livres propagadores, segundo as reaes 3-4. O oxibrometo de antimnio decompe-se a 250-285C:5 SbOBr SbBr3 + Sb4O5Br2

Deste modo, o oxibrometo de antimnio serve como reserva para tribrometo de antimnio adicional. A 500C os oxibrometos com mais antimnio so convertidos novamente em tribrometo de antimnio:3 Sb4O5Br2 2 SbBr3 + 5 Sb2O3O trixido de antimnio tambm tem efeito sinrgico com compostos de fsforo. Outros xidos (dixido de titnio, xido de zinco e xido de molibdnio) so algumas vezes usados como alternativas ou substituies parciais para o antimnio.

2.4 TRIXIDO DE ANTOMNIO

o composto comercial mais importante do antimnio, sendo encontrada naturalmente na forma de minerais, valentinite e senarmontite. Como a maioria dos xidos polimricos, Sb2O3 dissolve em solues aquosas por hidrlise.O trixido de antimnio um xido anftero, dissolvendo-se em soluo alcalina para dar antimonitas e em soluo cida para ter uma gama de cidos poli antimnios. Ele pode ser facilmente oxidado para pentxido de antimnio e compostos de antimnio relacionado (V), mas tambm facilmente reduzido ao antimnio, s vezes com produo de estibina. A estrutura do Sb2O3 depende da temperatura da amostra. O dimrico Sb4O6 um gs de alta temperatura (1560 C). Molculas Sb4O6 so gaiolas bicclicas, similares ao xido relacionado de fsforo (III), o trixido de fsforo. A estrutura de gaiola mantida em um slido que se cristaliza num habitculo cbico. A distncia Sb-O 197,7 horas e o ngulo O-Sb-O, de 95,6 . Essa forma existe na natureza como o mineral senarmontite. Abaixo de 606 C, a forma mais estvel a ortorrmbica, consistindo de pares de correntes -Sb-S-Sb-O- que esto ligadas por pontes de xido entre os centros de Sb. Essa forma existe na natureza como no mineral valentinite.

Figura 5 Estrutura do Trixido de antimnioA principal aplicao como retardador de chamas em combinao com materiais halogenados em polmeros, tornando-os menos inflamveis. Muito embora s seja eficiente sozinhos em teores muito elevado (alto custo). Este material ainda pode ter outras aplicaes de menor impacto no mercado, como: agente opacificante para vidros, cermicas e esmaltes; em frmulas de pigmentos especiais; catalisador til para a produo de tereftalato de polietileno (PET de plstico).

2.5 HIDRXIDO DE ALUMNIO

O hidrxido de alumnio (ATH) o agente retardante de chama mais utilizado e o seu consumo corresponde a 50% do volume total de todos os retardantes de chama consumidos no mundo. As principais vantagens do ATH so o baixo custo e a baixa toxidez, decorrente da no liberao de gases txicos ou substncias corrosivas durante a queima, agindo simultaneamente como retardante de chama e supressor de fumaa. No entanto, com relao ao desempenho mecnico, o ATH tem apenas carter semi-reforantes e a sua presena no provoca melhoras significativas na resistncia mecnica das misturas.

2.6 OUTROS ADITIVOS

De forma global os aditivos representam cerca de 20% em peso do plstico colocado no mercado. A Tabela 4 mostra a distribuio de consumo dos vrios tipos de aditivos. Observa-se que as cargas representam a maioria do consumo (em peso) dos aditivos, visto que so utilizados em grandes quantidades e so extensivamente empregados como redutores de custos. Outros aditivos, como lubrificantes e antioxidantes, embora empregados em quase todos os polmeros, contribuem com um baixo percentual no consumo geral uma vez que so utilizados em quantidades reduzidas.

Tabela 4 - Distribuio de consumo dos principais aditivos nos EUA (Radian, 1987)TipoConsumo Percentual

Antiestticos0,10

Lubrificantes1,00

Agentes de expanso1,40

Estabilizantes1,50

Pigmentos3,90

Anti-chama4,60

Plastificantes16,60

Cargas70,90

O crescimento mundial da indstria de aditivos para polmeros estimado em 10% ao ano. As indstrias produtoras tm investido em inovaes e atualmente os esforos se concentram em cinco reas principais: Melhora no desempenho para resistir s condies severas de processamento e servio; Produo de misturas ele aditivos facilitando a incorporao; Reduo na toxicidade e substituio de produtos qumicos que causem impacto ao ambiente e aos trabalhadores; Aprimoramento nas tcnicas de preparao de concentrados para reduzir os problemas de compatibilidade; Melhora na compatibilidade das cargas com o polmero, melhorandoseu desempenho e reduzindo custos.

2.6.1 CARGAS

As cargas ou enchimentos so aditivos adicionados aos plsticos para otimizar as propriedades a um custo mnimo, possuindo finalidades especficas. As cargas podem ser divididas em tipos principais, caracterizadas por forma de atuao: Cargas de enchimento: apenas reduzem o custo do produto; Cargas de reforo: alteram as propriedades mecnicas do produto; Cargas funcionais: alteram propriedades especficas do produto, como condutividade eltrica e flamabilidade.Alguns tipos de cargas podem ter uma ou outra caracterstica, ou agrupar vrias delas de uma s vez. Um exemplo o negro de fumo, que pode atuar como: Carga de reforo em borracha vulcanizada; Carga de enchimento em termoplsticos; Carga funcional em termoplsticos ou borrachas; Pigmento em geral.

2.6.2 PLASTIFICANTES

Os plastificantes so compostos, no volteis, de alto ponto de fuso, moderado a baixo peso molecular, que aumentam a flexibilidade e o escoamento e, consequentemente, a processabilidade dos polmeros. A adio de plastificantes reduz as foras intermoleculares e aumenta o volume livre do polmero.Esses aditivos possuem trs funes bsicas: diminuir a temperatura de processamento do polmero para valores menores do que sua temperatura de decomposio, modificar as propriedades do produto final (flexibilidade) e alterar as propriedades de processamento.

2.6.3 ACELERADOR

Os aceleradores so compostos que auxiliam no tempo de vulcanizao da borracha, agindo como um agente acelerador de vulcanizao. Impedindo assim a degradao da borracha pelo tempo excessivo em exposio com a alta temperatura, logo podemos adaptar de acordo com a necessidade o tempo de vulcanizao da borracha.

2.6.4 ANTIOXIDANTE

Os antioxidantes tm por objetivo retardar ou evitar o processo de degradao dos polmeros orgnicos em presena de oxignio e calor, principalmente durante o seu processamento, aumentando o tempo de vida til dos produtos.

2.6.5 LUBRIFICANTE

Os lubrificantes so aditivos utilizados para auxiliar o processamento dos plsticos, melhorando as propriedades de escoamento, alm de reduzir a aderncia do material fundido s superfcies dos moldes e da calandra. Para uma substncia ser usada como lubrificante, ela no deve: modificar as propriedades mecnicas do polmero, ser voltil na temperatura de processamento, afetar a estabilidade luz e s intempries, migrar para a superfcie durante o processamento e armazenamento ou causar descoramento e degradao do polmero.

2.6.6 AGENTE DE VULCANIZAO

Os agentes de vulcanizao so utilizados quando se deseja realizar a cura de alguns termorrgidos, como as resinas fenlicas ou epoxdicase na vulcanizao dos elastmeros. A vulcanizao essencial para que os elastmeros adquiram suas propriedades elsticas. Durante a cura, esses agentes formam ligaes cruzadas entre as cadeias do polmero, fazendo com que adquiram uma estrutura tridimensional. O enxofre o agente de cura mais comum.

2.7 VULCANIZAO

O processo de vulcanizao consiste em unir quimicamente as cadeias polimricas individuais, por meio das ligaes cruzadas, visando obteno de uma rede tridimensional elstica que ir exibir as propriedades elastomricas desejadas no produto final. O desempenho do material nesta fase do processo avaliado pelos testes de vulcanizao. Embora este processo seja basicamente de natureza qumica, os testes usados so geralmente baseados em mudanas fsicas que ocorrem na borracha. Estas mudanas geralmente ocorrem em trs estgios: perodo de induo; estgio de cura ou vulcanizao; e estgio de reverso ou sobrecura. O perodo de induo representa o tempo, na temperatura de vulcanizao, durante o qual no ocorre formao das ligaes cruzadas. Aps o perodo de induo, ocorre a formao das ligaes cruzadas em uma velocidade dependente da temperatura, do tipo de borracha e do sistema de cura empregado. medida que os aditivos do sistema de cura so consumidos, as reaes de vulcanizao tornam-se lentas at que uma rigidez tima atingida. Este ponto representa a vulcanizao completa. Aquecimento adicional pode resultar em um aumento muito lento da rigidez ou em seu decrscimo, dependendo do tipo de borracha utilizado. Estas mudanas finais so conhecidas como sobrecura.

2.8 ENSAIOS

As caractersticas mecnicas e fsico-qumicas do elastmero dependem dos produtos usados na sua formulao, tais como, agentes de vulcanizao ou cura, aceleradores, ativadores, sistemas de proteo (antioxidantes), agentes de processamento e cargas de reforo, alm do seu processamento. O elastmero obtido um material viscoelstico, ou seja, comporta-se simultaneamente como slido elstico e um fluido viscoso. As informaes a respeito do comportamento viscoelstico e mecnicos dos polmeros podem ser obtidas atravs de ensaios.Neste trabalho realizamos ensaios de remetro de disco oscilatrio, anlise dinmico-mecnica (DMA), ensaio de dureza Shore A, resilincia, imerso lquidos e compression set.

