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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a – E E L

RAINNER DOMINGOS VASQUES

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE MISTURA DO COMPOSTO DE

BORRACHA DE BASE NITRÍLICA

Lorena

2014

RAINNER DOMINGOS VASQUES

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE MISTURA DO COMPOSTO DE BORRACHA DE BASE NITRÍLICA

Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso,

apresentado ao Departamento de Engenharia

Química de Escola de Engenharia de Lorena -

Universidade de São Paulo, como parte dos

requisitos para conclusão do curso de

Engenharia Industrial Química.

Áreas de Concentração: Engenharia Química /

Engenharia de Processos.

Orientadora: Prof.a Dr.a Elisângela de Jesus

Cândido Moraes.

Lorena

2014

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Vasques, Rainner Domingos Otimização do Processo de Mistura do Composto deBorracha de Base Nitrílica / Rainner DomingosVasques; orientadora Elisangela de Jesus Candido Moraes. - Lorena, 2014. 67 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaIndustrial Química - Escola de Engenharia de Lorenada Universidade de São Paulo. 2014Orientadora: Elisangela de Jesus Candido Moraes

1. Composto de borracha. 2. Melhoria de processo.3. Reometria. 4. Índice de capacidade do processo.I. Título. II. Moraes, Elisangela de Jesus Candido ,orient.

AGRADECIMENTOS

Agradeço, primeiramente, aos meus pais, Brenda e Reinaldo, e ao meu

irmão, Helder Luke, por todo o amor e esforços que eles fizeram e continuam

fazendo para que eu possa ser cada vez melhor e conseguir chegar cada vez

mais longe, tanto no âmbito profissional, como no âmbito pessoal. São as

pessoas que eu mais amo e, graças a eles, minha vida é plenamente feliz e

repleta de conquistas.

Agradeço à minha noiva Adriana pela paciência, companheirismo e

dedicação ao nosso relacionamento. Mesmo com a distância ela se fez sempre

presente em minha vida, sendo carinhosa e amável, me fazendo sentir bem em

todos os momentos da minha vida. Sua presença foi fundamental para o meu

sucesso.

Agradeço aos meus avós, Rosária e Argemiro, por toda a dedicação e por

cuidar tão bem de mim sempre que precisei. Seus conselhos e histórias jamais

serão esquecidos. São exemplos de vida e um espelho para o meu futuro.

Agradeço ao meu primeiro chefe, Edilberto Junior, por confiar em mim e ter

me dado a oportunidade de trabalhar na área de Engenharia Química, e por ter

me introduzido ao mundo da Borracha.

Agradeço a empresa onde trabalho e aos seus colaboradores, por terem me

acolhido tão bem e participado do meu crescimento profissional e pessoal e por

terem ajudado a compor esse trabalho.

Agradeço a todos os familiares e amigos, que de alguma forma me fizeram

crescer e evoluir, tornando a minha vida muito mais agradável e harmoniosa.

Agradeço à minha orientadora, Elisângela de Jesus Cândido Moraes (Lili),

que, além de grande mestre, se demonstrou ser uma grande amiga, sempre me

ajudando e me atendendo quando mais precisei.

Por último, agradeço a Deus, por ter me dado saúde e forças em todas as

etapas da minha vida para que eu pudesse enfrentar qualquer desafio.

“- Se no meio de todas essas pessoas houver apenas uma que se surpreenda com a vida a

cada instante e tenha a sensação, toda vez que isso acontece, de estar diante de algo fabuloso e

enigmático... - Respirou fundo e prosseguiu: - Você está vendo um monte de gente lá embaixo, não está, Hans-Thomas? Pois bem... se apenas

uma delas experimentar a vida como uma aventura fantástica... e se ele ou ela experimentar

essa sensação todos os dias...

- Sim? - perguntei ansioso, pois pela segunda vez ele não tinha completado o que queria dizer - Ele

ou ela será um curinga no baralho”.

Jostein Gaarder

RESUMO

VASQUES, R. D. Otimização do processo de mistura do composto de borracha de base nitrílica. 2014. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2014.

O processo de mistura de compostos de borracha é uma das etapas mais

importantes no processo de fabricação de artigos de borracha e essencial para se

atingir as características desejadas do produto final, com as propriedades

mecânicas e reológicas adequadas às mais diversas aplicações. Qualquer

variação nesse processo pode resultar nas perdas das propriedades e desvios

das características ideais dos produtos, gerando um grande desperdício de

matérias-primas e possíveis degradações nos equipamentos de produção. O

objetivo desse trabalho foi estudar o processo de mistura de borracha como um

todo para identificar as causas-raízes das falhas e variações para que se pudesse

propor e aplicar melhorias, a fim de se garantir a estabilidade do processo e a

redução da taxa de compostos reprovados nas análises reométricas, obtendo-se

compostos de borracha vulcanizados dentro dos limites de controle, ou seja,

dentro dos parâmetros especificados nos testes de reometria. Os resultados

mostraram que as etapas de pesagem e condições gerais do Banbury são

extremamente importantes para a obtenção de compostos mais perfeitos e

homogêneos, e que as melhorias aplicadas ao processo se mostraram muito

eficientes, uma vez que foi obtida uma maior estabilidade do processo e uma

redução considerável no índice de falhas nas análises de reometria,

demonstrando que houve uma otimização do processo.

Palavras-chave: compostos de borracha, otimização de processo, reometria.

ABSTRACT

VASQUES, R. D. Optimization of the mixing process of the nitrilic based rubber compound. Monograph. 67 p. – Engineering College of Lorena, University of São Paulo, 2014.

The mixing process of rubber compounds is one of the most important steps for rubber products manufacturing and it´s essential to reach the desired characteristics of these final products, with mechanicals and rheological properties suitable for various applications. Any variation in this process may cause loss of the properties and deviations of the final products characteristics, leading to a great waste of raw materials and possible degradations of production equipments. The aim of this work was to study the mixing process of rubber as a whole to identify the root causes of failures and variations so it could be proposed and implemented improvements in order to ensure process stability and reduction of failed compounds in rheometric analysis, yielding compounds of vulcanized rubber in conformance to the control limits, ie, within the parameters specified in the rheometry tests. The results showed that the steps of weighing and general conditions of the Banbury are extremely important for obtaining more perfect and homogeneous compounds, and the improvements applied to the process proved very effective, since a more stable process and a considerable reduction of failures in rheometry analysis was obtained, showing that there was a process optimization.

Key-words: Rubber Compounds, Process Optimization, Rheometry

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Banbury MIR – 80 (COPÉ & CIA. LTDA., 2014). ................................................................. 24

Figura 2: Misturador aberto de cilindros (Fonte: Do autor). ........................................................... 25

Figura 3: Corpo de prova para o teste de tração (CIESIELSKI, 1999). .............................................. 27

Figura 4: Processo de Vulcanização (WILEY, 2002). ......................................................................... 28

Figura 5: Esquema de um reômetro ODR (MORTON, 1999). ........................................................... 29

Figura 6: Curva reométrica e suas etapas (MORTON, 1999). .......................................................... 30

Figura 7: Curva reométrica e seus principais parâmetros (Rocha, E. C.; Lovison, V. M. H.; Pierozan

N.) ..................................................................................................................................................... 33

Figura 8: Análise de Processo - Cp e Cpk (SILVEIRA, 2012). ............................................................. 37

Figura 9: Curvas Reométricas - Alterações entre cargas do mesmo dia e mesmo mês (Fonte: Do

Autor). .............................................................................................................................................. 44

Figura 10: Curvas Reométricas – Alterações entre o primeiro semestre de 2014 (Fonte: Do autor).

