É vidro cheio ou vidro reforçado?

Há alguns meses, escrevi um artigo comparando as propriedades do homopolímero e do copolímero de acetal. Nesse artigo, mencionei que a fibra de vidro poderia ser “acoplada” (ligada) ao copolímero de acetal, mas não ao homopolímero; e que, como resultado, os benefícios de colocar fibra de vidro no copolímero foram maiores. Bem, ao que parece, enquanto eu não estava prestando atenção, um dos principais fornecedores de homopolímero de acetal introduziu alguns homopolímeros de acetal reforçados com vidro.

ENCHIDO VS. ACETAL REFORÇADO

A Tabela 1 mostra o perfil de propriedades do homopolímero de acetal não preenchido juntamente com o grau de enchimento de vidro típico com 20% e novos graus que contêm 10% e 25% de vidro onde a fibra é acoplada à matriz de polímero. As diferenças de resistência são bastante aparentes e isso serve como um excelente exemplo da diferença entre um material com enchimento de vidro e um material reforçado com vidro. Vale a pena discutir isso com alguns detalhes porque essa distinção também existe para alguns outros polímeros.

Tudo começa com a fibra. Eles fornecem melhorias de desempenho maiores do que os preenchimentos típicos porque têm algo chamado de proporção de aspecto. Nas fibras, esta é a relação entre o comprimento e o diâmetro. Quanto maior for a proporção, melhor será o aprimoramento da propriedade. A introdução de reforços de fibra longa na década de 1980 foi projetada para capitalizar sobre este princípio, aumentando o comprimento da fibra inicial em pelotas de 2-3 mm para 11-12 mm.

Materiais de fibra longa com comprimentos de fibra de até 6 mm (1/4 pol.) Eram realmente oferecidos antes da introdução dos compostos de vidro longo modernos, no entanto, os novos compostos foram feitos de uma maneira que maximizava o "umedecimento" ou a superfície contato entre o polímero e as fibras de vidro individuais. A outra maneira de melhorar a relação de aspecto é empregar fibras com comprimentos típicos, mas diâmetros menores, que são chamados de bigodes.

As superfícies das fibras de vidro usadas na composição do polímero são tipicamente tratadas ou dimensionadas para melhorar a adesão do polímero ao vidro. Diferentes tamanhos são ideais para diferentes polímeros. Mas, em alguns casos, mesmo um bom dimensionamento não é suficiente para produzir uma ligação ideal entre o polímero e a fibra. Essa ligação é importante porque as fibras de vidro aumentam a resistência gerenciando a tensão no material quando o polímero começa a sofrer sobrecarga mecânica. As fibras são mais fortes do que a matriz polimérica e, conseqüentemente, aumentam a resistência de todo o composto. No entanto, se a ligação entre o polímero e a fibra de vidro for fraca, a transferência da carga não é eficiente e os benefícios do vidro não são realizados.

Se a fibra de vidro for simplesmente adicionada ao polímero sem uma boa ligação, o material é preenchido com vidro. Se a ligação entre as fases for ideal, o material é reforçado com vidro. A diferença, conforme mostrado na Tabela 1, é significativa.

Observe que, embora a resistência do acetal preenchido com vidro seja menor do que a do material não preenchido, os materiais reforçados são sempre mais fortes. Na verdade, um tipo de fibra reforçada com 10% de vidro é mais de 35% mais forte e quase tão rígido quanto o tipo com 20% de vidro e, ao mesmo tempo, reduz o peso em 5%. Este é um excelente exemplo de uso mais eficiente dos mesmos ingredientes para obter um melhor resultado final.

PROGRESSO NO ACOPLAMENTO QUÍMICO

O polipropileno é outro polímero cujo processo de adição de fibra de vidro passou por uma evolução. Os materiais originais eram preenchidos apenas com vidro. O PP é um polímero apolar e nada mais se adere a ele, incluindo fibras de vidro. Mas no final dos anos 1970 e início dos anos 1980, alguns fornecedores começaram a trabalhar com um processo conhecido como acoplamento químico. Isso envolveu fazer pequenos ajustes na química do backbone de polipropileno para introduzir a polaridade. Essa polaridade melhorou a ligação entre o polímero e as fibras de vidro, produzindo o tipo de melhoria de propriedade mostrado na Tabela 2.

