PROPRIEDADE DE ADESÃO DO MASTIC BUTÍLICO EM FUNÇÃO DO
CARBONATO DE CÁLCIO E DO AGALMATOLITO
Edith M. M. Souza1*, Wanderley da Costa2, Fabio José Esper3, Hélio Wiebeck4 1*Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica-USP-SP- Faculdade de São
Bernardo do Campo-FASB-SP - edith.malateaux@usp.br
2 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica-USP-SP - Fundação Patria-Iperó-SP
wandher3@usp.br
3Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica-USP-SP – fabio.esper@usp.br 4 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica-USP-SP – hwiebeck@usp.br
Resumo: O objetivo deste trabalho é comparar a utilização do agalmatolito para incrementar as tensões de cisalhamento do mastic butílico em relação ao carbonato de cálcio tradicionalmente utilizado nestas formulações. Para este fim, foram estudados vários tipos de carbonato de cálcio e agalmatolito de várias regiões do Brasil, e concluiu-se que a melhor jazida está localizada em Matheus Leme estado de Minas Gerais. O trabalho foi desenvolvido na forma de estudo comparativo, realizando formulações com carbonato de cálcio e com agalmatolito e observou-se que a influência do agalmatolito nas propriedades de adesão do mastic butílico foi da ordem de 2,88 vezes maior em relação ao mastic butílico com carbonato de cálcio. Este resultado pode ser utilizado como contribuição para o conhecimento de cargas minerais que melhoram as propriedades de adesão em sistemas de formulações de mastic, além do que, há um impacto positivo em relação ao custo do produto final.
Palavras-chave: carbonato de cálcio, agalmatolito, borracha butílica, mastic butílico
Properties of butyl mastic function of calcium carbonate and agalmatolite
Abstract: The objective of this study is to compare the use of agalmatolite to increase the shear stresses butyl mastic in relation to calcium carbonate traditionally used in these formulations. To this end, we studied several types of calcium carbonate and agalmatolite from various regions of Brazil, and it was concluded that the best deposit is located in Matheus Leme state of Minas Gerais. The study was conducted as a comparative study in which the formulations with calcium carbonate and agalmatolite and it could see that the influence of the agalmatolite butyl mastic adhesive properties was of the order of 2.88 times higher compared to butyl mastic with calcium carbonate. This result can be used as input to a knowledge of mineral fillers which improve the adhesion properties of the mastic formulation systems, in addition, there is a positive impact to the cost of the final product.
Keywords: calcium carbonate, agalmatolite, butyl mastic
Introdução
A borracha butílica é um copolímero de isobutileno e isopreno (Isobutylene Isoprene Rubber – IIR) e foi introduzida no mercado em 1942. É considerada como pertencente à categoria das borrachas para aplicações especiais em contraste com as borrachas para aplicações gerais, como a borracha natural (Natural Rubber-NR), a borracha de butadieno estireno (Styrene-Butadiene Rubber-SBR) e a borracha de polibutadieno (Polybutadiene Rubber-BR). A borracha butílica é um composto
polimerizado em solução de isobutileno com uma porcentagem que varia de 0,6 a 3% de isopreno, catalisada por cloreto de alumínio (AlCl3) dissolvido em cloreto de metila[1][2]. Na Figura 1
apresenta-se a estrutura da borracha butílica [11].
Figura 1 – Estrutura da borracha butílica. Fonte: http://www.rubberpedia.com
Existem duas possibilidades para se formular um selante, que é um produto capaz de manter preenchido um espaço entre duas superfícies, por meio de uma barreira que se configura como uma “ponte” entre as duas superfícies; baseado em borracha butil ou butílica, que são as principais borrachas do sistema mastic, definido como sendo um produto obtido por uma mistura de substâncias, com consistência de uma massa não secativa[3]. A primeira possibilidade é usar uma borracha butílica com elevada massa molar, sólida, e que possa ser misturada com solventes e óleos plastificantes. A segunda possibilidade é misturá-la com polibuteno líquido, e observa-se que a característica de pegajosidade será predominante, podendo assim elevar o conteúdo de carga mineral para melhorar o custo. O produto tem seu processo de cura por evaporação de solvente tornando-se uma massa não secativa, isto é, não adesiva. Esta característica, em alguns casos, é fundamental para alguns tipos de juntas de materiais. Têm-se como exemplo de utilização dessa massa não secativa sua aplicação na construção de estruturas metálicas de alumínio em janelas de edifícios residênciais e comerciais e carrocerias de caminhões baú, nas quais existe certa movimentação mecânica, que no caso do adesivo poderia atingir a fadiga e comprom eter não só a colagem como também a vedação ou calafetação. A movimentação mecânica e a resistência à umidade, barreira contra água ou infiltração, são algumas das particularidades que caracterizam o produto denominado mastic. O mastic hoje é mais utilizado na construção de estruturas metálicas de alumínio.
