Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson aumentaram o limite de fadiga da borracha reforçada com partículas, desenvolvendo uma nova abordagem multiescala que permite que o material suporte cargas elevadas e resista ao crescimento de fissuras durante o uso repetido. Esta abordagem poderia não só aumentar a longevidade dos produtos de borracha, como os pneus, mas também reduzir a quantidade de poluição proveniente das partículas de borracha libertadas durante a utilização.



A pesquisa foi publicada na Nature .

O látex de borracha natural é macio e elástico. Para uma variedade de aplicações, incluindo pneus, mangueiras e amortecedores, as borrachas são reforçadas por partículas rígidas, como negro de fumo e sílica. Desde a sua introdução, estas partículas melhoram muito a rigidez das borrachas, mas não a sua resistência ao crescimento de fissuras quando o material é estirado ciclicamente, uma medida conhecida como limiar de fadiga.

Na verdade, o limiar de fadiga das borrachas reforçadas com partículas não melhorou muito desde que foi medido pela primeira vez na década de 1950. Isto significa que mesmo com as melhorias nos pneus que aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o consumo de combustível, pequenas fissuras podem libertar grandes quantidades de partículas de borracha no ambiente, que causam poluição atmosférica para os seres humanos e acumulam-se em riachos e rios.

Em pesquisas anteriores, uma equipe liderada por Zhigang Suo, professor de Mecânica e Materiais do SEAS Allen E. e Marilyn M. Puckett, aumentou significativamente o limiar de fadiga das borrachas, alongando as cadeias de polímeros e densificando os emaranhados. Mas e as borrachas reforçadas com partículas?

A equipe adicionou partículas de sílica à sua borracha altamente emaranhada, pensando que as partículas aumentariam a rigidez, mas não afetariam o limiar de fadiga, como comumente relatado na literatura. Eles estavam errados.

“Foi uma grande surpresa”, disse Jason Steck, ex-aluno de pós-graduação da SEAS e coautor do artigo. "Não esperávamos que a adição de partículas aumentasse o limite de fadiga, mas descobrimos que aumentou por um fator de 10."

Steck agora é engenheiro de pesquisa na GE Aerospace.

No material da equipe de Harvard, as cadeias poliméricas são longas e altamente emaranhadas, enquanto as partículas estão agrupadas e ligadas covalentemente às cadeias poliméricas.

"Acontece que", disse Junsoo Kim, ex-aluno de pós-graduação da SEAS e coautor do artigo, "este material desconcentra a tensão em torno de uma fissura em duas escalas de comprimento:a escala das cadeias poliméricas e a escala das partículas . Esta combinação impede o crescimento de fissuras no material."

Kim é agora professor assistente de engenharia mecânica na Northwestern University.

A equipe demonstrou sua abordagem cortando uma rachadura em um pedaço de material e depois esticando-o dezenas de milhares de vezes. Nas suas experiências, a fissura nunca cresceu.

"Nossa abordagem de desconcentração de tensões em múltiplas escalas expande o espaço das propriedades dos materiais, abrindo portas para reduzir a poluição de polímeros e construir máquinas leves de alto desempenho", disse Suo, autor sênior do estudo.

"As abordagens tradicionais para projetar novos materiais elastoméricos perderam esses insights críticos do uso da desconcentração de tensão em múltiplas escalas para obter materiais elastoméricos de alto desempenho para usos industriais amplos", disse Yakov Kutsovsky, especialista residente no Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard e co-autor de o papel.

"Os princípios de design desenvolvidos e demonstrados neste trabalho podem ser aplicáveis ​​em uma ampla gama de indústrias, incluindo aplicações de alto volume, como pneus e produtos industriais de borracha, bem como aplicações emergentes, como dispositivos vestíveis."

Kutsovsky atuou anteriormente como Diretor Científico e Diretor de Tecnologia na Cabot Corporation por 15 anos.

O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.

Mais informações: Jason Steck et al, Desconcentração de tensão multiescala amplifica a resistência à fadiga da borracha, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard