Adesivos e ligações para materiais compósitos – Parte 1-1: Definição e classificação

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Para a fabricação de um componente são encontradas peças que são fixadas por meio de adesivo. Além disso, alguns insertos presentes em monocoques e chassis podem ser considerados como componentes que são fixados por meio de colagem. Portanto, existem duas técnicas quanto ao uso do adesivo. A primeira é uma técnica importante para os materiais compósitos, principalmente nos casos de união deles com outro material. Por exemplo, unir um polímero a um metal. No entanto, a união adesiva não é o único método para unir compósitos. Na verdade, também existem métodos de fixação muito conhecidos, podendo ser aplicados rebites ou parafusos em alguns casos. Estes não são frequentemente considerados para compósitos, porque para ter um parafuso conectando duas partes é necessário fazer um furo através delas. Isso aumenta a chance de danos devido à fabricação. Na maioria deles, restam bordas livres onde a delaminação pode começar. Portanto, técnicas de fixação nas quais seja necessário fazer um furo no compósito devem ser evitadas sempre que possível. Além disso, as juntas de fixação mecânica tendem a utilizar o material disponível de forma ineficiente, pois a transmissão de cargas por parafusos ou rebites é muito local. Conseqüentemente, há uma concentração significativa de tensões ao redor do parafuso e as demais partes adjacentes ficam muito pouco carregadas. A ligação adesiva, por outro lado, atua sobre uma grande superfície e pode distribuir melhor as cargas do que a fixação. Porém, a fixação mecânica pode não ser completamente evitada, pois a maioria das aplicações exige a desmontagem dos componentes. A união adesiva deve ser considerada como uma ligação permanente, como a soldagem, por exemplo. Para desmontar um componente montado através de uma junta adesiva é necessário aquecer a região adesiva acima da sua temperatura de decomposição. Isso é muito demorado. Então, a união mecânica deve ser utilizada nos casos em que a fácil manutenção não seja o único requisito. Do ponto de vista da condição de falha segura, o que significa forma segura de falha do componente, as juntas adesivas perdem uma propriedade de redundância da estrutura. Esta é uma abordagem que proporciona um caminho progressivo até o colapso da estrutura. Em outras palavras, o fracasso não é sutil. Por exemplo, a falha de um simples ponto de fixação não causa o colapso de toda a estrutura. Porém, no caso das juntas adesivas, a situação é diferente. Quando um dano pode ocorrer ao longo da estrutura, a camada adesiva não fornece redundância. No caso dos fixadores, mesmo que um deles se rompa, as cargas são redistribuídas pelos demais fixadores. Esta é a razão pela qual os fixadores mecânicos ainda são preferidos na área aeronáutica. Por outro lado, as juntas de ligação são normalmente utilizadas em aeronaves pequenas, cujos requisitos são menos restritivos em relação à condição de segurança contra falhas. No caso de carros de corrida e de alto desempenho, a condição de segurança contra falhas não é altamente exigida, portanto o uso de ligações adesivas é preferido. O principal impacto das juntas adesivas é a redução de peso, uma vez que os fixadores são eliminados. Os utilizados em carros de corrida são geralmente feitos de titânio, aço de alta resistência e, em alguns casos, alumínio. Isso significa que eles trazem peso para a estrutura. Portanto, em estruturas leves, a união adesiva possivelmente é uma técnica eletiva.

Definição de adesivo

A definição de adesivo às vezes é descrita erroneamente, pois é denominado resinas. Isso não é correto, pois embora um adesivo epóxi tenha a mesma base da resina epóxi, sua formulação é bastante diferente. Normalmente possui alguns enchimentos, agentes de endurecimento e ligação que têm a capacidade de desenvolver uma boa coesão e adesão. Portanto, existem duas propriedades que devem ser desenvolvidas em uma boa junta adesiva. São aquelas relativas à estrutura do adesivo e à interface com o substrato. Este é o ponto mais fraco de uma junta adesiva, porque a interface é muito mais difícil de controlar do que as suas propriedades.

