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Trabalho Acadêmico apresentado à disciplina Processo de fabricação da Instituição Unianhanguera Educacional S.A. Faculdade FAC Unidade III, como nota parcial para a conclusão da disciplina, na área de Processo de Fabricação. Avaliador: Prof. Engº. Rafael Bruno
Tipologia: Notas de estudo
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Trabalho Acadêmico apresentado à disciplina Processo de fabricação da Instituição Unianhanguera Educacional S.A. Faculdade FAC Unidade III, como nota parcial para a conclusão da disciplina, na área de Processo de Fabricação. Avaliador: Prof. Engº. Rafael Bruno
(^1) INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 3 1.1 OBJETIVO..................................................................................................................................... 3 2 HISTORIA DA BORRACHA........................................................................................................ 4 2.1 MATERIA PRIMA – BORRACHA............................................................................................... 6 2.2 BORRACHA NATURAL .............................................................................................................. 6 2.3 BORRACHA SINTÉTICA............................................................................................................ 8 2.4 PRINCIPAL ROTA DE PRODUÇÃO DA BORRACHA.............................................................. 10 3 FABRICAÇÃO DE UM COMPOSTO DE BORRACHA............................................................. 11
A borracha já era conhecida dos índios antes do descobrimento da América. Em 1525, P. d'Anghieria relatou ter visto os índios mexicanos jogarem com bolas elásticas. Charles de La Condamine foi o primeiro a fazer um estudo científico sobre a borracha, que ele conhecera durante viagem ao Peru,em 1735. Um engenheiro francês, Fresnau, que la Condamine havia encontrado na Guiana, estudara a borracha no local e concluíra que esta não era senão "uma espécie de óleo resinoso condensado". O primeiro emprego da borracha foi como apagador. Foi Magellan, descendente de célebre navegador, quem propôs este uso. Priestley, na Inglaterra, difundiu-o e a borracha recebeu em inglês o nome de "India Rubber", que significa "Raspador da Índia". A palavra borracha teve sua origem numa das primeiras aplicações úteis deste produto, dada pelos portugueses, quando foi utilizada para a fabricação de botijas, em substituição às chamadas borrachas de couro que os portugueses usavam no transporte de vinhos. Macquer, retomando os trabalhos de la Condamine, pela primeira vez indicou o modo de fabricação de tubos flexíveis de borracha. Desde então numerosos artesãos se interessaram pela borracha: o ourives Bernard, o boticário Winch, Grossart, Landolles, e outros. Em 1820 um industrial inglês, Nadier, fabricou fios de borracha e procurou utilizá-los em acessórios de vestuário. Por essa época começou a reinar na América a febre da borracha: os calçados impermeáveis dos índios faziam sucesso. Produziam-se tecidos impermeáveis e botas de neve na Nova Inglaterra. Em 1832 foi criada a fábrica de Rosburg. Infelizmente, as alterações que os artefatos de borracha natural não vulcanizada sofriam sob a influência do frio,
tornando-se quebradiços, e o inconveniente de aderirem-se uns aos outros se ficassem expostos aos raios de sol, desinteressaram os consumidores. Após tentar desenvolver por longo tempo um processo para o melhoramento das qualidades da borracha (incorporação de ácido nítrico, por exemplo) e ser levado à ruína, Goodyear descobriu acidentalmente,em 1840,a vulcanização. Um fato curioso: em 1815, Hancock, modesto serralheiro, tornou-se um dos maiores fabricantes do Reino Unido. Ele havia inventado um colchão de borracha e, associado a Mac Intosh, fabricava as famosas capas impermeáveis "mac intosh". Além disso, havia descoberto e realizava industrialmente o corte, a laminação e a prensagem da borracha. Tinha verificado a importância do calor na prensagem e construído uma