Compostos de Fibra de Carbono Curta Ampliam Aplicações de Compósitos Termoplásticos

Uma família de compostos termoplásticos reforçados com fibra de carbono curta (CFRTP) especificamente formulados para moldagem por injeção está sendo usada para ampliar as capacidades dos compósitos termoplásticos em uma variedade de tamanhos e complexidades de peças. Curiosamente, esses materiais demonstraram superar compósitos termoplásticos de fibra longa (LFT) (em fibra de vidro ou carbono) e metais em uma gama crescente de aplicações – desde artigos esportivos e peças automotivas até dispositivos médicos e componentes aeroespaciais.

De moldador a compounder

Os materiais são formulados e vendidos pela Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tóquio, Japão). A MCAM combina vários negócios anteriormente separados adquiridos pela empresa-mãe na última década. Estes incluem a antiga Quadrant AG (Lenzburg, Suíça), produtora de compósitos termoplásticos com manta de vidro (GMT) e organosheets, além de perfis termoplásticos de engenharia, e o que era a Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, EUA), que começou como moldadora por injeção e produtora de peças usinadas de precisão, e posteriormente expandiu para compounding personalizado de CFRTP – primeiro para uso próprio e depois para outros moldadores.

Por volta de 2012, a Piper era uma moldadora por injeção personalizada de médio porte servindo uma base de clientes em aeroespacial e artigos esportivos/recreativos. A liderança da empresa queria expandir seu negócio de fabricação de peças, mas enfrentava dois desafios. Primeiro, tinha dificuldade em obter os tipos de compostos que a equipe achava que permitiriam à empresa competir em segmentos de mercado de maior desempenho. Segundo, a empresa queria entrar no mercado automotivo, mas não tinha capacidade de moldagem disponível suficiente para competir em grandes programas.

O primeiro problema foi resolvido aplicando um esforço focado de P&D em várias resinas base e tecnologias de dimensionamento de fibra, o que levou ao desenvolvimento de uma família de compostos CFRTP de alto desempenho, moldáveis por injeção, chamada KyronMAX. Esses materiais apresentam matrizes como poliamida 6/6 (PA6/6), poliftalamida (PPA), poliéterimida (PEI), polifenileno sulfeto (PPS), poliéteretercetona (PEEK) e poliariletercetona (PAEK) reforçadas com fibra de carbono picada curta. Os compostos – a maioria dos quais oferece alto desempenho térmico, ampla resistência química, boas propriedades mecânicas e baixos valores de chama/fumaça/toxicidade (FST) – foram formulados não apenas para substituir graus de moldagem por injeção reforçados com fibra de vidro curta e carregados com minerais, mas também compostos LFT (com comprimento médio inicial de fibra de 13 milímetros) e até metais.

"Em uma ficha técnica, compostos LFT parecem mais fortes, mas muitas vezes eles não conseguem preencher o tipo de geometria de peça que podemos preencher com tecnologia de fibra de carbono curta", explica Alex Wojtysiak, gerente de contas-chave – compósitos da MCAM. "Como nosso fluxo é muito maior, somos mais capazes de preencher geometrias complexas, então nossos compostos produzem peças dramaticamente mais fortes."

"Não é tanto que nos propusemos a criar uma ampla gama de compostos CFRTP, mas que cada um foi desenvolvido para atender às necessidades específicas de um cliente particular", acrescenta Clint Newell, gerente global de tecnologia de compósitos da MCAM. "À medida que nossas capacidades de formulação cresceram, entramos em novos mercados, encontramos novos clientes, perguntamos o que precisavam e nos propusemos a criar um composto perfeito para atender a essas necessidades."

Não surpreendentemente, como esses compostos foram inicialmente formulados por um moldador para um moldador, eles foram projetados para fornecer propriedades que os tornassem fáceis de processar e que consistentemente produzissem peças de maior qualidade e melhor desempenho. "Formulamos nossa linha de produtos KyronMAX para fornecer maior fluxo e interação de fibra, menores tensões internas, menos anisotropia, linhas de solda mais fortes, menos marcas de retração, menor tendência a empenamento e maior precisão dimensional – independentemente de as seções de parede serem grossas ou finas", observa Dave Wilkinson, diretor de P&D da MCAM. "Além de nosso trabalho de formulação e tecnologia de dimensionamento única, também fizemos nossas próprias modificações de prensa para rodar esses materiais de forma mais eficiente."

Por que o nome incomum do produto? "Na mitologia grega antiga, Kyron (também soletrado Chiron) era parte centauro e parte humano", explica Randy White, diretor de inovação da MCAM. "Kyron usou suas habilidades pessoais únicas para se elevar acima de sua natureza bestial. Comparamos isso aos nossos compostos, que são metade fibra de carbono e metade resina, tão fortes quanto um cavalo e tão inteligentes quanto um humano para facilidade de processamento."

