No final da década de 1930, os Estados Unidos usavam mais da metade do suprimento mundial de borracha natural. Hoje, a borracha natural pode ser encontrada em mais de 50.000 produtos manufaturados nos Estados Unidos, e os EUA importam mais de 3 bilhões de libras de borracha natural a cada ano. Mais de 70 por cento da borracha usada em processos de fabricação modernos, entretanto, é borracha sintética.
Antecedentes da borracha natural
A borracha natural começa como látex. O látex consiste no polímero denominado poliisopreno suspenso em água. Moléculas de cadeia longa compostas por muitas (poli) unidades individuais (meros) conectadas entre si formam polímeros. A borracha é uma forma especial de polímero chamada elastômero, o que significa que as moléculas do polímero se esticam e flexionam.
Mais de 2.500 plantas produzem látex, um material do tipo seiva semelhante ao leite. A erva-leiteira pode ser a planta produtora de látex mais conhecida de muitas pessoas, mas o látex comercial vem de uma única árvore tropical, a Hevea brasiliensis. Como o nome sugere, a seringueira é originária da América do Sul tropical. Mais de 3.000 anos atrás, as civilizações mesoamericanas misturaram látex com suco de ipomeia para criar borracha. Mudar a proporção do látex para o suco de ipomeia mudou as propriedades da borracha. De bolas saltitantes a sandálias de borracha, os mesoamericanos conheciam e usavam borracha.
Antes de 1900, a maior parte da borracha natural vinha de árvores silvestres no Brasil. No início do século 20, a oferta e a demanda ultrapassaram a produção com a popularidade crescente de bicicletas e automóveis. Sementes contrabandeadas para fora do Brasil resultaram em plantações de seringueiras no sudeste da Ásia. Na década de 1930, o uso da borracha natural variava de pneus em veículos e aeronaves aos 32 libras encontrados em calçados, roupas e equipamentos de soldados. Naquela época, a maior parte do suprimento de borracha dos Estados Unidos vinha do sudeste da Ásia, mas a Segunda Guerra Mundial cortou os Estados Unidos da maior parte de seu suprimento.
Processo de Fabricação de Borracha Natural
O processo de fabricação da borracha natural começa com a colheita do látex das seringueiras. A colheita do látex das seringueiras começa com o entalhe ou o corte da casca da árvore. O látex flui para um copo preso à parte inferior do corte na árvore. O material látex de muitas árvores é acumulado em grandes tanques.
O método mais comum de extrair a borracha do látex usa a coagulação, um processo que coagula ou engrossa o poliisopreno em uma massa. Esse processo é realizado adicionando um ácido, como o ácido fórmico, ao látex. O processo de coagulação leva cerca de 12 horas.
A água é espremida para fora do coágulo de borracha usando uma série de rolos. As folhas finas resultantes, com cerca de 1/8 de polegada de espessura, são secas em prateleiras de madeira em fumeiros. O processo de secagem geralmente requer vários dias. A borracha marrom-escura resultante, agora chamada de folha de fumaça com nervuras, é dobrada em fardos para envio ao processador.
No entanto, nem toda borracha é fumada. A borracha seca com ar quente em vez de fumar é chamada de folha seca com ar. Este processo resulta em um melhor grau de borracha. Uma borracha de qualidade ainda mais alta chamada borracha crepe clara requer duas etapas de coagulação seguidas de secagem ao ar.
Criação de borracha sintética
Vários tipos diferentes de borracha sintética foram desenvolvidos ao longo dos anos. Todos resultam da polimerização (ligação) de moléculas. Um processo denominado adição de cordas de polimerização une as moléculas em longas cadeias. Outro processo, denominado polimerização por condensação, elimina uma parte da molécula à medida que as moléculas são ligadas entre si. Exemplos de polímeros de adição incluem borrachas sintéticas feitas de policloropreno (borracha de neoprene), e borracha resistente a óleo e gasolina e borracha de estireno butadieno (SBR), usada para a borracha anti-ressalto em pneus.
A primeira pesquisa séria por borracha sintética começou na Alemanha durante a Primeira Guerra Mundial Os bloqueios britânicos impediram a Alemanha de receber borracha natural. Químicos alemães desenvolveram um polímero a partir de unidades 3-metilisopreno (2,3-dimetil-1,3-butadieno), [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], a partir da acetona. Embora esse substituto, a borracha de metila, fosse inferior à borracha natural, a Alemanha fabricava 15 toneladas por mês no final da Primeira Guerra Mundial.
