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COMPÓSITOS ELASTOMÉRICOS COM PROPRIEDADES ESPECIAIS: RESISTÊNCIA À CHAMA Regina Célia Reis Nunes * INSTITUTO DE MACROMOLÉCULAS PROFESSORA ELOISA MANO (IMA)

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Apresentação em tema: "COMPÓSITOS ELASTOMÉRICOS COM PROPRIEDADES ESPECIAIS: RESISTÊNCIA À CHAMA Regina Célia Reis Nunes * INSTITUTO DE MACROMOLÉCULAS PROFESSORA ELOISA MANO (IMA)"— Transcrição da apresentação:

1 COMPÓSITOS ELASTOMÉRICOS COM PROPRIEDADES ESPECIAIS: RESISTÊNCIA À CHAMA Regina Célia Reis Nunes * INSTITUTO DE MACROMOLÉCULAS PROFESSORA ELOISA MANO (IMA) UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO (UFRJ) Caixa Postal – CEP , Rio de Janeiro, RJ, Brasil Módulo 10 Compostos com Borracha IMA/UFRJ

2 SISTEMAS POLIMÉRICOS MULTICOMPONENTES Misturas Poliméricas e Compósitos Dois ou mais polímeros quimicamente ligados (ou não) Materiais heterogêneos, multifásicos, poliméricos ou não, em que um dos componentes, descontínuo, é o responsável pela resistência do material (componente estrutural), e o outro, contínuo, é o meio de transferência desta resistência (componente matricial) Nanocompósitos Nova classe de compósitos com propriedade de alto desempenho, quando comparados aos materiais convencionais. Nos nanocompósitos pelo menos uma das dimensões da carga é menor do que 100 nm.

3 COMPÓSITOS ELASTOMÉRICOS Elastômeros ou Borrachas extensibilidade elástica e recuperação quase imediata, se convenientemente formulados. Materiais altamente elásticos baixo módulo, baixa resistência à tração Artigos elastoméricos para aplicações industriais necessidade de incorporação de cargas Aditivos principais em formulações elastoméricas Sistema de cura (enxofre, aceleradores, peróxidos, etc) Sistema de proteção (antioxidantes, antiozonantes) Sistema de ativação (óxido de zinco e ácido esteárico) Sistema de processamento (plastificantes, óleos de extensão) Sistemas de cargas (cargas de reforço, cargas de enchimento) Após a formulação Mistura Física Compósito (compatibilidade entre seus componentes)

4 IMPORTÂNCIA DAS CARGAS EM FORMULAÇÕES ELASTOMÉRICAS Contribuem para o aumento do módulo Diminuem o preço do artefato Permitem modificações das características da formulação São responsáveis pelo desenvolvimento de novos compósitos OS PRINCIPAIS FATORES QUE DETERMINAM AS PROPRIEDADES DOS ELASTÔMEROS COM CARGA Características dos componentes Composição Estrutura Interações polímero-carga e/ou carga-carga

5 FORMULAÇÕES ELASTOMÉRICAS Reforço de elastômeros muito importante para aumentar as propriedades mecânicas tamanho de partícula Morfologia da carga estrutura características superficiais Grande influência no desempenho do material elastomérico interações físicas (forças de Van der Waals) Interação polímero-carga interações químicas (quemissorção, agentes de acoplamento)

6 OBJETIVO Desenvolver compósitos com diferentes elastômeros para uso em ambientes fechados, isto é: com resistência à chama, alto desempenho mecânico, mantendo as característica de isolante elétrico. Elastômeros usados: SBR; EPDM; NBR/PVC Hidróxido de Alumínio - ATH (com e sem tratamento superficial) Cargas Retardante de chama e supressor de fumaça Negro de fumo - NF Carga de reforço

7 ELASTÔMEROS USADOS E SUAS CARACTERÍSTICAS POLI(ETILENO-PROPILLENO-DIENO) [EPDM] OZÔNIO, EXCELENTE RESISTÊNCIA A CONDIÇÕES CLIMÁTICAS ELETRICIDADE CAPACIDADE DE SUPORTAR GRANDE QUANTIDADE DE CARGA POLI(BUTADIENO-ACRILONITRILA)/POLI(CLORETO DE VINILA) [NBR/PVC] OZÔNIO RESISTENTE A ÓLEOS HIDROCARBONETOS POLI(BUTADIENO-ESTIRENO) [SBR] BAIXO CUSTO PROPRIEDADES GERAIS

8 Hidróxido de Alumínmio - ATH Neste trabalho três tipos foram usados (ALCOA Alumínio S/A): HIDROGARD HI HIDROGARD TS1 com silano como agente de acoplamento [N-(2(vinylbenzylamino)ethyl)3-aminopropyl trimethoxysilano] HIDROGARD TS2 com ácido isoesteárico como agente de acoplamento Características: Tamanho de partícula : mm Gravidade específica : 2.42 g/cm 3 Teor em Al 2 O 3 : 64 % Vantagens do ATH em relação a outros retardantes de chama Baixo custo Atoxidade Ação combinada como agente retardador de chama e supressor de fumaça Não abrasivo Efeito inibidor das degradações elétricas induzidas por aplicação de tensões por longos períodos de tempo Desvantagem do ATHNão é carga reforçadora

