Esse trabalho tem por objetivo desenvolver uma ferramenta para previsão das características da cura em borrachas, através da análise numérica de modelos fenomenológicos de vulcanização correlacionados às análises térmicas via método dos elemento finitos. A metodologia é baseada em simular o processo de vulcanização no molde, estimando-se a energia de ativação e simulando o histórico de temperaturas dentro do molde, estratificando o volume do componente por faixas de vulcanização. A partir da caracterização mecânica da borracha nos seus diversos estados de cura, as propriedades constitutivas são especificadas de forma segregada para cada diferente região do componente, que então é simulado em situação de operação. Desta forma, é possível analisar as consequências sobre o comportamento mecânico de componentes parcialmente curados ou melhorar o processo de moldagem a fim de minimizar as diferenças decorrentes do processo. Usam-se como objeto de estudo apoios elastoméricos de pontes não fretados, comparando alterações na resposta do componente perfeitamente curado com situações industriais onde isso não é possível. Como resultado, obtém-se uma estratificação de cura com erros de aproximadamente 2% para percentuais de cura superiores a 50% e diferenças consideráveis para o estado de tensões do modelo com cura homogênea e estratificada. / This work develops a tool to predict vulcanization properties in rubber, based on numerical analysis of phenomenological model correlated with the thermal history of rubber in mold vulcanization. This methodology simulates mold cure process by finite element method, estimating the activation energy and dividing the component into different cure regions. After the mechanical characterization of the rubber with different cure percentages, the constitutive properties are specified in a segregate form in each different cure region of the component, emulating the mechanical behavior of the component in operation. This way it is possible to analyze stresses and strains in components with 100% of cure and in components with incomplete cure. The methodology is applied to a thick rubber piece used to support the track in road bridges. As result, the mean error is about 2% for cure level above 50% and the stratified model present different state of stress in comparison with the homogeneous cure model.

Análises numéricas confiáveis do comportamento mecânico de materiais como borrachas, dependem muito de uma calibração precisa do modelo constitutivo hiperelástico utilizado. Estes modelos são calibrados ajustando as curvas teóricas aos dados experimentais, obtidos por meio de ensaios usuais. Em muitos casos as amostras de matéria prima desses elastômeros já não se encontram disponíveis ou é impossível fabricar os corpos de prova requeridos. O objetivo deste trabalho é verificar a possibilidade de encontrar constantes constitutivas testando o próprio componente, ao invés dos usuais ensaios de tração, compressão e cisalhamento. A abordagem proposta consiste em criar uma rotina de programação associada a uma função custo onde, a partir de uma estimativa inicial de constantes constitutivas, sejam realizados processos iterativos de otimização buscando aproximar as curvas de força × deslocamento teórica e experimental. Um componente automotivo será utilizado nos estudos e dois modelos constitutivos hiperelásticos serão testados. As equações de tensões nominais dos modelos hiperelásticos serão utilizadas para predizer o comportamento teórico dos ensaios usuais, de forma a verificar a qualidade das constantes obtidas. Conclui-se que é possível utilizar o ensaio da própria peça para caracterizar o material hiperelástico, com resultados comparáveis aos que seriam obtidos com os ensaios típicos para esta aplicação. / The reliable numerical analysis of the mechanical behavior of rubber-like materials depends strongly on accurately calibrated hyperelastic constitutive models. Such models are calibrated by fitting theoretical curves against experimental data obtained in well known tests. In many cases samples of the original elastomer are no longer available or it is impossible to manufacture the specimens required by the standard tests. The aim of this work is verify the possibility of finding the constitutive constants by testing the actual component instead of the usual tensile, compression and shear tests. The proposed approach consists in creating a programming routine with a cost function that, starting from an initial estimate of the constitutive constants, iterate through an optimization algorithm in order to fit the theoretical force × displacement curves to the experimental ones. An automotive component will be used during the studies and two hyperelastic constitutive models will be tested. The nominal stress equations for the hyperelastic models are used to predict the standard tests behavior, to assess the quality of the constants obtained. The results shown that is possible to characterize an hyperelastic material by testing the actual component, with results comparable to those which would be obtained with standard tests.