A pesquisa contínua levou a borrachas sintéticas de melhor qualidade. O tipo mais comum de borracha sintética atualmente em uso, Buna S (borracha de estireno butadieno ou SBR), foi desenvolvido em 1929 pela empresa alemã I.G. Farben. Em 1955, o químico americano Samuel Emmett Horne Jr. desenvolveu um polímero de 98 por cento cis-1,4-poliisopreno que se comporta como borracha natural. Esta substância combinada com o SBR é utilizada em pneus desde 1961.
Processamento de borracha
A borracha, natural ou sintética, chega às fábricas de processamento (fabricação) em grandes fardos. Assim que a borracha chega à fábrica, o processamento passa por quatro etapas: composição, mistura, modelagem e vulcanização. A formulação e o método da composição da borracha dependem do resultado pretendido do processo de fabricação da borracha.
Composto
A composição adiciona produtos químicos e outros aditivos para personalizar a borracha para o uso pretendido. A borracha natural muda com a temperatura, tornando-se quebradiça com o frio e uma bagunça pegajosa e pegajosa com o calor. Os produtos químicos adicionados durante a composição reagem com a borracha durante o processo de vulcanização para estabilizar os polímeros de borracha. Os aditivos adicionais podem incluir enchimentos de reforço para melhorar as propriedades da borracha ou enchimentos não reforçados para estender a borracha, o que reduz o custo. O tipo de enchimento usado depende do produto final.
O enchimento de reforço mais comumente usado é o negro de fumo, derivado da fuligem. O negro de fumo aumenta a resistência à tração e a resistência à abrasão e ao rasgo da borracha. O negro de fumo também melhora a resistência da borracha à degradação ultravioleta. A maioria dos produtos de borracha são pretos devido ao enchimento de negro de fumo.
Dependendo do uso planejado da borracha, outros aditivos usados podem incluir silicatos de alumínio anidro como cargas de reforço, outros polímeros, borracha reciclada (geralmente menos de 10 por cento), compostos redutores de fadiga, antioxidantes, produtos químicos resistentes ao ozônio, pigmentos corantes, plastificantes, óleos amaciantes e desmoldantes compostos.
Mistura
Os aditivos devem ser bem misturados na borracha. A alta viscosidade (resistência ao fluxo) da borracha torna a mistura difícil de realizar sem elevar a temperatura da borracha alto o suficiente (até 300 graus Fahrenheit) para causar vulcanização. Para evitar a vulcanização prematura, a mistura geralmente ocorre em duas etapas. Durante o primeiro estágio, aditivos como o negro de fumo são misturados à borracha. Essa mistura é chamada de masterbatch. Depois que a borracha esfria, os produtos químicos para vulcanização são adicionados e misturados à borracha.
Modelagem
A modelagem de produtos de borracha ocorre por meio de quatro técnicas gerais: extrusão, calandragem, revestimento ou moldagem e fundição. Mais de uma técnica de modelagem pode ser usada, dependendo do produto final.
A extrusão consiste em forçar borracha altamente plástica através de uma série de extrusoras de parafuso. A calandragem passa a borracha por uma série de intervalos cada vez menores entre os rolos. O processo de molde a rolo combina extrusão e calandragem, produzindo um produto melhor do que qualquer um dos processos individuais.
O revestimento usa o processo de calandragem para aplicar uma camada de borracha ou forçar a borracha no tecido ou outro material. Pneus, barracas de tecido impermeáveis e capas de chuva, correias transportadoras, bem como jangadas infláveis são feitos de materiais de revestimento com borracha.
Produtos de borracha como solas e saltos de sapatos, juntas, vedações, ventosas e travas de garrafa são fundidos em moldes. A moldagem também é uma etapa na fabricação de pneus. Os três métodos principais de moldagem de borracha são moldagem por compressão (usada na fabricação de pneus, entre outros produtos), moldagem por transferência e moldagem por injeção. A vulcanização da borracha ocorre durante o processo de moldagem, e não como uma etapa separada.
Vulcanização
A vulcanização completa o processo de produção da borracha. A vulcanização cria as conexões cruzadas entre os polímeros de borracha, e o processo varia dependendo dos requisitos do produto final de borracha. Menos conexões cruzadas entre os polímeros de borracha criam uma borracha mais macia e flexível. Aumentar o número de conexões cruzadas diminui a elasticidade da borracha, resultando em uma borracha mais dura. Sem a vulcanização, a borracha permaneceria pegajosa quando quente e quebradiça quando fria e apodreceria muito mais rapidamente.
A vulcanização, descoberta originalmente em 1839 por Charles Goodyear, exigia a adição de enxofre à borracha e o aquecimento da mistura a 280 F por cerca de cinco horas. A vulcanização moderna, em geral, usa quantidades menores de enxofre combinadas com outros produtos químicos para reduzir o tempo de aquecimento para 15 a 20 minutos. Foram desenvolvidas técnicas alternativas de vulcanização que não usam enxofre.