.......................................................................................................................................................... 45

Figura 11: Capabilidade do Processo – ML (Fonte: Do autor). ........................................................ 47

Figura 12: Capabilidade do Processo – t10 (Fonte: Do autor). ........................................................ 47


Figura 14: Capabilidade do Processo – MH (Fonte: Do autor). ........................................................ 48

Figura 15: Mapeamento do Processo de Mistura (Fonte: Do autor). ............................................. 50

Figura 16: Curvas Reométricas – Pesagem descuidada (Fonte: Do autor). ..................................... 51

Figura 17: Curvas Reométricas – Pesagem de acordo com as especificações (Fonte: Do autor). ... 52

Figura 18: Curvas Reométricas – Diferentes temperaturas de descarga (Fonte: Do autor). ........... 54

Figura 19: Curvas Reométricas – Homogeneização do composto no Moinho (Fonte: Do autor). .. 57

Figura 20: Curvas Reométricas – Análise da manta de borracha (Fonte: Do autor). ....................... 59

Figura 21: Curvas Reométricas – Análise da influência dos locais de armazenamento dos corpos de

prova (Fonte: Do autor). .................................................................................................................. 60

Figura 22: Curvas Reométricas – Análise do processo após implantação das melhorias (Fonte: Do

autor)................................................................................................................................................ 61

Figura 23: Capabilidade do Processo – ML (Fonte: Do autor). ........................................................ 62



Figura 26: Capabilidade do Processo – MH (Fonte: Do autor). ........................................................ 63

LISTA DE TABELA

Tabela 1: Principais tipos de borrachas naturais e sintéticas (GRISON, BECKER e SARTORI, 2010). 20

Tabela 2: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 9 (Fonte: Do autor)...................... 45

Tabela 3: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 10 (Fonte: Do autor). ................... 46

Tabela 4: Dados da figura 16 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 52



Tabela 7: Medições das temperaturas de descarga dos compostos (Fonte: Do autor). ................. 55



Tabela 10: Dados da figura 21 (Fonte: Do autor). ............................................................................ 60

Tabela 11: Dados da figura 22 (Fonte: Do autor). ............................................................................ 61

LISTA DE SIGLAS/ ABREVIATURAS

6PPD N-(1,3-Dimetilbutil)-N'-fenil-p-fenilenodiamina

ASTM American Society for Testing and Materials

CBS N-Ciclohexil-2-benzothiazole sulfenamida

CR Polímero Cloroprene

CSM Polímero Polietileno Clorosulfonado

DBP Dibutil Ftalato

DOA Dioctil Adipato

DOP Dioctil Ftalato

DPG N,N'-difenil guanidina

EPDM Polímero Etileno – Propileno

GCB Granulado Claro Brasileiro

GEB Granulado Escuro Brasileiro

LTDA Limitada

MBT 2-Mercaptobenzothiazole

MBTS Benzothiazole, 2,2'-dithiobis

MDR Moving Die Rheometer

NBR Borracha de Nitrilo Butadieno

ODR Oscilating Disk Rheometer

PEG Polietilenoglicol

PHR Parts per Hundred Rubber

SBR Borracha de Estireno Butadieno

TMQ Quinolina, 1,2-dihydro-2,2,4-trimetil, homopolímero

TMTD Tetramethiltiuram dissulfeto

ZnO Óxido de Zinco

LISTA DE SÍMBOLOS

d N.m Torque

Hz Frequência

Kg Massa

MH Torque Máximo da Curva Reométrica

ML Torque Mínimo da Curva Reométrica

Mm Comprimento

T10 Taxa de Vulcanização: 10% da vulcanização da borracha

T90 Taxa de Vulcanização: 90% da vulcanização da borracha

Ts Tempo de Segurança para determinado torque

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 14

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 16

2.1. Histórico ............................................................................................................ 16

2.2. Elastômeros X Borrachas .................................................................................. 17

2.3. Formulação dos Compostos de Borracha ......................................................... 18

2.3.1. Elastômeros (Borracha) ............................................................................ 19

2.3.2. Cargas ....................................................................................................... 20

2.3.3. Agentes de Vulcanização ........................................................................... 21

2.3.4. Aceleradores de Vulcanização ................................................................... 21

2.3.5. Ativadores ................................................................................................. 21

2.3.6. Antidegradantes ......................................................................................... 22

2.3.7. Plastificantes .............................................................................................. 22

2.4. Processo de Mistura dos Compostos de Borracha ............................................ 23

2.5. Testes de Qualidade dos Compostos de Borracha ........................................... 26

2.5.1. Teste de Tração ......................................................................................... 26

2.5.2. Vulcanização e Reometria ......................................................................... 28 2.6. Análise da Capacidade do Processo ................................................................. 35

3. OBJETIVO GERAL ........................................................................................ 38

4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 39

5. METODOLOGIA ............................................................................................... 40

5.1. Definição da Equipe do Projeto ......................................................................... 40 5.2. Definição das Causas raízes e Definição da Relevância das Variáveis do Processo ..................................................................................................................... 40

5.3. Recebimento de Matérias-Primas ..................................................................... 41

6. MATERIAL ........................................................................................................ 42

6.1. Composto de Borracha .............................................................................. 42

6.2. Preparação dos Corpos-de-prova .............................................................. 42

6.3. Equipamento para medição ....................................................................... 43

6.4. Análise da Capacidade do Processo .......................................................... 43

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 44

7.1 Análise das curvas reométricas ........................................................................ 44

7.2. Mapeamento do Processo ............................................................................... 50

7.3. Pesagem.......................................................................................................... 50

7.4. Banbury ........................................................................................................... 54

7.5. Misturador Aberto de Cilindros ......................................................................... 56

7.6. Reômetro ......................................................................................................... 58

7.7. Resultados após implantação das melhorias e análises .................................. 60

8. Conclusões ................................................................................................... 65

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 66

14

1. INTRODUÇÃO

O composto de borracha em estudo é utilizado como tubo interno em cerca

de 80% das mangueiras produzidas pela empresa em estudo. Os tubos internos

precisam ser de extrema confiabilidade e não podem apresentar falhas para não

comprometer o desempenho das maquinas e equipamentos nos quais serão

utilizados. As mangueiras precisam ser flexíveis e resistentes de tal forma que

não se rompam e não se desgastem facilmente com o tempo, garantindo a sua

durabilidade e adaptabilidade às mais severas condições e aplicações. O

composto de borracha é o maior responsável por garantir essas características e,

por isso o seu processamento deve ser estável e minuciosamente elaborado. A

tarefa de avaliar o processo de mistura dos compostos de borracha é desafiadora,

uma vez que esse processo pode ser influenciado por diversos fatores,

interferindo na qualidade dos compostos, como temperatura, pesagem das

matérias-primas, condições do misturador interno (Banbury), falhas operacionais,

entre outros. O principal objetivo do processo de misturas dos compostos

contendo elastômeros é garantir a dispersão e homogeneização de todos os

ingredientes presentes em sua formulação, que irão determinar a

processabilidade e as propriedades mecânicas e reológicas dos produtos finais.

Por existirem muitas variáveis nesse processo, é necessário um estudo

adequado para se identificar as causas raízes que possam interferir de alguma

maneira no composto final. Para isso, é de extrema importância a realização de

um controle de qualidade rigoroso, envolvendo testes na massa intermediária

(massa não vulcanizada) e nos compostos vulcanizados, para que se possa

monitorar o comportamento do composto final e se obtenha dados suficientes

para garantir o desempenho ideal desses compostos durante a fabricação de

mangueiras.

O presente projeto tem como foco a identificação de possíveis falhas no

processo como um todo, realizando-se análises e experimentos nas diversas

etapas que compõem o processo de mistura de compostos de borracha.

15

Através de um mapeamento do processo e utilizando-se dos testes de

reometria para diversas situações e condições, é possível prever e mensurar o

impacto de cada etapa na produção do composto e nas características finais do

produto. Assim, pode-se definir melhorias pontuais e precisas que resultem na

diminuição e eliminação dos defeitos nos produtos obtidos, que são detectados

nas análises reométricas, objetivando a implementação de um processo mais

estável e capaz.

16

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Histórico

Os primeiros relatos europeus sobre a borracha e os estranhos jogos de

bola dos ameríndios datam do início do século 16. Durante longo tempo se

procurou um emprego útil para esse material sui generis. Entretanto, além de

borrachas de apagar e capas de chuva, nada mais ocorria aos europeus.

Sobretudo porque no calor a borracha natural começava a colar, e no frio, ficava

quebradiça (Becker, 2009).

Isso mudou em 1839, quando o norte-americano Charles Goodyear

inventou o processo da vulcanização. Sua borracha era termicamente mais

resistente, mais elástica e mantinha a forma. Ainda assim, segundo Robert

Schuster, diretor do Instituto de Tecnologia da Borracha em Hannover, a utilidade

do material não ia muito além de botas impermeáveis, bolsas de água quente e

capas de chuva contra o tempo de Londres. O próximo capítulo relevante nesta

história vem com a invenção do automóvel, por volta de 1880. "Essa combinação,

automóveis e rodas pneumáticas, tornou a borracha um material realmente

estratégico", aponta Schuster. Após anos de experimentos, Fritz Hofmann

desenvolveu, em 1909, a borracha-metil. Segundo Robert Schuster, era a

primeira vez que se imitava em laboratório um produto natural. Porém, o processo

desenvolvido pelo químico da futura fábrica Bayer era trabalhoso demais para

fabricação em grande escala; somente a síntese exigia semanas. Apenas no fim

da década de 1920 o químico Walter Bock chegou a uma alternativa melhor: o

polibutadieno, uma combinação de butadieno e sódio, abreviada como "Buna". Os

nazistas, ao assumirem o poder na Alemanha em 1933, perceberam

imediatamente o potencial do novo material. Adolf Hitler mandara construir

autoestradas e a fábrica Volkswagen, e, para fornecer os pneus necessários, a

borracha sintética passou a ser produzida em massa a partir de 1936 (Becker,

2009).