Quando se trata de custo é fundamental analisar as formulações[4]; existiam formulações com até 56,5% de carbonato de cálcio na década de 70, com uma validade de 1 ano; nesta época o agalmatolito (silicato de alumínio hidratado) não era utilizado. Atualmente, com o avanço na descoberta de novas matérias primas e processos de produção, pode-se atingir até 79% de adição de cargas minerais nas formulações para mastic. Por ser um produto não secativo, observa-se que na sua formulação, não estão presentes agentes de reticulação (cura), portanto o produto fica
flexível e não torna-se um sólido rígido. Esta condição permite que a validade do produto atinjaa dois anos acondicionado em embalagem especificada e até cinco anos após sua aplicação.
Os mastics recebem várias denominações, tais como: selante base butil ou butílica, mastic butil, mastic butílico ou simplesmente mastic. No mercado, obedecem a uma formulação básica, utilizando como polímero principal a borracha butil que varia de 2 a 4%. Como se trata de um produto de simples mistura, a estrutura de formulação é basicamente a seguinte: 25 a 30% de óleos minerais ou naturais; 60 a 79% de carbonato de cálcio ou agalmatolito; 0,05 a 3% de pigmentos; 7 a 18% de solventes e de 0 a 2% de aditivos. No processo de fabricação não é utilizada energia térmica para ocorrer à mistura. A quantidade de calor gerada na mistura não ultrapassa os 56oC, que não compromete a formulação do mastic. O polímero secundário é o poliisobutileno ou polibuteno, podendo a quantidade variar de um fabricante para outro, de 0,5 a 1%. O mastic é um produto não secativo e de formulação variável[5] por causa da grande quantidade de óleo que compõe sua formulação e por não apresentar agentes de reticulação tais como: enxofre, óxido de zinco, óxido de magnésio, entre outros. Por esta razão o mastic butílico torna-se um produto com aspecto de borracha macia, maleável, semelhante a uma goma de mascar. Alguns tipos de mastic possuem aditivos para formar uma película para protegê-los dos raios ultravioleta. A definição de mastic apresentada por outros pesquisadores[6] é que esses são materiais que contêm óleos secantes ou componentes de betume, que com o tempo, também formam uma película na superfície. Estes produtos fixam-se em vários substratos, sempre com o objetivo de preencher cantos ou junções com ângulos diversos.
A sua dureza esta relacionada diretamente com o tipo de carga mineral utilizada. O carbonato de cálcio precipitado é a principal carga mineral utilizada neste produto encontrado atualmente no mercado, no entanto, o agalmatolito pode ser utilizado principalmente em função de seu custo reduzido.
Parte Experimental
Em ambas as amostras de produtos, foram utilizadas chapas de alumínio (Alumi Copper 7075-T651, dureza 160Hb) denominadas de corpos de prova. Os corpos de prova foram obtidos conforme a norma ASTM D 1002[8]. Os ensaios foram realizados nos três períodos, 7 dias, 14 dias e 28 dias após aplicação, para ambas as amostras. Com o objetivo de verificar o comportamento das tensões de cisalhamento, isto é, o comportamento do sistema de cura ou reticulação, foi utilizada uma máquina universal de ensaio Instron, modelo 3367, com célula de carga 30kN da empresa BRASCOLA. No experimento, para melhor identificação, denominaram-se as amostras
simplesmente de “mastic com carbonato de cálcio precipitado” e outra como “mastic com agalmatolito”. O agalmatolito utilizado no experimento foi o HTM-04 malha#325 da empresa Matheus Leme. O carbonato de cálcio precipitado malha #325, teve proveniência de empresas tradicionais do mercado.
Resultados e Discussão
Os resultados apresentados na Tabela 1 são referentes às amostras de carbonato de cálcio e agalmatolito. Embora a norma estabeleça que sejam utilizados apenas 5 corpos de prova por ensaio, neste trabalho foram realizados ensaios com 10 corpos de prova.
Tabela 1 – Tensão de cisalhamento.
