Tratamento Superficial de Borrachas e Plastômeros para Adesão a Vários Substratos

Engº Luis A. TormentoLT Químicos

Tratamento Superficial de Borracha e Plastômeros

• O trabalho relata as várias formas de modificação superficial de elastômeros e plastômeros, utilizadas na preparação para adesão a vários substratos, sejam eles: borrachas, metais, plásticos ou fibras, em substituição ao demorado processo de preparação superficial que utiliza tratamentos físico (lixamento) e químico.

• Cita as várias técnicas de modificação superficiais atualmente utilizadas tais como: modificação do substrato (externa); modificação superficial interfacial (superfície e interface); ativação de moléculas na superfície do substrato; ativação superficial por partículas discretas.

Tratamento Superficial de Borracha e Plastômeros

• Finaliza relatando o processo TACK-TREAT AS3000 que utiliza luz ultravioleta, oxigênio e calor para modificar superfícies a serem coladas em processos de adesão. Explica a interação entre o oxigênio e o UV e a formação de ozônio que, com o calor, irão ativar os íons OH na superfície do substrato, permitindo com isto a adesão de solados a substratos diferentes como outros tipos de borracha, couro e plásticos. Relata ainda estudos que estão sendo feitos para a ativação da superfície de mangueiras para sua adesão a fibras como poliéster e aramida e a outros materiais como plásticos, borrachas e metais; relata trabalhos na adesão de correias transportadoras e correias dentadas com poliéster e aramida aumentando desta maneira sua vida útil; relata trabalho com perfis flocados para automóveis onde o tratamento superficial do perfil principalmente em EPDM, aumenta sua capacidade adesiva e aumenta com isso a velocidade do processo (produtividade); seu uso em retentores ativando superfícies tratadas com zinco ou superfícies de aço inoxidável, melhoram a adesão entre a borracha NBR e o metal; e finalmente, trabalhos recentes sobre ativação da superfície de vidros para sua colagem com borracha.

O que é uma Superfície/Interface?

• Uma superfície é a “concha” de um objeto macroscópico (a parte interna) em contato com o ambiente (a parte externa).

• Uma interface é a ligação entre as duas fases

• A superfície de um objeto determina sua aparência ótica, adesividade, molhabilidade e reatividade química. Exemplo:

• Em objetos grandes com pequena área superficial (A) em relação ao volume (V) – Relação A/V. As propriedades físicas e químicas são definidas primariamente pela “massamassa” (bulk) (interior)

• Em objetos pequenos com grande relação A/V as propriedades são fortemente influenciadas pela superfície.

Notas importantes 1

• Em um sólido a densidade de átomos é da ordem de 1023 átomos por cm3,mas há um pequeno número de átomos na superfície comparado ao número de átomos da massa.

• A dispersão (A/V) é a relação entre o número de átomos na superfície e o número total de átomos na partícula.

Representação esquemática de uma superfície

• Tridimensionalmente, a estrutura estende-se para um lado da superfície na massa.

• FN é a força normal atuando no elemento de superfície através da massa, devido a elementos perdidos no exterior.

• WS é o trabalho para transferir um elemento de superfície para a fase gasosa.

O que é a Estrutura de uma Superfície?

• A morfologia de uma superfície é uma propriedade macroscópica que define a forma e tamanho desta.

O que é a Estrutura de uma Superfície?

• A estrutura de uma superfície é dada pela composição atômica e molecular e pelo arranjo dos átomos no espaço.

O que é a Estrutura de uma Superfície?

• A topografia de uma superfície é seu perfil determinados por “vales”, “planos” e “montanhas”.

O que é Interface?

O que é Interface?

• A borda de um líquido ou sólido em contato com vapor, normalmente não apresenta variação abrupta na densidade, mas apresenta uma transição mais ou menos contínua, de alta para baixa densidade. A interface consiste de material evaporando da massa ou condensando da fase gasosa.

Diferentes superfícies e cenários

Panela de TeflonPTFE – Teflon é obtido por polimerização de radical livre do tetrafluoroetileno.

PTFE possui baixa energia superficial (não aderente) ; é apolar , possui alta resistência química e apresenta baixa fricção.

Se nada adere ao Teflon, como explicamos a adesão do Teflon à frigideira?

Importantes propriedades das superfícies

• Material da superfície (composição química) Determina a característica química (reativa/inerte) Características físicas do material (condutivo/isolante) Polaridade (hidrofílico/hidrofóbico) Estrutura da superfície em uma escala molecular

• Topografia (“vales e colinas” ) Determina a reatividade química/cinética (reação rápida/lenta, sítios

reativos) Característica física da superfície (refletiva, molhabilidade efetiva) Característica tribológica (fricção na superfície (“rugos” ou “lisa) Morfologia da superfície em escala microscópica à macroscópica)

Exemplos de Aplicação da Ciência da Superfície

• Desenho de catalisadores (automóveis)• Inibidores de corrosão (navios, carros, prédios)• Modificação de propriedades de superfície, como:

– Fricção (pneumáticos, selos)– Desgaste ( lentes poliméricas para óculos)– Adesividade (frigideira, fita adesiva)– Molhabilidade, condensação (óculos de mergulho, tinta de impressora (inkjet)– Anti-reflexão (painéis, placas de sinalização)– Cor (tinta)

• Fabricação de chip / microeletrônica• Discos rígidos (anti-fricção, ultra-liso)• Superfícies biológicas (biocompatibilidade)• Sensores (químicos, biológicos)• Micro-fluidos

Energia Superficial• O trabalho W11 para obter duas superfícies ideais idênticas

juntas no vácuo, está relacionada com a energia superficial γ1 do material:

