Índice
Introdução
As borrachas de vedação elastoméricas, como as utilizadas no compartimento do motor dos veículos automóveis e em aplicações aeronáuticas, estão expostas a tensões termomecânicas permanentes. O seu efeito de vedação – a capacidade de impedir a entrada e a saída de líquidos e gases – é um fator essencial para a fiabilidade e a durabilidade de todo o sistema. A avaliação cientificamente sólida e a previsão do comportamento a longo prazo destes componentes críticos requerem métodos de análise precisos que possam captar a complexa interação entre temperatura, tensão mecânica e tempo.
Mecanismos de perda de vedação
Efeitos a curto prazo
A curto prazo, o efeito de vedação pode ser prejudicado por expansão e contração térmicas, flutuações de pressão ou erros de instalação. Os efeitos caraterísticos como a fluência, o comportamento de assentamento e os primeiros sinais de relaxamento – especialmente a altas temperaturas – podem ser observados já durante as primeiras horas de funcionamento. Estas alterações iniciais podem já ter efeitos críticos na estanquidade do sistema.
Mecanismos de envelhecimento a longo prazo
A longo prazo, predominam mecanismos de envelhecimento complexos, que afectam as propriedades fundamentais do material:
Decomposição oxidativa: As reacções químicas induzidas pelo oxigénio conduzem à cisão da cadeia e a alterações das ligações cruzadas na rede do polímero.
Perda de plastificante: A migração e a evaporação de plastificantes reduzem a flexibilidade e aumentam a rigidez do material.
Fissuras mecânicas: As cargas cíclicas levam ao início e à propagação de fissuras, o que compromete a integridade estrutural.
Deformações irreversíveis: A deformação plástica e o conjunto de compressão reduzem a resiliência e, consequentemente, o efeito de vedação.
Estudos demonstram que as borrachas EPDM (EPDM: monómero de etileno-propileno-dieno), por exemplo, podem apresentar perdas visíveis nas propriedades de vedação após anos em condições práticas, apesar das excelentes propriedades iniciais devido ao envelhecimento térmico e mecânico
A análise termomecânica como tecnologia-chave
Princípio básico da TMA
A análise termomecânica (TMA) é um método comprovado e cientificamente baseado para investigar o comportamento dependente do tempo e da temperatura dos materiais de vedação. Na TMA, uma amostra é sujeita a um programa controlado de variação de temperatura e a uma força definida. A alteração no comprimento (expansão ou contração) do material é medida em função da temperatura e da carga. Para além da expansão térmica, é possível determinar com precisão o comportamento de fluência e relaxamento, bem como as temperaturas de transição vítrea e as transições de fase.
Influência da TMA na avaliação do efeito de selagem
O TMA é essencial para avaliar o efeito de vedação no compartimento do motor, uma vez que permite medir e quantificar com precisão o comportamento de deformação dependente da temperatura e da carga das juntas de borracha. Isto é crucial para prever até que ponto uma junta cumprirá a sua função a longo prazo em condições reais de funcionamento – tais como temperaturas elevadas, cargas variáveis e compressão prolongada.
Os resultados da investigação mostram que o comportamento de vedação das juntas de perfil e planas no compartimento do motor não depende apenas da sua geometria e elasticidade iniciais, mas também, em grande medida, do seu comportamento de deformação sob temperatura, carga mecânica e ao longo do tempo. A TMA fornece as caraterísticas decisivas do material para este efeito e permite, assim, uma avaliação cientificamente sólida da forma como a função de vedação se altera ou se perde sob as tensões típicas do compartimento do motor.
Caraterísticas das variáveis medidas e sua importância
Com o TMA pode ser utilizado para determinar várias propriedades de material decisivas para vedações de borracha no sector automóvel, que são relevantes para a utilização e vida útil no compartimento do motor:
Coeficiente de expansão térmica (CTE)
Definição e avaliação: O CTE descreve a variação relativa do comprimento por unidade de temperatura e é um parâmetro importante para avaliar o quanto a borracha de vedação muda com as flutuações de temperatura.
Significado prático: A medição baseada na TMA mostra o quanto o material de vedação se expande ou contrai com as flutuações de temperatura típicas do compartimento do motor. Isto é essencial para evitar a formação de fendas e, consequentemente, fugas durante os ciclos de temperatura. Uma expansão excessiva pode levar a fugas, enquanto uma expansão insuficiente pode levar a perdas de pressão.
Temperatura de transição vítrea (Tg)
Determinação: A TMA permite a determinação exacta da temperatura à qual o material muda de um estado duro-frágil para um estado elástico-borrachoso.
Importância crítica: A Tg indica a temperatura à qual um material muda de elástico firme para elástico macio – importante para a gestão dos limites de funcionamento. É importante saber quando é que o vedante pode falhar em condições de funcionamento.
Comportamento de fluência e relaxamento
Caracterização: As medições TMA registam a cedência dependente do tempo do material sob carga constante. Estas análises mostram a cedência ou assentamento dependente do tempo do material sob carga e temperatura constantes.
Relevância a longo prazo: Crítica para a estanquidade a longo prazo, uma vez que as cargas actuam durante um longo período de tempo, particularmente no compartimento do motor, o que pode deformar lentamente o material de vedação, reduzindo o efeito de vedação a longo prazo. Os mecanismos de relaxamento e de fluência podem alterar a estrutura ao longo dos anos.
Alterações estruturais e degradação a longo prazo
Deteção: Os ensaios TMA de longa duração permitem visualizar as perdas irreversíveis de material, tais como o assentamento, que podem ocorrer particularmente sob cargas cíclicas.
