DETERMINAÇÃO DA FASE DE ADESIVIDADE OTIMA PARA LINER UTILIZADO EM MOTOR FOGUETE A
PROPELENTE SÓLIDO
Juliano R. A. Pinto1*, Koshun Iha2, Ana M. F. Morais1, Michelle L. Costa3
1* Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), CTA, Pr. Mal. Eduardo Gomes, 50/Vila das Acácias, CEP 12228-904 – São José dos Campos/SP - julianoaguiar@iae.cta.b; amarlene@iae.cta.br; 2 Instituto Tecnológico Aeroespacial (ITA), CTA, São José dos Campos, SP, Koshun@ita.br; 3Divisão de Materiais – AMR-IAE-CTA, São José dos Campos, SP.
Determination of liner’s bonding life of Solid Rocket Motor
Rockets to be used to put some experiments, satellites and other object in the space. A rocket has a propulsive system called rocket motor which is formed by a metallic or composite case, an insulator, an adhesive and a propellant (polymeric material filled with energetic particles). This adhesive called liner is used to bond the propellant to insulator with specific bond strength. As the liner is an activated adhesive that has tack that changes its adhesive properties, with the time it’s necessary to know the exact moment to load the case with propellant. To solve this problem was developed a new methodology and equipment to construct a graphic that shows the evolution of tack and the optimal stage to put the propellant in contact whit the adhesive.
Introdução
A finalidade de um foguete, seja ele de grande ou pequeno porte, é proporcionar o transporte de cargas da superfície terrestre até altíssimas altitudes ou para o espaço.
Em geral, um foguete é constituído da carga útil e do sistema de propulsão formado pelos Motores Foguetes. Este por sua vez é constituído de um ignitor, responsável por iniciar a combustão, uma tubeira destinada a expelir os gases da combustão e pelo grão propelente, o qual é o responsável pela geração dos gases que irão impulsionar todo o conjunto [1-7].
Um motor foguete é composto de uma carcaça metálica revestida internamente por um isolante térmico de material elastomérico (borracha). Sobre o isolante é aplicada uma camada de um composto adesivo (liner de base poliuretano - PU) com a finalidade de promover a adesão do grão propelente, ainda no estado pastoso, ao isolante térmico e garantir a integridade estrutural de todo o conjunto após a cura completa do propelente [1-7].
Essa adesão deve garantir que todo o conjunto mantenha-se unido durante todas as etapas de estocagem, transporte, montagem e lançamento, pois uma falha adesiva na interface isolante/adesivo/propelente pode ocasionar possíveis descolamentos que, por sua vez, acarretarão uma geração de gases descontrolada devido ao aumento da superfície de queima, levando a uma pressão excessiva dentro câmara, podendo ocasionar uma explosão [1-7].Muitos estudos têm sido
realizados a fim de melhorar cada vez mais a confiabilidade dessa adesão e evitar descolamentos nas interfaces [1-7].
“Tack” é a propriedade dos adesivos de formar uma ligação/adesão de força mensurável imediatamente após o adesivo e o aderente serem posto em contato sobre a aplicação de uma leve pressão [8]. Neste trabalho será usado o termo adesividade, que pode ser explicado como sendo a sensação que se tem quando se retira o dedo sobre um adesivo após aplicar uma leve pressão [1].
A determinação do valor da adesividade não é fácil de encontrar ou de se entender, pois depende das propriedades físicas e químicas do adesivo, do tipo de metodologia (tempo de contato, velocidade, etc) e dispositivos [2]. Em resumo o valor da adesividade é definido pelo tipo de teste utilizado, sempre lembrando que o melhor teste é aquele que mais se aproxima do real [3].Com a necessidade de se mensurar essa adesividade algumas metodologias foram desenvolvidas podendo- se citar o ensaio de Rolling Ball [9], Loop Tack [10], Probe Tack [11], dentre outros.
Como não existe no mercado um equipamento compatível com as necessidades de utilização do projeto do foguete nacional, foi então projetado e construído um protótipo destinado exclusivamente para determinar a adesividade do liner usado como revestimento adesivo. A determinação da adesividade depende sempre do tipo de ensaio e das condições do adesivo, assim, deve-se lembrar que as condições de análise influenciam no resultado final. A seguir procurou-se descrever algumas condições de análise e como as mesmas influenciam no resultados:
1) Tempo de contato e pressão entre a ponta de prova e o adesivo: estudos mostram que quanto maior o tempo de contato e ou a pressão aplicada sobre o adesivo maior tem sido o valor da adesividade, esse fenômeno pode ser, de certa forma, explicado pelo fato do adesivo molhar melhor a ponta de prova e com isso aumentar a área de contado aumentando o resultado final [4]. No entanto, existe uma outra explicação que leva em conta a rugosidade da superfície de contato da ponta de prova, de modo que quanto maior a rugosidade mais o adesivo tende a ficar preso mecanicamente levando a um aumento do valor da adesividade [1].