W11 = - 2 γ1

• W11 corresponde ao trabalho de coesão em um caso ideal e é normalizado para as áreas das superfícies. O trabalho deve ser idêntico para a separação de um corpo em duas partes. Na realidade o processo de separação é irreversível (devido à dissipação da energia); assim, o trabalho de separação/coesão é maior que a energia superficial

→ alta energia superficial ↔ forte coesão → alto ponto de ebulição→ altas energias superficiais tendem a reduzir a energia pela adsorção

de contaminantes do ambiente

Tensão Superficial• A tensão superficial γ é definida pelo trabalho infinitesimal dW

requerido para aumentar a superfície por uma área infinitesimal dσ:

dW = γdσ

→ trabalho deve ser aplicado para aumentar a superfície, já que os líquidos tendem a minimizar sua superfície (gotas esféricas) → balanço de força

→ tensão superficial dos líquidos corresponde à energia superficial dos sólidos→ tensão superficial / energia superficial corresponde a entalpia de evaporação ΔHvap. (aproximadamente)

Coesão• A força de coesão atua dentro de um material condensado (líquido,

sólido) para mantê-lo junto

Adesão• A força de adesão atua entre as superfícies de dois diferentes

corpos sólidos em contato.

este processo pode ser dividido em duas etapas hipotéticas: a) gerando uma nova superfície para os materiais 1 e 2: W = γ1 + γ2

b) gerando duas novas superfícies no contato (trabalho de adesão) : W12

→ já que todos os meios se atraem ,assumindo carga total neutra, o trabalho de coesão (W11) e o trabalho de adesão (W12) são sempre positivos - é necessário trabalho para separar o material.

Medição da adesão

Tipos de interação (1)

Tipos de interação (2)

Interações intramoleculares

Interações de Van der Waals

• Coleção de interações atrativas entre moléculas baseadas em dipolo/dipolo, dipolo/dipolo-induzido e interação dipolo induzido/dipolo induzido (Keeson, Debye, energias de dispersão London)

Forças de Van der Waals em escala macroscópica

Tipos de estruturas com superfícies poliméricas

Estratégias gerais de modificação

Transformação/modificação de superfície – Tratamento por chama

Transformação/modificação de superfície – Tratamento corona

Transformação/modificação de superfície – Plasma

Transformação/modificação de superfície – Tratamento Químico

Transformação/modificação de superfície – UV

• Tratamento por irradiação com luz UV de onda curta (~180-250 nm) para ativar a superfície do polímero ou para decompor impurezas na superfície

Energia da luz para induzir a reação química na e próximo à superfície (estruturando por irradiação, através de uma possível fotomáscara)

• Parâmetros de processo:– Comprimento de onda (energia do fóton), dose (energia por área),

espécies/meios envolventes Possíveis reações:

a) Ablação (ex, Ativação do oxigênio a ozônio produtos oxid. Voláteis

b) Transformação de grupos superficiais (ex. eliminação)c) Introdução de grupos funcionais por reação fotoquímica com

espécies do ambiente/meio (ex. –COOH por oxid.)

Tack Treat AS 3000Como o sistema funciona?

Tack-Treat AS 3000 - Esquema

Tack Treat AS 3000 – Fluxograma do Processo

Limpeza Secagem a 65ºC

AS 300040m/40mm

Adesivo/secagem7 m /55ºC

Lâmpada IR1 seg / 80ºC

Prensagem

EVA Esponja --- EVA injetado Cleaner 4

EPDM Cleaner 4 NBR S/cleaner

Tack Tread - AdesãoResultados de Teste

Material Adesivo F (kN/mm)

SBS SBWB

8,79,1

SBR SBWB

6,99,3

TPU SBWB

6,99,3

NBR SBWB

11,07,5

EPDM SBWB

12,011,0

Engage SBWB

8,28,7

Tecido Nylon/Tecido poliéster

SBWB

10,07,9

Redução de VOC

Redução de VOC% Produto S/ AS 3000 C/ AS 3000 Total

Limpador +100 +35

25 Redução -- -65%

16,25%

25 Limpador +100 0

Redução -- 100

25%

50 Adesivo +85 0

Redução -- 84%

42,6%

Total% Redução 83,25%

Tack Treat AS 3000 - Aplicações• A ativação superficial com Uv é aplicada na colagem de:

– Borracha de silicone a diferentes substratos– EPDM a tecido de PE para mangueiras– Hypalon em diferentes aplicações automotivas– Hypalon a poliéster, poliamida e poliaramida– Perfis de EPDM – flocagem– Hypalon a poliéster em correias transportadoras– NBR a metal– NR a poliéster em correias transportadoras– Pintura de TPU– Poliamida a vidro – EVA a EPDM, NBR, Silicone e Engage– EVA/Engage a EPDM, NBR, Silicone, Engage

Tack Treat AS300 – Aplicações (1)

Tack Treat AS300 – Aplicações (2)

Tack Treat AS300 – Aplicações (3)

Tack Treat AS300 – Aplicações (4)

Tack Treat AS300 – Aplicações (5)

Sumário

• Quase todos os tipos de materiais utilizados na indústria da borracha podem ser ativados com o sistema Tack Treat AS 3000 ou AS 3030 (versão de laboratório). O resultado vai depender do tempo e intensidade da irradiação UV.

Agradecimento

• Agradeço a todos pela presença e tenham uma Boa Tarde.

Luis AntonioTormentoGerente TécnicoLT Quimicos Ltda

Tel +55 (11) 5581-0708E-mail: luistormento@ltquimicos.com.br