Avanços na composição de borracha aumentam a vulcanização

Imagine a borracha natural comum transformando-se em um material de alto desempenho através de processos de mistura sofisticados, tornando-se a base para produtos de borracha premium. A ciência por trás dessa transformação é mais intrincada do que parece. Este artigo aprofunda a relação matizada entre as técnicas de mistura de borracha e as características de vulcanização, revelando o código oculto por trás do desempenho superior da borracha.

A vulcanização é o passo fundamental no processamento da borracha, determinando as propriedades finais dos produtos de borracha. As técnicas de mistura influenciam significativamente os resultados da vulcanização, alterando parâmetros-chave, como o tempo e a taxa de vulcanização, que, em última análise, afetam a durabilidade, a resistência à tração e a elasticidade do produto. Para investigar como os métodos de mistura afetam as características de vulcanização da borracha natural, conduzimos uma série de experimentos rigorosos.

O estudo comparou quatro métodos de mistura distintos, cada um controlando meticulosamente as sequências e durações de mistura para descobrir com precisão seus efeitos nas propriedades de vulcanização.

• Método 1: Mistura em Uma Etapa - A borracha natural passou por 5 minutos de mastigação antes que todos os aditivos de borracha e negro de carbono N330 fossem adicionados simultaneamente. Essa abordagem direta avaliou o impacto da mistura em uma etapa na vulcanização.
• Métodos 2 e 3: Abordagens com Preenchimento Primeiro - Ambos os métodos começaram com 1 minuto de mastigação da borracha antes de adicionar negro de carbono e produtos químicos de borracha simultaneamente. A principal diferença residia nos tipos de cargas utilizadas, permitindo a análise de como diferentes cargas influenciam a vulcanização.
• Método 4: Adição Sequencial - Após 3 minutos de mastigação, produtos químicos de borracha e negro de carbono foram adicionados em etapas. O negro de carbono foi introduzido em duas fases (10 partes inicialmente, seguidas por 40 partes com óleo), permitindo o controle preciso da incorporação da carga para otimizar a vulcanização.

O estudo investigou ainda como a variação da proporção de negro de carbono adicionado em cada etapa (proporções de 20:30, 30:20 e 40:10) afetou os resultados da vulcanização.

Os resultados demonstraram que os métodos de mistura influenciam significativamente as características de vulcanização, com a técnica de incorporação de negro de carbono emergindo como o fator mais crítico. Temperaturas de mistura mais altas reduziram o tempo e a taxa de vulcanização, enquanto o aumento das temperaturas de vulcanização acelerou o processo. Tamanhos de partículas de negro de carbono menores também levaram a tempos de vulcanização mais curtos e taxas mais altas.

As características de vulcanização servem como indicadores vitais das taxas de reação e do desempenho do produto. Múltiplos métodos analíticos monitoram essas reações, incluindo radiação infravermelha de onda curta, ultrassom online, espalhamento de nêutrons a baixo ângulo (SANS) e ressonância magnética nuclear (RMN). A calorimetria diferencial de varredura (DSC) também é amplamente utilizada em estudos de vulcanização.

Apesar dessas técnicas avançadas, os reômetros continuam sendo o padrão da indústria para observar a cinética de vulcanização por meio de curvas torque-tempo (reogramas). Esses instrumentos ajudam a determinar as formulações ideais de borracha, avaliando como as sequências de mistura e as interações das cargas afetam o comportamento da vulcanização.

O estudo processou borracha natural com aditivos e cargas de reforço a 60°C, seguindo rigorosamente as sequências e o tempo de mistura predeterminados. Quatro grupos de amostras (A-D) foram preparados usando métodos distintos de incorporação de negro de carbono. A amostra D, que introduziu negro de carbono antes dos produtos químicos de borracha, exibiu valores de torque máximo mais altos do que outras amostras, sugerindo uma interação borracha-carga superior quando as cargas permanecem não contaminadas por produtos químicos de processamento.

Os dados revelaram que tempos de mastigação prolongados amoleceram os compostos de borracha, reduzindo os valores de torque máximo. A sequência de adição de produtos químicos provou ser crucial - as amostras que adicionaram enxofre antes do acelerador TBBS mostraram vulcanização mais lenta do que aquelas que os incorporaram juntos. Partículas de negro de carbono menores criaram áreas de superfície maiores para a adsorção de borracha, aumentando o teor de borracha ligada e os valores de torque.

Ao contrário das expectativas, a adição precoce de negro de carbono não aumentou o torque máximo, apesar de promover uma melhor dispersão. Esse paradoxo foi resolvido analisando o tempo e a taxa de vulcanização por meio de cálculos especializados. Os resultados mostraram que a incorporação anterior de negro de carbono reduziu o tempo de vulcanização, aumentando a taxa, pois as partículas finamente dispersas atuaram como catalisadores superiores.

Estudos de temperatura demonstraram que, embora temperaturas de vulcanização mais altas acelerassem as reações, temperaturas de mistura elevadas às vezes reduziam a eficácia, diminuindo a viscosidade da borracha e as forças de cisalhamento, levando a uma dispersão mais pobre do negro de carbono.

A pesquisa fornece aos fabricantes informações acionáveis para otimizar o processamento da borracha. Ao selecionar cuidadosamente as sequências de mistura, os tipos de cargas e as temperaturas de processamento, os produtores podem controlar com precisão as características de vulcanização para atender aos requisitos específicos do produto.