Elastômero termoplástico estabilizado por UV para o mercado automotivo: um guia prático

Um estacionamento em julho é um dos bancos de durabilidade mais difíceis da indústria automotiva. As temperaturas da superfície em um painel de instrumentos escuro sobem muito acima da temperatura ambiente, e a radiação ultravioleta continua atuando em todas as cadeias de polímeros que pode alcançar. Peças que pareciam perfeitas no início da produção podem ficar calcárias, pegajosas ou visivelmente mais claras em poucos verões. É por isso que um elastômero termoplástico estabilizado contra UV passou de uma linha interessante em uma folha de dados para um requisito fixo na maioria das especificações de materiais automotivos.

Os elastômeros termoplásticos conquistam seu lugar nos veículos porque combinam a sensação de borracha com o processamento termoplástico: sem etapa de vulcanização, tempos de ciclo curtos e sucata que muitas vezes pode ser reafiada. Mas nem todo TPE envelhece da mesma forma ao ar livre. A diferença geralmente se resume a duas coisas: a saturação da estrutura do polímero e a qualidade do pacote de estabilização construído em torno dela. Compreender ambos torna a seleção de notas muito mais previsível.

Por que a estabilidade UV é agora um critério de compra

O desgaste costumava ser problema de outra pessoa. O acabamento externo era de metal ou plástico fortemente preenchido, os interiores eram cobertos com pele de PVC e ninguém esperava que uma vedação permanecesse bonita por quinze anos. Hoje, o TPE aparece em locais onde a luz solar, o calor e o estresse mecânico chegam juntos:

• Perfis de vedação externa, canais de passagem de vidro, acabamento em linha de cintura e defletores de água
• Extensões de arco de roda, almofadas de rack de teto, guarda-lamas e juntas de porta de carga em veículos elétricos
• Revestimentos do painel de instrumentos, coberturas das portas, tampas do console e alças de toque suave dentro da cabine
• Capas de airbag com costuras moldadas, onde o envelhecimento altera o comportamento do rasgo

Três tendências impulsionaram a exigência para cima. As seções da parede tornaram-se mais finas para economizar peso, o que deixa menos material para absorver uma determinada dose de UV. As cores mudaram para pretos profundos e tons saturados que escondem a sujeira, mas também ficam mais quentes. E as expectativas de garantia aumentaram, então uma parte agora é julgada pela aparência no décimo ano, e não pela aparência no terceiro mês.

O que a estabilização UV realmente envolve

Um TPE resistente às intempéries não é o produto de um aditivo milagroso. É um sistema com três linhas de defesa funcionando ao mesmo tempo.

1. Química da espinha dorsal. Um bloco intermediário saturado tem muito menos sítios reativos do que um bloco insaturado, de modo que a cadeia resiste à oxidação antes de qualquer aditivo ser considerado.
2. Pacote estabilizador. Os antioxidantes primários e secundários protegem o fundido e a vida útil, os estabilizadores de luz com aminas impedidas interrompem o ciclo de fotooxidação e os absorvedores de UV protegem a radiação de alta energia antes que ela atinja ligações sensíveis.
3. Superfície e pigmento. Sistemas de negro de fumo e pigmentos bem escolhidos protegem a massa do polímero, enquanto uma superfície fosca ou revestida altera a forma como a degradação se torna visível.

Como o TPE é um material composto e não uma única resina, o mesmo polímero base pode se comportar de maneira completamente diferente em duas formulações. Essa é a razão prática para discutir a exposição no uso final com o fornecedor do material, em vez de comparar apenas as fichas técnicas.

Backbone First: Por que os Bloco intermediários hidrogenados envelhecem mais lentamente

Os copolímeros em bloco de estireno-butadieno carregam um bloco intermediário de polibutadieno com ligações duplas residuais. Essas posições alílicas são exatamente onde o oxigênio e a energia UV preferem atacar, produzindo uma mistura de reticulação e cisão de cadeia. O resultado visível geralmente é escamação, desvio de cor e rachaduras na superfície que aparecem no momento em que a peça é flexionada.

