Elastómeros

Elastómeros (borrachas) são polímeros especiais que são muito elásticos. São ligeiramente reticulados e amorfos com uma temperatura de transição vítrea bem abaixo da temperatura ambiente. Podem ser considerados como uma molécula muito grande de tamanho macroscópico. As forças intermoleculares entre as cadeias de polímeros são bastante fracas. As ligações cruzadas suprimem completamente o fluxo irreversível, mas as cadeias são muito flexíveis a temperaturas acima da transição vítrea, e uma pequena força leva a uma grande deformação (ver também elasticidade da borracha).1 Assim, os elastómeros têm um módulo Young baixo e um alongamento muito alto na ruptura, quando comparados com outros polímeros. O termo elastómero é muitas vezes utilizado alternadamente com o termo borracha, embora este último seja preferido quando se refere a borrachas vulcanizadas.

Elastómeros podem ser classificados em três grandes grupos: elastómeros dieno, não dieno, e termoplásticos. Os elastómeros diénicos são polimerizados a partir de monómeros contendo duas ligações duplas sequenciais. Exemplos típicos são o poliisopreno, o polibutadieno, e o policloropreno. Os elastómeros não dieno incluem, borracha butílica (poliisobutileno), polisiloxanos (borracha de silicone), poliuretano (spandex), e elastómeros fluoro-elastómeros. Os elastómeros não dieno não têm ligações duplas na estrutura, e assim, a ligação cruzada requer outros métodos que não a vulcanização, tais como a adição de monómeros trifuncionais (polímeros de condensação), ou adição de monómeros divinil (polimerização radical livre), ou copolimerização com pequenas quantidades de monómeros dieno como o butadieno. Os elastómeros termoplásticos como o SIS e os copolímeros em bloco SBS e certos uretanos são termoplásticos e contêm unidades de repetição rígidas (duras) e macias (emborrachadas). Quando arrefecidos do estado de fusão a uma temperatura abaixo da temperatura de transição vítrea, os blocos duros separam-se para formar domínios rígidos que actuam como ligações cruzadas físicas para os blocos elastoméricos.

Fabricação de peças elastoméricas é conseguida de três maneiras: moldagem por injecção, moldagem por transferência, ou moldagem por compressão. A escolha do processo de moldagem depende de vários factores, incluindo a forma e tamanho das peças, a tolerância necessária, bem como a quantidade, tipo de elastómero, e custo da matéria-prima.

Como com quase qualquer material, a selecção do produto elastomérico adequado para a aplicação requer a consideração de muitos factores, incluindo requisitos de serviço mecânicos e físicos, exposição a produtos químicos, temperatura de funcionamento, vida útil, manufacturabilidade das peças, e custo da matéria-prima e fabricação.

Resistência ao calor

Desempenho do elastómero torna-se menos previsível e fiável quando um elastómero é utilizado próximo dos limites da sua gama de temperatura de serviço. Se, por exemplo, a temperatura cai, os elastómeros tornam-se mais duros e menos flexíveis e quando a temperatura atinge a temperatura de transição vítrea, perdem por completo as suas propriedades de borracha. A temperaturas ainda mais baixas, ou seja, no ponto de fragilidade, podem rachar. As alterações das propriedades dos elastómeros devido à baixa temperatura são geralmente físicas, e totalmente reversíveis, a menos que a parte elastomérica seja exposta a grandes tensões que podem causar danos abaixo da temperatura de transição vítrea ou quebradiça. O contrário é verdadeiro quando um elastómero é exposto a temperaturas elevadas, ou seja, a temperaturas próximas ou acima do limite da temperatura de serviço. A estas temperaturas, os elastómeros sofrem frequentemente alterações químicas irreversíveis. Por exemplo, a espinha dorsal do polímero pode sofrer cisões em cadeia ou as moléculas do polímero podem cruzar-se, fazendo com que a parte elastomérica se torne (muito) mais suave ou mais rígida, o que, por sua vez, reduz a sua resistência ao conjunto de compressão.

A temperatura máxima de serviço pode variar muito de elastómero para elastómero. As temperaturas de serviço contínuas mais elevadas têm elastómeros de silicone e fluorocarbono que podem exceder 400°F (230°C)2, seguidos por elastómeros de nitrilo poliacrílico e hidrogenado com temperaturas de serviço máximas entre 320 e 350°F (160 – 180°C), enquanto que elastómeros mais comuns como o Neopreno e o Nitrilo têm uma temperatura de serviço máxima entre 210 e 250°F (100 – 120°C).

