O que a borracha mista realmente significa na produção
Borracha mista é um elastômero bruto que foi combinado mecanicamente com cargas, óleos, curativos e outros aditivos químicos até formar um composto único e homogêneo pronto para extrusão, calandragem ou moldagem. O termo abrange a produção final da fase de composição, e não o polímero bruto em si. Um fardo de borracha natural ou um tambor de SBR ainda não é utilizável numa fábrica; ele só se torna um material viável quando o negro de fumo, a sílica, os plastificantes, os antioxidantes, os aceleradores e o enxofre forem dispersos uniformemente através da matriz polimérica em uma linha de mistura.
Os compradores que procuram borracha mista geralmente procuram uma de três coisas: um fornecedor de estoque composto pronto, orientação sobre a construção de uma linha de mistura interna ou uma imagem mais clara de como a qualidade do composto é controlada antes de chegar ao processamento posterior. Este artigo aborda todos os três, começando com a mecânica da mistura e passando pela formulação, controle de qualidade, defeitos comuns e seleção de qualidade.
O principal equipamento por trás da maior parte da produção de borracha mista é o moinho de mistura de borracha , às vezes combinado com um misturador interno para execuções de lotes maiores. Compreender como essa máquina funciona é a maneira mais rápida de entender por que a qualidade dos compostos varia tanto entre os fornecedores.
O processo de mistura em duas etapas por trás de cada lote
A composição industrial quase nunca acontece em uma única passagem. São utilizados dois estágios distintos porque os ingredientes adicionados no início do ciclo se comportam de maneira muito diferente daqueles adicionados perto do final.
- Estágio de masterbatch. Polímero bruto, cargas de reforço como negro de fumo ou sílica, óleo de processo e produtos químicos de proteção são combinados primeiro, normalmente em um misturador interno (tipo Banbury). Este estágio gera alto cisalhamento e pode atingir temperaturas de câmara acima de 130 a 150 graus Celsius, o que é bom para enchimentos, mas destruiria os curativos sensíveis ao calor.
- Etapa final de mixagem. O masterbatch resfriado é transferido para um moinho de mistura de borracha aberto de dois rolos, onde o enxofre, os aceleradores e os ativadores são dobrados em temperaturas muito mais baixas, geralmente mantidas próximas de 50 a 70 graus Celsius, para evitar a vulcanização prematura, comumente chamada de queima.
Algumas operações menores e lotes de laboratório ignoram totalmente o misturador interno e executam todo o ciclo em um moinho aberto. Isso mantém o custo do equipamento baixo e dá ao operador controle visual direto sobre o banco de laminação, uma das razões pelas quais os moinhos abertos continuam comuns em fábricas de médio porte, embora os misturadores internos dominem a produção de pneus e mangueiras industriais em grandes volumes.
Para altas cargas de carga, algumas formulações são divididas em duas ou até três passagens de masterbatch antes da mistura final. A regra geral é que quanto mais negro de fumo ou sílica uma formulação contém, mais estágios de mistura são necessários para obter uma dispersão uniforme.
Dentro de um moinho misturador de borracha: velocidade do rolo, taxa de atrito e controle de aperto
Um moinho misturador de borracha consiste em dois rolos de aço em rotação contrária montados horizontalmente. Os rolos nunca giram exatamente na mesma velocidade. Essa incompatibilidade deliberada de velocidade, chamada taxa de atrito, é o que realmente faz o trabalho de mistura.
| Parâmetro | Faixa Típica | Efeito na mixagem |
|---|---|---|
| Taxa de atrito | 1:1,1 a 1:1,4 | Uma proporção mais alta aumenta o cisalhamento e o acúmulo de calor |
| Folga entre rolos | 2 a 20 mm, geralmente 2 a 8 mm durante a mistura | Uma lacuna menor proporciona uma mistura mais uniforme e um rendimento mais lento |
| Velocidade da superfície do rolo frontal | Aproximadamente 16 a 19 m por minuto em moinhos de produção | Define o tempo de ciclo do lote para um determinado comprimento de rolo |
| Temperatura da superfície do rolo | 50 a 70 graus Celsius durante a adição curativa | Mantido baixo para evitar queimaduras quando o enxofre é adicionado |
| Dureza do rolo | Ferro fundido resfriado, aproximadamente 68 a 75 HRC | Resiste ao desgaste causado por cargas abrasivas durante uma longa vida útil |
O composto sempre envolve o rolo dianteiro mais lento, em vez do rolo traseiro mais rápido. Isso é um resultado deliberado da taxa de atrito e é o que permite ao operador cortar, dobrar e realimentar o banco rolante manualmente em moinhos menores ou por meio de lâminas de corte automatizadas em linhas de produção maiores. Canais de água ou óleo que passam pelos rolos ocos dão ao operador controle direto sobre a temperatura do estoque , o que é mais importante do que quase qualquer outra variável, uma vez que os curativos estão no lote.
