ESTUDO DO CICLO TÉRMICO UTILIZADO NO PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO DE EMENDAS DE BORRACHA NEOPRENE PARA VEDAÇÃO DE VÁLVULAS
BORBOLETAS UTILIZADAS EM CONDUTOS DE PCHs
João Henrique Bagetti; Luan Meneghini
joao.bagetti@unoesc.edu.br; luanmeneghini@hotmail.com Fundação Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC
RESUMO
O presente trabalho irá tratar do estudo do ciclo térmico usado no processo de vulcanização em emendas de borracha Neoprene (CR), utilizadas em vedações de válvulas borboletas presentes em condutos de PCHs. O objetivo é alcançar 90% da resistência de ruptura da borracha original nas emendas vulcanizadas. Buscou-se, através de referências bibliográficas, definir os parâmetros para os ensaios. Com base nisso, decidiu-se usar três patamares envolvendo a temperatura, dentro da faixa de temperaturas recomendada para vulcanização. Já o tempo ótimo de vulcanização (t90), foi calculado em função da espessura dos corpos de prova em CR. Utilizaram-se corpos de prova no formato do perfil da borracha de vedação original. Para obter os resultados de resistência à ruptura, foram ensaiados por tração, conforme norma ASTM D412. Assim com base nos testes experimentais, os melhores parâmetros de tempo e temperatura, apresentaram uma resistência média em torno de 60% da original, na junta vulcanizada.
Palavras-chave: Borracha Neoprene (CR),Vulcanização, Válvula borboleta, t90.
O Brasil é um grande consumidor de energia elétrica, e com o aumento da demanda o país encontra-se com diretrizes voltadas para o aproveitamento de usinas de pequeno porte, as chamadas PCHs. Nelas, é comum o uso de válvulas borboletas, que se localizam no tubo de entrada da turbina. Essas válvulas possuem um anel de vedação geralmente constituído por elastômeros, que devem garantir excelente estanqueidade, resistência à abrasão e ao envelhecimento e também à tração, pois se encontram tensionadas no canal de alojamento. Essas borrachas muitas vezes são cortadas e emendadas conforme o tamanho da válvula, tal emenda é feita por vulcanização a quente, que consiste em um processo artesanal que apresentou a possibilidade de estudo, visando analisar a influência de alguns fatores sobre a resistência.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para os testes e ensaios, empregou-se o uso de amostras de borracha neoprene utilizadas na vedação das válvulas borboletas com perfil original, visto que é a melhor maneira de aproximar às reais condições de esforços que a borracha está submetida em seu local de trabalho.
Método atual
O ciclo térmico do atual processo consiste em elevar a temperatura a 180°C, e em seguida é resfriar fora do forno até a temperatura de 80°C, sendo que esse ciclo de aquecimento e resfriamento se repete num total de três vezes, durante aproximadamente 6 horas, como se observa no Gráfico 2.
Gráfico 2 – Ciclo térmico do processo de vulcanização atual.
Adequações propostas
Tomando como base as referências, o atual processo de vulcanização, bem como o estudo anterior(1), propuseram-se alterações abaixo enumeradas, com as quais se busca analisar a influência sobre a resistência à ruptura do vulcanizado.
1. Propõem-se utilizar o ângulo de corte em 60º, que resulta em maior superfície de contato na emenda que o atual ângulo de 45º, possibilitando assim a maior formação de ligações na região.
2. A emenda será vulcanizada em três patamares de temperaturas: 130ºC, 150ºC e 170ºC, todas dentro da faixa de temperatura recomendada de cura, a qual deve ser de 120 a 200°C(2). O objetivo de se fazer testes com diferentes temperaturas é verificar se elas influenciam na qualidade da vulcanização.
3. O processo será composto de apenas um ciclo de aquecimento partindo da temperatura ambiente até cada patamar de temperatura, permanência nesse patamar para homogeneizar a temperatura, seguido de resfriamento fora do forno com auxílio de ventilação. O estudo anterior(1) mostrou que o processo com apenas um ciclo térmico (duração de aproximadamente 2 horas) é tão eficiente quanto o que apresentava três ciclos (duração de aproximadamente 6 horas).
4. O tempo de vulcanização t90 no qual o artefato permanece na temperatura máxima foi estimado em 20 minutos e 50 segundos, baseados na regra prática descrita(3), que estima o t90 por uma proporção linear, em função da espessura do mesmo.
