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Entendendo o plástico reforçado com fibra


Hoje, o uso de plásticos reforçados com fibra em produtos e aplicações tem aumentado dramaticamente devido às suas várias propriedades. Eles são relativamente uma nova classe de materiais leves, não corrosivos e de alta resistência. o componente primário é o plástico que contém fibras como vidro (em fibra de vidro), carbono (em polímero reforçado com fibra de carbono), aramida ou basalto. Outras fibras como papel, madeira ou amianto também são usadas, mas não são comuns.

Plásticos ou polímeros reforçados com fibra (FRPs) são comumente usados ​​nas indústrias aeroespacial, automotiva, naval e de construção. Tudo isso será melhor explicado neste artigo.



Hoje vamos nos aprofundar para ver a definição, aplicações, componentes, propriedades, tipos, processo de formação e requisitos de materiais de plásticos reforçados com fibra. Também conheceremos suas vantagens e desvantagens.

O que são plásticos reforçados com fibra?


Os plásticos reforçados com fibra (FRP), também chamados de polímeros reforçados com fibra, são categorizados como plásticos compostos que usam especificamente materiais de fibra para aumentar mecanicamente a elasticidade e a resistência do plástico. Eles consistem em uma matriz de polímero, que é o plástico original (geralmente resistente, mas fraco). O material é misturado com material de reforço para produzir um produto final com o material desejado ou propriedades mecânicas. Vamos entender isso em detalhes!

Convencionalmente, um polímero é geralmente formado pelo processo de polimerização ou polimerização por adição. Ele pode ser combinado com vários agentes para melhorar ou aumentar suas propriedades materiais, que podem ser chamados de plásticos. Plásticos compostos são tipos de plásticos que resultam de dois ou mais materiais homogêneos com propriedades materiais diferentes para obter um produto final com certas propriedades materiais e mecânicas desejadas. Um bom exemplo de plástico composto é o plástico reforçado com fibra, porque os materiais de fibra são usados ​​para aumentar mecanicamente a resistência e a elasticidade dos plásticos. O polímero é geralmente um éster de vinil, ou plástico termoendurecível de poliéster, epóxi, resinas de fenol-formaldeído também usadas.

Aplicações de um plástico reforçado com fibra


Abaixo estão as aplicações de FRP em vários campos.

Indústria automotiva


O plástico reforçado com fibra tornou-se a substituição do metal nas carrocerias dos automóveis de luxo modernos e nas laterais da carroceria de caminhões e reboques. Isso ocorre porque eles têm quase a mesma força, mas peso diferente, além disso, uma alta relação resistência-peso é o santo graal para a indústria automotiva. Os FRPs têm pontos de fratura mais altos do que o aço e são materiais fortes, rígidos e leves, o que melhora o consumo de combustível e aumenta a velocidade. O material é facilmente moldado para formar os componentes desejados. A utilização deste plástico composto é dramaticamente alta neste campo.

Um tipo de plástico reforçado com fibra, como FRPs de vidro, é usado para componentes do motor, como o coletor de admissão. Isso reduz até 60% do seu peso e agiliza o design. No entanto, os FRPs de vidro são mais fracos e podem ser facilmente dobrados quando comparados aos FRPs de carbono.

Bens de consumo


Hoje, no nosso dia-a-dia, é mais fácil carregar equipamentos, principalmente para esportistas. Isso ocorre porque carbono e outros plásticos reforçados com fibra são usados ​​para fabricar mercadorias. Quase 6% dos FRPs estão sendo usados ​​para produzir bens de consumo. Outros itens como instrumentos musicais ou seus componentes, armas de fogo, barracas de camping e tripés para câmeras também se beneficiaram desses materiais.

Equipamento de proteção


Um material extremamente resistente ao calor e ao impacto é produzido, quando compostos conhecidos como aramidas são usados ​​em FRPs. A resistência mecânica excepcional é obtida quando usado. É por isso que é perfeito para fazer trajes à prova de balas e resistentes ao fogo, veículos de proteção contra explosões e estruturas.

Indústria da construção


O campo da construção absorveu cerca de 20% do plástico reforçado com fibra, incluindo pontes e estradas. A aplicação de FRPs na construção pode ser utilizada para retrofit de lajes, pilares ou vigas de estruturas existentes. Isso aumenta sua capacidade de carga ou repara danos. O plástico reforçado com fibra é extremamente econômico e útil quando se trata de equipar estruturas mais antigas que suportam cargas muito maiores do que foram projetadas para enfrentar.

