Adesivos em Engenhos Mecânicos

I

Outubro 2010

Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?

Projecto FEUP

MMM515 ADESIVOS EM ENGENHOS MECÂNICOS

Adesivos em Engenhos Mecânicos

II

Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto

Adesivos em engenhos mecânicos

Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?

Francisco Carlos de Oliveira Coelho de Azeredo Pinto (ee10262)

Joana Maioto Santos (emt10024)

Manuel Maria Aguiar Ramos Sampaio Silva (emt10037)

Mariana Freire Resende de Moura (em10051)

Mário Nuno Caiado Cunha Ferreira da Silva (em10043)

Nuno Gonçalo Pereira Choupina (em10082)

Equipa MMM515

Supervisor: António Monteiro Baptista

Monitor: Francisco Duarte

Projecto FEUP

Outubro 2010

Adesivos em Engenhos Mecânicos

III

Resumo

No âmbito da unidade curricular “Projecto FEUP”, realizou-se um relatório

bibliográfico sobre “Adesivos Estruturais”, que se foca nos adesivos utilizados em

aeronaves.

Os adesivos, habitualmente designados de colas, podem ser entendidos como

sendo uma substância com propriedades de juntar um ou mais objectos através de uma

ligação superficial.

Após a pesquisa realizada concluiu-se que os mais utilizados nas aeronaves são

os do tipo epóxido e cianoacrilato. Para construir uma ligação mais eficaz, são também

bastante usados os vedantes, cujo principal objectivo é protegê-las contra os factores

ambientais. No que diz respeito aos epóxidos, destaca-se a sua elevada resistência

mecânica, bem como as suas propriedades de isolamento; quanto aos cianoacrilatos é

possível afirmar-se que têm uma secagem bastante rápida e uma ligação resistente.

Nas próximas páginas poderá encontrar informação detalhada e sucinta em

relação ao tema proposto. Inicialmente optou-se por abordar o tema dos adesivos em

geral, (situação histórica e impactos ambientais). Mais à frente poderá dispor de

conteúdos específicos sobre adesivos utilizados em aeronaves, sob a forma de texto,

tabelas, imagens ou tópicos. Para finalizar é apresentada uma conclusão na qual se dá

uma resposta ao problema: Que adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?

II. Palavras – chave

Adesivos estruturais;

Cianoacrilato;

Epóxido;

Vedante;

Resinas termoplásticas;

Resinas termoendurecíeis;

Elastómeros.

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IV

III. Agradecimentos

Agradecemos de um modo especial ao nosso supervisor, Professor António

Monteiro Baptista e ao monitor, Francisco Duarte pela atenção e dedicação que nos

dispensaram no decorrer de todo o projecto.

Ao Professor Lucas Silva pela sua atenção ao conceder-nos material

imprescindível para a concretização do mesmo.

Adesivos em Engenhos Mecânicos

V

Índice

I. Resumo.……………………………………………………………….....…......III

II. Palavras-chave………………………………………………………....…….....III

III. Agradecimentos...……………………………………………………....…........IV

IV. Índice…………………………………………………………………...……....VI

1. Introdução……………………………………………………………......……....1

2. Metodologia………………………………………………......……………….....1

3. Apresentação e discussão dos resultados…………………………………...........2

3.1. Adesivos estruturais…………………………………….......…….....2

3.1.1. Vantagens e desvantagens gerais………………….............4

3.1.2. Impactos Ambientais……………………………..........….5

3.2. Adesivos utilizados em aeronaves…………...........………………...5

3.2.1. Epóxido………………………………………….........…..5

3.2.2. Cianoacrilatos......................................................................6

3.2.3. Vedantes..............................................................................8

4. Ensaios...................................................................................................................9

5. Conclusão............................................................................................................11

6. Bibliografia..........................................................................................................12

Adesivos em Engenhos Mecânicos

1

1. Introdução

Com este relatório pretende-se responder a uma questão-problema: “Que

adesivos se utilizam em aviões e qual a sua função?”. Para tal, foi preciso realizar uma

pesquisa alargada sobre o tema. Assim, apercebeu-se que uma das principais indústrias

impulsionadoras destes materiais é a aeronáutica, uma vez que tem grande necessidade

de arranjar materiais leves e de elevada fiabilidade. Desta forma, acabou não só por

desenvolver juntas e adesivos estruturais para uso próprio, como para outras indústrias,

nomeadamente a indústria automóvel.

