Sólidos Viscoelásticos

Apresentação em tema: "Sólidos Viscoelásticos"— Transcrição da apresentação:

1 Sólidos Viscoelásticos
Área de hemiesferas de borracha contra uma superfície de vidro RENATO LUCATO GIMENEZ Fevereiro 2010

2 Agenda Introdução Revisão da Literatura Materiais e métodos
Resultados experimentais Conclusão 2

3 Objetivo do trabalho Introdução
Estudar a área de contato da borracha, mediante a compressão de hemiesferas de borracha contra uma superfície plana de vidro. Variáveis estudadas: Forças aplicadas Força de separação Tempo de aplicação da força Interesse da indústria Contato entre pneu e pavimento, vedações Importância acadêmica Mecanismos pelos quais se estabelece a área de contato em sólidos viscoelásticos Identificar a ocorrência e a intensidade do fenômeno de adesão

4 Histórico Revisão da literatura
Aumento do consumo de elastômeros como material alternativo Propriedades específicas e diferenciadas Viscoelasticidade Altíssima elasticidade – até 1000% Impermeabilidade Matéria-prima Exploração vegetal (seringueiras) - Borracha natural (látex) Derivados do petróleo - Borracha sintética Outros - Enxofre, Sílica, Negro de fumo, entre outros Principais aplicações Pneus Vedações

5 Propriedades físico-mecânicas Revisão da literatura
Curva de tensão-deformação para borracha natural vulcanizada e não vulcanizada à um alongamento de 600%. Influência da temperatura no polimetilmetacrilato.

6 Propriedades físico-mecânicas Revisão da literatura
Viscoelasticidade combinação da resposta à deformação de um material, com a contribuição relativa do tempo, da temperatura, tensão, deformação e taxa de deformação do material. Resposta instantânea – módulo elástico Resposta no tempo – módulo viscoso ou módulo de relaxação Módulo de elasticidade

7 Propriedades físico-mecânicas Revisão da literatura
Módulo de Relaxação, Er (t) É o módulo elástico dependente do tempo para polímeros viscoelásticos. Dureza Medida de resistência do material à identação da superfície e abrasão Pode ser interpretado como uma função da tensão necessária para produzir alguma deformação específica na superfície do material.

8 Área de Contato Revisão da literatura
Único ponto de interação entre os sólidos em contato Área aparente de contato – área da face Área real de contato – contato efetivo 10 mm Área aparente = 10 x 10 = 100 mm2 Área definida pela superfície necessária para suportar os esforços atuantes. Comparação da área real de contato para (a) metal-metal; (b) plástico-metal. (Adamson, 1965)

9 Fatores que afetam a área de contato Revisão da literatura
SÓLIDOS ELÁSTICOS Distribuição das asperezas Densidade de probabilidade Distribuição exponencial – contatos proporcionais à carga aplicada Contato no regime plástico Pressão de contato é constante e já atingiu o máximo – proporcional à carga Índice de plasticidade (Greenwood e Williamson, 1966) Cerâmicas e polímeros – contato predominantemente elástico E’/H – muito baixo

10 Fatores que afetam a área de contato Revisão da literatura
SÓLIDOS ELÁSTICOS Área Real de contato vs. Área Aparente de contato Área Real de contato (mm2) Carregamento (kg) área aparente = 10 cm2 área aparente = 1 cm2 Área real de contato é independente da área aparente. (Hutchings, 2001)

11 Fatores que afetam a área de contato Revisão da literatura
SÓLIDOS VISCOELÁSTICOS Contaminantes Não é possível estabelecer contato íntimo entre os dois materiais Força Normal Principal contribuição em altos carregamentos Forças de adesão Energia livre de superfície Energia eletrostática Forças de Van der Waals Devido às forças de adesão, a borracha se deforma de maneira a acompanhar todo o contorno das rugosidades superficiais

12 Fatores que afetam a área de contato Revisão da literatura
SÓLIDOS VISCOELÁSTICOS Energia de separação Energia total necessária para separar os sólidos em contato γ (erg/cm2 = mJ/m2 = 10-3 N/m) (1 g) (5 g) (50 g) Log V (mm.s-1)

13 Fatores que afetam a área de contato Revisão da literatura
SÓLIDOS VISCOELÁSTICOS Temperatura Variação do comportamento viscoelástico com a temperatura: Abaixo da Tg (transição vítrea) - comportamento puramente elástico Temperatura ambiente - predominantemente elástico, com influência viscosa Temperaturas elevadas - predominantemente viscoso, com influência elástica

14 Comentários Revisão da literatura
Estimativa utilizando o modelo de JKR Coerentes para o contato de esferas contra uma superfície de vidro Não considera o efeito do tempo na variação da área. Efeito do tempo – Roberts e Othman Variação da energia de separação em função do carregamento e tempo Não considera a variação da área de contato em função do tempo Forças de adesão – Derjaguin, Muller e Toporov Energia eletrostática e forças de van der Waals Histerese no descarregamento – Briscoe, Arvanitaki, Adams e Johnson Grande influência no descarregamento 14

15 Estimativa da área de contato Revisão da literatura
SEM ADESÃO Modelos de Hertz 1881 1896 Raio de contato dependente apenas do carregamento a – raio da área de contato E – módulo de elasticidade K – constante elástica R – raio das esferas w – força normal aplicada  - constante de Poisson