Os FRPs também são usados ​​para fabricar estruturas de rodovias, como placas de sinalização, grades de proteção, sistemas de drenagem e decks de pontes. Skyways de automóveis, postes e dutos de gás, água e esgoto também aproveitam o material. Os FRPs podem ser perfeitos para a construção de casas pré-fabricadas, mas são popularmente usados ​​para móveis de escritório doméstico e comercial, eletrodomésticos, piscinas, calhas, equipamentos de banheiro e acessórios para tubos e exaustores.

Indústria de energia


Espera-se que a demanda por FRP cresça mais de 300% na indústria e em aplicações de energia. Especialmente em componentes eletrônicos e elétricos.

A maioria dos FRPs são bons isolantes elétricos, toleram produtos químicos ambientais agressivos, incluindo os corrosivos, podem resistir à degradação devido ao calor. Além disso, eles são relativamente não inflamáveis, têm boa integridade estrutural e podem até tolerar a radiação ultravioleta. Os FRPs de vidro não são magnéticos e também podem resistir a faíscas, tornando-os úteis em componentes de energia.

Finalmente, plásticos reforçados são usados ​​para construir pás de turbinas eólicas e para os módulos de armazenamento de tanques de gás.

Aplicativos aeroespaciais


As aplicações de FRPs no campo aeroespacial estão aumentando devido aos custos ambientais mais baixos e ao desenvolvimento adicional. As fibras de carbono em FRPs reduzem o peso em 25%, mas garantem resistência igual ou maior quando comparadas às folhas de alumínio. Eles oferecem boa resistência à tração e podem tolerar ambientes agressivos e temperaturas extremamente altas. No entanto, eles expandem pouco com o calor e possuem alta rigidez.

A aplicação de FRPs na indústria aeroespacial é inicialmente cara, mas ainda assim economiza mais dinheiro, pois cada grama de peso adicional é prejudicada devido ao efeito no consumo de combustível, duração da viagem e custos, segurança aerodinâmica, etc.

Com FRPs de carbono, as peças complexas podem ser facilmente moldadas, reduzindo o número de peças em surpreendentes 95%. Isso torna a produção mais simples, barata e rápida em comparação com outros materiais, como aço ou alumínio fundido. Aeronaves gigantes modernas são feitas de mais de 50% de carbono-FRP, peças como pás de rotor de helicóptero em drones de última geração também estão sendo cada vez mais feitas com o material.

Infraestrutura marítima


O polímero reforçado com fibra tornou-se o substituto ideal para a madeira, em navios ou em ambientes marítimos à beira-mar. Isso ajuda a obter peso estrutural reduzido e aumentar a resistência à corrosão. Outras aplicações incluem calçadas flutuantes e plataformas para bases marítimas e pontes rolantes.

Componentes de materiais compostos


Abaixo estão os componentes que compõem o plástico reforçado com fibra.

Fibras:


Uma fibra escolhida geralmente controla as propriedades dos materiais compósitos. Os três principais tipos de fibras usadas na construção incluem carbono, vidro e aramida. Muitas vezes é nomeado pela fibra de reforço, por exemplo, CFRP para Polímero Reforçado com Fibra de Carbono. As propriedades mais comuns e importantes que diferenciam os tipos de fibra são a tensão e a rigidez.


Matrizes


A matriz pode transferir forças entre as fibras e as protegerá de efeitos prejudiciais. As resinas termoendurecíveis são quase exclusivamente utilizadas nesta situação. As matrizes mais comuns são viniléster e epóxi. Nós iremos. O epóxi é frequentemente preferido em relação ao viniléster, mas também é mais caro. As matrizes de epóxi têm uma vida útil de cerca de 30 minutos a 20 graus Celsius, mas podem ser alteradas com diferentes formulações. Tem boa resistência, aderência, propriedades de fluência e resistência química.



Fig. 2:Fiber Plus Matrix produz FRP

Além disso, o material plástico original sem reforço de fibra é conhecido como matriz ou agente de ligação. Esta matriz é um plástico resistente e também relativamente fraco que é reforçado por filamentos ou fibras de reforço mais rígidos mais fortes. O nível de resistência e elasticidade que é aprimorado em um plástico reforçado com fibra depende das propriedades mecânicas da matriz e da fibra. Seu volume em relação um ao outro, e o comprimento e orientação da fibra dentro da matriz também são considerados. O reforço da matriz ocorre por definição quando o material FRP apresenta uma resistência ou elasticidade aumentada em relação à resistência e elasticidade da matriz sozinha.

