BRPI0619332A2 - polìmero de politioéter com terminação dimercaptano, composição, selante, método para produzir um polìmero e método para vedar uma abertura - Google Patents
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Abstract
POLIMERO DE POLITIOéTER COM TERMINAçAO DIMERCAPTANO, COMPOSIçAO, SELANTE, MéTODO PARA PRODUZIR UM POLIMERO E MéTODO PARA VEDAR UMA ABERTURA São descritos polímeros de politicéter com terminação dimercaptano, bem como métodos para sua preparação e uso.
Description
"POLÍMERO DE POLITIOÉTER COM ^TERMINAÇÃO DIMERCAPTANO, COMPOSIÇÃO, SELANTE, MÉTODO PARA®C|RODUZIR UM POLÍMERO E MÉTODO PARA VEDAR UMA ABERTURA" -
Campo da invenção
A presente invenção refere-se a -polímeros de politioéter com terminação dimercaptano. A invenção também refere-se a métodos para produzir e utilizar esses polímeros.
Histórico da invenção
Os polímeros contendo enxofre e terminados com tiol, são conhecidos como apropriados para uso em selantes aeroespaciais devido à sua natureza resistente a combustível quando da reticulação. Entre os materiais poliméricos disponíveis no mercado que possuem teor de enxofre suficiente para exibir essa propriedade desejável estão os polímeros de polissulfeto descritos, por exemplo, na patente americana No. 2.4 66.963, e os polímeros de politioéter contendo cadeia lateral alquila descritos, por exemplo, na patente americana No. 4.366.307. Materiais úteis neste contexto também possuem a propriedade desejável de liquidez à temperatura ambiente.
Òutra combinação desejável de propriedades para selantes aeroespaciais muito mais difícil de se obter é a combinação de longo tempo de aplicação ou "pot life" (o tempo durante o qual o selante permanece utilizável) e tempo curto de cura (o tempo necessário para se atingir uma resistência predeterminada) . Resistência a alta temperatura também pode ser desejada para selantes aeroespaciais. As composições que possuem baixa Tg, que são líquidas à temperatura ambiente, e que possuem características de bom tempo de vida útil após catálise ("pot life") e/ou bom desempenho, são desejadas para aplicações aeroespaciais.
Sumário da invenção
A presente invenção refere-se a um polímero de politioéter com terminação dimercaptano tendo a fórmula (I) = <formula>formula see original document page 3</formula>
onde cada R1 é o mesmo e representado pela fórmula (II):
<formula>formula see original document page 3</formula>
X é O ou S; a é de 2 a 6; b é de 1 a 5; c é de 2 a 10; η é 1 ou maior; e R2 é um resíduo dieno que não um resíduo divinil éter, um resíduo trieno ou um resíduo de um composto orgânico tendo um grupo de saída terminal.
Métodos para produzir e utilizar o polímero de fórmula (I) também estão no escopo da presente invenção.
Descrição detalhada da invenção
A presente invenção refere-se a um polímero de politioéter com terminação dimercaptano tendo a fórmula
<formula>formula see original document page 3</formula>
onde cada R1 e o mesmo e representado pela formula (II)
<formula>formula see original document page 3</formula>
X é 0 ou S; a é de 2 a 6; b é de 1 a 5; c é de 2 a 10; η é 1 ou maior; e R2 é resíduo dieno que não um resíduo divinil éter, um resíduo trieno ou um resíduo de um composto orgânico tendo um grupo de saída terminal. Um "resíduo dieno", "resíduo trieno" e "um resíduo de um composto orgânico tendo um grupo de saída terminal" é entendido como se referindo a uma porção que permanece quando da reação do dieno, trieno ou do composto com um grupo de saída, respectivamente. Em certas concretizações, XéOea, bec são todos 2, η é 1, e R2 é o resíduo de vinilciclohexeno.
