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Engenharia Química - 4º Período – Noturno

Beatriz Kaffer
Ellen Cristine Bach Coelho
Victor Henrique Naouroski dos Santos

PRODUÇÃO DE COMPOSTOS DE BORRACHA

Curitiba
2021
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Beatriz Kaffer
Ellen Cristine Bach Coelho
Victor Henrique Naouroski dos Santos

PRODUÇÃO DE COMPOSTOS DE BORRACHA

Trabalho apresentado à disciplina de

Aplicações de Controle Industrial aos
Processos Industriais, referente a nota
do segundo semestre.
Professore: Lucas Machado

Curitiba
2021
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LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Molécula borracha natural ........................................................................... 5

Figura 2 - Produção de borracha natural ................................................................... 9
Figura 3- Banbury ........................................................................................................ 12
Figura 4- Stockblender................................................................................................ 13
Figura 5- Batchoff......................................................................................................... 13
Figura 6- Fluxograma amplo ...................................................................................... 14
Figura 7- Fluxo de processos - mistura .................................................................... 17
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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 5
1.1 APRIMORADORES ........................................................................................ 7
1.2 MERCADO ....................................................................................................... 8
1.3 OBJETIVO ...................................................................................................... 10
1.4 JUSTIFICATIVA ............................................................................................ 10
2 PROCESSO .......................................................................................................... 11
3 FLUXOGRAMA DE PROCESSO AMPLO ...................................................... 14
4 MISTURA ............................................................................................................... 14
5 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 17
REFERÊNCIAS............................................................................................................ 19
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1 INTRODUÇÃO

Os polímeros são macromoléculas com alto peso molecular que se

originam da repetição de segmentos ao longo da cadeia. A palavra Polímero
significa muitos meros, ou seja, muitas partes. Os polímeros podem ser
classificados em naturais ou sintéticos. (LUCAS, 2001)
Os polímeros naturais, encontrados na natureza, apresentam estruturas
mais complexas que os polímeros sintéticos, neste trabalho será apresentado
um estudo sobre a composição e produtos proveniente da borracha que é um
polímero que pode ser obtido tanto de forma natural como sintética.
A borracha natural extraída do látex da seringueira é um polímero linear
composto de cadeias cis-1,4-poli-isopreno (Figura 1) de alto peso molecular e
apresenta propriedades únicas devido a sua estrutura intrínseca, alta massa
molar e presença de outros componentes minoritários como proteínas,
carboidratos, lipídios e minerais presentes no látex. A borracha natural, devido a
suas características, não pode ser substituída pela borracha sintética em muitas
aplicações. Sua extração provem de seringueiras (Hevea brasiliensis), onde o
látex após a extração forma um sistema coloidal polifásico e polidisperso. Ao
submeter o látex à uma força centrifuga elevada, separam-se três frações sendo
a primeira de coloração amarela (lutóides, não borrachas), a segunda forma de
liquido, é o soro que contem em solução substâncias de natureza proteica e sais
minerais. O soro é o meio dispersivo do sistema coloidal látex. Finalmente, a
terceira, fração constituída de uma camada superior de densidade menor do que
as duas outras, é formada quase que exclusivamente de borracha e apresenta-
se com coloração branca.

Figura 1- Molécula borracha natural

Fonte: FOGAÇA, 2021

Depois de coletado, o látex recebe adição de amônia, NH 3, com a

finalidade de conservá-lo por mais tempo. O próximo passo é realizar a
coagulação da borracha, isto é, a sua separação do líquido, adicionando-se
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vários ácidos ou sais ao látex. A borracha obtida dessa forma é uma massa
branca, pastosa, que é moída e processada com a finalidade de remover
contaminantes e para secar.

Tipos de borracha mais aplicados na indústria

Tipo Aplicação
Apesar de não ser a mais utilizada, alguns
processos exigem a aplicação da borracha
natural devido às suas características e
Borracha Natural composição. Alguns exemplos são luvas e
preservativos (saúde), pneus radiais
(automobilístico), utensílios de cozinha em
geral.

