Desenvolvimento de nanocompósitos de borracha com formulação comercial para aplicação em correias transportadoras de minério
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Daniel Majuste
Patricia Santiago de Oliveira Patricio
Witor Wolf
Patricia Santiago de Oliveira Patricio
Witor Wolf
Resumo
Transportadores de correia (TCs) são amplamente utilizados em diversos setores industriais, especialmente na mineração, devido à sua eficiência e versatilidade no transporte de materiais a granel. No entanto, sua operação contínua é frequentemente comprometida por falhas nas coberturas de borracha, que sofrem desgaste abrasivo e rasgos, gerando paradas não programadas e elevados prejuízos financeiros. Essa limitação técnica representa um desafio relevante para o setor, sobretudo diante do conhecido trade off entre resistência ao desgaste e resistência ao rasgo nas formulações convencionais. Neste contexto, esta tese propõe o desenvolvimento de nanocompósitos de borracha, incorporando nanomateriais de carbono, como grafeno e nanotubos de carbono, em formulações comerciais, com o objetivo de melhorar simultaneamente essas propriedades mecânicas. O trabalho envolveu a seleção criteriosa dos nanomateriais, o desenvolvimento de uma metodologia eficaz de dispersão na matriz elastomérica, a determinação da concentração ótima de reforço. Os materiais obtidos nas diferentes etapas do projeto foram caracterizados por diversas técnicas analíticas. Ensaios de reometria, inchamento, tração, rasgo e de resistência ao degaste também foram realizados para avaliação do desempenho dos compósitos obtidos. A formulação contendo 50 phr de carbon black e 5 phr de nanotubo de carbono, pré-disperso em enxofre, foi a que apresentou o melhor desempenho entre os nanocompósitos desenvolvidos, com ganhos médios de 8% em resistência à tração, 10% em resistência ao desgaste abrasivo por pino-tambor e 18% em resistência ao desgaste por roda de borracha em comparação à borracha referência. Também se destacaram as formulações contendo 60 phr de carbon black e 2 e 5 phr de nanotubos de carbono, com melhorias relevantes nas principais propriedades estudadas. Os resultados indicam que a aplicação de nanomateriais de carbono em coberturas de TCs pode representar uma alternativa promissora para superar limitações atuais, contribuindo para o aumento da durabilidade e da confiabilidade operacional desses equipamentos na indústria mineral.
Abstract
Belt conveyors (BCs) are widely used across various industrial sectors, especially in mining, due to their efficiency and versatility in handling bulk materials. However, their continuous operation is often compromised by failures in the rubber covers, which are subject to abrasive wear and tearing, leading to unplanned downtime and significant financial losses. This technical limitation poses a major challenge for the industry, particularly due to the well-known trade-off between abrasion resistance and tear resistance in conventional rubber formulations. In this context, this thesis proposes the development of rubber nanocomposites incorporating carbon nanomaterials, such as graphene and carbon nanotubes, into commercial formulations, aiming to simultaneously enhance these mechanical properties. The work involved the careful selection of nanomaterials, the development of an effective methodology for their dispersion in the elastomeric matrix, and the determination of the optimal reinforcement concentration. Materials collected at different stages of this project were examined using various analytical techniques. Rheometry, swelling, tensile, tear, and abrasion resistance tests were also conducted to evaluate the performance of the resulting composites. The formulation containing 50 phr of carbon black and 5 phr of carbon nanotubes, pre-dispersed in sulfur, showed the best performance among the developed nanocomposites, with average gains of 8% in tensile strength, 10% in pin-on-drum abrasion resistance, and 18% in rubber wheel abrasion resistance compared to the reference rubber. Other formulations, containing 60 phr of carbon black and 2 or 5 phr of carbon nanotubes, also stood out with significant improvements in the main properties evaluated. The results indicate that the application of carbon nanomaterials in BC covers may represent a promising alternative to overcoming current limitations, contributing to increased durability and operational reliability of these systems in the mining industry.
Assunto
Materiais, Ciência dos materiais, Borracha, Nanomateriais
Palavras-chave
Correias transportadoras, Cobertura superior, Borracha, Nanomateriais de carbono, Resistência ao desgaste