Por que a taxa de atrito não pode ser definida muito alta
É tentador assumir que uma taxa de fricção mais elevada sempre acelera a mistura, mas a relação não é linear quando os curativos estão presentes. Uma proporção ultrapassada de aproximadamente 1:1,4 gera calor de fricção suficiente para desencadear a reticulação precoce em compostos curados com enxofre, arruinando o lote antes mesmo de chegar à prensa. Portanto, os moinhos construídos para a mistura final geralmente funcionam na extremidade inferior da faixa, enquanto os misturadores internos do estágio masterbatch podem tolerar cisalhamento mais agressivo porque ainda não há curativos presentes.
Dimensionando um moinho de mistura de borracha para o volume do seu lote
Os compradores que avaliam um moinho misturador de borracha pela primeira vez quase sempre subestimam o quanto o comprimento do rolo afeta a produção diária. A capacidade do lote não é simplesmente uma função do diâmetro do rolo; ele é determinado pelo comprimento de trabalho dos rolos, pelo tamanho do banco que um operador pode manter com segurança no nip e por quantos ciclos de corte e dobra a formulação requer antes de atingir a dispersão desejada.
Como guia de planejamento geral, um pequeno moinho de laboratório com rolos de 150 a 200 mm de diâmetro lida com lotes na faixa de 1 a 5 quilogramas e é destinado a testes de formulação em vez de séries de produção. Moinhos de médio porte com rolos de 400 a 500 mm, o tamanho mais comumente instalado em oficinas de composição de pequeno e médio porte, normalmente processam lotes entre 20 e 60 kg, dependendo da densidade do composto e da configuração do nip. Os moinhos de produção com rolos de 600 mm ou maiores chegam a centenas de quilogramas por lote e geralmente são combinados com um misturador interno que alimenta o moinho basculante diretamente, em vez de serem carregados manualmente.
Sobrecarregar um moinho além do peso nominal do lote não apenas desacelera o ciclo, mas prejudica ativamente a qualidade da dispersão , porque a margem rolante se torna muito grande para que o estreitamento funcione totalmente em cada passagem. A subcarga desperdiça tempo da máquina e aumenta o acúmulo proporcional de calor por quilograma de estoque, uma vez que um banco menor aquece mais rápido em relação à sua massa. Combinar o tamanho do lote com a capacidade nominal do fabricante, em vez de forçar o limite superior em cada execução, é uma das maneiras mais simples de uma oficina de manipulação proteger tanto o rendimento quanto a consistência.
O planejamento diário da produção também deve levar em conta o tempo de troca. Uma oficina que administra várias famílias de compostos diferentes no mesmo moinho perde capacidade real de purga e limpeza de rolos entre lotes, especialmente ao mudar de um composto escuro e muito cheio para uma formulação de cor clara ou não preta, onde qualquer contaminação residual é visível imediatamente.
O que entra em um composto misto de borracha
Cada formulação de borracha mista é construída em torno de cinco grupos de ingredientes funcionais. As proporções exatas mudam dependendo da dureza alvo, da resistência à abrasão e da aplicação final, mas as próprias categorias são consistentes em quase todos os tipos de compostos.
- Polímero básico: borracha natural, SBR, EPDM, nitrila ou uma mistura, escolhida por suas propriedades básicas de resistência mecânica e química.
- Enchimentos de reforço: graus de negro de fumo, como N330 ou N550, ou sílica precipitada, adicionados para aumentar a resistência à tração e à abrasão.
- Auxiliares de processo e plastificantes: óleos parafínicos ou aromáticos, ceras e facticidade, usados para melhorar o fluxo e a liberação do rolo durante a mistura.
