Vulcanização Explicada: Definição, Química, Processo, Equipamento e Parâmetros

O que é vulcanização? Uma resposta direta

A vulcanização é o processo químico que converte borracha bruta pegajosa e fluida em um produto forte, elástico e durável, criando ligações cruzadas entre cadeias poliméricas. Para a maioria dos elastômeros de uso geral, o enxofre é o agente de reticulação e a reação é impulsionada pelo calor, tempo e pressão . O processo é irreversível: uma vez vulcanizada, a borracha não pode ser derretida ou remodelada.

A descoberta é creditada a Charles Bomyear em 1839, quando ele acidentalmente deixou cair borracha natural tratada com enxofre em um fogão quente e percebeu que o material endurecia sem voltar a ficar pegajoso. Essa observação criou a moderna indústria da borracha. Hoje, todo produto de borracha, desde anéis de vedação e mangueiras até solas de sapatos e correias transportadoras, passa por uma etapa de vulcanização antes de poder desempenhar sua função.

Fatos importantes a serem lembrados:

• A dosagem de enxofre para produtos moldados flexíveis é normalmente de 1,0-3,5 phr (partes por cem de borracha).
• A borracha natural vulcanizada atinge resistência à tração de 20-30 MPa em compostos de goma e superiores com cargas de reforço.
• As temperaturas de cura variam de 140 a 200 °C dependendo do polímero e do sistema de cura.
• Uma peça adequadamente vulcanizada recupera sua forma original após a deformação e não amolece mais quando aquecida.

A química por trás da vulcanização

Como o enxofre interliga as correntes de borracha

A borracha natural e outros polímeros dieno contêm ligações duplas em sua estrutura. À temperatura de cura, estas ligações abrem-se e reagem com o enxofre para formar pontes de enxofre entre cadeias vizinhas. As pontes, sejam monossulfeto, dissulfeto ou polissulfeto, prendem as cadeias em uma rede tridimensional. Antes da vulcanização, as correntes deslizam umas sobre as outras sob tensão; após a vulcanização, a rede estica e retorna elasticamente. O número de pontes, conhecido como densidade de reticulação, define a dureza, o módulo e a resiliência da peça final.

Aceleradores e ativadores tornam a cura prática

O enxofre sozinho reage tão lentamente que o aquecimento direto dá resultados desiguais. Os compostos práticos dependem de aceleradores (tiazóis, sulfenamidas, tiurames, ditiocarbamatos) e ativadores como óxido de zinco e ácido esteárico para acelerar e controlar a reação. Um pacote representativo de cura de uso geral contém 1,5-2,5 phr de enxofre, 0,5-1,5 phr de acelerador, 3,0-5,0 phr de óxido de zinco e 1,0-2,0 phr de ácido esteárico. A proporção acelerador-enxofre determina o tipo de reticulação: sistemas com alto teor de enxofre e baixo acelerador formam ligações polissulfídicas flexíveis com excelente resistência à fadiga, enquanto sistemas com baixo teor de enxofre e alto acelerador (EV) formam ligações monossulfídicas estáveis ​​ao calor com menor conjunto de compressão.

Muitas fábricas simplificam a dosagem e evitam erros de pesagem comprando pacotes aceleradores de enxofre pré-misturados de um fornecedor de compostos. A dispersão consistente do pacote de cura melhora diretamente a consistência da cura de lote para lote.

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Como a vulcanização altera as propriedades da borracha

Borracha Bruta vs. Borracha Vulcanizada

A diferença é dramática. A borracha natural bruta é pegajosa, amolece quando aquecida, endurece e racha em climas frios e flui permanentemente sob carga sustentada. A borracha vulcanizada permanece elástica de aproximadamente -40 a 100 °C para borracha natural, resiste muito melhor a óleos e solventes e retorna à sua forma original após repetidas deformações. A mudança na resistência à tração por si só é uma melhoria de cinco a dez vezes na maioria dos compostos.

Por que a densidade da ligação cruzada é o fator decisivo

Poucas ligações cruzadas fazem com que a peça se comporte como um produto fraco e pouco curado. Demasiados e a rede torna-se tão rígida que a borracha quebra em vez de esticar. O design eficaz do composto visa a densidade de reticulação que corresponde à aplicação: os suportes antivibração exigem um equilíbrio diferente de uma lâmina de rodo e ambos diferem de um rolo de impressão. Compreendendo o propriedades características de materiais de borracha torna mais fácil ver por que o nível de cura é definido com tanto cuidado para cada aplicação.

Sistemas de cura comparados

Nem toda vulcanização usa a mesma química. As demandas mecânicas e térmicas da peça final determinam qual sistema será selecionado.

