O que são elastômeros?
Você sabia que os elastômeros são verdadeiros campeões ocultos do nosso dia a dia? Gostaríamos de apresentá-los a você:
Os elastômeros são polímeros com viscoelasticidade (ou seja, viscosidade e elasticidade), geralmente amorfos, com estrutura de rede reticulada. Eles se deformam com baixa tensão e, quando a tensão é removida, retornam à sua forma original.
O termo “elastômero” é uma junção de “elástico” e “polímero”, e é frequentemente usado como sinônimo de borracha. No entanto, este termo é mais comumente aplicado a elastômeros vulcanizados.
Os polímeros com ligações cruzadas fracas geralmente têm um baixo módulo de elasticidade e alta extensibilidade em comparação com outros materiais. As cadeias de polímeros nos elastômeros são mantidas juntas por ligações intermoleculares relativamente fracas, que permitem que os polímeros se estiquem sob tensão. Os elastômeros devem sua elasticidade à capacidade das moléculas de cadeia longa de se realinharem para distribuir uma tensão aplicada.
Em condições normais, as longas moléculas do material elastomérico são enroladas de forma irregular. Quando uma força é aplicada, elas se alinham na direção desse esforço, retornando à sua disposição normal quando a força ou a tensão é liberada. Devido a essa extrema flexibilidade, os elastômeros podem expandir-se reversivelmente em até várias centenas de por cento.
Propriedades
O que é importante sobre os elastômeros para os profissionais de compra, químicos e cientistas de materiais? Entre os inúmeros elastômeros disponíveis no mercado, eles selecionam aquele cujas propriedades melhor atendem aos requisitos de sua aplicação. Dependendo da aplicação, sua atenção se concentra no seguinte:
- Propriedades mecânicas
- Propriedades térmicas
- Resistência química
- Propriedades econômicas
- Propriedades socioecológicas
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas de um elastômero são as propriedades físicas que ele apresenta quando as forças atuam sobre ele. Isso inclui, por exemplo, parâmetros como dureza, alongamento na ruptura, resistência à abrasão e resistência ao rasgo.
Dureza
A dureza do elastômero é um critério de seleção importante. Um dado importante nesse contexto é a dureza Shore. Para determiná-la, mede-se a resistência do elastômero a uma força de deformação durante um período de tempo definido. Enquanto os elastômeros mais duros têm alta resistência à deformação, o oposto é verdadeiro para os elastômeros macios.
Alongamento na ruptura
O alongamento na ruptura é uma medida de quanto um elastômero pode ser esticado antes de se romper. O alongamento na ruptura geralmente é expressado como uma porcentagem do comprimento original.
Resistência à abrasão e resistência ao rasgo
A resistência à abrasão é um parâmetro importante para os elastômeros, especialmente em aplicações de vedação dinâmica e pneus. A boa resistência ao desgaste dos elastômeros é crucial quando estão sujeitos a cortes, rasgos e arranhões. Elastômeros com boa resistência à abrasão geralmente também possuem boa resistência ao rasgo. Por outro lado, elastômeros com baixa resistência à abrasão geralmente também têm baixa resistência ao rasgo.
A maioria dos selantes e adesivos, por exemplo, tem requisitos de baixa resistência à abrasão e ao rasgo (com exceções). Já aplicações como pneus, solas de sapatos ou correias transportadoras industriais demandam alta resistência à abrasão e ao rasgo.
Propriedades térmicas / resistência ao calor
A temperatura de aplicação merece atenção especial, pois pode ter um efeito direto sobre o desempenho dos elastômeros. A temperatura máxima de operação pode variar consideravelmente de um elastômero para outro. Os elastômeros se tornam mais rígidos e perdem flexibilidade conforme as temperaturas caem ou ficam abaixo de sua temperatura de transição vítrea. Isso pode levar à perda de suas propriedades de borracha ou até mesmo à quebra. Essas mudanças são principalmente reversíveis, pois são induzidas fisicamente. Mais críticas são as altas temperaturas, pois nelas os elastômeros podem sofrer alterações químicas irreversíveis.