17

Sem dúvida, tratou-se também de uma consideração estratégica, pois a

produção do látex natural estava na mão de nações inimigas como a Inglaterra e

a França. E para a guerra, a Alemanha precisava de muitos pneus, para os

veículos militares, motocicletas e caminhões. Sempre em nome da guerra, uma

decisão do Congresso liberou mais tarde a patente do Buna para os Estados

Unidos (Becker, 2009).

2.2. Composto de Borracha - Definição

De acordo com a Norma de Terminologia Relacionada à Borracha, contida

no Anuário de Normas ASTM de 1989, o termo borracha é designado ao material

que é capaz de se recuperar de grandes deformações rapidamente e com força, e

pode ser, ou já é, modificado a um estado no qual é essencialmente insolúvel

(mas pode inchar) em um solvente em ebulição, como o benzeno e o metil etil

cetona.

Uma definição para a borracha é de que se trata de um material que à

temperatura ambiente pode ser esticado repetidamente até pelo menos duas

vezes o seu comprimento original e, após imediata liberação da tensão, retornará

com força aproximadamente ao seu tamanho original (SMITH, 1993).

Entende-se como borracha sintética, toda a borracha que é produzida

através de compostos químicos de baixo peso molecular. O termo, entretanto,

também inclui as borrachas que não são obtidas diretamente dos compostos de

baixo peso molecular, como é o caso do polietileno clorosulfonado, proveniente

de intermediários de alto peso molecular que não são considerados como

borracha (GENT, 2012).

18

2.3. Formulação dos Compostos de Borracha

A fim de auxiliar no desenvolvimento de um composto de borracha, os vários

compostos que serão utilizados são compilados em uma “fórmula”. Toda fórmula

contem um numero de componentes, cada qual com a sua função específica, seja

no processamento, vulcanização ou no produto final. O objetivo da formulação é

assegurar que o composto seja seguro para o meio ambiente, tenha um fácil

processamento, custo competitivo com outros compostos para a mesma

aplicação, boa vida útil, propriedades dinâmicas, químicas e físico-químicas

adequadas para a aplicação desejada do produto final (MORTON, 1999).

Ainda segundo Morton (1999), geralmente, as seguintes informações são

obtidas nas formulações:

Todos os ingredientes são normalmente expressos em quantidades

baseadas no total de 100 partes de borracha ou combinações de

borrachas utilizadas no composto. Essa notação é geralmente listada

como phr (parts per hundred rubber). Desta forma, em comparações com

diferentes formulações, os efeitos de se variar qualquer ingrediente

utilizado são facilmente reconhecidos quando as propriedades físicas ou

as características de processamento são comparadas.

Embora a função de cada componente nunca seja indicada nas fórmulas

industriais ou de laboratório, é evidente que muitos materiais diferentes

com propósitos específicos são utilizados em cada formulação.

Em muitas formulações os materiais são listados de acordo com a ordem

em que eles são misturados à borracha no processo. Esse método

auxilia o formulador a ajustar os tempos de mistura para os mais variados

compostos

Da quantidade total de materiais utilizados (em qualquer unidade de

medida das massas), o custo total do composto pode ser calculado de

maneira muito simples:

(MORTON, 1999)

19

A seguir, estão descritos os principais constituintes de um composto de

borracha.

2.3.1. Elastômeros

Os elastômeros, que podem ser naturais ou sintéticos, são os componentes

básicos de todos os compostos de borracha. Pode-se utilizar um único elastômero

ou a mistura de um ou mais tipos. Os elastômeros são selecionados de modo a

obter propriedades físicas específicas no produto final, sendo fundamental a

verificação de qual será a sua aplicação e o seu processo de fabricação, como

calandragem, extrusão, injeção, entre outros (MORTON, 1999).

Os elastômeros são tipicamente polímeros amorfos com suas moléculas em

distribuição aleatória. Através da polimerização, uma molécula de cadeia longa é

criada de moléculas simples, conhecidas como monômeros. Assim, os

elastômeros obtidos são essencialmente líquidos viscosos. Interligando-se as

longas moléculas através de ligações cruzadas com distâncias relativamente

grandes, uma rede molecular flexível é criada com os fios dos componentes

moleculares ainda em rápida movimentação. Porém, o material agora possui

forma e tamanho fixos – se tornou um material sólido e macio. A combinação dos

termos “elástico” e “polímero” levaram ao nome alternativo de “elastômero”

(GENT, 2012).

Adicionando-se a esses polímeros vários componentes, cria-se um

“composto”. Após o aquecimento e reação (vulcanização) esses materiais se

tornam “borrachas” (GENT, 2012).

Na tabela 1 se encontram os elastômeros naturais e sintéticos mais

comumente utilizados nas indústrias:

20

Tabela 1: Principais tipos de borrachas naturais e sintéticas.

Borracha Natural - Padrões Brasileiros

GEB Granulado Escuro Brasileiro

CEB Crepe Escuro Brasileiro

GCB Granulado Claro Brasileiro

CCB Crepe Claro Brasileiro

Borracha Sintética

SBR Estireno-Butadieno

NBR Acrilonitrila-Butadieno

CSM Polietileno Clorossulfonado

CR Policloropreno

EPDM Etileno-Propileno

(GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).

2.3.2. Cargas

Esses materiais são utilizados para reforçar os compostos de borracha,

modificar as propriedades físicas, conferir certas propriedades de processamento,

ou reduzir o custo (MORTON, 1999).

As cargas podem ser classificadas em diversos grupos. Seguem abaixo

exemplos de alguns grupos e principais matérias-primas (GRISON, BECKER e

SARTORI, 2010):

Retardantes de chama: Alumina, Carbonato de magnésio, Teflon em pó;

Resistentes a radiações nucleares: Óxido de chumbo, Carbeto de Boro;

Melhoram a usinagem: Sílica, Talco;

Melhoram a condutividade térmica: Alumínio em pó, Silicatos;

Melhoram a resistência à tração: Negros de fumo em geral, Sílica

precipitada.

21

2.3.3. Agentes de Vulcanização

Esses componentes são necessários para que ocorra a vulcanização.

Nenhuma melhoria nas propriedades físicas dos compostos de borracha poderá

ocorrer sem que existam as reações químicas de ligações cruzadas envolvendo

esses agentes (MORTON, 1999).

Os agentes de vulcanização, ou agentes de cura, são produtos que,

misturados à massa polimérica, estabelecem ligações entre sítios ativos da

mesma forma em todas as direções, estabelecendo uniões entre as

macromoléculas. É o chamado “cross-linking” – ligação através da massa

molecular erroneamente traduzida como “ligação cruzada”. É sabido que se

formam interligações unindo sítios ativos vizinhos de macromoléculas entre si,

diminuindo a sua plasticidade a aumentando a elasticidade (GRISON, BECKER e

SARTORI, 2010).

O agente de vulcanização mais comumente utilizado pelas indústrias é o

enxofre. Também podem ser utilizados o peróxido, a urotropina adicionada à

resina fenólica, entre outros.

2.3.4. Aceleradores de Vulcanização

Em combinação com os agentes de vulcanização, esses ingredientes

reduzem o tempo de vulcanização (tempo de cura), aumentando a taxa de

vulcanização. Na maioria dos casos, as propriedades físicas dos compostos

também são aprimoradas. Alguns exemplos de acelerantes: MBT, MBTS, TMTD,

CBS, DPG (GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).

2.3.5. Ativadores

Esses ingredientes formam complexos químicos com os aceleradores, e

assim auxiliam na obtenção do maior rendimento do sistema de aceleração

aumentando-se as taxas de vulcanização e melhorando-se as propriedades do

22

composto. Alguns exemplos de ativadores: PEG, ZnO, ácido esteárico (GRISON,

BECKER e SARTORI, 2010).

2.3.6. Antidegradantes

Antioxidantes, antiozonantes, e outros tipos de materiais utilizados para se

reduzir o processo de envelhecimento dos compostos vulcanizados. Eles tem a

função de diminuir a deterioração dos produtos de borracha. A deterioração

ocorre através de reações com materiais que catalisam as falhas nos compostos

de borracha. Alguns exemplos de antidegradantes: 6PPD, TMQ, Vulcanox

(MORTON, 1999).

2.3.7. Plastificantes

Os plastificantes atuam sobre os elastômeros através de seu poder de

solvente e de inchamento. Podem ser divididos em: plastificantes primários, ou

verdadeiros, que atuam como solventes; e plastificantes secundários, ou

diluentes, que atuam como diluentes do elastômero. Os plastificantes primários

são compatíveis em qualquer proporção. Os plastificantes secundários não

dissolvem o polímero, apenas reduzem o coeficiente de atrito (GRISON, BECKER

e SARTORI, 2010).

