Os campos da ciência e da engenharia percorreram um longo caminho graças aos elastômeros. Um elastômero é conhecido por ter diversas aplicações que vão desde pneus e vedações de máquinas industriais. Eles têm propriedades notáveis, como flexibilidade, durabilidade e versatilidade. Seja você um entusiasta de polímeros, um engenheiro de materiais ou um designer de produtos, este artigo dará um bom conhecimento sobre elastômeros, seu comportamento peculiar, aplicações e propriedades. As informações que este artigo fornece darão uma melhor visão de como os elastômeros funcionam, como eles diferem de outros materiais e como eles impulsionam a inovação em muitas indústrias. Este artigo pesquisará exaustivamente uma das formas mais essenciais de materiais modernos.
O que são materiais semelhantes à borracha e elastômeros?
Elastômeros, também conhecidos como materiais semelhantes à borracha, são uma classe de polímeros que exibem elasticidade notável. Quando aplicados, esses materiais podem sofrer uma grande extensão, mas uma vez que a força é removida, eles tendem a retornar à sua forma original. Essa característica surpreendente resulta do design longo e em cadeia de sua estrutura molecular, que permite fácil desembaraço e enrolamento, o que é visto em muitas substâncias de borracha. O uso mais popular desses materiais é em compostos que precisam demonstrar um certo grau de flexibilidade, resistência e elasticidade, como vedações, juntas e pneus. Sua versatilidade em desempenho os torna indispensáveis nas indústrias automotiva, de saúde e de construção, entre outras, onde diversos tipos de materiais são necessários.
Compreendendo os fundamentos dos polímeros elastoméricos
Polímeros elastoméricos são aqueles compostos que podem ser estendidos imensamente quando uma força é aplicada, mas retornam à sua forma original quando ela é retirada. Sua característica pode ser rastreada até sua estrutura molecular particular, que tem longas cadeias de polímeros enroladas que reduzem a rigidez. Borracha natural, borracha de silicone e poliuretano são alguns dos polímeros elastoméricos mais comumente usados, e eles são frequentemente intercambiáveis em várias aplicações. Devido à sua resistência ao desgaste, elasticidade e espessura, esses materiais encontram amplo uso em vedações, tubos, pneus e dispositivos médicos. Esses polímeros os tornam indispensáveis em diferentes indústrias.
Borracha natural vs. elastômeros sintéticos
Notavelmente diferentes, borracha natural e elastômeros sintéticos parecem ser elastômeros diferentes com propriedades diferentes. A borracha natural, que é obtida do látex de seringueiras (Hevea brasiliensis), é conhecida por sua alta elasticidade, resistência à tração significativa e resistência superior à abrasão e fadiga. É amplamente usada para pneus automotivos, correias transportadoras e peças antivibração devido à sua natureza dinâmica. Como mencionado acima, a borracha natural tem o grande benefício de ser altamente resiliente e, portanto, é operacional mesmo em altas tensões.
Elastômeros sintéticos, por outro lado, são compostos químicos e incluem borracha de estireno-butadieno (SBR), borracha nitrílica (NBR) e monômero de etileno propileno dieno (EPDM), entre outros. Esses elastômeros foram desenvolvidos para usos específicos que exigem óleos, calor e produtos químicos. Por exemplo, o SBR é comumente empregado devido à sua resistência à abrasão e sua capacidade de suportar condições adversas. O NBR pode ter um bom desempenho em condições oleosas e é adequado para uso em mangueiras e vedações de combustível. Além disso, devido à capacidade do EPDM de suportar o clima e os raios ultravioleta, ele é usado principalmente para coberturas e vedações de automóveis.
Para elastômeros sintéticos, foi registrado que o volume de construção, a reprodutibilidade e a uniformidade são maiores, o que também torna possível que as características do produto sejam ajustadas no momento da produção. A produção mundial de borracha sintética totalizou aproximadamente 15.3 milhões de toneladas métricas de receita em 2022, o que é um aumento considerável em comparação com os 13.9 milhões de toneladas registrados de borracha natural, sugerindo uma demanda maior por alternativas sintéticas nos setores automotivo e industrial.
Elastômeros sintéticos podem ter vantagens que incluem maior estabilidade térmica e química, enquanto a biodegradabilidade é classificada como maior para borrachas naturais. Ambas as borrachas são escolhidas com base na aplicação, condições ambientais e objetivos que precisam ser atendidos. Com os avanços recentes sendo feitos dentro do campo da ciência dos materiais, tanto os elastômeros naturais quanto os sintéticos foram otimizados, o que consolida sua importância dentro de múltiplas indústrias.
Principais propriedades de materiais semelhantes à borracha
As propriedades físicas e mecânicas dos elastômeros naturais e sintéticos são bastante surpreendentes. É por isso que a maioria das pessoas considera materiais semelhantes à borracha, também conhecidos como elastômeros, bastante engenhosos. Algumas das principais propriedades dos materiais semelhantes à borracha estão listadas abaixo:
Elasticidade e Flexibilidade
Simplificando, um elastômero pode ser visivelmente deformado e retornar à sua forma original quando a força é removida dele. A taxa de estiramento massiva de 500% que alguns materiais podem atingir apoia a alegação de que os elastômeros têm uma estrutura polimérica única.
Resistência à tração e durabilidade
A composição das borrachas define sua resistência à tração, que geralmente é expressa em Megapascals. Para borracha natural, esse limite geralmente fica entre 15-25 Megapascals. Enquanto isso, elastômeros sintéticos, como borracha de nitrila ou silicone, podem ser manipulados para uma gama mais ampla de requisitos mecânicos.