A borracha de silicone se destaca por sua

resistência em temperaturas extremas, ao
oxigênio e radiação UV. É um material de
Borracha de Silicone enorme durabilidade e capacidade isolante.
É muito usada em motores ou componentes
do tipo, pois resiste bem à óleos de motor e
líquido hidráulico.

Conhecido como VITON, a borracha f luorada

é a mais resistente de todas. Por isso, é
utilizada nas indústrias petroquímica,
Borracha Fluorada aeroespacial e automobilística. Sua
aplicação mais popular são os o -rings e
tubos, já que f icam estáveis mesmo em altas
temperaturas e diante de substâncias
químicas agressivas

Butadieno Estireno (SBR) A mais utilizada no mundo, pois é aplicada

em pneus de carros de pequeno e médio
porte
Esse tipo é um dos pref eridos da indústria
Etileno-Propileno-Dieno automobilística, pois é um tipo de borracha
que se mantém instável mesmo em
aplicações intempéries (como em
mangueiras para radiadores).
Pref erida de setores como engenharia
mecânica, essa borracha apresenta uma
característica muito importante: uma alta
tensão de rotura, além de ser extremamente
Acrilonitrilo Butadieno Hidrogenado resistentes à várias condições, como altas
temperaturas, vapor e substâncias ácidas,
como sulf eto de hidrogênio.
São utilizadas em juntas de motor,
mangueiras de sistemas de combustível e
vedantes.
Essa é uma das mais usadas na indústria.
Sua composição oferece resistência à baixas
temperaturas e também à substâncias
Nitrílica corrosivas, como gasolina, óleo e alguns
solventes.
Também são aplicados em f ormas de o -
rings, tubos, membranas e mangueiras. São
muito utilizados em automóveis, sistemas
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pneumáticos e hidráulicos e trabalhos que

possuem f ricção

1.1 APRIMORADORES

Aprimoradores são compostos adicionados a mistura de borracha a fim

de: melhorar as características do produto final, reduzir tempo e gastos
processuais, e possibilitar etapas do processo.
Os principais aprimoradores utilizados na fabricação de compostos de
borracha são os seguintes:

Agentes vulcanizadores

Agentes de vulcanização são compostos responsáveis por permitirem a

vulcanização da borracha. O princípio de funcionamento baseia-se na interação
química que ocorre durante o processo de aquecimento formando redes
tridimensionais entre os meros.
O mais famoso ativador é o enxofre, descoberto por Goodyear em 1839.

Aceleradores

São materiais que não apenas proporcionam um aumento da velocidade

da vulcanização, mas aprimoram as propriedades da borracha. Além de
aumentarem a velocidade de vulcanização, esses proporcionam outras
vantagens como a utilização de temperaturas mais baixas e tempos de cura
menores. (BUENO, 2014)

Negro de fumo

É um componente formado por cadeias carbônicas, sendo produzido por

pirólise ou combustão parcial de hidrocarbonetos gasosos ou líquidos. O efeito
provocado pela adição do negro de fumo é similar em todas as borrachas. O
negro de fumo de grande área específica, isto é, que apresenta um menor
tamanho de partícula, concede melhores propriedades de reforço principalmente
na resistência a tração e resistência à abrasão. (BUENO, 2014)
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As propriedades da borracha mudam com a adição de negro de fumo. O

reforço aumenta com o aumento da quantidade de negro de fumo até chegar a
um nível ótimo, após esse nível o reforço começa a diminuir.

Auxiliadores

Agentes peptisantes, amaciantes (óleos e ceras) e plastificantes são

comumente utilizados como auxiliares de processamento. Um auxiliar de
processamento participa de uma ou mais das regras listadas a seguir:

a) Aumenta a velocidade da taxa de separação dos polímeros e também

controla o grau de separação;

b) Ajuda a dispersar outros componentes na borracha.