Os plastificantes podem ser considerados como aditivos de processamento

uma vez que alteram as propriedades físicas e de processamento da mistura.

Alguns exemplos de plastificantes: DBP, DOP, DOA, Flexbor, Flexnap 926

(GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).

23

2.4. Processo de Mistura dos Compostos de Borracha

O processo de mistura de borracha é fundamental para a obtenção de uma

boa dispersão e homogeneização dos ingredientes de uma dada formulação,

conforme discutido anteriormente, resultando em um composto de borracha ideal

para que o produto final possa ter o desempenho e características desejadas.

Esse processo se dá em uma sala de mistura, onde os mais variados tipos

de ingredientes passam por várias etapas, incluindo maquinários e equipamentos

utilizados para a obtenção do composto final.

No presente estudo, os equipamentos utilizados são um misturador interno

de rotores, conhecido como Banbury e um moinho aberto de cilindros (cilindros

misturadores).

Primeiramente, os diversos ingredientes presentes na formulação são

pesados precisamente. O conjunto de todos os ingredientes devidamente

pesados é denominado como “Carga”. A finalidade dessa atividade de pesagem é

atingir o valor do peso ideal da carga que será utilizada no Banbury, bem como a

proporção adequada de todos os ingredientes, de acordo com a formulação do

composto.

Essa carga é separada em um carrinho para ser transportada até o

Banbury, onde será realizada a homogeneização e dispersão dos ingredientes, a

fim de se obter as propriedades desejadas na mistura.

O Banbury é um misturador interno de rotores, equipamento utilizado para

realizar a quebra dos elastômeros, até que fiquem em um estado adequado para

a incorporação dos ingredientes, e promover uma mistura ideal de todos os

componentes de determinado composto, em uma velocidade satisfatória (EVANS,

1981).

Esse equipamento é composto por três grandes conjuntos: O módulo de

alimentação, o módulo de mistura e o módulo de transporte (EVANS, 1981).

24

Figura 1: Banbury MIR – 80.

(COPÉ & CIA. LTDA., 2014).

O módulo de alimentação compreende a seção do cesto de alimentação,

por onde os ingredientes a serem misturados são adicionados, e o pilão flutuante,

que força esses materiais para dentro da câmara de mistura (EVANS, 1981).

O módulo de mistura inclui a câmara de mistura fechada, rotores e a porta

de descarga dos materiais, por onde será despejada a carga misturada. Os

rotores giram em sentidos opostos e com velocidades diferentes para manter a

carga em constante circulação (EVANS, 1981).

A mistura é realizada através de quatro ações diferentes: moagem,

amassamento, cortes longitudinais e sobreposições laterais. A moagem é a

elevada ação de cisalhamento promovida pelos rotores no material nos espaços

vazios, nas periferias da câmara (EVANS, 1981).

Devido aos ângulos das hélices das pás dos rotores, o material é

movimentado em direção ao centro da câmara de mistura, ocasionando cortes

longitudinais. Por causa das diferentes velocidades dos rotores, ocorre intensa

ação de amassamento e sobreposições laterais do material de um lado para o

outro da câmara. Essas quatro ações, juntamente com um controle de

temperatura adequado da câmara de mistura, resultam em compostos de alta

qualidade com tempos de mistura relativamente curtos (EVANS, 1981).

25

Após essas ações terem sido efetuadas, o material é descarregado em

uma esteira, que conduz o material diretamente a um misturador aberto de

cilindros (moinho aberto). Um moinho aberto consiste em dois cilindros paralelos

idênticos, com a distância de estreitamento ajustável. Os cilindros podem ser

aquecidos ou resfriados, conforme as necessidades (EVANS, 1981).

O composto de borracha é passado nos rolos algumas vezes e a mistura

ocorre pela ação de cisalhamento induzida pelo estreitamento entre os rolos.

Figura 2: Misturador aberto de cilindros.

(Fonte: Do autor).

Esses cilindros são utilizados para concluir a homogeneização da mistura

realizada no Banbury e as cargas são retiradas em formas de mantas.

Após essa etapa, as mantas são resfriadas por um curto período de tempo,

em um tanque de resfriamento contendo água, passadas por um outro tanque

contendo uma solução que evita a pegajosidade dos compostos de borracha e

segregados em pallets, onde aguardam a aprovação dos testes de qualidade para

serem utilizados no processo produtivo.

26

2.5. Testes de Qualidade dos Compostos de Borracha

As principais causas de defeitos nos compostos finais são: Não

uniformidade das propriedades mecânicas, falta de homogeneização e baixa

dispersão dos ingredientes (CIESIELSKI, 1999).

Isso ocorre devido a vários fatores, como matérias-primas não conforme,

erros na pesagem dos ingredientes, controle impreciso das variáveis do processo

de mistura (CIESIELSKI, 1999).

Para garantir os objetivos do processo de mistura, assim como economizar

energia e força de trabalho, se torna necessário exercer um bom controle dos

equipamentos e do processo como um todo (CIULLO e HEWITT, 1999).

Para que os compostos possam ser utilizados na produção, é preciso se ter

certeza de que os materiais fornecidos pelo departamento de mistura apresentam

um comportamento de fluxo razoavelmente consistente (CIULLO e HEWITT,

1999).

Assim, é extremamente necessário voltar a atenção para os procedimentos

dos testes e instrumentos utilizados para medir duas das mais críticas

propriedades dos compostos de borracha: processabilidade e vulcanização.

Essas características são fundamentais porque elas definem o tipo de operação

disponível para converter os compostos não vulcanizados em um produto

utilizável. Portanto, para se identificar essas características, são utilizados os

Testes de Tração e Reometria (CIULLO e HEWITT, 1999).

2.5.1. Teste de Tração

Para a realização dos testes de tração, primeiramente deve-se vulcanizar,

utilizando-se uma prensa, um pequeno pedaço do composto de borracha

produzido. Desse pedaço retiram-se quatro amostras em forma de halteres, com

27

aproximadamente 2 mm de espessura. Segue abaixo uma ilustração do corpo de

prova:

Figura 3: Corpo de prova para o teste de tração.

(CIESIELSKI, 1999).

Os corpos de prova são, então, esticados em uma maquina de teste de

tração e a força requerida para esticar as amostras é medida. Valores de tensão

(força por unidade da área da seção transversal original a qual é aplicada a força,

no momento da ruptura da amostra) são registrados nos vários níveis de

extensão, até o momento da ruptura. A extensão é definida como alongamento,

que é a habilidade da borracha de se esticar sem que haja a ruptura. Para

descrever essa propriedade como uma medida, é mais adequado definir como

alongamento máximo, uma vez que esse valor é expresso como uma

porcentagem do seu comprimento original, no momento da ruptura (MORTON,

1999).

Os valores de tensão antes do momento da ruptura fornece o Módulo da

amostra. Para a borracha, Módulo significa o valor de tensão a um dado

alongamento. Números de Módulo a um alongamento de 100%, 200%, 300% são

comumente utilizados nas indústrias (MORTON, 1999).

Uma função importante do Ensaio de Tração é determinar o quão bem os

ingredientes estão dispersos no composto de borracha. Por exemplo, se o negro

de fumo estiver mal disperso, a tensão de ruptura do composto vulcanizado será

menor do que deveria. Um baixo estado de cura, devido a uma quantidade

insuficiente dos agentes de vulcanização, assim como um tempo de cura ou

temperaturas inadequados, também irá fornecer um valor mais baixo do que o

esperado de tensão de ruptura (CIESIELSKI, 1999).

28

2.5.2. Vulcanização e Reometria

As propriedades dos compostos de borracha podem ser dramaticamente

alteradas realizando-se reações químicas de ligação entre as cadeias poliméricas

dos mesmos, conhecidas como ligações cruzadas, em uma temperatura e

pressão elevadas. Esse processo, mais comumente efetuado com enxofre, é

conhecido como processo de cura, ou vulcanização. Durante esse processo, o

composto se transforma de um material essencialmente plástico para um material

elástico. Como resultado, sua resistência à deformação aumenta, assim como sua

força, resiliência e dureza (CIESIELSKI, 1999).

Figura 4: Processo de Vulcanização.

(WILEY, 2002).

Os testes de vulcanização são utilizados para medir o desempenho dos

compostos durante esse processo. Uma vez que o processo de cura é

basicamente uma reação química, a temperatura é a variável mais importante no

comportamento dos testes de vulcanização (CIESIELSKI, 1999).

A reometria é o teste que identifica as características desejadas para o

composto nesse processo de vulcanização.