Compatibilidade de fluidos

Inchaço forte e deterioração rápida ou avaria completa de uma parte elastomérica pode ocorrer se o elastómero não for compatível com o fluido a que está exposto. Factores tais como concentração química, temperatura de funcionamento e pressão afectam a estabilidade / compatibilidade com os produtos químicos. Em caso de dúvida, o elastómero deve ser avaliado em testes funcionais antes da sua utilização.

Porque muitas aplicações envolvem óleos de hidrocarbonetos, as partes elastoméricas, tais como vedantes, são classificadas de acordo com a sua resistência ao calor e ao óleo. Por exemplo, no sistema ASTM D2000, os elastómeros são classificados por resistência ao calor (tipo) e por resistência ao óleo (classe). Os elastómeros de fluorosilicone e fluorocarbono têm excelente resistência ao óleo a temperaturas elevadas (> 200°C). Outros elastómeros com boa resistência ao óleo mas apenas resistência média ao calor incluem NBR, ACM e HNBR. No caso de ACM e HNBR, a temperatura de funcionamento em óleos de hidrocarbonetos não deve exceder 150°C e no caso de NBR 100°C. Os elastómeros de Silicone e Neoprene têm apenas uma resistência média ao óleo. No entanto, os elastómeros de silicone podem ser operados a temperaturas muito mais elevadas do que o Neoprene. É de esperar uma fraca resistência ao óleo para EPDM, SBR, butil (IIR, CIIR, BIIR) e elastómeros naturais à base de borracha (NR, IR).

Resistência à abrasão e ao rasgamento

Resistência à abrasão é geralmente um importante critério de selecção para aplicações de selagem dinâmica e de pneus de elastómeros, enquanto que uma boa resistência ao rasgamento pode ser importante para outras aplicações mecânicas em que os elastómeros têm de resistir ao corte, ao corte e ao rasgamento.Elastómeros tais como nitrilo hidrogenado (HNBR), poliéster (AU) e uretanos de poliéter (EU), borracha de isopreno (NR/IR), borracha de butadieno estireno (SBR) e copolímeros de tetrafluoroetileno propileno têm resistência inerente à abrasão, enquanto que o silicone (VMQ,), butil (IIR), e elastómeros de perfluoro (FFKM) têm má resistência à abrasão. Em muitos casos, a resistência à abrasão e ao rasgamento pode ser aumentada através da composição com lubrificantes internos como o Teflon® ou o bissulfureto de molibdénio. No entanto, o nitrilo carboxilado (XNBR) oferece uma resistência à abrasão visivelmente melhor.

Os elastómeros com boa resistência à abrasão também têm boa resistência ao rasgamento e os elastómeros com má resistência à abrasão têm geralmente má resistência ao rasgamento. Por exemplo, o silicone e o fluorossilicone só são adequados para aplicações estáticas devido à sua fraca resistência ao rasgamento e à abrasão.

Preço

Custo é um dos critérios de selecção mais importantes. Assumindo que mais do que um elastómero satisfaz todos os outros requisitos para uma determinada aplicação, o preço ditará normalmente qual o elastómero que será escolhido. Os preços dos elastómeros podem variar muito devido às diferenças de matéria-prima, composição e custos de processamento. Os elastómeros baratos são elastómeros de estireno-butadieno (SBR) < borracha natural (NR) < borracha de isopreno (IR) < borracha de neopreno (CR) < borracha de nitrilo (NBR), enquanto EPDM < urethane < silicone < poliacrilato (ACM) < butyl (IIR) < nitrilo hidrogenado (HNBR) são um pouco mais caros mas muitas vezes ainda uma escolha económica. Elastómeros caros são fluorocarbonos (FKM) (copolímeros) < perfluorocarbonos (FFKM) < fluorosilicones (FVMQ). Estes elastómeros são geralmente escolhidos apenas se nenhum outro elastómero puder satisfazer os requisitos.

Notas

1. Elastómeros são frequentemente descritos como materiais viscoelásticos (ver por exemplo Wikipedia). Contudo, o fluxo de viscose é indesejável, ou seja, um elastómero “verdadeiro” deve sempre regressar às suas dimensões não deformadas após a remoção de uma força aplicada, ou seja, nenhuma deformação permanente perceptível deve ser observada quando um elastómero é esticado abaixo do seu limite elástico e depois relaxado.
2. algumas qualidades talvez adequadas para uso contínuo a temperaturas ainda mais elevadas (>600°F ou > 315°C).