1.2 MERCADO

Este capitulo comtemplará aspectos econômicos acerca da borracha

natural e do negro de fumo, visto apresentarem maior relevância econ ômica e
social quando comparados aos outros elementos utilizados na produção de
compostos de borracha, tais como, estireno-butadieno, acrilonitrila-butadieno,
óxido de zinco, etc.
No Mercado Internacional a borracha natural constituiu-se numa
importante matéria-prima, após o desenvolvimento industrial do final do século
XIX, devido as suas características físico-químicas, permitindo a produção de
múltiplos produtos para diferentes usos. Tais propriedades fizeram com que a
sua demanda crescesse rapidamente a partir de 1900 e, mesmo com a
descoberta da borracha sintética, anos mais tarde, um substituto parcial, sua
demanda continuou crescendo.
O Brasil apresentou uma produção de 29,6 mil toneladas em 1991,
número que torna o país em um produtor inexpressivo no contexto mundial,
apesar de ser o país da origem da seringueira, hoje cultivada em inúmeros
países, onde se viabilizou como uma atividade agrícola importante. Entre os
principais consumidores de borracha natural, em 1991, destacam-se os Estados
Unidos da América com 15% do consumo mundial, o Japão com 13%, a China
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com 12%, a Índia com 7%, a Malásia com 4% e o Brasil com 2%. (MARTIN.
1993)
Essa ineficiência produtiva, evidenciada em 1991, começa a apresentar
seus efeitos no cenário brasileiro atual, visto que a quantidade consumida pelo
setor nacional está acima da quantidade produzida, como é possível perceber
pela projeção (Figura 2). Isso gera uma grande necessidade de importação, fator
que diminui a competitividade brasileira, pois a venda desse commodities está
atrelada as variações do dólar.

Figura 2 - Produção de borracha natural

Fonte: ABRABOR (2017)

Outro componente muito utilizado na produção de compostos de borracha

é o negro de fumo, cujas propriedades foram explicadas anteriormente. O negro
de fumo apresenta significativa movimentação no mercado mundial com um
consumo global estimado em 13,2 milhões de toneladas métricas em 2015, em
um mercado estimado em US$ 13,7 bilhões. (ZARBIN, 2019)
Estima-se que 70% de todo negro de fumo produzido globalmente seja
utilizado como aditivo em borracha para pneus, visando pigmentação, reforço
mecânico e condução de calor, o que aumenta significativamente o tempo de
vida dos pneus. Valores entre 30 e 35% da massa total de um pneu são devidos
ao negro de fumo.
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As projeções de mercado para o negro de fumo é que seu consumo

continuará crescente até 2025, atingindo a marca de 15 milhões de toneladas
métricas.
Os maiores consumidores, e também produtores de n egro de fumo, são
a China e a Índia. No Brasil, a produção de negro de fumo se iniciou em 1958,
com a Copebras – Companhia Petroquímica Brasileira – produzindo 50 mil
toneladas anuais na sua fábrica em Cubatão-SP.9 Hoje a fábrica pertence à
Aditya Birla Group, líder no mercado de negro de fumo na América Latina, que
juntamente com a unidade de Camaçari – BA, tem a capacidade de produção de
267 mil toneladas/ano. Além da Birla, outros produtores de Negro de Fumo no
Brasil são as empresas Cabot (Mauá-SP) e Orion Carbons (Paulínia-SP).
O negro de fumo é um produto cujo mercado está intimamente ligado à
indústria automobilística, sendo, portanto, fortemente afetado pelas flutuações
na economia.

1.3 OBJETIVO

Apresentar o processo produtivo de mantas de borracha, focalizando na

etapa de mistura e suas variáveis de processo.

