Revelando Testes Confiáveis para Compósitos de Fibra de Carbono Reciclada

Fig. 1 Processo de reciclagem de fibra de carbono. Fonte: ELG Carbon Fibre

O aumento exponencial na demanda global por produtos de fibra de carbono — e o desperdício associado ao seu consumo — levanta muitas questões de sustentabilidade. A fibra de carbono tem uma energia incorporada tão alta quanto a do alumínio, que é amplamente reciclado, e a disposição de desperdício de fibra de carbono tem um impacto sério na economia circular. Como resultado, técnicas de reciclagem como hidrólise, solvólise e pirólise têm ganhado impulso nas últimas duas décadas. Por exemplo, a técnica de pirólise de leito em cadeia, empregada pela ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido), foi configurada em escala industrial e estava recuperando mais de 1.300 toneladas métricas de FC por ano, a partir de 2017.

O maior desafio tecnológico com pirólise, no entanto, é sua incapacidade de recuperar fibra de carbono na mesma forma de sua fonte. O produto final da reciclagem por pirólise é uma massa fofa e emaranhada de fibras descontínuas (veja Fig. 1). Um método eficiente e custo-efetivo para lidar com fibras de carbono recicladas (rCF) é a conversão de fibras em um tecido têxtil, muito como converter lã em tecidos. Usando este método, a ELG converte rCF em tecidos não tecidos secos, agulhados, aleatoriamente distribuídos, que são moldados por compressão em resina epóxi. Devido à natureza porosa destes tecidos, no entanto, os laminados resultantes tipicamente alcançam apenas cerca de 30% de fração de volume de fibra.

Por causa destas propriedades de comportamento de material, compósitos rCF são dissimilares aos compósitos convencionais de fibra longa e contínua de FC virgem (vCF), e da mesma forma exibem propriedades diferentes. Para entender as capacidades, comportamento mecânico e limites de design de compósitos rCF, é essencial desenvolver um conjunto de dados confiável e caracterizá-los com métodos de teste adequados. Infelizmente, os códigos e padrões para teste em macroescala foram desenvolvidos com compósitos reforçados com fibra contínua em mente. Além disso, várias discrepâncias no teste de nível de cupom existem na literatura e indústria mesmo para compósitos convencionais. Adicionando mais complicações, alguns OEMs, como a Airbus, usam suas próprias práticas de teste internas para caracterizar compósitos vCF. A introdução de compósitos rCF com sua arquitetura de reforço única em compósitos descontínuos, não tecidos, aumenta ainda mais esta ambiguidade nos protocolos de teste de compósitos. Adicionalmente, há uma ampla escolha de métodos de teste para a medição de uma única propriedade. Embora a identificação do teste mais adequado seja demorada, é fundamental para entender o comportamento mecânico do material. O objetivo principal da pesquisa dos autores foi determinar se compósitos rCF não tecidos requereriam o desenvolvimento de um conjunto específico de protocolo de teste padrão, para avaliar e analisar seu uso em aplicações existentes e potenciais novas.

A orientação para um método de teste que é aparentemente tão direto como um teste de tração estático torna-se obscura no caso de compósitos rCF descontínuos, não tecidos. A prática comum é usar cupons retangulares de lados retos devido à simplicidade de preparação de espécime. Para compósitos rCF, no entanto, o uso de cupons retangulares como descrito por ASTM D3039 ou ISO 527-4 tipo 2 ou 3, com ou sem abas terminais, resultou em falhas em ou perto das abas devido a uma má transferência de tensão para o comprimento de bitola do espécime. De um tamanho de amostra de 150 espécimes retangulares, menos de 12,5% produziram uma falha de bitola aceitável.

Há várias causas possíveis para isso, incluindo preparação de espécime ruim, método de introdução de carga, garras, velocidade de teste, geometria do espécime, etc. Um espécime em forma de laço, como testado pelo U.S. Army Materials and Mechanics Research Centre para compósitos de fibra de vidro aleatória, não produziu resultados melhorados para compósitos rCF também. Neste teste, o uso de geometria dogbone, como descrito por ASTM D638, resultou em desempenho muito melhorado com mais de 80% dos espécimes falhando dentro da região central de bitola, como representado na Figura 2. Este design de espécime tem um impacto significativo nas características de tração, pois os espécimes de geometria retangular tendem a falhar prematuramente.

Nosso estudo, usando amostras idênticas de compósitos rCF retangulares e dogbone, resultou em redução de 10% e 20% na resistência à tração e rigidez, respectivamente, para as amostras retangulares comparadas às dogbone. Design de geometria melhorado em carga de tração também foi evidente em fadiga cíclica. Em um nível de tensão particular em carregamento de fadiga tração-tração, um cupom retangular poderia falhar em qualquer lugar entre algumas centenas de ciclos a mais de 3 milhões de ciclos de fadiga, enquanto a variabilidade em ciclos até falha para cupons dogbone foi muito menor.

