Um pneu pode ser definido como uma estrutura composta de fibras poliméricas fortes e leves que se mantêm juntas em uma matriz de polímeros viscoelásticos, as borrachas. Adesivos especializados unem vários componentes em uma estrutura leve em forma de rosquinha chamada carcaça. Uma faixa plana de borracha colada por calor e pressão no diâmetro externo da carcaça forma a superfície de tração, a banda de rodagem. Reforçando a carcaça de um pneu radial existem cintas de fios de polímeros ou fios de aço. Uma parede lateral relativamente fina conecta o piso aos cabos de aço na área do talão que prendem o pneu na roda. Como pode ser visto, os pneus são feitos de um compósito, uma mistura de diferentes materiais. Além disso, eles também exigem diferentes processos de fabricação. Portanto, este artigo propõe um breve panorama sobre os materiais dos pneus, em especial os compostos de borracha, e seus processos de fabricação.

O pneu opera devido ao ângulo de deslizamento α, que é aquele entre onde o pneu está apontado e onde o carro está realmente viajando. α é gerado porque a borracha, um material elástico, cede a uma força externa, resiste a movimentos com uma força oposta, mas recupera sua forma original quando a força externa é removida. Este efeito é incrementado por fios de aço. Portanto, é possível que um pneu aponte para uma direção diferente daquela em que o carro está realmente viajando. Como o piso está tocando o solo, ele gera aderência. Isso começa na borda de ataque e, à medida que o pneu rola, cada pequeno incremento de piso em contato com o solo fica a uma pequena distância na direção em que o pneu está apontado. Além disso, devido ao peso do carro nesses incrementos, o pneu gruda na estrada. Portanto, a banda de rodagem gera forças que são transmitidas às rodas e suspensões.

Os pneus deformam-se à medida que rodam, então a sessão em contato com o solo muda de forma, mas volta ao original quando sai do solo. A força necessária para deformar um pneu é o que produz a força lateral. Essa é uma das principais características do pneu, ou melhor, da borracha. Na verdade, os pneus não são feitos apenas de borracha, existem muitos compostos nele. Por isso, é importante abordar mais profundamente a borracha.

Borracha

A borracha é uma longa cadeia de macromoléculas chamadas polímeros. Estes são feitos por muitas moléculas de monômeros. Assim, uma borracha natural (NR), látex, é uma mistura de monômeros. O principal é o isopreno e o látex, este último é o polímero poli-isopreno.

É possível ligar dois poli-isoprenos através de ligações de enxofre. Essas cadeias ficam próximas umas das outras, assim ocorre uma ligação química, isso é chamado de reticulação. As características dessas cadeias mudam de acordo com o tipo de polímero e se outros materiais forem usados. Como as ligações cruzadas não se formam espontaneamente, elas requerem aquecimento para alcançá-lo. Isso se chama vulcanização e tem tempo, temperatura e pressão adequados. Esse processo cria emaranhados e ligações cruzadas que alteram as características da borracha de pegajosa para uma borracha resistente ao calor e à tração.

Elasticidade e viscoelasticidade

A borracha é definida como um material viscoelástico, pois existem efeitos viscosos que interferem na relação tensão e deformação deste material. Qualquer material elástico tem a característica de se deformar e retornar à sua condição original. Parte da tensão durante o alívio não retorna à condição de stand-by (Figura 5), ela é convertida em calor. Na borracha esse processo ocorre devido aos efeitos viscosos. Parte da tensão durante o alívio não retorna à condição de espera, ela é convertida em calor. Na borracha esse processo ocorre devido aos efeitos viscosos.

