JM Apresenta Neomera: Nova Linha de Organosheets Polimerizados Reativamente Impulsiona Oportunidades de Mercado

Neste outono, a Johns Manville (JM, Denver, Colorado, EUA) planeja introduzir os primeiros produtos em sua linha Neomera. As ofertas iniciais serão organosheets de poliamida 6 (PA6) reforçados com fibra de vidro tecida, polimerizados in situ, mas a linha logo se expandirá para incluir tecidos sem ondulação (NCFs) e fibras longas picadas. A JM também diz que matrizes termoplásticas polimerizadas reativamente adicionais estão sendo avaliadas, assim como estruturas de reforço híbridas (ex.: combinando fibras de carbono e vidro) ou até reforços não-vidro. A empresa observa que, devido ao método diferente usado para fabricar esses materiais versus organosheets convencionais e compósitos termoplásticos de fibra longa, os produtos Neomera oferecerão propriedades mecânicas mais altas a custo menor. Aqui está o que sabemos atualmente sobre esses materiais.

Um novo método para produzir organosheet

Organosheet convencional – tipicamente uma forma especializada de compósito termoplástico com manta de vidro (GMT) reforçado com tecido tecido – é produzido com matriz de polipropileno (PP) ou poliamida 6 ou 6/6 (PA6, PA6/6). Compósitos organosheet são mais frequentemente usados em componentes semiestruturais e estruturais nas indústrias automotiva, caminhões comerciais, construção/edificação e artigos esportivos.

Vários aspectos tornam a linha Neomera da JM diferente do que já está disponível no mercado. Primeiro, em vez de impregnar fibras com resina PA6 totalmente polimerizada, a empresa está polimerizando animicamente o monômero caprolactama em PA6 após a etapa de impregnação. Como o caprolactama fundido tem viscosidade muito baixa (~5 centipoise), ele molha roving ou tecido muito mais efetivamente que termoplásticos totalmente polimerizados, que têm cadeias poliméricas muito mais longas e viscosidade muito maior. Isso significa que o sistema de resina polimerizada reativamente da JM alcança molhagem muito melhor – mais como termofixos líquidos – do que é possível com termoplásticos totalmente polimerizados como PA6. Por sua vez, isso reduz muito vazios e oferece a oportunidade de criar frações de volume de fibra (FVFs) mais altas – na ordem de 50% ou mais – o que, por si só, melhora propriedades mecânicas.

Segundo, a JM também está tratando as fibras de vidro – sejam picadas, tecidas ou NCFs – com seu próprio dimensionamento de vidro reativo proprietário antes de impregnar com caprolactama. Isso, novamente, fortalece a ligação fibra-resina e resulta em propriedades mecânicas mais altas em FVFs comparáveis versus outros produtos organosheet com o mesmo tipo e porcentagem de carga de fibra e matriz.

O organosheet inovador de fibra longa oferece distribuição aleatória de fibra, molhagem completa de fibra e excelente ligação fibra-resina, como mostrado nas imagens acima. À esquerda, feixes de fibra de vidro são mostrados de extremidade, e à direita mostra que feixes individuais de fibra, de cima para baixo, são totalmente revestidos com resina.

"A coisa que queremos que as pessoas entendam é que não estamos introduzindo outro produto organosheet 'mais do mesmo'", explica Mingfu Zhang, gerente sênior de pesquisa – P&D corporativo da JM. "Como começamos com caprolactama, podemos molhar fibras muito mais facilmente versus aqueles usando polímeros termoplásticos. Como resultado, alcançamos melhor impregnação, frações de volume de fibra mais altas e melhor desempenho. Na verdade, isso nos permite criar produtos especiais que nem sequer são atingíveis em organosheet convencional."

No ano passado, a JM anunciou que havia desenvolvido a tecnologia e a estava amostrando estrategicamente. O plano é fazer um lançamento suave da Neomera em setembro e depois um lançamento forte no mês seguinte na Composites & Advanced Materials Expo 2021 (CAMX, 18-21 de outubro, Dallas, Texas, EUA).

Lançamento em fases

O produto inicial Neomera – a Série OS-6 – será reforçado com tecidos tecidos. "Planejamos lançar nossa linha de produtos oferecendo uma arquitetura de tecido espinha de peixe em FVFs variando de 45 a 50%, já que vemos muita demanda por esses tipos de compósito", observa Dana Miloaga, líder de produto – compósitos, P&D corporativo da JM. "Como é um tecido balanceado e fornece boa drapeabilidade e propriedades ortotrópicas, é mais fácil para engenheiros acostumados a especificar metais trabalharem com ele para alcançar peças mais leves e de maior desempenho."

Formas tecidas da nova família organosheet serão seguidas pela Série NCF-6 com NCFs mais pesados, que tradicionalmente provaram ser desafiadores para impregnar com termoplásticos convencionais. Finalmente, uma versão de fibra descontínua mas ainda mais longa (>25 milímetros) é planejada. Chamada de Série CR-6 e dita possuir comprimentos de fibra consistentes que ajudam a manter propriedades pseudo-isotrópicas, esta linha de produtos competirá com tecnologias termoplásticas de fibra longa como GMT e termoplástico de fibra longa direta (D-LFT). A JM relata que moldadores poderão usar cada produto Neomera sozinho ou em combinação com outros tipos. Por exemplo, uma estrutura híbrida moldável por compressão consistindo de uma tira ou folha de organosheet tecido ou NCF poderia ser usada para reforçar caminhos de carga, enquanto organosheet reforçado com fibra descontínua poderia ser usado em locais onde geometrias mais complexas como nervuras ou bosses são posicionadas. "Em testes, nossos produtos CR-6 com fibra descontínua mostraram oferecer melhor moldabilidade que GMT tradicional de fibra picada", adiciona Zhang.