Propriedades comuns de plásticos reforçados com fibra


Assim como mencionado anteriormente, as características dos plásticos reforçados com fibra dependem de fatores como as propriedades mecânicas da matriz e da fibra. O volume de ambos e seu comprimento e orientação das fibras na matriz.

A razão pela qual os FRPs são amplamente considerados é por causa de seu baixo peso, mas são incrivelmente fortes e têm boa fadiga. Além disso, seus impactos e propriedades de compressão são um motivo único. É por isso que as indústrias automobilísticas foram capazes de substituir os metais por materiais mais leves para não apenas tornar os carros mais fortes, mas também mais rápidos e econômicos.

Os plásticos reforçados com fibra também demonstram propriedades elétricas distintas e uma resistência ambiental de alto grau, juntamente com bom isolamento térmico, integridade estrutural, resistência ao fogo, estabilidade à radiação UV e resistência a produtos químicos e corrosivos. Bem, todos estes foram mencionados acima.

Requisitos de material ou materiais de fibras comuns


Abaixo estão as fibras usadas para obter um tipo específico de polímero reforçado.

Copo:


o vidro que atua como um bom isolante forma plásticos reforçados com fibra de vidro ou vidro quando combinados com a matriz. Plásticos reforçados com vidro são benéficos para a indústria de energia, pois não possuem campo magnético e são resistentes a faíscas elétricas. Eles são incorporados nos coletores de admissão do motor, onde oferecem uma redução de 60% no peso em relação aos coletores de alumínio fundido. Finalmente, a qualidade da superfície e a aerodinâmica melhoradas são obtidas para esses materiais.

O vidro FRP também tem sido usado em pedais de acelerador e embreagem em carros, pois podem ser moldados em uma única unidade. As fibras são orientadas de forma a suportar tensões específicas, aumentando a durabilidade e a segurança. No entanto, esses materiais reforçados não são fortes, rígidos ou quebradiços como os materiais reforçados com fibra de carbono. Pode ser caro para produzir.


Carbono


Os materiais de fibra de carbono apresentam alta resistência à tração, resistência química, rigidez e tolerância à temperatura. Os átomos de carbono criam cristais que se encontram ao longo do eixo da fibra, o que ajuda a fortalecer os materiais, aumentando a relação força/volume. Assim como explicado anteriormente, os plásticos reforçados com fibra de carbono são usados ​​em artigos esportivos, planadores, varas de pesca, etc.

FRPs de carbono foram incorporados aos lemes de um Airbus A310, o que ajudou a diminuir seu número de componentes em 95%. As peças moldadas simples reduziram o custo de produção e os custos operacionais. Eles agora são 25% mais leves do que os produzidos com chapas de alumínio, o que os torna mais eficientes em termos de combustível.

Aramidas  


As aramidas são classificadas como poliamidas sintéticas formadas a partir de monômeros aromáticos (moléculas em forma de anel). Isso demonstra uma resistência robusta ao calor, e é por isso que eles são usados ​​para roupas à prova de balas e resistentes ao fogo.

As aramidas são geralmente preparadas pela reação entre um grupo amina e um grupo haleto de ácido carboxílico (aramida). Isso ocorre quando uma poliamida aromática é fiada de uma concentração líquida de ácido sulfúrico em uma fibra cristalizada. As fibras são então fiadas em fios maiores para tecer em grandes cordas ou tecidos. As fibras de aramida podem ser fabricadas em graus variados com base na resistência e rigidez, para que o material possa atender a requisitos de projeto específicos, como cortar o material resistente durante a fabricação.

Tipos de polímero reforçado com fibra (FRP)


Abaixo estão os principais tipos de polímero reforçado com fibra.

Polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP)


As fibras de vidro são feitas de areia de sílica, calcário, ácido fólico e alguns outros ingredientes menores misturados. Esta mistura é aquecida até derreter a cerca de 1260 0 C. O vidro fundido é deixado fluir através de orifícios finos em uma placa de platina. Os fios de vidro são resfriados, reunidos e enrolados. As fibras podem então ser desenhadas para aumentar sua resistência dimensional. É então tecido em várias formas para uso em compósitos.