Bens de consumo (por exemplo, brinquedos, produtos de cuidado pessoal) ou artigos esportivos (por exemplo, alças, equipamentos de natação) geralmente exigem pouco da resistência à temperatura dos elastômeros. A situação é bastante diferente para aplicações de mobilidade, como pneus ou compartimentos de motores, no setor aeroespacial ou para adesivos resistentes ao calor. Nestes casos, requisitos elevados devem ser atendidos.
Resistência química
A resistência química também pode ser importante, pois algumas aplicações de elastômeros envolvem o contato com outros produtos químicos. A resistência química refere-se à propriedade de um material que é exibida durante ou após uma reação química. Se um material sofrer uma reação química, às vezes pode apresentar propriedades diferentes como resultado de uma estrutura interna alterada.
Exemplos de propriedades químicas dos elastômeros incluem compatibilidade com líquidos, bem como resistência ao calor e inflamabilidade. Enquanto brinquedos, artigos esportivos e artigos de papelaria, por exemplo, têm baixos requisitos para a resistência química dos elastômeros, o oposto é verdadeiro para pneus, peças automotivas e peças hidráulicas.
Compatibilidade de fluidos
Os elastômeros têm diferentes graus de compatibilidade com fluidos. Em caso de má compatibilidade, as propriedades de uma peça de elastômero podem se deteriorar rapidamente até o ponto de falha total. A temperatura e a pressão, bem como a concentração de um produto químico, são fatores de influência comuns aqui. Em aplicações críticas, portanto, faz sentido submeter os elastômeros a um teste funcional.
Em diversas aplicações, as peças de elastômero entram em contato com óleos de hidrocarbonetos. Algumas peças de elastômero, como vedações, são classificadas de acordo com sua resistência ao calor e ao óleo. Um exemplo é o sistema ASTM D2000, que classifica os elastômeros de acordo com a resistência ao calor (tipo) e a resistência ao óleo (classe).
Propriedades econômicas
Isso deve estar claro: O custo é um critério de decisão importante ao selecionar um plástico. Os elastômeros podem ser uma alternativa eficiente e econômica a outros materiais, e ao mesmo tempo podem melhorar o conforto e as propriedades do produto final. Devido aos custos variáveis de matéria-prima e composição, bem como aos custos variáveis de processamento, os preços podem variar amplamente.
Propriedades socioecológicas
Qual é a importância da sustentabilidade de um elastômero para você? Para um número cada vez maior de compradores e usuários comerciais, esse aspecto está no topo da lista. Portanto, vale a pena considerar os elastômeros também sob esse ponto de vista.
A borracha natural é obtida das seringueiras naturais e tem sido usada pelas pessoas há milhares de anos. Atualmente, ele é um dos materiais mais importantes que não são derivados do petróleo.
Isso torna a borracha natural sustentável? É importante lembrar que as florestas tropicais estão sendo desmatadas para abrir espaço para plantações de seringueiras, visando atender à crescente demanda. Além disso, pesticidas e herbicidas são usados para proteger as seringueiras de pragas e ervas daninhas.
O que muitos também não sabem: o processo de produção da borracha natural requer uma quantidade significativa de energia e, no final de sua vida útil, é difícil reciclá-la.
A borracha sintética é um produto da indústria do petróleo. Diversos compostos de borracha sintética são amplamente utilizados atualmente. Os impactos ambientais negativos de sua produção e uso são prejudiciais à sustentabilidade. Isso inclui o uso de matérias-primas fósseis, produção com uso intensivo de energia e emissões prejudiciais ao clima e à água. Além disso, assim como a borracha natural, os polímeros com ligações cruzadas são difíceis de reciclar. No entanto, há vantagens, já que podem ser aplicados em contextos que reduzem as vibrações e o ruído prejudicial à saúde.
E quanto aos TPEs? Os TPEs são feitos de uma variedade de materiais sintéticos. Atualmente, há também alguns materiais de base biológica. Por ser um termoplástico, o TPE também pode, teoricamente, ser reciclado. Entretanto, como não é um dos principais tipos de plástico, as opções são limitadas. Desfiado, ele pode servir como material de enchimento para outros produtos, ou pode ser derretido e novos TPEs podem ser produzidos a partir dele. Também é positivo o menor impacto ambiental da fabricação do produto usando TPEs em comparação com a borracha natural.
Em resumo, a borracha natural, a borracha sintética e os TPEs têm suas próprias vantagens e desafios em termos de sustentabilidade. A decisão sobre qual usar acaba por ser do cliente.