Fig. 2. Melhoria na transferência de tensão para comprimento de bitola da amostra em espécimes dogbone. Fonte: Karthik Krishna Kumar

Um padrão similar foi observado quando tanto cisalhamento fora do plano quanto no plano foram avaliados. Embora cisalhamento fora do plano ou interlaminar seja apenas um teste de controle de qualidade, vários métodos de teste foram estabelecidos para sua avaliação, como métodos de cisalhamento de viga curta (SBS) descritos por ASTM D2344 e ISO 14130, cisalhamento de entalhe duplo (DNS) por ASTM D3846 e o muito recentemente desenvolvido Double Beam Shear (DBS) por ISO 19927. Infelizmente, nenhum destes testes apresentou o resultado desejado de uma falha pura de cisalhamento interlaminar com compósitos rCF. A tendência comum era falhar por modos indesejáveis como tração ou esmagamento, em vez de uma falha dominada por cisalhamento no espécime.

Um método que é bastante bem-sucedido em submeter um material, compósito ou metal, a um estado de cisalhamento puro é o teste de cisalhamento Iosipescu, que usa geometria de espécime com entalhe em V. No entanto, para avaliação de cisalhamento interlaminar, ASTM D5379 recomenda o uso de um painel de 76 milímetros de espessura que é bastante impossível de fabricar sem introdução de defeitos. A alternativa foi colar painéis juntos a 76 milímetros de espessura, que na fabricação bem-sucedida do espécime poderia potencialmente resultar em falha de esmagamento na seção de garra do espécime com entalhe em V. Um design de espécime padrão remodelado reconstruindo apenas a seção crítica do espécime com entalhe em V evitou este problema e resultou na geração de uma falha pura de cisalhamento interlaminar em compósitos rCF.

O teste de cisalhamento Iosipescu foi, no entanto, inaplicável para teste de cisalhamento no plano em compósitos rCF. A tendência era falhar por uma falha dominante de tração que é esperada, dada sua distribuição de fibra no plano XY do laminado. Uma alternativa possível poderia ser o método de torção de placa como descrito por ISO 15310, geralmente usado para compósitos de madeira. Está claro que a natureza da arquitetura de reforço de fibra tem um efeito significativo no comportamento mecânico e resposta do material para testes básicos de macroescala em nível de cupom. Além disso, o comportamento mecânico de compósitos rCF em carregamento cíclico foi encontrado ser bastante diferente daquele em compósitos vCF convencionais ou compósitos reforçados com fibra curta.

Compósitos de fibra de carbono reciclada têm várias variáveis de processamento de material que influenciam características mecânicas, incluindo processo de moldagem, teor de fibra, grau de módulo de fibra, grau de resina da forma fonte de reciclados e interação fibra-matriz. A análise destes parâmetros é fútil e complicada sem o desenvolvimento de práticas de teste padrão dedicadas para um material que acabou de entrar no mercado. A British Standards Institution (BSI) abordou especificações para sistemas de compósitos não convencionais como plásticos reforçados com vidro têxtil, compound de moldagem em chapa (SMC) e compound de moldagem em massa (BMC) termofixos, compósitos de polímero de madeira/fibra natural, compósitos reforçados pultrudados e mais com padrões dedicados que identificam métodos de teste aplicáveis. Compósitos de fibra de carbono reciclada agora requerem a mesma abordagem para permitir caracterização confiável.

Referências:

¹Job, S., Leeke, G., Mativenga, P.T., Oliveux, G., Pickering, S. e Shuaib, N.A., 2016. Reciclagem de compósitos: Onde estamos agora. Composites UK Ltd.: Berkhamsted, UK.

²Jacob, A. (2019). Construindo confiança em fibra de carbono reciclada. [online] Disponível em: https://www.compositesworld.com/blog/post/building-confidence-in-recycled-carbon-fiber [Acessado 29 Jul. 2019].

³Inston, D. (2019). ELG Carbon Fibre open house mostra tecnologia de reciclagem. [online] Disponível em: https://www.compositesworld.com/news/elg-carbon-fibre-open-house-showcases-recycling-technology [Acessado 29 Jul. 2019].

⁴Adams, D. (2019). Teste mecânico de compósitos têxteis. [online] Disponível em: https://www.compositesworld.com/blog/post/mechanical-testing-of-textile-composites [Acessado 29 Jul. 2019].

⁵Spendley, P.R., 2012. Allowables de design para estruturas aeroespaciais de compósitos.

⁶Oplinger, D.W., Gandhi, K.R. e Parker, B.S., 1982. Estudos de Espécimes de Teste de Tração para Teste de Material Compósito (No. AMMRC-TR-82-27). Army Materials and Mechanics Research Centre Watertown Ma.

Karthik Krishna Kumar é estudante de Ph.D. na Oxford Brookes University, Reino Unido. Sua pesquisa envolve o desenvolvimento de práticas de teste apropriadas para sistemas de compósitos de fibra de carbono reciclada, não tecidos, avaliação de seu comportamento de fadiga e durabilidade ambiental, para o uso seguro e sustentável de fibra de carbono em aplicações práticas.