Resina polimerizada reativamente expande o mercado de folhas orgânicas, oportunidades

Neste outono, a Johns Manville (JM, Denver, Colorado, EUA) planeja lançar os primeiros produtos de sua linha Neomera. As ofertas iniciais serão in situ - folha orgânica de poliamida 6 (PA6) reforçada com fibra de vidro polimerizada, mas a linha se expandirá em breve para incluir tecidos não crimpados (NCFs) e fibras longas cortadas. JM também diz que matrizes termoplásticas polimerizadas reativamente adicionais estão sendo avaliadas, assim como estruturas de reforço híbridas (por exemplo, combinando carbono e fibras de vidro) ou mesmo reforços que não sejam de vidro. A empresa observa que, devido ao método diferente usado para fabricar esses materiais em comparação com folhas orgânicas convencionais e compósitos termoplásticos de fibra longa, os produtos da Neomera oferecerão propriedades mecânicas mais altas a custos mais baixos. Aqui está o que sabemos atualmente sobre esses materiais.

Um novo método para a produção de organosheet

Folha orgânica convencional - tipicamente uma forma especializada de compósito termoplástico de esteira de vidro (GMT) reforçada com tecido - é produzida com uma matriz de polipropileno (PP) ou poliamida 6 ou 6/6 (PA6, PA6 / 6). Compostos de organosheet são usados ​​com mais frequência em componentes semi-estruturais e estruturais nas indústrias automotiva, de caminhões comerciais, construção / construção e artigos esportivos.

Vários aspectos tornam a linha Neomera da JM diferente do que já está disponível no mercado. Em primeiro lugar, em vez de fibras de impregnação por fusão com resina PA6 totalmente polimerizada, a empresa está polimerizando anionicamente o monômero de caprolactama em PA6 após a etapa de impregnação. Como a caprolactama fundida tem viscosidade muito baixa (~ 5 centipoise), ela umedece mechas ou tecidos com muito mais eficácia do que termoplásticos totalmente polimerizados, que têm cadeias de polímero muito mais longas e viscosidade muito mais alta. Isso significa que o sistema de resina polimerizada de forma reativa de JM atinge um umedecimento muito melhor - mais como termofixos líquidos - do que é possível com termoplásticos totalmente polimerizados como PA6. Por sua vez, isso reduz muito os vazios e oferece a oportunidade de criar maiores frações de volume de fibra (FVFs) - na ordem de 50% ou mais - o que, por si só, melhora as propriedades mecânicas.

Em segundo lugar, a JM também está tratando as fibras de vidro - sejam picadas, tecidas ou NCFs - com seu próprio dimensionamento de vidro reativo antes de impregnar com caprolactama. Isso, mais uma vez, fortalece a ligação fibra-resina e resulta em propriedades mecânicas mais altas em FVFs comparáveis ​​em relação a outros produtos de folha orgânica com o mesmo tipo e porcentagem de carregamento de fibra e matriz.

A inovadora folha orgânica de fibra longa oferece distribuição de fibra aleatória, umedecimento completo da fibra e excelente ligação fibra-resina, conforme mostrado nas imagens acima. À esquerda, os feixes de fibra de vidro são mostrados de ponta a ponta e à direita mostra que os feixes de fibras individuais, de cima para baixo, são totalmente revestidos com resina.

“O que queremos que as pessoas entendam é que não estamos apresentando outro eu também produto de folha orgânica ”, explica Mingfu Zhang, gerente de pesquisa sênior da JM - P&D corporativo. “Como estamos começando com caprolactama, podemos umedecer as fibras com muito mais facilidade do que aqueles que usam polímeros termoplásticos. Como resultado, alcançamos melhor impregnação, maiores frações de volume de fibra e melhor desempenho. Na verdade, isso nos permite criar produtos especiais que nem mesmo são alcançáveis ​​em folhas orgânicas convencionais. ”

No ano passado, a JM anunciou que havia desenvolvido a tecnologia e estava fazendo uma amostragem estratégica. O plano é fazer um lançamento suave do Neomera em setembro e, em seguida, um lançamento definitivo no mês seguinte na 2021 Composites &Advanced Materials Expo (CAMX, 18 a 21 de outubro, Dallas, Texas, EUA).

Implementação em fases

O produto inicial da Neomera - a série OS-6 - será reforçado com tecidos. “Planejamos lançar nossa linha de produtos oferecendo uma arquitetura de sarja em FVFs variando de 45 a 50%, uma vez que vemos muita demanda por esses tipos de compósitos”, observa Dana Miloaga, líder de produto da JM - compósitos, P&D corporativo . "Por ser uma trama balanceada e fornecer boa drapeabilidade e propriedades ortotrópicas, é mais fácil para os engenheiros acostumados a especificar metais para trabalhar a fim de obter peças mais leves e de alto desempenho."