máquina para este fim. Mac Intosh descobriu o emprego da benzina como solvente e Hancock preconizou a prévia "mastigação" e aquecimento, para obter uma perfeita dissolução da borracha. Hancock descobriu também a fabricação de bolas elásticas. Por fim, Hancock, em 1842, de posse da borracha vulcanizada de Goodyear, procurou e encontrou o segredo da vulcanização, fazendo enorme fortuna. Em 1845 R.W. Thomson inventou o pneumático, a câmara de ar e até a banda de rodagem ferrada. Em 1850 fabricavam-se brinquedos de borracha, bolas ocas e maciças (para golfe e tênis). A invenção do velocípede por Michaux,em 1869, conduziu à invenção da borracha maciça, depois da borracha oca e, por último, à reinvenção do pneu, pois a invenção de Thomson havia caído no esquecimento. Payen estudou as propriedades físicas da borracha, do mesmo modo que Graham, Wiesner e Gérard. Finalmente, Bouchardt realizou a polimerização do isopreno, entre 1879 e 1882, obtendo produtos de propriedades semelhantes à borracha. O primeiro pneumático para bicicleta data de 1830. Em 1895 Michelin teve a idéia audaciosa de adaptar o pneu ao automóvel. Desde então a borracha passou a ocupar um lugar preponderante no mercado mundial. Sendo a borracha importante matéria-prima e dado o papel que vem desempenhando na civilização moderna, cedo foi despertada a curiosidade dos químicos para conhecer sua composição e, posteriormente, sua síntese. Desde o século XIX vêm sendo feitos trabalhos com esse objetivo, logo se esclarecendo que a borracha é um polímero do isopreno.
A capital amazonense torna-se o centro econômico do país. Ganha sistemas de abastecimento d'água, luz elétrica, telefone, grandes construções, como o Teatro Amazonas, até hoje símbolo da riqueza advinda da borracha. Milhares de imigrantes, principalmente nordestinos fugidos da seca da década de 1870, invadem a floresta para recolher o látex e transformá-lo em borracha. A produção amazônica chega a 42 mil toneladas anuais e o Brasil domina o mercado mundial de borracha natural. Esse clima de euforia dura até 1910, quando a situação começa a mudar: a partir daquele ano entram no mercado as exportações de borracha a partir das colônias britânicas e o Brasil não suporta a feroz concorrência que lhe é imposta. Em 1876, os ingleses haviam contrabandeado sementes de hevea brasiliensis da Amazônia para o Jardim Botânico de Londres. Lá, por meio de enxertos, desenvolvem variedades mais resistentes, que posteriormente são enviadas para suas colônias na Ásia - Malásia, Ceilão e Cingapura - onde tem início uma exploração intensiva da borracha natural. A diferença técnica de plantio e extração do látex no Brasil e na Ásia foi determinante para os resultados da exploração como negócio. Enquanto a distância entre as seringueiras na Ásia era de apenas quatro metros, na Amazônia caminhavam-se às vezes quilômetros entre uma árvore e outra, o que prejudicava e encarecia a coleta. Obviamente, as plantações racionalizadas do Extremo Oriente proporcionaram significativo aumento da produtividade e se tornaram mais competitivas. No Brasil, o governo resistia a mudar os métodos. Acreditava que a exploração da maneira que era feita assegurava a presença de brasileiros e garantia a soberania nacional sobre a despovoada região amazônica. Privilegiava-se a geopolítica, representada pela ocupação, em detrimento da geoeconomia, que poderia render melhores frutos. A relativa imobilidade custou caro para o país: as exportações brasileiras perderam mercado. Não suportaram a concorrência da borracha extraída na Ásia, muito mais barata. Como conseqüência, a produção entrou em declínio. Ali chegava ao fim o período de prosperidade vivido pela extensa região Norte do Brasil. As empresas que haviam se instalado em Manaus e Belém saíram em busca de outras regiões mais produtivas. Os imigrantes voltaram para suas terras. Os grandes