Resistência à temperatura
Elastômeros incluem um amplo espectro de características térmicas. Por exemplo, enquanto a borracha natural funciona muito bem em temperatura ambiente e pode funcionar a no máximo 80 graus Celsius, sintéticos como silicone podem funcionar de forma ideal mesmo acima de 230 graus Celsius e manter a flexibilidade mesmo em temperaturas abaixo de zero.
Resistência Química e a Óleo
Tanto os copolímeros NBR quanto FKM resistem ao desgaste causado por graxa, óleo e vários produtos químicos e, como tal, são utilizados em vedações e juntas industriais, enquanto a borracha natural é flexível, mas vulnerável a esse tipo de ataque.
Resistência à abrasão e ao desgaste
Há diferenças na extensão em que materiais com características semelhantes à borracha podem resistir ao desgaste. Por exemplo, a borracha natural é caracterizada por alta elasticidade, o que confere resistência adequada ao desgaste, permitindo assim que seja usada em pneus de serviço pesado para veículos e correias transportadoras, além de elastômeros de poliuretano, que apresentam melhor desempenho em ambientes abrasivos.
Isolamento elétrico e rigidez dielétrica
Muitos elastômeros de silicone e EPDM são aplicados como isolantes porque têm alta rigidez dielétrica e não quebram facilmente devido a correntes elétricas. Esses atributos facilitam o uso nos setores elétrico e eletrônico.
Estabilidade Ambiental
A borracha natural é biodegradável muito bem, enquanto a maioria dos elastômeros sintéticos são mais resistentes ao ozônio, aos raios UV e às intempéries, como a borracha EPDM, que suporta os efeitos das intempéries.
Essas propriedades e características ilustram por que os materiais que apresentam características semelhantes às da borracha são encontrados aplicação em várias indústrias, incluindo, mas não se limitando aos setores automotivo, aeroespacial, saúde e de consumo. Esses materiais são inerentemente novos, e os esforços para avançar a tecnologia e os processos de fabricação continuam.
Como os materiais semelhantes à borracha diferem de outros polímeros?
Comparando elastômeros com termoplásticos e termofixos
Cada polímero, incluindo elastômero, termoplástico e termofixo, tem variações em suas propriedades, aplicações e estruturas. Tome a borracha natural, por exemplo; sua estrutura molecular é vagamente correlacionada, o que lhe dá uma característica "borrachuda". Um material que pode ser esticado e então retornar ao seu estado original é conhecido como elástico e borrachas de silicone naturais tendem a cair nessa categoria, borrachas de silicone têm alta elasticidade.
Agora, os termoplásticos são diferentes, polietileno, poliestireno e PVC são todos exemplos de polímeros não reticulados, como resultado, sua cadeia molecular não é entrelaçada, o que, por sua vez, permite que sejam aquecidos e remodelados repetidamente sem causar nenhum dano. Essas qualidades tornam os termoplásticos ideais para extrusões e moldagem por injeção, além disso, são necessários para produtos que exigem autoclavabilidade, o que inclui peças automotivas, bens de consumo e embalagens de alimentos.
Epóxi, resinas e termofixos fenólicos também podem ser usados, mas não são usados em mais de um ciclo porque, diferentemente dos termoplásticos, os termofixos só podem ser reformados uma vez, e isso é por cura; descobriu-se que isso dá a eles uma estrutura de rede eficaz, tornando-os resistentes ao estresse térmico, o que, em resultado, lhes garante uma longa vida útil. Outros exemplos de usos seriam isolamento elétrico e componentes aeroespaciais e de construção que exigem grande resistência estrutural.
Como visto nas figuras, é evidente que elastômeros como borracha natural têm uma resistência à tração na faixa de 15 a 25 MPa, conforme descrito por alguns estudos, enquanto materiais termoplásticos como polipropileno têm o potencial de atingir valores de até 40 MPa. No entanto, é justo notar que os termofixos têm valores consideravelmente maiores e podem atingir mais de 50 MPa com a formulação correta. No entanto, os elastômeros mantêm uma vantagem, com domínio na flexibilidade, uma vez que podem ser esticados por mais de 500% antes de serem rasgados. Em contraste, outros materiais como os termofixos lutam para ultrapassar a marca de 50%.
Considerando as propriedades dadas, selecionar um polímero apropriado para o requisito da aplicação torna-se vital em relação às propriedades mecânicas, térmicas e químicas. Por exemplo, elastômeros são bem adequados para vedações e juntas, assim como termoplásticos são bem adequados para componentes leves. Em contraste, termofixos são bem adequados para áreas que exigem resistência térmica e ao calor.
Propriedades mecânicas únicas de materiais semelhantes à borracha
Elastômeros ou materiais semelhantes à borracha são classificados como um grupo separado de materiais devido à sua combinação única de propriedades mecânicas. Eles possuem elasticidade surpreendente, o que permite que sejam deformados em até 700% com uma combinação de densidade de ligante. Pode-se ver que eles têm imensa capacidade de alongamento, o que é útil para aplicações com alto grau de flexibilidade e resiliência.
Elastômeros, em comparação com termoplásticos e termofixos, exibem valores mais baixos de módulo de Young, geralmente na faixa de 0.01 a aproximadamente 10 MPa. Isso os faz perder muita rigidez, permitindo que absorvam e dissipem energia de elastômeros, tenham aplicações de alto valor de absorção de choque e isolamento de vibração e forcem as funções de densidade. Além disso, os elastômeros possuem elasticidade e estresse não lineares, o que lhes dá uma ampla gama de aplicações em um ambiente dinâmico devido à histerese e perda de energia durante o carregamento dinâmico.