Ensaios
Optou-se em ensaiar as amostras por tração conforme norma ASTM D412(4), visto que o interesse é avalizar a resistência à ruptura. Os ensaios foram realizados em uma máquina universal de tração EMIC DL30000F, com método de ensaio de Tração Retangular, com célula de 30 toneladas força, que se localiza no Laboratório de Materiais da UNOESC, campus de Joaçaba.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Conforme se observa no Gráfico 3, onde estão dispostos os resultados dos ensaios de tração com o valor das médias das tensões de ruptura para cada tipo de amostra, vulcanizados em 150ºC apresentaram a maior resistência a ruptura, aproximadamente 60% da resistência em relação aos artefatos originais (borracha sem emenda). Em contra partida, os vulcanizados em 130ºC e 170ºC, resultaram em 42% e 55% de resistência respectivamente.
Gráfico 3 – Tensões médias de ruptura para primeira etapa.
Fonte: Os autores.
Analisando os resultados iniciais e acreditando na possibilidade de obter maiores resistências à tração, levantou-se a hipótese de que poderia existir uma defasagem no tempo de encharque da borracha, pois a temperatura registrada no dispositivo mostrador é a do local de alojamento do termopar que se localiza em 1, conforme a Fotografia 1. O real local de alojamento dos corpos de prova durante o aquecimento, que se encontram mais internamente no molde, está localizado em 2. Assim realizou se um teste para verificar a diferença de tempo da condução do calor do local original do termopar até o centro do molde metálico. Esse teste consistiu-se em aquecer até uma dada temperatura representativa com o termopar em ambas as posições 1 e 2, cronometrando o tempo.
Com tal teste obteve-se uma diferença de 2 minutos e 10 segundos para atingir-se a mesma temperatura no ponto 2 em relação ao ponto 1. Assim esse
tempo foi adicionado ao tempo t90 pré-determinado e os testes de vulcanização realizados novamente sob as mesmas condições.
Fotografia 1 – Localização do termopar (1) e dos corpos de prova (2).
Fonte: Os autores.
O aumento do tempo de vulcanização influenciou diretamente na qualidade dos vulcanizados. No Gráfico 4, faz-se uma comparação em escala de porcentagem da resistência à ruptura média obtida nos primeiros testes (“Teste 1”) com à obtida no segundo teste (“Teste 2”), que tiveram o tempo t90 acrescido em 2 minutos e 10 segundos conforme se determinou.
Gráfico 4 – Comparação em porcentagem de resistência à ruptura média.
Fonte: Os autores.
Com base nos resultados obtidos, observa-se que os vulcanizados à 130ºC apresentaram elevação na resistência à ruptura em 8% se comparado com o primeiro teste, chegando à casa dos 50% da resistência dos originais. Acredita-se que o tempo maior facilitou a homogeneização da temperatura do artefato e favoreceu a formação de mais ligações na junta, deixando a mais resistente.
No estudo de Moisés Toigo(1), que também utilizou a temperatura de 130ºC com corte em ângulo de 60º, utilizou-se de um processo que durava em média 2 horas entre aquecimento e resfriamento, porém sem permanência do artefato na temperatura máxima. Já o processo aqui utilizado, se distingue por apresentar um tempo de permanência na temperatura limite em função da espessura, no caso 23 minutos, além de contar com um resfriamento de ventilação forçado, durando aproximadamente uma hora. Nota-se assim, que tanto utilizar um tempo total de 2 horas, como de 1 hora, desde que, neste último o artefato permaneça em 130ºC por 23 minutos, apresentam resultados similares na qualidade do vulcanizado, já que ambos resultaram em tensões de ruptura semelhantes, de 50%.
Observa-se também, que com o aumento de tempo no t90 houve uma redução da resistência em torno de 10% para as amostras vulcanizadas em 150ºC e 170ºC. Neste caso, acredita-se que houve uma degradação das propriedades mecânicas da borracha devido ao tempo prolongado de exposição a tais temperaturas. Conforme Van Vlack(5), exposição ao calor é um fator que funciona como uma fonte de energia para a ruptura de ligações, portanto acelera o envelhecimento do artefato, degradando suas propriedades. Essa redução da resistência, indica que pode ter ocorrido uma maior degradação da borracha nestas amostras, devido ao tempo de exposição prologando nas dadas temperaturas.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados dos testes realizados, nota-se que o aumento do tempo de vulcanização influencia na qualidade da emenda vulcanizada. Com adição de 2 minutos e 10 segundos ao t90, a resistência à ruptura dos artefatos vulcanizados em 130ºC aumentou 8%, enquanto que para os processos correspondentes a 150º e 170ºC a resistência decaiu em torno de 10%.