Tipos de elastômeros
Os elastômeros podem ser divididos em dois grupos: elastômeros termofixos e termoplásticos. Os dois grupos diferem muito em suas propriedades. Isso se refere, em particular, à conformabilidade.
Elastômeros termofixos
Aqui está o que você deve saber: Os elastômeros não são apenas altamente deformáveis, mas também essencialmente recuperáveis. Cadeias de polímeros com alta flexibilidade e mobilidade, juntamente com uma estrutura de rede reticulada, garantem essa elasticidade. Por outro lado, os elastômeros termofixos não podem ser remoldados após o processo de cura. A razão para isso é que os termofixos possuem uma estrutura de rede firmemente reticulada em três dimensões por ligações químicas induzidas pelo calor. Enquanto os elastômeros insaturados são vulcanizados com enxofre, os elastômeros saturados são vulcanizados usando outros agentes de reticulação, já que não podem ser vulcanizados com enxofre.
Elastômeros insaturados
Uma característica dos elastômeros insaturados é que eles contêm ligações duplas carbono-carbono. Eles podem ser vulcanizados com e sem enxofre.
Borracha natural
Vamos dar uma olhada na borracha natural. Seu material básico é a seiva leitosa da seringueira tropical. Inicialmente, foram feitas tentativas experimentais para usá-la na fabricação de bolsas, válvulas e outros produtos. No entanto, sua resistência a baixas temperaturas, bem como suas rachaduras e aderência, impediram isso.
Foi somente quando Charles Goodyear, que estava pesquisando maneiras de melhorar as propriedades materiais da borracha natural, que houve a descoberta. No processo de vulcanização que ele desenvolveu, a borracha bruta é misturada com enxofre e aquecida. A borracha elástica obtida foi inicialmente usada para fabricar solas de sapatos, mangueiras, pneus e outros produtos. O boom da borracha natural ocorreu décadas mais tarde, com o surgimento do setor automotivo no início do século 20 e a enorme demanda associada por pneus de carro.
Gutta-percha
Você conhece a guta-percha? Esse elastômero é quimicamente semelhante à borracha natural, mas tem uma estrutura molecular diferente (borracha natural: amorfa, guta-percha: cristalina). Isso também resulta em outras propriedades, como maior rigidez do material produzido a partir dele. A base do polímero natural é o líquido leitoso da árvore da guta-percha, que, quando evaporado, gera a coagulação do látex resultante.
No passado, a guta-percha era usada, entre outras coisas, em bolas de golfe e para isolar cabos submarinos. Atualmente, quase não há aplicações em que ele ainda seja usado.
Poliisopreno sintético
A borracha sintética de poliisopreno difere da borracha natural em sua microestrutura. Enquanto a última consiste quase inteiramente de polímero cis-1,4, o poliisopreno sintético é uma mistura de polímero cis-1,4, trans-1,4 e 3,4-vinil. Isso também causa diferenças nas propriedades. Por exemplo, a borracha sintética geralmente tem resistência ao rasgo e resistência à tração um pouco menores do que a borracha natural. Ambas têm boa resistência à fadiga e, em uma ampla faixa de temperatura, excelente recuperação de compressão, elasticidade, bem como resistência à abrasão e à deformação. No entanto, têm baixa resistência à gasolina, ao ozônio e a uma variedade de solventes orgânicos. Uma importante área de uso da borracha sintética é em aplicações técnicas, onde suas excelentes propriedades mecânicas e a relação preço-desempenho favorável são uma vantagem.
Polibutadieno
Você sabia disso? O polibutadieno (PBD) é responsável por cerca de um quarto do consumo global de borrachas sintéticas. Essa borracha muito elástica apresenta uma temperatura de transição vítrea extremamente baixa e boa resistência à abrasão e ao rasgo. A geração de calor é baixa, o que torna o PBD ideal para aplicações em pneus. O PBD tem menor resistência ao rolamento do que o SBR, mas também menor atrito em superfícies molhadas. Portanto, o PBD geralmente é misturado com SBR e borracha natural para melhorar o desempenho dos pneus.