Os testes de reometria são realizados em um equipamento conhecido

como reômetro. Os dois tipos mais comumente utilizados são o ODR (Oscillating

29

Disc Rheometer), que possui um rotor oscilante e câmara fixa, e o MDR (Moving

Die Rheometer), que possui uma câmara oscilante.

No presente estudo, será utilizado e explorado apenas o reômetro do tipo

ODR.

O reômetro ODR possui um rotor oscilante e, como os compostos de

borracha vulcanizados podem ser esticados até certo ponto sem que ocorra a

ruptura, as oscilações são medidas dentro desse limite. A magnitude da oscilação

é medida em graus de arco, 1° e 3° são os mais comuns, e a taxa de oscilação

sugerida é de 1,7 Hz (MORTON, 1999).

Figura 5: Esquema de um reômetro ODR.

(MORTON, 1999).

A máquina plota um gráfico de torque versus tempo para qualquer

temperatura dada. Toda a extensão da cura, e além desse ponto, pode ser

registrada. Por exemplo, a reversão (ou sobrecura), ponto em que os compostos

vulcanizados se quebram devido ao aquecimento prolongado, pode ser medida.

A Figura 6 apresenta uma curva normal de vulcanização:

30

Figura 6: Curva reométrica e suas etapas.

(MORTON, 1999).

Antes de se realizar uma análise sobre as curvas reométricas é preciso

entender alguns termos e conceitos importantes sobre esse processo:

Propriedades Reológicas: Reologia é a ciência que estuda o

escoamento e a deformação da matéria sob a ação de uma força ou

mais frequentemente de um campo de forças. Em outras palavras, é

o estudo da resposta interna dos materiais quando da aplicação de

diferentes forças. Quando uma pequena tensão é aplicada a um

material sólido, uma deformação se inicia. O material irá continuar a

se deformar até que as tensões moleculares (internas) se

estabeleçam e se equilibrem com as tensões externas. A maioria

dos sólidos exibe algum grau de resposta elástica, onde existe uma

completa recuperação da deformação após a remoção das tensões

de deformação. O material sólido mais simples é o sólido elástico de

Hooke, cuja deformação é diretamente proporcional à tensão

aplicada. A resposta elástica também pode ser exibida pelos

materiais não-Hookeanos, cuja deformação não está linearmente

31

relacionada à tensão aplicada (COUTINHO, F. M. B.; FURTADO, C.

R. G.; GUERRA, B. B., 2004).

Scorch: Esse termo indica a vulcanização prematura. O composto se

torna vulcanizado durante o processamento. Isso reduz as

propriedades plásticas do composto, interferindo nas operações de

composição do material, arruinando o produto final. Scorch é o

resultado dos efeitos combinados de temperatura e tempo em um

composto de borracha. O termo “scorch time”, conhecido também

como “tempo de queima”, geralmente define o tempo em que se

dará início o processo de vulcanização em um determinado

composto, a uma dada temperatura, o que representa o tempo

disponível para se realizar o processamento desse composto

(MORTON, 1999).

Taxa de Cura: A taxa de cura (taxa de reticulação) é a taxa na qual a

rigidez (módulo) do composto se desenvolve, após o tempo de

queima. Durante esse período, o composto se transforma de um

plástico mole para um material elástico resistente, característica

requerida no seu uso final. Esse efeito é resultado da introdução de

ligações cruzadas conectando as longas cadeias poliméricas.

Quanto mais ligações cruzadas são formadas, as cadeias se tornam

mais compactas e a rigidez do composto, ou módulo, aumenta

(MORTON, 1999).

Tempo de Cura: É o tempo requerido durante a etapa de

vulcanização para que ocorram as quantidades necessárias de

ligações cruzadas, alcançando-se o nível desejado das propriedades

do composto. O tempo de cura é composto pelo tempo de queima e

tempo de vulcanização, esse último sendo controlado pela Taxa de

Cura (MORTON, 1999).

Sobrecura: Um tempo de cura que é maior que o resultado ótimo, é

uma sobrecura. Existem dois resultados possíveis de sobrecura,

32

dependendo do tipo de borracha e do sistema de cura. O composto

pode continuar endurecendo, ocasionando a perda da resistência a

tração e alongamento, ou o composto pode amolecer, ocasionando

uma perda no módulo, tensão e alongamento. Esse último efeito é

mais conhecido como “reversão” e é mais notável nas borrachas

naturais (MORTON, 1999).

2.5.2.1. Análise da Curva Reométrica e Procedimentos do Teste

O teste consiste em se colocar uma peça de borracha não vulcanizada no

rotor aquecido e a cavidade do molde superior é imediatamente abaixada até a

cavidade inferior, dessa forma enchendo-se as cavidades.

Conforme se pode perceber na ilustração acima, ocorre uma elevação imediata

no torque no inicio do teste, após o fechamento das cavidades aquecidas. No

topo da primeira “corcova” da Figura 7 o composto ainda não absorveu muito

calor dos seus arredores e, uma vez que a viscosidade é dependente da

temperatura, esse ponto será um pouco mais elevado nos primeiros segundos.

Conforme o composto absorve calor do equipamento, ele amolece. A sua

temperatura então se estabiliza, e a sua viscosidade tem um valor constante

antes do início da cura, supondo-se que esse intervalo não seja mascarado por

um tempo muito curto de queima. Esse é o primeiro ponto importante da curva. É

a mínima viscosidade da borracha na temperatura e grau de oscilação escolhidos,

cujo símbolo é dado por ML. As nomenclaturas utilizadas para esses parâmetros

foram definidas pela ASTM (CIESIELSKI, 1999).

33

Figura 7: Curva reométrica e seus principais parâmetros.

(Rocha, E. C.; Lovison, V. M. H.; Pierozan N., 2003).

Depois de certo tempo, a viscosidade (torque) começa a se elevar,

indicando que o processo de cura (vulcanização ou ligações cruzadas) começou.

O tempo desde o fechamento das cavidades até esse momento é a próxima

propriedade importante da curva, conhecido como tempo de queima (scorch

time). Esse parâmetro possui o símbolo ts1, que significa a quantidade de minutos

necessária para aumentar em 1 dN.m acima de ML (para o arco de 1°). Se o arco

de 3° for utilizado, então um tempo de queima de símbolo ts2 é empregado, que é

a elevação de 2 dN.m acima de ML (CIESIELSKI, 1999).

O torque continua a crescer, até que não haja mais um crescimento

significativo. Nesse ponto o composto está vulcanizado, e seu máximo torque é

identificado com o símbolo MH (CIESIELSKI, 1999).

A última informação de extrema importância que deve ser extraída da curva

é o tempo necessário para se completar o processo de cura, conhecido como

tempo de cura. O símbolo utilizado para esse parâmetro é o t’x, onde x pode ser

entendido como a porcentagem de vulcanização em determinado ponto. Por

exemplo, para o ponto t’90, significa que, nesse ponto, ocorreu 90% da

vulcanização total do composto (CIESIELSKI, 1999).

34

2.5.2.2. Características dos parâmetros reométricos

Para um dado composto, o químico estabelecerá um valor numérico e uma

variação permitida para as propriedades reológicas que foram discutidas até aqui.

Se o valor de ML está fora dos limites permitidos, isso pode indicar o

seguinte:

Se o composto possuir muito negro de fumo ou pouco plastificante,

ele apresentará um valor anormalmente alto para ML. Pouco negro

de fumo ou muito plastificante dará o resultado oposto (CIESIELSKI,

1999).

Alguns elastômeros tendem a reduzir sua viscosidade durante a

mistura, principalmente a borracha natural. Se o composto for

processado excessivamente, a viscosidade do material pode cair

suficientemente para resultar em um valor de ML extremamente

baixo (CIESIELSKI, 1999).

ts1 ou ts2: O estabelecimento de um tempo de queima mínimo é essencial para

se ter um processamento seguro de um composto de borracha, em qualquer

equipamento que será utilizado para moldar o composto para ser utilizado no

produto final, onde ocorre o aquecimento do composto (CIESIELSKI, 1999).

MH: Se um valor de ML é estabelecido, então assume-se que o MH nos dá

informações sobre o sistema de cura, e portanto, o grau de ligações cruzadas

presentes no elastômero. Se forem adicionadas quantidades insuficientes de

aceleradores de cura no composto durante a mistura, então o MH será baixo. O

contrario se aplica, caso exista uma grande quantidade de aceleradores de

vulcanização durante a mistura (CIESIELSKI, 1999).

35

2.6. Análise da Capacidade do Processo

Em todas as atividades, os fornecedores devem satisfazer requerimentos

da qualidade estabelecidos pelos clientes, para satisfazer esses requerimentos há

necessidade de que as mais significativas características da qualidade processo

tenham valores dentro de limites de tolerância especificados. O objetivo da

Análise de Capacidade é diagnosticar se os processos são capazes de satisfazer

os requerimentos dos clientes (PORTALACTION, 2014).

