SMC ecológico com fibras naturais impulsiona desempenho industrial

Um aerofólio traseiro produzido com novo SMC orgânico. Os pesquisadores conseguiram preencher estruturas nervuradas complexas com parâmetros de processamento convencionais. Não encontraram separação da fibra e da matriz. Crédito da foto: Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)

Desenvolvimento de SMC orgânico com enchimentos e fibras naturais

Um composto de moldagem em chapa (SMC) orgânico que pode acomodar enchimentos e fibras naturais — como cascas de semente de girassol moídas e juncos — foi desenvolvido pela Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Wallenhorst, Alemanha), produtora de produtos poliméricos semi-acabados para uma variedade de indústrias, e pelo Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Alemanha), uma instituição de pesquisa sem fins lucrativos do estado de Renânia-Palatinado e da Universidade Técnica de Kaiserslautern especializada em desenvolvimento e processamento de compósitos. O objetivo é o desenvolvimento de um compósito termofixo com pegada de CO₂ relativamente pequena.

Peter Ooms, diretor de vendas e desenvolvimento de negócios na Lorenz, diz: "Apoiamos o IVW com nossa expertise e materiais SMC, bem como nos testes subsequentes para produção industrial. O instituto de Kaiserslautern fez os testes preliminares em escala de laboratório, pesquisa geral e desenvolvimento das formulações para o novo SMC orgânico."

Usuários potenciais pesquisados

As duas organizações desenvolveram uma folha de especificação de materiais baseada em uma pesquisa de 30 empresas em várias indústrias incluindo elétrica, automotiva e equipamentos industriais. "Nossa pesquisa mostrou que diferentes indústrias têm requisitos diferentes para o material", diz Ooms. No entanto, quase todos queriam que tivesse uma avaliação de ciclo de vida (LCA) para documentar aspectos ambientais e redução de CO₂ na produção, bem como reciclabilidade. "Escolhemos os possíveis materiais orgânicos para produção de SMC baseados nestes requisitos."

Os parceiros decidiram desenvolver um SMC de fibra de vidro que parcialmente compreende um enchimento baseado em orgânico. Para o enchimento, várias opções foram consideradas, incluindo cascas de semente de girassol moídas e juncos, farinha de madeira, carbonato de cálcio upcyclado de plantas industriais de amaciamento de água, e material de reciclagem termofixo. Como iniciativa adicional de sustentabilidade, as matérias-primas foram obtidas dentro de 500 quilômetros da instalação da Lorenz.

Pesquisa sobre o SMC e os enchimentos e como os materiais poderiam ser processados foi realizada no IVW. Fatores considerados incluíram impregnabilidade, densidade, viscosidade e disponibilidade da matéria-prima. Os pesquisadores trabalharam com uma resina de poliéster insaturado (UP) e um aditivo anti-encolhimento enquanto desenvolviam a formulação.

Trabalhando as formulações

Em seguida, os parceiros definiram os parâmetros para um componente de demonstração a ser fabricado usando o novo material. "Este demonstrador nos ajudou a examinar o comportamento de fluxo e enchimento do molde do material, e compará-lo com produtos semi-acabados SMC convencionais", diz Dr.-Ing. Florian Gortner, cientista no IVW. "Com base nestes resultados e em testes de reometria de prensa, construímos um modelo de simulação para demonstrar o comportamento de fluxo e permitir previsões sobre outras geometrias de molde."

Após pesquisa inicial, uma pasta de resina SMC base foi desenvolvida compreendendo uma resina de poliéster insaturado (UP) junto com um aditivo anti-encolhimento, óxido de magnésio e um agente de liberação interno para engrossar a resina, e uma pasta de cor. Esta pasta de resina passou por testes para que os pesquisadores pudessem entender como cada um dos componentes individuais interagia dentro do SMC. Séries de testes iterativos de formulações de resina com diferentes enchimentos resultaram finalmente em várias resinas baseadas em enchimento orgânico com a viscosidade, fluxo e comportamento de impregnação desejados.

Gortner diz: "Óxido de magnésio e um agente de liberação interno foram usados para engrossar a resina, e uma pasta de cor foi adicionada para colorir os produtos semi-acabados. Trabalhando a partir dos resultados da pesquisa, adicionamos aditivos adicionais e adaptamos a pasta de resina à aplicação."

Eles rodaram várias iterações das formulações até chegarem às que apresentam a viscosidade, fluxo e comportamento de impregnação desejados. O material resultante permite a produção de produtos semi-acabados com densidade menor que SMC convencional, o que a Lorenz espera que seja atraente para o mercado de veículos elétricos. O próximo passo será produzir uma versão da resina comercialmente, o que Ooms diz que a Lorenz planeja realizar este ano.

"Agora que junto com o IVW tivemos sucesso em fazer este novo termofixo, estamos planejando melhorias adicionais para aplicações práticas", adiciona Ooms. Por exemplo, a Lorenz pode desenvolver iterações do material que variam a quantidade de pasta de resina em proporção aos enchimentos, ou substituir a fibra de vidro por fibra natural, dependendo da aplicação. A Lorenz também diz que as resinas de poliéster insaturado poderiam ser substituídas por resinas mais seguras e ambientalmente amigáveis.

Segundo Gortner, "O objetivo de nosso projeto de pesquisa era mostrar que o uso de componentes baseados em orgânicos em produtos termofixos semi-acabados é possível. Graças ao apoio ativo da Lorenz, fomos capazes de fazer isso com sucesso, e continuaremos a incorporar feedback da produção industrial em nossos resultados."