9 PARTE EXPERIMENTAL Preparo das composições: moinho de rolos a 50 o C. Cura: Reômetro de disco oscilatório a 160 o C. Moldagem dos corpos de prova (cp): Prensa de bancada Carver Propriedades mecânicas: Instron (Resistência à tração, ASTM D 412 Resistência ao rasgamento, ASTM 624 ), Durometro Shore A, ASTM D 2240 Resistência a inflamabilidade: Equipamento para ensaio de queima vertical(U94) e para Índice Limite de oxigênio (LOI), ASTM D2863 Propriedades elétricas: ASTM D150 (Constante Dielétrica e Fator de Dissipação) e ASTM D149 (Rigidez dielétrica) (Teraohmeter Guildline, Modelo 9520/04 (fonte de tensão para ensaio de rigidez dielétrica); Eletrodos de placas paralelas Hewlett Packard, modelo para medida de resistência elétrica); Guard Ring Capacitor Tettes AG Instruments (capacitor para a determinação da constante dielétrica e fator de dissipação) Análise termo-dinâmico-mecânica (DMTA), ASTM D 4065 no Rheometric Scientific, Modelo MK III, usando como deformação a flexão, freqüência de 1Hz, velocidade de aquecimento de 2 o C/min, e faixa de temperatura de -80 to 30 o C.

10 PROCESSO DE COMBUSTÃO DE UM POLÍMERO ORGÂNICO GASES NÃO-INFLAMÁVEIS (H 2 O, CO 2, HBr, etc) POLÍMERO GASES INFLAMÁVEIS PRODUTOS DE COMBUSTÃO + Q 2 PRODUTOS DE QUEIMA - Q 1 = calor consumido durante a etapa de decomposição térmica + Q 2 = energia calorífica gerada Com altos teores de ATH, a diluição da massa e/ou a desidratação térmica estão atuando, diminuindo a formação de calor, favorecendo a formação de produtos de queima e reduzindo a inflamabilidade e a geração de fumaça em polímeros orgânicos. O efeito é predominantemente físico mas existem algumas evidências para atividade catalítica. ATH se decompõe em temperaturas próximas a 220ºC, endotermicamentey, segundo a reação: Al(OH) cal / g > Al 2 O 3 + 3H 2 O Pirólise Combustão - Q 1 Alimentação térmica

11 Underwriters Laboratories 94 - UL 94 Esquema de aparelhagem para teste de queima vertical

12 Underwriters Laboratories 94 - UL 94 CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO V0 V1 V2 Valores individuais de t 1 ou t 2 10 s 30 s 30 s Somatório de (t 1 + t 2 ) para os 5 c p 50 s 250 s 250 s Valores individuais de t 3 30 s 60 s 60 s Queima com chama ou incandescência até o prendedor Não Não Não Queima do algodão por gotas sou fagulhas emitidas Não Não Sim RESULTADOS EXPERIMENTAIS: t 1 tempo de duração da chama no corpo de prova após a 1ª aplicação t 2 tempo de duração da chama no corpo de prova após a 2ª aplicação t 3 tempo de duração da chama mais incandescente após a 2ª aplicação Queima do corpo de prova até o prendedor (Sim ou Não) Emissão de gotas ou fagulhas que queimem o algodão (Sim ou Não)

13 COMPÓSITOS ELASTOMÉRICOS COM CLASSIFICAÇÃO V0 SEGUNDO O TESTE UL 94 ELASTÔMERO TEOR DAS CARGAS ATH/NEGRO DE FUMO (phr) EPDM 160/15 170/ /0 SBR150/0 150/25 130/25 125/50 NBR/PVC93.41/0 74.5/ /28.0

14 Propriedades Mecânicas Compósitos com NBR/PVC Aplicações em revestimentos de fios e cabos (ABNT) Tensão na ruptura = 10,5 MPa Along. na ruptura = 250%

15 Parâmetros de Vulcanização Compósitos com NBR/PVC

16 Propriedades Elétricas Compósitos com NBR/PVC Aplicações em revestimentos de fios e cabos elétricos (ABNT) Fator de dissipação < 2% Rigidez dielétrica 22 kV para tensões até 15 kV 30 kV pra tensões até 20 kV

17 CONCLUSÕES Compósitos com NBR/PVC Foram obtidas formulações resistentes à chama tendo os seguintes teores de cargas ATH/NF: 56/28; 74/14; 93/0. O ATH é uma carga semi-reforçante, e o responsável pelo melhor desempenho mecânico é o negro de fumo, que éa carga reforçante. Em geral o tratamento superficial do ATH não levou a melhores desempenhos dos compósitos nas propriedades analisadas, com exceção da resistência térmica. Em relação aos parâmetros de vulcanização, o ATH não influencia a velocidade de formação das ligações cruzadas. Os tempos maiores de vulcanização estão relacionados a composição com predominância de negro de fumo. A formulação contendo 74ATH/14NF apresentou o melhor conjunto de propriedades, estando dentro das especificações elétricas e mecânicas para revestimentos de fios e cabos, além de apresentar resistência à chama.