Além disso, materiais como borracha exibem fortes propriedades mecânicas dentro de uma ampla faixa de temperatura. Por exemplo, a borracha vulcanizada pode suportar e permanecer resistente e flexível a uma temperatura que varia de menos quarenta a mais de 120 graus Celsius, dependendo de sua formulação. Essa propriedade é de extrema importância para aplicações automotivas e aeroespaciais.
Elastômeros têm uma capacidade excepcional de recuperar sua forma original após serem fortemente distorcidos. Essa propriedade é denominada resiliência ou taxa de resiliência; para borrachas naturais reflexivas, sua taxa de resiliência pode chegar a 70%, sugerindo a capacidade da borracha de retornar rapidamente à sua forma original após ser comprimida por uma fração de tempo. Essa característica é altamente recomendável em elementos como vedações, anéis, juntas e pneus, pois a carga mecânica será sempre retida na parte estrutural.
Alterar a formulação e atingir os parâmetros de projeto sempre incorporará elastômeros, porque eles estão entre as matérias-primas mais úteis em domínios de engenharia.
Reticulação e seu impacto na elasticidade
A reticulação modifica muito a flexibilidade dos elastômeros ao estabelecer uma rede de ligações químicas entre as densas cadeias de polímeros. Essas ligações restringem a liberdade das cadeias, permitindo que a massa seja projetada de modo que possa ser distorcida sob estresse, mas recupere sua forma após a liberação do estresse. A concentração das reticulações determina o nível de elasticidade – a densidade mais alta significa mais resistência, mas ao custo da flexibilidade, enquanto a densidade mais baixa significa mais elasticidade, mas nenhuma resistência maior. Essa decisão é crítica, pois a aplicação de elastômeros em componentes automotivos ou industriais que exigem características de desempenho específicas exige esse equilíbrio.
Quais são os tipos mais comuns de materiais semelhantes à borracha?
Borracha de silicone e suas aplicações
A borracha de silicone demonstra excelente durabilidade, flexibilidade e estabilidade térmica, o que explica seu uso generalizado em várias indústrias. Seus usos abrangem uma vasta gama, incluindo vedações, juntas e tubos nas indústrias automotiva e aeroespacial e silicone médico usado em próteses e implantes. Além disso, devido às suas propriedades não tóxicas e excelente resistência às intempéries, o silicone é comumente usado para produzir utensílios de cozinha, impermeabilização, eletrônicos e outros produtos de consumo.
Borracha EPDM: Propriedades e usos
A borracha EPDM, também chamada de Etileno Propileno Dieno Monômero, é um tipo de borracha sintética que se distingue por sua excelente resistência ao clima, UV e temperatura. Sua resiliência e flexibilidade a tornam adequada para membranas de cobertura, vedações e componentes automotivos, como mangueiras e vedações. A borracha EPDM também é estável em água e vapor e contém uma variedade de produtos químicos, aumentando seu uso nos setores industrial e de construção. Além disso, é termoplástica, o que a torna ambientalmente durável, ao mesmo tempo em que retém propriedades por um longo período de tempo, mesmo em condições adversas.
Elastômeros termoplásticos (TPEs) explicados.
Um elastômero termoplástico (TPE) pode ser descrito como um material termoplástico e elastomérico que exibe as características tanto da borracha vulcanizada quanto dos termoplásticos. Este TPE pode ser moldado por fusão e injeção e tem a capacidade de ser moldado na forma final desejada por meio de processamento de fusão a quente, extrusão ou impressão 3D.
O TPE se destaca devido à sua mistura de polímeros estirênicos ou termoplásticos, que são duros na textura, a regiões macias e elastoméricas que têm ótimas propriedades mecânicas. Com diferentes formulações em vigor, os TPEs podem ser elastômeros que têm maior resistência à tração, alta resistência ao impacto e melhor resiliência. Esses materiais são altamente versáteis, pois podem ser empregados em setores como automotivo, médico e muitos outros. Relevantes para a indústria automotiva, os elastômeros TPE podem ser implementados para instalar cabos ao redor do isolamento do veículo e facilitar sistemas de vedação flexíveis.
De acordo com os novos insights, a demanda por TPE está aumentando constantemente. O desenvolvimento de novas tecnologias de materiais e a crescente tendência dos consumidores em direção a soluções sustentáveis devem impulsionar a taxa de crescimento do mercado global de TPE (CAGR estimado) em cerca de 6%-7% nos próximos anos. Os TPEs, no entanto, também atendem a um propósito essencial na medicina, como para tubos, vedações ou mesmo wearables de curto prazo, onde biocompatibilidade e estabilizabilidade são necessárias.
Existem várias variedades de TPEs: copolímeros de bloco de estireno (SBCs), poliolefinas termoplásticas (TPOs), vulcanizados termoplásticos (TPVs) e elastômeros de copoliéster (COPEs), para citar alguns. Também há muitas aplicações para eles porque cada um tem atributos que o adequam a uma função específica. Por exemplo, TPVs, uma combinação de borrachas vulcanizadas e termoplásticos, têm o melhor uso em ambientes que exigem flexibilidade e dinamismo constantes por um período prolongado. Por outro lado, SCBs são comparativamente mais macios e fáceis de trabalhar, então itens de consumo os usam extensivamente.