2.8.1 REMETRO DE DIScO OSCILATRIO (ODR)

O remetro consiste essencialmente de 2 pratos, que so aquecidos, e de um registrador de torque versus tempo. A amostra colocada em uma cavidade termicamente regulada ( temperatura de vulcanizao escolhida) e a resistncia oferecida (torque) pelo composto de borracha a uma oscilao de baixa amplitude (1, 3 ou 5 para o ODR) de um rotor bicnico no qual medida em funo do tempo, de acordo com as normas ASTM D2084 e ASTM D5289. A curva resultante mostrada na Figura 3.Entre os parmetros determinados esto:Torque mnimo (ML), que reflete razoavelmente a viscosidade de uma composio temperatura de vulcanizao considerada;Tempo de pr-vulcanizao (scorch time), que o tempo necessrio para aumentar o torque mnimo de 2 lbf.in quando se usa o arco 3 ou 5, ou de 1 lbf.in quando se usa o arco 1. Essa propriedade de grande importncia, especialmente nos casos de misturas destinadas extruso e calandragem, pois indica o grau de segurana do processo;Torque mximo (MH), que reflete razoavelmente o mdulo do vulcanizado; E T90, tambm chamado de tempo timo de vulcanizao, que o tempo necessrio para atingir 90 % do torque mximo, obtido pela equao abaixo:

Figura 6 Remetro ODR

Figura 7 - Torque versus tempo

2.8.2 DUREZA SHORE

O durmetro um instrumento popular para medir a dureza de endentao de borrachas, plsticos e materiais com comportamento similar. Os tipos mais comuns de instrumentos so o modelo A para materiais mais moles e o modelo D para materiais mais duros. A operao do instrumento bastante simples. O material submetido a uma presso definida aplicada atravs de uma mola calibrada que atua sobre o endentador, que pode ser esfrico ou cnico. Um dispositivo de indicao fornece a profundidade de endentao. O valor da dureza dado pela profundidade da penetrao no material sob teste. Por causa da resilincia de algumas borrachas e plsticos, a leitura da dureza pode mudar ao longo do tempo, por isso o tempo de endentao s vezes acompanha o valor medido da dureza

Figura 8 Durmetro Shore A

As escalas Shore A e Shore D so indicadas para a medio de dureza de borrachas/elastmeros e usadas tambm para plsticos moles como poliolefinas e vinis. A escala A usada para borrachas moles enquanto que a escala D usada para borrachas mais duras. O Durmetro Shore A especfico para medio da dureza relativa em borrachas e plsticos moles. Se o endentador penetra completamente no material, a leitura obtida zero. Se no ocorrer penetrao, a leitura 100. As leituras so adimensionais. As diferentes escalas Shore A, B, C, D, DO, M, O, OO, OOO, OOO-S e R foram criadas utilizando 7 formas diferentes de endentadores, 5 diferentes molas, 2 diferentes extenses do endentador e duas diferentes especificaes dos suportes. As escalas A e D so as mais utilizadas. Como os materiais respondem de forma diferente s diferentes escalas, no h correlao entre escalas.Os resultados obtidos deste teste so medidas teis da resistncia relativa endentao para vrias gamas de polmeros. Entretanto, o teste de dureza Shore no serve para prever outras propriedades como resistncia, abraso ou desgaste, e no deve ser usado sozinho para especificao de projeto de produto.Normas aplicveis: ISO 48 e ISO 7619; ASTM D531 e ASTM D 1415.2.8.3 RESILINCIA

Esta propriedade uma medida da aptido da borracha para restituir, quando da recuperao elstica, a energia que lhe provocou a deformao. Quanto maior for a resilincia, maior a quantidade de energia restituda. habitual tambm dizer-se que maior a elasticidade da borracha.A quantidade de energia que no restituda pode manifestar-se no vulcanizado sob a forma de calor, na prtica, num aumento de temperatura do artefato. Em situaes extremas, isto , quando o artefato no restitui praticamente nenhuma energia, a elevao de calor tal, que conduz sua destruio. Uma forma simples de medir a resilincia pelo ensaio de ressalto (rebound). As mquinas so muito simples, como se mostra na Figura abaixo.

Figura 9 Aparelho para medio de Resilincia

O corpo de prova de borracha colocado no porta corpo de prova, onde recebe o impacto de um pndulo de martelo, em queda livre. A zona de impacto constituda por uma superfcie semiesfrica. Em resultado do impacto, o pndulo recua e ento medida a altura a que devolvido, exprimindo-se a resilincia pela percentagem desta altura em relao altura de queda. As borrachas altamente resilientes, apresentam devolues da ordem dos 80 90%; as menos resilientes, da ordem do 15-20%, ou ainda menos.Normas aplicveis: ISO 4662; ISO 4662; ASTM D1054 e ASTM D2632

2.8.4 COMPRESSION SET

A determinao da deformao permanente a deformao constante, a temperatura determinada, efetuada em aparelhos muito simples, com corpos de provas de configurao cilndrica e com o auxlio de anis ou barras espaadoras, que limitam o valor da compresso.A Figura 10 mostra um desses aparelhos, o qual constitudo por duas placas robustas e por quatro parafusos. Os parafusos, quando apertados, comprimem os corpos de provas, compresso que limitada pelos j referidos anis ou barras espaadoras, de espessura conhecida.