Os polímeros de politioéter da presente invenção são líquidos à temperatura e pressão ambientes, possuem baixa Tg e boa resistência a combustível. Conforme aqui utilizado, o termo "temperatura e pressão ambientes" significa aproximadamente 77°F (25°C) e uma atmosfera. "Baixa Tg" refere-se a uma temperatura de transição vítrea de -50°C ou menos. Em certas concretizações da presente invenção, a Tg é de -55°C ou menos, tal como - 60°C ou ainda -70°C ou menos. Baixa Tg indica boa flexibilidade a baixa temperatura numa formulação curada, que pode ser determinada através de métodos conhecidos, tais como os descritos em "Aerospace Material Specification (AMS) 3267 § 4.5.4.7, Aerospace Material Specification (AMS) 8802B § (AS 5127/17.6) e Military Specification (MIL-S) MIL-S-29574 e através de métodos similares aos descritos em ASTM D 522-88. Tipicamente, boa flexibilidade a baixa temperatura significa que não ocorre perda de adesão ao substrato, fissuração ou trinca. Os polímeros de politioéter da presente invenção podem também exibir características muito desejáveis de resistência a combustível quando curados. Uma medição da resistência a combustível de um polímero é seu intumescimento volumétrico percentual após exposição prolongada a um combustível de hidrocarboneto, que pode ser quantitativamente determinado utilizando os mesmos métodos ou métodos similares aos descritos em ASTM D 792 ou AMS 3269. Em certas concretizações, os polímeros de politioéter da presente invenção, quando curados, possuem um intumescimento volumétrico percentual de 2 5 por cento ou menos após imersão durante uma semana a 140°F (60°C) e pressão ambiente em fluido de referência de jato (JRF) tipo 1. Em certas concretizações, o intumescimento volumétrico percentual é de 2 0 por cento ou menos. Os polímeros de politioéter da presente invenção podem ter um peso molecular médio numérico variando de 200 a 8000, tal como 200 a 4000, ou 200 a 520. Será apreciado que os polímeros de politioéter da presente invenção são polifuncionais; ou seja, possuem dois ou mais grupos funcionais. Pelo menos dois grupos funcionais terão grupos mercaptano terminais. A funcionalidade pode também ser introduzida via porções Ri e/ou R2. Por exemplo, se R2 for um resíduo trieno, a funcionalidade do politioéter pode ser de mais de dois. Esses polímeros podem ser preparados reagindo-se dois moles do composto de fórmula (III):
HS — R1 — SH (III) onde R1 é conforme descrito acima, com um mol de um dieno, trieno ou outro composto orgânico tendo um grupo de saída terminal. Qualquer dieno, trieno ou outro composto orgânico pode ser usado, inclusive dienos e trienos cicloalifáticos, alifáticos e aromáticos. O dieno não é um divinil éter. Um dieno especialmente apropriado é o vinil ciclohexeno, tal como 4-vinil-l-ciclohexeno, que tem a fórmula (IV):
<formula>formula see original document page 5</formula>
Ficará entendido que quando o dieno for 4-vinil-1- ciclohexeno, o polímero da presente invenção terá a estrutura (V):
<formula>formula see original document page 5</formula>
Outros compostos apropriados incluem cianurato de trialila e di ou trihaletos, tais como dicloroalcano e tricloroalqueno.
Em certas concretizações, a fórmula (III) é dimercaptodioxaoctano ("DMDO").
Certas concretizações da presente invenção, tais como quando a fórmula (III) for DMDO e o dieno for vinil ciclohexeno, resultam num polímero de politioéter que pode ser usado para reduzir a viscosidade de uma composição; desta forma, os compostos da presente invenção podem funcionar como diluentes reativos. Isso oferece uma vantagem significativa ao estado da técnica; as composições que utilizam o polímero da presente invenção possuem uma viscosidade mais baixa sem o uso de solvente. Assim, o uso de solvente pode ser minimizado, se não eliminado, de acordo com a presente invenção. A eliminação e/ou minimização de solvente tem implicações ambientais positivas óbvias; já que existe pouca ou nenhuma evaporação ("flash off") do solvente, à medida que este evapora, o manuseio das composições da presente invenção é melhorado, se comparado com outras composições com teor de solvente mais elevado. Além disso, o uso do polímero da presente invenção numa composição serve para reduzir a velocidade de cura da composição, provendo assim uma vida útil e/ou tempo após catálise ("pot life") mais longo para aplicação da composição num substrato. Conseqüentemente, a presente invenção refere-se ainda a uma composição compreendendo polímero de politioéter conforme descrito acima.