A hidrogenação remove a maioria dessas ligações duplas e converte o bloco intermediário em um segmento de borracha saturado. O copolímero em bloco de estireno-butadieno hidrogenado (SEBS) e o copolímero de estireno-isopreno hidrogenado (SPES) mantêm a estrutura termoplástica bifásica, ao mesmo tempo que proporcionam aos formuladores um polímero muito mais silencioso para trabalhar. O polímero de isopreno hidrogenado (EP) vai além em uma direção diferente, uma vez que não contém blocos de poliestireno e se comporta como um modificador saturado em vez de um elastômero termoplástico independente. A química por trás dessas diferenças, e como ela se traduz em resistência à oxidação, é abordada com mais profundidade em nossa nota sobre como os copolímeros em bloco respondem à exposição UV e à degradação ambiental .

Copolímero em bloco de estireno-butadieno hidrogenado (SEBS) Série H Veja as classes SEBS da série ZHOPOLY H para elastômeros termoplásticos SBS hidrogenados usados em modificação de plástico, calçados, TPE, filmes e produtos médicos. Ver Produto →

Comparando as principais opções de nível automotivo

A tabela abaixo é um ponto de partida para uma conversa, não uma especificação. A dureza, o teor de óleo e a carga do estabilizador alteram consideravelmente os limites.

As notas insaturadas ainda são perfeitamente sensíveis onde a luz solar nunca chega. Um forro do arco da roda ou um tapete da área de carga que fica sob um painel de acabamento não precisa do sistema estabilizador mais caro do catálogo. Nessas aplicações, um composto à base de SBS pode ser uma escolha econômica, desde que a especificação também não exija um longo envelhecimento térmico.

Copolímero em bloco de estireno-butadieno série Zhongli SBS Revise as classes Zhongli SBS para elastômeros estirênicos insaturados em asfalto e modificação de polímeros, adesivos, calçados e vedação onde as demandas por UV e envelhecimento térmico são menores. Ver Produto →

Muitos TPEs automotivos não são moldados como um elastômero puro. São misturas nas quais um copolímero em bloco hidrogenado é disperso em polipropileno ou em uma matriz de TPO, razão pela qual os fabricantes de compostos frequentemente trabalham conosco em modificação de plástico e endurecimento por impacto em vez de apenas em peças de elastômero.

Detalhes compostos que decidem se uma peça sobreviverá dez verões

A seleção do estabilizador não é um jogo de números

Adicionar mais estabilizador de luz de amina impedida não é automaticamente melhor. Os graus HALS diferem em basicidade, e tipos altamente básicos podem interagir mal com resíduos ácidos, retardadores de chama halogenados ou certos tratamentos de pigmentos. Os absorvedores de UV da família dos benzotriazol funcionam bem em seções finas e cores claras, enquanto as partes pretas preenchidas com negro de fumo geralmente dependem mais de HALS mais um antioxidante primário. Os tiossinergistas melhoram o envelhecimento térmico a longo prazo, mas podem trabalhar contra a estabilidade da luz, pelo que o equilíbrio tem de ser ajustado para o perfil de exposição real.

A cor muda tudo

Um acabamento de pilar bege claro e uma vedação preta na linha de cintura enfrentam o mesmo sol, mas se degradam de maneira diferente. As partes claras apresentam amarelecimento quase imediatamente, portanto, os absorventes de tela são mais importantes, enquanto as partes pretas espessas dependem da estabilidade da superfície e da retenção de brilho. Os pigmentos metálicos e de efeito ocasionalmente introduzem resíduos catalíticos que aceleram a oxidação, o que é um dos motivos pelos quais os graus dos pigmentos devem ser divulgados ao manipulador.

Migração, neblina e ar na cabine

As especificações do interior automotivo limitam cada vez mais as emissões voláteis e condensáveis. Aditivos que são móveis o suficiente para florescer na superfície podem ajudar no deslizamento ou liberação em curto prazo, mas podem comprometer os resultados de embaçamento e deixar uma película turva no vidro. Combinar a permanência do aditivo com o histórico térmico da peça faz parte do trabalho de projeto, e não uma reflexão tardia.

Aplicações sob o capô e vedação: um perfil de tensão diferente

Nem todo problema de desgaste automotivo envolve a luz solar. Sob o capô, os estressores dominantes são calor, oxigênio, óleo, líquido refrigerante e ozônio, muitas vezes em combinação cíclica. A UV direta é limitada, mas a oxidação térmica ocorre mais rapidamente e é visível como endurecimento, deformação por compressão ou rachadura em uma borda fixada. Polímeros totalmente saturados, como EP, são atraentes aqui porque toleram temperaturas elevadas sustentadas sem a insaturação residual que, de outra forma, se tornaria o elo mais fraco.