Figura 10 Aparelho para determinao da deformao permanente em compresso

O conjunto ento guardado durante o perodo de tempo previsto na norma.No termo do ensaio, os corpos de provas so removidos do dispositivo e permanecem em e recuperao durante 30 minutos. Ao fim deste tempo, medida a sua espessura e calculada a deformao permanente:Eo = espessura inicial do corpo de prova, mm;Ef = espessura final do corpo de prova, mm;En = espessura das barras espaadoras, mm.Ento calculado a deformao permanente em compresso, conforme frmula. Normas aplicveis: ISO 815 e ISO 2285; ISO 815-1; ISO 815-2 e ISO 2285; ASTM D395; ASTM D412 e ASTM D1229.

2.8.5 IMERSO A LIQUIDOS

Este mtodo de ensaio abrange os efeitos de lquidos sobre as propriedades de um material. O teste realizado por imerso de corpos de provas em um lquido, durante um perodo especificado a uma temperatura especificada. As propriedades so medidos antes e depois da exposio ao lquido.Os valores representam a variao percentual em propriedades com exceo da mudana de Dureza. A frmula utilizada para o clculo da variao de altura, dimetro ou volume :

Onde:P a variao percentual da propriedade,S o valor original, O o valor aps o envelhecimento.Normas aplicveis: ASTM D 471, NBR 11407

2.8.6 FLAMABILIDADE

Os ensaios de resistncia chama consistem, de um modo geral, na inflamao, por meio de uma chama com caractersticas bem definidas, que incide de determinada maneira sobre um corpo de provas com determinadas dimenses e colocado em determinada posio, durante um determinado perodo de tempo. No termino deste tempo, a chama retirada e observa-se o que se passa em termos combusto, nomeadamente: O tempo de manuteno de combusto com chama; O tempo de manuteno de combusto com brilho; A extenso do corpo de prova danificado ao fim de um determinado perodo de tempo; A projeo de partculas incandescentesExistem diversos tipos de metodologias para realizao deste ensaio. Para o nosso caso realizamos na posio horizontal.Neste mtodo faz-se incidir num corpo de provas de determinadas dimenses, a 45 e durante 30 segundos, uma chama de determinadas caractersticas (altura da chama 20 1 mm). O comprimento do corpo de prova deve ser tal que permita a eventual combusto de 100 mm (4 polegadas)

Figura 11 Ensaio de resistncia chama mtodo horizontal

Deve ser registado o tempo necessrio para a combusto atingir a marca de 25 mm (1 polegada) e, se a combusto prosseguir, registar o tempo necessrio para atingir a marca de 100 mm (4 polegadas). Se a marca de 10mm no for atingida, registar o tempo e o comprimento danificado.O resultado do teste unidade de distncia por tempo, ou seja: mm/s, mm/min, cm/min.

2.8.7 ANLISE DINMICO-MECNICA (DMA) Este ensaio estudo de propriedades mecnicas e viscoelsticas de termoplsticos, termorrgidos, compsitos, elastmeros, cermicos e metais em funo da temperatura, tempo e frequncia, submetidos a uma tenso peridica.A anlise dinmico-mecnica consiste, de modo geral, em aplicar uma tenso ou deformao mecnica oscilatria, normalmente senoidal, de baixa amplitude a um slido ou lquido viscoso, medindo-se a deformao sofrida por este ou a tenso resultante. Esta resposta pode ser em funo de uma variao da frequncia da oscilao ou da temperatura.O equipamento constitudo de um forno dentro do qual esto cabeotes mveis que podem ser cambiados para diferentes tipos de anlise, a depender das propriedades de cada amostra a ser analisada.

Figura 12 Equipamento para realizao do Ensaio Dinmico-Mecnico (DMA)

Este disponibiliza informaes quantitativas e qualitativas dos materiais, tais como, mdulo de Young e de cisalhamento, comportamento viscoelstico, estrutura e morfologia de polmeros.Em materiais polimricos, alm da temperatura de transio vtrea, pode-se avaliar o comportamento mecnico em funo da temperatura. especialmente utilizado para monitoramento das propriedades mecnicas como resistncia mecnica, queda do mdulo, tenso de ruptura etc.Os ensaios podem ser realizados em um intervalo de fora aplicada de 1 mN at 40 N, frequncia de 1 mHz at 1 kHz e em uma faixa de temperatura de -150 a 400 C.

