Resinas Epóxi Avançadas Abrem Caminho para Manufatura de Compósitos em Alto Volume

Dr. Nishar Hameed, pesquisador sênior na Swinburne University of Technology, segurando um protótipo de tela 3D impressa na Factory of the Future da Swinburne. Crédito: Swinburne University of Technology

Um desafio para a impressão 3D de compósitos e outros processos de manufatura continuarem escalando para aplicações de alto volume é o tempo que leva para curar peças compósitas. Pesquisa em um sistema de matriz de resina com aditivos de cura rápida pode fornecer uma solução.

Um estudo publicado recentemente por pesquisadores da Swinburne University of Technology (Melbourne, Austrália) em colaboração com pesquisadores da Deakin University (Geelong, Austrália) analisou o uso de líquidos iônicos solvatados (SIL) — aditivos que combinam um solvente com um sal metálico — como catalisador para permitir tempos de cura mais rápidos e temperaturas de cura mais baixas para resinas epóxi. Segundo o artigo, outros tipos de líquidos iônicos têm sido usados como aditivos em plásticos há algum tempo, mas os SILs são uma classe relativamente nova desses líquidos e ainda estão sendo estudados.

Fig 1. Perfis reológicos de cura de epóxi usando várias cargas de aditivo de líquido iônico. (Nishar Hameed et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651–2657) Copyright 2020, American Chemical Society.

Crédito: Swinburne University of Technology

Neste estudo, os pesquisadores adicionaram diferentes quantidades em peso (de 1% a 20%) de SILs, em combinação com um endurecedor, em uma matriz epóxi e aqueceram até o ponto de fusão. O artigo relata que o sistema epóxi sem aditivos curou em aproximadamente 31 minutos a 100°C; a adição de apenas 1% em peso de aditivos SIL resultou em redução de 80% no tempo de cura, e ainda menor para maiores quantidades de SIL (veja Fig. 1). Segundo o estudo, esse tipo de resina epóxi aprimorada mostra potencial para permitir impressão 3D mais rápida e em alto volume e outros processos de manufatura de compósitos.

Além disso, tempo de cura mais rápido não foi a única propriedade observada pela equipe de pesquisa em epóxi aprimorado com SIL. Segundo o Dr. Nishar Hameed da Swinburne, pesquisador sênior que liderou o projeto e é autor do artigo, este projeto surgiu de pesquisa que ele vem trabalhando há mais de 10 anos, investigando interações de líquidos iônicos com resinas epóxi e outros polímeros. Em sua pesquisa inicial, Hameed e sua equipe não estavam procurando tempo de cura rápido, mas descobriram que o aprimoramento com líquido iônico transformou polímeros epóxi tradicionalmente frágeis em um material flexível e conformável (veja Fig. 2).

"Descobrimos que o epóxi pode se comportar como um termoplástico dúctil e flexível à temperatura ambiente, e também como um elastômero esticável", diz Hameed. "Usando abordagem experimental e teórica, identificamos o mecanismo de transferência de carga reversível permitindo que a rede epóxi seja flexível." (Veja Fig. 3.)

Baseando-se nessa descoberta, Hameed e sua equipe na Swinburne colaboraram com a equipe do Dr. Luke Henderson na Deakin University para investigar se líquidos iônicos solvatados mostravam propriedades de flexibilidade semelhantes.

Fig. 3. Propriedades mecânicas de tração dos termofixos inteligentes, multifuncionais e dúcteis em várias concentrações de LI e sua aparência física e comportamento à temperatura ambiente; duro e frágil (10%), dúctil e flexível (30%) e esticável e elastomérico (50%). (Nishar Hameed et al, Chem. Commun., 2015, 51, 9903–9906)

Crédito: Swinburne University of Technology

"A descoberta do comportamento de cura rápida em epóxi com líquido iônico solvatado foi fortuita", admite Hameed. Os pesquisadores perceberam nos primeiros testes que o processo estava "muito rápido demais", diz ele, significando que os epóxies curavam muito mais rápido que o normal, e mais que o antecipado. "Então tivemos que trabalhar com uma gama de líquidos iônicos, diferentes concentrações e condições de processo para adaptar o mecanismo de comportamento de cura rápida e propriedades físicas associadas", diz ele.

"Houve um aumento de 72 vezes na taxa de cura para nossa nova formulação de resina comparada à resina de referência", diz ele, "e em algumas composições a reação foi [tão] extremamente rápida que não conseguimos medi-la. A cura estava completa antes que pudéssemos fazer qualquer teste."

Significativamente, Hameed adiciona, esta abordagem não apenas aumenta a taxa de cura, mas também reduz a temperatura de cura da resina, apontando para potenciais economias de energia em processos de manufatura usando esta matriz.

Futuras aplicações na manufatura de compósitos em alto volume

Pesquisa adicional ainda é necessária antes que essas resinas estejam prontas para sair do laboratório. "Antes de entrar em vias comerciais, temos que abordar alguns dos desafios fundamentais associados à manufatura rápida de materiais. Por exemplo, em compósitos de cura rápida, as reações de reticulação do epóxi ocorrem em segundos com ciclos rápidos de aquecimento-resfriamento e processos de moldagem-desmoldagem, levando a tensões induzidas pelo processo", diz Hameed.

Para resolver esses problemas, ele e sua equipe estão trabalhando em uma abordagem combinada de modelagem experimental e computacional para identificar e mitigar imperfeições. "Isso é crítico para a integridade e eficiência de estruturas compósitas e processos de manufatura associados", diz ele.

No futuro, Hameed vê potencial para epóxis de cura rápida aprimorados com SIL na manufatura aditiva de compósitos, que ele diz ser frequentemente prejudicada por processamento lento de material, um desafio facilmente abordado por resinas de cura rápida. "Estamos desenvolvendo formulações que podem ser solidificadas em questão de segundos usando técnica estereolitográfica e assim acelerar o tempo de produção da peça", ele adiciona.

Outros processos de manufatura de compósitos sob avaliação incluem infusão, moldagem por transferência de resina (RTM) e outras formas de automação, bem como adaptação para sistemas prepreg, e uso em tintas, revestimentos de superfície e dimensionamento à base de epóxi de secagem rápida. A flexibilidade dos sistemas de resina também permitirá uso em termoformagem, diz Hameed, que é tipicamente difícil para laminados compósitos baseados em termofixos.

"Manufatura aditiva (incluindo automação de compósitos) junto com polímeros de processamento rápido é prevista como o futuro da manufatura de compósitos em alto volume, bem como produção em série de peças compósitas", ele adiciona. "Resinas e prepregs de cura rápida são críticos para esta abordagem onde precisamos de materiais que devem estar prontos em questão de segundos, se possível."

A pesquisa está em andamento na Factory of the Future de impressão 3D e prototipagem rápida da Swinburne, junto com pesquisa e desenvolvimento avançado de revestimentos de superfície no ARC Centre for Surface Engineering for Advanced Materials (ARC SEAM).

Hameed diz: "Esta será uma oportunidade de reunir capacidades e expertise de muitas áreas diferentes, ultimately para abordar desafios de manufatura para indústrias de compósitos."

Para os resultados e descobertas completos, veja o artigo completo, publicado na edição de 10 de julho de 2020 da ACS Applied Polymer Materials.