Teste de fluência

Quando uma massa é pendurada em uma peça de borracha, a distorção observada reflete a histerese. Num primeiro momento ela se deforma muito rapidamente, mas sua velocidade diminui a ponto de a deformação ocorrer lentamente. Quando a massa é retirada, a borracha volta rapidamente à sua condição original, mas não volta totalmente. Em vez disso, torna-se ligeiramente esticado em relação à sua condição inicial. Isso é chamado de fluência e ocorre devido à rede tridimensional solta formada por cadeias poliméricas. Estes deslizam entre si e podem mudar de forma durante este processo. O efeito viscoso vem dessas interações entre as cadeias. As reticulações são os pontos limite desta deformação, o que significa que em algum ponto uma carga pode quebrar essas reticulações, evitando assim a recuperação completa.

Modelo mecânico para borrachas

O modelo mecânico da borracha é baseado em duas molas em série, mas uma delas é paralela a um amortecedor. Esta é a parte viscoelástica de uma mola. Uma força cíclica no ponto A gera uma deformação que é governada principalmente pelo efeito da mola. Em outras palavras, a força aplicada é devolvida quase na mesma intensidade. Este é o ponto em que ocorre o efeito amortecedor, porque os amortecedores são sensíveis à velocidade, portanto, à frequência com que a força é aplicada. O efeito viscoelástico ocorre devido ao movimento das moléculas da cadeia, quando esta é uma mobilidade mais rápida que a usual permitida, a borracha enrijece resistindo ao movimento. Por outro lado, quando a deformação ocorre em velocidade menor do que o normal, as moléculas da cadeia têm mais tempo para se mover e o efeito viscoso é menor, portanto, menos resistência.

A tensão representa a entrada de força cíclica no ponto A e a curva de deformação é a saída no ponto B. Assim, o efeito elástico viscoso amortece parte do movimento, razão pela qual a resposta ocorre em menor intensidade e defasada em tempo. Isso também representa uma perda de energia, que é chamada de histerese e um aumento de temperatura da borracha. Se a força for aumentada, a borracha será deformada mais rapidamente, o oposto é verdadeiro. Além disso, uma força constante pode ser aplicada e sua frequência pode variar de acordo com a situação. Se esta condição for monitorada, é possível observar que o sistema viscoelástico se deforma de acordo com a frequência da perturbação.

Temperatura de transição vítrea

Como muitos materiais de engenharia, as borrachas também apresentam uma variação de comportamento de acordo com a temperatura. Basicamente, à medida que a temperatura diminui, a mobilidade das moléculas da cadeia também diminui. Entretanto, antes que essa condição ocorra, existe um limiar, a temperatura de transição vítrea, T_g. Abaixo disso, as moléculas da cadeia de borracha perdem sua mobilidade. Normalmente T_g varia de -250 a 100 °F para algumas borrachas de silicone e poliestireno, respectivamente.

Composto de borracha para pneus de corrida

A Figura 9 ilustra um teste de deslizamento feito com diferentes tipos de borracha. São elas a borracha natural NR, a poliisobutilina (Butil), o estireno butadieno SBR. Como pode ser visto, cada um deles exibe uma faixa diferente de C_f de acordo com a velocidade de deslizamento. O C_f máximo é apenas um dos critérios na elaboração de um composto para pneus. Na verdade, existe também o nível de histerese da borracha, que é medido por um teste de rebote. Quanto maior o rebote, menor a histerese, portanto, menor a aderência. No entanto, esse tipo de borracha é mais resistente ao desgaste e resulta em menor resistência ao rolamento. Portanto, é possível perceber que uma receita de pneu não possui um padrão, ao contrário, ela busca atender a necessidade do cliente.

Receita de um pneu

Os principais componentes do pneu são a borracha, óleo, cargas, amaciantes, vulcanização e aditivos químicos. A borracha é uma das partes mais pesadas, podendo ser composta por polímeros simples ou uma mistura deles. A carga é composta por negro de fumo e sílicas. Pode ter outros materiais específicos que são adicionados de acordo com a demanda. Amaciadores são componentes que melhoram a elasticidade das correntes. Os aditivos de vulcanização são incluídos para ajustar a taxa de vulcanização, geralmente enxofre e óxido de zinco são usados. Antioxidantes e antizonantes são outros aditivos que melhoram o processo de fabricação e o ciclo de vida do pneu. Normalmente, a rigidez e a dureza do composto do pneu são definidas pela quantidade de negro de fumo, óleo e amaciantes. Além disso, há a velocidade com que ocorre o processo de vulcanização. Isso define as formações de ligações cruzadas durante o processo. O tipo de carbono também ajuda a melhorar o produto final da vulcanização. Existem dois tipos de SBR, a borracha sintética e o copolímero de estireno butadieno.