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para a preparação de compósitos de polidimetilsiloxano (PDMS)/fosfato de cálcio elaborado mediante a técnica biomimética. O processo envolveu a precipitação de partículas de fosfato de cálcio dentro da matriz elastomérica de PDMS durante a elaboração do compósito. A composição química da fase de reforço foi avaliada mediante difração de raios X (DRX) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS). Micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram partículas pequenas (200 nm) de fosfato de cálcio homogeneamente distribuídas e dispersas na superfície do compósito. A influência da fase de reforço na energia de superfície, resistência mecânica, bioatividade e viabilidade celular do compósito foram medidas. A incorporação das partículas no PDMS levou ao aumento dos valores da energia de superfície. Os resultados do ensaio de resistência mecânica à tração mostraram que o compósito elaborado com 25 %(v/v) de reforço apresentou um aumento de 15 % de resistência à tração com relação ao PDMS puro. O ensaio de biatividade in vitro mostrou que após de 7 dias de imersão em fluido biológico simulado (SBF), uma camada homogênea de cristais com a morfologia da hidroxiapatita foi precipitada na superfície do compósito, este resultado sugere que o compósito poderá demonstrar uma excelente bioatividade uma vez implantado in vivo. / The main objective of this study was to develop a method to prepare poly(dimetilsiloxane) (PDMS)/calcium phosphates composites by using the biomimetic technique. The process involved the precipitation of calcium phosphate particles within the PDMS matrix during the composite fabrication. The chemical composition of the filler phase was studied by means of X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Scattering electron microscopy (SEM) micrographs showed tiny particles (200 nm) of calcium phosphate evenly distributed and dispersed on the composite surface. The influence of the filler phase on the composite surface energy, tensile strength, bioactivity and cellular viability were assessed. The incorporation of the particles to the PDMS led to higher surface energy values. The tensile measurements showed that the composite made with 25 %(v/v) of filler achieved a 15 % increased in the tensile strength, once compared to the pure PDMS. The in vitro bioactivity essay showed that after 7 days of soaking in simulated body fluid (SBF) a homogeneous layer of HAp like crystals can be seen on the composite surface, this result suggested that the composite will demonstrate a excellent bioactivity once implanted in vivo.

O transporte subterrâneo de óleos aquecidos dentro dos processos da Petrobrás/Transpetro é um ponto crítico devido à necessidade de conservar a temperatura do óleo dentro da rede de tubulações do ponto de origem ao seu destino com o mínimo de perda de calor possível. Tubulações utilizando espumas rígidas de poliuretano como isolamento térmico têm sido usadas por muitos anos neste processo de transporte. Entretanto, inspeções instrumentadas têm mostrado graves processos de corrosão externa em algumas tubulações isoladas após alguns anos em operação. Devido à grande extensão da rede de tubulações térmicamente isoladas no Brasil, este tipo de problema somente foi identificado após alguns vazamentos acidentais. Após uma profunda investigação em campo, foi verificado que o tipo de proteção da tubulação e o sistema de isolamento térmico usado não era adequado para evitar o processo de corrosão. Com o intuito de se prevenir e evitar maiores estragos ao meio ambiente e, principalmente, às comunidades que moram próximas às zonas das tubulações enterradas, foi necessário uma revisão urgente de toda metodologia utilizada até o momento para as tubulações térmicas isoladas com poliuretano. A solução veio pela adaptação de uma norma européia a EN 253 utilizada para tubulações pré-isoladas e enterradas para distribuição de água quente em cidades. Entretanto, esta norma foi desenhada para tubulações novas para serem trocadas em campo, e nem sempre é necessário ou é possível realizar a troca como no caso de reabilitação em campo ou em trechos curvos. A nova norma proposta pela Petrobras solicita o uso de uma capa protetora externa de polietileno de alta densidade (PEAD) com espessuras de 6 a 10 mm para garantir a integridade do sistema isolante contra umidade e infiltrações de água. Mas, a dificuldade no manuseio, peso e a forma de aplicação desta capa de PEAD em campo, tem praticamente inviabilizado seguir a nova norma nos casos de reabilitação de tubulações em campo e em trechos curvos. O que adicionaria mais um componente de risco na qualidade e integridade da obra contra o processo de corrosão. Este trabalho pretende pela versatilidade tecnológica do poliuretano, preencher esta necessidade de uma alternativa ao PEAD como proteção mecânica externa destas tubulações térmicas subterrâneas. E assim, viabilizar a plena utilização da nova norma adaptada para os casos de reabilitação em campo, trechos curvos e juntas de campo. / Buried heated oil transportation within Transpetro/Petrobras process is a critical issue because of the necessity to maintain the oil temperature into pipelines network from the origin to destiny with less heat loss as possible. Insulated pipelines using polyurethane rigid foams as insulation has been used for many years for this transportation process. However, instrumental inspections had showed in some insulated pipelines a severe external corrosion process after some years in operation. Due to the extension of the insulated pipeline network in Brazil, this kind of problem was possible to identify only after some leakages emergencies. After a deeper investigation in field it was verified that the pipe protection and insulation system was not adequate to avoid the pipe corrosion process. In order to prevent and avoid any higher damage to environment and mainly to the community living around these buried pipelines zones, a quickly review of the whole methodology was necessary. The solution came from an adaptation of a European norm EN 253 used for district heating bonded pipe systems for directly buried hot water networks. However, this norm was designed for new insulated pipes produced in plant and installed in field. Insulation procedures such as pipe rehabilitations and curves are not able to fulfill this norm because the most of process is done in field. The new Petrobras norm based on EN 253 requests as external case a high density polyethylene (HDPE) with thickness of 6-10 mm in order to certify the insulation system integrity against humidity and water infiltration. But, difficulties such as weight, size and handling this high thickness HDPE in field, has been an issue to follow the new norm in case of pipes rehabilitations and curves sections in field. This paper intends to introduce an alternative for HDPE as mechanical protection of those buried insulated pipelines, using a high density polyurethane material. The high versatility of the polyurethane technology in terms of chemical and mechanical properties combined with it easy and simple processing way, can fulfill the gap for pipe rehabilitation in field including curves and pipe joints.

Diante da necessidade de produzir uma vedação com maior vida útil frente as condições de descompressão explosiva de CO2 incorporou-se quantidades diferentes de MWCNT (multiwalled carbono nanotubes) curtos e longos (0,25 phr e 1 phr) e com graus de funcionalidade de grupos oxigenados variando entre 0% e 7,5% em elastômeros fluorados. A incorporação foi realizada utilizando-se o processo de mistura em cilindro aberto (Copê) e as mantas de borracha obtidas foram termoprensadas e submetidas a doses de irradiação de 5, 10 e 20 kGy em ar atmosférico. Analisaram-se os nanocompósitos e os MWCNT por análises térmicas, difrações de raios-X e micrografias. A partir dos nanocompósitos também foram confeccionados corpos de prova para ensaios mecânicos, análises dinâmico-mecânicas, ensaios de dessorção. Os resultados indicaram em geral aumento dos módulos a 100% e secante a 15% nas amostras com adição de 1 phr, mas pouca mudança da temperatura de transição vítrea foi observada, indicando pouca alteração da mobilidade das cadeias. As micrografias apontaram algumas extremidades de MWCNT soltas da matriz polimérica após o processo de preparação da amostra. Os resultados apontaram melhora na dessorção dos nanocompósitos após a incorporação dos MWCNT. / Faced with the need to produce a gasket with longer useful life against the explosive decompression conditions of CO2, it was incorporated different amounts of short and long MWCNT (0.25 phr and 1 phr) and degrees of oxygenated groups functionality ranging between 0% and 7.5% in fluorinated elastomers. The incorporation was performed using the open mill with two rolls (COPE) and rubber blankets were obtained thermopressed and subjected to radiation doses of 5, 10 and 20 kGy in air atmosphere. Nanocomposites and MWCNT were analyzed by thermal analysis, X-ray diffraction and SEM micrographs. From the nanocomposites were also prepared specimens for mechanical testing, dynamic mechanical analysis, desorption tests. The results indicated, in generally, an increase of modules to 100% and secant to 15% in the samples with the addition of 1 phr, however little change in the glass transition temperature was observed, indicating little variation of mobility of the chains. The micrographs showed some free ends of MWCNT the polymer matrix after sample preparation process. The results pointed improvement on dessorpotion of nanocomposites after the incorporation of MWCNT.

Análises numéricas confiáveis do comportamento mecânico de materiais como borrachas, dependem muito de uma calibração precisa do modelo constitutivo hiperelástico utilizado. Estes modelos são calibrados ajustando as curvas teóricas aos dados experimentais, obtidos por meio de ensaios usuais. Em muitos casos as amostras de matéria prima desses elastômeros já não se encontram disponíveis ou é impossível fabricar os corpos de prova requeridos. O objetivo deste trabalho é verificar a possibilidade de encontrar constantes constitutivas testando o próprio componente, ao invés dos usuais ensaios de tração, compressão e cisalhamento. A abordagem proposta consiste em criar uma rotina de programação associada a uma função custo onde, a partir de uma estimativa inicial de constantes constitutivas, sejam realizados processos iterativos de otimização buscando aproximar as curvas de força × deslocamento teórica e experimental. Um componente automotivo será utilizado nos estudos e dois modelos constitutivos hiperelásticos serão testados. As equações de tensões nominais dos modelos hiperelásticos serão utilizadas para predizer o comportamento teórico dos ensaios usuais, de forma a verificar a qualidade das constantes obtidas. Conclui-se que é possível utilizar o ensaio da própria peça para caracterizar o material hiperelástico, com resultados comparáveis aos que seriam obtidos com os ensaios típicos para esta aplicação. / The reliable numerical analysis of the mechanical behavior of rubber-like materials depends strongly on accurately calibrated hyperelastic constitutive models. Such models are calibrated by fitting theoretical curves against experimental data obtained in well known tests. In many cases samples of the original elastomer are no longer available or it is impossible to manufacture the specimens required by the standard tests. The aim of this work is verify the possibility of finding the constitutive constants by testing the actual component instead of the usual tensile, compression and shear tests. The proposed approach consists in creating a programming routine with a cost function that, starting from an initial estimate of the constitutive constants, iterate through an optimization algorithm in order to fit the theoretical force × displacement curves to the experimental ones. An automotive component will be used during the studies and two hyperelastic constitutive models will be tested. The nominal stress equations for the hyperelastic models are used to predict the standard tests behavior, to assess the quality of the constants obtained. The results shown that is possible to characterize an hyperelastic material by testing the actual component, with results comparable to those which would be obtained with standard tests.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para a preparação de compósitos de polidimetilsiloxano (PDMS)/fosfato de cálcio elaborado mediante a técnica biomimética. O processo envolveu a precipitação de partículas de fosfato de cálcio dentro da matriz elastomérica de PDMS durante a elaboração do compósito. A composição química da fase de reforço foi avaliada mediante difração de raios X (DRX) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS). Micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram partículas pequenas (200 nm) de fosfato de cálcio homogeneamente distribuídas e dispersas na superfície do compósito. A influência da fase de reforço na energia de superfície, resistência mecânica, bioatividade e viabilidade celular do compósito foram medidas. A incorporação das partículas no PDMS levou ao aumento dos valores da energia de superfície. Os resultados do ensaio de resistência mecânica à tração mostraram que o compósito elaborado com 25 %(v/v) de reforço apresentou um aumento de 15 % de resistência à tração com relação ao PDMS puro. O ensaio de biatividade in vitro mostrou que após de 7 dias de imersão em fluido biológico simulado (SBF), uma camada homogênea de cristais com a morfologia da hidroxiapatita foi precipitada na superfície do compósito, este resultado sugere que o compósito poderá demonstrar uma excelente bioatividade uma vez implantado in vivo. / The main objective of this study was to develop a method to prepare poly(dimetilsiloxane) (PDMS)/calcium phosphates composites by using the biomimetic technique. The process involved the precipitation of calcium phosphate particles within the PDMS matrix during the composite fabrication. The chemical composition of the filler phase was studied by means of X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Scattering electron microscopy (SEM) micrographs showed tiny particles (200 nm) of calcium phosphate evenly distributed and dispersed on the composite surface. The influence of the filler phase on the composite surface energy, tensile strength, bioactivity and cellular viability were assessed. The incorporation of the particles to the PDMS led to higher surface energy values. The tensile measurements showed that the composite made with 25 %(v/v) of filler achieved a 15 % increased in the tensile strength, once compared to the pure PDMS. The in vitro bioactivity essay showed that after 7 days of soaking in simulated body fluid (SBF) a homogeneous layer of HAp like crystals can be seen on the composite surface, this result suggested that the composite will demonstrate a excellent bioactivity once implanted in vivo.

