UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a – E E L
RAINNER DOMINGOS VASQUES
OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE MISTURA DO COMPOSTO DE
BORRACHA DE BASE NITRÍLICA
Lorena
2014
RAINNER DOMINGOS VASQUES
OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE MISTURA DO COMPOSTO DE BORRACHA DE BASE NITRÍLICA
Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso,
apresentado ao Departamento de Engenharia
Química de Escola de Engenharia de Lorena -
Universidade de São Paulo, como parte dos
requisitos para conclusão do curso de
Engenharia Industrial Química.
Áreas de Concentração: Engenharia Química /
Engenharia de Processos.
Orientadora: Prof.a Dr.a Elisângela de Jesus
Cândido Moraes.
Lorena
2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Vasques, Rainner Domingos Otimização do Processo de Mistura do Composto deBorracha de Base Nitrílica / Rainner DomingosVasques; orientadora Elisangela de Jesus Candido Moraes. - Lorena, 2014. 67 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaIndustrial Química - Escola de Engenharia de Lorenada Universidade de São Paulo. 2014Orientadora: Elisangela de Jesus Candido Moraes
1. Composto de borracha. 2. Melhoria de processo.3. Reometria. 4. Índice de capacidade do processo.I. Título. II. Moraes, Elisangela de Jesus Candido ,orient.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, aos meus pais, Brenda e Reinaldo, e ao meu
irmão, Helder Luke, por todo o amor e esforços que eles fizeram e continuam
fazendo para que eu possa ser cada vez melhor e conseguir chegar cada vez
mais longe, tanto no âmbito profissional, como no âmbito pessoal. São as
pessoas que eu mais amo e, graças a eles, minha vida é plenamente feliz e
repleta de conquistas.
Agradeço à minha noiva Adriana pela paciência, companheirismo e
dedicação ao nosso relacionamento. Mesmo com a distância ela se fez sempre
presente em minha vida, sendo carinhosa e amável, me fazendo sentir bem em
todos os momentos da minha vida. Sua presença foi fundamental para o meu
sucesso.
Agradeço aos meus avós, Rosária e Argemiro, por toda a dedicação e por
cuidar tão bem de mim sempre que precisei. Seus conselhos e histórias jamais
serão esquecidos. São exemplos de vida e um espelho para o meu futuro.
Agradeço ao meu primeiro chefe, Edilberto Junior, por confiar em mim e ter
me dado a oportunidade de trabalhar na área de Engenharia Química, e por ter
me introduzido ao mundo da Borracha.
Agradeço a empresa onde trabalho e aos seus colaboradores, por terem me
acolhido tão bem e participado do meu crescimento profissional e pessoal e por
terem ajudado a compor esse trabalho.
Agradeço a todos os familiares e amigos, que de alguma forma me fizeram
crescer e evoluir, tornando a minha vida muito mais agradável e harmoniosa.
Agradeço à minha orientadora, Elisângela de Jesus Cândido Moraes (Lili),
que, além de grande mestre, se demonstrou ser uma grande amiga, sempre me
ajudando e me atendendo quando mais precisei.
Por último, agradeço a Deus, por ter me dado saúde e forças em todas as
etapas da minha vida para que eu pudesse enfrentar qualquer desafio.
“- Se no meio de todas essas pessoas houver apenas uma que se surpreenda com a vida a
cada instante e tenha a sensação, toda vez que isso acontece, de estar diante de algo fabuloso e
enigmático... - Respirou fundo e prosseguiu: - Você está vendo um monte de gente lá embaixo, não está, Hans-Thomas? Pois bem... se apenas
uma delas experimentar a vida como uma aventura fantástica... e se ele ou ela experimentar
essa sensação todos os dias...
- Sim? - perguntei ansioso, pois pela segunda vez ele não tinha completado o que queria dizer - Ele
ou ela será um curinga no baralho”.
Jostein Gaarder
RESUMO
VASQUES, R. D. Otimização do processo de mistura do composto de borracha de base nitrílica. 2014. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2014.
O processo de mistura de compostos de borracha é uma das etapas mais
importantes no processo de fabricação de artigos de borracha e essencial para se
atingir as características desejadas do produto final, com as propriedades
mecânicas e reológicas adequadas às mais diversas aplicações. Qualquer
variação nesse processo pode resultar nas perdas das propriedades e desvios
das características ideais dos produtos, gerando um grande desperdício de
matérias-primas e possíveis degradações nos equipamentos de produção. O
objetivo desse trabalho foi estudar o processo de mistura de borracha como um
todo para identificar as causas-raízes das falhas e variações para que se pudesse
propor e aplicar melhorias, a fim de se garantir a estabilidade do processo e a
redução da taxa de compostos reprovados nas análises reométricas, obtendo-se
compostos de borracha vulcanizados dentro dos limites de controle, ou seja,
dentro dos parâmetros especificados nos testes de reometria. Os resultados
mostraram que as etapas de pesagem e condições gerais do Banbury são
extremamente importantes para a obtenção de compostos mais perfeitos e
homogêneos, e que as melhorias aplicadas ao processo se mostraram muito
eficientes, uma vez que foi obtida uma maior estabilidade do processo e uma
redução considerável no índice de falhas nas análises de reometria,
demonstrando que houve uma otimização do processo.
Palavras-chave: compostos de borracha, otimização de processo, reometria.
ABSTRACT
VASQUES, R. D. Optimization of the mixing process of the nitrilic based rubber compound. Monograph. 67 p. – Engineering College of Lorena, University of São Paulo, 2014.
The mixing process of rubber compounds is one of the most important steps for rubber products manufacturing and it´s essential to reach the desired characteristics of these final products, with mechanicals and rheological properties suitable for various applications. Any variation in this process may cause loss of the properties and deviations of the final products characteristics, leading to a great waste of raw materials and possible degradations of production equipments. The aim of this work was to study the mixing process of rubber as a whole to identify the root causes of failures and variations so it could be proposed and implemented improvements in order to ensure process stability and reduction of failed compounds in rheometric analysis, yielding compounds of vulcanized rubber in conformance to the control limits, ie, within the parameters specified in the rheometry tests. The results showed that the steps of weighing and general conditions of the Banbury are extremely important for obtaining more perfect and homogeneous compounds, and the improvements applied to the process proved very effective, since a more stable process and a considerable reduction of failures in rheometry analysis was obtained, showing that there was a process optimization.
Key-words: Rubber Compounds, Process Optimization, Rheometry
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Banbury MIR – 80 (COPÉ & CIA. LTDA., 2014). ................................................................. 24
Figura 2: Misturador aberto de cilindros (Fonte: Do autor). ........................................................... 25
Figura 3: Corpo de prova para o teste de tração (CIESIELSKI, 1999). .............................................. 27
Figura 4: Processo de Vulcanização (WILEY, 2002). ......................................................................... 28
Figura 5: Esquema de um reômetro ODR (MORTON, 1999). ........................................................... 29
Figura 6: Curva reométrica e suas etapas (MORTON, 1999). .......................................................... 30
Figura 7: Curva reométrica e seus principais parâmetros (Rocha, E. C.; Lovison, V. M. H.; Pierozan
N.) ..................................................................................................................................................... 33
Figura 8: Análise de Processo - Cp e Cpk (SILVEIRA, 2012). ............................................................. 37
Figura 9: Curvas Reométricas - Alterações entre cargas do mesmo dia e mesmo mês (Fonte: Do
Autor). .............................................................................................................................................. 44
Figura 10: Curvas Reométricas – Alterações entre o primeiro semestre de 2014 (Fonte: Do autor).