Os adesivos utilizados em aeronaves quase que não acrescentam peso às juntas,

dado que as camadas são muito finas. Estes adesivos apresentam também uma elevada

durabilidade e demonstram uma elevada força de ligação, pelo que são bastante usados

pela aeronáutica.

2. Metodologia

Inicialmente, fez-se uma pesquisa onde se tentou saber o que é, qual a sua

função, e como se classifica um adesivo estrutural. Posteriormente, e de forma a arranjar

informações mais específicas, optou-se por recorrer a livros sobre o tema proposto, onde

se analisaram alguns textos, tabelas e imagens. À semelhança da estrutura da pesquisa

realizada, decidiu-se que também o relatório abordaria o tema do geral ao particular.

Começou-se, então, por transmitir a ideia de adesivo, a sua função, bem como algumas

vantagens e desvantagens gerais. A segunda parte do corpo do relatório ficaria

reservada para um desenvolvimento mais profundo acerca dos adesivos usados na

indústria aeronáutica (epóxidos e cianoacrilatos). Optou-se igualmente por alargar o

conceito de vedante, uma vez que desempenha uma função importante no acabamento

de uma ligação, protegendo-a contra influências externas que poderiam pôr em causa a

durabilidade dessa mesma ligação.

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3. Apresentação e discussão dos resultados

Desde cedo que o Homem tenta descobrir novos materiais, novas formas de

melhorar a rentabilidade dos transportes, quer aeronáuticos, quer automobilísticos. O

uso de técnicas como a rebitagem, brasagem e soldadura, com objectivo de juntar peças

metálicas, apesar de eficazes, faziam com que os veículos aumentassem o seu peso.

O uso de adesivos, com o mesmo objectivo, surgiu na década de quarenta,

quando os adesivos sintéticos de alta resistência se tornaram comercialmente viáveis,

substituindo assim, as antigas técnicas.

3.1 Adesivos Estruturais

Os adesivos são uma substância que permite manter vários objectos de um

mesmo material ou de materiais diferentes unidos através de uma ligação superficial.

Antigamente eram produzidos a partir de matérias

naturais, de origem animal, vegetal ou mineral

(fécula, goma etc.) Actualmente e com o

desenvolvimento da química, foi possível a

introdução de adesivos sintéticos produzidos de

acordo com a utilização que lhes era destinada.

Os adesivos sintéticos são fabricados a partir de

materiais feitos pelo homem, tais como os

polímeros [2].

Os adesivos podem ser classificados de

várias maneiras, nomeadamente, pela sua

função, composição química, origem, estrutura molecular, modo de aplicação,

condições de cura e estabilidade.

Segundo a classificação funcional dos adesivos podemos definir os mesmos

como sendo estruturais ou não estruturais. Habitualmente, são definidos como sendo

adesivos estruturais os que apresentam uma resistência ao corte superior a 5-10 MPa

[2,7] e uma boa resistência aos meios ambientais mais comuns. São materiais de

elevada resistência e desempenho cuja principal função é manter ligadas as estruturas e

resistir a cargas elevadas sem grandes deformações.

Fig.1

Adesivos em Engenhos Mecânicos

3

Por sua vez, os adesivos não estruturais não são adequados para o suporte de

cargas substanciais pelo que são referidos, por vezes, como adesivos de posição ou de

manuseamento. São frequentemente usados para ligações temporárias ou como

complemento às ligações mecânicas.

Atendendo à classificação através da composição química podemos considerar,

adesivos:

Termoplásticos: acrílicos, celulósicos, vinilicos, poliamidas, etc;

Termoendurecíveis: fenólicos, epóxido, poliéster, etc;

Elastómeros: poliuretanos, nitrilos, policloroprenos, silicones, etc;

Híbridos.