Figura 13 Modelo de resultado obtido no ensaio DMA

3. MTODOS E MATERIAIS

Neste trabalho foram estudados a adio de retardante de dois tipos: trixido de antimnio e hidrxido de alumnio. Existem diversas possibilidades de composio com esses aditivos, que modificar as caractersticas anti-chamas do material.Os processos, procedimentos e equipamentos utilizados nesse estudo sero descritos abaixo, assim como os ensaios realizados nos corpos de provas das amostras.Para borracha e seus aditivos sero descritos quanto ao fabricante, empresa fornecedora, preo.

3.1 MATERIAIS

3.1.1 COMPOSIO

Foram realizadas 5 amostras de borracha, no qual a principal variao foram as cargas anti-chamas.Como base, todas as amostras tiveram os materiais: Borracha NBR, Unilene, Antioxidadente TMQ, Antioxidante 6ppd, Estearinha, xido de zinco, leo sinttico SP 5, Negro de fumo N550, DTDM, TMTM e Enxofre.Na amostra 1, nada alm do que foi citado acima foi adicionado.Na amostra 2, foi adicionado uma carga branca: carbonato de clcio.Na amostra 3, foram adicionados dois anti-chamas. O hidrxido de Alumnio, que no sofrer alterao na composio nas seguintes amostras, e o trixido de antimnio, que ser acrescido 1 PHR a at a 5 amostra.Na amostra 4, foi acrescido 1 PHR no trixido de antimnio.Na amostra 5, foi acrescido mais 1 PHR no trixido de antimnio.

Tabela 5 Materiais utilizados nas amostras

3.1.2 MATERIAIS DA COMPOSIO

Borracha NBRNomenclatura tcnica:NBR N206 - Krynac 4450 FClassificao:Borracha cruaDistribuidor:LanxessFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 14,78

UnileneNomenclatura tcnica:UNILENE A 80Classificao:Otimizador de processoDistribuidor:No informadoFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 10,28

TMQNomenclatura tcnica:Vulkanox HSClassificao:AntioxidanteDistribuidor:LanxessFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 16,03

6PPdNomenclatura tcnica:Vulkanox 4020Classificao:ANTIOXIDANTEDistribuidor:LanxessFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 24,28

ESTEARINHANomenclatura tcnica:ESTEARINA DuplaClassificao:Otimizador de processoDistribuidor:Sim EstearinaFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 4,48

XIDO DE ZINCONomenclatura tcnica:XIDO DE ZINCOClassificao:CargaDistribuidor:BrasxidosFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 9,54

LEO SINTTICO SP 5Nomenclatura tcnica:LEO SINTTICO SP 5Classificao:LubrificanteDistribuidor:PetrobrsFornecedor:SabPreo por Litro:R$ 23,57

CARBONATO DE CALCIONomenclatura tcnica: CARBONATO DE CALCIO - Extra LeveClassificao:Carga branca / retardante de chamaDistribuidor:QuimValeFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 1,36

NEGRO DE FUMO N550Nomenclatura tcnica:NEGRO DE FUMO Statex 550Classificao:Carga / PigmentoDistribuidor:Aditya BirlaFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 5,94

TRIXIDO DE ANTIMNIONomenclatura tcnica:TRIXIDO DE ANTIMNIO - Vulkalent AClassificao:Retardante de chamasDistribuidor:No InformadoFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 10,50

HIDRXIDO DE ALUMINANomenclatura tcnica:HIDRXIDO DE ALUMINA -Hidrogard GPClassificao:Retardante de chamasDistribuidor:AlcoaFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 4,12

DTDMNomenclatura tcnica:DTDMClassificao:AceleradorDistribuidor:ShandongFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 22,88

TMTMNomenclatura tcnica:TMTMClassificao:AceleradorDistribuidor:ShandongFornecedor:SabPreo por Kg:R$ 17,00

ENXOFRENomenclatura tcnica:ENXOFRE Superventilado 400Classificao:Agente de vulcanizaoDistribuidor:Intercuf Fornecedor:SabPreo por Kg:R$ 2,45

3.1.3 EQUIPAMENTOS

Todos equipamentos necessrios para a conformao e os ensaios da borracha esto localizados nos laboratrios da Escola de Engenharia de Materiais na Faculdade Presbiteriana Mackenzie. Calandra de pequeno porte; Prensa hidrulica com aquecimento; Balana de alta preciso; Equipamento de compresso para compression set; Equipamento DMA; Equipamento de corte.