nomes das artes mundiais já não se apresentavam no Teatro Amazonas. A opulência cristalizara-se em História. No final dos anos 20, o Brasil ainda tentaria uma reação com a ajuda de um parceiro inusitado: o industrial norte-americano Henry Ford, idealizador de uma nova forma de produzir que marcaria a indústria para sempre - a linha de montagem - e responsável, na época, por 50% da produção mundial de veículos. Com a intenção de acabar com o controle do mercado de borracha - a preciosa matéria prima dos pneus – pelas colônias inglesas do Sudeste Asiático, Ford plantou nada menos que 70 milhões de mudas de seringueira numa área de um milhão de hectares no Pará. O ambicioso projeto foi logo batizado pelos moradores da região como Fordlândia. Pretendia produzir 300 mil toneladas anuais de borracha natural, quantidade que representava a metade do consumo mundial. Mas Ford sucumbiu às adversidades e ao ambiente hostil da floresta amazônica. Abandonou tudo, amargando enorme prejuízo. Neste contexto a Ásia dominou o suprimento mundial de borracha natural, com mais de 90% da produção. Mudanças importantes, no entanto, têm redistribuído a produção entre os principais concorrentes. A Malásia, que em 1985 respondia por 1/3 da produção mundial, reduziu sua participação. Isso decorreu da mudança no seu perfil de produção, que passou a dar ênfase em investimentos não-agrícolas. A Tailândia ocupou o lugar de maior produtor mundial de NR. A Indonésia – com vantagens de área e mão-de-obra disponíveis - tem mantido participação relevante na produção mundial desde a década de 80. Outros países que vêm se valendo, com sucesso, do potencial de mão-de- obra barata e disponibilidade de terras para crescimento nesse setor são a Índia e a China. O consumo de borracha natural representou, em 2001, cerca de 40% do total de borrachas consumidas no mundo.
A importância que ganhou a indústria da borracha desde seu surgimento e o papel decisivo que assumiu no descortinar da civilização moderna, despertou o interesse pela descoberta da sua composição química e, depois, pela síntese. A indústria de pneumáticos via, nas pesquisas, a possibilidade de se independer das plantações mundiais de borracha natural.
de borracha derretidos. Foi à maior campanha de reciclagem registrada na história e assegurou o êxito dos aliados até 1942. Nessas circunstâncias, foi emitida uma ordem a todos os químicos e engenheiros para que desenvolvessem uma indústria de borracha sintética. Em 1941, a produção total de borracha sintética era de pouco mais de 8 mil toneladas, principalmente produtos que não serviam para a fabricação de pneus. A sobrevivência da nação dependia da sua capacidade de manufaturar mais de 800 mil toneladas de produtos que mal haviam começado a ser desenvolvidos. Não havia muitas instruções detalhadas de como as fábricas deveriam se organizar para produzir essa gigantesca quantidade. Não haviam sido construídas instalações nem sequer para produzir a matéria-prima necessária à produção de borracha. A indústria americana nunca havia sido convocada a assumir tarefa como essa. Conseguir tanto em tão pouco tempo. Os engenheiros tinham dois anos para alcançar a meta. Se o programa da borracha sintética não obtivesse êxito, a capacidade dos americanos para prosseguir na guerra estaria ameaçada. O esforço americano ajudaria a disseminar a borracha sintética nos mercados mundiais, inclusive no Brasil, que após a Guerra tratava de consolidar o seu parque industrial.
Uma variedade muito ampla de borrachas sintéticas foi desenvolvida desde a descoberta do produto. Como foram grandes os investimentos requeridos para o desenvolvimento das diversas variedades, a tecnologia para a produção foi bastante concentrada em tradicionais empresas de porte global, como DuPont, Bayer, Shell, Basf, Goodyear, Firestone, Michelin, EniChem,Dow,Exxon e Texas Co. O emprego da borracha é muito amplo, pois as características e propriedades que os elastômeros reúnem fazem com que alcancem praticamente todos os setores da economia: automobilístico, calçadista, construção civil, plásticos, materiais hospitalares e outros também de grande importância no dia-dia da sociedade. Por serem as mais empregadas na produção de pneus, as SBRs e as BRs são as de maior consumo entre as sintéticas.