A intensa demanda por petróleo aliado às novas descobertas de poços em condições ainda inexploradas, propulsionam a pesquisa e desenvolvimento de novos componentes e materiais para a indústria petrolífera. A alta responsabilidade desses componentes, como Risers e Bend Stiffners, requer, que antes da sua aplicação em campo, seja realizada uma verificação através de ensaios experimentais, desenvolvidos com o objetivo de representar ao máximo todas as condições em campo. No presente trabalho, um sistema de compensação de deslocamento, com molas elastoméricas, foi desenvolvido para simular um comprimento de Riser retirado da amostra devido à inviabilidade de ensaio com o comprimento real. O material foi caracterizado através de ensaios mecânicos normalizados, ensaios específicos à aplicação e modelos em escala. Logo, um conjunto denominado módulo de compensação foi elaborado. O módulo de compensação apresenta a versatilidade da alteração de rigidez, podendo ser realizada através da mudança do número e/ou geometria das molas. Os resultados dos ensaios mostram-se dentro das tolerâncias especificadas, atingindo o objetivo do projeto. / The increasing demand for oil, combined with new wells discoveries in unexplored conditions, drives the research and development of new components and materials for the oil industry. The high responsibility of these components, such as Risers and Bend Stiffners, requires verification before field operation through experimental trials developed to achieve all conditions found during its useful life. In this thesis, a displacement compensation system, with elastomeric springs, was developed to simulate a short sample of riser due the inviability of testing the real length. The material was characterized by standard mechanical tests, specific tests for this application and scale models. Therefore, a group called compensation module was developed. The compensation module presents versatility in stiffness modification which can be achieved by changing the number and / or spring’s geometry. The final test results are according to the expected, within the specified tolerances achieving the project goal.

Compostos elastoméricos a base de borracha natural (NR) e copolímero de butadieno-estireno (SBR) utilizados na banda de rodagem de pneus são tradicionalmente reticulados com enxofre. O uso de peróxidos e co-agentes na reticulação desses compostos ainda é um desafio a se superar com relação às propriedades viscoelásticas requeridas, de extrema importância para um bom desempenho e vida útil dos pneus. Neste trabalho foi avaliado o uso de peróxidos sem e com co-agentes na reticulação de compostos NR/SBR com o intuito de avaliar a eficiência destes na manutenção das propriedades relevantes em relação a um composto tradicionalmente usado na confecção de banda de rodagem de pneus. Onze formulações com diferentes sistemas de reticulação foram preparadas, sendo uma de referência. Foram avaliadas propriedades físicas como dureza, densidade, tração, resistência ao rasgamento, resiliência, abrasão e DPC, e o comportamento dos compostos de NR/SBR com relação ao inchamento em tolueno. As propriedades dinâmicomecânicas dos compostos NR/SBR foram analisadas por DMA e RPA. Os compostos NR/SBR contendo somente peróxidos não apresentaram propriedades comparáveis ao composto de referência vulcanizado com enxofre. Os compostos contendo os sistemas peróxidos/co-agentes, BIS F 40 A-Retilink T40 (composto 10) e BIS F 40 A-Retilink TA 70 (composto 11) apresentaram os melhores resultados. O composto 10 e o composto de referência (composto 1) apresentaram valores similares de tan d a 60°C e tan d a 0°C (DMA), os quais estão correlacionados às propriedades de resistência ao rolamento e tração no molhado, respectivamente. Os resultados mostraram a possibilidade de uso de certos sistemas peróxido/co-agente em compostos de NR/SBR, em substituição ao sistema com enxofre, sem perda de propriedades, tendo como vantagem a redução de componentes na formulação, redução de tempo de processamento, e consequentemente custo da produção de bandas de rodagem. / Rubber compounds based on natural rubber (NR) and styrene-butadiene rubber (SBR) used on tire tread are traditionally crosslinked with sulfur. The use of peroxides and co-agents in crosslinking of these compounds is still a challenge to be achieved, considering the required viscoelastic properties which are extremely important for a good tire performance and lifetime. In this work it was evaluated the use of peroxide systems with and without co-agents as crosslinking agents for NR/SBR compounds, with the aim of evaluating the efficiency of maintaining the key properties related to the traditionally used in the manufactory of tire tread. Eleven formulations with different systems were prepared, a one as a reference. Physical properties such as hardness, density, tensile strength, tear, resilience, abrasion and compression set and the behavior of NR/SBR compounds in relation of swelling Toluene were evaluated. The dynamic mechanical properties of the NR/SBR cured compounds were analysed by DMA and RPA. The NR/SBR compounds cured with only peroxide had poorer properties when compared to the reference compound vulcanized with sulfur. On the other hand, the compounds cured with proxide/co-agents, BIS F40 plus Retilink T40 (compound 10) or plus T70A (compound 11) showed better results.The compound 10 and the reference compound (compound 1) showed similar results of tan d 60 °C and tan d 0 °C (DMA), which are correlated to rolling resistance and wet traction, respectively. The results demonstrate the possibility of using a peroxide/co-agent as a cure system in NR/SBR compound instead of a sulfur-cured compound for tire tread applications, without the loss of desirable properties, lower processing times and consequently reducing manufacturing costs.

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