3.1.3.1 CALANDRA

Equipamentos utilizados na indstria de polmeros para produzir lminas com espessura pr-definida na linha de produo, atuando como agente de mistura e homogeneizao da borracha crua e seus aditivos.Diferentes configuraes: constitudas de 2, 3 ou 4 rolos, podendo ser na horizontal, vertical, inclinada, L invertido, Z, etc.Cilindros em ferro fundido coquilhado, e pode ter dimenses de 300 x 700 mm at 750 x 2.500 mm

Figura 14 Calandra utilizada para conformao da borracha NBR

3.1.3.2 PRENSA HIDRULICA COM AQUECIMENTO

A prensa hidrulica com aquecimento usada para prensar a borracha, fazendo com que a mesma fique no formato desejado, placas ou batoques, e transferir o calor necessrio para que haja a vulcanizao. Para auxlio das atividades a prensa possui sistemas rgidos de segurana, timer para contagem de tempo e termostatos com reguladores de temperatura.Existem diversos tipos de prensas de vulcanizao. NasFiguras 1e2mostram-se os tipos bsicos de prensas: Prensa tipomoldura(oucaixilho); Prensa decolunas; Prensa tipomoldura em C, tambm designadas por prensacolo de cisneoupescoo de cavalo.Normalmente so utilizadas as prensas dos dois primeiros tipos. As prensas do tipo moldura em C so utilizadas em operaes especiais, em que no so exigidas elevadas presses de moldagem ou que o tipo de artefato o exija (por exemplo, a vulcanizao de correias transportadoras sem fim, em que as suas extremidades devem ser unidas antes da sua montagem.

Figura 15 Tipos de prensas para vulcanizao

Quanto ao tipo e nmero de pistes, existem os seguintes variantes: Prensas com um pisto inferior, ascendente; Prensas com um pisto superior, descendente; Prensas de pistes mltiplos.

Os pratos das prensas podem ser aquecidos da seguinte forma: Resistncias elctricas; Vapor de gua; Fluido trmico.

3.1.4 UTENSLIOS AUXILIARES

Todos utenslios auxiliares necessrios para a conformao e os ensaios da borracha esto localizados nos laboratrios da Escola de Engenharia de Materiais na Faculdade Presbiteriana Mackenzie. Bquer pequeno; Suporte universal; Esptula; Paqumetro digital; Mscara de proteo; Luvas pigmentada; culos de proteo; Molde para corpo de prova; Capela qumica com 0,6 m; Bico de Bunsen; Suporte universal.

3.2 MTODOS

Para a produo da borracha foi realizado a conformao pelo processo da calandragem na calandra do Prdio 33 da Escola de Engenharia da UPM, a vulcanizao pela prensa de coluna hidrulica com resistncia eltrica do Prdio 33 da Escola de Engenharia da UPM.

4. RESULTADOS E DISCUSSES

4.1 CONFORMAO DA BORRACHA

O processo de conformao da borracha foi realizado durante um perodo aproximado de 1 ms, todas as pesagens foram executadas, porm houveram mudanas de formulao, principalmente no que diz respeito aos aceleradores e vulcanizadores, pois ao realizarmos o primeiro teste no remetro obtivemos valores no condizentes onde o tempo e a temperatura para vulcanizao eram muito elevados, podendo causar a degradao da superfcie da borracha, ou torna-la uma borracha com aspecto indesejvel para a utilizao industrial.Todas as modificaes necessrias foram realizadas adicionando-se, e com isso o segundo teste foi realizado, conseguindo-se resultados que podem ser aplicados e alcanando-se as metas estabelecidas, os parmetros obtidos para a completa vulcanizao foram, submeter a borracha uma temperatura de 160 C por 11 minutos, esses valores foram suficientes para conseguirmos todas as propriedades e padres de estticas requeridos. Durante o processo de mistura realizado na calandra de pequeno porte, obtivemos dificuldade em executar a mistura em apenas um lote, pois a somatria de todos os componentes mais a borracha crua so, 1023,26g para a primeira amostra, 1227,60g para a amostra 2, 1485,60g para a amostra 3, 1491,60g para a amostra 4 e 1497,60g apara a amostra 5, sendo que a calandra suporta cerca de 1000g de carga, acima deste valor a calandra sofre aquecimento excessivo e sobrecarga no motor trifsico que rotaciona os rolos.A primeira amostra foi misturada em apenas um lote, porm houveram problemas e tivemos diversas paradas devido sobrecarga do motor, sendo necessrio aproximadamente 1 hora para completar a mistura.A partir da segunda amostra, os processos de mistura foram divididos em dois lotes, e para a otimizao do tempo, o rolo era previamente aquecido a 60 C, facilitando a aderncia da borracha crua aos rolos. Conforme iniciava-se o processo a temperatura aumentava consideravelmente devido ao atrito do material com o equipamento, porm foi mantida a 85C para no ocasionar a vulcanizao prematura da borracha, cada um destes lotes foram processados em aproximadamente 20 min totalizando 40 min por amostra.Para o processo de vulcanizao, a borracha j misturada foi cortada em pequenas partes com peso de 200 g (quantidade suficiente para completar o molde de chapa), foram feitas duas chapas para cada amostra, sendo submetidas a uma temperatura de 160 C em um tempo de 11 minutos, porem durante este processo os termostatos localizados no molde estava com mal contato, dificultando assim a vulcanizao da amostra 3, pois no era possvel realizar a controle efetivo da temperatura, para a soluo deste problema, fixamos o termostato de maneira com que o mesmo no se movimente e realizamos novamente a vulcanizao da amostra 3.Para a vulcanizao em batoques, necessria para realizar alguns ensaios especficos, foi realizado a troca do molde, a maior dificuldade obtida para esta etapa foi o fato que a borracha a ser vulcanizada possui uma grande espessura sendo necessrio um controle maior no tempo de vulcanizao e uma temperatura no to agressiva para no degradar a camada superficial e no manter cru o ncleo da borracha, fazendo com que a mesma perca todas suas caractersticas mecnicas e seus padres de estticas.