Além do polímero de politioéter descrito acima, as composições da presente invenção podem ainda compreender um ou mais compostos adicionais contendo enxofre, um agente de cura e um ou mais aditivos adicionais.
"Compostos contendo enxofre" e termos similares referem- se a qualquer composto ou mistura de compostos, sendo que pelo menos um componente compreende uma molécula de enxofre. Exemplos podem incluir os conhecidos no estado da técnica, tal como polissulfetos e/ou politioéteres, tais como os polissulfetos disponíveis no mercado e fabricados pela Akzo Nobel sob o nome THIOPLAST e pela Toray sob o nome THIOKOL LP, e tais como os polit ioéteres descritos nas patentes americanas Nos. 6.172.179; 5.912.319; e 4.609.762. Em certas concretizações, os compostos contendo enxofre compreendem uma mistura polimérica compreendendo um componente de polissulfeto e um componente de politioéter, tais como o descrito no Pedido Americano Série No. 10/935.857, aqui incorporado por referência. Será apreciado que os polímeros da presente invenção são, eles próprios, compostos contendo enxofre, podendo ser usados nas composições da presente invenção sem quaisquer outros compostos contendo enxofre. O termo "agente de cura" refere-se a um material que pode ser adicionado à composição da presente invenção para acelerar a cura ou gelificação do(s) composto(s) contendo enxofre. "Cura", "curar" e termos similares referem-se ao ponto em que a composição atinge uma dureza de cura de 30 em Durômetro "A", medida conforme a norma ASTM D2240. Qualquer agente de cura apropriado pode ser usado. Em certas concretizações, o agente de cura contém agentes oxidantes que oxidam os grupos mercaptano terminais para formar ligações dissulfeto. Agentes de cura apropriados incluem, por exemplo, dióxido de chumbo, dióxido de manganês, dióxido de cálcio, perborato de sódio monohidrato, peróxido de cálcio, peróxido de zinco, dicromato e epoxi. Diversos aditivos tais como cargas, promotores de adesão e plastificantes podem também ser usados nas composições da presente invenção. Cargas úteis nas composições da presente invenção, especialmente para aplicações aeroespaciais, incluem as comumente utilizadas no estado
da técnica, tais como negro de carvão, carbonato de cálcio (CaCO3), sílica, náilon, microesferas e similares. Em uma concretização, as composições incluem de 10 a 70 por cento em peso da carga ou combinação de cargas selecionadas, tais como de 10 a 50 por cento em peso com base no peso total da composição.
Um ou mais promotores de adesão podem também ser usados. Os promotores de adesão apropriados incluem fenólicos tal como a resina fenólica METHYLON da Occidental Chemicals, e/ou organosilanos, tais como epoxi, mercapto ou amino silanos funcionais, tais como A-187 e A-1100 da OSi Specialties. Em uma concretização, um promotor de adesão é usado numa quantidade de 0,1 a 15 por cento em peso com base no peso total da formulação.
Um plastificante pode ser usado na composição, freqüentemente numa quantidade variando de 1 a 8 por cento em peso, com base no peso total da formulação. Plastificantes úteis incluem ftalato ésteres, parafinas cloradas, e terfernilas hidrogenados.
As composições podem ainda compreender um ou mais solventes orgânicos, tais como acetato de etila, freqüentemente numa quantidade variando de 0 a 15 por cento em peso com base no peso total da formulação, tais como inferior a 15 por cento em peso ou inferior a 10 por cento em peso.
As composições da presente invenção podem também opcionalmente incluir outros aditivos padrão, tais como pigmentos; tixotrópicos; retardantes; catalisadores; e agentes mascarantes.
Pigmentos úteis incluem os convencionalmente utilizados no estado da técnica, tais como negro de carvão e óxidos metálicos. Pigmentos podem estar presentes numa quantidade de 0,1 a 10 por cento em peso com base no peso total da composição.