- Aditivos de proteção: antioxidantes e antiozonantes que retardam a degradação causada pela exposição ao calor, oxigênio e ozônio ao longo da vida útil do produto.
- Pacote curativo: enxofre, aceleradores e ativadores como óxido de zinco e ácido esteárico, responsáveis pela construção da rede reticulada durante a vulcanização.
O carregamento de enchimento é geralmente o maior fator de dureza e custo. Um composto com 30 partes de negro de fumo por cem partes de borracha comporta-se de maneira muito diferente de um composto carregado com 60 partes, mesmo que o polímero base e a embalagem curativa sejam idênticos. Os formuladores normalmente expressam cada ingrediente como partes por cem de borracha, escritas como phr, de modo que os lotes podem ser aumentados ou reduzidos sem recalcular as proporções do zero.
Como a qualidade da borracha mista é verificada antes de sair da fábrica
Um composto pode parecer uniforme no rolo e ainda assim falhar a jusante se os enchimentos estiverem mal dispersos ou os curativos estiverem distribuídos de forma desigual. Três verificações são uma prática padrão na maioria das linhas de mistura.
Viscosidade Mooney
A viscosidade Mooney, medida pela ASTM D1646, fornece um número único que reflete como o composto fluirá durante a extrusão ou injeção. Um lote cuja leitura fica visivelmente fora da janela Mooney alvo geralmente indica tempo de mistura inconsistente, configurações de nip incorretas ou um problema de dispersão do enchimento, em vez de um erro de formulação.
Classificação de Dispersão
A dispersão normalmente é graduada visualmente ou com análise de imagem em uma superfície cortada ou rasgada da folha mista. O negro de fumo mal disperso aparece como manchas ou aglomerados visíveis, o que enfraquece a resistência à tração e aumenta o risco de defeitos superficiais na peça acabada.
Cura Reometria
Um teste de reômetro de matriz móvel rastreia a rapidez e a extensão da cura do composto sob o calor, produzindo valores de tempo de queima e tempo de cura. Isto confirma que o pacote curativo foi adicionado corretamente na passagem final do moinho e não foi exposto ao excesso de calor durante a mistura.
Fabricantes de compostos respeitáveis retêm uma amostra de cada lote e registram esses três resultados em relação a uma faixa-alvo antes que a borracha misturada seja liberada para extrusão, moldagem ou calandragem. Ignorar esta etapa é o motivo mais comum pelo qual lotes inconsistentes se transformam em peças acabadas.
Defeitos comuns de mistura e suas causas
A maioria das reclamações de qualidade sobre borracha mista remonta a um pequeno conjunto de erros recorrentes de processo. A tabela abaixo lista os que são vistos com mais frequência nas áreas de produção.
| Defeito | Causa provável | Ação Corretiva |
|---|---|---|
| Queimadura ou cura prematura | Temperatura do rolo muito alta quando são adicionados curativos | Reduza a temperatura da água do rolo, reduza a taxa de atrito na passagem final |
| Salpicos de preenchimento | Passagens de mistura insuficientes ou conjunto de nip muito largo | Aumente os ciclos de corte e dobra, reduza a folga |
| Folha pegajosa e que não solta | Excesso de óleo de processo ou polímero errado para ajustar a temperatura do rolo | Verifique novamente o ph do óleo, ajuste a temperatura da superfície do rolo |
| Mooney inconsistente lendo lote a lote | Tempo de mistura variável ou técnica do operador | Padronize o tempo do ciclo e a contagem de aprovações com instruções de trabalho escritas |
| Bloom ou descoloração da superfície | A carga de aditivos excede o limite de solubilidade do polímero | Reduza o teor de cera ou antioxidante ou mude para um grau de solubilidade mais alto |
Requisitos de segurança do operador em um moinho de mistura de borracha
Um laminador aberto de dois rolos apresenta um dos mais sérios riscos de estreitamento durante o funcionamento encontrados em uma área de produção de borracha, e os controles de segurança em torno dele são correspondentemente rigorosos. Nos Estados Unidos, os moinhos e calandras utilizados nas indústrias de borracha e plásticos são regidos pelo regulamento 29 CFR 1910.216, que estabelece requisitos específicos de hardware e desempenho, em vez de deixar a guarda para o julgamento geral.