Borrachas existem dois tipos de borrachas: Borrachas naturais e borrachas sintéticas. As borrachas naturais são extraídas da seringueira de onde se obtém o látex. As borrachas sintéticas são quase que na sua maioria, obtidas através de um algum componente derivado do petróleo, geralmente o gás chamado Butadieno. Cada borracha é feito de acordo com determinada especificação. As matérias primas têm que ser armazenadas sob certas condições para evitar problemas durante processamento. Borracha natural pode necessitar ser fragmentada (revertendo o processo de cristalização) antes de ser usado. A mistura é um processo detalhado. Todos os itens de fabricação serão pesados com alta exatidão de acordo com uma fórmula e então misturados. O número de matérias-primas é bastante alto. Todos os itens serão bem distribuídos e difundidos. Ainda em estado não curado, ou seja, não vulcanizado, uma armazenagem máxima tem que ser mantida. As remessas cruas de borracha então normalmente serão processadas em folhas de cobertura numa para correias transportadoras têxteis ou numa para correias transportadoras com cabos de aço. Depois de confeccionar as folhas de borracha com o membro elástico, a matriz inteira será curada numa prensa, iniciando a vulcanização. A vulcanização é um processo químico em que moléculas individuais de um polímero serão ligadas a outras moléculas de polímero por pontes atômicas. O resultado final é que as moléculas flexíveis de borracha tornam-se ligadas de maior ou de menor grau umas às outras. Com isto o material ficará mais duro, muito mais durável e também bem mais resistente ao. Isto também faz com que a superfície do material se sente lisa e não pegajosa. Esta reação irreversível de cura define os compostos de borracha curados como material thermoset, que não derrete em aquecimento, e os coloca fora da classe de materiais termoplásticos (como polietileno e polipropileno. Isto é uma das diferenças fundamentais entre borrachas e plásticos. Normalmente, a ligação química cruzada é feita com, mas há outras tecnologias, incluindo sistemas baseados em. O pacote combinado de cura num composto típico de compreende o próprio agente de cura (ou), junto com os agentes aceleradores e retardadores.
Algumas destas impurezas têm um efeito benéfico; podem, por exemplo, atuar como antioxidantes naturais. Existem muitas espécies vegetais produtoras de borracha, mas praticamente toda a borracha natural empregada industrialmente vem da árvore Hevea Brasiliensis, originária da selva amazônica e depois, cultivada em plantações no Sudeste Asiático e África equatorial. A propagação é feita mediante a técnica de enxerto ou clonagem, garantindo que toda uma plantação ou boa parte dela derive de uma única planta. A borracha é encontrada na árvore da Hevea na forma de uma suspensão coloidal de aspecto leitoso, denominada látex, que tem 30% de borracha. O látex circula por uma rede de canais lactíferos de onde é extraído através de uma incisão (sangramento) na casca que circunda estes canais, o que provoca a secreção do látex durante algumas horas, até que, por coagulação espontânea a incisão é fechada; a incisão deve ser refeita a fim de que o processo seja repetido, mas esta operação deve ser feita em dias alternados. O látex que flui da incisão é recolhido em vasilhas adequadamente dispostas, o sangramento é feito nas primeiras horas da manhã e, ao término da jornada recolhe-se o látex acumulado na vasilha. Antes de efetuar uma nova incisão, recolhe-se o coágulo existente nas vasilhas, formado pela evaporação do látex residual da operação anterior (Conhecido como fundo de vasilha – em inglês “cum-lump”) e a tira de coágulo formada sobre a incisão anterior (denominada “tree-lace” ou “sernamby”). O látex recolhido é levado a uma unidade onde é homogeneizado em grandes tanques de armazenamento, para depois, por meio da adição de ácido acético ou fórmico diluídos, coagular o látex em placas de 4-5 cm de espessura. As placas são sucessivamente lavadas e laminadas entre cilindros; gradativamente, estes cilindros vão reduzindo a espessura da placa e eliminando água residual; o último par de cilindros é ranhurado, a fim de que a borracha apresente uma superfície rugosa, facilitando a posterior secagem da prancha. A secagem é feita por vários processos, com ar moderadamente quente e ao abrigo da luz (folha seca ao ar ou ADS, “Air Dried Sheet”) ou, mais freqüentemente, por fumaça procedente da combustão de madeira (folha fumada ou RSS, “Ribbed Smoked Sheet”), que tem coloração mais escura que a ADS. Outra alternativa é a fabricação do crepe branco ou pálido (Pale Crepe). Neste processo faz-se uma coagulação parcial em condições controladas, de forma que somente a chamada fração amarela, constituída principalmente de