As resinas termoplásticas podem ser divididas em dois grandes grupos: materiais

cristalinos e materiais amorfos, dependendo do momento em que ocorre a sua

cristalização. Este tipo de resina pode ser fundido através da adição de calor o que

permite a sua fácil utilização.

As resinas termoendurecíveis são polímeras muito reticuladas possuindo

normalmente uma grande rigidez após a sua cura. Quando se eleva demasiado a

temperatura este tipo de adesivo torna-se fraco devido à oxidação ou quebras nas

cadeias moleculares.

Os elastómeros tanto podem ser materiais termoplásticos como

termoendurecíveis consoante a sua composição. Baseiam-se em polímeros

elastoméricos que têm uma grande resistência e capacidade de deformação. São capazes

de elevados graus de deformação, retomando a sua forma original após a remoção da

carga.

Os adesivos híbridos são constituídos por resinas termoplásticas,

termoendurecíveis e elastoméricas. Desenvolvidos de forma a tirar partido das

características mais úteis dos seus constituintes, são cada vez mais utilizados [2,7].

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4

Material Flexibilidade Resistência

mecânica

Resistência

térmica

Resistência a

agentes químicos

Resinas

Termoendurecíveis

Má Boa Boa Boa

Resinas

Termoplásticas

Média Medíocre Medíocre Boa

Elastómeros Muito boa Má Variável Medíocre

Tabela 1: Comparação das propriedades dos adesivos, [2]

3.1.1 Vantagens e desvantagens gerais

Vantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções:

Praticamente qualquer tipo de material ou combinação de materiais podem ser

unidos;

Materiais de diversas formas e tamanhos (mesmo finos e delicados) podem ser

ligados;

Garantem uma superfície contínua, sem saliências, aberturas ou furos;

Protegem as juntas contra o calor e evita a corrosão electrolítica;

Servem para amortecer choques e vibrações;

Distribuem as tensões uniformemente por uma vasta área;

Oferecem uma maior leveza ao produto acabado;

Não são necessários operários especializados;

Mais barato que outros métodos de fixação;

A união adesiva pode ser concebida a temperaturas relativamente baixas.

Desvantagens da utilização de juntas adesivas relativamente a outras soluções:

Requerem uma selecção minuciosa para melhor resistência em ambientes

específicos;

Por vezes, é necessário um reforço mecânico;

Determina-se a qualidade de um adesivo por meios destrutivos;

Juntas quando unidas, dificilmente são separadas.

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3.1.2 Impactos ambientais

Existem três factores principais a considerar na utilização de adesivos:

Toxicidade;

Inflamabilidade;

Incompatibilidades perigosas.

Os adesivos têm de ser cuidadosamente planeados pois podem causar problemas de

saúde e de segurança, não só dentro da fábrica mas também dentro da comunidade em

que vão ser depositados os resíduos desta produção. Todos os adesivos, solventes, e

produtos químicos têm de ser manuseados de forma a evitar o contágio dos operários.

3.2 .Adesivos utilizados em aeronaves

3.2.1 Epóxido – epoxy

Os adesivos epoxy são considerados como um tipo de „adesivos estruturais‟

sendo usados, maioritariamente, na construção de aviões,

automóveis, barcos ou noutra qualquer aplicação onde sejam

necessárias grandes forças de ligação. São essencialmente

constituídos por uma base de resina, um endurecedor, um

acelerador, diluentes e outros aditivos. Estes adesivos são

normalmente produzidos como um ou dois componentes, e

tomam a forma de líquidos, pasta ou filme. Os adesivos de

dois componentes conseguem suportar a temperatura

ambiente e altas temperaturas. Os adesivos de apenas um

componente devem ser curados em altas temperaturas

(150°C) [4]. Os adesivos mais utilizados são os de dois

componentes já que é possível armazená-los por períodos longos de tempo.

É de salientar ainda a capacidade de alteração de algumas propriedades do

adesivo, tais como: condutividade eléctrica e estabilidade térmica, de acordo com a sua

aplicação.