Para essa análise são utilizados os Índices de Capacidade do Processo:

Cp e Cpk. O Cp (Índice de Capacidade Potencial do Processo) é o índice

que aponta se o processo está fabricando produtos dentro de uma faixa de

especificação e assim indicam se a produtividade está o suficientemente

aceitável. O Cpk (Índice de Capacidade do Processo), além de indicar o mesmo

que o Cp, também leva em conta a centralização dos produtos obtidos, ou seja, o

quanto os produtos estão próximos do valor nominal de determinado

parâmetro. Estes índices são muito importantes na fase do desenvolvimento de

produto, pois nesta fase inicial, a análise do histórico dos índices de capacidade

de peças similares podem permitir que sejam escolhidos processos e

especificações coerentes que sejam eficazes estatisticamente. Adicionalmente,

eles também se fazem importantes durante a homologação do processo, pois

podem revelar processos problemáticos antes da entrada de produtos na linha de

produção.

Para calcular os índices, é necessário que primeiro seja definida uma

característica a ser medida. Após isto, é necessário colher amostras de medições

desta característica. Quanto maior for o índice Cp, menor a probabilidade da

característica de qualidade medida estar fora das especificações, o que indica

que haveria menos produtos defeituosos durante o processo produtivo.

De um ponto de vista prático, o índice Cpk é mais avançado do que o Cp,

porque pode ser utilizado para medir as características de qualidade, onde

apenas um limite de especificação é importante.

36

Se o índice Cp ou Cpk de um processo for menor que 1, significa que as

especificações não estão sendo cumpridas com certa frequência. O ideal é que o

Cp ou Cpk seja maior que 1 sendo que tipicamente é desejado o valor de 1,33,

que significa 64 ppm de produtos fora de especificação. A Figura 10 apresenta os

tipos de gráficos obtidos com esses índices (SILVEIRA, 2012).

37

Figura 8: Análise de Processo - Cp e Cpk.

(SILVEIRA, 2012)

38

3. OBJETIVO GERAL

Esse projeto visou identificar as causas das variações no processo de

mistura dos compostos de borracha e definir padrões para que esse processo se

tornasse estável, resultando em curvas reométricas com valores muito

aproximados e estreitos, diminuindo-se as variações nos valores dos parâmetros

das curvas. Desta forma foi possível maximizar a utilização das matérias-primas e

equipamentos, garantindo-se o melhor desempenho possível do produto final e

uma excelente relação custo-benefício do composto de borracha em estudo.

39

4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Para alcançar o objetivo principal foram realizados os seguintes objetivos

específicos:

Mapeamento de todo o processo de mistura do composto;

Análise das variáveis encontradas no processo e realização de testes

experimentais para avaliação dos resultados obtidos;

Implantação e análise de melhorias nas diversas etapas do processo.

40

5. METODOLOGIA

5.1. Definição da Equipe do Projeto

Para o estudo, avaliação e implantação desse projeto, foi criada uma

equipe multidisciplinar, a qual realizou reuniões frequentes para análise do

processo e debates sobre o andamento do projeto e discussões acerca dos

resultados obtidos.

O presente projeto foi conduzido da seguinte maneira:

Análise dos parâmetros das curvas reométricas obtidas do composto em

estudo;

Análise da capacidade do processo;

Definição da relevância das variáveis do processo e dos testes a serem

executados;

Proposta de melhorias e intervenções no processo;

Análise dos dados obtidos, após implementação das melhorias no

processo;

Comparação dos dados posteriores ao estudo em relação aos dados

anteriores à aplicação do projeto.

Para se analisar cada etapa do processo, isolou-se a variável em estudo e

as outras variáveis foram mantidas o mais próximo possível das condições ideais,

para que as alterações obtidas nas curvas reométricas correspondessem apenas

à variável em estudo, visando eliminar outras interferências.

5.2. Definição das causas raízes e relevância das variáveis do processo

Diante da problemática apresentada, foi realizada uma reunião com a

equipe de melhorias para esse projeto, para a elaboração de um Brainstorming,

onde o objetivo principal foi coletar o máximo de informações sobre o processo e

41

determinar quais seriam os fatores mais importantes para a obtenção de curvas

reométricas dentro do especificado, com o objetivo de se levantar todas as

causas raízes possíveis no processo de mistura que podem levar a falhas no

composto final, que serão detectadas pelo Reômetro.

Após a realização do Brainstorming, a equipe definiu os seguintes fatores,

que poderiam impactar na análise reométrica:

Viscosidade da borracha NBR; Viscosidade do Óleo (Plastificante); Parâmetros das Matérias-Primas; Falhas na Pesagem; Calibração das Balanças; Perda de Matérias-Primas durante o processo; Tempo do Banbury; PLC do Banbury (Ajustar o Automático); Temperatura do Banbury; Quantidade de passagens da manta pelo moinho – Padronizar; Testes em diferentes partes da mesma manta; Choque Térmico na amostra (Testes para averiguar se influencia na

amostra); Sujeira do Reômetro; Calibração do reômetro; Temperatura do Reômetro.

5.3. Recebimento de Matérias-Primas

Todas as matérias-primas recebidas pela empresa analisada são acompanhadas pelos respectivos certificados de análise, enviados juntos aos produtos pelos fornecedores, contendo informações específicas que devem atender, obrigatoriamente, às especificações determinadas pela empresa.

Como a empresa não realiza nenhum tipo de testes nas matérias-primas, a aceitação, ou não, de determinada matéria-prima é baseada no certificado de análise enviado pelos fornecedores.

Para garantir que as matérias-primas utilizadas pela empresa estejam nas condições adequadas para uso no processo, o setor de recebimento deve preencher um Laudo de Inspeção, que contem todos os dados e especificações necessários.

42

Foi realizado um treinamento com a equipe de recebimento de materiais para que se entendesse a importância de cada parâmetro e de cada matéria-prima, a fim de se evitar possíveis problemas relacionados às especificações e exigências do processo.

Além disso, foi elaborado um Laudo de Inspeção à prova de erros, onde a planilha a ser preenchida indica um erro, quando o mesmo existir.

6. MATERIAL

6.1. Composto de Borracha

Para o presente estudo foi utilizado um composto de borracha sintético de

base nitrílica, que é o composto de maior volume e importância para a

empresa estudada, utilizado em cerca de 80% das mangueiras produzidas.

A escolha desse composto, além da importância do mesmo, se deu pela

grande quantidade de dados disponíveis e produção frequente, facilitando a

coleta de novos dados e a realização de testes e experimentações.

6.2. Preparação dos Corpos-de-prova

Após a produção da carga no Banbury, o composto de borracha é

trabalhado em um misturador aberto de cilindros, para homogeneização e

moldagem do composto no formato de mantas.

A cada produção de uma carga no Banbury, retiram-se cinco mantas, onde,

de uma delas, será retirado um pedaço de borracha para a preparação do corpo-

de-prova cilíndrico, que será utilizado na análise reométrica.

43

6.3. Equipamento para medição

Para a determinação das curvas reométricas foi utilizado um Reômetro

ODR, conforme explicado anteriormente, na Revisão Bilbliográfica desse estudo.

Os testes reométricos são realizados em 100% das cargas produzidas.

6.4. Análise da Capacidade do Processo

Utilizou-se o software Minitab 15 para a análise da capacidade do

processo.

44

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO

7.1 Análise das curvas reométricas

A fim de se obter um panorama geral sobre a variação do processo antes

da implantação do projeto, analisaram-se as curvas de diferentes cargas

produzidas no mesmo dia, no mesmo mês e nos diferentes meses do primeiro

semestre de 2014, conforme demonstrado nas Figuras 9 e 10 e nas Tabelas 2 e

3.

Figura 9: Curvas Reométricas - Alterações entre cargas do mesmo dia e mesmo mês.

(Fonte: Do Autor).

45

Tabela 2: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 9.

COMPOSTO 640-99 Número da Carga

Data do Teste

ML (Lb.in)

T10 (min)

T90 (min)

MH (Lb.in)

COR

10 03/01/14 14,03 1,37 2,68 87,43 VERDE

24 03/01/14 12,03 1,41 2,71 77,92 VERMELHO

10 18/01/14 11,73 1,60 2,78 74,22 AZUL

10 31/01/14 17,04 1,33 2,64 102,46 MARROM

(Fonte: Do autor).

Figura 10: Curvas Reométricas – Alterações entre o primeiro semestre de 2014.

(Fonte: Do autor).

46

Tabela 3: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 10.