Os materiais acima não são apenas essenciais em seus atributos de desempenho ou adaptabilidade, mas também são muito sustentáveis, podendo atender aos requisitos em constante mudança das indústrias da nova era.
Como materiais semelhantes à borracha são usados em vários setores?
Aplicações automotivas de elastômeros
Elastômeros são materiais essenciais no domínio automotivo e suas aplicações extensivas são acompanhadas por alta repetibilidade também. Devido à sua excelente elasticidade, resistência às intempéries e propriedades mecânicas, elastômeros são usados em uma variedade de peças automotivas, incluindo, mas não se limitando a, vedações, juntas, mangueiras e isoladores de vibração.
Um bom exemplo incluiria borracha assimétrica de monômero de etileno propileno dieno (EPDM), que é tipicamente usada em vedações contra intempéries e aplicações relacionadas e que deve fornecer bom desempenho de vedação entre diferentes limites de pressão e temperatura. Além disso, elastômeros termoplásticos (TPEs) são usados em painéis de toque suave, tapetes antiderrapantes e muitos outros elementos internos, dando ao carro um melhor apelo interior. Elastômeros de silicone também podem ser usados em motores turbo para mangueiras ou juntas de turbocompressor, mas somente quando for necessária resistência ao calor muito alta.
Estatísticas sobre o uso global de elastômeros indicam um aumento na indústria automotiva. A indústria global de elastômeros gerou mais de US$ 70 bilhões em 2021, com o setor automotivo tendo uma grande participação devido ao aumento na fabricação de veículos elétricos. Além disso, o uso de compósitos avançados como materiais elastoméricos leves reduziria o peso dos veículos, um parâmetro essencial para aumentar a eficiência energética do veículo e reduzir as emissões.
A adoção de elastômeros foi ainda mais encorajada pela melhoria das formulações de elastômeros. Por exemplo, o desenvolvimento de elastômeros de alto alongamento e baixa compressão de conjunto de rolamentos deslizantes Jenkins em sistemas de suspensão e suportes de motor é aprimorado. Tais avanços resultam em maior conforto de condução e atenuação de ruído, ao mesmo tempo em que prolongam a vida útil, demonstrando assim o lugar vital que os elastômeros ocupam na engenharia automotiva.
Materiais semelhantes à borracha em vedações e juntas
Os setores automotivo, de aerossol e de engenharia médica utilizam elastômeros para vedações e juntas; esses materiais são essenciais para seu desempenho. Isso ocorre porque o material em questão permanece flexível, ainda retém um nível de resiliência e mantém a capacidade de vedar sob condições extremas. Borracha nitrílica (NBR), monômero de etileno propileno dieno (EPDM), borracha de silicone e fluorocarbono (Viton®) são amplamente empregados devido à sua capacidade de resistir a óleos, produtos químicos e mudanças de temperatura.
Em comparação, o NBR é amplamente preferido em aplicações de vedação de óleo e combustível por sua excelente resistência à abrasão e ao óleo. Em contraste, o EPDM tem muitas aplicações em áreas sujeitas ao envelhecimento e à exposição a UV e ozônio. Devido à sua estabilidade em altas e baixas temperaturas, a borracha de silicone parece ser a escolha de material preferida para aplicações de vedação com faixas de baixas e altas temperaturas. Notavelmente, os elastômeros de fluorocarbono mostram resistência química e ao combustível excepcional e são frequentemente usados em juntas para motores e outros equipamentos expostos a produtos químicos agressivos e substâncias à base de petróleo.
Materiais recentes têm se voltado para aqueles que exigem maior alongamento de componentes, conjunto de compressão e resistência à tração. Como exemplo, observou-se que formulações de EPDM duram muito tempo quando submetidas a altas temperaturas de vapor e água de até 150 graus centígrados, e juntas de silicone funcionam bem em faixas de temperatura entre -50 e 250 graus centígrados. Esses materiais também atendem a vários requisitos regulatórios, como REACH e RoHS, que são necessários em uma configuração industrial.
Também houve avanços na indústria de elastômeros como resultado dos avanços na fabricação de elastômeros, bem como processos de extrusão LIM e automatizados, que permitiram a criação de vedações complexas e vedações com cortes altamente precisos. Além disso, a nanotecnologia evoluiu elastômeros híbridos, que incluem enchimentos de estabilidade térmica e de tração, como o negro de fumo, que estendem a vida útil enquanto aplicam apenas desgaste mínimo na correia da junta. Todos os últimos desenvolvimentos mencionados nos parágrafos anteriores indicam que o poder de vedação e os materiais da junta se adaptam ao ambiente de engenharia moderno.
Impressão 3D com materiais elastoméricos
A fabricação de dispositivos vestíveis, juntas de vedação e elementos de amortecimento, por exemplo, materiais elastoméricos impressos em 3D, é devida a indústrias como automotiva, de saúde e bens de consumo. Isso foi possível devido a formulações de materiais aprimoradas e tecnologias de impressão 3D compatíveis. Essas tecnologias permitem a prototipagem rápida e a criação de estruturas complexas, como vedações personalizadas, ao mesmo tempo em que oferecem uma vantagem ao aumentar o desempenho por ter aplicações especificamente adaptadas.
Quais são as vantagens de usar materiais semelhantes à borracha?
Benefícios de elasticidade e flexibilidade
Na minha experiência com materiais semelhantes à borracha, vi suas propriedades elásticas e flexibilidade, que servem a grande utilidade. Tais materiais podem ser esticados e dobrados além de um limite considerável sem o risco de danos permanentes, tornando-os bem adequados para propósitos dinâmicos. Eles também demonstram bom amortecimento e estabilidade, garantindo desempenho confiável em condições desafiadoras.
