Devido ao seu baixo peso e excelente absorção de impacto, as espumas semiflexíveis e semirígidas são largamente usadas na fabricação de partes internas dos automóveis como: painéis de instrumentos; quebra-sol, encosto de cabeça; portas, etc. As propriedades de absorção de impacto das espumas semiflexíveis e semirígidas são próximas do ideal.

Figura 4.13 – Diagrama do processamento de espumas semiflexíveis

4.4.1 - Matérias primas

Como as espumas flexíveis, as semiflexíveis, e semi-rígidas utilizam água como agente de expansão e possuem mais de 90% da sua estrutura com células abertas. A abertura das células é crítica, visto que as peças acabadas não podem ser esmagadas, após a desmoldagem, para eliminar o encolhimento. A manufatura das espumas semiflexíveis é mais complexa e envolve cinco etapas distintas. O processo mais utilizado emprega sistemas que utilizam isocianatos derivados do MDI e polióis poliéteres reativos, com hidroxilas primárias e cadeia longa. O componente poliol é composto de: 100 partes em peso de uma mistura de polióis de pesos moleculares entre 2000 e 6000; 1 a 20 partes de extensor ou reticulador de cadeia; 1 a 3 partes de água; 0,1 a 1,0 parte de catalisador; e possíveis aditivos como emulsificantes ou estabilizadores para formar uma mistura estável, promotores de adesão e pigmentos. Este componente poliol é espumado pela reação com MDI polimérico. Uma formulação típica é mostrada na Tabela 4.6.

No componente poliol são usados poliéteres triós reativos com mais de 75% de hidroxilas primária, com teores de 10 a 20% de óxido de etileno, na extremidade da cadeia e peso molecular entre 4500 a 6000, em níveis entre 70-100%. Dióis com peso molecular entre 2000 e 4000 também são usados. Polióis copoliméricos (CPP) são utilizados em até 20%. Reticuladores de cadeia são usados para aumentar a dureza e promover desmoldagem rápida. Por outro lado, os formadores de ligações cruzadas reduzem a fluidez e aumentam a densidade da peça. Uma alternativa para elevar a rigidez da espuma sem aumentar o teor de reticulador é usar os polióis poliméricos.

Abridores de células são utilizados de 1 a 2 partes por cem para reduzir as pressões internas durante o ciclo de cura e evitar encolhimento, porém podem reduzir a dureza da espuma. Tipicamente, o efeito do surfactante de silicone é sustentar a espuma, regular o tamanho das células e controlar a estabilidade com o aumento da compatibilidade da mistura reacional. O aumento da estabilidade da espuma reduz a tendência de buracos. Todavia, se utilizado em altas concentrações, os surfactantes de silicone podem causar vazios nos pontos de alívio, selagem e pele solta. Surfactantes são usados em níveis de até 0,5 parte, podendo variar dependendo dos requisitos do processo, desenho do molde e qualidade da pele. A adesão da espuma a peles de vinil pode ser prejudicada pelo uso de excesso de silicone. Promotores de adesão podem ser necessários dependendo do tipo de pele de vinil e os polióis poliésteres com peso molecular entre 500 a 2000 são usados em 1 a 4 partes. Os de maior peso molecular mostram melhor adesão mas têm menor compatibilidade e estabilidade. Usados acima de 3 partes baixam a reatividade média do sistema.

As aminas terciárias são os catalisadores mais utilizados, na faixa de 0,2 a 1,5 parte por cem de poliol. O PVC sofre degradação quando em contato com o PU. Estudos têm sido conduzidos para estabelecer o mecanismo de formação de manchas e fragilização do PVC e as aminas terciárias têm sido apontadas como o fator crítico. A degradação é minimizada pelo uso de aminas terciárias reativas, que reagem com o isocianato e ficam incorporadas à cadeia macromolecular. Como conseqüência, não migram para a superfície do PU e não têm contato com o PVC. Deste modo, o problema de odor também é minimizado. A velocidade de dehidrocloração do PVC é influenciada pela basicidade e impedimento estérico das aminas terciárias. Sistemas sem a utilização de aminas foram desenvolvidos com a utilização de catalisadores como sais de metais alcalinos de ácidos carboxílicos, como acetato de potássio, que resultam em excelente resistência ao manchamento com a manutenção das propriedades da espuma e características de processabilidade.