COMPOSTO 640-99 Número da Carga

Data do Teste

ML (Lb.in)

T10 (min)

T90 (min)

MH (Lb.in)

COR

10 18/01/14 11,73 1,60 2,78 74,22 VERDE

10 19/02/14 16,12 1,26 2,67 87,52 VERMELHO

10 14/03/14 13,46 1,58 2,77 81,27 AZUL

10 16/04/14 15,72 1,37 2,63 97,64 MARROM

10 21/05/2014 17,12 1,38 2,63 114,23 FUCSIA

10 24/06/2014 13,59 1,40 2,63 104,21 OLIVA

De acordo com os dados reométricos analisados, pode-se observar a

grande diferença entre as curvas obtidas, demonstrando que o processo é

inconstante, ou seja, as curvas não se sobrepõem umas às outras, demonstrando

uma considerável variação entre as diferentes cargas produzidas.

Essas variações entre as diferentes curvas demonstram que o processo

precisa ser otimizado a fim de se evitar a fabricação de produtos fora do

especificado.

Para se confirmar e mensurar essas variações, foi realizada uma análise

da capacidade do processo, para o cálculo de Cp e Cpk.

Para análise da capacidade do processo, foram coletados dados de todas

as curvas reométricas de 2013 e do primeiro semestre de 2014, a fim de se

calcular o Cp e Cpk, utilizando-se o software Minitab 15. As Figuras 11,12, 13 e

14 representam a capabilidade do processo, separada pelos parâmetros ML, t10,

t90, MH, respectivamente.

(Fonte: Do autor).

47

Figura 11: Capabilidade do Processo – ML.

(Fonte: Do autor).

Figura 12: Capabilidade do Processo – t10.

(Fonte: Do autor).

48


(Fonte: Do autor).

Figura 14: Capabilidade do Processo – MH.

(Fonte: Do autor).

49

Além de todos esses dados, verificou-se, também, que 5% de todas as

cargas produzidas em 2013 apresentou algum tipo de falha, gerando uma perda

de 9900 Kg nesse ano, o que significa um prejuízo de, aproximadamente, R$

105.000,00.

Logo, de acordo com a análise realizada, é possível enfatizar a importância

de se otimizar o processo estudado, a fim de torná-lo mais satisfatório e capaz.

50

7.2. Mapeamento do Processo

A partir dos dados levantados durante a realização do Brainstorming realizado pela equipe de melhorias, foi possível fazer o Mapeamento do Processo, conforme ilustrado na Figura 15, para ajudar na organização dos testes e avaliação dos impactos de cada um desses itens no composto final.

Figura 15: Mapeamento do Processo de Mistura (Fonte: Do autor).

(Fonte: Do autor).

7.3. Pesagem

Na área de pesagem das cargas dos compostos de borracha, antes de

qualquer análise, foi implantado um plano semanal de calibração das balanças,

para se garantir a eficiência e precisão das mesmas.

51

As matérias-primas eram pesadas em sacos plásticos e movimentadas em

um suporte com rodas entres os setores de pesagem até o destino final, o

Banbury. Para se evitar a perda dessas matérias-primas durante o deslocamento

e a pesagem, alterou-se a forma de coleta dos componentes, de sacos plásticos,

para caixas plásticas, devidamente fechadas com tampas e identificadas.

Para a análise do impacto da pesagem inadequada foram realizados testes

práticos. Foram pesadas oito cargas diferentes variando-se, aleatoriamente, o

peso das matérias-primas apresentadas na formulação do composto, com

alterações maiores do que cem gramas, tanto para mais quanto para menos do

que o especificado.

Dessa maneira foi possível observar qual a alteração causada no composto

final, no caso de uma pesagem descuidada, fora das especificações, conforme

ilustrado na Figura 16 e na Tabela 4.

Figura 16: Curvas Reométricas – Pesagem descuidada.

(Fonte: Do autor).

52

Tabela 4: Dados da figura 16.

Cargas ML T10 T90 MH COR

1 15,52 1,34 2,64 105,65 VERDE

2 16,06 1,23 2,56 121,17 VERMELHA

3 33,91 1,19 2,50 127,56 AZUL

4 33,10 1,34 2,64 119,08 MARROM

5 16,15 1,80 2,85 78,35 ROSA

6 21,27 1,48 2,71 101,99 OLIVA

7 14,53 1,50 2,79 78,73 PRETA

8 11,58 1,34 2,52 94,68 LIMA

Em seguida, pesaram-se oito cargas seguindo-se, rigorosamente, o peso

estipulado na formulação, tomando-se o devido cuidado para que não houvesse

divergências na pesagem das oito cargas. As curvas estão representadas na

Figura 17 e na Tabela 5.

Figura 17: Curvas Reométricas – Pesagem de acordo com as especificações.

(Fonte: Do autor).

(Fonte: Do autor).

53



1 15,10 1,42 2,66 97,87 VERDE

2 14,30 1,35 2,61 108,74 VERMELHA

3 13,89 1,39 2,64 101,96 AZUL

4 13,59 1,33 2,62 106,83 MARROM

5 11,58 1,34 2,52 94,68 ROSA

6 15,52 1,36 2,62 106,31 OLIVA

7 14,49 1,38 2,64 103,74 PRETA

8 18,03 1,33 2,63 114,06 LIMA

Analisando-se os dados dessa análise, pode-se perceber que há uma

enorme variação nas cargas pesadas de maneira descuidada, enquanto que nas

cargas pesadas corretamente, o problema foi atenuado e a diferença entre as

curvas foi muito pequena.

Para resolver essa situação, dado a criticidade verificada na etapa de

pesagem, implantou-se um engenhoso sistema automatizado, onde as influências

do operador seriam mínimas.

Foi desenvolvido um dispositivo que controla as variações de pesagem e

demonstra quando a matéria-prima foi pesada adequadamente, de acordo com a

formulação estipulada.

A balança é conectada a um software que, através de um monitor, mostra a

formulação, qual a matéria-prima a ser pesada e qual a quantidade ideal que

deverá ser pesada. Caso o peso da matéria-prima não esteja dentro dos limites

especificados o sistema não permitirá continuar a pesagem da próxima matéria-

prima da formulação, obrigando o operador a adicionar a quantidade exata para

todas as matérias-primas.

Assim que todos os componentes são pesados, o sistema emite uma

etiqueta de aprovação eletrônica, que fica armazenada no sistema, e libera as

pesagens das próximas cargas. Dessa forma, garante-se que a etapa de

pesagem foi realizada adequadamente.

(Fonte: Do autor).

54

7.4. Banbury

A fim de analisar a relação entre temperatura de descarga e alteração na

curva reométrica, foram realizadas oito medições de temperatura, utilizando-se

um pirômetro, conforme mostrado na Tabela 7, no momento em que o composto

era despejado do Banbury, de cargas selecionadas aleatoriamente, em diferentes

dias de produção e analisadas as suas respectivas curvas reométricas. A Figura

18 e a tabela 6 demonstram os resultados desses testes.

Figura 18: Curvas Reométricas – Diferentes temperaturas de descarga.

(Fonte: Do autor).

55



1 14,02 1,44 2,73 79,91 VERDE

2 15,22 1,34 2,67 85,12 VERMELHA

3 14,12 1,43 2,71 87,22 MARROM

4 14,82 1,43 2,73 86,22 AZUL

5 18,86 1,52 2,73 100,45 ROSA

6 13,89 1,37 2,62 107,13 OLIVA

7 14,10 1,28 2,56 113,01 PRETA

8 20,79 1,40 2,70 106,57 LIMA

(Fonte: Do autor).

Tabela 7: Medições das temperaturas de descarga dos compostos.

(Fonte: Do autor).

Pode-se observar, através dos dados obtidos, que existe uma grande

variação de temperatura ao se processar o composto no Banbury.

A temperatura ideal para esse composto é de, aproximadamente, 104,0 ⁰C,

porém o equipamento não apresentava condições para manter a temperatura

desejada.

Para se tentar resolver esse problema foi utilizado um inversor de

frequência.

Um inversor de frequência nada mais é do que um equipamento eletrônico

capaz de variar a velocidade de giro de motores elétricos trifásicos. O inversor de

frequência tem como principal função alterar a frequência da rede que alimenta o

motor, fazendo com que o motor siga frequências diferentes das fornecidas pela

Cargas Temperatura (?C)

1 121,6

2 112,7

3 131,5

4 98,3

5 109,4

6 118,9

7 122,1

8 103,4

56

rede, que é sempre constante. Desta forma podemos facilmente alterar

a velocidade de rotação do motor de modo muito eficiente (LINO, 2014).

Também foi instalado um sensor de temperatura, que permite ao operador

saber qual é a temperatura exata do composto dentro do misturador.

Durante o estudo acerca do Banbury, também foi verificado um problema

no ajuste do Programador Lógico de Controle (PLC). Esse equipamento não

estava funcionando adequadamente, acarretando em variações no tempo de

mistura do Banbury. Os operadores precisavam desligar o modo automático e

acionar o pilão do Banbury manualmente, para que fosse possível uma correta

homogeneização do composto.