Tixotrópicos, por exemplo, sílica pirogênica ou negro de carvão, podem ser usados numa quantidade de 0,1 a 5 por cento em peso com base no peso total da composição. Certas composições da presente invenção compreendem de 1 a 3 0 por cento em peso, tais como de 5 a 20 por cento em peso de polímeros de politioéter com terminação mercaptano da presente invenção; de 2 0 a 70 por cento em peso, tais como de 35 a 50 por cento em peso de um composto contendo enxofre que não o polímero da presente invenção; de 1 a 50 por cento em peso, tal como de 5 a 25 por cento em peso ou 10 por cento em peso de um agente de cura; e de 10 a 50 por cento em peso, tal como de 5 a 30 por cento em peso ou 2 5 por cento em peso de outros aditivos, com a porcentagem em peso baseando-se no peso total da composição. Para composições nas quais o polímero da presente invenção é o único composto contendo enxofre, essas porcentagens em peso deverão ser conseqüentemente ajustadas.
As composições da presente invenção são tipicamente embaladas como um sistema bicomponente ou "2K". Um componente compreende o polímero de politioéter da presente invenção, e opcionalmente outro(s) composto(s) contendo enxofre e pode também conter um ou mais de diversos aditivos, tais como carga(s), extensor(es) , promotor(es) de adesão, acelerador(es), e/ou retardante(s); o segundo componente geralmente compreende o agente de cura e pode também conter um ou mais dos diversos aditivos, tais como plastificante(s), carga(s), acelerador(es) e/ou retardante(s). Os dois componentes são misturados imediatamente antes do uso. Por exemplo, os dois componentes podem ser misturados utilizando-se um sistema de cartucho/haste especialmente adaptado, tal como o produzido pela PRC-DeSoto International, Inc. com o nome de SEMKIT. Alternativamente, os componentes podem ser misturados e a mistura mantida a uma temperatura abaixo daquela na qual o agente de cura torna-se reativo. O termo "reativo" significa capaz de reação química e inclui qualquer nível de reação de parcial a completo de um reagente. Uma temperatura de armazenamento abaixo de - 40°Cé tipicamente adequada para retardar ou impedir a reação entre o agente de cura e o componente de polímero de politioéter.
Um uso especialmente adequado das composições da presente invenção é aplicado a todas as classes de selantes. Um selante de acordo com a presente invenção é um selante que compreende qualquer um dos polímeros de politioéter com terminação mercaptano aqui descritos. "Selante" e termos similares referem-se a composições que possuem a capacidade de resistir a condições atmosféricas, tais como umidade e/ou temperatura e/ou de pelo menos parcialmente bloquear a transmissão de materiais tais como água, combustível, e/ou outros líquidos e gases. Selantes freqüentemente também possuem propriedades de adesão. Os selantes são geralmente identificados pela "Classe" com base em sua viscosidade. Os selantes da Classe A geralmente têm uma viscosidade de 100 a 400 poises. Uma vez que tais selantes são tipicamente aplicados com pincel, são freqüentemente designados como "camada aplicada com pincel" ("brush coat"). Os selantes da Classe B possuem tipicamente uma viscosidade de 6000 a 18000 poises, e são tipicamente aplicados com uma pistola de extrusão ou espátula. Esses selantes podem ser usados na vedação de filetes, e são comumente empregados como selantes de tanque de combustível. Os selantes da Classe C geralmente possuem uma viscosidade entre a dos Selantes da Classe A e da Classe B, tais como de 1000 a 4000 poises. Os selantes da Classe C podem ser aplicados de diversas formas, tais como com pincel, rolo ou pistola de extrusão, e podem ser usados para vedar superfícies de contato ("fay seal"). Conseqüentemente, a presente invenção refere-se ainda a um selante que compreende qualquer uma das composições acima compreendidas.
As composições da presente invenção podem ser aplicadas a qualquer número de substratos, inclusive, por exemplo, titânio, aço inoxidável, alumínio, e as formas com camada de primer, com revestimento orgânico e cromato dos mesmos, epoxi, uretano, grafite, compósito de fibra de vidro, KEVLAR, acrílicos e policarbonatos. Conforme observado acima, as composições da presente invenção são especialmente úteis em aplicações aeroespaciais, tais como selantes aeroespaciais e revestimentos internos para tanques de combustível, fuselagens, e similares. Um material selante aeroespacial de acordo com a presente invenção pode exibir propriedades que incluem resistência a alta temperatura, resistência a combustível e/ou resistência à flexão. As formulações descritas na presente invenção podem também ser apropriadas para uso em condições de temperaturas extremas, ambientes quimicamente severos e/ou vibrações mecânicas. As formulações da presente invenção podem também ser usadas em outras aplicações que não as aeroespaciais. O polímero da presente invenção é geralmente não gelificado, o que significa que a mistura polimérica possui uma viscosidade intrínseca que pode ser medida. As formulações curadas da presente invenção geralmente possuem boa flexibilidade a baixa temperatura, o que é desejado em aplicações aeroespaciais, já que as formulações são submetidas a grandes variações nas condições ambientais, tais como temperatura e pressão, e condições físicas tais como contração e expansão de juntas/articulação e/ou vibração.