Requisitos automotivos, como painéis grandes, macios e com formato complexo, necessitam de um perfil de reação específico. Neste caso, as propriedades de fluxo e de cura dos sistemas de espumas semiflexíveis podem ser melhoradas pelo uso de catalisadores de ação retardada adequados. Uma formulação típica de espuma semiflexível para painéis de instrumentos é mostrada na Tabela 4.8.

4.4.2 - Processo

As espumas semiflexíveis são usualmente protegidas por uma face decorativa feita por moldagem a vácuo de filmes de termoplásticos (Figura 4.6), ou ainda, por moldagem rotacional de plastisóis de PVC, moldagem com lama de plastisóis ou pó, e moldagem por sopro. Num segundo estágio (Figura 4.13) sobre a pele pré-formada colocada no molde com os insertos, a mistura reagente é derramada, ou injetada e a espuma semiflexível resultante preenche todos os espaços. Os moldes normalmente são fabricados de aço ou alumínio.

4.4.2.1 - Fabricação das Faces

Para fins de acabamento e propósitos práticos, um revestimento com algum outro material protege normalmente a superfície dos artigos de espuma de PUR semi-rígido e rígido. Isto pode ser feito através de um dos seguintes três processos. Estes também permitem a escolha de uma gama extensiva de cores.

Moldagem Rotacional - Esta técnica utiliza moldes metálicos revestidos por eletro deposição de níquel / cobre com 2 mm de espessura possuindo o padrão estético desejado para o produto acabado. Uma quantidade específica de um plastisol de PVC líquido é introduzida no molde. A composição do plastisol de PVC é aproximadamente 55% PVC 35% plastificantes e o restante: aditivos e pasta de cor (viscosidade: 1500-2000 mPa.s). O molde é aquecido com ar quente até aproximadamente 180-200^oC e então girado. O PVC cobre as paredes interiores do metal do molde e então gelifica dentro de 5 a 9 minutos, usando calor como acelerador. Isto resulta em uma pele grossa e contínua de PVC com 2 mm. Esfriando-se o molde a aproximadamente 50oC em um banho de água a pele pode ser desmoldada. Este método também é usado para a produção de descansos para braço. Até 25 peles podem ser produzidas de cada vez dependendo do aparato centrífugo e do tamanho dos artigos desejados. A desvantagem principal deste processo é o desperdício de 5 a 40%, como resultado da necessidade de se cortar a rebarba traseira.

Moldagem com lama - No passado só plastisóis de PVC (lama líquida) era usado para esta técnica. Hoje misturas secas de PVC (lama de pó) são empregadas quase exclusivamente. Moldes geometricamente simples como painéis, console central e painéis das portas, não requerem uma rotação total ao redor de ambos os eixos. Então, são usados moldes metálicos, que estão abertos na parte de trás e giram ao redor de um só eixo.

No método de lama líquida o molde de metal é cheio com plastisol de PVC que é então pré-gelificado aquecendo-se o molde. O excesso de plastisol de PVC é decantado e a gelificação é completada a 180-200^oC. No método de lama de pó o molde de metal é pré-aquecido a aproximadamente 250oC. É então conectado ao reservatório que está cheio com PVC em pó e girado 180 graus, de forma que o pó caia no molde. Girando-se repetidamente e aplicando vácuo, uma pele contínua, livre de bolhas é produzida. O excesso pó de PVC é despejado e o resto é gelificado à aproximadamente 250^oC. O molde é esfriado a 40oC, em banho de água, e a pele é desmoldada. As peles moldadas produzidas pelo método de lama em pó têm duas vantagens sobre as peles de plastisol. Primeiro, elas têm uma espessura mais uniforme porque o plastisol possui reologia insuficiente podendo gotejar e escorrer. Segundo são possíveis mudanças mais rápidas de cor durante a produção.