Porém, existe um parâmetro adequado para este controle, a capacidade de molhabilidade da superfície. Esta é uma medida empírica da energia superficial. portanto, quanto menor for a energia superficial, menor será a capacidade de molhamento e, portanto, menor será a adesão. No caso de alta energia superficial, a capacidade de umidade é melhorada e, portanto, a adesão é melhor. Geralmente, os materiais metálicos têm uma energia superficial aproximadamente alta. Conseqüentemente, eles apresentam uma boa adesão para juntas adesivas. Para alguns polímeros, a superfície é alta, mas há um grande número deles que possuem baixa energia superficial. Portanto, nestes casos será muito mais difícil obter um bom desempenho da junta colada, a menos que seja utilizada uma preparação superficial específica.

Preparação da superfície

Existem alguns métodos para melhorar a superfície, estes podem ser por meios hidrofísicos, como tratamentos de plasma ou laser, ou por meios químicos. Estas podem ser através da utilização de promotores de adesão ou primers, que são agentes químicos relacionados à superfície antes da colagem. Possuem boa adesão ao substrato e ao adesivo. Portanto, são uma camada intermediária que funciona bem com o material aderente e o adesivo. Em alguns metais também é necessário algum tratamento superficial. Por exemplo, em ligas de alumínio ou caixas de aço inoxidável, obtém-se um melhor desempenho se forem feitos alguns tratamentos químicos antes, que é o ataque ácido. Na verdade, esses dois materiais possuem uma camada protetora de óxido na superfície, o que impede uma boa adesão. Então, para esses materiais, é necessário remover a camada de óxido antes da colagem.

A camada de óxido pode ser removida mecanicamente, por lixamento ou jateamento de areia. Porém, o ataque mecânico é a melhor abordagem para se ter uma camada superficial que apresente melhor adesão do que a camada de óxido original. Em qualquer caso, a superfície rugosa é um processo em que a rugosidade da superfície é aumentada por retificação ou jateamento de areia. O motivo é proporcionar maior aderência tanto em termos da superfície da região real, que é maior, pois o comprimento ou área da superfície é maior que a condição lisa, quanto da superfície rugosa. Quando estes são casados, é realizado o intertravamento mecânico do adesivo. Outra etapa da ligação é colocar os aderentes em contato com alguma pressão.

Há casos em que a camada adesiva possui espessura prescrita. A razão é que alguns casos exigem uma alta precisão das juntas. Se a espessura do adesivo não for controlada e os aderentes forem apenas pressionados, as superfícies entrariam em contato em algum ponto, mas não teriam contato em outros pontos. Isto penaliza a resistência da junta. Por este motivo, há casos em que são prescritas espessuras de adesivo. No entanto, em aplicações industriais em geral não é viável a utilização desse tipo de adesivo. Assim, para se ter um adesivo uniforme nesses casos, é necessário adicionar pequenas fibras de vidro ou esferas ao adesivo. No momento da prensagem, estes proporcionarão uma linha de ligação cuja espessura é limitada pelo tamanho desses fios ou esferas. O adesivo pode ser fluido ou pastoso. O primeiro é muito bom para espalhar por toda a superfície. Porém, devido à sua baixa viscosidade, torna-se muito difícil sua aplicação em superfícies verticais. Para estes casos, sugere-se um adesivo pastoso. Também é chamado de adesivo tixotrópico, o que significa que é necessário ter uma certa força de cisalhamento para fazer fluir.

Juntas adesivas

Para avaliar se uma junta adesiva é boa ou não, deve-se analisar a sua falha. Existem quatro modos básicos de falha: o adesivo, o coesivo, o misto e o de delaminação do substrato. A falha adesiva ocorre na interface. Isto sugere que a junta adesiva não é boa, pois as forças de adesão são inferiores às de coesão. Então a força máxima possível não é alcançada. Esta é a falha adesiva. Por outro lado, quando a resistência máxima possível é atingida, a falha é coesa. Em alguns casos existem condições de fabricação que não atingirão este tipo de falha.

Outro tipo de falha é a mista, ou falha adesiva/coesiva. Neste caso, existem regiões sob falhas adesivas e coesivas. Isto significa que as duas resistências não estão distantes uma da outra e a ruptura ocorreu quase na resistência máxima possível da junta. As diferenças locais nessas forças são o que determinam o caminho da falha. A delaminação do substrato ocorre quando existe uma pequena região no início onde se iniciou a propagação da fissura. Geralmente esta região apresenta menor resistência em relação à camada adesiva. Então começa a delaminação. Este é um modo de falha bastante comum em materiais compósitos.