4.2 DUREZA SHORE

O ensaio de dureza foi realizado Laboratrio de Caracterizao de Materiais da Escola de Engenharia da UPM, com o equipamento de medio na escala Shore A e com um tempo de endentao de 10s.As reas de endentao foram escolhidas de forma que uma no se sobressasse da outra, evitando-se medies em pontos onde j haviam sido endentados resultando em medies tecnicamente recusveis.

Tabela 6 Resultados do ensaio de dureza Shore A

Analisando-se os resultados notvel o crescimento da dureza ao longo do ensaio, onde a amostra 1 obteve o menor valor com uma mdia de 52,97 e a amostra 5 com o maior valor 65,60.Esses valores devem-se devido a quantidade de cargas e aditivos, na amostra 1 no temos o carbonato de clcio, nem os retardantes de chama, j na amostra 5 temos esses componentes qumicos em maior quantidade se relacionados com as amostras 2, 3 e 4, aumentando gradativamente a dureza conforme aumenta-se a quantidade dos elementos.Logo podemos concluir que com a adio de componentes qumicos na borracha, se comparadas com a NBR de formulao convencional (amostra 1) a dureza aumenta devido a saturao da borracha, ou seja, quanto mais componentes conseguimos incorporar na NBR, maior ser a dureza da mesma.

4.3 RESILINCIA

O ensaio foi realizado no Laboratrio de Caracterizao de Materiais da Escola de Engenharia da UPM.Para realizao deste teste foi necessrio a calibrao manual do equipamento, todas as amostras precisavam ter a mesma espessura.

Tabela 7 - Resultados do ensaio de Resilincia

De acordo com os resultados obtidos em cinco testes para cada amostra, temos o melhor resultado a amostra 3. Isso deve-se ao fato que a combinao dos componentes no a tornaram uma borracha saturada, sendo que a amostra 4 e 5 contm excesso de trixido de antimnio; na amostra 1 h ausncia do trixido de antimnio, hidrxido de alumnio e carbonato de clcio sendo que este ltimo um dos principais coadjuvantes para a melhoria da resilincia na amostra 2.

4.4 COMPRESSION SET

O ensaio de compression set foi realizado no Laboratrio de Caracterizao de Materiais da Escola de Engenharia da UPM em um perodo de 1 semana, comeando no dia 11/09/2014 e finalizado no dia 18/09/2014 com fora torque constante a uma temperatura de 23C.As dimenses aproximadas dos corpos de provas so de 13,5 mm de espessura e 29,2 mm de dimetro. Foram confeccionados dois corpos de provas para cada uma das cinco amostras estudadas. Todos as medies dos corpos de provas foram realizadas por um paqumetro digital, podendo haver erro operacional.Tabela 8 Resultados do ensaio compression set

Na anlise do resultado a amostra com a maior quantidade de aditivos mantive as mesmas caractersticas de sua configurao original. Aps serem submetidas a uma fora de compresso constante por um tempo determinado iguais as de uma NBR comum, sendo que as variaes observadas foram obtidas devido aos desvios das medies dos corpos de prova, podendo-se considerar que a borracha NBR modificada no obteve melhoria nem piora de seus comportamentos elsticos caractersticos de uma borracha comum, em especfico de uma NBR tradicional.

4.5 IMERSO LQUIDOS

O ensaio foi realizado no Laboratrio de Caracterizao de Materiais da Escola de Engenharia da UPM em um perodo de 1 semana, comeando no dia 11/09/2014 e finalizado no dia 18/09/2014, no qual os corpos de provas foram submersos a um leo padronizado pela ASTM (Lubrax 5W40).

Tabela 9 Resultados do ensaio imerso lquidos

Os resultados aconteceram como esperado, pois a NBR possui grande resistncia a leo, sendo suas aplicaes destinadas para isso. As variaes obtidas foram ocasionadas devido possveis erros durante a medio dos corpos de provas antes e depois do ensaio.As amostras que possuam todas as cargas (amostra 3, 4 e 5) tiveram melhor performance nesse teste, pois a alta quantidade de carga ajudou a saturar o material e dificultou o inchamento.