.......................................................................................................................................................... 45
Figura 11: Capabilidade do Processo – ML (Fonte: Do autor). ........................................................ 47
Figura 12: Capabilidade do Processo – t10 (Fonte: Do autor). ........................................................ 47
Figura 13: Capabilidade do Processo – t90 (Fonte: Do autor). ........................................................ 48
Figura 14: Capabilidade do Processo – MH (Fonte: Do autor). ........................................................ 48
Figura 15: Mapeamento do Processo de Mistura (Fonte: Do autor). ............................................. 50
Figura 16: Curvas Reométricas – Pesagem descuidada (Fonte: Do autor). ..................................... 51
Figura 17: Curvas Reométricas – Pesagem de acordo com as especificações (Fonte: Do autor). ... 52
Figura 18: Curvas Reométricas – Diferentes temperaturas de descarga (Fonte: Do autor). ........... 54
Figura 19: Curvas Reométricas – Homogeneização do composto no Moinho (Fonte: Do autor). .. 57
Figura 20: Curvas Reométricas – Análise da manta de borracha (Fonte: Do autor). ....................... 59
Figura 21: Curvas Reométricas – Análise da influência dos locais de armazenamento dos corpos de
prova (Fonte: Do autor). .................................................................................................................. 60
Figura 22: Curvas Reométricas – Análise do processo após implantação das melhorias (Fonte: Do
autor)................................................................................................................................................ 61
Figura 23: Capabilidade do Processo – ML (Fonte: Do autor). ........................................................ 62
Figura 24: Capabilidade do Processo – t10 (Fonte: Do autor). ........................................................ 62
Figura 25: Capabilidade do Processo – t90 (Fonte: Do autor). ........................................................ 63
Figura 26: Capabilidade do Processo – MH (Fonte: Do autor). ........................................................ 63
LISTA DE TABELA
Tabela 1: Principais tipos de borrachas naturais e sintéticas (GRISON, BECKER e SARTORI, 2010). 20
Tabela 2: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 9 (Fonte: Do autor)...................... 45
Tabela 3: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 10 (Fonte: Do autor). ................... 46
Tabela 4: Dados da figura 16 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 52
Tabela 5: Dados da figura 17 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 53
Tabela 6: Dados da figura 18 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 55
Tabela 7: Medições das temperaturas de descarga dos compostos (Fonte: Do autor). ................. 55
Tabela 8: Dados da figura 19 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 57
Tabela 9: Dados da figura 20 (Fonte: Do autor). .............................................................................. 59
Tabela 10: Dados da figura 21 (Fonte: Do autor). ............................................................................ 60
Tabela 11: Dados da figura 22 (Fonte: Do autor). ............................................................................ 61
LISTA DE SIGLAS/ ABREVIATURAS
6PPD N-(1,3-Dimetilbutil)-N'-fenil-p-fenilenodiamina
ASTM American Society for Testing and Materials
CBS N-Ciclohexil-2-benzothiazole sulfenamida
CR Polímero Cloroprene
CSM Polímero Polietileno Clorosulfonado
DBP Dibutil Ftalato
DOA Dioctil Adipato
DOP Dioctil Ftalato
DPG N,N'-difenil guanidina
EPDM Polímero Etileno – Propileno
GCB Granulado Claro Brasileiro
GEB Granulado Escuro Brasileiro
LTDA Limitada
MBT 2-Mercaptobenzothiazole
MBTS Benzothiazole, 2,2'-dithiobis
MDR Moving Die Rheometer
NBR Borracha de Nitrilo Butadieno
ODR Oscilating Disk Rheometer
PEG Polietilenoglicol
PHR Parts per Hundred Rubber
SBR Borracha de Estireno Butadieno
TMQ Quinolina, 1,2-dihydro-2,2,4-trimetil, homopolímero
TMTD Tetramethiltiuram dissulfeto
LISTA DE SÍMBOLOS
d N.m Torque
Hz Frequência
Kg Massa
MH Torque Máximo da Curva Reométrica
ML Torque Mínimo da Curva Reométrica
Mm Comprimento
T10 Taxa de Vulcanização: 10% da vulcanização da borracha
T90 Taxa de Vulcanização: 90% da vulcanização da borracha
Ts Tempo de Segurança para determinado torque
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 16
2.1. Histórico ............................................................................................................ 16
2.2. Elastômeros X Borrachas .................................................................................. 17
2.3. Formulação dos Compostos de Borracha ......................................................... 18
2.3.1. Elastômeros (Borracha) ............................................................................ 19
2.3.2. Cargas ....................................................................................................... 20
2.3.3. Agentes de Vulcanização ........................................................................... 21
2.3.4. Aceleradores de Vulcanização ................................................................... 21
2.3.5. Ativadores ................................................................................................. 21
2.3.6. Antidegradantes ......................................................................................... 22
2.3.7. Plastificantes .............................................................................................. 22
2.4. Processo de Mistura dos Compostos de Borracha ............................................ 23
2.5. Testes de Qualidade dos Compostos de Borracha ........................................... 26
2.5.1. Teste de Tração ......................................................................................... 26
2.5.2. Vulcanização e Reometria ......................................................................... 28 2.6. Análise da Capacidade do Processo ................................................................. 35
3. OBJETIVO GERAL ........................................................................................ 38
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 39
5. METODOLOGIA ............................................................................................... 40
5.1. Definição da Equipe do Projeto ......................................................................... 40 5.2. Definição das Causas raízes e Definição da Relevância das Variáveis do Processo ..................................................................................................................... 40
5.3. Recebimento de Matérias-Primas ..................................................................... 41
6. MATERIAL ........................................................................................................ 42
6.1. Composto de Borracha .............................................................................. 42
6.2. Preparação dos Corpos-de-prova .............................................................. 42
6.3. Equipamento para medição ....................................................................... 43
6.4. Análise da Capacidade do Processo .......................................................... 43
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 44
7.1 Análise das curvas reométricas ........................................................................ 44
7.2. Mapeamento do Processo ............................................................................... 50
7.3. Pesagem.......................................................................................................... 50
7.4. Banbury ........................................................................................................... 54
7.5. Misturador Aberto de Cilindros ......................................................................... 56
7.6. Reômetro ......................................................................................................... 58
7.7. Resultados após implantação das melhorias e análises .................................. 60
8. Conclusões ................................................................................................... 65
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 66
14
1. INTRODUÇÃO
O composto de borracha em estudo é utilizado como tubo interno em cerca
de 80% das mangueiras produzidas pela empresa em estudo. Os tubos internos
precisam ser de extrema confiabilidade e não podem apresentar falhas para não
comprometer o desempenho das maquinas e equipamentos nos quais serão
utilizados. As mangueiras precisam ser flexíveis e resistentes de tal forma que
não se rompam e não se desgastem facilmente com o tempo, garantindo a sua
durabilidade e adaptabilidade às mais severas condições e aplicações. O
composto de borracha é o maior responsável por garantir essas características e,
por isso o seu processamento deve ser estável e minuciosamente elaborado. A
tarefa de avaliar o processo de mistura dos compostos de borracha é desafiadora,
uma vez que esse processo pode ser influenciado por diversos fatores,
interferindo na qualidade dos compostos, como temperatura, pesagem das
matérias-primas, condições do misturador interno (Banbury), falhas operacionais,
entre outros. O principal objetivo do processo de misturas dos compostos
contendo elastômeros é garantir a dispersão e homogeneização de todos os
ingredientes presentes em sua formulação, que irão determinar a
processabilidade e as propriedades mecânicas e reológicas dos produtos finais.
Por existirem muitas variáveis nesse processo, é necessário um estudo
adequado para se identificar as causas raízes que possam interferir de alguma
maneira no composto final. Para isso, é de extrema importância a realização de
um controle de qualidade rigoroso, envolvendo testes na massa intermediária
(massa não vulcanizada) e nos compostos vulcanizados, para que se possa
monitorar o comportamento do composto final e se obtenha dados suficientes
para garantir o desempenho ideal desses compostos durante a fabricação de
mangueiras.
O presente projeto tem como foco a identificação de possíveis falhas no
processo como um todo, realizando-se análises e experimentos nas diversas
etapas que compõem o processo de mistura de compostos de borracha.
15
Através de um mapeamento do processo e utilizando-se dos testes de
reometria para diversas situações e condições, é possível prever e mensurar o
impacto de cada etapa na produção do composto e nas características finais do
produto. Assim, pode-se definir melhorias pontuais e precisas que resultem na
diminuição e eliminação dos defeitos nos produtos obtidos, que são detectados
nas análises reométricas, objetivando a implementação de um processo mais
estável e capaz.
16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Histórico
Os primeiros relatos europeus sobre a borracha e os estranhos jogos de
bola dos ameríndios datam do início do século 16. Durante longo tempo se
procurou um emprego útil para esse material sui generis. Entretanto, além de
borrachas de apagar e capas de chuva, nada mais ocorria aos europeus.
Sobretudo porque no calor a borracha natural começava a colar, e no frio, ficava
quebradiça (Becker, 2009).
Isso mudou em 1839, quando o norte-americano Charles Goodyear
inventou o processo da vulcanização. Sua borracha era termicamente mais
resistente, mais elástica e mantinha a forma. Ainda assim, segundo Robert
Schuster, diretor do Instituto de Tecnologia da Borracha em Hannover, a utilidade
do material não ia muito além de botas impermeáveis, bolsas de água quente e
capas de chuva contra o tempo de Londres. O próximo capítulo relevante nesta
história vem com a invenção do automóvel, por volta de 1880. "Essa combinação,
automóveis e rodas pneumáticas, tornou a borracha um material realmente
estratégico", aponta Schuster. Após anos de experimentos, Fritz Hofmann
desenvolveu, em 1909, a borracha-metil. Segundo Robert Schuster, era a
primeira vez que se imitava em laboratório um produto natural. Porém, o processo
desenvolvido pelo químico da futura fábrica Bayer era trabalhoso demais para
fabricação em grande escala; somente a síntese exigia semanas. Apenas no fim
da década de 1920 o químico Walter Bock chegou a uma alternativa melhor: o
polibutadieno, uma combinação de butadieno e sódio, abreviada como "Buna". Os
nazistas, ao assumirem o poder na Alemanha em 1933, perceberam
imediatamente o potencial do novo material. Adolf Hitler mandara construir
autoestradas e a fábrica Volkswagen, e, para fornecer os pneus necessários, a
borracha sintética passou a ser produzida em massa a partir de 1936 (Becker,
2009).
