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Adesivos em Engenhos Mecânicos
I
Outubro 2010
Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?
Projecto FEUP
MMM515 ADESIVOS EM ENGENHOS MECÂNICOS
Adesivos em Engenhos Mecânicos
II
Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto
Adesivos em engenhos mecânicos
Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?
Francisco Carlos de Oliveira Coelho de Azeredo Pinto (ee10262)
Joana Maioto Santos (emt10024)
Manuel Maria Aguiar Ramos Sampaio Silva (emt10037)
Mariana Freire Resende de Moura (em10051)
Mário Nuno Caiado Cunha Ferreira da Silva (em10043)
Nuno Gonçalo Pereira Choupina (em10082)
Equipa MMM515
Supervisor: António Monteiro Baptista
Monitor: Francisco Duarte
Projecto FEUP
Outubro 2010
Adesivos em Engenhos Mecânicos
III
Resumo
No âmbito da unidade curricular “Projecto FEUP”, realizou-se um relatório
bibliográfico sobre “Adesivos Estruturais”, que se foca nos adesivos utilizados em
aeronaves.
Os adesivos, habitualmente designados de colas, podem ser entendidos como
sendo uma substância com propriedades de juntar um ou mais objectos através de uma
ligação superficial.
Após a pesquisa realizada concluiu-se que os mais utilizados nas aeronaves são
os do tipo epóxido e cianoacrilato. Para construir uma ligação mais eficaz, são também
bastante usados os vedantes, cujo principal objectivo é protegê-las contra os factores
ambientais. No que diz respeito aos epóxidos, destaca-se a sua elevada resistência
mecânica, bem como as suas propriedades de isolamento; quanto aos cianoacrilatos é
possível afirmar-se que têm uma secagem bastante rápida e uma ligação resistente.
Nas próximas páginas poderá encontrar informação detalhada e sucinta em
relação ao tema proposto. Inicialmente optou-se por abordar o tema dos adesivos em
geral, (situação histórica e impactos ambientais). Mais à frente poderá dispor de
conteúdos específicos sobre adesivos utilizados em aeronaves, sob a forma de texto,
tabelas, imagens ou tópicos. Para finalizar é apresentada uma conclusão na qual se dá
uma resposta ao problema: Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?
II. Palavras – chave
Adesivos estruturais;
Cianoacrilato;
Epóxido;
Vedante;
Resinas termoplásticas;
Resinas termoendurecíeis;
Elastómeros.
Adesivos em Engenhos Mecânicos
IV
III. Agradecimentos
Agradecemos de um modo especial ao nosso supervisor, Professor António
Monteiro Baptista e ao monitor, Francisco Duarte pela atenção e dedicação que nos
dispensaram no decorrer de todo o projecto.
Ao Professor Lucas Silva pela sua atenção ao conceder-nos material
imprescindível para a concretização do mesmo.
Adesivos em Engenhos Mecânicos
V
Índice
I. Resumo.……………………………………………………………….....…......III
II. Palavras-chave………………………………………………………....…….....III
III. Agradecimentos...……………………………………………………....…........IV
IV. Índice…………………………………………………………………...……....VI
1. Introdução……………………………………………………………......……....1
2. Metodologia………………………………………………......……………….....1
3. Apresentação e discussão dos resultados…………………………………...........2
3.1. Adesivos estruturais…………………………………….......…….....2
3.1.1. Vantagens e desvantagens gerais………………….............4
3.1.2. Impactos Ambientais……………………………..........….5
3.2. Adesivos utilizados em aeronaves…………...........………………...5
3.2.1. Epóxido………………………………………….........…..5
3.2.2. Cianoacrilatos......................................................................6
3.2.3. Vedantes..............................................................................8
4. Ensaios...................................................................................................................9
5. Conclusão............................................................................................................11
6. Bibliografia..........................................................................................................12
Adesivos em Engenhos Mecânicos
1
1. Introdução
Com este relatório pretende-se responder a uma questão-problema: “Que
adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?”. Para tal, foi preciso realizar uma
pesquisa alargada sobre o tema. Assim, apercebeu-se que uma das principais indústrias
impulsionadoras destes materiais é a aeronáutica, uma vez que tem grande necessidade
de arranjar materiais leves e de elevada fiabilidade. Desta forma, acabou não só por
desenvolver juntas e adesivos estruturais para uso próprio, como para outras indústrias,
nomeadamente a indústria automóvel.