- Barras corporais sensíveis à pressão instalado na parte frontal e traseira de qualquer moinho com altura de rolo de 46 polegadas ou superior, posicionado de forma que o contato corporal acione uma parada imediata.
- Cabos de segurança ou fios montado dentro de duas polegadas do plano vertical tangente aos rolos, acessível de qualquer lugar ao longo da posição de trabalho do operador.
- Limites de distância de parada definidos. Um moinho deve parar dentro de uma distância de deslocamento, medida em polegadas da superfície do rolo, não superior a 1,5% da velocidade superficial periférica sem carga dos rolos em pés por minuto.
- Apenas reinicialização manual. Os interruptores de disparo e de emergência não podem ser reinicializados automaticamente; um operador ou supervisor deve redefinir fisicamente o controle antes que o moinho possa reiniciar.
Os moinhos modernos adicionam proteção em camadas sobre esses controles mecânicos básicos. Sistemas de desligamento automático que monitoram superaquecimento, vibração anormal ou perda repentina de energia são cada vez mais padrão em novos equipamentos, e a proteção total em torno do ponto de estreitamento durante períodos não operacionais, como lavagem, é tratada como um requisito separado dos controles de desarme da posição de operação do operador. Nenhum desses sistemas substitui o treinamento ; os dispositivos de parada de emergência são reativos por projeto e só funcionam se um operador reconhecer um perigo e alcançar o controle antes que o contato ocorra, portanto, os operadores da usina são treinados especificamente na colocação das mãos e na técnica segura de alimentação, em vez de confiar apenas na proteção.
Manutenção que mantém a qualidade da borracha mista consistente
Um moinho misturador de borracha que esteja mecanicamente fora das especificações produzirá lotes inconsistentes mesmo quando a formulação e a técnica do operador estiverem corretas. Vários itens de manutenção têm um efeito direto e mensurável na qualidade do composto, e não apenas na longevidade do equipamento.
| Componente | Verifique a frequência | Impacto na qualidade se negligenciado |
|---|---|---|
| Folga do rolamento | Mensalmente nas usinas de produção | Folga desigual ao longo do comprimento do rolo, espessura inconsistente da folha |
| Desgaste e corrosão da superfície do rolo | Verifique visualmente cada turno, medido trimestralmente | Fraca liberação da folha, defeitos de dispersão localizados |
| Fluxo e temperatura da água de resfriamento | Diariamente | Risco de queimadura se a temperatura do rolo subir durante um turno |
| Calibração de folga | Semanalmente ou após qualquer mudança de rolagem | Desvio de viscosidade Mooney lote a lote |
| Lubrificação da engrenagem motriz | Por programação do fabricante, geralmente mensal | Taxa de atrito instability, increased downtime risk |
A condição da superfície do rolo merece atenção especial porque é fácil de ignorar até que um defeito apareça nas peças acabadas. Os rolos de ferro fundido resfriado resistem bem ao desgaste, mas cargas abrasivas, como negro de fumo de alta estrutura ou sílica de reforço, ainda desgastam o acabamento superficial ao longo de anos de uso contínuo. As superfícies dos rolos com furos ou ranhuras reduzem a capacidade do composto de formar uma faixa limpa e contínua , que aparece como uma folha intermitente ou entremeada mesmo quando a formulação e as configurações de temperatura estão corretas.
Escolhendo borracha mista por dureza e aplicação
A dureza do composto, medida na escala Shore A, é uma das maneiras mais rápidas de definir um tipo de borracha mista para um determinado trabalho. Não é a única variável que importa, mas está fortemente correlacionada com o desempenho de uma peça em serviço.
- 30 a 45 Costa A: vedações macias, juntas e componentes de amortecimento de vibrações onde a flexibilidade é mais importante do que a resistência à abrasão.
- 50 a 65 Costa A: peças moldadas de uso geral, mangueiras e material de cobertura do transportador, equilibrando flexibilidade com vida útil razoável.
- 70 a 85 Costa A: aplicações de alta abrasão, como compostos de banda de rodagem de pneus, rolos industriais e pisos pesados.
- 90 Shore A e acima: buchas de suporte de carga, coxins de desgaste e componentes que precisam resistir à deformação sob pressão sustentada.
A escolha do polímero é tão importante quanto a dureza. A borracha mista à base de EPDM resiste muito melhor às intempéries e ao ozônio do que a borracha natural, o que a torna a escolha padrão para vedações externas e compostos de membrana para telhados. Em vez disso, os compostos à base de nitrila são escolhidos sempre que a peça entrará em contato com óleos ou combustíveis, uma vez que a borracha natural e o SBR incham muito em ambientes de hidrocarbonetos. A combinação do polímero base com o ambiente operacional evita muito mais falhas em campo do que o ajuste da carga de enchimento jamais impediria.
Mistura de borracha recuperada em lotes mistos de borracha
Nem todo lote de borracha mista é construído apenas com polímero virgem. A borracha recuperada, produzida pela desvulcanização de pneus inservíveis ou materiais compostos de sucata, é comumente misturada em uma formulação em qualquer lugar de 5 a 30 por cento do conteúdo total de polímero, dependendo das propriedades mecânicas desejadas da peça acabada.
A Reclaim reduz o custo da matéria-prima e o volume de sucata enviada para aterro, o que a tornou cada vez mais relevante à medida que as equipas de compras enfrentam pressão para documentar o conteúdo reciclado na sua cadeia de abastecimento. A compensação é mecânica: a borracha recuperada geralmente reduz a resistência à tração, o alongamento na ruptura e a resistência à abrasão em comparação com um composto totalmente virgem equivalente, por isso tende a aparecer em aplicações de menor estresse, como tapetes, pára-choques de docas, pára-lamas e algumas peças industriais moldadas, em vez de em bandas de rodagem de pneus ou compostos de vedação de alto desempenho.
No próprio moinho de mistura, o material recuperado se comporta de maneira diferente do polímero virgem durante a fase de formação de faixas. Normalmente requer menos tempo de mastigação para atingir uma plasticidade viável, uma vez que o processo de desvulcanização já quebrou grande parte da rede de ligações cruzadas original. Os formuladores que trabalham com misturas recuperadas geralmente executam um ciclo inicial de formação de faixas mais curto e compensam com um pacote curativo ligeiramente ajustado , uma vez que o enxofre residual transportado do vulcanizado original pode, de outra forma, desviar o tempo de cura do alvo.
O que realmente impulsiona o preço da borracha mista
Os preços cotados para compostos de borracha mistos variam amplamente entre os fornecedores, e o spread raramente se refere apenas à margem. Quatro fatores são responsáveis pela maior parte da diferença entre um orçamento composto e um prêmio.
Seleção de Polímero Base
Elastômeros especiais, como fluoroelastômero ou nitrila de alta qualidade, custam várias vezes mais por quilograma do que a borracha natural ou o SBR de uso geral, e essa diferença flui diretamente no preço do composto acabado, independentemente da eficiência com que o lote é misturado.
Grau de enchimento e aditivo
A sílica precipitada e os agentes de acoplamento especiais custam mais do que os tipos de negro de fumo padrão, e os pacotes antioxidantes premium formulados para prolongar a vida útil em ambientes externos acrescentam custos que um composto básico para uso interno não precisa suportar.
Requisitos de consistência de lote
Um composto com tolerâncias rigorosas de viscosidade Mooney e documentação completa de rastreabilidade do lote custa mais para produzir do que um composto misturado com uma especificação mais flexível, porque exige testes mais frequentes, tiragens de produção menores e disciplina mais rígida do operador no moinho.
Volume de pedidos e eficiência de mistura
Pequenos lotes de teste misturados em uma fábrica de produção subutilizada acarretam um custo por quilograma muito mais alto do que uma produção completa, uma vez que o tempo de configuração, purga e troca é distribuído por muito menos material acabado. Os compradores que consolidam pedidos em lotes menores e maiores normalmente veem um preço por quilograma significativamente mais baixo do que aqueles que encomendam remessas pequenas e frequentes da mesma formulação.
Perguntas frequentes sobre borracha mista
Qual é a diferença entre borracha mista e borracha bruta?
A borracha bruta é o polímero não processado, derivado do látex natural ou sintético, antes da adição de quaisquer enchimentos ou curativos. A borracha mista é o resultado composto depois que cargas, óleos, aditivos de proteção e curativos foram dispersos através desse polímero em uma linha de mistura, deixando-o pronto para modelagem e vulcanização.