1.4 JUSTIFICATIVA

A indústria da borracha desempenha um papel fundamental na sociedade

contemporânea, devido a sua grande lucratividade, geração de empregos,
utilização ampla em produtos, e atual necessidade de produção.

Essa necessidade de produção é fruto da ampla utilização da borracha

em diferentes aspectos sociais, os quais variam desde utilização hospitalar até
usos aeroespaciais. A grande demanda torna a borracha um composto
altamente lucrativo para o mercado, por exemplo, somente o estado de São
Paulo em 2017 gerou R$ 590 milhões em borracha natural. (APABOR, 2018)
Outro setor que movimenta expressivamente o mercado da borracha é o
pneu. Sendo a fabricante Bridgestone responsável por cerca de 29 bilhões de
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dólares em receita e uma produção anual, 2011, de 190 milhões de unidades.

(RIBEIRO, 2020)
Tendo em vista a ampla aplicação da borracha, percebeu-se a
necessidade de compreender o processo de fabricação das mantas de borracha,
as quais são a matéria prima para quase todas as aplicações da borracha, ou
seja, as mantas de borracha são a matéria prima de outros produtos de borracha.

2 PROCESSO

O processo de produção de compostos de borracha, especificamente

mantas, consiste em uma produção relativamente extensa - tendo em vista que
uma mesma batelada pode ser reprocessada várias vezes até atingir o patamar

esperado - cujo objetivo é a fabricação de borracha para usos diversos.

Basicamente a linha de produção pode ser dividida em três grupos gerais de

acordo com as familiaridades das operações empregadas; são elas recebimento
de matéria prima, mistura, e estocagem/expedição.
Todo o processo começa com o recebimento e tratamento da matéria
prima advinda dos fornecedores. Tal processamento de matéria prima possui
como objetivo assegurar a qualidade do composto produzido por meio das
seguintes etapas, identificação e registro de lote, análise de qualidade, e
pesagem em Pig’s (nome dado a porção de matéria prima em pó pesada na
especificação de cada fórmula, por exemplo a fórmula X utiliza 15kg de óxido de
zinco).
Após todas as matérias primas necessárias passarem pela aprovação da
análise de qualidade e terem sido devidamente pesadas o processo de
fabricação pode de fato ser iniciado. A primeira etapa corresponde na mistura
das matérias primas com a utilização do equipamento banbury (Figura 3). Esse
equipamento utiliza das forças de cisalhamento causadas pelo atrito entre os
rotores e a massa formada no interior da câmara para efetuar a mistura.
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Figura 3- Banbury

Fonte: BUENO, Tiago, 2014

Com a primeira mistura efetuada no Banbury o processo é prosseguido

para os misturadores abertos (também conhecidos como moinhos), os quais são
responsáveis por melhorar a homogeneização dos compostos misturados
inicialmente pelo Bandury. Essa etapa é chamada de primeiro moinho.
Posteriormente ao primeiro moinho, a massa formada é enviada ao
segundo moinho que possui a responsabilidade de homogeneizar os ativadores,
aceleradores a massa formada. Além dessa tarefa, realiza também a formação
das mantas na espessura e largura determinadas pelo padrão de qualidade. Isso
é realizado com auxílio dos stockblender (R3 e R 4 da Figura 4) e das guias
laterais, respectivamente.
O stockblender também é utilizado para acelerar e aumentar a taxa de
homogeneização de ativadores e agilizar o arrefecimento da manta. (CAETANO,
2019)
 13

Figura 4- Stockblender

Fonte: CAETANO, 2019

Com a massa devidamente misturada e formatada nas especificações

determinadas (mantas), ela pode prosseguir para a etapa de finalização da
mistura. Tal consiste no banho e secagem do antiaderente utilizado nas mesmas.
Após a mistura, a manta formada é mergulhada em um tonel de solução
antiaderente, a qual é utilizada com a finalidade de após seca garantir que as
mantas não grudem umas nas outras, visto que a forma de estocagem faz com
que sejam armazenadas em contato direto. Caso não fosse utilizada essa
solução seria inviabilizado a utilização das mantas, uma vez que estariam
totalmente aderidas umas as outras.
Todo o processo descrito acima é realizado no equipamento Batch -off,
Figura 5. Esse consiste na utilização de espécies de cabides que transportam as
mantas contendo a solução antiaderente ao longo de um percurso ventilado por
ventiladores de alta potência.
Ao final do percurso as mantas já apresentam o antiaderente seco,
podendo de tal forma serem pesadas e contabilizadas de maneira sequencial.