Outro processo, que como o de técnica de lama, é usado para artigos com áreas de superfície grande como painéis de instrumento, painel interno da porta, proteção acolchoada do joelho, consoles, etc. Nele, folhas de ABS ou de PVC de 0,8 a 1,0 mm de espessura são aquecidas com infravermelho até 170 a 180^oC e moldadas a vácuo em ferramentas de epóxi ou alumínio. Dependendo da complexidade dos contornos e desenhos e o número de moldagens, os processos podem ser completamente automáticos ou ser conduzidos manualmente. A face decorativa da folha sempre é texturizada, e a escolha de cores é virtualmente ilimitada.

Peles de ABS ou PVC formadas a vácuo possuem algumas vantagens, com relação às de lama de PVC, como por exemplo, menor custo de produção, facilidade de manipulação, e melhor preenchimento devido a maior dureza. A desvantagem do processo é que a tensão está congelada na pele. Após re-aquecimento destas peles há altas forças restauradoras (efeito de memória) que podem distorcer detalhes desejáveis na pele moldada a vácuo. Como resultado, a estabilidade do contorno, e a termo qualidade das partes moldadas são diminuídas. Além disso, limitações, no desenho e estilo, têm de ser aceitas: não podem ser reproduzidas costuras decorativas e a textura, com relevos, é distorcida em áreas onde o estiramento da folha é necessário.

Enchimento do Molde - Peles de PVC para descansa-braço, produzidas por moldagem rotacional, normalmente são tratadas com desmoldante para prevenir a adesão de qualquer espuma que possa transbordar sobre esta superfície. Qualquer inserto plástico ou metálico usado é posto na pele e fixado através de cravos na metade inferior do molde. O molde é então fechado e a injeção acontece por um orifício de injeção no topo do molde. A maioria dos fabricantes emprega máquinas de alta-pressão que são providas com cabeças de mistura auto-limpante. Na produção o tempo típico de residência no molde é de 3 a 6 minutos.

Como previamente exposto, esta técnica é usada na moldagem de partes com áreas de superfície e dimensões grandes. Peles macias formadas a vácuo têm que ser enchidas cuidadosamente nos contornos do molde para prevenir vazios. Insertos metálicos, de madeira ou termoplásticos são fixados na tampa de molde ou posicionados no fundo do molde.

A forma de espumar em um molde aberto ou fechado depende dos caminhos de fluxo e geometria do artigo. Máquinas de alta pressão são quase universalmente usadas (algumas com duas cabeças misturadoras). Estas cabeças misturadoras podem ser controladas por um robô ao verter em um molde aberto. O tempo de injeção nunca deve exceder 2/3 do tempo de creme do sistema. Isto permite tempo suficiente para a tampa do molde ser fechada completamente antes de uma espumação significativa ocorrer. Também dá a massa reagente tempo de fluir nas áreas complexas do molde e prevenir falhas. Mistura reagente adicional nunca deve ser adicionada a um molde no qual o material já tenha começado a espumar. Ar para nucleação pode ser adicionado à câmara de mistura para gerar uma estrutura de células abertas irregulares na espuma de recheio semi-rígida.

Parâmetros da espumação - A reação da mistura de polióis com o MDI oligomérico é exotérmica bastante para a espuma curar sem a adição de calor externo. Considerando que moldes não aquecidos requerem maiores tempos de residência, são empregados moldes aquecidos quase que exclusivamente. Quando a mistura espumante alcança sua temperatura máxima, o molde ainda tem uma pressão interna muito alta. Se a desmoldagem acontecer neste momento, o alívio de pressão pode causar grandes bolhas de gás entre a superfície da espuma e a pele de ABS/PVC. Se isto acontecer, a pele é separada da espuma, e podem ser produzidos vazios irreparáveis. Por conseguinte, a peça ou deve ser desmoldada antes ou depois deste período crítico. Outra aproximação é aliviar a pressão do molde erguendo a tampa alguns mm, mantendo-a firme com ganchos (antes de abrir).

