Engineering Research Technical Reports
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Engineering Research Technical Reports Volume 2 – Issue 2 – Article 4 (Special Issue on Aeronautics, Edited by Wendell de Queiróz Lamas) ISSN 2179-7625 (online) THE USE OF SEALANTS IN THE AERONAUTIC INDUSTRY Claudio Roberto dos Santos1 DECEMBER / 2011 Taubaté, São Paulo, Brazil 1 Univ Taubate, Department of Mechanical Engineering, Graduate Specialization on Aeronautics Engineering. (E-mail: [email protected]) Engineering Research: Technical Reports Technical Editor: Giorgio Eugenio Oscare Giacaglia Associate Technical Editors Eduardo Hidenori Enari, Universidade de Taubaté, Brazil Wendell de Queiróz Lamas, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil Editorial Board Antonio Faria Neto, Universidade de Taubaté, Brazil Asfaw Beyene, San Diego State University, USA Bilal M. Ayyub, University of Maryland, USA Bob E. Schutz, University of Texas at Austin, USA Carlos Alberto de Almeida, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brazil Ciro Morlino, Università degli Studi di Pisa, Italy Eliane da Silveira Romagnolli Araujo, Universidade de Taubaté, Brazil Epaminondas Rosa Junior, Illinois State University, USA Evandro Luís Nohara, Universidade de Taubaté, Brazil Fernando Manuel Ferreira Lobo Pereira, Universidade do Porto, Portugal Gilberto Walter Arenas Miranda, Universidade de Taubaté, Brazil Hubertus F. von Bremen, California State Polytechnic University Pomona, USA João Bosco Gonçalves, Universidade de Taubaté, Brazil Jorge Muniz Júnior, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil José Luz Silveira, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil José Walter Parquet Bizarria, Universidade de Taubaté, Brazil María Isabel Sosa, Universidad Nacional de La Plata, Argentina Ogbonnaya Inya Okoro, University of Nigeria at Nsukka, Nigeria Paolo Laranci, Università degli Studi di Perugia, Italy Rolando A. Zanzi Vigouroux, Kungliga Tekniska högskolan, Sweden Sanaul Huq Chowdhury, Griffith University, Australia Tomasz Kapitaniak, Politechnika Lódzka, Poland Zeki Tüfekçioğlu, Ankara Üniversitesi, Turkey The “Engineering Research” is a publication with purpose of technical and academic knowledge dissemination. SUMÁRIO 1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 87 1.1 Introdução 87 1.2 Grupo de Selantes 89 1.3 Classe de Selantes 90 1.4 Tipos de Selagem 90 1.4.1 Selagem de Filete 90 1.4.2 Selagem Aerodinâmica 92 1.4.3 Selagem de Interface 92 1.4.4 Selagem de Prendedores 93 1.5 Objetivos 94 1.6 Metodologia 94 2 PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS 95 2.1 Qualificação do Teste 95 2.2 Aceitação do Teste 96 3 DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO 97 3.1 Teste de Tração e Alongamento 97 3.2 Ensaio 100 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 101 4.1 Resultados Obtidos 101 4.2 Análise dos Resultados 102 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 103 5.1 Conclusões 103 5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros 103 REFERÊNCIAS 104 EMPREGO DE SELANTES NA INDÚSTRIA AERONÁUTICA RESUMO Conhecer os tipos de selantes e suas composições, as funcionalidades, os requisitos e ensaios laboratoriais para qualificação. Obter dados teóricos e especificações técnicas. Analisar os resultados laboratoriais confrontando as especificações técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios. Os trabalhos foram realizados através de pesquisas em sites de Entidades de Classe, Órgãos Homologadores, Fabricantes, Normas e Procedimentos Internos do Processo de Fabricação da Embraer. Foram realizados ensaios laboratoriais para análise do comportamento dos selantes submetidos à tração e alongamento. Com o resultado foi possível confrontar as especificações técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios. Palavras-chave: compostos, tempo de cura, preparação. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 85 THE USE OF SEALANTS IN THE AERONAUTIC INDUSTRY ABSTRACT The wide range of sealants generates a necessity to know the types, compositions, functionality and properties by physical, chemical and mechanical testing. Information correlating the mechanical behavior with material specifications should be useful for planning of the application conditions. For that, theoretical data and technical specifications are required, as well as data obtained by experimental tests. The work was realized using the literature data furnished by class entities, certifying authorities, manufacturers, standard practices, and internal procedures of the manufacturing process of the Embraer. Specimens were analyzed by tensile testing and elongation. Results have permitted the comparison of the manufacturer specifications with the experimental testing. Keywords: composites, curing time, preparation. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 86 CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS 1.1. INTRODUÇÃO Os selantes são aplicados nas superfícies interna e externa das aeronaves, com os seguintes objetivos: Evitar Corrosão - entende-se como corrosão a deterioração de um material, metálico ou não, por interação química ou eletroquímica com o meio, em presença ou não de esforços mecânicos. A deterioração pode ocorrer por desgaste e/ou a durabilidade e o desempenho do material. Os selantes agem em três sentidos para evitar a corrosão: - Isolam o metal do meio formando uma barreira; - Impedem, por serem isolantes elétricos, as correntes de corrosão (correntes galvânicas); - Preenchem as frestas, evitando com isso o estabelecimento de uma pilha de aeração diferencial. Esta pilha se forma devido à diferença de concentração de oxigênio que existe entre o interior da fresta (menos oxigênio) e o exterior (mais oxigênio). Preenchendo as frestas, os selantes agem, também, no sentido de evitar o acúmulo de umidade ou de outros contaminantes nesses locais. Vedação - os selantes atuam como vedantes em áreas pressurizadas, cavernas de pressão, tanques integrais de combustível, toilet, compartimentos de bateria, etc. Eles impedem o vazamento ou penetração de fluidos corrosivos, combustível, produtos químicos, perda de pressurização, etc. a que são submetidas as aeronaves. Aerodinâmica - tem a função de melhorar a aerodinâmica, ou seja, evitar frestas, cantos, reentrâncias ou protuberâncias e qualquer mudança brusca de contorno, o que diminui a resistência ao avanço e melhora o desempenho da aeronave. Os selantes são compostos orgânicos inertes, isto é, que não atacam o substrato e que são polimerizados pela ação de um catalisador ou pela reação Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 87 com a umidade do ar. A polimerização consiste em reações químicas de cura que convertem o composto em um sólido com características elastoméricas. A maioria dos selantes é constituída por polissulfetos e são fornecidos em duas partes (bicomponentes): - Composto básico; - Catalisador ou acelerador; Tais compostos curam pela ação do catalisador e, portanto, a reação de cura é influenciada pela umidade relativa do ar e pela temperatura, sendo diretamente proporcional a ambas. Já os produtos à base de silicone são monocomponentes e curam pela reação com a umidade atmosférica. No caso de selantes, tais componentes devem ser misturados somente momentos antes da sua aplicação e nas proporções indicadas, observando os seguintes fatores: tempo de aplicação, tempo de montagem, tempo de manuseio e tempo de cura. Tempo de Aplicação: é o tempo após mistura, ou após o fim do descongelamento, sendo este previamente misturado e congelado, em que o selante permanece adequado para aplicação no substrato. A temperatura e umidade afetam fortemente esta condição. Tempo de Montagem: tempo máximo depois da mistura ou descongelamento em que o selante permanece adequado para unir as peças, a fim de assegurar uma selagem efetiva. O tempo de montagem estabelecido é maior que o tempo de aplicação do selante e é determinado pela temperatura e umidade definidas pela especificação do fabricante. Tempo de montagem varia com as condições ambientais. Tempo para Manuseio: para o manuseio de peças seladas deve-se esperar no mínimo o selante atingir a condição de “tack free”, desde que não haja movimento relativo entre as peças. Em qualquer situação, deve-se tomar o cuidado para não causar danos físicos e nem contaminação do selante durante o seu manuseio. Tempo de Cura: a duração requerida para um selante para obter a dureza mínima como definida pela especificação. Selantes de polissulfeto para tanque combustível são considerados curados quando eles alcançam uma Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 88 dureza de 35 A medida no Durometro (dependendo da especificação). A dureza final do selante pode ser maior. 