Como escolher um sistema de cura

Produtos de borracha natural e SBR destinados a carregamento dinâmico, como pneus, suportes e amortecedores, geralmente usam sistemas convencionais ou semi-EV para resistência à fadiga. Aplicações resistentes ao calor, como vedações do compartimento do motor, favorecem sistemas EV ou peróxido. O EPDM e o silicone curados com peróxido oferecem a menor deformação por compressão, mas o tipo de peróxido deve corresponder ao histórico de calor do polímero e à espessura da parede da peça.

Equipamentos e Métodos de Vulcanização Industrial

Moldagem por Compressão em Prensas Aquecidas

O carro-chefe para produtos moldados é a prensa de vulcanização hidráulica. Um operador coloca uma peça pré-formada em um molde aquecido, fecha a prensa e mantém a pressão durante o tempo de cura necessário. Temperaturas da placa de 150-180 °C e pressões de fixação de 15-25 MPa são típicas. As prensas a vácuo vão além, evacuando a cavidade antes da fixação completa, evitando aprisionamento de ar, bolhas e cantos não preenchidos em peças complexas.

Para peças técnicas com requisitos exigentes de densidade e superfície, um máquina de vulcanização por prensagem a quente a vácuo é a escolha de produção preferida. A remoção do ar antes da cura é especialmente valiosa para seções espessas e compostos de alta dureza.

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Moldagem por injeção para peças de precisão de alto volume

A moldagem por injeção plastifica a borracha em uma unidade de parafuso e a injeta em um molde fechado e aquecido, onde ocorre a cura. Os tempos de ciclo são mais curtos que os da moldagem por compressão porque o composto chega à cavidade já aquecido. O-rings, vedações de conectores e pequenas juntas de precisão são comumente produzidos dessa maneira. A compensação é o aumento do custo de ferramentas e máquinas, de modo que a moldagem por injeção compensa quando os volumes de produção são grandes o suficiente para amortizar o investimento.

Autoclaves e prensas de correia para produtos de grandes áreas

Rolos, tanques revestidos de borracha, juntas de cabos e correias transportadoras não cabem em uma prensa padrão. Esses produtos curam em autoclaves sob vapor pressurizado ou ar quente, ou em prensas contínuas e rotocuras. A principal vantagem é a pressão uniforme sobre grandes superfícies, o que é fundamental para a adesão entre borracha e tecido ou substratos metálicos.

Cura Contínua de Perfis Extrudados

As tiras de calafetagem automotivas, perfis de vedação, mangueiras e cabos são curados continuamente à medida que saem da extrusora. Os três métodos principais são túneis de ar quente, túneis de microondas e banhos de sal (LCM). A cura por microondas aquece o perfil volumetricamente, tornando-o rápido para seções transversais espessas. Os banhos de sal oferecem excelente transferência de calor, mas as peças devem ser bem lavadas posteriormente.

A linha de coextrusão de borracha e cura por microondas combina a extrusora, o túnel de micro-ondas, a seção de ar quente, o banho de resfriamento e o transporte em um processo controlado, razão pela qual é a escolha padrão para a produção de perfis de alto rendimento.

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Parâmetros do Processo e Curva de Cura

Lendo a curva do reômetro

Um reômetro de matriz móvel registra o estado de cura ao longo do tempo a uma temperatura fixa. Três números são importantes na produção: tempo de queima (ts2), início da reticulação; tc90, tempo para atingir 90% de cura total e tempo de cura prática; e o planalto ou declive de reversão. Um patamar estável significa que o produto tolera pequenas variações de tempo; uma inclinação de reversão acentuada significa que o controle rígido da temperatura é crítico.

Transferência de calor e espessura da peça

A borracha conduz mal o calor, cerca de 0,15-0,25 W/(m·K), cerca de um décimo do aço. Em um molde de compressão, o centro de uma parte espessa atinge a cura completa bem depois da camada externa. A prática da indústria adiciona aproximadamente 1-2 minutos de tempo de cura por milímetro adicional de espessura da parede. É por isso que produtos espessos usam temperaturas de molde mais baixas para evitar a cura excessiva da superfície enquanto o interior ainda está mal curado.

Composição e preparação antes da vulcanização

A vulcanização começa na sala de composição. Se o pacote de cura for irregular, a prensa não poderá compensar. Três etapas de preparação têm um impacto descomunal na qualidade final:

1. Pesagem precisa: uma variação de apenas 0,1 phr no enxofre pode alterar o tc90 em vários por cento, portanto, balanças digitais e sistemas de dosagem automatizados são recomendados.
2. Mistura final fria: enxofre e aceleradores são adicionados em um moinho de dois rolos ou em uma passagem final de misturador interno, normalmente em um amassadeira pressurizada , mantido abaixo da temperatura de queima.
3. Remoção de contaminantes: muitas plantas passam o composto através de um filtro de borracha de alimentação quente equipado com uma tela fina antes da pré-formação, removendo aglomerados não dispersos e materiais estranhos que causam linhas de fluxo e bolhas.