17
Sem dúvida, tratou-se também de uma consideração estratégica, pois a
produção do látex natural estava na mão de nações inimigas como a Inglaterra e
a França. E para a guerra, a Alemanha precisava de muitos pneus, para os
veículos militares, motocicletas e caminhões. Sempre em nome da guerra, uma
decisão do Congresso liberou mais tarde a patente do Buna para os Estados
Unidos (Becker, 2009).
2.2. Composto de Borracha - Definição
De acordo com a Norma de Terminologia Relacionada à Borracha, contida
no Anuário de Normas ASTM de 1989, o termo borracha é designado ao material
que é capaz de se recuperar de grandes deformações rapidamente e com força, e
pode ser, ou já é, modificado a um estado no qual é essencialmente insolúvel
(mas pode inchar) em um solvente em ebulição, como o benzeno e o metil etil
cetona.
Uma definição para a borracha é de que se trata de um material que à
temperatura ambiente pode ser esticado repetidamente até pelo menos duas
vezes o seu comprimento original e, após imediata liberação da tensão, retornará
com força aproximadamente ao seu tamanho original (SMITH, 1993).
Entende-se como borracha sintética, toda a borracha que é produzida
através de compostos químicos de baixo peso molecular. O termo, entretanto,
também inclui as borrachas que não são obtidas diretamente dos compostos de
baixo peso molecular, como é o caso do polietileno clorosulfonado, proveniente
de intermediários de alto peso molecular que não são considerados como
borracha (GENT, 2012).
18
2.3. Formulação dos Compostos de Borracha
A fim de auxiliar no desenvolvimento de um composto de borracha, os vários
compostos que serão utilizados são compilados em uma “fórmula”. Toda fórmula
contem um numero de componentes, cada qual com a sua função específica, seja
no processamento, vulcanização ou no produto final. O objetivo da formulação é
assegurar que o composto seja seguro para o meio ambiente, tenha um fácil
processamento, custo competitivo com outros compostos para a mesma
aplicação, boa vida útil, propriedades dinâmicas, químicas e físico-químicas
adequadas para a aplicação desejada do produto final (MORTON, 1999).
Ainda segundo Morton (1999), geralmente, as seguintes informações são
obtidas nas formulações:
Todos os ingredientes são normalmente expressos em quantidades
baseadas no total de 100 partes de borracha ou combinações de
borrachas utilizadas no composto. Essa notação é geralmente listada
como phr (parts per hundred rubber). Desta forma, em comparações com
diferentes formulações, os efeitos de se variar qualquer ingrediente
utilizado são facilmente reconhecidos quando as propriedades físicas ou
as características de processamento são comparadas.
Embora a função de cada componente nunca seja indicada nas fórmulas
industriais ou de laboratório, é evidente que muitos materiais diferentes
com propósitos específicos são utilizados em cada formulação.
Em muitas formulações os materiais são listados de acordo com a ordem
em que eles são misturados à borracha no processo. Esse método
auxilia o formulador a ajustar os tempos de mistura para os mais variados
compostos
Da quantidade total de materiais utilizados (em qualquer unidade de
medida das massas), o custo total do composto pode ser calculado de
maneira muito simples:
(MORTON, 1999)
19
A seguir, estão descritos os principais constituintes de um composto de
borracha.
2.3.1. Elastômeros
Os elastômeros, que podem ser naturais ou sintéticos, são os componentes
básicos de todos os compostos de borracha. Pode-se utilizar um único elastômero
ou a mistura de um ou mais tipos. Os elastômeros são selecionados de modo a
obter propriedades físicas específicas no produto final, sendo fundamental a
verificação de qual será a sua aplicação e o seu processo de fabricação, como
calandragem, extrusão, injeção, entre outros (MORTON, 1999).
Os elastômeros são tipicamente polímeros amorfos com suas moléculas em
distribuição aleatória. Através da polimerização, uma molécula de cadeia longa é
criada de moléculas simples, conhecidas como monômeros. Assim, os
elastômeros obtidos são essencialmente líquidos viscosos. Interligando-se as
longas moléculas através de ligações cruzadas com distâncias relativamente
grandes, uma rede molecular flexível é criada com os fios dos componentes
moleculares ainda em rápida movimentação. Porém, o material agora possui
forma e tamanho fixos – se tornou um material sólido e macio. A combinação dos
termos “elástico” e “polímero” levaram ao nome alternativo de “elastômero”
(GENT, 2012).
Adicionando-se a esses polímeros vários componentes, cria-se um
“composto”. Após o aquecimento e reação (vulcanização) esses materiais se
tornam “borrachas” (GENT, 2012).
Na tabela 1 se encontram os elastômeros naturais e sintéticos mais
comumente utilizados nas indústrias:
20
Tabela 1: Principais tipos de borrachas naturais e sintéticas.
Borracha Natural - Padrões Brasileiros
GEB Granulado Escuro Brasileiro
CEB Crepe Escuro Brasileiro
GCB Granulado Claro Brasileiro
CCB Crepe Claro Brasileiro
Borracha Sintética
SBR Estireno-Butadieno
NBR Acrilonitrila-Butadieno
CSM Polietileno Clorossulfonado
CR Policloropreno
EPDM Etileno-Propileno
(GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).
2.3.2. Cargas
Esses materiais são utilizados para reforçar os compostos de borracha,
modificar as propriedades físicas, conferir certas propriedades de processamento,
ou reduzir o custo (MORTON, 1999).
As cargas podem ser classificadas em diversos grupos. Seguem abaixo
exemplos de alguns grupos e principais matérias-primas (GRISON, BECKER e
SARTORI, 2010):
Retardantes de chama: Alumina, Carbonato de magnésio, Teflon em pó;
Resistentes a radiações nucleares: Óxido de chumbo, Carbeto de Boro;
Melhoram a usinagem: Sílica, Talco;
Melhoram a condutividade térmica: Alumínio em pó, Silicatos;
Melhoram a resistência à tração: Negros de fumo em geral, Sílica
precipitada.
21
2.3.3. Agentes de Vulcanização
Esses componentes são necessários para que ocorra a vulcanização.
Nenhuma melhoria nas propriedades físicas dos compostos de borracha poderá
ocorrer sem que existam as reações químicas de ligações cruzadas envolvendo
esses agentes (MORTON, 1999).
Os agentes de vulcanização, ou agentes de cura, são produtos que,
misturados à massa polimérica, estabelecem ligações entre sítios ativos da
mesma forma em todas as direções, estabelecendo uniões entre as
macromoléculas. É o chamado “cross-linking” – ligação através da massa
molecular erroneamente traduzida como “ligação cruzada”. É sabido que se
formam interligações unindo sítios ativos vizinhos de macromoléculas entre si,
diminuindo a sua plasticidade a aumentando a elasticidade (GRISON, BECKER e
SARTORI, 2010).
O agente de vulcanização mais comumente utilizado pelas indústrias é o
enxofre. Também podem ser utilizados o peróxido, a urotropina adicionada à
resina fenólica, entre outros.
2.3.4. Aceleradores de Vulcanização
Em combinação com os agentes de vulcanização, esses ingredientes
reduzem o tempo de vulcanização (tempo de cura), aumentando a taxa de
vulcanização. Na maioria dos casos, as propriedades físicas dos compostos
também são aprimoradas. Alguns exemplos de acelerantes: MBT, MBTS, TMTD,
CBS, DPG (GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).
2.3.5. Ativadores
Esses ingredientes formam complexos químicos com os aceleradores, e
assim auxiliam na obtenção do maior rendimento do sistema de aceleração
aumentando-se as taxas de vulcanização e melhorando-se as propriedades do
22
composto. Alguns exemplos de ativadores: PEG, ZnO, ácido esteárico (GRISON,
BECKER e SARTORI, 2010).
2.3.6. Antidegradantes
Antioxidantes, antiozonantes, e outros tipos de materiais utilizados para se
reduzir o processo de envelhecimento dos compostos vulcanizados. Eles tem a
função de diminuir a deterioração dos produtos de borracha. A deterioração
ocorre através de reações com materiais que catalisam as falhas nos compostos
de borracha. Alguns exemplos de antidegradantes: 6PPD, TMQ, Vulcanox
(MORTON, 1999).
2.3.7. Plastificantes
Os plastificantes atuam sobre os elastômeros através de seu poder de
solvente e de inchamento. Podem ser divididos em: plastificantes primários, ou
verdadeiros, que atuam como solventes; e plastificantes secundários, ou
diluentes, que atuam como diluentes do elastômero. Os plastificantes primários
são compatíveis em qualquer proporção. Os plastificantes secundários não
dissolvem o polímero, apenas reduzem o coeficiente de atrito (GRISON, BECKER
e SARTORI, 2010).