Classificação adesiva

A natureza de um adesivo é o seu polímero base e o desempenho por ele proporcionado. Um diagrama correlaciona a resistência ao cisalhamento e a deformação por ruptura. Está dividido em quatro quadrantes. Aquela que corresponde a uma deformação de ruptura intermediária de alta resistência e baixa-média, é representada pela ligação estrutural. Um quadrante que localiza os casos de deformação de baixa resistência e alta resistência descreve uma ligação de alta elasticidade. Por exemplo, o adesivo de poliuretano para fibras de vidro e metais, como no SUV Ford-Troller. Se a ligação estrutural for utilizada para obter uma ligação de alta resistência, a ligação de alta elasticidade é utilizada para obter uma ligação de elevada flexibilidade. Por exemplo, quando são utilizados materiais com dilatações térmicas fortemente diferentes, o adesivo elástico pode compensar esta diferença mais facilmente do que um adesivo estrutural. Este é mais rígido, mas menos tolerante em situações como essa.

Projete regras fundamentais

O projeto dos componentes que serão colados deverá seguir algumas regras. Estes são considerados desde que o zero do componente seja proposto. Existem dois requisitos fundamentais: o primeiro é maximizar a superfície de ligação e minimizar as tensões de descolamento/clivagem. São uma espécie de tensão de abertura, mas quando há uma aderência mais rígida. Uma boa área de ligação pode proporcionar uma distribuição uniforme sobre a camada sob tensão.

A colagem adesiva funciona bem em qualquer tipo de juntas sobrepostas, pois apresentam tensões mínimas e permitem maximizar as superfícies o maior possível. No entanto, maximizar a superfície de ligação significa que as conexões de topo serão evitadas. Se por algum motivo a conexão de topo ainda for utilizada por motivos dimensionais ou estéticos, a junta tipo cachecol deverá ser utilizada. Neste caso, a área da ligação não é perpendicular à direção da carga.

No caso de juntas não planas existe a opção de junta de canto. Porém, não é possível aderir na esquina. A solução para isso é aumentar a superfície de ligação usando um aderente em forma de L, uma geometria de cinta dupla de canto ou uma ranhura de canto. Esta última é chamada de carga estrutural, que é um bloco de material que é usinado para fornecer ranhuras. Estes mantêm o adesivo e o aderente. As juntas cilíndricas são divididas em cinco variações: chanfrado, com manga, tubo e eixo chanfrado, eixo paralelo e eixo cônico. A maioria delas são soluções para evitar uma superfície de ligação perpendicular ao eixo do cilindro. Além disso, algumas variações aproveitam um ângulo personalizado entre tubos e eixos.

Em relação à segunda regra das juntas adesivas, que é basicamente a redução das tensões normais à junta, existem alguns métodos específicos para isso. O objetivo é deixar o trabalho adesivo o máximo possível sob cisalhamento. Em outras palavras, a união perpendicular deve ser evitada tanto quanto possível. Normalmente, qualquer tipo de geometria de carga de cisalhamento pode ser usada. Além disso, podem ser utilizados em conjunto com juntas perpendiculares, a fim de reforçar a capacidade de união. Embora as junções perpendiculares sejam bastante perigosas, considerando as tensões de tração, há casos em que o adesivo está em superfícies verticais, mas as cargas são de compressão.

Existem adesivos em que as tensões de compressão podem ser combinadas com as de cisalhamento. Por exemplo, as combinações de cargas de cisalhamento e compressão e cargas de cisalhamento e tração, respectivamente. Uma carga compressiva não danifica uma junta adesiva. Por esta razão, é possível misturar carga de compressão com cisalhamento sem reduzir as propriedades da junção. No caso em que o adesivo é carregado totalmente em compressão, ele serve essencialmente para manter essas duas peças juntas. É tensionado sob compressão, o que significa que pode resistir a qualquer carga. No quarto exemplo, o ponto de aplicação da carga gera um momento fletor, que provoca uma compressão local na junta adesiva. No caso não favorável, provoca tensão, que deve ser evitada.

Referências

Figura de Capa

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