Uma nova abordagem de modelação para prever a evolução do processo de cortiça

Aug 08, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8002 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Para prever a evolução do processo de vulcanização de placas de cortiça-borracha, foi desenvolvida uma abordagem numérica combinando modelos de transferência de calor por condução e cinética. Foi aplicado um modelo unidimensional para prever a evolução da temperatura e do grau de cura nas diferentes fases da vulcanização de um compósito cortiça-borracha. Além disso, devido à degradação verificada pelo composto, um modelo de reversão existente foi adicionado ao problema. Com base nos dados do reômetro, foram determinados os parâmetros de cura e reversão. Dados experimentais foram utilizados para determinar as propriedades térmicas do composto, assumindo valor constante ou de acordo com seu grau de cura e temperatura. Os resultados obtidos por simulação mostraram uma boa correspondência com os resultados experimentais, mesmo assumindo propriedades térmicas constantes. A aplicação da metodologia proposta fornece informação sobre os parâmetros ótimos do processo para cada espessura de placa, sem comprometer a homogeneidade e características do produto final, o que pode ser uma ferramenta valiosa durante as fases de desenvolvimento e produção de compósitos cortiça-borracha.

Os compósitos cortiça-borracha são materiais elastoméricos compostos por uma matriz de borracha preenchida com grânulos de cortiça. A presença da cortiça contribui para a melhoria da recuperação e para a redução do escoamento lateral, devido ao seu baixo coeficiente de Poisson, quando o compósito é submetido a cargas compressivas. Além disso, proporciona a estabilidade química da mistura de borracha. Dependendo do tipo de borracha, esses compósitos apresentam boa resistência a fluidos, o que os torna adequados para aplicações como juntas utilizadas nas indústrias automotiva ou de energia, por exemplo. Outras aplicações dos compósitos cortiça-borracha incluem efeitos de vibração ou isolamento acústico, na forma de almofadas. O fabrico de materiais compósitos cortiça-borracha é semelhante ao de outros compostos de borracha1,2. A uma formulação de composto de borracha são adicionados grânulos de cortiça durante as fases de mistura, juntamente com outras matérias-primas como o agente vulcanizante, activadores de vulcanização, cargas de reforço, auxiliares de processo, anti-degradantes, entre outros. Após passar por um moinho de dois rolos para obter uma mistura homogênea e uma placa de espessura constante, o material é colocado dentro de um molde metálico e vulcanizado em uma prensa de moldagem por compressão.

O processo de vulcanização resulta da combinação de dois fenômenos: transferência de calor e reação de cura3. Esta etapa é considerada um passo crucial para alcançar as características finais ideais de um produto de borracha. Durante a vulcanização são criadas reticulações entre cadeias poliméricas, geralmente com liberação de energia, transformando as propriedades do material4. As propriedades físicas e mecânicas dos produtos de borracha estão muito relacionadas aos parâmetros de vulcanização, conforme relatado por outros autores5,6.

Para controlar a evolução das reações de cura, diferentes métodos podem ser aplicados, incluindo calorimetria exploratória diferencial (DSC), reômetro de disco oscilante (ODR), análise mecânica dinâmica (DMA), reômetro de matriz móvel (MDR) e até análise dielétrica (DEA)7. Em termos de reologia, o módulo de cisalhamento de um composto de borracha aumenta à medida que novas ligações cruzadas são criadas. Um ensaio MDR fornece informações sobre a evolução do grau de cura de uma amostra de disco fino quando submetida a um processo isotérmico, através da medição contínua do torque de uma das matrizes8. A reologia de um composto de borracha também pode fornecer informações sobre os parâmetros ideais de cura, como temperatura e tempo de vulcanização, uma vez que estas são variáveis ​​influentes em um processo de vulcanização.

No entanto, alcançar as características esperadas dos produtos de borracha pode ser um desafio, devido à sua geometria, características do composto e outros aspectos do processo de fabricação. A aplicação de abordagens de modelagem como ferramenta no auxílio à otimização da vulcanização da borracha tem sido estudada por diversos autores. Geralmente, esses trabalhos apresentam uma metodologia que combina cura com o problema de aquecimento, incluindo abordagens baseadas em modelos9,10,11 e baseadas em dados12,13.