Resistência à compressão e durabilidade.
Materiais feitos de borracha mantêm uma resistência à compressão relativamente alta, que é a tendência do material de promover estresse compressivo contínuo. Essa propriedade garante que painéis, vedações, juntas e tais componentes feitos desses materiais não percam sua forma e funcionalidade ao longo do tempo e quando submetidos a distorções em comparação a outros materiais. A borracha de silicone, por exemplo, pode ter valores de compressão na faixa de 15-20% sob condições de teste padrão, proporcionando assim longa vida útil em aplicações de vedação, mesmo quando submetida a condições severas de temperatura.
Esses materiais também são projetados especificamente para durar em condições severas. Um material bem conhecido é a borracha EPDM, que pode ser exposta às intempéries, aos raios UV e ao ozônio e usada ao ar livre por um longo período. A maioria dos estudos também indicou que os materiais EPDM podem reter suas propriedades elásticas e estruturais por mais de vinte e cinco anos de exposição ambiental normal. Esse desempenho incrível torna os materiais semelhantes à borracha a espinha dorsal de projetos que exigem alta confiabilidade. Essas indústrias incluem automotiva, aeroespacial, marítima e construção. Sua relação custo-benefício em aplicações de alto desempenho se deve à sua excelente resistência mecânica e resiliência.
Propriedades ergonômicas e de toque suave
O conforto do usuário e a função do produto são, sem dúvida, cruciais em vários setores. No entanto, aspectos como propriedades ergonômicas e de toque suave são de extrema importância para atingir essa funcionalidade. Elastômeros de silicone e termoplásticos (TPEs) estão atualmente em demanda, pois podem atender melhor às necessidades de todos. Pesquisas indicam que esses materiais geralmente apresentam uma faixa de dureza Shore de 20 A a 80 A. É uma faixa de desenrolamento muito ampla, ideal para itens que devem ser suficientemente flexíveis e, ainda assim, adequadamente sustentáveis. Recursos antiderrapantes e táteis os tornam úteis em produtos de costura, como empunhaduras de ferramentas, instrumentos médicos e telefones celulares.
Por exemplo, ergonomia são todas ferramentas de toque suave, e elas também tendem a atingir um aumento de até 30% na produtividade por meio de uma diminuição na fadiga da mão durante seções repetidas que acionam seu uso, por exemplo. Isso é possível ao mitigar pontos de pressão e até mesmo distribuição de força pela área contatada. O que é ainda mais impressionante é que os elastômeros não cedem independentemente de estar extremamente frio ou quente, por exemplo, -40 graus Celsius a 200 graus Celsius; a faixa de temperatura operacional depende inteiramente da formulação em uso. Todos esses recursos serão benéficos não apenas para melhorar a satisfação do usuário, mas também para dar suporte a uma extensão da vida útil e durabilidade do produto orientada para usuários finais em particular e mercados comerciais em geral.
Como você seleciona o material semelhante à borracha certo para seu projeto?
Avaliação de propriedades de materiais para aplicações específicas
Ao trabalhar com materiais elastoméricos para certas aplicações, certas propriedades do material devem ser priorizadas e listadas em termos de suas condições operacionais e ajuste para a aplicação. A seguir está uma lista de propriedades e as características necessárias para elas:
Dureza (Shore A/D)
Esta propriedade indica a capacidade do material de suportar forças e sua deformação para determinar a suscetibilidade das borrachas ao desgaste.
Os elastômeros geralmente variam entre A Shore 20-90 e D Shore 30-70.
Resistência à tração (MPa ou psi)
A tensão máxima que um material pode suportar antes que ocorra qualquer quebra também é conhecida como resistência à tração.
As especificações para materiais semelhantes à borracha variam entre 5 MPA e 25 MPA ou 725 psi e 3625 psi.
Alongamento na ruptura (%)
A capacidade de um material sofrer deformação e manter sua forma estrutural permite aumentar a porcentagem de quebra.
Com base na formulação, a maioria dos elastômeros tem entre 100 e 700 por cento.
Conjunto de compressão (%)
A capacidade do material de restaurar sua espessura original mesmo após sofrer uma força de compressão por um longo período de tempo é determinada pela porcentagem de deformação permanente.
5 a 30 por cento é normalmente uma porcentagem baixa de deformação por compressão que os materiais ideais possuem.
A resistência ao rasgo (N/mm ou lb/pol) é uma propriedade essencial para avaliar a durabilidade de materiais emborrachados.
Quantifica o quanto o material pode resistir a cortes ou rasgos causados pela propagação.
A resistência ao rasgo das composições padrão está entre 10 N/mm e 50 N/mm. Mais de 50 N/mm é raro.
Estabilidade térmica
É determinado como a faixa de temperatura na qual o elastômero pode ser exercido sem qualquer falha de desempenho.
Para elastômeros de alto desempenho, os extremos típicos estão entre -40 graus centígrados, que é igual a -40 graus Fahrenheit, e uma faixa superior de 200 graus centígrados, ou igual a 392 graus Fahrenheit.
Resistência química
Testa a substância para verificar se ela resistirá a óleos, combustíveis, solventes e outros produtos químicos.
Escolha materiais que sejam resistentes aos produtos químicos específicos que estarão presentes na sua aplicação.
Resistência ao Envelhecimento
Teste os polímeros em condições desfavoráveis, como luz UV, umidade, ozônio, etc., para determinar a durabilidade do desempenho ao longo do tempo.
