Mathematical modeling of manufacturing process and of properties of composite cork agglomerates

Abstract

Nos últimos anos, tem-se verificado um aumento de novos produtos compósitos que contêm granulado de cortiça, resultante do descortiçamento e do tratamento industrial da cortiça e com aplicações em diferentes áreas como aeroespacial, construção e retalho. A aplicação de ferramentas numéricas durante as diferentes fases de desenvolvimento de novos produtos pode gerar um impacto significativo a nível de tempo de desenvolvimento e recursos utilizados. Neste trabalho, dois tipos de materiais compósitos com cortiça foram escolhidos para o estudo da aplicação deste tipo de ferramentas: um material aglomerado composto por granulado de cortiça e termoplástico, e compósitos cortiça-borracha. Modelos matemáticos foram desenvolvidos para prever a evolução da temperatura durante o processo de fabrico dos dois materiais: moldação por compressão. Com base nas características de cada elemento que compõe o aglomerado de cortiça-termoplástico, foram estimadas as propriedades da mistura. Adicionalmente, foi aplicado um modelo para previsão do grau de vulcanização de materiais cortiça-borracha com base em dados obtidos pelo reómetro e considerando também a fase de reversão típica das borrachas naturais. Utilizando delineamento experimental e regressão linear, foram estudados os efeitos de variáveis do processo de fabrico e dos elementos de um compósito cortiça-borracha em duas propriedades consideradas essenciais para a aplicação destes materiais em soluções de isolamento de vibrações. Para além do efeito das matérias-primas e processo de vulcanização, outras variáveis consideradas influentes no desempenho de materiais elastómeros - fator de forma e dureza - foram avaliadas. Com base nos resultados experimentais obtidos de uma única amostra, foi analisada a aplicação de uma metodologia de simulação para determinação das propriedades mecânicas de blocos cortiça-borracha com dimensões distintas. Na generalidade dos casos de estudo, com a aplicação das ferramentas desenvolvidas neste trabalho foi possível obter resultados muito próximos daqueles obtidos por via experimental ou através da utilização de outros modelos disponíveis na literatura. Em suma, a realização deste trabalho possibilita a previsão da evolução do processo de fabrico, propriedades e desempenho mecânico de compósitos com cortiça, assim como demonstra o potencial das metodologias aplicadas como apoio ao desenvolvimento destes materiais.

In the last years, new composite products with cork granules, resulting from cork oak harvesting and cork industrial treatment, have been developed and applied in different sectors such as aerospace, construction and retail. The application of numerical tools during different stages of product development can generate a significant impact in terms of development time and resources. In this work, two types of cork composites agglomerates were chosen as the object of study for the development and application of these tools: corkthermoplastic and cork-rubber composites. Mathematical models were developed in order to predict the temperature evolution during its manufacturing process: compression moulding. Based on the characteristics of each component of the cork-thermoplastic composite, the properties of the mixture were determined. Additionally, a model was applied to predict the vulcanization degree of cork-rubber composite slabs based on rheometer data and also considering the reversion stage typical of natural rubber. Recurring to design of experiments and linear regression analysis, the effects of some variables related to the manufacturing process and of some components of a cork-rubber compound were investigated regarding two essential properties for the application of cork-rubber materials as part of vibration isolation solutions. Besides, raw materials and vulcanization process, other influential variables in the behaviour of elastomer materials – shape factor and hardness – were analysed. Based on the experimental data of a single sample, the application of a simulation methodology to determine the mechanical properties of different dimension blocks was evaluated. Generally, with the application of the tools developed in this work, it was possible to obtain results in agreement with those obtained experimentally or with other models available in the literature. Therefore, based on this work, it is possible to predict the evolution of the manufacturing process, properties and mechanical performance of cork composites. The present work also demonstrates the potential of the methodologies applied to support the development stages of these materials.