Surface improvement of EPDM rubber by plasma treatment

Abstract

The surface of ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber was treated in N2/Ar and N2/H2/Ar RF plasmas in order to achieve similar or better adhesion properties than NBR (acrylonitrile-butadiene) rubber, nowadays used as thermal protection of rocket chambers. The surface properties were studied by contact angle measurements and by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The treated surfaces of the EPDM samples show a significant reduction in the contact angle measurement, indicating an increase in the surface energy. XPS analyses show the incorporation of polar nitrogen- and oxygen-containing groups on the rubber surface. After plasma treatment the presence of oxygen is observed due to surface oxidation which occurs when the samples are exposed to the air. Atomic force microscopy and scanning electron microscopy analyses indicate a decrease in the EPDM rubber surface roughness, promoted by surface etching during the plasma treatment. Strength tests indicate improvement of about 30% and 110% in the adhesion strength for the plasma treated EPDM/polyurethane liner interface and for the EPDM/epoxy adhesive interface, respectively. The adhesion strength of the EPDM/liner is similar to that obtained for the NBR/liner, which indicates that EPDM rubber can safely be used as thermal protection of the solid propellant rocket chamber.

Caracterização por FT-IR da superfície de borracha EPDM tratada via plasma por micro-ondas

“…Na indústria aeroespacial, a borracha de EPDM tornou-se uma alternativa interessante como proteção térmica de motores-foguete, pois possui baixa densidade, baixo custo de processamento e não libera produtos tóxicos durante sua queima, apresentando vantagens sobre a borracha nitrílica (NBR), o copolímero de butadieno e acrilonitrila, que é, usualmente, empregada para tal fim [3] . Porém os elastômeros de etileno-propileno são basicamente apolares, pois possuem uma cadeia com ligações CH 2 e CH 3 , apresentando baixas propriedades adesivas .…”

“…A literatura cita alguns trabalhos que usaram plasma para tratamento de EPDM e a caracterização do efeito causado na superfície elastomérica, abordando em alguns casos a sensibilidade das técnicas usadas [3,[9][10][11] .…”

“…Visando as excelentes propriedades da borracha EPDM no setor aeroespacial, Moraes et al [3] realizaram estudos comparativos das propriedades de adesão da NBR em função do EPDM tratado em plasma de RF (radio freqüência) com N 2 /Ar e N 2 /H 2 /Ar. Grupos polares contendo nitrogênio e oxigênio incorporados às superfícies, foram detectados nas análises por ESCA.…”

“…Grupos polares contendo nitrogênio e oxigênio incorporados às superfícies, foram detectados nas análises por ESCA. Houve melhora na força adesiva, após tratamento, para interface de EPDM/liner, atingindo o valor da interface NBR/liner, sistema atualmente utilizado [3] .…”

“…O tratamento por plasma apresenta estas características, além de ser inofensivo ao sistema ambiental [7] . A desvantagem do plasma está em exigir um sistema de vácuo, o que eleva o custo do tratamento [8] .A literatura cita alguns trabalhos que usaram plasma para tratamento de EPDM e a caracterização do efeito causado na superfície elastomérica, abordando em alguns casos a sensibilidade das técnicas usadas [3,[9][10][11] .Grythe et al [9] estudaram o efeito do plasma com Ar, O 2 e N 2 em filme de EPDM formado após dissolução em hexadecano ("casting") e diferenças na superfície foram reveladas, por meio de análises de microscopia de força atômica (AFM), onde a superfície …”