As formas tecidas da nova família de folhas orgânicas serão seguidas pela Série NCF-6 com NCFs mais pesados, que tradicionalmente têm se mostrado desafiadores para impregnar com termoplásticos convencionais. Finalmente, uma versão de fibra descontínua, mas ainda mais longa (> 25 milímetros) está planejada. Chamada de Série CR-6 e disse 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). JM relata que os moldadores poderão usar cada produto Neomera sozinho ou em combinação com outros tipos. Por exemplo, uma estrutura híbrida moldável por compressão que consiste em uma tira ou folha de tecido ou folha orgânica NCF pode ser usada para reforçar os caminhos de carga, enquanto a folha orgânica reforçada com fibra descontínua pode ser usada em locais onde geometrias mais complexas como nervuras ou saliências são posicionadas. “Em testes, nossos produtos CR-6 com fibra descontínua mostraram oferecer melhor moldabilidade do que o GMT tradicional de fibra picada”, acrescenta Zhang.

No que diz respeito aos moldadores ou fabricantes de moldes, os novos produtos da JM serão processados ​​como folha orgânica convencional ou GMT. Os requisitos de construção do molde também são semelhantes. O único ajuste necessário é pré-aquecer e moldar a folha orgânica Neomera com matriz PA6 a uma temperatura mais alta do que a típica para PP devido às temperaturas mais baixas de fusão e moldagem deste último. Curiosamente, ao contrário de alguns produtos GMT, não há lofting de fibras de vidro após o pré-aquecimento devido ao springback, então o material permanece totalmente consolidado. Isso é possível, diz Zhang, pelo fato de que as fibras estão totalmente impregnadas com caprolactama e que - uma vez que o monômero é então polimerizado in situ - eles estão alcançando um peso molecular muito maior do que as folhas orgânicas convencionais com matrizes de PA.

Os pesquisadores da JM também têm conduzido a caracterização de materiais básicos para ajudar os engenheiros de projeto a simular com mais precisão o desempenho das peças. “Temos trabalhado em estreita colaboração com os clientes para identificar os dados mais importantes de que eles inicialmente precisam para fazer um trabalho de simulação mais detalhado”, explica Miloaga. “Planejamos gerar blocos de construção que eles possam usar no início, já que normalmente leva seis meses para fazer a caracterização necessária para desenvolver um cartão de material completo.”

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

Os produtos Neomera serão oferecidos na cor preta, com opção “natural” (off-white) e possibilidade de cores customizadas. Inicialmente, conforme a produção comercial aumenta, o produto será feito e cortado sob encomenda, embora, a longo prazo, o plano seja estocar em tamanhos padrão.

Um aspecto interessante do processo de JM é que ele pode produzir chapas grossas em um processo contínuo. “Um dos desafios com as folhas orgânicas existentes é que elas são normalmente produzidas em folhas de meio milímetro de espessura, então, para fornecer a um cliente um produto de 3 milímetros de espessura, eles precisam consolidar várias folhas para fazer um laminado, ”Explica Zhang. “Podemos pular toda a etapa de pós-consolidação, pois podemos fazer uma folha de 3 mm de espessura diretamente. Na verdade, esse é um dos aspectos mais exclusivos de nossa tecnologia. Sabíamos que a caprolactama tinha viscosidade semelhante à da água, mas ainda ficamos surpresos com a adequação de nossa tecnologia para a produção de laminados espessos. 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 desafio era controlar o processo de fabricação para lidar com a polimerização aniônica sensível à umidade da caprolactama. “Antes de começarmos a trabalhar neste projeto, a polimerização aniônica de caprolactama em PA6 realmente só era feita em moldes fechados, portanto, adaptar isso a um processo contínuo para produzir um produto muito consistente demandava muito trabalho”, acrescenta Zhang.

O que vem a seguir?

Quando questionado por que um fornecedor de vidro como JM gostaria de fabricar produtos intermediários em vez de apenas licenciar a tecnologia, Klaus Gleich, cientista pesquisador sênior da JM - P&D corporativo disse:“Dada a natureza do nosso processo de fabricação, realmente não há muitos pessoas que fariam o material. Conhecemos a química muito bem e conhecemos seus desafios, por isso estamos em melhor posição para ampliá-la e comercializá-la. Além disso, nosso grupo de P&D desenvolveu especificamente 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 dos compósitos termoplásticos se movendo para aplicações semi-estruturais e estruturais verdadeiras para fazer componentes leves e sustentáveis ​​em alinhamento com nossa nova tecnologia de organosheet”, acrescenta Miloaga. Na verdade, ela diz que os primeiros aplicativos comerciais usando a família Neomera não estão longe. JM tem testado materiais no automobilismo e também há interesse em outros segmentos de transporte, como caminhões automotivos e comerciais, além de artigos esportivos. “O importante é que estamos resolvendo problemas”, acrescenta ela. “A competição é cara e tem um portfólio limitado. Podemos produzir produtos com melhor desempenho e, ainda assim, mais econômicos - uma combinação de ganha-ganha. ”