Uma nova definição de compostos?

À medida que a tecnologia dos compósitos se desenvolve, também deve ser nossa compreensão do que os compósitos podem ser e o que eles podem oferecer.

Este blog foi originado de um comunicado à imprensa que recebi da IntegriCo Composites (Sarepta, Louisiana, EUA), que fabrica dormentes de ferrovias compostas e esteiras de construção. Ao consultar o comunicado à imprensa e o site da empresa, ambos focados na reciclagem e transformação de resíduos de plástico em produtos finais sustentáveis ​​e de desempenho aprimorado, percebi que se tratava de uma tecnologia 100% plástica. Então, eu respondi e disse:“sua definição de composto não corresponde à nossa”. Mas eu estava errado.

Como uma mistura se torna um composto

Qual é a definição de um composto ?

Expliquei que embora a IntegriCo afirme que seus produtos são compostos com propriedades superiores, eles são, na verdade, uma liga - um amálgama derretido de plásticos. Não há reforço de fibra e não há mais de um material identificável no produto final.

Brian Arkwood, diretor técnico da IntegriCo, discordou, explicando que os produtos da IntegriCo são uma mistura de dois ou mais tipos de materiais que mantêm uma identidade única, projetada e desenvolvida por meio do processamento para oferecer características e desempenho superiores. “Permita-me esclarecer”, disse ele.

Nosso processo usa uma mistura de HDPE (polietileno de alta densidade) e LDPE (polietileno de baixa densidade), bem como polipropileno e poliestireno. Isso ocorre por design, pois cada um desses polímeros diferentes contribui para as características gerais do produto final. Podemos manipular e / ou alterar as propriedades do produto final, diferindo as proporções de cada plástico e / ou processamento da mistura geral. Os diversos plásticos não são simplesmente fundidos, no entanto.

É aqui que essa mistura se diferencia como um composto:

“Os plásticos de maior peso molecular (HMW) que não derretem são intercalados através do polímero contínuo dos plásticos que são processados ​​acima da temperatura de fusão. À medida que essa mistura esfria, os plásticos passam pelo processo de nucleação. A taxa e o processo de nucleação são controlados pela temperatura de processamento, taxa de resfriamento e o carregamento subsequente de um agente de nucleação. Este agente é um produto químico desenvolvido pela IntegriCo e usado apenas em nosso processo. ”

“Conforme ocorre a nucleação, a cristalinidade geral da mistura de plástico é manipulada e os polímeros não fundidos HMW são emaranhados entre as cadeias de polímero que são ligadas covalentemente. Os polímeros também são manipulados por meio de tensão de cisalhamento para reduzir a viscosidade durante a moldagem para promover melhor interação e emaranhamento de polímeros nucleados com os polímeros não fundidos. ”

Nucleação, cristalinidade e razão de aspecto de controle

Para mim, os conceitos-chave aqui são nucleação (o processo inicial de formação de cristal), controle de cristalinidade (gerenciando a formação de cristais) e manipulando o processo para obter uma interface melhor entre os polímeros nucleados emaranhados e os polímeros não fundidos. A última parte é realmente crucial para os compósitos, pois sem uma boa interface entre os diferentes materiais, não há transferência de carga efetiva e nem desempenho superior.

Além disso, lembre-se de que na área de alto crescimento dos compósitos termoplásticos, os polímeros que oferecem propriedades mecânicas superiores, bem como maior temperatura e resistência química, são semicristalinos. Essas propriedades semicristalinas são alcançadas e ajustadas gerenciando a cristalinidade, mais tipicamente por meio do controle de temperatura durante o processamento.



Os dormentes ferroviários compostos IntegriCo oferecem uma maneira de reutilizar resíduos de plástico em um produto composto de desempenho superior, em que o plástico alongado de alto ponto de fusão reforça uma matriz de plástico de baixo ponto de fusão. FONTE | Compostos IntregiCo


A descrição de Arkwood também me fez pensar em plásticos auto-reforçados (SRP) , como Pure, Curv, Armordon, Tegris e o mais recente, o projeto BIO4SELF, que ganhou o Prêmio JEC de Inovação 2019. Normalmente, os compósitos SRP são feitos usando um polímero de baixa temperatura de fusão (PE, PP ou biopolímero PLA) e reforçando isso com uma fibra de alta temperatura de fusão feita do mesmo polímero. Este uso de polímeros de alta e baixa temperatura de fusão é exatamente o que IntegriCo está fazendo. Então, perguntei a Arkwood se os polímeros não fundidos de alto peso molecular (HMW) que ele está usando estão realmente aparecendo / formando / se comportando como fibras ?

