Friction
Friction é a força oposta que se desenvolve quando duas superfícies se movem uma em relação à outra. Basicamente, existem duas propriedades de fricção exibidas por qualquer superfície; fricção estática e fricção cinética. As gamas de propriedades de fricção são bastante extensas. As propriedades de fricção dos plásticos são importantes em aplicações tais como produtos de máquinas e em aplicações de deslizamento tais como correias e unidades estruturais tais como portas deslizantes. Em aplicações de fricção sugeridas, bem como em muitas outras, existem áreas importantes que dizem respeito à sua abordagem de concepção.
Começa na selecção e modificação do plástico para proporcionar ou alta ou baixa fricção, conforme requerido pela aplicação. Há também a determinação da geometria necessária para fornecer o nível de força de atrito necessário, controlando a área de contacto e a qualidade da superfície para fornecer o nível de atrito. Um factor de controlo que limita qualquer aplicação particular de força de fricção é a dissipação de calor. Isto é verdade se a aplicação das cargas de fricção for um processo contínuo ou um processo repetitivo com um ciclo de trabalho elevado. A utilização de estruturas de arrefecimento incorporadas nos produtos ou pela utilização de dispositivos externos de arrefecimento, tais como refrigerantes ou fluxo de ar, deve ser uma consideração de concepção. Para uma concepção bem sucedida, o calor gerado pelo atrito deve ser dissipado tão rapidamente quanto é gerado para evitar sobreaquecimento e falha.
A relação entre a força normal e a força de atrito é utilizada para definir o coeficiente de atrito estático. O coeficiente de fricção é a relação entre a força necessária para iniciar o movimento de fricção de uma superfície contra outra e a força que actua perpendicularmente às duas superfícies em contacto. Os coeficientes de fricção variarão para um determinado plástico desde o valor no momento em que o movimento começa até ao valor que atinge em movimento. O coeficiente depende da superfície do material, quer seja rugoso ou liso. Estas variações e outras tornam necessário fazer testes cuidadosos para uma aplicação que se baseie nas características de fricção dos plásticos. Uma vez definidas as características de fricção, porém, estas são estáveis para um determinado material fabricado segundo um método prescrito.
As características de nível molecular que criam forças de fricção são as forças de atracção intermoleculares de aderência. Se os dois materiais que compõem as superfícies deslizantes em contacto tiverem um elevado grau de atracção um pelo outro, o coeficiente de fricção é elevado. Este efeito é modificado pelas condições da superfície e pelas propriedades mecânicas dos materiais. Se o material for rugoso, há uma interacção de bloqueio mecânico que aumenta o efeito de fricção. O deslizamento sob estas condições quebra realmente o material e a resistência ao cisalhamento do material é um factor importante nas propriedades de fricção. Se a superfície for polida, o factor governante induzido pelas condições da superfície é a quantidade de área em contacto entre as superfícies. Numa condição de grande área de contacto e boa aderência, o coeficiente de fricção é elevado, uma vez que existe um contacto íntimo da superfície. É possível pela adição de materiais de superfície com alta aderência para aumentar o coeficiente de atrito.
Se uma ou ambas as superfícies de contacto tiverem um baixo módulo de compressão é possível fazer contacto íntimo entre as superfícies, o que levará a forças de atrito elevadas no caso de plásticos com boa aderência. Pode aumentar as forças de fricção de outra forma. O deslocamento do material em frente do objecto móvel acrescenta um elemento mecânico às forças de fricção.
No que respeita à contaminação da superfície, se a superfície for coberta com um material que impeça as forças adesivas de actuar, o coeficiente é reduzido. Se o material for um líquido, com baixa viscosidade de cisalhamento, existe a condição de deslizamento lubrificado onde as características do líquido controlam o atrito e não as características de atrito superficial dos plásticos.