Escolha elastômeros que tenham aditivos de envelhecimento porque eles terão uma vida útil mais longa.
Resistência à abrasão
Determina até que ponto um material pode resistir ao desgaste devido às forças de atrito.
Ao lidar com um ambiente de alto desgaste, espere que o instalador use materiais com classificação de resistência à abrasão maior do que a classificação média.
Densidade
Tudo significa que a densidade de um material, em g/cm3, afeta o peso total de um produto de acordo.
Materiais semelhantes à borracha normalmente têm valores de densidade entre 0.9 g/cm3 e cerca de 1.5 g/cm3.
Todas essas propriedades devem ser consideradas, pois elas ditam quais materiais atenderão melhor à aplicação dada, o melhor trade-off entre desempenho e custos e durabilidade. Algumas características, como formulações incomuns, podem precisar de corroboração além de folhas de dados ou testes de laboratório.
Considerando fatores ambientais e resistência química
Para garantir a sustentabilidade e eficácia de um item, os materiais usados em várias aplicações devem ser examinados minuciosamente quanto aos seus aspectos ambientais e sua resistência a uma variedade de produtos químicos voláteis. Os aspectos ambientais incluem radiação UV, temperaturas extremamente altas ou baixas e umidade, que são conhecidas por deteriorar os materiais com o tempo. A resistência química se refere à capacidade do material de não se decompor após a exposição a certos produtos químicos, como ácidos, bases ou mesmo solventes.
Problemas como esses podem ser resolvidos por meio da simulação de condições operacionais apropriadas e testes dos materiais. Por exemplo, elastômeros de silicone têm alta resistência a UV e variação de temperatura e, portanto, podem ser usados em muitas aplicações externas. Em outros casos, materiais como borracha natural têm baixa resistência a certos produtos químicos ou luz solar direta, por isso se degradam rapidamente. Padrões de teste da indústria, como ASTM D471 para permeação química ou gráficos para compatibilidade de materiais, podem ajudar a mitigar decisões informadas muitas vezes.
Equilibrando custo e desempenho na seleção de materiais
Selecionar material apropriado dentro de um orçamento específico e com a melhor relação desempenho-necessidades operacionais envolve avaliar requisitos de longo e curto prazo, que acumulam consideração de custo significativa. Em tal cenário, os principais critérios de seleção de material incluem custos de manutenção, funcionalidade e durabilidade do material. Frequência de substituição reduzida, tempo de inatividade operacional reduzido e relação desempenho-custo superior são todas possibilidades devido à seleção eficiente de material. Técnicas de redução de custo, como desenvolver análises de custo-benefício e usar padrões de engenharia ou dados do fabricante, ajudam a garantir que as decisões logísticas sejam tomadas sem comprometer a relação desempenho-custo.
Quais são as últimas inovações em materiais semelhantes à borracha?
Avanços na ciência dos materiais para elastômeros
Muitos desenvolvimentos no campo de elastômeros impulsionaram o desempenho, ampliando o escopo de possíveis aplicações em muitas indústrias. Elastômeros termoplásticos (TPEs) são uma dessas inovações, possuindo características tanto de termoplástico quanto de elastômero. Eles têm um potencial muito maior para reciclagem e são menos prejudiciais ao meio ambiente do que outros materiais porque podem ser processados termoplasticamente por meio de moldagem por injeção ou extrusão.
Além disso, a chegada de produtos elastômeros preenchidos com grafeno alterou o mundo dos materiais. A combinação de resistência incomparável, condução de calor e estabilidade química do grafeno aumenta o desgaste e a resistência térmica dos elastômeros, tornando-os adequados para uso em condições adversas, como aeroespacial e pneus de alto desempenho. Os compósitos de grafeno, por exemplo, demonstraram, em comparação com elastômeros convencionais, um aumento na resistência à tração de 200-300%.
Há também tendências interessantes acompanhadas pelo surgimento de elastômeros de base biológica, à medida que pesquisadores começam a abordar alternativas ecologicamente corretas que são originadas de matérias-primas renováveis. A capacidade de biodegradar elastômeros de base biológica que contêm borracha natural ou materiais de origem vegetal os torna adequados para as indústrias automotiva e médica, resultando em uma pegada de carbono menor.
As novas aplicações de elastômeros que atendem às demandas da indústria moderna por eficiência, sustentabilidade e alto desempenho como resultado do avanço na fabricação de aditivos para lubrificantes, particularmente a impressão 3D de componentes elastoméricos, fornecem novas e extensas oportunidades de design. Os processos de impressão 3D de borracha de silicone líquido (LSR) se destacam dos demais devido às geometrias complexas, fabricação de componentes de alta potência para dispositivos médicos, vedações personalizadas ou tecnologias vestíveis. Essas tendências expandem muito os limites da indústria de adesivos.
Materiais inovadores e responsivos semelhantes à borracha
Materiais que eram considerados não confiáveis no passado agora estão sendo avançados para uso na medicina. Essa nova tecnologia é auxiliada pelo uso de partículas semelhantes à borracha que reagem à luz, eletricidade, calor ou campos magnéticos. Esses materiais desempenham um papel importante na área da saúde e aviação, pois são muito versáteis.
Materiais de borracha moldados em elastômeros de automemória ou SMEs são capazes de expandir suas estruturas devido a mudanças na temperatura. Essas estruturas podem ser usadas como stents ou cateteres, pois exigem uma quantidade mínima de esforço para reestruturação e podem ser facilmente controladas. Além de ter uma alta taxa de recuperação de mais de 95%, elas podem ser reutilizadas.