Os adesivos utilizados em aeronaves quase que não acrescentam peso às juntas,
dado que as camadas são muito finas. Estes adesivos apresentam também uma elevada
durabilidade e demonstram uma elevada força de ligação, pelo que são bastante usados
pela aeronáutica.
2. Metodologia
Inicialmente, fez-se uma pesquisa onde se tentou saber o que é, qual a sua
função, e como se classifica um adesivo estrutural. Posteriormente, e de forma a arranjar
informações mais específicas, optou-se por recorrer a livros sobre o tema proposto, onde
se analisaram alguns textos, tabelas e imagens. À semelhança da estrutura da pesquisa
realizada, decidiu-se que também o relatório abordaria o tema do geral ao particular.
Começou-se, então, por transmitir a ideia de adesivo, a sua função, bem como algumas
vantagens e desvantagens gerais. A segunda parte do corpo do relatório ficaria
reservada para um desenvolvimento mais profundo acerca dos adesivos usados na
indústria aeronáutica (epóxidos e cianoacrilatos). Optou-se igualmente por alargar o
conceito de vedante, uma vez que desempenha uma função importante no acabamento
de uma ligação, protegendo-a contra influências externas que poderiam pôr em causa a
durabilidade dessa mesma ligação.
Adesivos em Engenhos Mecânicos
2
3. Apresentação e discussão dos resultados
Desde cedo que o Homem tenta descobrir novos materiais, novas formas de
melhorar a rentabilidade dos transportes, quer aeronáuticos, quer automobilísticos. O
uso de técnicas como a rebitagem, brasagem e soldadura, com objectivo de juntar peças
metálicas, apesar de eficazes, faziam com que os veículos aumentassem o seu peso.
O uso de adesivos, com o mesmo objectivo, surgiu na década de quarenta,
quando os adesivos sintéticos de alta resistência se tornaram comercialmente viáveis,
substituindo assim, as antigas técnicas.
3.1 Adesivos Estruturais
Os adesivos são uma substância que permite manter vários objectos de um
mesmo material ou de materiais diferentes unidos através de uma ligação superficial.
Antigamente eram produzidos a partir de matérias
naturais, de origem animal, vegetal ou mineral
(fécula, goma etc.) Actualmente e com o
desenvolvimento da química, foi possível a
introdução de adesivos sintéticos produzidos de
acordo com a utilização que lhes era destinada.
Os adesivos sintéticos são fabricados a partir de
materiais feitos pelo homem, tais como os
polímeros [2].
Os adesivos podem ser classificados de
várias maneiras, nomeadamente, pela sua
função, composição química, origem, estrutura molecular, modo de aplicação,
condições de cura e estabilidade.
Segundo a classificação funcional dos adesivos podemos definir os mesmos
como sendo estruturais ou não estruturais. Habitualmente, são definidos como sendo
adesivos estruturais os que apresentam uma resistência ao corte superior a 5-10 MPa
[2,7] e uma boa resistência aos meios ambientais mais comuns. São materiais de
elevada resistência e desempenho cuja principal função é manter ligadas as estruturas e
resistir a cargas elevadas sem grandes deformações.
Fig.1
Adesivos em Engenhos Mecânicos
3
Por sua vez, os adesivos não estruturais não são adequados para o suporte de
cargas substanciais pelo que são referidos, por vezes, como adesivos de posição ou de
manuseamento. São frequentemente usados para ligações temporárias ou como
complemento às ligações mecânicas.
Atendendo à classificação através da composição química podemos considerar,
adesivos:
Termoplásticos: acrílicos, celulósicos, vinilicos, poliamidas, etc;
Termoendurecíveis: fenólicos, epóxido, poliéster, etc;
Elastómeros: poliuretanos, nitrilos, policloroprenos, silicones, etc;
Híbridos.