A borracha mista pode ser produzida sem misturador interno?
Sim. Muitos compostos menores executam todo o ciclo em um moinho de mistura de borracha aberto sem um misturador interno, especialmente para execuções de baixo volume, lotes de protótipos ou compostos especiais onde o controle visual direto do banco rolante é valioso. Os misturadores internos tornam-se mais econômicos à medida que o volume do lote aumenta.
Por que o enxofre é adicionado no final do ciclo de mistura e não no início?
Enxofre e aceleradores desencadeiam a reação de reticulação assim que calor suficiente é aplicado. Adicioná-los precocemente, quando o lote pode atingir temperaturas acima de 130 graus Celsius durante a dispersão do enchimento, corre o risco de vulcanização prematura antes que o material chegue ao molde. Os curativos são sempre adicionados na passagem final de mistura mais fria para evitar isso.
Quanto tempo um lote de borracha mista permanece utilizável antes de ser processado?
Isto depende muito do sistema acelerador e da temperatura de armazenamento, mas muitos compostos de uso geral devem ser processados dentro de alguns dias a algumas semanas após a mistura para evitar risco de queimadura ou oxidação. Compostos com aceleradores de ação retardada ou aqueles armazenados em condições frescas e sombreadas podem durar mais tempo.
Um rolo mais largo no moinho de mistura de borracha acelera a produção?
Aumenta o rendimento, mas reduz a uniformidade da mistura. Um nip mais largo permite que mais material passe por ciclo, mas com menos cisalhamento aplicado a cada passe, o que normalmente significa que são necessários mais passes totais para atingir a mesma qualidade de dispersão, compensando grande parte do tempo economizado.
O que causa cor ou textura irregular em uma folha de borracha mista acabada?
A cor irregular ou uma textura manchada geralmente indicam dispersão incompleta do filler, ciclos de corte e dobra insuficientes no moinho ou uma folga de nip muito larga para o tamanho do lote. Aumentar o número de passagens e verificar se o peso do lote corresponde à capacidade nominal do moinho normalmente resolve o problema.
Quanta borracha recuperada pode entrar em um lote de borracha mista sem prejudicar o desempenho?
Cargas entre 5 e 30 por cento do conteúdo total de polímero são comuns, com a extremidade superior reservada para peças de menor tensão. Acima dessa faixa, a resistência à tração e a resistência à abrasão normalmente caem o suficiente para que o composto não seja mais adequado para aplicações exigentes, portanto, o forro correto depende do que a peça acabada precisa suportar.
Qual diâmetro de rolo é necessário para um moinho misturador de borracha em escala de produção?
A maioria das oficinas de composição de produção opera moinhos com rolos de 400 a 600 milímetros de diâmetro. Diâmetros menores abaixo dessa faixa são geralmente reservados para lotes de teste em escala laboratorial ou piloto, em vez de produção contínua.
Um misturador interno é sempre melhor que um moinho aberto para misturar borracha?
Não necessariamente. Os misturadores internos oferecem maior rendimento e lotes maiores, mas os moinhos abertos proporcionam ao operador um controle visual e manual mais direto, permanecem mais seguros para compostos com uma janela de queima curta e custam significativamente menos para aquisição e manutenção, o que os mantém comuns em operações de pequeno e médio porte.
Quais equipamentos de segurança são legalmente exigidos em uma fábrica?
Nos Estados Unidos, a regulamentação 29 CFR 1910.216 exige barras corporais sensíveis à pressão ou cabos de segurança na parte frontal e traseira do laminador, reinicialização manual dos interruptores de emergência e uma distância máxima de parada definida com base na velocidade da superfície do rolo. Os requisitos podem variar de acordo com o país, portanto os regulamentos locais devem sempre ser confirmados juntamente com esta linha de base.
Por que dois fornecedores cotam preços muito diferentes para o que parece ser o mesmo composto de borracha misturado?
As diferenças de preço geralmente se resumem ao grau do polímero base, à qualidade do enchimento e do aditivo, ao quão rigorosamente a consistência do lote é controlada e documentada e ao volume do pedido em relação ao tamanho eficiente do lote da fábrica. Dois compostos que parecem idênticos em uma folha de dados ainda podem diferir significativamente no grau da matéria-prima e no rigor dos testes.