Os plastificantes podem ser considerados como aditivos de processamento
uma vez que alteram as propriedades físicas e de processamento da mistura.
Alguns exemplos de plastificantes: DBP, DOP, DOA, Flexbor, Flexnap 926
(GRISON, BECKER e SARTORI, 2010).
23
2.4. Processo de Mistura dos Compostos de Borracha
O processo de mistura de borracha é fundamental para a obtenção de uma
boa dispersão e homogeneização dos ingredientes de uma dada formulação,
conforme discutido anteriormente, resultando em um composto de borracha ideal
para que o produto final possa ter o desempenho e características desejadas.
Esse processo se dá em uma sala de mistura, onde os mais variados tipos
de ingredientes passam por várias etapas, incluindo maquinários e equipamentos
utilizados para a obtenção do composto final.
No presente estudo, os equipamentos utilizados são um misturador interno
de rotores, conhecido como Banbury e um moinho aberto de cilindros (cilindros
misturadores).
Primeiramente, os diversos ingredientes presentes na formulação são
pesados precisamente. O conjunto de todos os ingredientes devidamente
pesados é denominado como “Carga”. A finalidade dessa atividade de pesagem é
atingir o valor do peso ideal da carga que será utilizada no Banbury, bem como a
proporção adequada de todos os ingredientes, de acordo com a formulação do
composto.
Essa carga é separada em um carrinho para ser transportada até o
Banbury, onde será realizada a homogeneização e dispersão dos ingredientes, a
fim de se obter as propriedades desejadas na mistura.
O Banbury é um misturador interno de rotores, equipamento utilizado para
realizar a quebra dos elastômeros, até que fiquem em um estado adequado para
a incorporação dos ingredientes, e promover uma mistura ideal de todos os
componentes de determinado composto, em uma velocidade satisfatória (EVANS,
1981).
Esse equipamento é composto por três grandes conjuntos: O módulo de
alimentação, o módulo de mistura e o módulo de transporte (EVANS, 1981).
24
Figura 1: Banbury MIR – 80.
(COPÉ & CIA. LTDA., 2014).
O módulo de alimentação compreende a seção do cesto de alimentação,
por onde os ingredientes a serem misturados são adicionados, e o pilão flutuante,
que força esses materiais para dentro da câmara de mistura (EVANS, 1981).
O módulo de mistura inclui a câmara de mistura fechada, rotores e a porta
de descarga dos materiais, por onde será despejada a carga misturada. Os
rotores giram em sentidos opostos e com velocidades diferentes para manter a
carga em constante circulação (EVANS, 1981).
A mistura é realizada através de quatro ações diferentes: moagem,
amassamento, cortes longitudinais e sobreposições laterais. A moagem é a
elevada ação de cisalhamento promovida pelos rotores no material nos espaços
vazios, nas periferias da câmara (EVANS, 1981).
Devido aos ângulos das hélices das pás dos rotores, o material é
movimentado em direção ao centro da câmara de mistura, ocasionando cortes
longitudinais. Por causa das diferentes velocidades dos rotores, ocorre intensa
ação de amassamento e sobreposições laterais do material de um lado para o
outro da câmara. Essas quatro ações, juntamente com um controle de
temperatura adequado da câmara de mistura, resultam em compostos de alta
qualidade com tempos de mistura relativamente curtos (EVANS, 1981).
25
Após essas ações terem sido efetuadas, o material é descarregado em
uma esteira, que conduz o material diretamente a um misturador aberto de
cilindros (moinho aberto). Um moinho aberto consiste em dois cilindros paralelos
idênticos, com a distância de estreitamento ajustável. Os cilindros podem ser
aquecidos ou resfriados, conforme as necessidades (EVANS, 1981).
O composto de borracha é passado nos rolos algumas vezes e a mistura
ocorre pela ação de cisalhamento induzida pelo estreitamento entre os rolos.
Figura 2: Misturador aberto de cilindros.
(Fonte: Do autor).
Esses cilindros são utilizados para concluir a homogeneização da mistura
realizada no Banbury e as cargas são retiradas em formas de mantas.
Após essa etapa, as mantas são resfriadas por um curto período de tempo,
em um tanque de resfriamento contendo água, passadas por um outro tanque
contendo uma solução que evita a pegajosidade dos compostos de borracha e
segregados em pallets, onde aguardam a aprovação dos testes de qualidade para
serem utilizados no processo produtivo.
26
2.5. Testes de Qualidade dos Compostos de Borracha
As principais causas de defeitos nos compostos finais são: Não
uniformidade das propriedades mecânicas, falta de homogeneização e baixa
dispersão dos ingredientes (CIESIELSKI, 1999).
Isso ocorre devido a vários fatores, como matérias-primas não conforme,
erros na pesagem dos ingredientes, controle impreciso das variáveis do processo
de mistura (CIESIELSKI, 1999).
Para garantir os objetivos do processo de mistura, assim como economizar
energia e força de trabalho, se torna necessário exercer um bom controle dos
equipamentos e do processo como um todo (CIULLO e HEWITT, 1999).
Para que os compostos possam ser utilizados na produção, é preciso se ter
certeza de que os materiais fornecidos pelo departamento de mistura apresentam
um comportamento de fluxo razoavelmente consistente (CIULLO e HEWITT,
1999).
Assim, é extremamente necessário voltar a atenção para os procedimentos
dos testes e instrumentos utilizados para medir duas das mais críticas
propriedades dos compostos de borracha: processabilidade e vulcanização.
Essas características são fundamentais porque elas definem o tipo de operação
disponível para converter os compostos não vulcanizados em um produto
utilizável. Portanto, para se identificar essas características, são utilizados os
Testes de Tração e Reometria (CIULLO e HEWITT, 1999).
2.5.1. Teste de Tração
Para a realização dos testes de tração, primeiramente deve-se vulcanizar,
utilizando-se uma prensa, um pequeno pedaço do composto de borracha
produzido. Desse pedaço retiram-se quatro amostras em forma de halteres, com
27
aproximadamente 2 mm de espessura. Segue abaixo uma ilustração do corpo de
prova:
Figura 3: Corpo de prova para o teste de tração.
(CIESIELSKI, 1999).
Os corpos de prova são, então, esticados em uma maquina de teste de
tração e a força requerida para esticar as amostras é medida. Valores de tensão
(força por unidade da área da seção transversal original a qual é aplicada a força,
no momento da ruptura da amostra) são registrados nos vários níveis de
extensão, até o momento da ruptura. A extensão é definida como alongamento,
que é a habilidade da borracha de se esticar sem que haja a ruptura. Para
descrever essa propriedade como uma medida, é mais adequado definir como
alongamento máximo, uma vez que esse valor é expresso como uma
porcentagem do seu comprimento original, no momento da ruptura (MORTON,
1999).
Os valores de tensão antes do momento da ruptura fornece o Módulo da
amostra. Para a borracha, Módulo significa o valor de tensão a um dado
alongamento. Números de Módulo a um alongamento de 100%, 200%, 300% são
comumente utilizados nas indústrias (MORTON, 1999).
Uma função importante do Ensaio de Tração é determinar o quão bem os
ingredientes estão dispersos no composto de borracha. Por exemplo, se o negro
de fumo estiver mal disperso, a tensão de ruptura do composto vulcanizado será
menor do que deveria. Um baixo estado de cura, devido a uma quantidade
insuficiente dos agentes de vulcanização, assim como um tempo de cura ou
temperaturas inadequados, também irá fornecer um valor mais baixo do que o
esperado de tensão de ruptura (CIESIELSKI, 1999).
28
2.5.2. Vulcanização e Reometria
As propriedades dos compostos de borracha podem ser dramaticamente
alteradas realizando-se reações químicas de ligação entre as cadeias poliméricas
dos mesmos, conhecidas como ligações cruzadas, em uma temperatura e
pressão elevadas. Esse processo, mais comumente efetuado com enxofre, é
conhecido como processo de cura, ou vulcanização. Durante esse processo, o
composto se transforma de um material essencialmente plástico para um material
elástico. Como resultado, sua resistência à deformação aumenta, assim como sua
força, resiliência e dureza (CIESIELSKI, 1999).
Figura 4: Processo de Vulcanização.
(WILEY, 2002).
Os testes de vulcanização são utilizados para medir o desempenho dos
compostos durante esse processo. Uma vez que o processo de cura é
basicamente uma reação química, a temperatura é a variável mais importante no
comportamento dos testes de vulcanização (CIESIELSKI, 1999).
A reometria é o teste que identifica as características desejadas para o
composto nesse processo de vulcanização.