4.6 FLAMABILIDADE

O teste de flamabilidade foi realizado na capela do Laboratrio de Caracterizao de Materiais da Escola de Engenharia da UPM.A Universidade no dispes da cmera de flamabilidade para realizao do teste, por conta disso, fizemos o cenrio proposto pela norma ASTM D635 em um espao de no mnimo 0,5m com atmosfera controlada.Abaixo a tabela mostra o resultado das amostras vs nmero de testes e a mdia de cada amostra.

Tabela 10 - Resultados do ensaio flamabilidade (mm/min)

Como esperado, o resultado da amostra 1 foi o que houve a queima mais rpida, com uma velocidade mdia de 22,93 mm/min de queima. A fumaa da queima era muito densa e com muito precipitado.A amostra 2, houve uma velocidade mdia de 20,26 mm/min. A diferena da amostra 1 que na amostra 2 foi adicionado Carbonato de Clcio, uma carga que alm de ter a funo de reforante tambm tem a funo de retardante.A amostra 3, 4 e 5 tiveram os retardantes de chamas adicionados em sua formulao. O PHR do hidrxido de alumnio permaneceu constante nas trs formulaes das amostras, enquanto o trixido de antimnio teve seu aumento gradual nas trs formulaes. A partir da amostra 3, a fumaa que era densa nas anteriores, no ocorreu deste modo, pois os retardantes de chamas agiram na borracha. A amostra 3 houve uma velocidade mdia de 12,95 mm/min. Sendo o melhor resultado dentre todas as amostras. Isso deve-se ao fato de a combinao no PHR desta amostra estar na quantidade certa.A amostra 4 e 5 tiveram como velocidade mdia 13,75 mm/min e 14,06 mm/min respectivamente.

4.7 ANLISE DINMICO-MECNICA (DMA)

Para anlise dinmico-mecnica do material foi utilizado a frequncia de 1 hz, com aumento da temperatura de 2C/min. Sendo realizado um ensaio para cada amostra com durao de aproximadamente 3 horas.

Figura 16 Resultado do ensaio DMA para amostra 1





Conforme visto acima nos grficos, a variao dos componentes da NBR no alterou a caracterstica da zona de Tg da borracha. No qual no possvel a utilizao de qualquer formulao em temperaturas em atividades onde requer esforos mecnicos em temperaturas abaixo de 0C. Pois a borracha no estar com suas caracterstica mecnicas, sendo considerada um material frgil e quebradio. Na amostra 2 no foi possvel a leitura da Tg, pois alguns parmetros no saram de modo esperado, como o posicionamento no corpo de prova.

5. CONCLUSO

O estudo da adio de trixido de antimnio e hidrxido de alumina em uma borracha NBR, teve como foco a melhoria nas caractersticas retardantes de chama, priorizando a utilizao da mesma no ramo automobilstico.Para que houvesse a possibilidade de uso da borracha no ramo em questo, a mesma deveria ao menos manter suas caractersticas mecnicas e particularidades como resistncia a leo iguais as de uma NBR convencional.Logo somando-se todos os resultados e comparando-se com os valores de uma NBR comum, podemos concluir que houveram alteraes positivas, tanto nas caractersticas mecnicas, quanto no principal foco, a resistncia chama.

Figura 21 Grfico radar de anlise de qualidades

Porm foi percebido que a adio de trixido de antimnio acima da composio da amostra 3 j no age como agente beneficamente para a retardo da chama, pois devido a maiores quantidades de cargas presentes nas outras composies o retardante no possuir a mesma eficcia. Outro fator importante que foi ntido a melhor eficcia do hidrxido de alumina como agente anti-chama, pois sua caracterstica de liberar molculas de gua durante a queima colaboram com a extino total da chama, mas o seu uso em grandes quantidades pode ocasionar uma dificuldade de processamento, ou seja, a compatibilidade do hidrxido de alumina menor que a do trixido de antimnio.Dentre todas as amostras realizadas, a que obteve melhores resultados foi a amostra 3 levando em conta o foco principal do estudo que a flamabilidade em conjunto com a melhoria de outras caracterstica mecnicas. A amostra 3 teve maior tempo de resistncia a chama, valores de resistncia mecnicas medianos se comparados a amostra 5, porm melhores se comparados a formulao simples da NBR (amostra 1) e economicamente vivel para uma produo em escala industrial devido a correta utilizao da quantidade de retardantes presentes nesta amostra, otimizando o processo e evitando desperdcios na formulao da NBR anti-chama. visto que cada amostra possui uma determinada caracterstica no qual adequa-se a diferentes necessidades, expandindo assim o ramo de atuao da NBR.

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