Características:

Fig.2: Teste de tensao em

ligação com adesivo

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Versatilidade e elevada resistência mecânica;

Boa adesão química;

Boas propriedades de isolamento.

Vantagens:

Alta resistência a tracção;

Boa rigidez;

Alta resistência térmica.

Desvantagens:

Baixa resistência ao impacto;

Alto custo.

3.2.2 Cianoacrilatos – Cyanoacrylate

A forca de ligação e a durabilidade de um adesivo são duas propriedades

fundamentais na escolha dos adesivos a

utilizar. A força da ligação é uma combinação

das várias propriedades físicas do material,

que é testado através de uma fina camada

desse material entre peças [4]. A durabilidade

é caracterizada pela forma como o adesivo

reage a efeitos ambientais tais como o calor, a

humidade, outras substâncias químicas, radiação e

tensão mecânica [4].

Certos processos ajudam a aumentar a durabilidade da ligação, como uma

limpeza exaustiva da superfície, pois este tipo de adesivo é extremamente sensível a

óleos ou resíduos existentes na zona onde é aplicado.

O tempo que decorre entre a limpeza e a aplicação do adesivo também é

importante, ou seja, quanto mais rápido este for aplicado mais forte será a ligação e

maior a sua durabilidade.

Isto acontece porque os cianoacrilatos são adesivos que não são eficazes a

preencher falhas ou a contornar pequenos resíduos existentes. Daí que tenhamos para

diferentes materiais, diferentes processos de limpeza:

Fig.3

Adesivos em Engenhos Mecânicos

7

Metais: O resultado é melhor se a superfície for submetida a um processo de

abrasão em vez de ser polida por um jacto de areia [4];

Polímeros: na maioria dos polímeros o processo mais eficaz acaba por ser a

limpeza com um não-solvente como o isopropanol;

Vidro e cerâmica: melhores resultados com produtos à base de água, tanto em

vidro e/ou cerâmica como em todos os materiais vítreos.

Com as suas propriedades descritas podemos concluir que apesar de não ser um

adesivo que forma uma ligação muito forte, é amplamente utilizado na indústria, assim

como em aeronaves (partes internas da aeronave). É essencialmente usado em ligações

de plástico-plástico.

Vantagens:

Velocidade de secagem;

Versatilidade;

Força de ligação.

Desvantagens:

Fragilidade, os cianoacrílatos formam, geralmente, ligações fracas;

Durabilidade, quando aplicado em metais, esta é muito fraca, no entanto, em

plásticos possuem uma durabilidade muito elevada;

Exigência de uma superfície sem falhas, pois estes não possuem a capacidade de

preencher essas falhas;

Pouca resistência ao calor e à humidade, podendo facilmente desgastarem-se e

consequentemente diminuir tanto a durabilidade como a força da ligação.

3.2.3 Vedantes – Sealant

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Os vedantes oferecem uma boa protecção contra a corrosão, óleos e

combustíveis e são ainda impermeáveis à água. São, também, juntas confiáveis, que se

podem criar com nenhum dos problemas

encontrados nos outros métodos de selagem.

Mantêm-se ainda flexíveis e compatíveis sobre

várias tiras e ciclos de instalação.

Existe uma grande variedade de vedantes

próprios para atender às necessidades da indústria

aeronáutica. O material com que são fabricados é

inerte a todos os elementos químicos comuns, e

funcionam numa vasta gama de temperatura [-240 ºC, 260 ºC]. São resistentes às

variadas condições climatéricas, bem como a um envelhecimento precoce.

Vantagens:

Redução da hipótese de corrosão;

Protecção contra a água e outros factores ambientais;

Tempo de cura inexistente;

Facilidade de instalação.

Desvantagens:

Materiais de elevado custo;

Força de ligação reduzida;

Dificuldade de adesão em algumas superfícies, por exemplo, plástico-

metal [4].