lutóides- responsáveis pela coloração do látex- separe-se do resto do látex, que depois será coagulado com a adição de mais ácido. O coágulo é seco em temperatura ambiente e ao abrigo da luz. Um tratamento semelhante ao empregado para obter o crepe pálido é também aplicado aos coágulos recolhidos como subproduto (fundo de vasilha, “tree- laces”, etc) e obtemos os crepes marrons (Brown Crepes). A classificação destes tipos de borracha natural é feita por comparação quanto à cor, presença e freqüência das impurezas, mofo, etc. com os padrões descritos nas Normas Internacionais de qualidade e Empacotamento dos tipos de Borracha Natural. As características controladas pelas borrachas TSR são:
Devido ao efeito ativador do grupo metil sobre a reatividade da dupla ligação da cadeia poliisoprênica, a borracha natural pode ser vulcanizada com praticamente todos os agentes vulcanizantes conhecidos. No caso da vulcanização por enxofre, a mais comum, apresenta uma velocidade de vulcanização relativamente alta. As doses de ingredientes vulcanizantes dependem de sua natureza e das condições de processamento: são comuns 2-3 partes de enxofre, 0,4-1 parte de aceleradores, 4-5 partes de óxido de zinco e 2-3 partes de ácido esteárico. O único inconveniente é a forte tendência à reversão, que se verifica por diminuição da dureza e da resistência mecânica, ao ultrapassar o platô de vulcanização; esta tendência pode ser causa de problemas na injeção ou na vulcanização contínua de perfis extrudados, ou quando a maior espessura da peça obriga ao uso de tempos longos de vulcanização. Neste caso recorremos aos chamados sistemas vulcanizastes EV (Efficient Vulcanization), caracterizados por baixas doses de enxofre, 2,0-5,0 partes, complementadas por um doador de enxofre e uma alta dose de aceleradores, 3-5 partes. Com estes sistemas, as pontes de entrecruzamento são basicamente monosulfídicas ou disulfídicas, termicamente mais estáveis que as polisulfídicas. Assim, os
A primeira operação na preparação de qualquer composto de NR é fazer o processo de mastigação, para reduzir sua elevada viscosidade inicial, viabilizando a incorporação dos demais ingredientes. Desde 1939, sabe-se experimentalmente que a mastigação efetuada em temperaturas de 100-115ºC oferece a melhor solução ao problema de viscosidade; crê-se que haja um processo de oxidação envolvido, pois experiências de mastigação feitas em atmosfera inerte não surtiram efeito. Na prática, a mastigação é feita em misturadores internos em temperaturas elevadas e freqüentemente, na presença de um peptizante, que basicamente catalisa o processo de oxidação. Se o processo for feito num misturador de cilindros a temperatura deve ficar em 70ºC. O uso de borrachas do tipo TSR, reduz ou mesmo elimina esta etapa. Uma vez reduzida à viscosidade, a preparação do composto não apresenta nenhum problema, já que o elevado nervo da borracha natural assegura a existência de esforços de cisalhamento necessários para a adequada dispersão das cargas. Nas etapas de moldagem em prensa, o único problema é a tendência da reversão pelo excesso de vulcanização; as seleções de um sistema vulcanizaram adequado e condições de vulcanização solucionam este inconveniente, mas em casos especiais devemos recorrer ao pré-aquecimento por alta freqüência, principalmente em artefatos espessos. Na moldagem por transferência e injeção, os compostos de borracha natural apresentam elevada resistência ao fluxo, o que obriga ao emprego de pressões elevadas de injeção. Nas operações de extrusão e calandragem em compostos com cargas moderadas, não apresenta problemas de processamento. Uma das principais características que dá à borracha natural suas propriedades, e é uma conseqüência de sua regularidade estrutural, é sua tendência à cristalização. A cristalização ocorre quando a NR sobre algum tipo de deformação ou redução de temperatura, tornando o produto mais rígido e duro. Sua cristalização máxima e espontânea ocorre a -26ºC e é um processo totalmente reversível, necessitando apenas de um leve aquecimento; este fenômeno é menos acentuado nos vulcanizados.
