Adesivos e colagem para materiais compósitos – Um Resumo dos tipos, princípios de operação e projeto

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Adesivos são polímeros usados para a conexão de duas partes. Curiosamente, ao lidar com materiais compósitos, os adesivos são às vezes confundidos com termofixos, pois estes são à base de epóxi. No entanto, adesivos são resinas epóxi com diferentes ingredientes para unir as superfícies em contato. Existem duas propriedades básicas de um adesivo: a estrutura química e a interface do substrato. Basicamente, elas indicam a afinidade do adesivo com os materiais que serão unidos. Particularmente, a interface do substrato é a mais importante, pois é muito difícil prevê-la com alta precisão. Isso se deve ao fato de que isso depende da molhabilidade e da energia superficial dos componentes em contato. Quanto maior a molhabilidade, melhor o desempenho da colagem devido à alta energia superficial. Se a molhabilidade for baixa, a energia superficial também será baixa, reduzindo assim o desempenho da colagem.

No entanto, esse problema pode ser mitigado pela preparação da superfície, que para materiais compósitos pode ser mecânica, química ou por métodos de pressão. A preparação mecânica da superfície é baseada em lixamento ou jateamento de areia. Os métodos de preparação química da superfície são principalmente a gravação ácida. A preparação da superfície por pressão é baseada no contato entre os dois componentes sob uma pressão específica. Alguns desses métodos são realizados para situações específicas. Por exemplo, a preparação da superfície por pressão é usada quando é necessário ter um alto controle sobre a espessura da camada adesiva. Os métodos mecânicos e químicos podem ser aplicados em casos de metais que desenvolvem uma camada de óxido. Assim, estas podem ser removidas sem danificar o material principal.

Tipos de adesivos

Os adesivos são geralmente caracterizados com respeito às propriedades mecânicas e ao tipo de cola. No primeiro caso, eles podem ser adesivos estruturais ou de alta elasticidade. Os adesivos estruturais são caracterizados por sua alta resistência, o que se adapta bem a aplicações expostas a altas tensões. No entanto, isso vem ao custo de uma elasticidade muito baixa. Por outro lado, existem os adesivos de alta elasticidade. Estes, como o nome sugere, possuem alta elasticidade, o que os torna úteis para aplicações onde os componentes são muito expostos a altas temperaturas e são feitos de materiais diferentes. Nessa situação, eles se expandem a taxas diferentes, o que resulta em um estresse térmico na camada adesiva. Então, a distribuição de tensões no substrato muda, tornando-se assimétrica. Adesivos de alta elasticidade podem lidar com essa diferença sem impacto na operação da peça. No entanto, estes não são tão fortes quanto os anteriores, sendo considerados adesivos de baixa a média resistência. Ao caracterizar os adesivos em relação ao tipo de cola, estes podem ser líquidos ou pastosos. Claramente, os adesivos líquidos possuem boa molhabilidade, pois podem ser facilmente espalhados sobre as superfícies. No entanto, eles são problemáticos ao lidar com superfícies verticais devido à sua viscosidade muito baixa. Nesses casos, adesivos pastosos são sugeridos. Estes possuem alta viscosidade, o que permite que sejam aplicados em superfícies verticais com uma uniformidade muito boa.

Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento de um adesivo é baseado em dois conceitos importantes, a adesão e a coesão. Basicamente, a primeira é a fricção obtida pelo contato da microrrugosidade, enquanto a coesão é a fricção obtida pelo contato da macrorrugosidade. Portanto, um adesivo não pode funcionar bem quando apenas a adesão ou a coesão está governando a colagem, ambos os mecanismos devem atuar juntos. Este princípio é também a fonte de problemas e falhas dos adesivos. Na verdade, o adesivo pode falhar por quatro modos de falha, adesão, coesão, mista e delaminação do substrato. A primeira é quando o mecanismo de adesão é muito fraco, o que causa o destacamento completo do adesivo. A falha de coesão ocorre quando a camada adesiva falha, ocorrendo ruptura nela. A falha mista é uma combinação das anteriores. Basicamente, a falha de adesão é causada quando as forças de adesão são muito baixas em comparação com as forças coesivas. A falha de coesão ocorre quando as forças exercidas pelos aderentes excedem a resistência máxima da junta. A delaminação do substrato é um modo de falha que começa a partir de um ponto local que exibe uma resistência muito baixa em relação aos outros ao longo da superfície adesiva.