4. Ensaios

Fig.4: Adesivos aplicados no reforço de

fuselagens

Adesivos em Engenhos Mecânicos

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Tabela 2: Efeito das condições do Meio Ambiente no envelhecimento em juntas

Alumínio-Alumínio [4]

Tabela 3: Classificação de alguns adesivos com base nas suas características

(Nota: Classificação de ++, melhor até --, pior.) [6]

Quando comparamos os adesivos cianoacrilatos com outros como o epóxido ou

com os acrilicos, podemos afirmar, com base na tabela acima [6], que os cianoacrilatos

são, segundo Martin 1977, os melhores em termos de facilidade de uso e de velocidade

de secagem. Por outro lado, também se pode concluir que em termos da força da ligação

quando comparado é o que providencia uma menor força de ligação.

Força da Ligação (MPa) passados:

Adesivo Condições 7 Dias 21 Dias

Cianoacrilato Controladas (22ºC) 14.1 14.3

22ºC água 10.3 9.3

32ºC/90% RH 12.9 10.5

66ºC 10.9 10.9

Epóxi Controladas (22ºC) 20.8 20.0

22ºC água 17.6 12.9

32ºC/90% RH 19.5 18.7

66ºC 26.8 26.6

Epóxi

Uma parte Duas partes Acrílicos Cianoacrílatos

Propriedades

Força da

Ligação

++ ++ ++ 0 até +

Facilidade de

uso

0 - + ++

Velocidade de

secagem

- até 0 -- + ++

Segurança 0 - 0 até + +

Energia

necessária

- + + +

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5. Conclusão

Com este trabalho podemos constatar que os adesivos são um método eficaz

para juntar materiais.

Os principais adesivos usados em aviões são o epóxido e o cianoacrilato,

oferecendo uma maior leveza ao produto acabado. A leveza é um aspecto muito

importante nesta área, como já referido, procura-se o mais leve mas o melhor, o que se

acaba por tornar numa demanda sem fim. Os adesivos estruturais têm como principal

função nas aeronaves permitir uma ligação ou reforçar uma já existente, por exemplo o

adesivo cianoacrilato é muito usado no interior do aparelho, nas ligações plástico-

plástico que se podem encontrar, por exemplo, nas cabines de bagagem acima das

nossas cabeças; o epóxido pode ser encontrado na fuselagem onde é utilizado para

reforçar as ligações existentes; os vedantes são maioritariamente utilizados tanto no

interior como no exterior de aparelhos aeroespaciais, pois possuem capacidades

estanques que são de extrema importância neste tipo de aparelhos.

No entanto pode-se dizer que com os materiais que temos hoje já se formam

ligações fortes e de longa durabilidade com adesivos, coisa que não se fazia há cerca de

70 anos, quando estes começaram a ser desenvolvidos e introduzidos no mercado.

Adesivos em Engenhos Mecânicos

11

6. Bibliografia

1. Adams, Robert D. 1984. Structural adhesive joints in engineering.

London : Elsevier Applied Science;

2. Esteves, José Luís Soares - Estudo do comportamento de adesivos

estruturais. Porto: [s. n.], 1990. Dissertação apresentada para obtenção

do grau de Mestre em Engenharia Estrutural, na Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor

António Torres Marques;

3. Grimes, David L. 1958. Application of Structural Adhesives in Air

Vehicles : presented at the Seventh Meeting of the Structures and

Materials Panel, held from 24th March/3rd April, 1958, in Rome, Italy.

Paris : Agard;

4. Hartshorn, S. R. 1986. Structural adhesives : chemistry and technology.

New York : Plenum Press, cop;

5. Kinloch, A. J. 1983. Durability of structural adhesives. London : Applied

Science;

6. Martin, F.R. . Developments in Adhesives. 1977. Vol.1, p.157. Apllied

Science Publishers, Londres

7. Silva, Lucas Filipe Martins da, António Gonçalves de Magalhães, and

Marcelo Francisco de Sousa Ferreira de Moura. 2007. Juntas adesivas

estruturais. Porto: Publindústria, Edições Técnicas, cop.

8. Welding Technology Machines. 2010. Adhesive Bonding.

http://www.welding-technology-machines.info/adhesive-

bonding/advantage-of-adhesive-bonding.htm (acedido em Setembro 29,

2010).