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Em uma vasta gama de indústrias, os componentes de borracha desempenham papéis críticos de segurança nas atividades todos os dias. Como tal, os componentes de borracha precisam ser duráveis. Embora existam muitas maneiras pelas quais um componente de borracha pode falhar em serviço, a fadiga mecânica é provavelmente o mecanismo de falha mais comum que afeta quase todos os componentes à base de borracha. Em blogues futuros, exploraremos soluções para outros mecanismos de falha, como desgaste abrasivo e corte de cavacos, ataque químico, inchaço e falhas inelásticas.

Com a fadiga mecânica, estamos preocupados com o desempenho de longo prazo e a vida útil dos componentes de borracha, submetidos a repetidos ciclos mecânicos de carga e descarga. Correias transportadoras, sincronizadoras e de transmissão, vários componentes de pneus, montagens AV e esteiras de veículos, são todos exemplos de componentes que passam por ciclos mecânicos repetidos durante a operação.

A fadiga mecânica da borracha começa com o início de fendas por não homogeneidades locais (precursores de fendas) dentro do composto de borracha. Este, então, prossegue em ciclos de carregamento progressivos por meio do crescimento incremental de fendas através do corpo da borracha, até o ponto de falha catastrófica. Com base neste mecanismo de falha, precisaremos considerar a nucleação de fendas, ou seja, a homogeneidade do composto e a resistência ao crescimento de fendas por fadiga intrínseca do composto.

Os desenvolvedores de compostos geralmente são desafiados a estender a vida útil de fadiga de seus compostos sem sacrificar outros aspectos do desempenho. Por outro lado, os desenvolvedores buscarão melhorar outros aspectos do desempenho do composto, como o desempenho dinâmico sem sacrificar a vida útil do componente. Felizmente, temos uma estrutura científica rica e bem desenvolvida para enfrentar esses desafios, bem como algumas diretrizes básicas de seleção de materiais para nos ajudar.

Modo de controle de deformação

Primeiro, precisamos entender as condições operacionais cíclicas do componente. A deformação da borracha é controlada pela aplicação de uma carga cíclica ou pela imposição de um deslocamento cíclico definido? Isso é crítico, pois nos permite ajustar a rigidez do composto de forma a minimizar a energia armazenada durante as deflexões, que está disponível para o crescimento de fendas. Por exemplo, sob uma condição controlada por deflexão, poderíamos ter como alvo um composto mais macio para minimizar a energia armazenada no composto sob deflexão e suprimir o crescimento de fendas. O inverso é verdadeiro com o controle de carga, onde poderíamos ter como alvo um composto mais rígido para minimizar a deflexão do componente.

Seleção de borracha

A seleção da borracha para a aplicação é uma das decisões de composição mais importantes que afetam o desempenho da fadiga mecânica. A borracha natural é uma ótima opção para compostos resistentes a fendas e rasgões. Sua capacidade de cristalizar sob aplicação de tensão, leva a um auto-reforço logo antes das pontas das fendas. Este mecanismo detém e atenua as fendas durante as deformações cíclicas de relaxamento e não relaxante. Obviamente, nem todas as aplicações permitem o uso de borracha natural. Aplicações em temperaturas muito altas ou em condições quimicamente adversas podem exigir o uso de borrachas sintéticas específicas. A maioria das borrachas sintéticas não demonstra o notável comportamento de cristalização por deformação da borracha natural. Em vez disso, dependem inteiramente de reforço de partículas para restringir o crescimento de fendas e a resistência ao rasgão necessários.

Seleção dos agentes de reforço

Os agentes de reforço, como o negro de fumo, desempenham um papel fundamental na determinação do crescimento de fendas e da resistência ao rasgão dos componentes de borracha. A seleção do nível de carregamento de formulação, área de superfície e nível de estrutura corretos do negro de fumo é crítica. Outras melhorias são feitas escolhendo um negro de fumo que pode alcançar uma boa dispersão durante o processo de mistura do composto e também tem impurezas físicas mínimas. O mesmo é verdadeiro para outros co-agentes particulados na formulação. Os aglomerados de enchimento não dispersos e as impurezas da matéria-prima levam a um aumento no tamanho e no número do precursor de fendas em um composto, ambos os quais têm um efeito deletério na vida à fadiga.

Na borracha natural, o negro de fumo reduz os níveis de deslocamento de início necessários para que ocorra a cristalização por deformação, amplificando as deformações locais na matriz de borracha. Isso catalisa essencialmente a capacidade de auto-reforço da borracha natural. O negro de fumo também introduz mecanismos adicionais de dissipação de energia em compostos de borracha e este é um dos principais motivos pelos quais vemos aumentos na resistência ao rasgão e ao crescimento de fendas na borracha preenchida versus não preenchida. Mais trabalho externo precisa ser aplicado para fraturar uma borracha preenchida, a fim de compensar a energia dissipada pelo negro de fumo na zona do processo viscoelástico antes da ponta da fenda. Isso é especialmente crítico para borrachas não cristalizáveis.

Precisamos ter cuidado aqui porque muita dissipação de energia pode levar ao acúmulo de calor prejudicial em componentes sob condições de carregamento cíclico e pode comprometer o desempenho mecânico dinâmico (por exemplo, resistência ao rolamento). Como sempre acontece com a tecnologia de borracha, é necessário um equilíbrio cuidadoso.

Caracterizando fadiga mecânica

Na realidade, muito poucos componentes de borracha falham de maneiras totalmente consistentes com os testes de laboratório de borracha rápidos, baratos e onipresentes, comuns em nosso setor. Testes relativamente simples, como fratura por tração ou rasgão, não nos fornecem o quadro completo de que precisamos para entender e projetar totalmente o desempenho de fadiga dos compostos de borracha. Felizmente, na Birla Carbon, estamos excepcionalmente bem equipados com instalações de última geração para investigar e caracterizar os mecanismos de fadiga mecânica e vinculá-los à composição prática da borracha. Essas instalações incluem equipamento de crescimento de fissura por fadiga baseado em mecânica de fratura de alto rendimento, teste de vida de fadiga/nucleação de fenda e nossas instalações de microcopia de classe mundial.

Entre em contato conosco para ver como podemos ajudá-lo a melhorar o desempenho de fadiga mecânica de seu composto e componentes. Aproveitando o portfólio exclusivo de negro de fumo da Birla Carbon e nossos extensos recursos técnicos, juntamente com sua experiência em compostos e desenho, podemos trabalhar para reduzir as compensações entre desempenho dinâmico e durabilidade, em uma ampla gama de aplicações. Além disso, confira alguns de nossos últimos trabalhos e colaborações sobre esses temas nos artigos vinculados, que são de acesso aberto e gratuito para baixar (https://www.mdpi.com/2073-4360/12/1/203).