Tipos de juntas

As juntas são como os adesivos são usados para unir duas ou mais superfícies. Existem vários tipos de juntas. As principais são listadas abaixo:

  • Sobreposição ou simples;
  • Dupla sobreposição;
  • Chanfro/biselada;
  • Cilíndrica;
  • Dupla;
  • De topo;
  • Pelar (Peel joint).

A sobreposição é a junta mais básica e usada. Ela é baseada em forças de tração exercidas nos aderentes que motivam tensões de cisalhamento na junta. Essa configuração possui três camadas, dois aderentes separados por uma camada adesiva. A principal vantagem desse tipo de junta é a espessura do adesivo, que pode ser muito pequena. No entanto, ela está exposta ao desalinhamento da carga devido ao ponto de aplicação das forças. A junta de sobreposição dupla é uma junta de sobreposição dupla. Basicamente, transforma a junta de sobreposição dupla em uma de cisalhamento duplo. A principal vantagem é sua alta resistência, pois a espessura aumenta significativamente em relação à junta de sobreposição. A junta de chanfro ou biselada é considerada a junta ideal. Ela é baseada no afinamento completo do aderente e do adesivo para exibir uma borda afiada. Isso reduz o desajuste de rigidez entre os aderentes e o adesivo. No entanto, esse tipo de junta é muito caro e demorado para ser construído. A junta cilíndrica é adotada para lidar com tensões de cisalhamento e torção, comuns em componentes como tubos e eixos. Seu problema é que a superfície de colagem está, em alguns casos, nas mesmas orientações das forças. A junta dupla é baseada em dois aderentes de rigidez diferente separados pelo adesivo. É semelhante a uma junta dupla, mas desajustes de rigidez entre os aderentes são projetados propositalmente para equilibrar a junta. A junta de topo é baseada em um adesivo que separa duas superfícies expostas a forças normais ao adesivo. A junta de pelar é usada principalmente para experimentos que avaliam o desempenho do adesivo sob tensões de tração e cisalhamento. O aderente possui uma aba angular que está sob uma força, o ângulo a divide em dois componentes.

Regras de design

Quando uma peça, componente ou máquina inteira está sendo projetada com peças coladas, isso não seguirá o procedimento usual. Na verdade, nesse caso, estas são projetadas para colagem. Assim, as peças feitas para serem montadas através do processo de colagem possuem diferentes aspectos em relação às comuns, que são fixadas por fixação. Existem três regras principais para o design de componentes colados, que são melhorar a superfície de colagem, reduzir tensões de descascamento/divisão e evitar forças perpendiculares à superfície de colagem. Na primeira regra, a região da fixação é aumentada. No entanto, estudos sugerem que um comprimento de sobreposição excessivamente longo enfraquece o desempenho da colagem. Para juntas de sobreposição, o comprimento é de cerca de 25-40 mm. A redução das tensões de descascamento é proporcionada pela redução do desalinhamento e das condições de carga perpendiculares à superfície adesiva. Embora o desalinhamento não seja completamente evitado, ele pode ser reduzido alinhando as forças. Isso é feito por um design que motiva a concentricidade da carga quando a junta está sob estresse. É uma tarefa bastante difícil, pois algumas simulações são necessárias para prever o comportamento dos aderentes e do adesivo. A deformação dos aderentes pode ajudar a melhorar a concentricidade da carga. Isso também está conectado ao alisamento da geometria, que é basicamente o afinamento e chanframento dos aderentes. O objetivo é reduzir a espessura do aderente em regiões específicas, geralmente nas extremidades, para reduzir o desajuste de rigidez entre ele e o adesivo. Em algumas aplicações, o adesivo também é afinado. O objetivo é sempre o mesmo, melhorar o equilíbrio da junta.

Referências