À medida que a expertise de formulação cresceu, a empresa chamou a atenção do Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tóquio, Japão), que adquiriu a Piper em 2016. O MCHC imediatamente fez um investimento substancial de vários milhões de dólares para aumentar o tamanho da linha de compounding no Arizona, automatizar operações e trazer suas próprias tecnologias de dimensionamento e picagem de fibra de carbono para permitir que os compostos KyronMAX fossem produzidos mais rápido e com maior consistência e eficiência. Subsequentemente, uma segunda linha de compounding foi instalada em Michigan e uma terceira no Japão. Essa capacidade expandida significou que os graus KyronMAX pudessem competir por negócios automotivos na América do Norte e na Ásia. Outros mercados seguiram.

Oferta de produtos expandida, novas oportunidades de mercado

Agora, com maior capacidade de produção e acesso a uma gama mais ampla de materiais poliméricos e de fibra de carbono, a equipe da MCAM tem estado ocupada desenvolvendo uma série de novos produtos – vários deles especificamente formulados para o mercado automotivo. Um dos mais interessantes é o KyronMAX ES 4240, dito ser o primeiro composto de moldagem por injeção reforçado com fibra de carbono curta do mundo a quebrar a barreira de 414 MPa (60.000 psi) de resistência à tração. Esse grau, introduzido na Conferência SPE Automotive Engineered Plastics (AutoEPCON) de 2019 nos subúrbios de Detroit, é um PPA reforçado com fibra de carbono com fração de peso de fibra (FWF) de 40% que também oferece valores de módulo de tração de 41,2 GPa, módulo de flexão de 34,5 GPa e resistência à flexão de 552 MPa. PPA é uma forma especializada de poliamida com melhor desempenho térmico e resistência química mais ampla e tendência muito menor à hidrólise do que PA6 e PA6/6 convencionais.

Outros graus automotivos introduzidos no SPE AutoEPCON 2019 incluem um grau PPA reforçado com fibra de carbono de alta temperatura especificamente desenvolvido para aplicações sob o capô. Diz-se que esse grau tem uma temperatura de transição vítrea (Tg) e temperatura de uso contínuo (CUT) rivalizando com a do PEEK, mas é mais fácil de moldar. Dada a sensibilidade de custo de indústrias de alto volume como automotiva e pequenos eletrodomésticos, não surpreende saber que a equipe também está trabalhando em um produto KyronMAX baseado em polipropileno (PP).

À medida que sua linha de produtos se expandiu, também se expandiram os mercados nos quais esses materiais são usados. Além do negócio automotivo há muito desejado, a empresa agora atende dispositivos médicos (tanto duráveis quanto descartáveis), pequenos eletrodomésticos e eletrônicos de consumo (gabinetes/coberturas de substituição de metal). Aviação/aeroespacial continua importante, assim como a indústria de artigos esportivos, que cresceu para incluir aplicações em bicicletas de corrida, mountain bikes, tacos de golfe, armas de fogo, arcos compostos e outras peças de arco e flecha. Com vários produtos oferecendo valores de coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) semelhantes aos de alumínio e magnésio moldados por injeção de metal (MIM) – embora com melhor tenacidade, menor peso e menor custo – a equipe se vê substituindo metais em uma gama crescente de aplicações.

O que vem a seguir? Com acesso à organização Mitsubishi mais ampla globalmente, a equipe da MCAM pode acessar tecnologia representando um portfólio de compósitos mais amplo que abrange químicas termoplásticas e termoendurecíveis, com uma variedade de tipos e comprimentos de reforço. Por exemplo, outro grupo Mitsubishi produz composto de moldagem forjado (FMC) reforçado com fibra de carbono split e chopped tow, uma forma avançada de composto de moldagem em chapa (SMC) que ajuda a preencher a lacuna de desempenho e processamento entre SMC reforçado com fibra de vidro ou carbono curta e pré-impregnado reforçado com fibra de carbono contínua. Outro grupo produz pré-impregnados reforçados com fibra de carbono tecida e não tecida e materiais de moldagem por compressão de pré-impregnado de cura rápida (PCM).

Dentro da própria MCAM, outra tecnologia que está perto da comercialização é uma nova família de pré-impregnados secos reforçados com têxteis (não tecidos, tecidos e unidirecionais) com matrizes termoplásticas chamada KyronTEX. Esses produtos estão sendo atualmente amostrados estrategicamente.

Finalmente, no verão passado, a MCAM adquiriu a carbonNXT GmbH e a empresa irmã CFK Valley State Recycling GmbH & Co. KG (ambas em Wischhafen, Alemanha), trazendo uma linha completa de tecnologia de reciclagem de fibra de carbono para a oferta de produtos do grupo. A equipe da MCAM está testando múltiplas fórmulas usando fibra de carbono reciclada antes de qualificar produtos comerciais.