Os testes de reometria são realizados em um equipamento conhecido
como reômetro. Os dois tipos mais comumente utilizados são o ODR (Oscillating
29
Disc Rheometer), que possui um rotor oscilante e câmara fixa, e o MDR (Moving
Die Rheometer), que possui uma câmara oscilante.
No presente estudo, será utilizado e explorado apenas o reômetro do tipo
ODR.
O reômetro ODR possui um rotor oscilante e, como os compostos de
borracha vulcanizados podem ser esticados até certo ponto sem que ocorra a
ruptura, as oscilações são medidas dentro desse limite. A magnitude da oscilação
é medida em graus de arco, 1° e 3° são os mais comuns, e a taxa de oscilação
sugerida é de 1,7 Hz (MORTON, 1999).
Figura 5: Esquema de um reômetro ODR.
(MORTON, 1999).
A máquina plota um gráfico de torque versus tempo para qualquer
temperatura dada. Toda a extensão da cura, e além desse ponto, pode ser
registrada. Por exemplo, a reversão (ou sobrecura), ponto em que os compostos
vulcanizados se quebram devido ao aquecimento prolongado, pode ser medida.
A Figura 6 apresenta uma curva normal de vulcanização:
30
Figura 6: Curva reométrica e suas etapas.
(MORTON, 1999).
Antes de se realizar uma análise sobre as curvas reométricas é preciso
entender alguns termos e conceitos importantes sobre esse processo:
Propriedades Reológicas: Reologia é a ciência que estuda o
escoamento e a deformação da matéria sob a ação de uma força ou
mais frequentemente de um campo de forças. Em outras palavras, é
o estudo da resposta interna dos materiais quando da aplicação de
diferentes forças. Quando uma pequena tensão é aplicada a um
material sólido, uma deformação se inicia. O material irá continuar a
se deformar até que as tensões moleculares (internas) se
estabeleçam e se equilibrem com as tensões externas. A maioria
dos sólidos exibe algum grau de resposta elástica, onde existe uma
completa recuperação da deformação após a remoção das tensões
de deformação. O material sólido mais simples é o sólido elástico de
Hooke, cuja deformação é diretamente proporcional à tensão
aplicada. A resposta elástica também pode ser exibida pelos
materiais não-Hookeanos, cuja deformação não está linearmente
31
relacionada à tensão aplicada (COUTINHO, F. M. B.; FURTADO, C.
R. G.; GUERRA, B. B., 2004).
Scorch: Esse termo indica a vulcanização prematura. O composto se
torna vulcanizado durante o processamento. Isso reduz as
propriedades plásticas do composto, interferindo nas operações de
composição do material, arruinando o produto final. Scorch é o
resultado dos efeitos combinados de temperatura e tempo em um
composto de borracha. O termo “scorch time”, conhecido também
como “tempo de queima”, geralmente define o tempo em que se
dará início o processo de vulcanização em um determinado
composto, a uma dada temperatura, o que representa o tempo
disponível para se realizar o processamento desse composto
(MORTON, 1999).
Taxa de Cura: A taxa de cura (taxa de reticulação) é a taxa na qual a
rigidez (módulo) do composto se desenvolve, após o tempo de
queima. Durante esse período, o composto se transforma de um
plástico mole para um material elástico resistente, característica
requerida no seu uso final. Esse efeito é resultado da introdução de
ligações cruzadas conectando as longas cadeias poliméricas.
Quanto mais ligações cruzadas são formadas, as cadeias se tornam
mais compactas e a rigidez do composto, ou módulo, aumenta
(MORTON, 1999).
Tempo de Cura: É o tempo requerido durante a etapa de
vulcanização para que ocorram as quantidades necessárias de
ligações cruzadas, alcançando-se o nível desejado das propriedades
do composto. O tempo de cura é composto pelo tempo de queima e
tempo de vulcanização, esse último sendo controlado pela Taxa de
Cura (MORTON, 1999).
Sobrecura: Um tempo de cura que é maior que o resultado ótimo, é
uma sobrecura. Existem dois resultados possíveis de sobrecura,
32
dependendo do tipo de borracha e do sistema de cura. O composto
pode continuar endurecendo, ocasionando a perda da resistência a
tração e alongamento, ou o composto pode amolecer, ocasionando
uma perda no módulo, tensão e alongamento. Esse último efeito é
mais conhecido como “reversão” e é mais notável nas borrachas
naturais (MORTON, 1999).
2.5.2.1. Análise da Curva Reométrica e Procedimentos do Teste
O teste consiste em se colocar uma peça de borracha não vulcanizada no
rotor aquecido e a cavidade do molde superior é imediatamente abaixada até a
cavidade inferior, dessa forma enchendo-se as cavidades.
Conforme se pode perceber na ilustração acima, ocorre uma elevação imediata
no torque no inicio do teste, após o fechamento das cavidades aquecidas. No
topo da primeira “corcova” da Figura 7 o composto ainda não absorveu muito
calor dos seus arredores e, uma vez que a viscosidade é dependente da
temperatura, esse ponto será um pouco mais elevado nos primeiros segundos.
Conforme o composto absorve calor do equipamento, ele amolece. A sua
temperatura então se estabiliza, e a sua viscosidade tem um valor constante
antes do início da cura, supondo-se que esse intervalo não seja mascarado por
um tempo muito curto de queima. Esse é o primeiro ponto importante da curva. É
a mínima viscosidade da borracha na temperatura e grau de oscilação escolhidos,
cujo símbolo é dado por ML. As nomenclaturas utilizadas para esses parâmetros
foram definidas pela ASTM (CIESIELSKI, 1999).
33
Figura 7: Curva reométrica e seus principais parâmetros.
(Rocha, E. C.; Lovison, V. M. H.; Pierozan N., 2003).
Depois de certo tempo, a viscosidade (torque) começa a se elevar,
indicando que o processo de cura (vulcanização ou ligações cruzadas) começou.
O tempo desde o fechamento das cavidades até esse momento é a próxima
propriedade importante da curva, conhecido como tempo de queima (scorch
time). Esse parâmetro possui o símbolo ts1, que significa a quantidade de minutos
necessária para aumentar em 1 dN.m acima de ML (para o arco de 1°). Se o arco
de 3° for utilizado, então um tempo de queima de símbolo ts2 é empregado, que é
a elevação de 2 dN.m acima de ML (CIESIELSKI, 1999).
O torque continua a crescer, até que não haja mais um crescimento
significativo. Nesse ponto o composto está vulcanizado, e seu máximo torque é
identificado com o símbolo MH (CIESIELSKI, 1999).
A última informação de extrema importância que deve ser extraída da curva
é o tempo necessário para se completar o processo de cura, conhecido como
tempo de cura. O símbolo utilizado para esse parâmetro é o t’x, onde x pode ser
entendido como a porcentagem de vulcanização em determinado ponto. Por
exemplo, para o ponto t’90, significa que, nesse ponto, ocorreu 90% da
vulcanização total do composto (CIESIELSKI, 1999).
34
2.5.2.2. Características dos parâmetros reométricos
Para um dado composto, o químico estabelecerá um valor numérico e uma
variação permitida para as propriedades reológicas que foram discutidas até aqui.
Se o valor de ML está fora dos limites permitidos, isso pode indicar o
seguinte:
Se o composto possuir muito negro de fumo ou pouco plastificante,
ele apresentará um valor anormalmente alto para ML. Pouco negro
de fumo ou muito plastificante dará o resultado oposto (CIESIELSKI,
1999).
Alguns elastômeros tendem a reduzir sua viscosidade durante a
mistura, principalmente a borracha natural. Se o composto for
processado excessivamente, a viscosidade do material pode cair
suficientemente para resultar em um valor de ML extremamente
baixo (CIESIELSKI, 1999).
ts1 ou ts2: O estabelecimento de um tempo de queima mínimo é essencial para
se ter um processamento seguro de um composto de borracha, em qualquer
equipamento que será utilizado para moldar o composto para ser utilizado no
produto final, onde ocorre o aquecimento do composto (CIESIELSKI, 1999).
MH: Se um valor de ML é estabelecido, então assume-se que o MH nos dá
informações sobre o sistema de cura, e portanto, o grau de ligações cruzadas
presentes no elastômero. Se forem adicionadas quantidades insuficientes de
aceleradores de cura no composto durante a mistura, então o MH será baixo. O
contrario se aplica, caso exista uma grande quantidade de aceleradores de
vulcanização durante a mistura (CIESIELSKI, 1999).
35
2.6. Análise da Capacidade do Processo
Em todas as atividades, os fornecedores devem satisfazer requerimentos
da qualidade estabelecidos pelos clientes, para satisfazer esses requerimentos há
necessidade de que as mais significativas características da qualidade processo
tenham valores dentro de limites de tolerância especificados. O objetivo da
Análise de Capacidade é diagnosticar se os processos são capazes de satisfazer
os requerimentos dos clientes (PORTALACTION, 2014).