Borracha de estireno-butadieno
A borracha de estireno-butadieno (SBR) é produzida a partir de estireno e butadieno. A mistura dos dois monômeros é polimerizada em solução (S-SBR) ou como uma emulsão (E-SBR), sendo que o último processo de fabricação ainda é o mais utilizado até hoje. As propriedades do polímero dependem da proporção dos dois monômeros. Por exemplo, um alto teor de estireno resulta em borrachas mais duras.
O SBR é caracterizado por um preço relativamente baixo, boas propriedades de desgaste e adesão, e boa resistência ao envelhecimento (com a ajuda de aditivos). Cerca de metade de todos os pneus de carro são produzidos com vários tipos de SBR. Outras aplicações incluem embreagens de acionamento, solas de sapato, correias transportadoras, adesivos e várias outras peças de borracha moldada.
Entretanto, não se deve confundir o SBR com o TPS, copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno. Este também é obtido a partir dos mesmos monômeros, mas: No copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno, cada monômero de estireno e butadieno forma um bloco e esses são combinados entre si. Por outro lado, na SBR, os dois monômeros são combinados aleatoriamente.
Outros elastômeros insaturados
Outros elastômeros insaturados importantes são a borracha de cloropreno, a borracha butílica e a borracha nitrílica.
Elastômeros saturados
O que constitui os elastômeros saturados? Eles são caracterizados pela alta estabilidade a fatores ambientais, como calor, radiação, ozônio e oxigênio. A reação a esses fatores só ocorre em determinadas condições e situações. Os tipos mais importantes incluem borracha poliacrílica e de silicone, copolímero de etileno e acetato de vinila, e borracha EPM/EPDM.
Borracha EPM / EDPM
O que você deve saber: A base da borracha EPM são os monômeros de etileno e propileno sem ligações duplas carbono-carbono insaturadas. Os polímeros de cadeia longa consistem em um ou mais monômeros que são reticulados de ponta a ponta. Enquanto um copolímero consiste nos dois monômeros etileno e propileno, um terceiro monômero é adicionado em um terpolímero com dieno.
As duas borrachas de etileno-propileno, EPM (EPR) e EPDM, são um copolímero EP e um terpolímero EP, respectivamente. O EPM e o EPDM diferem muito pouco em termos de desempenho. Diferenças significativas de desempenho existem apenas em aplicações extremamente exigentes, como no caso do ácido acético concentrado. Nesses casos, alguns compostos de EPDM oferecem melhor desempenho do que a maioria dos EPMs.
Para produzir um material de borracha elástica, essencialmente as cadeias de polímero precisam ser unidas por vulcanização. Devido às propriedades químicas dessas cadeias, o processo de cura do EPM só pode ser à base de peróxido. Isso é diferente no EPDM, onde o monômero de dieno adicional fornece um local de vulcanização que permite que o polímero seja vulcanizado com base em peróxido ou enxofre. Devido a essa maior flexibilidade, o setor de vedação prefere o EPDM ao EPM para a maioria dos compostos de borracha à base de EP. No entanto, ainda há setores, como o automotivo, onde o EPM continua a ser amplamente utilizado.
Borracha poliacrílica (ACM)
As borrachas poliacrílicas, também conhecidas pelo nome químico copolímero de acrilato de alquila (ACM), são elastômeros sintéticos compostos de acrilato de etila ou outros acrilatos e uma pequena quantidade de um monômero que facilita a vulcanização. O processo de fabricação geralmente é a polimerização em emulsão ou suspensão. A combinação de uma estrutura saturada com grupos laterais polares resulta em produtos que possuem excelente resistência ao calor e à oxidação. Sua resistência a óleos hidráulicos também é excelente. A resistência ao ozônio e às intempéries também é boa.
Os elastômeros ACM são usados principalmente em aplicações que exigem alta resistência ao calor e ao óleo. Isso inclui, em particular, componentes de transmissão, como mangueiras e vedações, bem como vedações de eixo. Devido à sua excelente elasticidade, eles também são amplamente usados para amortecer vibrações, como rolamentos com amortecimento de vibrações.
Borracha de silicone (SI, Q, VMQ)
Vamos dar uma olhada mais de perto na borracha de silicone. Esse elastômero de alto desempenho contém silício, carbono, hidrogênio e oxigênio, e geralmente não é reativo. Devido à ligação Si-O em sua estrutura, a borracha de silicone tem propriedades aprimoradas em comparação com a borracha natural em termos de resistência ao calor, às intempéries, ao ozônio e ao desgaste, estabilidade química e isolamento elétrico. É importante enfatizar sua boa estabilidade e resistência a temperaturas extremas.