18 PROCESSABILIDADE REOMETRO DE TORQUE HAAKE - RHEOCORD 9000 Parâmetros estudados Torque Estacionário (Relacionado a viscosidade do compósito) Energia Mecânica (E M ) (Energia necessária durante o teste) Energia Mecânica Específica (E E ) (Energia Mecânica/peso da amostra na câmara de mistura) t1 E M = 2.N. M.dt E E = E M /g t2 Where: N = velocidade de rotação M = torque t = tempo M t t1 t2

19 Processabilidade - Reômetro de torque HAAKE Compósitos com NBR/PVC Compósitos com EPDM

20 Propriedades Mecânicas Compósitos EPDM Aplicações em revestimentos de fios e cabos (ABNT) Tensão na ruptura = 10,5 MPa Along. na ruptura = 250%

21 Parâmetros de Vulcanização Compósitos com EPDM

22 PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DE COMPÓSITOS DE EPDM RESISTENTES À CHAMA E SUA APLICABILIDADE EM REVESITMENTOS DE FIOS E CABOS, DE ACORDO COM NORMA ABNT * Adequados para aplicação em fios e cabos com tensão de até 15 kV, segundo norma ABNT ** Adequado para aplicação em fios e cabos com tensão de até 20 kV, segundo norma ABNT

23 CONCLUSÕES Compósitos com EPDM Foram obtidos compósitos com EPDM resistentes à chama nas seguintes relações de carga ATH/NF; 160/15; 170/7,5; 180/0 O desempenho mecânico é feito pelo negro de fumo, sendo possível classificar o ATH como carga semi-refoçadora, por não prejudicar as propriedades mecânicas da composição sem carga. O mecanismo de vulcanização não é influenciado pela presença de ATH e sim do negro de fumo. O ATH atua como agente de processamento, diminuindo a viscosidade do meio Os compósitos desenvolvidos que atendem as normas ABNT quanto as propriedades mecânicas e elétricas, para revestimento de fios e cabos são 170/7,5 e 180/0.

24 Resistência à Tração versus Deformação de compósitos de SBR com resistência à chama ATH/Negro de fumo

25 Propriedades mecânicas de compósitos com SBR com resistência à chama

26 ÍNDICE LIMITE DE OXIGÊNIO - LOI (ASTM D2863) LOI condição limite de escassez de oxigênio LOI medida da facilidade dos materiais de sofrer ignição Quanto maior seu valor, menor a suscetibilidade do material à ignição Esquema do equipamento

27 DENSIDADE DE LIGAÇÕES CRUZADAS Dimensões dos corpos de porva : 2.0 cm x 2.0 cm x 0.2 cm Foram usadas duplicata de amostragem em todos os experimentos Condições dos teste de inchamento: no escuro, na tempepratura ambiente até atingir o inchamento no eqilibrio O número efetivo de cadeias na rede de ligações cruzadas ( ) é dado pela equação de FLORY-REHNER = - ln(1-Vr) + Vr +.Vr 2 onde: V 0.(Vr 1/3 -Vr/2) Vr = fração de volume da borracha na rede de ligações cruzadas V 0 = volume molar do solvente = parâmetro de interação polímero-solvente

28 Compósitos de SBR com resistência à chama

29 Propriedades Dinâmico-Mecânicas de compósitos de SBR com resistência à chama (ATH/negro de fumo)

30 CONCLUSÕES Compósitos com SBR A resistência à chama de compósitos com SBR foi atingida com 125phr de ATH, quando a quantidade de negro de fumo é igual ou superior a 30phr. Pode-se observar pelo ensaio de Índice de Oxigênio que quanto mais carregada é a formulação, menor é a capacidade do material de sofrer ignição. Há uma melhor interação entre as cargas ATH/negro de fumo e a matriz elastomérica quando o tratamento superficial é silano, refletindo não só no melhor desempenho mecânico do artefato mas também no maior número de ligações cruzadas Os ensaios termo-dinâmicos mecânicos permitem concluir que os tratamentos superficiais aplicados ao ATH melhoram a interação carga- polímero, pois revelaram uma diminuição significante dos picos de Tan( ), demonstrando melhor dispersão da carga. Os resultados do ensaios mecânicos também comprovaram um melhor desempenho das composições com ATH tratado superficialmente, fato este observado em escala molecular pela curva de módulo elástico do ensaio de DMTA..

31 COLABORADORES Profª Dra. Leila Léa Yuan Visconte Dra. Agnes França Martins Dr. Antonio Souto de Siqueira Filho Bernardo Galvão Siqueira Cristine Canaud Vera Lúcia da Cunha Lapa AGRADECIMENTOS: CAPES CNPq Instituto Nacional de Tecnologia TEADIT Indústria e Comércio LTDA ALCOA ALUMÍNIO S.A. NITRIFLEX S.A. Indústria e Comércio PETROFLEX Indústria e Comércio S.A.


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