As resinas termoplásticas podem ser divididas em dois grandes grupos: materiais
cristalinos e materiais amorfos, dependendo do momento em que ocorre a sua
cristalização. Este tipo de resina pode ser fundido através da adição de calor o que
permite a sua fácil utilização.
As resinas termoendurecíveis são polímeras muito reticuladas possuindo
normalmente uma grande rigidez após a sua cura. Quando se eleva demasiado a
temperatura este tipo de adesivo torna-se fraco devido à oxidação ou quebras nas
cadeias moleculares.
Os elastómeros tanto podem ser materiais termoplásticos como
termoendurecíveis consoante a sua composição. Baseiam-se em polímeros
elastoméricos que têm uma grande resistência e capacidade de deformação. São capazes
de elevados graus de deformação, retomando a sua forma original após a remoção da
carga.
Os adesivos híbridos são constituídos por resinas termoplásticas,
termoendurecíveis e elastoméricas. Desenvolvidos de forma a tirar partido das
características mais úteis dos seus constituintes, são cada vez mais utilizados [2,7].
Adesivos em Engenhos Mecânicos
4
Material Flexibilidade Resistência
mecânica
Resistência
térmica
Resistência a
agentes químicos
Resinas
Termoendurecíveis
Má Boa Boa Boa
Resinas
Termoplásticas
Média Medíocre Medíocre Boa
Elastómeros Muito boa Má Variável Medíocre
Tabela 1: Comparação das propriedades dos adesivos, [2]
3.1.1 Vantagens e desvantagens gerais
Vantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções:
Praticamente qualquer tipo de material ou combinação de materiais podem ser
unidos;
Materiais de diversas formas e tamanhos (mesmo finos e delicados) podem ser
ligados;
Garantem uma superfície contínua, sem saliências, aberturas ou furos;
Protegem as juntas contra o calor e evita a corrosão electrolítica;
Servem para amortecer choques e vibrações;
Distribuem as tensões uniformemente por uma vasta área;
Oferecem uma maior leveza ao produto acabado;
Não são necessários operários especializados;
Mais barato que outros métodos de fixação;
A união adesiva pode ser concebida a temperaturas relativamente baixas.
Desvantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções:
Requerem uma selecção minuciosa para melhor resistência em ambientes
específicos;
Por vezes, é necessário um reforço mecânico;
Determina-se a qualidade de um adesivo por meios destrutivos;
Juntas quando unidas, dificilmente são separadas.
Adesivos em Engenhos Mecânicos
5
3.1.2 Impactos ambientais
Existem três factores principais a considerar na utilização de adesivos:
Toxicidade;
Inflamabilidade;
Incompatibilidades perigosas.
Os adesivos têm de ser cuidadosamente planeados pois podem causar problemas de
saúde e de segurança, não só dentro da fábrica mas também dentro da comunidade em
que vão ser depositados os resíduos desta produção. Todos os adesivos, solventes, e
produtos químicos têm de ser manuseados de forma a evitar o contágio dos operários.
3.2 .Adesivos utilizados em aeronaves
3.2.1 Epóxido – epoxy
Os adesivos epoxy são considerados como um tipo de „adesivos estruturais‟
sendo usados, maioritariamente, na construção de aviões,
automóveis, barcos ou noutra qualquer aplicação onde sejam
necessárias grandes forças de ligação. São essencialmente
constituídos por uma base de resina, um endurecedor, um
acelerador, diluentes e outros aditivos. Estes adesivos são
normalmente produzidos como um ou dois componentes, e
tomam a forma de líquidos, pasta ou filme. Os adesivos de
dois componentes conseguem suportar a temperatura
ambiente e altas temperaturas. Os adesivos de apenas um
componente devem ser curados em altas temperaturas
(150°C) [4]. Os adesivos mais utilizados são os de dois
componentes já que é possível armazená-los por períodos longos de tempo.
É de salientar ainda a capacidade de alteração de algumas propriedades do
adesivo, tais como: condutividade eléctrica e estabilidade térmica, de acordo com a sua
aplicação.