As viscosidades aqui relatadas são medidas a uma temperatura de aproximadamente 2 5°C e a uma pressão de cerca de 760 mmHg, conforme determinado de acordo com ASTM D-2849, parágrafos 79 a 80 utilizando um Viscosímetro Brookfield.
A presente invenção refere-se ainda a métodos para vedar uma abertura compreendendo aplicar a uma superfície associada com a abertura qualquer um dos selantes aqui descritos. Um promotor de adesão pode ser aplicado à superfície antes do selante, se desejado. "Abertura" refere-se a um orifício, espaço vazio, fenda ou outra abertura. Em certas concretizações, a abertura encontra- se num veículo de aviação ou aeroespacial.
Conforme aqui utilizado, salvo se expressamente especificado de outra forma, todos os números, tais como os que expressam valores, faixas, quantidades ou porcentagens podem ser lidos como se precedidos pela palavra "cerca de/aproximadamente", ainda que o termo não apareça expressamente. Qualquer faixa numérica aqui citada pretende incluir todas as subfaixas nela incluídas. 0 plural abrange o singular e vice-versa. Por exemplo, embora seja feita referência a "um" polímero de politioéter, um ou mais polímeros de politioéter, pelo menos um que esteja no escopo da presente invenção, podem ser usados. De forma similar, um ou mais compostos contendo enxofre, um ou mais agentes de cura e/ou um ou mais de qualquer um dos diversos aditivos podem ser usados nas composições da presente invenção. Da mesma forma, conforme aqui utilizado, o termo "polímero" pretende se referir a pré-polimeros, oligômeros, bem como homopolímeros e copolímeros; o prefixo "poli" refere-se a dois ou mais.
EXEMPLOS
Os exemplos a seguir pretendem ilustrar a invenção, não devendo ser interpretados como restringindo-a em nenhum aspecto.
Exemplo 1
1,8-dimercapto-3,6-dioxaoctano (616,95g, 3,38 moles CAS # 14970-87-7) foi carregado num frasco de fundo redondo de quatro bocas com capacidade para 1 litro, equipado com um agitador mecânico, termômetro, e dois adaptadores de passagem de gás (um para entrada de nitrogênio e outra para saída). 0 frasco foi jateado com nitrogênio seco e o conteúdo aquecido até 32°C.
4-vinilciclohexeno (183,05 g, 1,69 moles, CAS # 100-40-3) foi adicionado a ditiol em agitação durante 3 horas, 15 minutos. Uma leve exotermia se desenvolveu durante a adição, mas a temperatura foi mantida de 42°C a 45°C. A mistura de reação foi aquecida durante 3 horas a 55°C. Cinco porções (14Og cada) de iniciador de radical livre (VAZO-52(2 , 2'azobis)2,4-dimetilpentanonitrila, CAS #4419- 11-8, da DuPont) foram adicionados durante um intervalo de 2 horas, de 55 a 60°C. A mistura de reação foi evacuada a 70 a 75°C/7 a 8 mmHg durante 2 horas para dar um produto incolor e límpido. Rendimento: 800 gramas (100%); equivalente mercaptano: 238 (teórico: 236); viscosidade : 1.331 poises. Exemplo 2
Um selante da Classe B foi preparado misturando-se os componentes relacionados na Tabela 1 num misturador de batelada tipo Cowles de duplo eixo até que se tornassem homogêneos sob vácuo de 2 7" de mercúrio ou maior. Os Componentes AeB foram misturados numa relação de peso de 100:12 para preparar o selante final. Tabela 1
Componente A
<table>table see original document page 13</column></row><table>
1Preparado de acordo com a patente americana No.