A resistência à abrasão depende muito do tipo de serviço: por exemplo, em pneumáticos, pelo tipo de serviço, a abrasão é inferior ao SBR; porém, em mangueiras de mineração seu comportamento é superior.
A borracha natural é hoje uma importante matéria-prima, essencial para a manufatura de mais de 40.000 produtos para as mais, que vão das modestas borrachas para apagar escritos (uma das suas mais antigas aplicações), aos cabos elétricos, aos fios de, aos pneumáticos etc.. É considerada, ao lado do aço e do petróleo, um dos alicerces que sustentam o progresso da humanidade, sendo, por exemplo, um dos principais produtos utilizados na indústria do transporte, de produtos hospitalares e bélicos. Vantagem : Ecológicas: valorização e preservação das florestas pelas comunidades, economia no consumo de energia elétrica e água utilizada pelas indústrias tradicionais de borracha. Desvantagem : São que a borracha ainda está em fase de pesquisa, questões como durabilidade em exposição ao sol, Por exemplo, a exposição ao ar provoca a mistura com outros materiais (detritos diversos), o que a torna perecível e putrefável, bem como pegajosa devido à influência da temperatura. Ainda não estão bem definidas e o tamanho que ela é produzida por enquanto, 30 x 50cm, mas é possível utilizar costura e colagem.
A borracha Sintética pode ser feita da polimerização de uma variedade dos monômeros, incluindo o isopreno (2-metil-1,3-butadieno), o 1,3-butadieno, o cloropreno (2-cloro-1,3-butadieno), e o isobutileno (metilpropeno) com uma porcentagem pequena do isopreno para o incluindo o isopreno cross-linking.
Estes e outros monômeros podem ser misturados em várias proporções desejáveis para ser copolimerização para uma ampla gama de propriedades físicas, mecânicas, e químicas. Os monômeros podem ser produzidos puros e a adição das
IIR (Borracha Butílica) - Possui uma impermeabilidade excepcionalmente elevada a gases, sendo a borracha preferida na fabricação de câmaras pneumáticas.
IR (Poliisopreno) - É o equivalente sintético da borracha natural, por possuir uma estrutura química (cis 1,4 poliisopreno) idêntica e apresentar propriedades muito semelhantes.
NBR (Borracha Nitrílica) - Possui excelente resistência aos hidrocarbonetos como gasolina, graxas e solventes minerais. Os tipos de NBR são determinados pelo teor de acrilonitrila na sua composição, que pode variar de 15% a 45%. Quanto maior o teor de acrilonitrila, maior a resistência mecânica e a resistência a óleos e solventes, porém menor a elasticidade e a flexibilidade Devido a sua excelente resistência aos derivados de petróleo, é especialmente recomendada para fabricação de peças e componentes das indústrias automobilística, gráfica, de petróleo e petroquímica que tenham contato com aqueles produtos, tais como mangueiras para óleos e solventes, retentores, gavetas, juntas, anéis de vedação e revestimento de cilindros de impressão, vasos e tanques industriais. A NBR tem sido utilizada também como aditivo de PVC, para melhorar as propriedades de artefatos que necessitam de resistência a óleo, ozônio, intempéries e abrasão, como coberturas de mangueiras, fios e cabos, solados e botas industriais.
SBR - É a borracha de preço mais reduzido entre as borrachas e apresenta uma resistência à abrasão que permite substituir a NR com vantagens na banda de rodagem de pneus. Este produto ainda possui as seguintes subclassificações:
TPE (Elastômeros Termoplásticos) - É um grupo especial dentro das borrachas e é constituído pelos seguintes tipos:
Exemplos de aplicações onde estes materiais são requeridos: