Fitas Termoplásticas de Alto Desempenho Reforçadas com Fibra de Carbono PAN Baseada em Têxtil

Um desafio de longa data na indústria de compósitos avançados é encontrar formas de produzir fibra de carbono de menor custo para que todas as indústrias que desejam usar este valioso e eficaz reforço de compósitos possam. Os custos da fibra de carbono caíram consideravelmente graças a décadas de trabalho para aumentar produtividade via química de precursor, inovação de maquinário, aprimoramentos de processo e mais.

Uma área que mostrou grande promessa é o uso de precursores alternativos ao poliacrilonitrila (PAN) de grau aeroespacial convencional. Por exemplo, o Departamento de Energia dos EUA (DOE, Washington, D.C., EUA) e o Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EUA) desenvolveram métodos para produzir fibra de carbono de precursores alternativos variando de polímeros, a lignina, a carvão.

Precursores alternativos

Um dos mais promissores destes precursores, e o mais próximo da comercialização, é o PAN baseado em têxtil, que é similar à fibra usada para produzir suéteres de acrílico. Como outros precursores alternativos que o ORNL investigou, a fibra de carbono PAN baseada em têxtil (TCF) é diferente da fibra de carbono PAN especializada aeroespacial em várias maneiras.

Uma das diferenças é que o precursor PAN baseado em têxtil, porque é destinado ao uso na indústria têxtil (pense em cortinas, roupas, tecidos de móveis), é fornecido em formato de tow largo que é inerentemente menos custoso que precursor PAN aeroespacial especializado. Durante a produção de fibra de carbono, isso tem o efeito de aumentar a vazão e reduzir custos de conversão comparado com fibra PAN convencional. Também tende a produzir fibra de tow muito maior — na ordem de 300K a 450K na linha na Instalação de Tecnologia de Fibra de Carbono do ORNL versus 3K a 50K típico de fibra de carbono PAN convencional. Além disso, embora leve mais tempo para processar precursor TCF, já que não contém aceleradores de reação como PAN convencional e é tipicamente executado em temperaturas mais baixas (função da necessidade de balancear tempo de residência e temperatura), o fato de que muito mais fibra pode ser processada a um dado tempo e que o uso de energia é menor em base de peso ou volume ajuda a reduzir custos. Na verdade, o ORNL estima que ~60% de economia total de energia para conversão de fibra e ~50% de economia de custo são possíveis.

Isso por sua vez fornece a oportunidade de produzir fibra menos custosa em quantidades inusualmente grandes, e usá-la para fazer produtos com pegada de carbono menor. Em indústrias como automotivo/transporte terrestre, eletrônicos de consumo, artigos esportivos, construção/edificação e energia eólica, TCF é um reforço atraente pois aplicações tendem a ser dirigidas por rigidez, comparado a aplicações dirigidas por resistência no aeroespacial. Notavelmente, indústrias não aeroespaciais poderiam potencialmente consumir muita fibra.

No entanto, TCF ainda é um produto diferente que fibra de carbono PAN convencional, então trabalho é necessário não apenas para melhor caracterizar esta fibra, mas também para encontrar formas de converter e usá-la. Como pode ser processada em banda de tow ultrawide, este precursor requer modificações de equipamento de processo todo o caminho através do processo de produção de fibra. Também muda modificação de superfície pós-produção e embalagem, e, claro, afetará processos de conversão variando de fabricação de fitas e tecidos a pré-impregnados e pré-formas.

Reconhecendo todas as formas que TCF pode resolver o problema de custo/disponibilidade de fibra de carbono por um lado, mas também cria novos problemas em como manusear, converter e embalar este material por outro, o Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, EUA) tem trabalhado em vários projetos de pesquisa apoiados por membros nos últimos três anos para abordar estas questões. Um projeto interessante olhou para formas de converter a banda de tow ultrawide TCF em fitas compostas termoplásticas.

Reduzindo custos

O interesse em fitas compostas termoplásticas tem crescido em muitas indústrias, mas estes produtos tendem a ser caros, pois equipamento especializado e know-how são requeridos para impregnar com sucesso qualquer fibra com resinas termoplásticas pré-polimerizadas, alto peso molecular e alta viscosidade versus suas contrapartes termofixas não reagidas, baixa viscosidade. É muito fácil produzir fitas com muitos vazios e molhagem de fibra ruim, terminando com peças finais que não apenas parecem horríveis, mas correm risco de falha prematura.

Dr. Uday Vaidya, professor e chair do governador para Manufatura Avançada de Compósitos, Universidade de Tennessee-Knoxville (UTK, Knoxville, Tennessee, EUA) e CTO (chief technology officer) do IACMI, colaborou em programas de compósitos termoplásticos desde o início dos anos 2000 com George Husman, presidente da Husman Consulting Inc. (Cape Coral, Flórida, EUA) e diretor aposentado e CTO da Zoltek Co. Inc. (St. Louis, Missouri, EUA). Suas muitas interações levaram à ideia de impregnação inline de fibras de carbono heavy-tow convencionais (24K a 50K) para produzir fitas compostas termoplásticas no final da linha de produção de fibra. Produzir fitas imediatamente após produção de fibra eliminaria uma etapa de processo intermediário separada e todo o envio e manuseio que isso implica. Espera-se que isso ajude a reduzir custos de ambas as fitas e peças feitas a partir destas fitas.

Realizar este conceito requereu desenvolvimento em ambos processo e equipamento para fazer fitas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono em diferentes tamanhos de tow. Vaidya e Husman registraram patente provisória em conjunto com a University of Tennessee Research Foundation (UTRF, Knoxville, Tennessee, EUA) em 2018 cobrindo processo para produção inline de fitas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono até 50K tow. No ano seguinte, Vaidya e sua equipe UTK estenderam este trabalho para incluir impregnação termoplástica de TCF ultrawideband (300K a 450K tow) com segundo registro.

Fitas TP TCF

Como seria esperado, não houve falta de desafios técnicos para abordar ao longo do caminho. Alimentação e manuseio de fibra requereram modificação significativa de equipamento, pois TCF tende a ser mais larga e envolver mais filamentos que fibra de carbono convencional. Também é propensa a comportamento catenário durante a etapa de impregnação de fibra da produção de fita. Isso significa que uma onda senoidal forma à medida que tows alimentam no molde de impregnação, causando divisão desigual dos tows e entrada no molde sob tensões diferentes, levando a fitas que torcem, deformam e alcançam molhagem de fibra ruim.

"Encontrar uma forma de manter equilíbrio entre tensão de fibra e flexibilidade provou ser realmente desafiador e requereu muito trabalho", explica Vaidya. "Nossa equipe veio a entender o quão importante era manter integridade do tow para espalhar os filamentos e alcançar alto grau de molhagem, que, claro, é crítico para produzir fitas de qualidade."

Então houve a questão do tamanho (sizing). Bandas de tow TCF são pesadamente dimensionadas para ajudar fibra a mover suavemente do creel para molde de impregnação onde é molhada com resina para produzir fita. No entanto, uma vez no molde, pesquisa prévia mostrou que para alcançar boa molhagem com termoplásticos de viscosidade mais alta, a presença de tamanho na verdade impedia impregnação, tornando altamente desejável remover o tamanho. Tentativa e erro eventualmente levaram a equipe a desenvolver técnica para queimar tamanho logo antes dos tows entrarem no molde de impregnação.

Para prever com precisão reologia de resina e alimentação de polímero através do molde de impregnação e fazer boa fita, novo trabalho de simulação e validação foi necessário. A equipe focou em produzir fitas TCF com polipropileno (PP) assim como poliamida 6 (PA6) — dois termoplásticos amplamente usados em automotivo por sua tenacidade e acessibilidade. A equipe usou software de design de molde de extrusão PolyXtrue da Plastic Flow LLC (Hancock, Michigan, EUA), que é baseado no modelo Williams-Landel-Ferry (WLF) e forneceu excelente correlação com resultados de reologia medidos e taxa de cisalhamento.