As fibras de vidro são consideradas como o reforço predominante para compósitos de matriz polimérica, baseados em uma composição de borossilicato de cal de alumínio. Isso se deve às suas altas propriedades isolantes elétricas, altas propriedades mecânicas e baixa suscetibilidade.

Geralmente, o vidro é uma boa fibra resistente a impactos, mas pesa mais que carbono ou aramida. As fibras de vidro têm excelentes características iguais ou melhores que o aço em certas formas.



Barras de polímero reforçadas com fibra de vidro

Polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP)

Em um polímero ou plástico reforçado com fibra de carbono, um alto módulo de elasticidade de cerca de 200-800 GPa é certo. O alongamento extremo é de 0,3-2,5% onde o menor alongamento corresponde à maior rigidez e vice-versa.

As fibras de carbono são resistentes a muitas soluções químicas e não absorvem água. Eles também podem suportar a fadiga de forma excelente e não corroer nem mostrar qualquer fluência ou relaxamento.



Barras de polímero reforçadas com fibra de carbono

Polímero reforçado com fibra de aramida (AFRP)


A aramida também é conhecida como poliamida aromática. Uma marca bem conhecida de fibras de aramida é chamada Kevlar, mas existem outros produtos como Twaron, Technora e SVM. O módulo das fibras varia de 70-200 GPA com um alongamento final de 1,5-5% dependendo da qualidade. A aramida tem alta energia de fratura, razão pela qual pode ser usada em capacetes e roupas à prova de balas.

O AFRP é sensível a temperaturas elevadas, umidade e radiação UV e não é comum em aplicações de engenharia civil. Finalmente, as fibras de aramida têm problemas de relaxamento e corrosão sob tensão.





Propriedades de diferentes tipos de FRP em comparação com o aço

O processo de conformação do plástico reforçado com fibra




A maioria das peças de plástico reforçado com fibra são feitas com um molde ou ferramenta. O molde utilizado pode ser moldes fêmeas côncavos, moldes machos, ou a peça pode ser completamente fechada com um molde superior ou inferior. Mas uma estrutura rígida geralmente é usada para estabelecer a forma dos componentes de FRP. As peças podem ser colocadas em superfícies planas que são conhecidas como “placa de calafetagem” ou em uma estrutura cilíndrica chamada “mandril”.

Os processos de moldagem de plásticos reforçados com fibra são realizados colocando o pré-molde de fibra sobre ou dentro do molde. Este pré-molde de fibra pode ser fibra seca ou fibra que já contém uma quantidade medida de resina conhecida como “prepreg”. As fibras secas são molhadas com resina manualmente ou a resina é injetada em um molde fechado. Neste ponto, a peça é curada, deixando a matriz e as fibras exatamente como a forma do molde. Outra forma de cura da resina e de melhorar a qualidade da peça final é por meio de calor e/ou pressão.

Assista aos vídeos abaixo para saber mais sobre o processo de conformação de plásticos reforçados com fibra:






Abaixo estão os vários métodos de formação de plástico reforçado com fibra.

Moldagem da bexiga:


Este processo de formação é quando folhas individuais de material pré-impregnado são colocadas e colocadas em um molde de estilo feminino junto com uma bexiga semelhante a um balão. O molde será então fechado e colocado em uma prensa aquecida. Finalmente, a bexiga é pressurizada forçando a camada de material contra as paredes do molde.

Moldagem por compressão:


Uma peça moldada por compressão é conhecida como plástico reforçado com fibra. Então, quando uma matéria-prima como bloco de plástico, bloco de borracha, folha de plástico ou grânulos, é chamada assim. O uso de pré-formas plásticas na moldagem por compressão não contém fibras de reforço. Nesta moldagem, uma pré-forma ou carga de SMC ou BMC é colocada na cavidade do molde. O molde é então fechado e o material é formado e curado no interior usando calor e pressão. A moldagem por compressão é conhecida por seu excelente detalhamento para formas geométricas que vão desde padrões e detalhes em relevo até curvas complexas e formas criativas, até engenharia de precisão.