2) Velocidade de contato da ponta de prova sobre o adesivo e velocidade de separação: estas variáveis afetam a adesividade de maneiras distintas, sendo que, a velocidade de contato sobre o adesivo funciona de forma similar ao aumento da pressão, pois quanto maior a velocidade maior será o impacto e maior a pressão inicial feita sobre o adesivo. Durante o processo de separação ocorrem dissipações de energia que influenciam o resultado estando estas dissipações relacionadas com as propriedades viscoelásticas de cada tipo de adesivo [1].
3) Condições diversas: influenciam diretamente na energia de coesão do adesivo principalmente nos adesivos ativados podendo alterar o perfil da curva de adesividade por influenciarem nas reações químicas que ocorrem nesta classe de adesivos [5,6].
Existem adesivos que possuem uma característica especial, sendo chamados de Adesivos Ativados, de modo que necessitam em todos os casos de um agente que inicie esse processo. Os dois métodos mais comuns para curar o adesivo são: submeter o adesivo ao aquecimento ou a um agente de cura/ativação/vulcanização. Para estes tipos de adesivos é importante sempre lembrar que as propriedades de adesividade irão variar com o tempo após a ativação [7].
O liner é um adesivo ativado e necessita de um agente químico, um diisocianato, que inicia o processo de cura fazendo com que a adesividade varie em função do tempo permitindo que se tenha uma janela ótima de adesividade.
Nos motores foguetes é usado um liner composto de uma resina poliuretânica curada com isocianato. É de fundamental importância conhecer a curva de adesividade desse material de modo a saber o momento ou a faixa ideal de efetuar a adição do propelente, para que a adesão seja máxima na interface adesivo/propelente. Neste adesivo existem promotores de adesão que migram para a interface e promovem uma ligação química entre os substratos, devido ao processo de interdifusão [1]. No processo de interdifusão as moléculas possuem uma fácil mobilidade através das interfaces, principalmente, enquanto o adesivo e o propelente ainda não estão totalmente curados.
Atualmente, devido a questões de processo de fabricação, os motores foguetes primeiramente recebem uma camada adesiva que é submetida a um processo de ativação e pré-cura até um estágio tal que se permita movimentar todo o motor foguete sem prejuízo da camada adesiva, que deve permanecer estável (sem escoar o adesivo) durante os próximos estágios de fabricação.
Como o liner possui algumas características especialmente desenvolvidas para o uso espacial como, por exemplo, baixa temperatura de transição vítrea (Tg), propriedades mecânicas compatíveis, densidade de ligações cruzadas especificas, entre outras, a adição do propelente deve ser feita em um momento adequado. Agentes reticulantes e de cura, adicionados simultaneamente, iniciam a formação de uma rede de ligações cruzadas que minimizam a migração de compostos que podem afetar a adesão na interface, e que também dificultam a interdifusão dos agentes de ligação prejudicando a adesão.
O objetivo desse trabalho é determinar a fase de adesividade ótima do liner, ou seja, o momento ideal para se efetuar o carregamento do propelente no interior do envelope motor.
Experimental
Preparação do adesivo
O adesivo foi preparado dispersando-se primeiramente o negro de fumo à resina polibutadiênica liquida hidroxilada previamente aquecida a 60º C e desaerada. Após efetuada a dispersão, os demais ingredientes tais como Trimetilolpropano e MAPO (tri-2-metil-1-etil-aziridinil óxido de fosfina) foram adicionados e misturados vigorosamente.
O adesivo foi então aquecido a uma temperatura de 60º C e logo após submetido a vácuo para eliminação de bolhas e umidade, sendo mantido em estufa a 60º C.
Preparação dos substratos
Uma manta de borracha foi lixada, desengordurada com tricloroetileno e submetida a um vácuo de 300 mmHg a uma temperatura de 60º C para total remoção do solvente.
Também se preparou um substrato de alumínio polido limpando-o com tricloroetileno que foi submetido às mesmas condições da manta de borracha.
Preparação do equipamento
O protótipo do equipamento foi desenvolvido e consiste em linhas gerais de uma ponta de prova livre dotada de movimento ascendente acoplado a um equipamento indicador de massa. O funcionamento é similar ao do Probe tack test, porém com uma ponta de prova adaptada para medições no interior de um motor foguete.
Determinação da adesividade
Após a preparação de todos os materiais, o agente de cura (toluenodiisocianato – TDI) foi misturado ao adesivo que novamente foi submetido a vácuo para remoção de bolhas e umidade.
O adesivo foi então vertido sobre a manta de borracha e sobre o alumínio na forma de um filme com aproximadamente 1mm de espessura.
Colocou-se a manta no equipamento e fez-se a primeira medida a uma velocidade de separação de 0,65 mm/s com um tempo de contato de 5 s.
Após a medição a manta foi colocada na estufa a uma temperatura de 60º C e repetidas medições foram feita com intervalos de 30 min.
O mesmo procedimento foi repetido para o substrato de alumínio.
A cada tomada de valor, sempre nas mesmas condições, a ponta de ensaio foi limpa com o solvente tricloroetileno para que resíduos do adesivo não influenciassem nas futuras medidas. Todas as medidas foram tabeladas e montou-se um gráfico de como a adesividade variou no decorrer do tempo.
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0
5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0
Massa (g)
T e m p o (m in )
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Resultados e Discussão
Com o desenvolvimento de um protótipo de equipamento foi possível construir um gráfico com uma curva de adesividade do liner. Por meio dessa curva, Figura 1, foi possível dividir a adesividade em 3 fases principais, sendo:
Figura 1: Divisão das fases de adesividade sobre um substrato de alumínio
A Fase 1 - mostra um adesivo ainda no início do processo de cura quando ainda está totalmente fluido, nesse ponto apresenta um baixo valor de adesividade, mas o processo de interdifusão provavelmente tem o seu máximo devido à fácil mobilidade dos compostos. Nesta fase, praticamente não existe adesividade, pois o adesivo ainda está iniciando o seu processo de cura.
A Fase 2 - mostra um adesivo já parcialmente curado começando a adquirir alguma força de coesão, não apresenta escoamento acentuado e ainda existe mobilidade das cadeias permitindo interdifusão das moléculas. A Fase 2 sugere uma região ótima de adesividade.
Fase 3 - inicia-se a partir do ponto de máximo da curva e daí em diante o valor da adesividade começa a decrescer. A densidade de ligações cruzadas é alta o que dificulta a interdifusão dos agentes de ligação entre as interfaces de modo que a adesão final do sistema vai ficando cada vez mais prejudicada, ou seja, o valor da adesividade como esperado vai diminuindo em função do tempo.
Na tabela 1, constam os valores da adesividade no decorrer do tempo:
Tabela 1: Resultado dos valores da adesividade adquiridos pelo equipamento*.
Tempo (min) Substrato de Borracha (g) Substrato de Alumínio(g)
0 3 1
30 20 27
60 35 54
90 47 100
120 54 113
150 88 187
180 169 260
210 280 124
240 145 100
270 120 -
300 117 -
* erro da medida: ± 0,1g
Com base nos dados da Tabela 1, foi possível construir o gráfico da Figura 2, que mostra exatamente o perfil da mudança da adesividade no decorrer do tempo. A Figura 2 mostra desde o pico onde a adesividade é máxima até o momento em que o adesivo já está com a cura tãoavançada que a adesividade começa a diminuir. A defasagem no tempo entre os dois substratos deve-se ao fato dos mesmos serem de materiais diferentes. O alumínio, por aquecer mais rapidamente e transferir calor com mais eficiência para o liner, faz com que o adesivo tenha uma cura mais acelerada. Já no substrato de borracha ocorre exatamente o oposto. Como a borracha, utilizada nos motores foguetes tem suas características de isolante térmica acentuada, retêm o calor levando um tempo maior para influenciar na cura, deslocando a curva de adesividade. Contudo, o perfil para ambos os substratos é similar, mostrando a eficiência do protótipo.
Figura 2: Gráfico da mudança da adesividade no decorrer do tempo
0 50 100 150 200 250 300 350
0 50 100 150 200 250 300 350
Massa (g)
Tempo (min)
Borracha Alumínio
Esse fato também pode ser constatado correlacionando-se a curva do substrato de alumínio com o resíduo de adesivo na ponta de ensaio, Figura 3. Pode-se verificar que quanto mais o tempo avança menos resíduo de adesivo fica retido no probe, isso mostra que o aumento da densidade de ligações cruzadas reduz a migração dos agentes promotores de adesão para a interface;
consequentemente a força de coesão do adesivo aumenta cada vez mais, tornando o material mais resistente à falha coesiva.
Figura 3: Resíduo de adesivo no probe em função do avanço da adesividade.
Também, pode-se observar a divisão das fases 1, 2 e 3 onde a fase 1 até próximo de 130 minutos sugere um adesivo com viscosidade muito baixa, o que para o processo de fabricação dos motores foguete não é viável devido ao problema de escoamento da camada. Já na fase 3, a partir do máximo da curva, tem-se um adesivo numa etapa de cura avançada e mesmo que não ocorra escoamento do adesivo, devido ao avançado da cura, a adesividade está prejudicada e possivelmente no momento da adição do propelente o adesivo possa já estar em fase final de cura.
No entanto, ao se analisar a fase 2, vê-se que o adesivo já adquiriu alguma propriedade mecânica e sua força coesiva já é suficiente para mantê-lo estável e evitar que se deforme durante o manuseio do motor foguete. Pela Figura 3 observar-se que ainda resta algum resíduo de adesivo no na ponta de ensaio, o que indica que o processo de cura ainda não está muito avançado e como ainda não se atingiu o máximo de adesividade tem-se tempo para manusear o motor foguete sem prejuízo para a interdifusão dos promotores de adesão.
Conclusões
Com o desenvolvimento de um protótipo de equipamento foi possível se caracterizar a fase de adesividade ótima utilizando a medida de adesividade, que, por sua vez foi, obtida de uma curva do tempo de adesividade, que indica o momento ou janela adesiva adequada para o carregamento
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100 150 200 250 300
Massa (g)
Tempo (min)
com o propelente, obtendo-se assim uma adesão mais eficiente na interface liner/propelente. Com esta curva também foi possível saber qual o momento em que se deve desacelerar o processo de cura do adesivo para que em caso de imprevistos durante as etapas do processo não se perca a eficiência adesiva do liner.
A determinação da adesividade permitiu definir que o carregamento deve ocorrer durante a fase 2 para essa formulação de liner. O protótipo permitiu medidas rudimentares, mas que são reprodutivas e permitem um controle efetivo da janela adesiva. As condições de ensaio devem ser controladas e seguidas para que o resultado final não seja alterado e os perfis da curva sejam diferentes. Pode-se definir a janela adesiva para cada sistema e assim controlar o processo de modo a se obter o máximo de confiabilidade na interface liner/propelente.
É de grande importância lembrar que o aquecimento do motor foguete deve cessar dentro da fase 2, pois como a borracha absorve e retém parte do calor, mesmo que se esteja na fase ótima para a adição do propelente, a adesividade ainda vai continuar evoluindo e, no caso de uma demora no processo de adição, pode-se correr o risco da adesividade atingir seu máximo e começar a decair prejudicando a adesão.
Agradecimentos
Os autores agradecem primeiramente a Deus pela força em meio às dificuldades, aos colegas da Divisão de Química do Instituto de Aeronáutica e Espaço, principalmente a Eng. Hilzette de Castro chefe do Laboratório de Adesão pelo espaço cedido para o desenvolvimento experimental, ao Eng Renato Madeira Branco chefe da Usina Cel. Abner pelo apoio e ao amigo José Henrique Gomes da Motta pela fabricação dos dispositivos do protótipo.
Referências Bibliográficas
1. T. Ondarçuhu J. Phys. II. 1997, 12, 1893.
2. P. Dalet; A. Aymonier SpecialChem4Adhesives. Feb. 19, 2003.
3. A. N. Gent Rubber World. June 1979, 33.
4. C. Creton; L. Leibler J. of Polymer Science: Part B: Polymer Phys. 1996, 34, 545.
5. A. M. Gillanders; S. Kerr; T. J. Martin Int. J. Adhesion and Adhesives. Jan. 1981, 125.
6. E. M. Petrie SpecialChem4Adhesives. Jun. 25, 2003.
7. B. Duncan; S. Abbott; R. Roberts in Measurement Good Practice Guide – Adhesive Tack, National Physical Laboratory, Teddington, 1999, Guide 26, 1-23.
8. ASTM D 907-04 Terminology of Adhesives
9. ASTM D 3121-05 Standard Test Method for Tack of Pressure-Sensitive Adhesives by Rolling Ball.
10. FINAT FTM 9 Quick Stick Tack Measurement (loop tack).
11. ASTM D 2979 Standard Test Method for Tack of Pressure-Sensitive Adhesives Using an Inverted Probe Machine.