Figura 5- Batchof f

Fonte: YI Tzung (editado) 2021

 14

Com todo o processo de produção finalizado as mantas partem para a

etapa final do processo, a expedição/estocagem. Nessa fase, as mantas
recebem numeração de lote, carga, e data de fabricação, podendo assim serem
estocadas e enviadas aos devidos clientes.
O processo acima descrito é realizado em batelada, pois os compostos
fabricados apresentam grande volume de produção, baixa variabilidade, e são
produzidos em misturas não continuas (lotes).

3 FLUXOGRAMA DE PROCESSO AMPLO

O fluxograma a seguir, Figura 6, representa as três etapas descritas no

capítulo anterior de maneira simplificada, visto que o objetivo do presente
documento é a explicação do processo de mistura e suas variáveis de controle.

Figura 6- Fluxograma amplo

Fonte: Autor, 2021

4 MISTURA

Para que a etapa de mistura atinja de maneira satisfatória seus objetivos,

produzir mantas com todos os parâmetros de qualidade dentro do especificado,
são necessárias algumas medidas de controle ao longo principalmente do
processo de mistura. Tais medidas a serem controladas são chamadas de
variáveis de processo.
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Como dito anteriormente, a etapa de mistura é constituída por três

equipamentos, banbury, moinho um e moinho dois (também chamados de
misturadores), que unidos em etapas sucessivas possibilitam as características
desejadas do composto.
A principal variável a ser controlada na operação unitária banbury é o nível
de óleo adicionado na mistura. Esse controle tem por objetivo manter a
viscosidade da mistura de maneira homogênea e o mais próximo possível do
valor de setpoint (valor padrão). O controle consiste basicamente pela adição ou
subtração da quantidade de óleo na câmara de mistura, visto que a relação entre
quantidade de óleo e viscosidade são inversas, logo aumentar o óleo tende a
diminuir a viscosidade.
Para que o controle seja realizado de maneira eficaz são empregados
alguns equipamentos que quando trabalhando em conjunto possibilitam tal
tarefa. Basicamente, o processo inicia com a identificação do nível de óleo
presente no tanque de alimentação do banbury através de um transmissor de
nível (equipamento responsável por medir). Captado o sinal, o transmissor
converte a informação para um sinal elétrico para que em seguida seja enviado
ao controlador, responsável pela tomada de decisão, e consequentemente
enviar um sinal para o conversor (converte o sin al elétrico para o sinal necessário
no sistema) que converte o sinal para pneumático permitindo então a regulação
da vazão da tubulação através de uma válvula.
Realizada esta primeira mistura, a massa segue para o primeiro moinho.
As duas principais funções dessa nova etapa é a melhor homogeneização da
massa previamente misturada e o controle da viscosidade. Nessa operação a
variável de processo é a temperatura, pois utiliza-se do aumento ou redução da
temperatura dos cilindros para controlar a viscosidade, uma vez que temperatura
e viscosidade apresentam interferências diretas uma na outra.
O sistema de controle realizado no moinho é similar ao utilizado no
banbury, com exceção que ao invés de o transmissor e o controlador serem de
nível são nessa etapa de temperatura. O sistema atua na regulação da vazão de
vapor de um tanque de aquecimento para controlar a temperatura. Basicamente,
quando necessário aumentar a viscosidade o sistema diminui o valor de setpoint
da temperatura, fazendo com que o sistema atue, conforme o processo relatado,
para atingir o novo patamar.
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O segundo moinho apresenta o mesmo objetivo do primeiro, mas além