Pressão interna do molde - A pressão interna do molde é resultado da geração de gás carbônico durante a reação da água e o isocianato durante o processo de espumação. Fatores que contribuem para a magnitude desta pressão incluem: a área secional da peça a ser moldada, a relação da densidade moldada para a densidade livre (grau de superenchimento) e o nível de água na formulação.

Tempo de desmoldagem - O tempo de desmoldagem é determinado pelo sistema usado. Porém, fatores como o tamanho e geometria do artigo moldado, a temperatura alcançada pela reação de espumação e a temperatura do molde têm importância. Se a linha de produção é projetada para remoção cuidadosa e armazenamento dos artigos de espuma moldados até que cura aconteça, é possível uma desmoldagem rápida de 2,5 minutos. Tempos de desmoldagem típicos estão entre 4 e 6 minutos, se uma mistura de diferentes artigos for produzida na mesma linha. Depois da desmoldagem são requeridas aproximadamente 48 horas para a espuma alcançar sua dureza final.

Moldes - Apesar da relativamente baixa pressão de espumação de 1 a 2 bar, um molde para a produção de peças com grandes áreas de superfície (por exemplo, painéis de instrumento) deve poder resistir a uma força considerável. Então são necessárias braçadeiras robustas de alumínio ou aço de forma que as partes do molde possam ser firmemente seladas para prevenir flash. Uma variedade de mecanismos de fechamento é usada: parafusos operados mecanicamente, pinos, ganchos, ou dispositivos de fechamento controlados hidráulica ou pneumaticamente. Para complementar o mecanismo de fechamento externo um travesseiro de ar inflado a aproximadamente 2,5 bar, assegura um molde bem-lacrado. Os contornos de todos os moldes de espumação são produzidos de resina de epóxi. É importante manter os moldes na temperatura desejada de 35 a 45^oC. Isto é normalmente obtido por fluido circulando no molde. Normalmente a água é suficiente para o aquecimento / resfriamento.

4.5 - Espumas semirígidas

As espumas semirígidas são usadas como absorvedoras de impacto, como em pará-choques automotivos. Elas são mais semirígidas em sua natureza assemelhando-se às rígidas, podendo não recuperar a forma inicial como as flexíveis. Estas espumas têm alta capacidade de absorver energia e são usadas em: protetor de impacto lateral; protetor de joelho, protetor de cabeça e pára-choques (Figura 4.14). Como as espumas flexíveis e semiflexíveis, as semirígidas possuem mais de 90% de células abertas em sua estrutura. A diferença é que devido a maior rigidez de sua estrutura, quando submetidas aos testes de compressão, retornam mais lentamente a forma original. Isto resulta em valores de 15 a 30% de deformação permanente, contra valores de 4 a 8% para as flexíveis.

As propriedades de absorção de impacto das espumas semirígidas são bem próximas do ideal. Se a espuma é submetida a um impacto, ela pode absorver e dissipar a energia de duas formas: por amortecimento pneumático (expulsão e reentrada do ar retido nas estruturas celulares durante a deflexão) e por amortecimento mecânico (deflexão da estrutura celular). O material da face também atua como um mecanismo distribuidor de carga, para aumentar a desaceleração durante o impacto de um corpo. Os reagentes são basicamente os descritos nas espumas semiflexíveis. Normalmente, os teores de reticulador e poliol poliméricos são maiores, para aumentar a rigidez da espuma.

a) face externa; b) espuma absorvedora de impacto; c) barra estrutural; d) suportes; e) carro
Figura 4.14 – Construção de um pára-choque de automóvel

4.6 - Espumas com pele integral