4.623.711 (peso molecular de aproximadamente 2200) .
2 Preparado de acordo com a patente americana No.
4.623.711 (peso molecular de aproximadamente 2500).
3Polimero de polissulfeto thiokol LP-55 comercializado pela Toray Fine Chemicals.
4Preparado de acordo com a patente americana No.
6.172.179 (peso molecular de aproximadamente 3000).
5ORGASOl, comercializado pela Atofina.
6EXPANCELi comercializado pela Akzo.
7Comercializado pela OSi.
8Comercializado pela OSi. Tabela 1 (cont.)
Componente B
<table>table see original document page 14</column></row><table>
9Terfenila parcialmente hidrogenado (HB40) comercializado pela Solutia.
10Po de alumino-silicato metálico alcalino 3 angstrons, comercializado pela UOP.
11Po acelerador DPTT Akrochem comercializado pela Akrochem Corp.
O selante da Amostra 2 foi testado segundo os requisitos da especificação proposta BMS 5-142 com excelentes resultados, conforme ilustra a Tabela 2 abaixo.
Tabela 2
<table>table see original document page 14</column></row><table> * Fluido referência de jato TT-S-735A Tipo III A amostra 2 também apresentou boa resistência ao descascamento e resistência ao fluido de hidrocarboneto quando testada de acordo com a mesma especificação.
Embora as concretizações específicas da presente invenção tenham sido descritas acima para fins de ilustração, será evidente aos habilitados na técnica que diversas variações dos detalhes da presente invenção podem ser feitas sem fugir de seu escopo, conforme definido nas reivindicações em anexo.
Claims (18)
1. Polímero de politioéter com terminação dimercaptano, caracterizado por apresentar a fórmula (I): <formula>formula see original document page 16</formula> onde cada Ri é igual e representado pela fórmula (II) <formula>formula see original document page 16</formula> X é O ou S; a é de 2 a 6; b é de 1 a 5; c é de 2 a 10; η é 1 ou maior; e R2 é um resíduo dieno que não um resíduo divinil éter, um resíduo trieno ou um resíduo de um composto orgânico tendo um grupo de saída terminal.
2. Polímero, de acordo com a reivindicação caracterizado pelo fato de X ser O; a ser 2; b ser 2 ser 2; η ser 1 e R2 ser o resíduo de vinil ciclohexeno.
3. Composição, caracterizada pelo fato de compreender o polímero, conforme definido na reivindicação 1.
4. Composição, caracterizada pelo fato de compreender o polímero, conforme definido na reivindicação 2.
5. Selante, caracteri zado pelo fato de compreender o polímero, conforme definido na reivindicação 1 e um agente de cura.
6. Selante, caracterizado pelo fato de compreender o polímero, conforme definido na reivindicação 2 e agente de cura.
7. Selante, de acordo com a reivindicação caracterizado pelo fato de o agente de cura ser MnO2.
8. Selante, de acordo com a reivindicação caracterizado pelo fato de o agente de cura ser MnO2.
9. Selante, de acordo com a reivindicação caracterizado pelo fato de a viscosidade ser de 10 -20.000 poises.
10. Selante, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a viscosidade ser de 10 a 20.000 poises.
11. Método para produzir um polímero, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender misturar dois moles do composto de Fórmula (II): <formula>formula see original document page 17</formula> com um mol de dieno, trieno ou um composto orgânico que tenha um grupo de saída terminal.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de X ser O; a, b e c serem 2; η ser 1 e o dieno ser vinil ciclohexeno.
13. Método para vedar uma abertura, caracterizado pelo fato de compreender aplicar a uma superfície associada com dita abertura o selante, conforme definido na reivindicação 5.
14. Método para vedar uma abertura, caracterizado pelo fato de compreender aplicar o selante a uma superfície associada com dita abertura, conforme definido na reivindicação 6.
15. Composição, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de compreender uma mistura polimérica compreendendo um polissulfeto e um politioéter.
16. Composição, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de compreender uma mistura polimérica compreendendo um polissulfeto e um politioéter.
17. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a superfície ser uma superfície de um veículo de aviação ou aeroespacial.
18. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de a superfície ser uma superfície de um veículo de aviação ou aeroespacial.
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