desses é responsável também pela adição e misturação de alguns tipos de
acelerados, e pelo arrefecimento das mantas (utilização do stockblender). O
sistema de controle é análogo ao utilizado no primeiro moinho.
Finalizado o processo de mistura as mantas são enviadas ao tanque de
solução antiaderente, a qual deve apresentar um teor de sólidos em um patamar
estritamente regulado. Isso é necessário para evitar que ocorra falta ou
desperdício de material, visto que ambos os casos geram problemas tanto
financeiros como processuais, por exemplo mantas com baixo teor de sólidos
grudam com maior facilidade. Todo controle de teor de sólidos é realizado
seguindo a mesma lógica apresentada anteriormente, medição de nível pelo
transmissor, tomada de decisão pelo controlador, e conversor. Entretanto nessa
etapa o controlador do tanque de solução antiaderente apresenta a função de
regular a entrada de água e de produto simultaneamente através da identificação
do nível do tanque; isso é feito por meio de cálculos de concentração que são
responsáveis por regular a relação entre a entrada de água pela en trada de
produto, a fim de manter sempre constante a concentração. Este tanque é ligado
ao tanque do Batch off, o qual também possui um sistema de controle de nível e
atuação por meio de bombas.
Um aspecto de controle muito utilizado na produção de compostos de
borracha é a divisão de um mesmo composto produzido em duas etapas
produtivas, base e final. Composto base são aqueles sem a adição de
aceleradores e de agentes de vulcanização, já os finais apresentam tais
compostos. Ou seja, a produção fabrica a manta de borracha base para que
posteriormente seja reprocessada no mesmo processo, com diferença apenas
na adição dos agentes de vulcanização na segunda etapa. Isso é utilizado para
evitar uma pré-vulcanização da borracha durante o processo, visto que muitos
agentes de vulcanização e aceleradores (responsáveis por melhorarem as
características de compostos vulcanizados) podem iniciar seus processos
reacionais ainda na etapa produtiva, devido as altas taxas de cisalhamento da
mistura, provocando dessa forma a vulcanização prematura do composto, ao
qual resulta em prejuízos financeiros, visto que a recuperação de compostos
vulcanizados para compostos finais é um processo relativamente extenso e caro.
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Todo o processo descrito acima pode ser ilustrado de maneira

simplificada pelo fluxo de processos a seguir (Figura 7).

Figura 7- Fluxo de processos - mistura

Fonte: Autor (2021)

5 CONCLUSÃO

O presente documento abrangeu os principais tópicos relacionados com

a produção de compostos de borracha, tais como os aspectos econômicos,
aprimoradores de mistura, variáveis de processo, e o processo de fabricação.
Como visto, a produção de mantas de borracha para uso diverso
compreende três fases gerais, recebimento de matéria prima, mistura,
estocagem/expedição. Sendo a etapa de mistura o cerne do processo, essa
necessita a aplicação de métodos de controle desenvolvidos por meio de
conjuntos de equipamentos, tais como transmissores, controladores, atuadores
e conversores, que possuem como objetivo assegurar a qualidade do produto e
a confiabilidade do processo.
Dessa forma, pôde-se compreender e atender de maneira satisfatória os
tópicos e objetivo proposto inicialmente. Esse possibilitou o entendimento das
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etapas de produção, dados de mercado e a aplicação de conceitos de controle

e variáveis empregados diretamente ao fluxo de processo.
De tal sorte, a pesquisa aqui realizada proporciona uma série de
informação intimamente interligadas acerca da produção de mantas de borracha
para futuros interessados no assunto, lhes servido como base de dados ou até
mesmo como inspiração para futuros projetos.
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REFERÊNCIAS

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