Polímero de isopreno hidrogenado EP ZL-D700 Revise o ZL-D700, um polímero EP saturado em forma de estrela para melhoria do índice de viscosidade do lubrificante, modificação de poliolefinas, adesivos e selantes onde a resistência ao calor e à oxidação é importante. Ver Produto →

Como a indústria testa o intemperismo

O intemperismo acelerado só é significativo quando o ciclo de teste se assemelha à aplicação. Os ciclos externos funcionam mais quentes e úmidos do que os internos, e os ciclos internos geralmente incluem um filtro de vidro para imitar o vidro da cabine. As referências comuns que você verá em uma especificação incluem:

• Exposição ao arco de xenônio ISO 4892-2 e ASTM G155, com ou sem spray de água
• ASTM G154 e ISO 4892-3 UV fluorescente com lâmpadas UVA-340
• Ciclos externos automotivos SAE J2527 e J1960
• Ciclos específicos do fornecedor escritos por fabricantes de veículos individuais

Os resultados são então julgados com base em critérios mensuráveis: mudança de cor expressa como Delta E, classificação em escala de cinza, retenção de brilho e retenção de resistência à tração e alongamento. Uma meta típica pode exigir pelo menos oitenta por cento de retenção de alongamento com uma mudança de cor abaixo de três unidades, mas os números variam amplamente entre OEMs e entre zonas internas e externas. A aderência da superfície, rachaduras sob flexão e perda de adesão em peças sobremoldadas também são verificadas visualmente porque geralmente aparecem antes que as propriedades do volume se movam.

Hábitos de processamento que protegem o pacote do estabilizador

Um composto bem formulado ainda pode falhar se o processo o punir. Pontos práticos que importam na produção:

1. Seque as cargas higroscópicas e masterbatches e armazene o elastômero em embalagens seladas.
2. Use geometrias de parafuso com cisalhamento moderado e evite longos tempos de residência em altas temperaturas de fusão.
3. Dispersar masterbatches estabilizadores uniformemente; aglomerados não derretidos tornam-se pontos fracos locais.
4. Observe as taxas de moagem, pois o histórico térmico repetido consome a capacidade antioxidante.
5. Controle a zona de ligação em peças de dois disparos ou coextrudadas, onde a degradação interfacial pode começar.

Escolhendo um parceiro de longo prazo

O desempenho de intemperismo é uma propriedade de um sistema, por isso vale a pena perguntar como um fornecedor realmente controla as variáveis. Da nossa parte, isso significa capacidade de hidrogenação nas famílias SBS, SEBS, SEPS e EP, controle da planta por meio de um sistema de controle distribuído e oito etapas de inspeção, desde a entrada da matéria-prima até o produto acabado. Nossa estação de trabalho de pós-doutorado e nossa equipe de P&D dedicam grande parte de seu tempo ao projeto e funcionalização da estrutura de blocos por meio de extrusão reativa, que é precisamente o kit de ferramentas necessário quando um cliente solicita uma classe mais macia com a mesma durabilidade externa.

A maioria dos projetos automotivos também precisa de um fornecedor que entenda que uma especificação é uma conversa, não uma lista de desejos. Enviar-nos o ciclo de exposição, a espessura da parede, a cor e o método de união geralmente produz uma resposta mais útil do que enviar apenas um número de dureza.

Conclusões práticas

• Comece com uma estrutura saturada e, em seguida, projete o pacote estabilizador em torno da zona de exposição real.
• Trate o pigmento, a espessura da seção e o acabamento superficial como parte da solução UV, em vez de decoração.
• Combine o teste acelerado com o ambiente real; os ciclos interior e exterior não são intercambiáveis.
• Proteja a formulação durante o processamento, pois o histórico térmico consome silenciosamente a proteção pela qual você pagou.
• Mantenha classes não saturadas para peças protegidas e use-as onde a economia é mais importante do que a luz solar.

Nada disso é complicado, mas recompensa o planejamento antecipado. Quando a química do polímero, o sistema de aditivos e a janela do processo são escolhidos em conjunto, um elastômero termoplástico estabilizado contra UV pode permanecer flexível e apresentável durante toda a vida útil do veículo, em vez de durante a vida de uma reclamação de garantia.