Joe Walter considera como os processos de cura e vulcanização dos pneus poderiam ser melhorados

Sep 01, 2023

Um dos avanços seminais na história da borracha foi a descoberta de que uma pitada de enxofre adicionada à borracha bruta, e depois aquecida a temperaturas elevadas, “curava” as suas deficiências aparentemente intransponíveis: viscosidade no Verão e fragilidade no Inverno. Este processo irreversível de cura com enxofre não apenas resistiu à borracha, mas também melhorou suas propriedades físicas gerais por meio da formação de ligações cruzadas químicas ou 'pontes tridimensionais de enxofre' entre macromoléculas de cadeia longa entrelaçadas. A adição de mais enxofre criou mais ligações cruzadas enquanto a borracha se tornou mais dura e menos histerética. Curiosamente, a reticulação por outros mecanismos ocorre em muitos fenômenos comuns, como secagem de tinta e fritura de ovos.

O processo de cura que produz a ligação cruzada borracha-enxofre foi posteriormente apelidado de vulcanização em homenagem a Vulcano, o deus mitológico do fogo. No entanto, o procedimento original, descoberto por Charles Goodyear em 1839 (ver Tire Legends, julho de 2016, p.46), era demorado e tedioso – muitas vezes exigindo a aplicação de calor durante quatro ou mais horas. Desde então, investigadores de todo o mundo têm experimentado aditivos químicos combinados com borracha ou outros mecanismos de vulcanização que reduziriam os tempos de cura. A combinação de produtos químicos que promovem a reticulação é conhecida como sistema de vulcanização ou “pacote de cura”.

O pacote de cura atual para compostos de pneus é composto por enxofre, um acelerador e um ativador. O enxofre, usado a 3phr ou menos, continua sendo o melhor agente de reticulação para quase todos os compostos de borracha de pneus – sejam eles naturais ou sintéticos. Os aceleradores reduzem o tempo de cura aumentando a taxa de reticulação em comparação com o enxofre agindo sozinho. Os ativadores auxiliam o acelerador promovendo ainda mais a reticulação. O pacote de cura não é adicionado ao composto não vulcanizado até o estágio final ou produtivo da mistura na fábrica. Os ciclos de mistura anteriores, dois ou mais, são executados com a maioria dos outros ingredientes de composição, incluindo negro de fumo, sílica, antioxidantes, etc. O estágio final de mistura contendo os agentes vulcanizantes é controlado a uma temperatura mais baixa (em torno de 110ºC) do que os estágios anteriores (que são processados em temperaturas mais altas) porque o composto de borracha pode “queimar” ou reticular prematuramente. O controle do histórico de aquecimento do composto durante as operações subsequentes da fábrica, como extrusão e calandragem, também é crucial para a segurança contra queimaduras. Depois que todos os componentes estiverem montados, o pneu pode ser vulcanizado, geralmente na faixa de temperatura de 145 a 160°C por 10 a 15 minutos para um pneu de automóvel. Uma grande redução no tempo de vulcanização (minutos, não horas) em relação ao exigido na era de Charles Goodyear.

A principal razão para esta redução significativa do tempo de vulcanização é a descoberta e o uso de uma ampla gama de aceleradores. Embora o enxofre elementar tenha permanecido sempre presente nos compostos dos pneus durante mais de 100 anos, o mesmo não se aplica aos aceleradores, que evoluíram materialmente ao longo do tempo. Os primeiros aceleradores eram óxidos metálicos inorgânicos de chumbo ou zinco – geralmente incluídos em cargas elevadas. O óxido de zinco também serviu como principal agente de reforço para compostos de pneus até ser substituído pelo negro de fumo após a Primeira Guerra Mundial. No entanto, o maior avanço na redução do tempo de cura provou ser o desenvolvimento de aceleradores orgânicos no início do século XX – primeira anilina e seu derivado , tiocarbanilida, seguido por uma série de materiais complicados (para engenheiros) sintetizados a partir da década de 1920. Estes são utilizados em pequenas quantidades e são mais facilmente reconhecidos pelas suas abreviaturas, como MBT (um tiazol) e CBS (uma sulfenamida); desenvolvidos há décadas, ambos ainda são empregados hoje. No total, os compostos têm agora mais de 100 aceleradores disponíveis para uso.

Os ativadores fornecem o impulso final ao sistema de cura, fazendo com que o acelerador reaja de forma mais eficiente com o enxofre na promoção de ligações cruzadas. O “padrão ouro” entre os ativadores continua sendo o óxido de zinco inorgânico, geralmente a 2-3phr, e o ácido esteárico orgânico. É digno de nota que os ativadores são essencialmente ineficazes no aumento da quantidade de reticulação na ausência de um acelerador.