Para essa análise são utilizados os Índices de Capacidade do Processo:
Cp e Cpk. O Cp (Índice de Capacidade Potencial do Processo) é o índice
que aponta se o processo está fabricando produtos dentro de uma faixa de
especificação e assim indicam se a produtividade está o suficientemente
aceitável. O Cpk (Índice de Capacidade do Processo), além de indicar o mesmo
que o Cp, também leva em conta a centralização dos produtos obtidos, ou seja, o
quanto os produtos estão próximos do valor nominal de determinado
parâmetro. Estes índices são muito importantes na fase do desenvolvimento de
produto, pois nesta fase inicial, a análise do histórico dos índices de capacidade
de peças similares podem permitir que sejam escolhidos processos e
especificações coerentes que sejam eficazes estatisticamente. Adicionalmente,
eles também se fazem importantes durante a homologação do processo, pois
podem revelar processos problemáticos antes da entrada de produtos na linha de
produção.
Para calcular os índices, é necessário que primeiro seja definida uma
característica a ser medida. Após isto, é necessário colher amostras de medições
desta característica. Quanto maior for o índice Cp, menor a probabilidade da
característica de qualidade medida estar fora das especificações, o que indica
que haveria menos produtos defeituosos durante o processo produtivo.
De um ponto de vista prático, o índice Cpk é mais avançado do que o Cp,
porque pode ser utilizado para medir as características de qualidade, onde
apenas um limite de especificação é importante.
36
Se o índice Cp ou Cpk de um processo for menor que 1, significa que as
especificações não estão sendo cumpridas com certa frequência. O ideal é que o
Cp ou Cpk seja maior que 1 sendo que tipicamente é desejado o valor de 1,33,
que significa 64 ppm de produtos fora de especificação. A Figura 10 apresenta os
tipos de gráficos obtidos com esses índices (SILVEIRA, 2012).
38
3. OBJETIVO GERAL
Esse projeto visou identificar as causas das variações no processo de
mistura dos compostos de borracha e definir padrões para que esse processo se
tornasse estável, resultando em curvas reométricas com valores muito
aproximados e estreitos, diminuindo-se as variações nos valores dos parâmetros
das curvas. Desta forma foi possível maximizar a utilização das matérias-primas e
equipamentos, garantindo-se o melhor desempenho possível do produto final e
uma excelente relação custo-benefício do composto de borracha em estudo.
39
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar o objetivo principal foram realizados os seguintes objetivos
específicos:
Mapeamento de todo o processo de mistura do composto;
Análise das variáveis encontradas no processo e realização de testes
experimentais para avaliação dos resultados obtidos;
Implantação e análise de melhorias nas diversas etapas do processo.
40
5. METODOLOGIA
5.1. Definição da Equipe do Projeto
Para o estudo, avaliação e implantação desse projeto, foi criada uma
equipe multidisciplinar, a qual realizou reuniões frequentes para análise do
processo e debates sobre o andamento do projeto e discussões acerca dos
resultados obtidos.
O presente projeto foi conduzido da seguinte maneira:
Análise dos parâmetros das curvas reométricas obtidas do composto em
estudo;
Análise da capacidade do processo;
Definição da relevância das variáveis do processo e dos testes a serem
executados;
Proposta de melhorias e intervenções no processo;
Análise dos dados obtidos, após implementação das melhorias no
processo;
Comparação dos dados posteriores ao estudo em relação aos dados
anteriores à aplicação do projeto.
Para se analisar cada etapa do processo, isolou-se a variável em estudo e
as outras variáveis foram mantidas o mais próximo possível das condições ideais,
para que as alterações obtidas nas curvas reométricas correspondessem apenas
à variável em estudo, visando eliminar outras interferências.
5.2. Definição das causas raízes e relevância das variáveis do processo
Diante da problemática apresentada, foi realizada uma reunião com a
equipe de melhorias para esse projeto, para a elaboração de um Brainstorming,
onde o objetivo principal foi coletar o máximo de informações sobre o processo e
41
determinar quais seriam os fatores mais importantes para a obtenção de curvas
reométricas dentro do especificado, com o objetivo de se levantar todas as
causas raízes possíveis no processo de mistura que podem levar a falhas no
composto final, que serão detectadas pelo Reômetro.
Após a realização do Brainstorming, a equipe definiu os seguintes fatores,
que poderiam impactar na análise reométrica:
Viscosidade da borracha NBR; Viscosidade do Óleo (Plastificante); Parâmetros das Matérias-Primas; Falhas na Pesagem; Calibração das Balanças; Perda de Matérias-Primas durante o processo; Tempo do Banbury; PLC do Banbury (Ajustar o Automático); Temperatura do Banbury; Quantidade de passagens da manta pelo moinho – Padronizar; Testes em diferentes partes da mesma manta; Choque Térmico na amostra (Testes para averiguar se influencia na
amostra); Sujeira do Reômetro; Calibração do reômetro; Temperatura do Reômetro.
5.3. Recebimento de Matérias-Primas
Todas as matérias-primas recebidas pela empresa analisada são acompanhadas pelos respectivos certificados de análise, enviados juntos aos produtos pelos fornecedores, contendo informações específicas que devem atender, obrigatoriamente, às especificações determinadas pela empresa.
Como a empresa não realiza nenhum tipo de testes nas matérias-primas, a aceitação, ou não, de determinada matéria-prima é baseada no certificado de análise enviado pelos fornecedores.
Para garantir que as matérias-primas utilizadas pela empresa estejam nas condições adequadas para uso no processo, o setor de recebimento deve preencher um Laudo de Inspeção, que contem todos os dados e especificações necessários.
42
Foi realizado um treinamento com a equipe de recebimento de materiais para que se entendesse a importância de cada parâmetro e de cada matéria-prima, a fim de se evitar possíveis problemas relacionados às especificações e exigências do processo.
Além disso, foi elaborado um Laudo de Inspeção à prova de erros, onde a planilha a ser preenchida indica um erro, quando o mesmo existir.
6. MATERIAL
6.1. Composto de Borracha
Para o presente estudo foi utilizado um composto de borracha sintético de
base nitrílica, que é o composto de maior volume e importância para a
empresa estudada, utilizado em cerca de 80% das mangueiras produzidas.
A escolha desse composto, além da importância do mesmo, se deu pela
grande quantidade de dados disponíveis e produção frequente, facilitando a
coleta de novos dados e a realização de testes e experimentações.
6.2. Preparação dos Corpos-de-prova
Após a produção da carga no Banbury, o composto de borracha é
trabalhado em um misturador aberto de cilindros, para homogeneização e
moldagem do composto no formato de mantas.
A cada produção de uma carga no Banbury, retiram-se cinco mantas, onde,
de uma delas, será retirado um pedaço de borracha para a preparação do corpo-
de-prova cilíndrico, que será utilizado na análise reométrica.
43
6.3. Equipamento para medição
Para a determinação das curvas reométricas foi utilizado um Reômetro
ODR, conforme explicado anteriormente, na Revisão Bilbliográfica desse estudo.
Os testes reométricos são realizados em 100% das cargas produzidas.
6.4. Análise da Capacidade do Processo
Utilizou-se o software Minitab 15 para a análise da capacidade do
processo.
44
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO
7.1 Análise das curvas reométricas
A fim de se obter um panorama geral sobre a variação do processo antes
da implantação do projeto, analisaram-se as curvas de diferentes cargas
produzidas no mesmo dia, no mesmo mês e nos diferentes meses do primeiro
semestre de 2014, conforme demonstrado nas Figuras 9 e 10 e nas Tabelas 2 e
3.
Figura 9: Curvas Reométricas - Alterações entre cargas do mesmo dia e mesmo mês.
(Fonte: Do Autor).
45
Tabela 2: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 9.
COMPOSTO 640-99 Número da Carga
Data do Teste
ML (Lb.in)
T10 (min)
T90 (min)
MH (Lb.in)
COR
10 03/01/14 14,03 1,37 2,68 87,43 VERDE
24 03/01/14 12,03 1,41 2,71 77,92 VERMELHO
10 18/01/14 11,73 1,60 2,78 74,22 AZUL
10 31/01/14 17,04 1,33 2,64 102,46 MARROM
(Fonte: Do autor).
Figura 10: Curvas Reométricas – Alterações entre o primeiro semestre de 2014.
(Fonte: Do autor).
46
Tabela 3: Valores numéricos das curvas reométricas da Figura 10.