Quanto a moldadores ou fabricantes de moldes, os novos produtos da JM processarão como organosheet ou GMT convencionais. Requisitos de construção de molde também são similares. O único ajuste necessário é pré-aquecer e moldar o organosheet Neomera com matriz PA6 a temperatura mais alta do que é típico para PP devido às suas temperaturas de fusão e moldagem mais baixas. Curiosamente, ao contrário de alguns produtos GMT, não há lofting de fibras de vidro após pré-aquecimento devido ao springback, então o material permanece totalmente consolidado. Isso é possibilitado, diz Zhang, pelo fato de as fibras serem totalmente impregnadas com caprolactama e que – como o monômero é então polimerizado in situ – eles estão alcançando peso molecular muito maior que organosheet convencional com matrizes PA.

Pesquisadores da JM também têm conduzido caracterização básica de materiais para ajudar engenheiros de design a simular com mais precisão o desempenho da peça. "Temos trabalhado de perto com clientes para identificar os dados mais importantes que eles inicialmente precisarão para fazer trabalho de simulação mais detalhado", explica Miloaga. "Planejamos gerar blocos de construção que eles possam usar no início, pois geralmente leva seis meses para fazer a caracterização necessária para desenvolver um cartão de material completo."

Para cada linha de produto introduzida, a empresa diz que está qualificando dois fornecedores globais para garantir uma cadeia de suprimentos robusta e acesso e consistência globais. A linha de produção em escala da JM na área de Denver tem produzido quantidades de amostra dos materiais para clientes, mas a produção comercial inicial ocorrerá em Trnava, Eslováquia.

Produtos Neomera serão oferecidos em preto, com opção de "natural" (branco sujo) e possibilidade de cores personalizadas. Inicialmente, conforme a produção comercial aumenta, o produto será feito e cortado sob encomenda, embora, a longo prazo, o plano seja estocar tamanhos padrão.

Um aspecto interessante do processo da JM é que ele pode produzir chapas grossas em um processo contínuo. "Um dos desafios com organosheet existente é que ele é tipicamente produzido em chapas de meio milímetro de espessura, então para fornecer a um cliente um produto de 3 milímetros de espessura, eles têm que pós-consolidar múltiplas chapas para fazer um laminado", explica Zhang. "Podemos pular toda a etapa de pós-consolidação já que podemos fazer uma chapa de 3 milímetros de espessura diretamente. Na verdade, esse é um dos aspectos mais únicos de nossa tecnologia. Sabíamos que caprolactama tinha viscosidade semelhante à água, mas ainda nos surpreendemos com o quão bem nossa tecnologia é adequada para produzir laminados grossos. Isso nos dá muita flexibilidade no que podemos oferecer aos clientes. Além disso, ao pular a etapa de pós-consolidação, nossos produtos evitam outro ciclo de aquecimento."

O que foi desafiador foi controlar o processo de manufatura para lidar com a polimerização aniônica sensível à umidade do caprolactama. "Antes de começarmos a trabalhar neste projeto, a polimerização aniônica de caprolactama em PA6 realmente só tinha sido feita em moldes fechados, então adaptar isso a um processo contínuo para produzir um produto muito consistente deu muito trabalho", adiciona Zhang.

O que vem a seguir?

Quando perguntado por que um fornecedor de vidro como a JM iria querer fabricar produtos intermediários em vez de apenas licenciar a tecnologia, Klaus Gleich, cientista sênior de pesquisa – P&D corporativo da JM, diz: "Dada a natureza de nosso processo de manufatura, realmente não há muitas pessoas que seriam capazes de fazer o material. Conhecemos a química muito bem e conhecemos seus desafios, então estamos melhor posicionados para escalá-la e comercializá-la. Além disso, nosso grupo de P&D especificamente desenvolveu esta tecnologia inovadora para expandir nossos negócios e retornar maior valor aos nossos proprietários na Berkshire Hathaway [Omaha, Nebraska, EUA]. Queremos ser inovadores e criar novas oportunidades de mercado."

"Vemos a tendência de compósitos termoplásticos movendo-se para aplicações semiestruturais e verdadeiramente estruturais para fazer componentes leves e sustentáveis como muito alinhada com nossa nova tecnologia organosheet", adiciona Miloaga. Na verdade, ela diz que as primeiras aplicações comerciais usando a família Neomera não estão longe. A JM tem testado materiais em automobilismo, e há também interesse em outros segmentos de transporte como automotivo e caminhões comerciais, além de artigos esportivos. "A chave é que estamos resolvendo problemas", ela adiciona. "A concorrência é cara e tem portfólio limitado. Podemos produzir produtos que são de maior desempenho e ainda mais econômicos – uma combinação ganha-ganha."