A queda da resistência pode ser associada ao aumento do tempo t90, que para as temperaturas de 150 e 170ºC se mostrou prejudicial, visto que conforme Van Vlack(5), o calor funciona como fonte de energia para o rompimento das ligações existentes na junta, acelerando o envelhecimento e a consequente perda de propriedades mecânicas.
Já para os vulcanizados a 130ºC, onde ocorreu uma elevação de 8% na resistência, acredita-se que o tempo utilizado no primeiro teste foi insuficiente para a
homogeneização da temperatura do artefato, em função da baixa condutividade térmica, bem como prejudicial para a formação da máxima quantidade possível de ligações cruzadas. Portanto, o tempo mais prolongado de exposição a esse patamar de temperatura resultou em melhor homogeneização da temperatura e consequente melhor fusão da junta, formando um maior número de ligações e conferindo assim maior resistência à junta.
O processo sugerido pode ser considerado mais barato que o atual realizado, visto que possui duração inferior e também necessita de menor energia para execução, já que é caracterizado por apenas um ciclo térmico composto por menores temperaturas.
Contudo, pode-se afirmar que as análises realizadas sobre a influência do ciclo térmico na resistência à ruptura, apresentaram-se insuficientes para tirarem-se conclusões mais concretas sobre o aprimoramento do processo, visto que não foi possível obter a resistência de 90% que se desejava. Assim, acredita-se que seria necessário seguir o caminho da caracterização do material, para investigar o que ocorre no material durante o processo. Desta forma, poderá se reavaliar o processo e ajustá-lo, a fim de alcançar maiores resistências à ruptura. Fornecendo, também, o melhor entendimento do comportamento do material quando submetido ao processo de vulcanização. Além de, contribuir para novas oportunidades de trabalhos, dentro desta linha de pesquisa e estimulando novos acadêmicos a participar de projetos, com o intuito de crescerem intelectualmente e profissionalmente.
REFERÊNCIAS
1. TOIGO, Moisés; BAGETTI, João Henrique; MARQUEZI, Sergio Luis. Study of process of amendments vulcanization nitrile rubber for sealing valves used in butterflies conduits SHPs. In: I LATIN AMERICAN MEETING HYDRO POWER AND SYSTEMS, 2013, Campinas, São Paulo. Acta editora, 2013.
2. BRITO, Karin Janete Stein; GHELLER, Jordão; STUMPF, Raquel. RESPOSTA TÉCNICA: Temperaturas de processo de extrusão e vulcanização para diversos tipos de borracha. Rio Grande do Sul. 18 dez. 2008. Disponível em: < http://www.bristein.com.br/uploads/6/8/8/0/6880073/13360.pdf >. Acesso em: 29 Mar. 2014.
3. PIEROZAN, N. J.; KOSERSKI, J.; SOUZA, A. A.; PACHECO, G. S. Matéria Técnica, Borracha atual, p. 56 – 65, [?2010?]. Disponível em: <http://www.borrachaatual.com.br/adm/materias/b9e54021015858bfd40ede1b7eea2 9b7.pdf> Acesso em: 16 Abril 2014.
4. Elastomers Tension: Versão digital para Universidades, 2012. Disponível em <http://www.astm.org/Standards/D412.htm>. Acesso em 03 Abril 2014.
5. VAN VLACK, Lawrence H. Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: Editora Blücher, 1970.
STUDY OF THERMAL CYCLE USED IN THE PROCESS OF
VULCANIZATION AMENDMENTS TO NEOPRENE RUBBER SEALING VALVES USED IN CONDUIT OF BUTTERFLIES SHPs
ABSTRACT
This present study will deal with the study of the thermal cycle used in the vulcanization process amendments Neoprene rubber (CR), used in sealing butterfly valves present in ducts SHPs. The objective is to reach 90% of the breaking strength of the original rubber vulcanized seams. We sought through bibliographic references define the parameters for the tests. Based on this, it was decided to use three levels involving the temperature within the recommended temperature range for vulcanization. Have the optimum vulcanization time (t90) was calculated according to the thickness of the specimens in CR. We used specimens in the profile of the original rubber seal format. For the results of tensile strength were tested for strength, according to ASTM D412. So based on experimental tests, the best parameters of time and temperature, showed an average resistance around 60% of the original, the vulcanized joint.