Carbon black

O carbon black é dividido em EPC de canal de processamento fácil, carbon black de alta abrasão HAFF de estrutura baixa, HAF de forno de alta abrasão e carbon black de forno fino FF. É o principal composto do pneu, sua quantidade e composição são informações proprietárias dos fabricantes de pneus e geralmente não são conhecidas. Eles são misturados com borracha nos misturadores Bambury. Estes são uma espécie de enchimento mágico, porque não só melhoram as forças viscosas, mas também a dureza, a resistência à tração, a resistência ao rasgo e as propriedades de desgaste da estrada. Isso ocorre porque o carbon black tem uma estrutura que também possui cadeias de moléculas, que quando combinadas com a borracha, se emaranham e aumentam a quantidade de ligações cruzadas, a maioria delas por cadeias interligadas. Como resultado, o composto do pneu tem maior resistência e efeitos viscoelásticos.

A Figura 10 ilustra os principais parâmetros avaliados após a adição de carbon black. Como pode ser notado, não existe uma quantidade padrão de negro de fumo. Uma quantidade exagerada pode resultar em alguma perda de características. Por exemplo, resistência à tração e alongamento. A borracha também pode ser excessivamente dura e histerética. O problema com o negro de fumo é que ele melhora a condutividade elétrica do pneu. Outro importante composto utilizado na receita do pneu é a sílica, mais precisamente, o óxido de silício, SiO2. Melhora a resistência ao rolamento, desgaste do piso e capacidade de tração do pneu em condições molhadas. Além disso, o Si não é eletricamente condutor como o carbon black. A proporção usual de Si e carbon black é 25/75 e 50/50.

Vulcanização

A Figura 10 ilustra os principais parâmetros avaliados após a adição de negro de fumo. Como pode ser notado, não existe uma quantidade padrão de negro de fumo. Uma voz exagerada pode resultar em alguma perda de características. Por exemplo, resistência à tolerância e alongamento. A borracha também pode ser gripe dura e histerética. O problema com o negro de fumo é que ele melhora a condutividade elétrica do pneu. Outro composto importante utilizado na receita do pneu é a sílica, mais precisamente, o óxido de silício, SiO2. Melhora a resistência ao rolamento, desgaste do piso e capacidade de tração do pneu em condições úmidas. Além disso, o Si não é eletricamente condutor como o negro de fumo. A proporção usual de Si e negro de fumo é 25/75 e 50/50.

Processo de fabricação de pneus

A fabricação de pneus baseia-se nas seguintes atividades: Mistura; Extrusão de banda de rodagem e gravação; Calandragem da banda de rodagem (Emborrachamento); Prédio; Cura.

Mistura

A mistura de borracha é baseada na máquina Banbury. Dentro deste estão os rotores Banbury (Figura 11). Através da abertura destes, a borracha é misturada e aquecida. O rotor é tratado termicamente. A borracha sai dos rotores quente e cremosa. A máquina Banbury mistura diferentes compostos de borracha. A temperatura deve ser controlada, assim como a velocidade. Um processo mais rápido resulta em uma viscosidade de borracha mais baixa.

Extrusão de banda de rodagem

A extrusão da borracha é um processo realizado logo após a mistura da borracha. O ponto crítico é a temperatura diferente do vidro, T_g dos polímeros. Neste processo a temperatura é controlada pela velocidade da máquina. A principal preocupação é a viscosidade, que depende da temperatura. Se o processo for rápido, a temperatura da borracha será alta e, portanto, a viscosidade será reduzida. Assim, um processo focado em alta produção geralmente resulta em borracha de baixa viscosidade, o que é ruim para a aderência. Portanto, a produção de pneus de corrida e produção são diferentes. A primeira costuma ser lenta para permitir uma T_g mais baixa e preservar a viscosidade da borracha.