Elastômeros de polímero eletricamente condutores se destacam dos demais. Eles são ótimas alternativas a outros produtos, pois podem substituir partes de telas sensíveis ao toque, sensores e até mesmo roupas. Ao usar nanotubos de carbono ou grafeno, podeers em materiais elásticos, esses elastômeros podem esticar até 500 por cento, permanecendo condutores a 10³ S/m, aumentando assim a durabilidade e a eficiência dos eletrônicos em grande parte.
Elastômeros que são magneto e eletro-responsivos demonstram versatilidade com a capacidade de alterar suas propriedades mecânicas quando submetidos a um campo magnético ou elétrico. Elastômeros magnetorreológicos, por exemplo, MREs, mostram uso potencial como amortecedores de vibração automotivos e industriais com o uso de um campo magnético para exercer até 60% de mudança em seu módulo dinâmico.
Além disso, os desenvolvimentos em relação aos elastômeros estabilizados por hidrogel conquistaram novos domínios no reino da bioengenharia e da robótica suave. Esses materiais são especialmente formulados com retenção de umidade aprimorada, maior resistência mecânica úmida e seca e maior biocompatibilidade com híbridos de hidrogel-elastômero recentemente desenvolvidos, tendo a capacidade de atingir até 80% de recuperação de forma após deformação devido à alta carga de tração. Tal característica é amplamente complementada por seu uso em sistemas musculares sintéticos e pinças suaves, pois exigem o uso de materiais firmes, mas flexíveis.
Em geral, novos materiais responsivos semelhantes à borracha estão aprimorando e, em alguns casos, revolucionando as diversas dinâmicas tecnológicas por meio de sua facilidade de uso e atendendo às necessidades de determinados campos da engenharia e do design, ao mesmo tempo em que levam em consideração a sustentabilidade ambiental.
Opções elastoméricas sustentáveis e ecológicas
Elastômeros sustentáveis e verdes buscam atingir um equilíbrio entre desempenho e respeito ao meio ambiente. Elastômeros de base biológica são uma nova tecnologia neste espaço, que se concentra no uso de materiais sustentáveis, como borracha natural e óleo vegetal. Esses materiais diminuem a dependência de fontes não renováveis e geralmente têm características mecânicas semelhantes às de outros materiais. Além disso, a pesquisa sobre tecnologias de reciclagem de elastômeros torna os materiais de sucata reutilizáveis, o que reduz o desperdício de materiais e garante que os materiais sejam reciclados de forma ambientalmente sustentável. Elastômeros termoplásticos (TPEs) são outra opção viável e ecologicamente correta, pois podem ser refeitos e remodelados repetidamente, ao contrário dos elastômeros termoendurecíveis tradicionais. Todos esses métodos, em essência, se alinham com o zile global de redução de emissões, desperdício de recursos e produção de materiais linearmente.
Perguntas Frequentes (FAQs)
P: O que são elastômeros e de que maneiras eles são diferentes de outros materiais?
R: Elastômeros tendem a ser materiais que se comportam como borracha e têm a propriedade de serem deformados sob estresse, retornando à sua forma original quando o estresse é removido. O que distingue os elastômeros de outras substâncias é sua vasta capacidade de serem elásticos, flexíveis e duráveis. Além disso, os elastômeros são compostos de longas cadeias de polímeros, que auxiliam na deformação e recuperação, exibindo assim elasticidade semelhante à borracha e as propriedades de materiais macios.
P: Quais são os vários tipos de elastômeros?
R: Atualmente, existem alguns tipos bem documentados de elastômeros; no topo da lista estão as borrachas naturais, também conhecidas como látex, seguidas pelas borrachas sintéticas da classe de borracha de etileno propileno, borrachas de silicone, poliuretanos e elastômeros termoplásticos. Cada tipo de elastômero possui características diferentes; portanto, eles podem ser usados em uma ampla variedade de aplicações. Isso inclui peças de automóveis, dispositivos médicos e uma ampla gama de bens de consumo.
P: Quais são os efeitos do alongamento elástico no desempenho dos elastômeros?
R: Uma das principais características dos elastômeros é que eles são abundantes e podem ser esticados sem quebrar; essa propriedade é chamada de alongamento. Outra medida crucial de qualquer elastômero é o alongamento na ruptura, que fornece insights sobre a flexibilidade e durabilidade do polímero que está sendo analisado. A tendência geral é que polímeros com altas taxas de alongamento seriam capazes de suportar uma quantidade maior de deformação antes de falhar, o que os torna ideais para uso em aplicações que exigem extrema flexibilidade ou alongamento repetitivo.
P: O que é viscoelasticidade e sua importância em elastômeros?
R: Vários elastômeros apresentam viscoelasticidade, que combina suas propriedades em uma característica. Isso significa que os elastômeros apresentam tensão ao longo do tempo quando cortados ou tensionados, pois são materiais viscoelásticos. A resposta dos elastômeros como materiais viscoelásticos altera muitos de seus parâmetros de material, como seu módulo e viscosidade, o que por sua vez afeta seu desempenho sob diferentes condições de carga.
P: Discuta como os elastômeros se comportam quando expostos a diferentes estressores.
R: Ao olhar para elastômeros em termos de comportamento do material, eles demonstram diferentes características e respostas estruturais a diferentes tensões, como tensão de compressão, tração ou cisalhamento. Essa tensão pode fazer com que os elastômeros se deformem muito sem um efeito permanente, pois sua energia absorve seu módulo (rigidez), densidade de energia de deformação e capacidades de dissipação de energia. Além disso, as propriedades elásticas de materiais semelhantes à borracha dependem fortemente do módulo de cisalhamento.