16 Estimativa da área de contato Revisão da literatura
COM ADESÃO A área de contato entre dois corpos é aumentada na presença de energia livre de superfície, em comparação à área calculada pelo modelo de Hertz

17 Estimativa da área de contato Revisão da literatura
COM ADESÃO Johnson, Kendall e Roberts (1971) Equação de Hertz modificada, levando-se em consideração o efeito da energia de superfície: A separação das superfícies só ocorrerá quando: Se , então: Se P = 0, então: Independente do módulo elástico

18 Estimativa da área de contato Revisão da literatura
Experimentos Superfícies: bem limpas, lisas, de baixo módulo elástico Seco Água Solução de Dodecil Sulfonato de Sódio Quando em contato com esta solução molar, os resultados foram praticamente iguais aos de Hertz Seco Água Solução 19 x Raio de contato [cm] Carregamento [g]

19 Estimativa da área de contato Revisão da literatura
Experimentos 15 x Diâmetro de contato [cm] Carregamento [g] O Resultados do contato --- Teoria de Hertz — Teoria modificada Esfera de borracha (R=2,2 cm) em contato seco, sob carregamentos leves positivos e negativos.

20 Procedimento experimental Materiais e métodos
Superfícies limpas com água e detergente Aplicação de força Massa inicial = 45 g 15 em 15g – de 60 g até 120 g 30 em 30g – de 120 g até 270 g 60 em 60g – de 270 g até 570 g Força de adesão Tempo de retirada do carregamento = 5 seg Efeito do tempo de contato 250 g – de 2 em 2 min até 16 min 45 g – de 2 em 2 min até 34 min

21 Equipamentos Utilizados Materiais e métodos
Equipamento NIKON, o qual integra uma câmera digital (NIKON DXM1200F) e uma lente de aumento (SMZ800) acoplada à máquina

22 Materiais Utilizados Materiais e métodos
12 semiesferas de borracha com as seguintes propriedades: Chapa de vidro Recipiente plástico Material de massa aferida para aplicação de carga. Material Semi- esfera Massa [g] Rugosidade [µm] Diâmetro [mm] E [Mpa] Tan δ Dureza [Shore A] Enchimento (“A”) 1 7,74 Ra = 0,6 Rmax = 0,8 30 16,8 0,132 87 2 7,82 3 7,75 Rodagem (“B”) 7,63 5,77 0,158 68 7,64 Lateral (“C”) 7,24 5,42 0,111 57 7,26 7,17 Estanque (“D”) 7,54 2,64 0,277 44 7,58 7,52

23 Limpeza do Materiais Materiais e métodos
Método utilizado por Langmuir é muito agressivo para a limpeza de borracha As superfícies de vidro e esferas foram lavadas com água corrente e detergente Surfactante: Alquilbenzeno Linear Sulfonato de Sódio Após lavadas com o detergente, as superfícies foram enxaguadas em água corrente e então secas por meio de um secador (ar quente e seco soprado contra a superfície limpa) Verificação da limpeza das superfícies: Teste da gota de água Teste do talco Método de limpeza com detergente mostrou-se eficaz

24 Efeito da força normal Resultados experimentais
Variação da área de contato Menor E – maior a área de contato Correlação esperada Maior dureza – menor área de contato Correlação inversamente proporcional Propriedade não considerada Taxa de aumento da área Maior módulo de elasticidade Maior dureza

25 Efeito da força normal Resultados experimentais

26 Efeito da força normal Resultados experimentais
Comparação com resultados de JKR (1971) A altos carregamentos – Hertz A baixos carregamentos – JKR Maior E – menor a influência das forças de adesão

27 Adesão Resultados experimentais
Energia de separação (γ) Fatores que influenciam a energia de separação Energia livre de superfície Vidro ≈ 28 mJ/m2 Borracha ≈ 40 mJ/m2 Energia eletrostática Forças de Van der Waals Forças viscosas Semiesferas Massa para separação [g] E Dureza Tan δ Energia de separação (γ) MPa Shore A - mJ/m2 Enchimento A -0,5 16,8 87 0,132 115 Rodagem B -3,5 5,77 68 0,158 555 Lateral C -6,5 5,42 57 0,111 947 Estanque D -179,0 2,64 44 0,277 25.490

28 Efeito do tempo Resultados experimentais
Variação da área de contato Maior Tan δ – maior o tempo até equilíbrio Variação proporcional a Tan δ no carregamento Mais fatores influenciam a área em função do tempo Semiesferas Carregamento Variação de área [%] Descarregamento Variação de área [%] Tan δ Enchimento A 10 16 0,132 Rodagem B 20 18 0,158 Lateral C 8 0,111 Estanque D 23 11 0,277

29 Efeito do tempo Resultados experimentais

30 Conclusões A formulação de JKR (1971) é válida para o contato estático de hemiesferas de borracha contra uma superfície de vidro. A dureza das hemiesferas de borracha é proporcional à variação de área de contato. A baixos carregamentos, as forças de adesão representam grande parcela da variação da área de contato. A energia de separação (γ), estimada a partir da formulação de JKR (1971), depende de 6 fatores principais: Força normal aplicada, tempo de exposição ao carregamento, energia de superfície, energia eletrostática, forças de Van der Waals e forças viscosas. A variação da área de contato em função do tempo de exposição mostrou ter grande representatividade para materiais viscoelásticos.

31 Referências Bibliográficas
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32 Referências Bibliográficas
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