TENSÃO DE CISALHAMENTO (kgf/cm2)
MASTIC COM
MASTIC COM CARBONATO DE CÁLCIO
AGALMATOLITO PRECIPITADO dias 7 14 28 7 14 28 amostras 1 0,857 0,956 1,056 0,161 0,231 0,351 2 0,627 0,985 1,065 0,183 0,214 0,357 3 0,721 0,998 1,069 0,181 0,221 0,371 4 0,669 0,956 1,087 0,184 0,242 0,372 5 0,698 1,001 1,091 0,187 0,262 0,379 6 0,789 0,999 1,048 0,188 0,261 0,382 7 0,978 1,051 1,101 0,191 0,271 0,389 8 0,956 1,088 1,106 0,192 0,301 0,384 9 0,856 1,099 1,125 0,187 0,302 0,395 10 0,846 1,081 1,121 0,189 0,321 0,397 média 0,800 1,021 1,087 0,184 0,263 0,378 desvio padrão 0,113 0,051 0,025 0,008 0,035 0,014
Com relação aos resultados da tensão de cisalhamento nos três períodos analisados e apresentados nas Figuras 2 e 3, pode-se observar a evolução dos sistemas de cura ao longo do tempo; isto sugere que as quantidades de ligações cruzadas estão aumentando com o tempo. Assim sendo, pelos resultados obtidos pode-se concluir que as forças de coesão com o agalmatolito são bem mais intensas do que as com o carbonato de cálcio na formulação do mastic. Os resultados da presente pesquisa são representativos e significativos dentro da área de aplicação dos calafetadores (mastic). Segundo alguns autores[9-10] a adesão pode ser definida como o estado no qual duas superfícies se mantêm unidas por forças interfaciais como forças químicas ou mecânicas, ou ambas. Por outro lado, um material adesivo é definido como uma substância capaz de manter unidos diferentes substratos por meio de uma superfície de fixação. Os ensaios de tração foram realizados com o
objetivo de verificar as modificações das tensões de cisalhamento na união de ambos os sistemas. No processo de cura de 28 dias, tem-se as tensões médias de cisalhamento de 1,087 kgf/cm2 para formulação com agalmatolito, enquanto para a formulação com carbonato tem-se uma média de 0,378 kgf/cm2. 0 0,5 1 1,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 kgf /cm 2 amostras
TENSÃO DE CISALHAMENTO COM
AGALMATOLITO
7 DIAS 14 DIAS 28 DIASFigura 2 – Tensão de cisalhamento com agalmatolito.
0 0,5 1 1,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 kgf /cm 2 amostras
TENSÃO DE CISALHAMENTO COM CARBONATO DE CÁLCIO PRECIPITADO
7 DIAS 14 DIAS
Conclusão
Conforme a revisão da literatura e os ensaios realizados, pode-se concluir que o agalmatolito apresenta melhor comportamento em relação à adesão, contribuindo assim para melhorar as propriedades do mastic em relação a sua ancoragem na superfície de alumínio. O agalmatolito contribui para um melhor balanceamento das forças de adesão. Os dois materiais, embora diferentes, foram confrontados diretamente para comprovar suas forças coesivas intrínsecas e modificações das mesmas com o tempo de cura. Entre os dois materiais estudados, pode-se afirmar que o agalmatolito teve melhor interação adesiva com o substrato utilizado, apresentando em 28 dias, resultados satisfatórios para aplicações como calafetador. O mastic butílico comportou-se dentro do experimento como uma massa de calafetar e/ou vedar. O agalmatolito contribuiu para um aumento da força de adesão em 2,88 vezes em relação ao carbonato de cálcio precipitado.
Agradecimentos
A diretoria da empresa Brascola Ltda e aos colegas do laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento, especialmente aos Químicos João Rocha Porfírio Filho e Carlos Eduardo da Silveira.
Referências
1.Model Vulcanization Systems for Butyl Rubber, Halobutyl Rubber, and BIMSM Elastomer, Exxon Mobil Chemical, Ref: B1009-640E99, 38p., (2009).
2. MORTON, M. Rubber Technology, 3nd Edition, Van Nostrand Reinhold, New York, (1987). 3. JACKSON, B. S. “Industrial adhesives and sealants”, Hutchinson, London, (1976).
4. FLICK, E. W. “Adhesive and sealant compound and their formulations”, Noyes, New Jersey, p.334 (1978).
5. HOUWINK, R.; SALOMON, G. “Adhesion and adhesives”, Elsevier, Amsterdan, v.1, p. 290 (1965).
6. SKEIST, I. “Handbook of adhesives”, 2. ed.; Van Nostrand Reinhold, New York, p.3 (1977). 7. COSTA, M.L.; REZENDE, M.C.; PARDINE, L.C. Polímeros Ciência e Tecnologia, vol. 9, no.2, p. 37-44, (1999).
8. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM D1002: apparent shear strength of single-lap-joint adhesively bonded metal specimens by tension loading (Metal-to-Metal). Philadelphia, (2001).
9. SKEIST, I. “Handbook of adhesives”, 3. ed., Ed.; Van Nostrand Reinhold, New York, p.522-535 (1990).
10. LEE, H., OROLOWSKI, J. A. “Adhesive dental composite restoratives”, Lee Pharmaceuticals, South El Monte, 65. (1973).
11. NAGDI, K. “Manualle della Gomma”, Tecniche Nuove, 389p. (1987).
12. http://www.rubberpedia.com/borrachas/borracha-isobutileno-isopreno.php, acessado em 15-03-2015.