A utilização de plásticos para engrenagens e rolamentos é a área em que as características de atrito foram examinadas com mais cuidado. Como exemplo, o plástico altamente polar como os nylons e os poliésteres TP têm, como resultado das forças superficiais sobre o material, uma aderência relativamente baixa para si próprios e superfícies deslizantes como o aço. Os plásticos laminados fazem excelentes engrenagens e rolamentos. O coeficiente de atrito típico para tais materiais é de 0,1 a 0,2. Quando são moldados por injecção (IM), a pele formada quando o plástico arrefece contra o molde tende a ser mais dura e mais suave do que uma superfície cortada, de modo a que o produto moldado apresente um menor atrito deslizante e seja excelente para este tipo de aplicação. Um bom desenho para este tipo de aplicação é tornar as superfícies tão suaves quanto possível sem as tornar lisas, o que tende a aumentar a intimidade de contacto e a aumentar a fricção acima de uma superfície fina.
Para reduzir a fricção, estão disponíveis lubrificantes que irão diminuir a fricção e ajudar a remover o calor. Mistura de materiais aditivos ligeiramente incompatíveis, tais como óleo de silicone, num plástico IM. Depois de IM o aditivo migra para a superfície do produto e actua como uma fonte renovável de lubrificante para o produto. No caso de rolamentos, é levado ainda mais longe, tornando o plástico do rolamento poroso e enchendo-o com um material lubrificante de forma semelhante aos rolamentos de metal sinterizado, grafite e sulfureto de molibdénio são também incorporados como lubrificantes sólidos.
Os enchimentos podem ser utilizados para aumentar a condutividade térmica do material, como o vidro e as fibras metálicas. O filtro pode ser um material como o plástico PTFE (politetrafluoroetileno) que tem um coeficiente de atrito muito mais baixo e o material exposto à superfície reduzirá o atrito.
Com portas deslizantes ou correias transportadoras que deslizam sobre superfícies de apoio é encontrado um tipo diferente de aplicação de baixo atrito ou baixo arrasto. As forças normais são geralmente pequenas e os problemas de carga de fricção são do tipo aderente. Alguns plásticos exibem excelentes superfícies para este tipo de aplicação. Os PTFEs (tetrafluoroetileno) têm o coeficiente mais baixo de qualquer material sólido e representam uma das superfícies mais escorregadias conhecidas. O maior problema com o PTFE é que a sua resistência à abrasão é baixa, pelo que a maioria das aplicações utiliza composições preenchidas com materiais de enchimento cerâmicos para melhorar a resistência à abrasão.
Além do PTFE na redução da fricção utilizando materiais sólidos, bem como filmes e revestimentos, existem outros materiais com excelentes propriedades de deslizamento da superfície. O polietileno e as poliolefinas em geral têm baixa fricção superficial, especialmente contra superfícies metálicas. O UHMWPE (polietileno de ultra-alto peso molecular) tem uma vantagem adicional na medida em que tem muito melhor resistência à abrasão e é preferido para aplicações de transporte e aplicações que envolvem materiais que deslizam sobre o produto. Na indústria têxtil, os produtos em teares também utilizam extensivamente este material porque pode suportar os efeitos do fio e da fibra que passam sobre a superfície com baixo atrito e desgaste relativamente baixo.
Existem aplicações em que as altas fricções têm aplicações tais como em superfícies de torque em embraiagens e travões. Alguns plásticos, tais como poliuretanos e composições vinílicas plastificadas, têm coeficientes de fricção muito elevados. Estes materiais fazem excelentes superfícies de tracção para produtos que vão desde correias de tracção a rolos de tracção onde os plásticos ou conduzem ou são conduzidos por outro membro. As correias transportadoras feitas de nylon orientado e tecidos são revestidas com compostos de elastómeros de poliuretano para fornecer tanto a tracção motriz como para mover os objectos transportados em inclinações bastante íngremes devido ao elevado coeficiente de atrito gerado. Os rolos de tracção para mover o papel através de prensas de impressão, máquinas de copiar e máquinas comerciais são frequentemente cobertos com uretano ou vinil para actuar como membros do condutor com o mínimo deslizamento.