“Ele proporciona alguns dos mesmos benefícios que as fibras”, disse ele. “Mudamos as relações de aspecto dos polímeros HMW dentro da matriz polimérica para direcionar as propriedades do produto. Aumentar ou diminuir os polímeros HMW, juntamente com mudanças em outros parâmetros operacionais, pode ter efeitos significativos nas propriedades plásticas, como módulo de elasticidade, módulo de ruptura e dureza. ”

Arkwood explica que o IntegriCo pode modificar as taxas de polímero e os parâmetros operacionais para atender às necessidades específicas do cliente. “Documentamos isso com dados de testes destrutivos e atendemos às solicitações de clientes, incluindo a Union Pacific e o Exército dos EUA. A proporção de polímeros - HMW para LMW e linear para não linear ou altamente ramificado - desempenha um papel em nossos produtos, assim como o reforço de fibra em outros produtos compostos de plástico, afetando as principais propriedades de desempenho de resistência, rigidez, dureza e tenacidade. ”

Sustentabilidade

Então, primeiro ponto, IntegriCo realmente fornece uma inspiração que vale a pena observar pela indústria de compósitos, pois nosso planeta está sendo destruído com resíduos. Mais de 90% do plástico se transforma em lixo em todo o mundo e mais de 34 milhões de toneladas métricas de plástico são enviadas para aterros ou incineradores a cada ano apenas nos Estados Unidos e Canadá. A IntegriCo está oferecendo uma solução real ao reciclar plásticos rígidos mistos e, normalmente, não recicláveis ​​graus 3-7, que a China parou de receber em 2018. Plásticos graus 3-7 são os mais difíceis de reciclar, conforme classificado pelo ASTM International Resin Identification Coding System (RIC), que identifica os polímeros constituintes e a reciclabilidade de todos os plásticos. Os graus 1 (PETE, PET) e 2 (HDPE) são altamente recicláveis, e 5 (PP) está começando a ser reciclado, enquanto todos os outros graus, incluindo 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) e 7 (Outros ) não são reciclados atualmente. Assim, IntegriCo está fazendo a diferença, desviando resíduos do aterro e transformando-os em produtos compostos de valor agregado que duram mais do que os alternativos, produzindo menos resíduos ao longo do tempo.

Nano-CMCs

Meu segundo ponto é que a tecnologia está avançando no que é um composto. Acredito que isso já está impactando o avanço da ciência dos materiais compósitos e espero inspirar novos desenvolvimentos. O que desencadeou essa percepção para mim foi o uso de nucleação por Arkwood . Eu imediatamente o reconheci de minha recente pesquisa em compósitos de matriz nano cerâmica (nano-CMCs, veja meu artigo de julho de 2019 sobre nanocompósitos).

Isto é de um artigo de novembro de 2017, "Nanocompósitos de polímero e cerâmica para aplicações aeroespaciais":

“ Nanocompósitos são os materiais do século XXI com uma taxa de crescimento anual de 25% devido às suas capacidades multifuncionais. … Devido à possibilidade de combinar as propriedades desejadas, os nanocompósitos estão expandindo seus potenciais em aplicações aeroespaciais e em futuras missões espaciais. … Nanofillers aumentam a capacidade de nucleação melhorando a interação interfacial com a matriz polimérica. ”

Não posso garantir a taxa de crescimento de 25%, mas é óbvio que os nanocompósitos oferecem muito potencial. Este texto discutiu nucleação de nanofillers. O que foi novo para mim foi o desenvolvimento de nano-CMCs onde uma matriz cerâmica é realmente reforçada não com uma fibra ou enchimento, mas outra cerâmica, onde a nucleação e cristalização desta última são controladas para produzir reforço de alta proporção de aspecto.