Características:
Fig.2: Teste de tensao em
ligação com adesivo
Adesivos em Engenhos Mecânicos
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Versatilidade e elevada resistência mecânica;
Boa adesão química;
Boas propriedades de isolamento.
Vantagens:
Alta resistência a tracção;
Boa rigidez;
Alta resistência térmica.
Desvantagens:
Baixa resistência ao impacto;
Alto custo.
3.2.2 Cianoacrilatos – Cyanoacrylate
A forca de ligação e a durabilidade de um adesivo são duas propriedades
fundamentais na escolha dos adesivos a
utilizar. A força da ligação é uma combinação
das várias propriedades físicas do material,
que é testado através de uma fina camada
desse material entre peças [4]. A durabilidade
é caracterizada pela forma como o adesivo
reage a efeitos ambientais tais como o calor, a
humidade, outras substâncias químicas, radiação e
tensão mecânica [4].
Certos processos ajudam a aumentar a durabilidade da ligação, como uma
limpeza exaustiva da superfície, pois este tipo de adesivo é extremamente sensível a
óleos ou resíduos existentes na zona onde é aplicado.
O tempo que decorre entre a limpeza e a aplicação do adesivo também é
importante, ou seja, quanto mais rápido este for aplicado mais forte será a ligação e
maior a sua durabilidade.
Isto acontece porque os cianoacrilatos são adesivos que não são eficazes a
preencher falhas ou a contornar pequenos resíduos existentes. Daí que tenhamos para
diferentes materiais, diferentes processos de limpeza:
Fig.3
Adesivos em Engenhos Mecânicos
7
Metais: O resultado é melhor se a superfície for submetida a um processo de
abrasão em vez de ser polida por um jacto de areia [4];
Polímeros: na maioria dos polímeros o processo mais eficaz acaba por ser a
limpeza com um não-solvente como o isopropanol;
Vidro e cerâmica: melhores resultados com produtos à base de água, tanto em
vidro e/ou cerâmica como em todos os materiais vítreos.
Com as suas propriedades descritas podemos concluir que apesar de não ser um
adesivo que forma uma ligação muito forte, é amplamente utilizado na indústria, assim
como em aeronaves (partes internas da aeronave). É essencialmente usado em ligações
de plástico-plástico.
Vantagens:
Velocidade de secagem;
Versatilidade;
Força de ligação.
Desvantagens:
Fragilidade, os cianoacrílatos formam, geralmente, ligações fracas;
Durabilidade, quando aplicado em metais, esta é muito fraca, no entanto, em
plásticos possuem uma durabilidade muito elevada;
Exigência de uma superfície sem falhas, pois estes não possuem a capacidade de
preencher essas falhas;
Pouca resistência ao calor e à humidade, podendo facilmente desgastarem-se e
consequentemente diminuir tanto a durabilidade como a força da ligação.
3.2.3 Vedantes – Sealant
Adesivos em Engenhos Mecânicos
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Os vedantes oferecem uma boa protecção contra a corrosão, óleos e
combustíveis e são ainda impermeáveis à água. São, também, juntas confiáveis, que se
podem criar com nenhum dos problemas
encontrados nos outros métodos de selagem.
Mantêm-se ainda flexíveis e compatíveis sobre
várias tiras e ciclos de instalação.
Existe uma grande variedade de vedantes
próprios para atender às necessidades da indústria
aeronáutica. O material com que são fabricados é
inerte a todos os elementos químicos comuns, e
funcionam numa vasta gama de temperatura [-240 ºC, 260 ºC]. São resistentes às
variadas condições climatéricas, bem como a um envelhecimento precoce.
Vantagens:
Redução da hipótese de corrosão;
Protecção contra a água e outros factores ambientais;
Tempo de cura inexistente;
Facilidade de instalação.
Desvantagens:
Materiais de elevado custo;
Força de ligação reduzida;
Dificuldade de adesão em algumas superfícies, por exemplo, plástico-
metal [4].