P: Quais aspectos impactam o nível de dureza dos elastômeros?
R: A composição da cadeia do polímero, a densidade de reticulação e os polímeros incluídos afetam os elastômeros de várias maneiras. A dureza dos elastômeros é mais frequentemente medida em escalas Shore A e Shore D padronizadas, que são importantes para os elastômeros por muitas razões da perspectiva de sua utilização em várias áreas. O alongamento dos elastômeros é inversamente proporcional à dureza, ou seja, quanto mais difícil se torna mudar a forma da deformação que o elastômero assume.
P: Como os elastômeros funcionam nas fases de prototipagem dos produtos?
R: Em particular, a impressão 3D PolyJet permite a produção de peças mais elastoméricas ou menos elastoméricas, de acordo com os requisitos de um componente elastomérico específico. Portanto, designers e engenheiros podem alterar convenientemente seus designs e fazer protótipos com melhor funcionamento, pois podem criar protótipos com elastômeros que se comportam como os elastômeros de produção final quando usados no design. Esses componentes baseados em elastômeros são frequentemente peças impressas em 3D que ajudam a agilizar a produção e auxiliam na prototipagem rápida.
P: Por que é essencial que os elastômeros sejam quimicamente resistentes?
A: Vários elastômeros as aplicações têm a propriedade de ser resistente a produtos químicos. Vale mencionar que diferentes elastômeros tendem a ter vários níveis de resistência química a solventes, óleos e muitos outros produtos químicos. Essa característica impacta a resistência geral do material e suas aplicações. Por exemplo, certos solventes podem fazer com que alguns elastômeros inchem ou percam algumas de suas propriedades. Em contraste, outros não oferecem nenhuma degradação razoável e, portanto, são versáteis, pois permitem a aplicação em locais quimicamente hostis.
P: De que maneira os elastômeros explicam suas diferentes temperaturas?
R: A temperatura é um fator importante no comportamento dos elastômeros. À medida que a temperatura diminui, a maioria dos elastômeros experimenta um enrijecimento e perda relativa de ductilidade conhecida como transição vítrea, enquanto em temperaturas mais altas, eles tendem a ser amolecidos e, em alguns casos, amolecidos tanto que são destruídos. Para outros elastômeros, a temperatura operacional varia e, para aplicações variadas, essa característica desempenha um papel importante na seleção de elastômeros, especialmente aqueles para ambientes hostis.
P: Descreva as aplicações reais dos elastômeros e compartilhe algumas tendências emergentes em seu desenvolvimento e aplicação.
R: Algumas das tendências emergentes no desenvolvimento de elastômeros são a formação de elastômeros inteligentes que podem fornecer uma resposta a um estímulo ou pressão externa, elastômeros auto-reparadores que reparam danos e elastômeros de base biológica que utilizam recursos renováveis. Há também um potencial maior para elastômeros em robótica suave, eletrônicos vestíveis e dispositivos médicos mais avançados. Tais desenvolvimentos estão realmente ultrapassando as fronteiras de novas possibilidades com materiais semelhantes à borracha em vários setores.
Fontes de Referência
1. Grandes deformações elásticas isotrópicas: sobre um modelo geral para a fusão de teoria e experimentos em materiais incompressíveis semelhantes à borracha
- Autor: Afshin Anssari-Benam
- Revista: Revista de Elasticidade
- Ano de publicação: 17 de janeiro de 2023
Principais conclusões:
- Um modelo integrativo está sendo desenvolvido para unir dados experimentais com previsões teóricas sobre materiais incompressíveis semelhantes à borracha, com ênfase especial em grandes deformações elásticas isotrópicas.
Metodologia:
- O autor construiu um modelo e então testou sua validade por meio de modelagem experimental avaliando os polímeros semelhantes à borracha sob diferentes regimes de carga (Anssari-Benam, 2023, pp.).
2. Um modelo de dano elástico de um material semelhante à borracha que leva em consideração a deformação finita: teoria e implementação de algoritmo
- Autores: Zhenjiang Du et al.
- Diário: Acta Mechanica Sinica
- Data de publicação: 1 de março de 2023
Principais conclusões:
- Este artigo apresenta um novo modelo para dano visco-hiperelástico de deformação finita. O modelo captura o comportamento dependente do tempo de materiais semelhantes à borracha e explica seu desempenho mecânico sob carga dinâmica.
Metodologia:
- Os autores derivaram o modelo dos princípios da termodinâmica e o aplicaram numericamente para estimar o comportamento de materiais semelhantes à borracha submetidos a diferentes condições de deformação.Du et al., 2023, págs. 1–8).
3. Um modelo pseudo-hiperelástico que leva em consideração os efeitos de taxa para materiais isotrópicos semelhantes à borracha
- Autores: Afshin Anssari-Benam, M. Hossain
- Revista: Revista de Mecânica e Física dos Sólidos
- Data de publicação: 1 de junho de 2023
Principais conclusões:
- A análise introduz um modelo pseudo-hiperelástico que considera os efeitos de taxa e explica a dependência de materiais semelhantes à borracha em várias taxas de carga.
Metodologia:
- Os autores desenvolveram o modelo usando resultados empíricos e realizaram simulações para testar sua aplicabilidade a materiais semelhantes à borracha em diferentes taxas de deformação (Anssari-Benam & Hossain, 2023).