O PLC foi então reajustado e os tempos de mistura, após vários testes

cronológicos, foram redefinidos, para que não houvesse intervenção dos

operadores durante a mistura do composto no Banbury.

7.5. Misturador Aberto de Cilindros

Um dos grandes problemas verificados durante a etapa em que se utiliza o

misturador aberto de cilindros (moinho) foi que os operadores não possuíam um

padrão para saber quantas vezes o composto deveria ser homogeneizado no

equipamento. A cada carga produzida, o composto era homogeneizado de

maneira aleatória por cada operador, alterando-se a quantidade de vezes em que

as cargas passavam pelos rolos.

Para analisar o impacto que essa operação desordenada ocasionava aos

compostos produzidos, foram retiradas cinco mantas, as quais foram passadas

uma quantidade definida de vezes diferentes pelos rolos.

A carga nomeada de A2 foi passada duas vezes pelo moinho, a carga A4,

quatro vezes, a carga A6, seis vezes e a carga A8, oito vezes. Com isso, foi

possível obter as curvas reométricas para cada uma delas, conforme consta na

Figura 19 e Tabela 8, a fim de se fazer um comparativo entre as cargas.

57

Figura 19: Curvas Reométricas – Homogeneização do composto no Moinho.

(Fonte: Do autor).

Tabela 8: dados da figura 19.


1 10,87 1,34 2,54 91,56 AZUL

2 12,89 1,32 2,52 94,45 VERMELHA

3 14,40 1,32 2,60 107,43 VERDE

4 14,50 1,45 2,67 78,37 MARROM

A partir da análise das curvas reométricas obtidas, foi possível perceber

uma diferença considerável entre as diferentes cargas, indicando que a

quantidade de passagens do composto pelo misturador aberto de cilindros,

ocasiona um impacto no composto final.

(Fonte: Do autor).

58

7.6. Reômetro

O reômetro é operado por diferentes funcionários, que acabam não

recebendo o devido treinamento sobre como operar e manter o equipamento da

melhor maneira possível, a fim de se evitar possíveis deteriorações prematuras e

desvios nos testes. Também é importante que os funcionários entendam a

importância de cada peça e, pelo menos, um pouco do processo o qual estão

operando.

Percebeu-se durante o estudo, que a limpeza do reômetro não era

realizada da maneira determinada, que as câmaras do mesmo eram mantidas

abertas por um longo período de tempo, fazendo com que a temperatura do teste

fosse alterada da ideal, e que a calibração não era testada pelos operadores, a

fim de se perceber se o equipamento estava em bom funcionamento.

Para sanar esses problemas foi incluído o tema reometria nas reuniões de

resposta rápida, que são utilizadas para verificar se os operadores estão cientes

dos procedimentos internos de determinado setor, e também foi realizada a Lição

de Um Ponto (LUP), para se ter certeza de que todos os colaboradores

envolvidos tiveram ciência e participação nos treinamentos e orientações

apresentadas.

Dessa forma, foi possível garantir que todos os operadores realizassem

devidamente a limpeza do reômetro e se preocupassem com a data de

calibração, bem como com as outras peças envolvidas, e também tivesse ciência

do impacto que o mau uso do equipamento poderia ocasionar nas analises dos

compostos.

Outros fatores estudados sobre os corpos de prova utilizados na reometria

foram se as mantas produzidas possuíam diferenças ao longo de toda sua

superfície e se o armazenamento das amostras em diferentes locais produziria

algum efeito na analise reométrica.

Foram retirados pedaços de borracha da mesma manta, para analisar as

diferentes curvas reométricas obtidas, demonstradas na Figura 20 e Tabela 9.

59

Figura 20: Curvas Reométricas – Análise da manta de borracha.

(Fonte: Do autor).



1 13,49 1,44 2,65 98,14 VERDE

2 13,39 1,47 2,66 98,98 VERMELHA

3 13,69 1,49 2,68 101,09 AZUL

Como pode ser visto na análise, as curvas não demonstraram divergências

significativas, demonstrando-se praticamente sobrepostas umas às outras.

O armazenamento das amostras de borracha para as analises reométricas

é realizado dentro da fabrica, próximo ao Banbury, onde é um lugar mais

quente, e também dentro do laboratório químico, onde possui ar condicionado

e as amostras são colocadas em cima de uma mesa geralmente muito fria, de

alumínio. Para se analisar o impacto causado nas curvas reométricas dos

compostos, foram retiradas três amostras de cada local, ilustradas na Figura

21 e Tabela 10:

(Fonte: Do autor).

60

Figura 21: Curvas Reométricas – Análise da influência dos locais de armazenamento dos corpos de prova.

(Fonte: Do autor).



1 14,90 1,39 2,63 111,26 VERDE

2 14,80 1,39 2,63 108,07 VERMELHO

3 14,60 1,42 2,66 107,64 AZUL

4 14,90 1,41 2,63 106,83 MARROM

As análises também demonstraram que não há um impacto significativo na

curva reométrica do composto, caso as amostras sejam armazenadas em

diferentes locais. As curvas obtidas apresentaram, praticamente, os mesmos

valores.

7.7. Resultados após implantação das melhorias e análises

Após todos os estudos e melhorias já implantadas e em pleno

funcionamento, foram realizadas análises das curvas reométricas obtidas no

mesmo dia, no mesmo mês e nos diferentes meses decorridos até o término

desse estudo, para se comparar as diferentes curvas obtidas e se comparar com

(Fonte: Do autor).

61

as curvas que eram obtidas anteriormente ao estudo. A Figura 22 e Tabela 11

ilustram os resultados obtidos.

Figura 22: Curvas Reométricas – Análise do processo após implantação das melhorias.

(Fonte: Do autor).



1 13,09 1,46 2,63 92,73 VERDE

2 12,08 1,42 2,61 92,73 VERMELHA

3 12,59 1,43 2,59 97,16 AZUL

4 12,18 1,42 2,59 92,83 MARROM

5 11,48 1,42 2,58 93,64 FUCSIA

6 11,81 1,46 2,64 92,43 OLIVA

7 11,48 1,47 2,62 86,96 PRETA

8 11,48 1,45 2,61 93,64 LIMA

Foi realizada, também, uma análise da capacidade do processo, a fim de

se avaliar o impacto das melhorias implantadas, conforme Figuras 23, 24, 25 e

26.

(Fonte: Do autor).

62

Figura 23: Capabilidade do Processo – ML.

(Fonte: Do autor).


(Fonte: Do autor).

63


(Fonte: Do autor).

Figura 26: Capabilidade do Processo – MH.

(Fonte: Do autor).

64

Analisando-se as curvas obtidas para o processo otimizado e os índices de

Cp e Cpk, foi possível observar que houve uma grande melhoria no processo, que

agora está mais estável e capaz, pois quanto maior for o numero de Cp e Cpk,

melhor será o processo. Além disso, diminuíram-se as divergências entre as

diferentes cargas produzidas no mesmo dia e nos diferentes meses, o que

comprova que o composto de borracha produzido está muito mais homogêneo e

sem grandes variações nas suas propriedades finais.

65

8. Conclusões

De posse dos resultados obtidos e das comparações realizadas antes e

depois da implantação do estudo, pôde-se perceber que o projeto implementado

foi fundamental para diminuir as variações nas curvas reométricas e diminuir o

índice de falhas do processo, alcançando-se os objetivos esperados.

O processo analisado, que se demonstrava incapaz e instável se

transformou em capaz e estável, sendo possível obter cargas dentro dos limites

especificados e dos limites de controle.

Um dos fatores mais importantes analisados para o processo de mistura de

compostos de borracha foi a etapa da pesagem, que se demonstrou

extremamente crítica e ocasionou grandes divergências nas análises reométricas.

O uso de um sistema automatizado se mostrou extremamente eficiente,

eliminando-se os erros dos operadores e equipamentos. Também foi possível

analisar que a temperatura do Banbury durante a mistura do composto em seu

interior é um fator extremamente importante e teve grande influência na obtenção

de cargas padronizadas. Foi possível observar que o acionamento de motores de

Banburys através de um inversor de frequência auxilia na obtenção de um melhor

controle da velocidade, assim como na geração de altos torques. Assim, é

possível se obter uma melhor homogeneização do composto e misturas mais

perfeitas, melhorando-se a qualidade do composto produzido.

Por fim, pôde-se concluir que as melhorias implantadas foram

extremamente eficientes, auxiliando para que o processo produza sempre peças

de qualidade, dentro das especificações impostas, evitando-se, assim, grandes

perdas de matérias-primas, de investimentos e capital da empresa, reduzindo-se

a quantidade de compostos de borracha refugados.

66

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