A borracha de silicone é cada vez mais usada nos setores em que o produto final deve manter sua resistência mecânica e seu formato original, mesmo quando exposto a calor intenso ou a temperaturas abaixo de zero. Devido às suas propriedades e à facilidade com que podem ser fabricada e moldada, as borrachas de silicone são usadas em uma ampla variedade de aplicações e produtos:
- Automotivo
- Produtos de consumo
- Roupas esportivas
- Aparelhos elétricos e Eletrônica
- Selantes
- Aplicações médicas e de cuidado a saúde
- Industrial
- Aeroespacial
- Setor de semicondutores
Outros elastômeros saturados
Outros elastômeros saturados importantes estão listados abaixo:
- Borracha de epicloridrina (ECO)
- Borracha de fluorosilicone (FVMQ)
- Fluoroelastômeros (FKM e FEPM)
- Perfluoroelastômeros (FFKM)
- Polietileno clorossulfonado (CSM)
Elastômeros termoplásticos
Você deseja alta flexibilidade na fabricação e no design? Então, os elastômeros termoplásticos (TPEs) podem ser o material ideal para você, pois são os plásticos mais versáteis de todos. Os TPEs são adequados para processos termoplásticos, como extrusão e moldagem por injeção, eliminando a necessidade de métodos demorados de processamento de borracha, como a vulcanização.
Devido à sua estrutura molecular com segmentos duros e macios, os TPEs têm alta elasticidade. Eles podem ser misturas físicas ou ligas de polímeros cristalinos e amorfos. Outra possibilidade são os copolímeros em bloco, que possuem misturas químicas de blocos de domínios cristalinos (ou, se não, com forte coesão) e amorfos na cadeia polimérica.
No caso dos TPEs e combinações, os blocos rígidos são responsáveis pelas propriedades plásticas do produto final. Entre outras coisas, eles garantem a facilidade de processamento e a resistência à temperatura, bem como propriedades como resistência à ruptura e à tração, resistência química e boa adesão. Os blocos macios são responsáveis pelas propriedades elastoméricas ou elásticas, especialmente a dureza e a flexibilidade, assim como a extensão da deformação permanente.
As aplicações importantes dos TPEs são:
- Adesivos, revestimentos e selantes
- Compostos
- Bens de consumo
- Eletrônicos
- Indústria e construção
- Médico Hospitalar
- Mobilidade
- Modificação de óleo
- Artigos esportivos e calçados
- Impressão 3D
Você quer saber mais sobre o TPE? Teremos o maior prazer em informá-lo!
Processamento de elastômeros
Agora você provavelmente quer saber como os elastômeros são processados. Os métodos de processamento mais importantes são a vulcanização e a moldagem por injeção. Na moldagem por injeção, o elastômero fundido é injetado em um molde, resultando em um produto final que é uma cópia exata do molde. As aplicações incluem processos de co-injeção e inserção-injeção. No caso da vulcanização, borrachas naturais e sintéticas são convertidas em elastômeros. A borracha produzida possui propriedades elásticas permanentes em comparação com o produto inicial. Além da vulcanização clássica com enxofre, a reticulação de borrachas é frequentemente realizada com o auxílio de outros processos, como feixes de elétrons ou radicais livres.
Outros métodos de processamento incluem:
- Extrusão
- Moldagem por extrusão e sopro
- Impressao 3D
- Calendário de moldes etc.
Aplicações
Exemplos de elastômeros
Há uma grande variedade de elastômeros disponíveis. A seguir, apresentamos elastômeros com propriedades exclusivas da Kuraray e outros exemplos bem conhecidos.
Elastômeros da Kuraray
Outros exemplos populares
A borracha está presente em todos os lugares do nosso dia a dia. Dezenas de milhares de artigos do cotidiano funcionam graças à borracha – desde a pequena vedação de borracha até a correia transportadora de um quilômetro de comprimento. Os elastômeros também são usados como material para um produto conhecido do dia a dia, cuja capacidade de alongamento todos nós conhecemos: elásticos.
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