Em meu artigo de julho de 2019 sobre nanocompósitos, uso uma ilustração do artigo de Paola Palmero de 2015, "Nanocompósitos de cerâmica estrutural:uma revisão das propriedades e métodos de síntese de pós" para mostrar exemplos de compostos em micro e nanoescala. A, B e C mostram uma matriz em microescala (micrônica) reforçada com nanopartículas, nanofibras ou nanoplacas, respectivamente, enquanto D tem nano reforços arredondados e de alta proporção de aspecto. No entanto, E e F ilustram nanocompósitos bifásicos e multifásicos , respectivamente, onde as cerâmicas em nanoescala são imiscíveis.

Fig. 1 Estruturas micro / nano compostas comuns para materiais cerâmicos.
FONTE | "Nanocompósitos de cerâmica estrutural:uma revisão das propriedades e métodos de síntese de pós" por Paola Palmero.



Palmero descreve o in-situ cristalização de segundas fases na superfície das partículas da matriz - em outras palavras, a matriz é a primeira fase e outra cerâmica é a segunda fase - como um dos principais processos envolvidos na fabricação de nanocompósitos cerâmicos. Após a cristalização, administra-se o tamanho e a forma dos cristais ou grãos cerâmicos, o que é crucial, pois determinam as propriedades de bulk do compósito cerâmico. Por exemplo, grãos alongados são conhecidos por terem um in-situ efeito de endurecimento. Palmero observa que a capacidade de adaptar os recursos nanoestruturados desejados nesses compostos sinterizados é vital, mas desafiadora, exigindo um controle de processo rigoroso durante a mistura, formação, sinterização e densificação.

Uma ilustração e discussão semelhantes são vistas na Fig. 6 no livro Intechopen.com, Physical and Metalurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites . A Seção 9.1.2 discute a microestrutura do nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) / nanocompósitos de carboneto de silício (SiC), que são feitos por sinterização (prensagem a quente). Sua microestrutura contém grandes partículas alongadas de β-Si ₃ N ₄ (bigodes) que são rodeados por partículas mais finas de β-Si ₃ N ₄ com formas de agulhas. A micrografia eletrônica de varredura abaixo da Fig. 7b mostra essa estrutura com uma ampliação de 20.000.

Estas seções transversais de nanocompósitos de cerâmica bifásica (esquerda) e compósitos de plástico reciclado (direita) são na verdade bastante semelhantes, embora sejam muito diferentes das seções transversais de compósitos convencionais reforçados com fibra contínua.

FONTE | Figura 7, Seção 9.1.2 de Características Físicas e Metalúrgicas de Compósitos de Matriz Cerâmica Reforçada com Fibra por Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová e Petr Jonšta (à esquerda) e seção transversal do dorso ferroviário composto, IntegriCo Composites (à direita).

Benefícios dos compósitos bifásicos e multifásicos

Então, por que isso é benéfico para a indústria de compósitos? Porque os cientistas de materiais estão usando esta nova definição de compósitos para alcançar combinações exclusivas e personalizadas de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ablativas . Por exemplo, o Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., U.S) desenvolveu compósitos de nitreto de silício, nitreto de zircônio e diboreto de titânio, bem como métodos para reforçá-los com fibras resistentes. Essas cerâmicas refratárias apresentam alta resistência, estabilidade térmica e condutividades elétricas e térmicas variáveis ​​que permitem que atendam às demandas de componentes de veículos hipersônicos - algo que os compostos de polímero orgânico e mesmo ligas de metal avançadas não podem fazer.

A NRL também está desenvolvendo tecnologia de manufatura aditiva que irá incorporar nanoestruturas a esses materiais e ajustar ainda mais as propriedades de blindagem dielétrica, térmica e eletromagnética em uma resolução mais alta do que a possível com os materiais disponíveis atualmente . Mesmo que você não concorde necessariamente com os aplicativos de defesa planejados para esses materiais, eles também podem fornecer soluções valiosas para exploração espacial planejada e missões a Marte. Mas eles também podem abrir novos caminhos para compósitos totalmente de base biológica que oferecem não apenas alto desempenho aqui na terra, mas também a capacidade de fazê-lo de forma sustentável e de uma forma que os materiais e produtos finais possam ser fabricados e reciclados usando menos energia e recursos.

Não estou sugerindo que os compósitos reforçados com fibras estão saindo do palco ou até mesmo desaparecendo. Mas, à medida que a tecnologia se desenvolve, também deve ser nossa compreensão do que os compostos podem ser e o que eles podem oferecer.