COMPOSTO 640-99 Número da Carga
Data do Teste
ML (Lb.in)
T10 (min)
T90 (min)
MH (Lb.in)
COR
10 18/01/14 11,73 1,60 2,78 74,22 VERDE
10 19/02/14 16,12 1,26 2,67 87,52 VERMELHO
10 14/03/14 13,46 1,58 2,77 81,27 AZUL
10 16/04/14 15,72 1,37 2,63 97,64 MARROM
10 21/05/2014 17,12 1,38 2,63 114,23 FUCSIA
10 24/06/2014 13,59 1,40 2,63 104,21 OLIVA
De acordo com os dados reométricos analisados, pode-se observar a
grande diferença entre as curvas obtidas, demonstrando que o processo é
inconstante, ou seja, as curvas não se sobrepõem umas às outras, demonstrando
uma considerável variação entre as diferentes cargas produzidas.
Essas variações entre as diferentes curvas demonstram que o processo
precisa ser otimizado a fim de se evitar a fabricação de produtos fora do
especificado.
Para se confirmar e mensurar essas variações, foi realizada uma análise
da capacidade do processo, para o cálculo de Cp e Cpk.
Para análise da capacidade do processo, foram coletados dados de todas
as curvas reométricas de 2013 e do primeiro semestre de 2014, a fim de se
calcular o Cp e Cpk, utilizando-se o software Minitab 15. As Figuras 11,12, 13 e
14 representam a capabilidade do processo, separada pelos parâmetros ML, t10,
t90, MH, respectivamente.
(Fonte: Do autor).
47
Figura 11: Capabilidade do Processo – ML.
(Fonte: Do autor).
Figura 12: Capabilidade do Processo – t10.
(Fonte: Do autor).
48
Figura 13: Capabilidade do Processo – t90.
(Fonte: Do autor).
Figura 14: Capabilidade do Processo – MH.
(Fonte: Do autor).
49
Além de todos esses dados, verificou-se, também, que 5% de todas as
cargas produzidas em 2013 apresentou algum tipo de falha, gerando uma perda
de 9900 Kg nesse ano, o que significa um prejuízo de, aproximadamente, R$
105.000,00.
Logo, de acordo com a análise realizada, é possível enfatizar a importância
de se otimizar o processo estudado, a fim de torná-lo mais satisfatório e capaz.
50
7.2. Mapeamento do Processo
A partir dos dados levantados durante a realização do Brainstorming realizado pela equipe de melhorias, foi possível fazer o Mapeamento do Processo, conforme ilustrado na Figura 15, para ajudar na organização dos testes e avaliação dos impactos de cada um desses itens no composto final.
Figura 15: Mapeamento do Processo de Mistura (Fonte: Do autor).
(Fonte: Do autor).
7.3. Pesagem
Na área de pesagem das cargas dos compostos de borracha, antes de
qualquer análise, foi implantado um plano semanal de calibração das balanças,
para se garantir a eficiência e precisão das mesmas.
51
As matérias-primas eram pesadas em sacos plásticos e movimentadas em
um suporte com rodas entres os setores de pesagem até o destino final, o
Banbury. Para se evitar a perda dessas matérias-primas durante o deslocamento
e a pesagem, alterou-se a forma de coleta dos componentes, de sacos plásticos,
para caixas plásticas, devidamente fechadas com tampas e identificadas.
Para a análise do impacto da pesagem inadequada foram realizados testes
práticos. Foram pesadas oito cargas diferentes variando-se, aleatoriamente, o
peso das matérias-primas apresentadas na formulação do composto, com
alterações maiores do que cem gramas, tanto para mais quanto para menos do
que o especificado.
Dessa maneira foi possível observar qual a alteração causada no composto
final, no caso de uma pesagem descuidada, fora das especificações, conforme
ilustrado na Figura 16 e na Tabela 4.
Figura 16: Curvas Reométricas – Pesagem descuidada.
(Fonte: Do autor).
52
Tabela 4: Dados da figura 16.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 15,52 1,34 2,64 105,65 VERDE
2 16,06 1,23 2,56 121,17 VERMELHA
3 33,91 1,19 2,50 127,56 AZUL
4 33,10 1,34 2,64 119,08 MARROM
5 16,15 1,80 2,85 78,35 ROSA
6 21,27 1,48 2,71 101,99 OLIVA
7 14,53 1,50 2,79 78,73 PRETA
8 11,58 1,34 2,52 94,68 LIMA
Em seguida, pesaram-se oito cargas seguindo-se, rigorosamente, o peso
estipulado na formulação, tomando-se o devido cuidado para que não houvesse
divergências na pesagem das oito cargas. As curvas estão representadas na
Figura 17 e na Tabela 5.
Figura 17: Curvas Reométricas – Pesagem de acordo com as especificações.
(Fonte: Do autor).
(Fonte: Do autor).
53
Tabela 5: Dados da figura 17.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 15,10 1,42 2,66 97,87 VERDE
2 14,30 1,35 2,61 108,74 VERMELHA
3 13,89 1,39 2,64 101,96 AZUL
4 13,59 1,33 2,62 106,83 MARROM
5 11,58 1,34 2,52 94,68 ROSA
6 15,52 1,36 2,62 106,31 OLIVA
7 14,49 1,38 2,64 103,74 PRETA
8 18,03 1,33 2,63 114,06 LIMA
Analisando-se os dados dessa análise, pode-se perceber que há uma
enorme variação nas cargas pesadas de maneira descuidada, enquanto que nas
cargas pesadas corretamente, o problema foi atenuado e a diferença entre as
curvas foi muito pequena.
Para resolver essa situação, dado a criticidade verificada na etapa de
pesagem, implantou-se um engenhoso sistema automatizado, onde as influências
do operador seriam mínimas.
Foi desenvolvido um dispositivo que controla as variações de pesagem e
demonstra quando a matéria-prima foi pesada adequadamente, de acordo com a
formulação estipulada.
A balança é conectada a um software que, através de um monitor, mostra a
formulação, qual a matéria-prima a ser pesada e qual a quantidade ideal que
deverá ser pesada. Caso o peso da matéria-prima não esteja dentro dos limites
especificados o sistema não permitirá continuar a pesagem da próxima matéria-
prima da formulação, obrigando o operador a adicionar a quantidade exata para
todas as matérias-primas.
Assim que todos os componentes são pesados, o sistema emite uma
etiqueta de aprovação eletrônica, que fica armazenada no sistema, e libera as
pesagens das próximas cargas. Dessa forma, garante-se que a etapa de
pesagem foi realizada adequadamente.
(Fonte: Do autor).
54
7.4. Banbury
A fim de analisar a relação entre temperatura de descarga e alteração na
curva reométrica, foram realizadas oito medições de temperatura, utilizando-se
um pirômetro, conforme mostrado na Tabela 7, no momento em que o composto
era despejado do Banbury, de cargas selecionadas aleatoriamente, em diferentes
dias de produção e analisadas as suas respectivas curvas reométricas. A Figura
18 e a tabela 6 demonstram os resultados desses testes.
Figura 18: Curvas Reométricas – Diferentes temperaturas de descarga.
(Fonte: Do autor).
55
Tabela 6: Dados da figura 18.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 14,02 1,44 2,73 79,91 VERDE
2 15,22 1,34 2,67 85,12 VERMELHA
3 14,12 1,43 2,71 87,22 MARROM
4 14,82 1,43 2,73 86,22 AZUL
5 18,86 1,52 2,73 100,45 ROSA
6 13,89 1,37 2,62 107,13 OLIVA
7 14,10 1,28 2,56 113,01 PRETA
8 20,79 1,40 2,70 106,57 LIMA
(Fonte: Do autor).
Tabela 7: Medições das temperaturas de descarga dos compostos.
(Fonte: Do autor).
Pode-se observar, através dos dados obtidos, que existe uma grande
variação de temperatura ao se processar o composto no Banbury.
A temperatura ideal para esse composto é de, aproximadamente, 104,0 ⁰C,
porém o equipamento não apresentava condições para manter a temperatura
desejada.
Para se tentar resolver esse problema foi utilizado um inversor de
frequência.
Um inversor de frequência nada mais é do que um equipamento eletrônico
capaz de variar a velocidade de giro de motores elétricos trifásicos. O inversor de
frequência tem como principal função alterar a frequência da rede que alimenta o
motor, fazendo com que o motor siga frequências diferentes das fornecidas pela
Cargas Temperatura (?C)
1 121,6
2 112,7
3 131,5
4 98,3
5 109,4
6 118,9
7 122,1
8 103,4
56
rede, que é sempre constante. Desta forma podemos facilmente alterar
a velocidade de rotação do motor de modo muito eficiente (LINO, 2014).
Também foi instalado um sensor de temperatura, que permite ao operador
saber qual é a temperatura exata do composto dentro do misturador.
Durante o estudo acerca do Banbury, também foi verificado um problema
no ajuste do Programador Lógico de Controle (PLC). Esse equipamento não
estava funcionando adequadamente, acarretando em variações no tempo de
mistura do Banbury. Os operadores precisavam desligar o modo automático e
acionar o pilão do Banbury manualmente, para que fosse possível uma correta
homogeneização do composto.