Calandragem de bandas e dobras

O composto de borracha é adicionado para tornar as lonas emborrachadas e fazer as paredes laterais. No caso da banda de rodagem, é adicionado apenas composto de borracha. Existem diferentes linhas de calandragem para banda de rodagem, lonas e correias (Figura 13). Após a calederação, é realizado o processo de aplicação de fita de borracha. Esta é uma das últimas etapas da produção da banda de rodagem.

Corte dos fios

O processo de corte a laser produz cordões com recortes diagonais. Os pneus radiais não são totalmente construídos em 90 ̊, há uma pequena inclinação na orientação do cordão. Isso é definido nesta fase, que é chamada de corte do cordão. Este processo corta as camadas na forma desejada. Um método muito rápido é usar quadros de carbono e compostos para fornecer leveza e velocidade.

Construção de pneus

Após o corte do cordão, o próximo processo é a construção do pneu. A primeira parte é a disposição dos pneus. Uma vez que a borracha e a estrutura metálica estão no molde, o formato do que será o pneu é chamado de pneu verde. Além disso, uma máquina de conformação deforma o pneu verde para formar a forma real do pneu. O principal problema desse processo é que não há garantia de que esses componentes serão mantidos em suas posições durante a conformação. Normalmente não. Apertar o pneu verde e depois conformá-lo em estrutura mais estreita é uma forma de diminuir esse efeito. No entanto, ainda não possui repetibilidade devido ao comportamento natural da borracha e dos materiais compostos. Por exemplo, não há garantia de que as cunhas ficarão no mesmo lugar durante o processo. Há um movimento relativo entre os componentes internos. A dificuldade se deve aos diferentes compostos de borracha e às características não isotópicas da borracha. Outro ponto crítico é conectar o revestimento interno e as lonas, pois não é permitido um gap ou junção. A primeira, porque resultará em uma falha catastrófica, enquanto a junção não for possível devido às características desses componentes. Portanto, um enchimento é usado para conectar e uni-los.

Cura – Vulcanização

A resistência à tração é função das fibras, mas também da resina, ou seja, das propriedades do composto de borracha. Por exemplo, em um pneu de corrida, a cura costuma ser mais rápida, pois é interessante manter uma histerese muito alta. No entanto, a resistência à tração geralmente é obtida das fibras, que podem ser Kevlar (aramida) ou fibras de aço. Os fios de aço sozinhos não são curados, mas a borracha que os envolve, sim. Por fim, após a conformação ocorre o processo de vulcanização ou cura, que é realizado na câmara de cura. Este é dividido em duas metades, elas são fechadas juntas durante o tempo de cura. As duas metades são os moldes que definem a forma do piso, geralmente são feitas de alumínio ou aço. A primeira proporciona um processo mais rápido, resfriamento e aquecimento, mas também maior expansão do molde que deve ser controlada. Os moldes de aço são melhores para lotes de alta produção devido à sua consistência. Porém, para garantir o contato da borracha com o molde, deve-se garantir uma alta pressão de inflação. Durante a cura, os diferentes compostos de borracha não se misturam, pois possuem T_g diferentes. Portanto, eles curam em temperaturas diferentes, o que evita que se misturem. O contato entre a banda de rodagem e o molde gera um alto atrito que pode gerar algumas inconsistências nas dimensões da banda de rodagem. Assim, alguns lubrificantes são aplicados no molde para reduzir o atrito e melhorar a qualidade. A maior parte dos lubrificantes são à base de água, porque os à base de óleo são dependentes da temperatura.

Referências

• • Haney, Paul. The Racing & High-Performance Tire – Using the Tires to Tune for Grip & Balance. TV Motorsports, SAE, January, 2003.

Foto de capa

Autoracing1 website.