1.2. GRUPO DE SELANTES Os selantes dividem-se em dois grandes grupos, os selantes monocomponertes (figura 1) a base de silicone, a cura ocorre através da reação com a umidade atmosférica, e os selantes bicomponentes (figura 2) que são constituídos por polissulfetos e fornecidos em duas partes, composto base e o catalisador, a cura ocorre através da influência da umidade relativa do ar e pela temperatura, sendo diretamente proporcional a ambas. Figura 1 – Selante Monocomponente – PPG Aerospace 2009 Figura 2 – Selante Bicomponente – PPG Aerospace 2009 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 89 1.3. CLASSE DOS SELANTES Os selantes são divididos em três classes: Classe A - Brush Grade Sealants: Selantes de baixa viscosidade, aplicados com pincel e usados na preparação para aplicação de outros selantes. Classe B - Extrusion Grade Sealants: Selantes de maior viscosidade, aplicados com pistola por extrusão e usados para filetes e selagem em superfícies verticais. Classe C - Roller Grade Sealants: Selantes de interface, aplicados com rolo ou espátulas e usados entre superfícies. Os selantes podem ser fornecidos em três maneiras: Two-Part Can Kit: é um pacote contendo a base e o catalisador prémensurados e acondicionados em latas distintas. Cartridge Package: é um cartucho que contém a base e o catalisador separados e que é utilizado na mistura e aplicação do selante. Premixed and Frozen: é um cartucho em que o selante já vem misturado e congelado. Armazenados em temperaturas inferiores a – 40°C. Descongelamento: 30 minutos a temperatura ambiente ou 5 minutos em água quente. 1.4. TIPOS DE SELAGEM 1.4.1. SELAGEM DE FILETE O selante é aplicado sobre as partes, após a montagem e fixação das peças, por meio de bisnagas ou pistola de extrusão. Os filetes são aplicados nos bordos de juntas e perfis (figura 3) para proporcionar a máxima proteção contra vazamento ou penetração de fluidos (líquidos e gases). A vantagem desse tipo de selagem é que ela pode ser inspecionada ou reparada muito facilmente, sem necessidade de desmontagem. Os filetes são aplicados nos Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 90 bordos de juntas e perfis para proporcionar a máxima proteção contra vazamento ou penetração de fluidos (líquidos e gases). O selante utilizado e as dimensões dos filetes devem estar de acordo com as normas de cada aeronave. Figura 3 – Selagem de Filete – PPG Aerospace 2009 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 91 1.4.2. SELAGEM AERODINÂMICA Consiste na vedação da superfície externa da aeronave (figura 4), prevenindo-a contra a corrosão atmosférica, penetração de umidade e outros contaminantes, tais como: poeira, produtos de limpeza. Nesse tipo de selagem, consegue-se um melhoramento aerodinâmico na superfície externa da aeronave. Portanto, o acabamento e a estética são especialmente importantes. Figura 4 – Selagem Aerodinâmica – PPG Aerospace 2009 1.4.3. SELAGEM DE INTERFACE Consiste na aplicação do selante em uma das peças e em toda a área de contato entre elas. É muito recomendado nos casos em que a prevenção contra a corrosão é requerida. A selagem de interface (figura 5) também auxilia na determinação de vazamentos de combustível, uma vez que o impede de espalhar-se pelas interfaces, o que dificultaria sua localização. Também é aplicada em superfícies usinadas devido à sua rugosidade superficial. Os selantes são aplicados com uma pistola de extrusão sempre em zigue-zague, e depois esparramados com um rolinho de metal ou similar, adequado para essa operação. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 92 Figura 5 – Selagem de Interface – PPG Aerospace 2009 1.4.4. SELAGEM DE PRENDEDORES Qualquer parte do prendedor (figura 6) que fique no interior do tanque de combustível, fazendo ligação da área molhada com a área seca, deve receber uma camada de selante. Exceção: os rebites "briles" não devem ser molhados, pois são auto-vedantes. Em caso de vazamento, esses rebites devem receber uma camada de selante na cabeça ou contra-cabeça, sempre pelo lado que esteja em contato com o combustível. Sempre que possível, os prendedores devem ter as contra-cabeças, porcas ou colares voltados para o interior do tanque de combustível, principalmente cabeça interna. Figura 6 – Selagem de Prendedores – PPG Aerospace, 2009 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 93 1.5. OBJETIVOS Conhecer os tipos de selantes e suas composições, as funcionalidades, os requisitos e ensaios laboratoriais para qualificação. Obter dados teóricos e especificações técnicas. Analisar os resultados laboratoriais confrontando as especificações técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios. 1.6. METODOLOGIA Os trabalhos foram realizados através de pesquisas em sites de Entidades de Classe, Órgãos Homologadores, Fabricantes, Normas e Procedimentos Internos do Processo de Fabricação da Embraer para obtenção de dados teóricos e especificações técnicas. Foram realizados ensaios laboratoriais de tração e alongamento. Com o resultado foi possível compreender as especificidades técnicas do selantes e a possível aplicabilidade de compostos alternativos. CAPÍTULO 2 – PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS 2.1. QUALIFICAÇÃO DO TESTE As instruções do fabricante devem ser seguidas. Cartuchos plásticos (figura 7) podem ser usados na preparação do composto devendo ser Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 94 respeitadas as proporções definidas do composto base e do catalisador. Em condições especiais alguns selantes podem ser fornecidos em kits (figura 8) contendo o composto base e o catalisador nas proporções especificadas. Figura 7 – Cartucho Plástico, êmbolo e bico – AS 5127/18, 2009 Figura 8 – Cartucho Plástico Selante Bicomponente – kit – AS 5127/1B, 2009 2.2. ACEITAÇÃO DO TESTE Os compostos de selante deverão ser preparados seguindo as especificações e instruções dos fabricantes fazendo uso de equipamentos de mixer (figura 9) ou através da mistura manual respeitando as proporções do composto básico e do catalizador. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 95 Figura 9 – Mixer de Selante – PPG Aerospace, 2009 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 96 CAPÍTULO 3 – DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO 3.1 TESTE DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO O ensaio de tração consiste em tracionar um corpo de prova de dimensões padronizadas até a sua ruptura. Os ensaios de tração permitem determinar propriedades do material como a tensão de ruptura e o alongamento do mesmo. Essas propriedades são importantes tanto para avaliação do material produzido como do mesmo em serviço. O método para avaliação acha-se descrito na norma ASTM D412. Esta norma descreve os procedimentos para determinar as propriedades de tensão em borrachas vulcanizadas, já que a aparelhagem usada normalmente é fácil de operar e permite uma avaliação rápida e até informatizada das composições de elastômeros. Os aparelhos usados são chamados Dinamômetros (figura 10) e as características podem ser determinadas em operações simultâneas ou subseqüentes. Figura 10 - Máquina de Tração eletromecânica EMIC DL com várias células de carga e software para aquisição de dados, Intenet, 2010 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 97 As propriedades elásticas são características importantes da resistência dos materiais. O corpo de prova é estendido a uma velocidade padrão constante até a sua ruptura (ASTM D412). A resistência à tração (figura 12) é avaliada pela carga aplicada por unidade de área no momento da ruptura (Figura 11.A). O alongamento (figura 12) representa aumento percentual do comprimento da peça sob tração, no momento da ruptura (Figura 11.B). O módulo de elasticidade ou módulo de Young é medido pela razão entre a tensão e a deformação, dentro do limite elástico, em que a deformação é totalmente reversível e proporcional à tensão. (Figura 11.C). Os módulos a 100%, 200% e 300% utilizados para caracterizar os elastômeros, e descrevem não o módulo real, mas a tensão necessária para produzir deformações de 100%, 200% e 300%. A resistência à tração e o alongamento na ruptura podem ser correlacionados quantitativamente com a estrutura do polímero. Materiais com grande teor de ligações cruzadas, como os utilizados nas espumas rígidas, são fortes e duros, porém quebradiços, e os elastômeros e as espumas flexíveis tem alongamento na ruptura muito maior. A parte inicial em linha reta da curva de tensão / deformação, onde o material exibe perfeita elasticidade, representa o desnivelamento e alinhamento das cadeias macromoleculares longas e flexíveis. Extensão posterior do polímero acarreta deslizamento das macromoléculas com o rompimento de ligações secundárias entre cadeias adjacentes, podendo resultar em deformações permanentes. (Figura 11.D). Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 98 Figura 11 - Propriedades Elásticas - Química e Tecnologia de Poliuretanos, 2004 A) Resistência à tração:sz = F(força de tensão) / Ao (área de seção reta inicial); B) Alongamento: e = (variação do comprimento) / (comprimento inicial); C) Diagramas tensão x deformação; D) Curvas típicas de tensão x deformação; a) Material duro quebradiço; b) Material duro e resistente; c) Material elástico; d) Material macio e fraco; e) Material macio e resistente Figura 12 – Elementos de Cálculo, Ensaios Mecânicos – NUCLEMAT, 2008 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 99 3.2 ENSAIO O corpo de prova do selante recém preparado deverá ser submetido à prensagem entre folhas de polietileno de baixa densidade. A folha superior deverá ser retirada assim que o selante atingir o tempo de manuseio e aguardar a cura conforme AS 5127 definido nas especificações. Como alternativa poderá ser utilizado um molde fechado nas dimensões definida na norma ASTM D412 em substituição as folhas de polietileno. Se o molde for utilizado o selante deverá ser retirado do molde após o tempo de cura. Os ensaios de tração e alongamento devem ser realizados em conformidade com a normas AS5127 e ASTM D412. A taxa de separação das mandíbulas deverá ser de 508 mm ± 25 mm por minuto. Todas as medições de resistência à tração e alongamento devem ser verificadas sua conformidade com os requisitos da especificação do selante. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 100 CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 RESULTADOS OBTIDOS Tabela 1 – Ensaio de Tração e Alongamento, Embraer, 2010 Figura 13 – Gráfico Tensão x Deformação – Embraer, 2010 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 101 4.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS Tomando-se como referência as especificações técnicas do selante (tabela 2) e confrontando os valores obtidos durante os ensaios se constata que em todos os corpos de prova o resultado superou a 200psi, ou 1,378MPa, na tração e apresentou percetual de alongamento superior a 150%. Tabela 2 – Aerospace Material Specification, SAE – AMS 3281, 2009 Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 102 CAPÍTULO 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS 5.1. CONCLUSÕES Com base nos resultados pode-se chegar a conclusão sobre algumas características dos compostos e seus comportamentos quando submetidos a esforços de tração. Fica evidente a grande capacidade de alongamento superando na média em 250% seu comprimento inicial e sua alta capacidade de resistir à tração. 5.2. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Comparar o desempenho do composto estudado com outros disponíveis no mercado, suas propriedades físicas, aplicações, densidade, custo e tempo de cura. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 103 REFERÊNCIAS INT. J. ADHESION AND ADHESIVES Volume 17 Number 4 1997. SAE AEROSPACE – Aerospace Material Specification AMS3281D Sealing Compound, Polysulfide (T) Synthetic Rubber for Integral Fuel Tank and Fuel Cell Cavities Low Density for Intermittent Use to 360 °F (182 °C), 2008. 15 p. SAE AEROSPACE – Aerospace Standard AS5127/1B Aerospace Standard Test Methods for Aerospace Sealants Two-Component Synthetic Rubber Compounds, 2009. 46 p. ASTM International – ASTM D412 – 06 Standard Test Methods for Vulcanized Rubber an Thermoplastic Elatomers – Tensions, 2006, 14 p. PRC – De Soto International, Inc. PPG – Aerospace – Sealants, 2009, 99 p. NUCLEMAT - Núcleo de Engenharia de Materiais Metálicos Ensaios Mecânicos – Prof. Dr. Carlos Alexandre dos Santos, 2008, 25 p. Química e Tecnologia de Poliuretanos Propriedades Elásticas – Prof. Dr. Valter Vilar, 3ª Ed, 2004, 40º p. Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011. 104