Relevância prática: Estes valores caraterísticos são importantes para prever a vida útil e os intervalos de manutenção e são particularmente relevantes para as juntas do compartimento do motor, que são sensíveis à temperatura.
Transições de fase e comportamento de amortecimento
Deteção: Para além da transição vítrea, a TMA também visualiza outras alterações estruturais (por exemplo, amolecimento, fusão de fases) que podem alterar abruptamente as propriedades do material.
Importância sistémica: Estas transições são fundamentais para compreender o comportamento dos materiais em condições de funcionamento extremas.
Influência da expansão térmica na estanquidade a longo prazo
A expansão térmica das juntas é um fator chave que influencia o efeito de vedação a longo prazo e a fiabilidade das juntas no compartimento do motor. O comportamento de expansão dos materiais de borracha pode ser quantificado com precisão utilizando a TMA.
Efeitos críticos na função de vedação
Alterações dimensionais durante os ciclos de temperatura: Os vedantes de elastómero expandem-se quando aquecidos e contraem-se quando arrefecidos. Estes movimentos cíclicos conduzem à fadiga do material, a fissuras ou à abrasão, especialmente em utilização prolongada. Se a dilatação térmica for demasiado grande, pode levar à formação de fendas ou a uma compressão excessiva – o que favorece as fugas.
Influência na compressão: A tensão térmica permanente faz com que o material de vedação se torne mais macio, o chamado “conjunto de compressão” aumenta. Isto significa que a vedação já não regressa totalmente à sua forma original, o que leva a uma lacuna permanente e à perda de desempenho.
Aceleração dos processos de envelhecimento: A tensão térmica repetida promove o comportamento de fluência e relaxamento do material, o que tem um efeito negativo direto no efeito de vedação.
Expansão térmica diferente da dos componentes vizinhos: Se os CTEs da junta e do flange não coincidirem, ocorrem tensões desiguais, o que pode acelerar a falha da junta.
Aplicação prática e implementação em laboratório
Sistemas TMA para aplicações automóveis
Os aparelhos TMA suportam análises de alta precisão e em conformidade com as normas (DIN, ASTM, ISO) de materiais de borracha de vedação sob várias atmosferas e programas de temperatura – tal como é essencial nos laboratórios automóveis e aeroespaciais. Protocolos especiais para elastómeros permitem condições de teste “realistas”, típicas da utilização prática no compartimento do motor.
Base para a tomada de decisões na prática
O TMA fornece dados objectivos e quantitativamente fiáveis que os engenheiros de desenvolvimento e o pessoal de laboratório podem utilizar para responder às seguintes questões críticas:
- Qual é a expansão máxima da junta no intervalo de temperatura relevante?
- Qual a intensidade com que os materiais individuais (por exemplo, EPDM vs. FKM vs. silicone) são afectados pela compressão e pela fluência?
Desenvolvimentos actuais da investigação
Inovações de materiais
Um estudo recente mostra que os novos materiais, como os vulcanisatos termoplásticos (TPV), oferecem frequentemente propriedades mecânicas mais estáveis e um efeito de vedação comparável ao EPDM clássico – sendo que o seu comportamento de relaxamento e endurecimento a longo prazo também foi caracterizado por TMA (PMC Paper, 2023).
Validação científica
Uma dissertação pormenorizada examinou o comportamento dos vedantes de EPDM no contexto dos vedantes para automóveis, tanto a curto como a longo prazo. Descreve a forma como os mecanismos de relaxamento e de fluência podem alterar a estrutura ao longo dos anos e salienta a importância da TMA para identificar esses fenómenos de degradação.
Áreas de aplicação e relevância industrial
As TMA é utilizado tanto na seleção e desenvolvimento de materiais como no controlo de qualidade das vedações de borracha utilizadas, formando assim a base para uma previsão fiável da vida útil no sector automóvel. Os pontos críticos podem ser reconhecidos numa fase inicial e os materiais podem ser desenvolvidos de forma orientada.
Esta informação é essencial para:
- Seleção de materiais: Avaliação objetiva de diferentes elastómeros
- Controlo de qualidade: monitorização das caraterísticas do material na produção
Conclusão
A medição da expansão térmica e do comportamento mecânico com base na TMA é essencial para selecionar e conceber materiais de juntas que suportem os requisitos térmicos reais ao longo da vida útil do veículo.
Só através de uma caraterização precisa da TMA é possível desenvolver sistemas de vedação que funcionem de forma fiável no compartimento do motor, mesmo após muitos anos, e que evitem fugas de forma fiável a longo prazo. Seleção do material e conceção optimizada da junta com base nos resultados da TMA reduzem significativamente o risco de falha devido à expansão térmica.
Os resultados laboratoriais do TMA constituem a base científica para a avaliação e especificação corretas da estanquidade a longo prazo. O método é indispensável para o desenvolvimento moderno e para a garantia de qualidade dos sistemas de vedação de elastómeros nas indústrias automóvel e aeronáutica. indústrias automóvel e aeronáutica.
Bibliografia
Nayak, J., Katheria, A., & Das, N.C. (2022). Investigação sobre a compatibilidade material dos anéis de vedação em elastómero. Polymers, 14(16), 3323. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/16/3323
Drobny, J.G. (2021). Investigação da resposta termomecânica de materiais compósitos poliméricos produzidos através de tecnologias de fabrico aditivo. Materials, 15(14), 5069. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/14/5069
Normas técnicas:
- ASTM E831 (“Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials by Thermomechanical Analysis”) para ensaios termomecânicos
- Normas ISO: ISO 23529 para materiais de vedação