Autoclave e saco a vácuo:


Cada folha de material pré-impregnado é colocada e colocada em um molde aberto, que é então coberto com filme de liberação, sangrador ou material de respiro e um saco a vácuo. Um vácuo é puxado sobre a peça e o molde é colocado em uma autoclave, também conhecida como vaso de pressão de calor. A peça é curada com vácuo contínuo para extrair os gases aprisionados do laminado. Esse processo é comum na indústria aeroespacial porque oferece controle preciso sobre a moldagem devido a um ciclo de cura longo e lento. O tempo varia de uma a várias horas. Este controle preciso ajuda a criar as formas geométricas laminadas exatas necessárias para garantir resistência e segurança na indústria aeroespacial. No entanto, é lento e trabalhoso, ou seja, o custo muitas vezes o limita à indústria aeroespacial.

Envolvimento do mandril:


Neste processo de formação de plástico reforçado com fibra, folhas de material pré-impregnado são enroladas em torno de um mandril de aço ou alumínio. Este material pré-impregnado é compactado por fita de polipropileno ou nylon. As peças são curadas em lote por ensacamento a vácuo e penduradas em um forno. Após a cura, a fita de violoncelo e o mandril são removidos deixando uma fita de carbono oca. Isso ajuda a criar tubos de carbono ocos fortes e robustos.

Layup molhado:


Este processo de conformação combina o reforço de fibra e a matriz à medida que são colocados na ferramenta de conformação. As camadas de fibra de reforço são colocadas em um molde aberto, que é então saturado com uma resina úmida, derramando-a sobre o tecido e trabalhando-a no tecido. O molde será deixado por algum tempo para que a resina cure, geralmente à temperatura ambiente. Embora o calor às vezes possa ser usado para garantir que esteja devidamente curado. Um saco de vácuo é usado para comprimir um layup molhado. As fibras de vidro são as mais comuns para este processo, cujo resultado é conhecido como fibra de vidro. É usado para fazer produtos como esquis, canoas, pranchas de surf, etc.

Moldagem por transferência de resina:


Este processo de formação de plástico reforçado com fibra também é chamado de infusão de resina. Os tecidos são colocados em um molde no qual a resina úmida é injetada. A resina é normalmente pressurizada e forçada em uma cavidade que está sob vácuo na moldagem por transferência de resina. A resina é inteiramente puxada para dentro da cavidade sob vácuo na moldagem de transferência de resina assistida a vácuo. Este processo garante tolerância precisa e modelagem detalhada. Embora às vezes não sature totalmente o tecido, levando a manchas na forma final.

Enrolamento de filamento:


Nesse processo, existem máquinas que puxam os feixes de fibras através de um banho úmido de resina e enrolam sobre um mandril de aço giratório em orientações específicas. As peças são curadas à temperatura ambiente ou a temperaturas elevadas. O mandril é extraído, deixando uma forma geométrica final, embora seja deixada em algumas situações.

Pultrusão:


Feixes de fibra e tecidos de fenda são puxados através de um banho úmido de resina que então forma a forma da peça áspera. O material saturado é extrudado de uma matriz fechada aquecida, que é curada enquanto é continuamente puxada pela matriz. A maioria dos produtos finais da pultrusão são formas estruturais, ou seja, viga I, ângulo, canal e folha plana. Os materiais podem ser usados ​​para criar todos os tipos de estruturas de fibra de vidro, como escadas, tanques de sistemas de corrimão, plataformas, tubos e suportes de bombas.

Metralhadora:


Fios contínuos de fibra de vidro são empurrados através de uma pistola de mão que corta os fios e os une com uma resina catalisada, como o poliéster. O vidro picado impregnado é então lançado na superfície do molde na espessura e design apropriados que o operador humano acha certo. O processo de pistola picadora é ideal para grandes produções com custo econômico, mas produz formas geométricas com menos resistência do que outros processos de moldagem e tem baixa tolerância dimensional.

Vantagens e desvantagens do plástico reforçado com fibra

Vantagens:


Abaixo estão as vantagens dos plásticos reforçados com fibra em suas diversas aplicações.

Desvantagens:


Apesar dos grandes benefícios do plástico reforçado com fibra, algumas limitações ainda ocorrem. abaixo estão as desvantagens de FRPs.

Conclusão


Neste artigo, você aprendeu sobre plásticos reforçados com fibra, sua definição, aplicações, componentes compostos e requisitos de material. Também discutimos os vários tipos, processos de conformação e vantagens e desvantagens dos plásticos reforçados com fibra.

Espero que você tenha gostado da leitura, se sim, por favor, comente na sua seção favorita deste artigo. E não se esqueça de compartilhar este artigo com outros estudantes técnicos, pode ser útil para eles. Obrigado!



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