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

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

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

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

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.

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

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.

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)

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

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)

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

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)

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

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

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

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

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

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]

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.

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

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

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

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

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

Efeito da força normal Resultados experimentais

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

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

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

Efeito do tempo Resultados experimentais

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.

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