Esse desenvolvimento criou um novo mercado para o PP como material que poderia competir com alguns termoplásticos de engenharia. À medida que os usuários finais levaram esse potencial ao seu limite, as melhorias no acoplamento químico produziram melhorias adicionais. Essas melhorias não estavam necessariamente aparentes na planilha de dados, mas produziram melhor desempenho em aplicações de longo prazo envolvendo mecanismos como fadiga e fluência. Um aumento de 10% na resistência e rigidez pode não chamar a atenção de todos, mas uma melhoria desta magnitude nas propriedades de curto prazo pode dobrar a vida de fadiga de um produto.

O PVC passou por um conjunto semelhante de melhorias, com a tecnologia de acoplamento aumentando o desempenho de materiais reforçados com vidro em relação aos materiais com enchimento de vidro.

O desempenho de longo prazo em certos ambientes também pode ser melhorado mudando a maneira como o polímero e a fibra de vidro são acoplados. Os compostos de PPS quase sempre são vendidos com cargas significativas de fibra de vidro. Um dos benefícios do PPS é que ele tem excelente resistência química e um dos produtos químicos que ele resiste muito bem é a água quente, mesmo que a água seja clorada. Muitos outros materiais de engenharia, como acetal, náilon e poliésteres termoplásticos, hidrolisam em ambientes quentes e úmidos, enquanto o PPS se mantém muito bem.

No entanto, nos primeiros anos de uso de PPS reforçado com vidro em ambientes aquosos e quentes, os materiais apresentavam falhas iniciais que eram intrigantes. Avaliações das peças com falha mostraram que, embora o polímero não tenha sido danificado pela água quente, a ligação entre o polímero e o vidro se quebrou. Com a interface enfraquecida, as peças perderam integridade estrutural e falharam. Novas tecnologias de acoplamento resolveram esse problema.

Existem outras variáveis ​​que podem ser manipuladas para melhorar o desempenho de polímeros com fibras de vidro. A composição das fibras de vidro é uma dessas variáveis. A grande maioria da fibra de vidro usada em compostos de polímero é conhecida como vidro E. Isso denota uma certa química no vidro e é acompanhado por um conjunto particular de propriedades. No entanto, outros produtos químicos de vidro estão disponíveis que podem conferir propriedades diferentes à matriz de polímero, mas a um custo que normalmente não compensa o gasto adicional.

Outra variável interessante é a geometria da fibra de vidro. A forma da seção transversal da maioria das fibras de vidro é circular. Na década de 1990, alguns trabalhos interessantes foram feitos usando fibras de vidro com seções transversais bilobais ou trilobais. Isso aumentou a área de superfície de contato entre as fibras de vidro e a matriz polimérica e produziu algumas melhorias interessantes no desempenho mecânico. No entanto, esse também foi um caminho para a melhoria da propriedade onde o equilíbrio custo / desempenho não foi considerado atraente, embora essas configurações sejam usadas na indústria de carpetes para aumentar a resiliência e até mesmo criar certos efeitos ópticos.

Mas, mesmo no domínio da composição típica de materiais, é importante entender que, embora a composição em massa seja importante, a maneira como os materiais são montados e conectados uns aos outros tem um efeito significativo no desempenho, especialmente no desempenho de longo prazo. Com toda a atenção dada recentemente pela indústria automotiva à redução de peso enquanto mantém o desempenho, este é um princípio que é importante lembrar.

Sobre o autor

Michael Sepe é um consultor independente de materiais e processamento baseado em Sedona, Arizona, com clientes na América do Norte, Europa e Ásia. Ele tem mais de 35 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, projetos para capacidade de fabricação, otimização de processos, solução de problemas e análise de falhas. Contato:(928) 203-0408 • [email protected].