Design do molde em si foi outra área importante de pesquisa, especialmente quando a equipe moveu de tows padrão 12K a 50K, e então para tows TCF ultrawideband. Naquele estágio, o molde teve que ser completamente redesenhado e um processo de dois estágios adaptado. Durante o primeiro estágio, a fibra é impregnada; durante o segundo estágio, ângulos de quebra otimizados para os pinos de tensionamento/impregnação — que controlam a tensão na qual a fibra de carbono é puxada, a fração de peso de fibra (FWF), assim como controle de qualidade — são definidos para alcançar propriedades desejadas nas fitas completadas. Presente, a equipe produziu fitas de 30-50% FWF em ambos PP e PA6, mesmo com os tows mais pesados.

Para resfriar rapidamente fitas após saírem do molde, sistema de resfriamento a ar pós-impregnação foi desenvolvido. A equipe até teve que resolver método para recolher fitas completadas em carretéis/carretéis, devido à largura dos produtos e desafios de uso downstream daquelas fitas.

Vaidya diz que a equipe está atualmente focada em integração eletrônica, que inclui construção de interface gráfica de usuário formal e desenvolvimento de sistema baseado em controlador lógico programável (PLC). Em última análise, o objetivo da equipe é desenvolver um módulo de produção de fita termoplástica que possa ser adicionado ao final de uma linha de produção de TCF ou fibra de carbono convencional para facilitar produção de fitas termoplásticas secundárias/intermediárias.

"Nossa equipe enfrentou muitos desafios técnicos, mas também tivemos algumas conquistas", Vaidya explica. "Manusear tal banda de tow larga e impregnar as fibras com sucesso — e rapidamente — para alcançar fitas termoplásticas de qualidade sem vazios tem sido difícil. No entanto, nossa equipe explorou número de parâmetros de processo, incluindo múltiplas iterações de design de molde; simulações de fluxo de polímero através do molde; e vários aspectos de alimentação de fibra, tensionamento e pré-aquecimento. Não apenas provamos algumas das reivindicações em nossa patente, mas também alcançamos velocidades de linha de impregnação de 12 pés/minuto [3,7 metros/minuto] enquanto produzíamos fitas de polipropileno e PA6 de 30% FWF."

Próximos passos

Vaidya diz que proteções de propriedade intelectual em torno desta tecnologia de fita foram registradas na UT Research Foundation — uma com fibras 24K e 50K tradicionais e uma com fibras wide-tow. Comercialização, ele diz, focará em impregnação inline dentro de uma linha de fibra de carbono. "Isso reduzirá grandemente pós-processamento e se adaptará prontamente, baixando ainda mais o custo geral do intermediário", diz ele.

Como estas fitas podem ser aplicadas? Vaidya diz que as opções são muitas: "Por exemplo, o material pode ser picado em forma de fibra longa, usado em matéria-prima de pultrusão, enrolamento de filamento de tanque grande, sobremoldagem (similar a organosheet) em moldagem por compressão, chapa em processos híbridos — ex., com LFT [termoplástico de fibra longa], SMC [composto de moldagem em chapa] e outros materiais sinérgicos." Isso abre uma gama de tipos de produtos que se beneficiariam de melhorias de rigidez, tenacidade a alto impacto e processabilidade melhorada como formas, estiramentos e dobras, reciclagem e químicas reversíveis.

Aplicações, ele diz, incluem automotivo, caminhões, pás eólicas, infraestrutura (pontes), construção, artigos esportivos, produtos marítimos e offshore. "O intermediário termoplástico de fibra de carbono wide-tow pode agora oferecer avenidas para considerar fibra de carbono onde era muito cara anteriormente", Vaidya conclui.