4. Ensaios
Fig.4: Adesivos aplicados no reforço de
fuselagens
Adesivos em Engenhos Mecânicos
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Tabela 2: Efeito das condições do Meio Ambiente no envelhecimento em juntas
Alumínio-Alumínio [4]
Tabela 3: Classificação de alguns adesivos com base nas suas características
(Nota: Classificação de ++, melhor até --, pior.) [6]
Quando comparamos os adesivos cianoacrilatos com outros como o epóxido ou
com os acrilicos, podemos afirmar, com base na tabela acima [6], que os cianoacrilatos
são, segundo Martin 1977, os melhores em termos de facilidade de uso e de velocidade
de secagem. Por outro lado, também se pode concluir que em termos da força da ligação
quando comparado é o que providencia uma menor força de ligação.
Força da Ligação (MPa) passados:
Adesivo Condições 7 Dias 21 Dias
Cianoacrilato Controladas (22ºC) 14.1 14.3
22ºC água 10.3 9.3
32ºC/90% RH 12.9 10.5
66ºC 10.9 10.9
Epóxi Controladas (22ºC) 20.8 20.0
22ºC água 17.6 12.9
32ºC/90% RH 19.5 18.7
66ºC 26.8 26.6
Epóxi
Uma parte Duas partes Acrílicos Cianoacrílatos
Propriedades
Força da
Ligação
++ ++ ++ 0 até +
Facilidade de
uso
0 - + ++
Velocidade de
secagem
- até 0 -- + ++
Segurança 0 - 0 até + +
Energia
necessária
- + + +
Adesivos em Engenhos Mecânicos
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5. Conclusão
Com este trabalho podemos constatar que os adesivos são um método eficaz
para juntar materiais.
Os principais adesivos usados em aviões são o epóxido e o cianoacrilato,
oferecendo uma maior leveza ao produto acabado. A leveza é um aspecto muito
importante nesta área, como já referido, procura-se o mais leve mas o melhor, o que se
acaba por tornar numa demanda sem fim. Os adesivos estruturais têm como principal
função nas aeronaves permitir uma ligação ou reforçar uma já existente, por exemplo o
adesivo cianoacrilato é muito usado no interior do aparelho, nas ligações plástico-
plástico que se podem encontrar, por exemplo, nas cabines de bagagem acima das
nossas cabeças; o epóxido pode ser encontrado na fuselagem onde é utilizado para
reforçar as ligações existentes; os vedantes são maioritariamente utilizados tanto no
interior como no exterior de aparelhos aeroespaciais, pois possuem capacidades
estanques que são de extrema importância neste tipo de aparelhos.
No entanto pode-se dizer que com os materiais que temos hoje já se formam
ligações fortes e de longa durabilidade com adesivos, coisa que não se fazia há cerca de
70 anos, quando estes começaram a ser desenvolvidos e introduzidos no mercado.
Adesivos em Engenhos Mecânicos
11
6. Bibliografia
1. Adams, Robert D. 1984. Structural adhesive joints in engineering.
London : Elsevier Applied Science;
2. Esteves, José Luís Soares - Estudo do comportamento de adesivos
estruturais. Porto: [s. n.], 1990. Dissertação apresentada para obtenção
do grau de Mestre em Engenharia Estrutural, na Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor
António Torres Marques;
3. Grimes, David L. 1958. Application of Structural Adhesives in Air
Vehicles : presented at the Seventh Meeting of the Structures and
Materials Panel, held from 24th March/3rd April, 1958, in Rome, Italy.
Paris : Agard;
4. Hartshorn, S. R. 1986. Structural adhesives : chemistry and technology.
New York : Plenum Press, cop;
5. Kinloch, A. J. 1983. Durability of structural adhesives. London : Applied
Science;
6. Martin, F.R. . Developments in Adhesives. 1977. Vol.1, p.157. Apllied
Science Publishers, Londres
7. Silva, Lucas Filipe Martins da, António Gonçalves de Magalhães, and
Marcelo Francisco de Sousa Ferreira de Moura. 2007. Juntas adesivas
estruturais. Porto: Publindústria, Edições Técnicas, cop.
8. Welding Technology Machines. 2010. Adhesive Bonding.
http://www.welding-technology-machines.info/adhesive-
bonding/advantage-of-adhesive-bonding.htm (acedido em Setembro 29,
2010).