Como o negro de fumo reforça a borracha dos pneus

Todos os pneus de avião têm de absorver o embate de um jacto totalmente carregado e, depois, repetir o mesmo feito centenas de vezes.

Desde cedo, os engenheiros perceberam que misturar um pó negro muito fino na borracha a tornava suficientemente resistente para esta tarefa. Durante quase um século, a receita manteve-se praticamente igual.

Esse pó chama-se negro de fumo. E, até há muito pouco tempo, a engenharia não dispunha de uma explicação científica sólida para justificar por que motivo aumentar a sua quantidade torna a borracha mais forte.

O ingrediente principal

A borracha pura, por si só, é macia, elástica e com boa capacidade de retorno, mas não é particularmente durável e pode tornar-se pouco fiável quando submetida a cargas elevadas.

A solução clássica é acrescentar negro de fumo - uma fuligem fina gerada pela combustão de petróleo ou gás natural com pouco oxigénio.

Os fabricantes dispersam partículas microscópicas desse material na borracha, razão pela qual quase todos os pneus são pretos.

A formulação mudou muito pouco desde a década de 1920: ao adicionar fuligem, a borracha ganha resistência.

As empresas de pneus compram dezenas de classes de negro de fumo e determinam quais funcionam melhor testando-as em pneus reais.

Um século de suposições

Existem três hipóteses principais para explicar o fenómeno. Uma sugere que as partículas se ligam em cadeias que atravessam a borracha e suportam parte da carga.

Outra defende que as cadeias de polímeros se agarram a cada partícula e endurecem como se fossem uma cola.

Uma terceira centra-se no espaço ocupado: as partículas preencheriam volume e a borracha à sua volta seria obrigada a deformar-se mais abruptamente do que a borracha normal.

Nenhuma das três explicações, isoladamente, demonstrou por completo o que a borracha reforçada faz quando sujeita a esforços reais. Cada modelo captava uma parte do comportamento, mas falhava a visão global.

O professor David Simmons, da University of South Florida (USF), queria uma resposta clara. O obstáculo era simples: ninguém conseguia observar o mecanismo a funcionar.

Isto acontece porque o processo é demasiado pequeno para ser visto directamente e demasiado rápido para ser filmado. A própria borracha é um emaranhado de moléculas longas em cadeia que se enrolam à volta de cada partícula.

Dentro da simulação

Para chegar a uma conclusão, Simmons e a sua equipa reconstruíram no computador o interior de um pneu.

Com o Dr. Pierre Kawak e o doutorando Harshad Bhapkar, executou 1.500 simulações independentes de dinâmica molecular.

Cada simulação acompanhou centenas de milhares de átomos a deslocarem-se tal como o fazem num pedaço real de borracha reforçada.

Um artigo anterior do mesmo grupo já tinha sugerido onde poderia estar a explicação. Desta vez, porém, a equipa reuniu dados suficientes para sustentar a hipótese.

A borracha resiste a si própria

A peça-chave acabou por envolver uma propriedade chamada razão de Poisson. Trata-se de uma medida de como um material altera a sua forma numa direcção quando é puxado noutra.

Quando se estica uma banda elástica comum, ela afina a meio, mantendo aproximadamente o mesmo volume total.

Com a adição de negro de fumo, as regras alteram-se. As partículas rígidas não se comprimem lateralmente como a borracha faria, o que impede o afinamento habitual.

Assim, sobra apenas uma alternativa: ao alongar-se, o compósito tem de aumentar o seu volume total.

Ao fazê-lo, a borracha opõe uma resistência intensa. Simmons descreve o fenómeno como o material a lutar contra si mesmo.

“Como é que temos usado isto há 80, 90, 100 anos e não sabíamos realmente como funciona?”, disse Simmons.

Três teorias convergem

A nova explicação não invalida as anteriores. As redes de partículas e as camadas de polímero que aderem a cada partícula continuam a contribuir para o efeito.

Também a geometria simples de ocupar espaço entra na mesma lógica. Em conjunto, tudo leva a que a borracha mantenha uma resistência crescente a alterar o seu volume global.

Um estudo anterior do mesmo grupo já tinha preparado o terreno para juntar as teorias. Até este teste, ninguém tinha mostrado as três a apontar na mesma direcção.

O Triângulo Mágico

Há muito que os engenheiros de pneus falam do que gostam de chamar o “Triângulo Mágico”.

É o equilíbrio difícil entre eficiência de combustível, aderência e durabilidade, que tendem a contrariar-se mutuamente. Ao optimizar uma dessas variáveis, normalmente sacrifica-se outra.

Quando se procura aumentar a aderência num piso molhado, é frequente perder benefícios em quilometragem. Quando os pneus são concebidos para durar mais, tendem a perder alguma capacidade de agarrar a estrada.

Com um modelo do que o negro de fumo está realmente a fazer ao nível atómico, os engenheiros podem começar a escolher deliberadamente tamanhos de partículas e a química da borracha.

Para lá do pneu

A mesma física surge sempre que é necessária uma peça em borracha. Isto inclui vedantes de centrais eléctricas, sistemas hidráulicos de aeronaves, dispositivos médicos e muito mais.

Em 1986, o Space Shuttle Challenger desintegrou-se depois de uma junta tórica (O-ring) de borracha, endurecida pelo frio, ter falhado no lançamento.

Se a nova teoria se confirmar, os fabricantes dessas áreas poderão desenhar componentes com maior confiança.

Importa salientar que os dados provêm de modelos computacionais, e não de experiências físicas.

As simulações foram construídas para corresponder à borracha real, mas qualquer mecanismo identificado pelo modelo continua a necessitar de confirmação experimental.

O futuro da borracha

O estudo poderá ter resolvido o enigma. O negro de fumo reforça a borracha porque força o material para um estado em que esticar implica expandir o volume.

A borracha resiste fortemente à expansão volumétrica - uma resposta procurada desde a década de 1920.

O que muda daqui em diante é o desenho. As empresas de pneus deixam de ter de tratar as classes de negro de fumo como uma caixa negra.

“Com estas conclusões, estamos a lançar uma nova base para desenhar pneus de forma racional”, disse Simmons.

A mesma abordagem pode ser aplicada a outros materiais compósitos que ainda guardam mistérios persistentes e por resolver.