A pré-formação também merece atenção. Blanks com peso e formato consistentes reduzem a variação de cura porque cada cavidade é preenchida da mesma maneira, com o mesmo histórico de calor e a mesma distribuição de pressão.

Defeitos comuns de vulcanização e como evitá-los

Mesmo um composto bem projetado pode produzir peças defeituosas se a vulcanização não for controlada. Os defeitos abaixo são responsáveis pela maioria dos rejeitos na moldagem e extrusão de borracha:

• Chamuscante: reticulação prematura no misturador, pré-formador ou cilindro de injeção. Aparece como superfícies ásperas, molduras curtas ou protuberâncias duras. Prevenção: diminuir a temperatura do processo, adicionar retardadores de queima, reduzir o tempo de permanência.
• Subcura: peças moles e fracas com alta compressão. Prevenção: verifique a temperatura real do molde com uma sonda, estenda o tempo de cura para tc90 e verifique novamente a receita se o problema se repetir.
• Reversão: a borracha natural perde resistência e resiliência quando mantida em alta temperatura por muito tempo. Prevenção: reduza a temperatura do molde, mude para sistemas de cura semi-EV ou EV ou use um polímero resistente à reversão.
• Porosidade e bolhas: vazios internos causados ​​por ar preso, umidade ou ingredientes voláteis. Prevenção: use uma prensa a vácuo, seque todos os ingredientes da composição e faça as pré-formas com precisão.
• Marcas de fluxo e disparos curtos: a cavidade não preenche completamente, muitas vezes em bordas finas. Prevenção: aumente o fluxo de material, aumente a injeção ou a pressão de fixação, melhore o formato da pré-forma e acelere a injeção.

Perguntas frequentes

Vulcanização é o mesmo que cura?

Sim. Na indústria da borracha, as palavras são usadas de forma intercambiável. Estritamente falando, vulcanização originalmente significava reticulação com enxofre de borrachas de dieno, mas o termo agora abrange qualquer reação de reticulação que converta um composto de borracha em um produto elástico, incluindo sistemas de peróxido e óxido metálico.

Todas as borrachas podem ser vulcanizadas com enxofre?

Não. Borrachas dieno com ligações duplas, como borracha natural, SBR, NBR, EPDM e butila, respondem bem à cura com enxofre. Borrachas sem essas ligações duplas, incluindo silicone (VMQ), muitos graus de borracha fluorada (FKM), EPM e alguns compostos HNBR, requerem peróxido ou sistemas de cura especiais.

Qual temperatura é necessária para a vulcanização?

A cura industrial normalmente ocorre entre 140 e 200 °C. A maioria dos produtos moldados cura a 150-180 °C. Temperaturas mais altas encurtam o tempo do ciclo, mas aumentam o risco de queimadura e reversão. Artigos grossos são curados em temperaturas mais baixas porque a borracha conduz o calor lentamente.

Quanto tempo leva a vulcanização?

Uma junta moldada fina pode curar em 3-8 minutos a 160 °C. Um rolamento ou rolo grosso pode levar de 30 a 60 minutos ou mais. Linhas contínuas de micro-ondas curam perfis extrudados em 1 a 5 minutos, e a cura em autoclave de rolos grandes pode durar várias horas.

O que acontece se a borracha for excessivamente vulcanizada?

A cura excessiva aumenta a dureza e reduz o alongamento. Na borracha natural, o calor prolongado pode quebrar as ligações cruzadas polissulfídicas, causando reversão, onde a superfície fica macia e pegajosa. O tempo de cura da produção é, portanto, definido em tc90, o tempo para atingir 90% da cura total, em vez do estado de cura máximo absoluto.

A borracha vulcanizada pode ser reciclada?

A borracha vulcanizada é termofixa, portanto não pode ser fundida e moldada novamente como um termoplástico. Ele pode ser transformado em migalhas de borracha para pisos, superfícies de playgrounds e produtos reciclados moldados. Os processos de desvulcanização existem, mas ainda não são económicos numa ampla escala industrial.

Conclusão: A Vulcanização é o Coração da Fabricação de Borracha

A vulcanização é a etapa que transforma um composto polimérico em um material de engenharia com resistência, elasticidade e durabilidade previsíveis. A escolha do sistema de cura, método de moldagem ou extrusão e parâmetros do processo determinam tanto a qualidade da peça quanto o custo para produzi-la.

Para gerentes de produção e engenheiros de processo, o caminho mais direto para menos rejeições e menor custo por peça é controlar a curva de cura em cada lote, verificar regularmente as temperaturas do molde e manter o composto livre de contaminação. Um pacote de cura bem projetado, medido em um reômetro e combinado com a prensa correta ou linha contínua, fornece o mesmo resultado, lote após lote.

Fornecedores que oferecem produtos químicos e maquinários, desde aceleradores até prensas de cura e linhas de micro-ondas, simplificam consideravelmente essa integração. Começar com uma receita testada e o equipamento de produção correto elimina a maior parte das suposições da vulcanização.