O PLC foi então reajustado e os tempos de mistura, após vários testes
cronológicos, foram redefinidos, para que não houvesse intervenção dos
operadores durante a mistura do composto no Banbury.
7.5. Misturador Aberto de Cilindros
Um dos grandes problemas verificados durante a etapa em que se utiliza o
misturador aberto de cilindros (moinho) foi que os operadores não possuíam um
padrão para saber quantas vezes o composto deveria ser homogeneizado no
equipamento. A cada carga produzida, o composto era homogeneizado de
maneira aleatória por cada operador, alterando-se a quantidade de vezes em que
as cargas passavam pelos rolos.
Para analisar o impacto que essa operação desordenada ocasionava aos
compostos produzidos, foram retiradas cinco mantas, as quais foram passadas
uma quantidade definida de vezes diferentes pelos rolos.
A carga nomeada de A2 foi passada duas vezes pelo moinho, a carga A4,
quatro vezes, a carga A6, seis vezes e a carga A8, oito vezes. Com isso, foi
possível obter as curvas reométricas para cada uma delas, conforme consta na
Figura 19 e Tabela 8, a fim de se fazer um comparativo entre as cargas.
57
Figura 19: Curvas Reométricas – Homogeneização do composto no Moinho.
(Fonte: Do autor).
Tabela 8: dados da figura 19.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 10,87 1,34 2,54 91,56 AZUL
2 12,89 1,32 2,52 94,45 VERMELHA
3 14,40 1,32 2,60 107,43 VERDE
4 14,50 1,45 2,67 78,37 MARROM
A partir da análise das curvas reométricas obtidas, foi possível perceber
uma diferença considerável entre as diferentes cargas, indicando que a
quantidade de passagens do composto pelo misturador aberto de cilindros,
ocasiona um impacto no composto final.
(Fonte: Do autor).
58
7.6. Reômetro
O reômetro é operado por diferentes funcionários, que acabam não
recebendo o devido treinamento sobre como operar e manter o equipamento da
melhor maneira possível, a fim de se evitar possíveis deteriorações prematuras e
desvios nos testes. Também é importante que os funcionários entendam a
importância de cada peça e, pelo menos, um pouco do processo o qual estão
operando.
Percebeu-se durante o estudo, que a limpeza do reômetro não era
realizada da maneira determinada, que as câmaras do mesmo eram mantidas
abertas por um longo período de tempo, fazendo com que a temperatura do teste
fosse alterada da ideal, e que a calibração não era testada pelos operadores, a
fim de se perceber se o equipamento estava em bom funcionamento.
Para sanar esses problemas foi incluído o tema reometria nas reuniões de
resposta rápida, que são utilizadas para verificar se os operadores estão cientes
dos procedimentos internos de determinado setor, e também foi realizada a Lição
de Um Ponto (LUP), para se ter certeza de que todos os colaboradores
envolvidos tiveram ciência e participação nos treinamentos e orientações
apresentadas.
Dessa forma, foi possível garantir que todos os operadores realizassem
devidamente a limpeza do reômetro e se preocupassem com a data de
calibração, bem como com as outras peças envolvidas, e também tivesse ciência
do impacto que o mau uso do equipamento poderia ocasionar nas analises dos
compostos.
Outros fatores estudados sobre os corpos de prova utilizados na reometria
foram se as mantas produzidas possuíam diferenças ao longo de toda sua
superfície e se o armazenamento das amostras em diferentes locais produziria
algum efeito na analise reométrica.
Foram retirados pedaços de borracha da mesma manta, para analisar as
diferentes curvas reométricas obtidas, demonstradas na Figura 20 e Tabela 9.
59
Figura 20: Curvas Reométricas – Análise da manta de borracha.
(Fonte: Do autor).
Tabela 9: Dados da figura 20.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 13,49 1,44 2,65 98,14 VERDE
2 13,39 1,47 2,66 98,98 VERMELHA
3 13,69 1,49 2,68 101,09 AZUL
Como pode ser visto na análise, as curvas não demonstraram divergências
significativas, demonstrando-se praticamente sobrepostas umas às outras.
O armazenamento das amostras de borracha para as analises reométricas
é realizado dentro da fabrica, próximo ao Banbury, onde é um lugar mais
quente, e também dentro do laboratório químico, onde possui ar condicionado
e as amostras são colocadas em cima de uma mesa geralmente muito fria, de
alumínio. Para se analisar o impacto causado nas curvas reométricas dos
compostos, foram retiradas três amostras de cada local, ilustradas na Figura
21 e Tabela 10:
(Fonte: Do autor).
60
Figura 21: Curvas Reométricas – Análise da influência dos locais de armazenamento dos corpos de prova.
(Fonte: Do autor).
Tabela 10: Dados da figura 21.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 14,90 1,39 2,63 111,26 VERDE
2 14,80 1,39 2,63 108,07 VERMELHO
3 14,60 1,42 2,66 107,64 AZUL
4 14,90 1,41 2,63 106,83 MARROM
As análises também demonstraram que não há um impacto significativo na
curva reométrica do composto, caso as amostras sejam armazenadas em
diferentes locais. As curvas obtidas apresentaram, praticamente, os mesmos
valores.
7.7. Resultados após implantação das melhorias e análises
Após todos os estudos e melhorias já implantadas e em pleno
funcionamento, foram realizadas análises das curvas reométricas obtidas no
mesmo dia, no mesmo mês e nos diferentes meses decorridos até o término
desse estudo, para se comparar as diferentes curvas obtidas e se comparar com
(Fonte: Do autor).
61
as curvas que eram obtidas anteriormente ao estudo. A Figura 22 e Tabela 11
ilustram os resultados obtidos.
Figura 22: Curvas Reométricas – Análise do processo após implantação das melhorias.
(Fonte: Do autor).
Tabela 11: Dados da figura 22.
Cargas ML T10 T90 MH COR
1 13,09 1,46 2,63 92,73 VERDE
2 12,08 1,42 2,61 92,73 VERMELHA
3 12,59 1,43 2,59 97,16 AZUL
4 12,18 1,42 2,59 92,83 MARROM
5 11,48 1,42 2,58 93,64 FUCSIA
6 11,81 1,46 2,64 92,43 OLIVA
7 11,48 1,47 2,62 86,96 PRETA
8 11,48 1,45 2,61 93,64 LIMA
Foi realizada, também, uma análise da capacidade do processo, a fim de
se avaliar o impacto das melhorias implantadas, conforme Figuras 23, 24, 25 e
26.
(Fonte: Do autor).
62
Figura 23: Capabilidade do Processo – ML.
(Fonte: Do autor).
Figura 24: Capabilidade do Processo – t10.
(Fonte: Do autor).
63
Figura 25: Capabilidade do Processo – t90.
(Fonte: Do autor).
Figura 26: Capabilidade do Processo – MH.
(Fonte: Do autor).
64
Analisando-se as curvas obtidas para o processo otimizado e os índices de
Cp e Cpk, foi possível observar que houve uma grande melhoria no processo, que
agora está mais estável e capaz, pois quanto maior for o numero de Cp e Cpk,
melhor será o processo. Além disso, diminuíram-se as divergências entre as
diferentes cargas produzidas no mesmo dia e nos diferentes meses, o que
comprova que o composto de borracha produzido está muito mais homogêneo e
sem grandes variações nas suas propriedades finais.
65
8. Conclusões
De posse dos resultados obtidos e das comparações realizadas antes e
depois da implantação do estudo, pôde-se perceber que o projeto implementado
foi fundamental para diminuir as variações nas curvas reométricas e diminuir o
índice de falhas do processo, alcançando-se os objetivos esperados.
O processo analisado, que se demonstrava incapaz e instável se
transformou em capaz e estável, sendo possível obter cargas dentro dos limites
especificados e dos limites de controle.
Um dos fatores mais importantes analisados para o processo de mistura de
compostos de borracha foi a etapa da pesagem, que se demonstrou
extremamente crítica e ocasionou grandes divergências nas análises reométricas.
O uso de um sistema automatizado se mostrou extremamente eficiente,
eliminando-se os erros dos operadores e equipamentos. Também foi possível
analisar que a temperatura do Banbury durante a mistura do composto em seu
interior é um fator extremamente importante e teve grande influência na obtenção
de cargas padronizadas. Foi possível observar que o acionamento de motores de
Banburys através de um inversor de frequência auxilia na obtenção de um melhor
controle da velocidade, assim como na geração de altos torques. Assim, é
possível se obter uma melhor homogeneização do composto e misturas mais
perfeitas, melhorando-se a qualidade do composto produzido.
Por fim, pôde-se concluir que as melhorias implantadas foram
extremamente eficientes, auxiliando para que o processo produza sempre peças
de qualidade, dentro das especificações impostas, evitando-se, assim, grandes
perdas de matérias-primas, de investimentos e capital da empresa, reduzindo-se
a quantidade de compostos de borracha refugados.
66
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