Industrializando Epóxi Termoplástico: Inovações e Aplicações da Cecence

A Cecence (Salisbury, Reino Unido) foi estabelecida em 2014 por três fundadores com décadas de experiência em compósitos. O diretor Mike Orange tinha longa história em rigging e mastros de fibra de carbono (CFRP) para iates. O chefe de inovação Humphrey Bunyan era anteriormente chefe de inovação na Future Fibres (Valência, Espanha). "Eles [Future Fibres] faziam rigging todo-compósito para America's Cup e outros barcos de corrida, bem como amarras CFRP para prender as rodas em carros de Fórmula 1", diz Orange (veja "Compósitos na construção de iates: Rigging para o sucesso"). "Entendíamos as vantagens do leve, mas estávamos nos envolvendo com outros setores que não tinham nossa experiência e lutavam com custo, escala de fabricação e regulamentações de incêndio."

Foco em Resistência a Fogo, Fabricação Industrializada e Sustentabilidade

Assim, a Cecence (pronuncia-se "see-sense", como senso comum com compósitos de fibra de carbono) foi fundada para focar em resistência a fogo, fabricação industrializada e sustentabilidade. Isso resultou em desenvolvimentos como um encosto de assento de passageiro de aeronave moldado por compressão de compósito de fibra de carbono/biorresina que pesava apenas 7,5 quilogramas, reduziu espessura do assento para menos de 20 milímetros e aumentou espaço e conforto do passageiro, enquanto atendia a todos os requisitos de fogo, fumaça e toxicidade (FST).

"Em um projeto anterior, a Cecence desenvolveu um método de fabricação por prensagem a quente que encurtou o tempo de ciclo de 2,5 horas para 7 minutos para um encosto de classe econômica usando fenólicos de cura rápida desenvolvidos com o pré-impregnador britânico FTI (Somerset)", diz Orange. Para este último encosto descrito acima, que desenvolveu com a Design Q (Redditch, Reino Unido), a Cecence expandiu seu portfólio FST usando um pré-impregnado de resina polifuril álcool (PFA) desenvolvido pela SHD Composites (Sleaford, Reino Unido). PFA é um polímero termofixo derivado de biomassa que performa como fenólico com excelente processamento de superfície e sustentabilidade (veja "Resistindo ao fogo sem o peso"). "Trabalhamos com a SHD Composites e empurramos sua química para cura mais rápida", diz Orange. "Isso é o que fazemos: pegar materiais, processos e designs e desenvolvê-los ainda mais para que produtos compósitos possam ser fabricados em escala de forma comercialmente viável e sustentável."

Descoberta do Epóxi Termoplástico

Velocidade de fabricação e sustentabilidade foram fatores-chave quando a Cecence encontrou um sistema de resina epóxi termoplástico vários anos atrás. "Este termoplástico com componentes epóxi no final de suas cadeias poliméricas estava sendo usado por uma empresa de tecidos que não percebia seu potencial em compósitos", explica Orange.

"Entendemos imediatamente as vantagens de um termoplástico de baixa viscosidade que podia impregnar fibras muito bem enquanto permitia um epóxi termoconformável", diz Humphrey Bunyan. A Cecence desenvolveu um pré-impregnado baseado nesta tecnologia de epóxi termoplástico, e então uma família de produtos sob a marca K_Series: K_Rod enrolável, semi-pré-impregnado K_Plate de 0,25 a 1,98 mm de espessura, e composto de moldagem K_Chip (Fig. 1). "Conseguimos prensar componentes em menos de três minutos", diz Orange, "e demonstramos uma variante FR que atende requisitos FST para interiores de aeronaves." A Cecence também usou o material para desenvolver um sistema compósito de equipamento de linha aérea (COHLE) para linhas ferroviárias elétricas que reduz o número de pилões/postes de suporte pela metade e custo total de instalação e operação em £100.000 (US$ 124.200) por quilômetro.

Epóxi Termoconformável

"Com termoplásticos típicos, você tem um polímero de matriz de alta viscosidade que é difícil de forçar nas fibras", explica Bunyan. "Assim, é difícil obter boa impregnação dos tows ou tecidos. Mas o epóxi termoconformável da Série K tem viscosidade muito baixa — 80 centipoise a 100°C. Isso nos permite pré-impregnar reforços de fibra de vidro, carbono e naturais com excelente distribuição resina-fibra e tipicamente 60% de teor de fibra em peso. Também podemos usar fibras com dimensionamento para epóxi, que tipicamente não é compatível com termoplásticos." E ainda, este sistema é um verdadeiro termoplástico, permitindo reformar peças acabadas a 180-200°C sem reação química ou exotermia.

"Como epóxi, adere bem à fibra, então não há separação da fibra da matriz, mesmo se você usar pressões mais altas durante a moldagem", nota Orange. Isso se refere a um problema que ele viu com compostos de poliamida (PA) e polipropileno reforçados com fibra curta. "Estávamos trabalhando com uma camada de PA derretida sobre um tecido via prensagem a quente para fazer uma chapa plana. A matriz não grudava nas fibras, apenas as cercava. Então, quando era prensada em uma peça, você tinha pull-out de fibra."

O K_Plate, que processa a 150-220°C, oferece temperatura de serviço de 100°C para exposições curtas e uso contínuo a 90°C. Compostos K_Chip de tow unidirecional picado são prensados a 240°C. "A Tg [temperatura de transição vítrea] e início de deformação por calor para a Série K são menores que epóxis típicos, mas isso também é o que torna reforma e reciclagem viáveis", diz Orange. Os processos da Série K também são rápidos. "A Cecence trabalhou com RocTool [Le Bourget du Lac, França] no JEC 2016 para demonstrar o termoplástico de formação mais rápida que já viram", diz ele, notando um tempo de ciclo de 2 minutos, 40 segundos para um capô automotivo. "O tempo de permanência foi de apenas 25 segundos antes do resfriamento, usando 8-9 bar de pressão acima da membrana a vácuo. Eles também ficaram satisfeitos com o acabamento de superfícies tanto foscas quanto brilhantes [veja imagem de abertura], notando que nosso material forneceu o melhor acabamento de todos os testados."

Além disso, os componentes epóxi nos produtos da Série K tornam peças compósitas fáceis de pintar e colar, sem os primers e preparação especiais requeridos para termoplásticos tradicionais. "Você pode colá-los secundariamente usando adesivos padrão", adiciona Bunyan. "Você também obtém boas propriedades de cisalhamento interlaminar e, no geral, estas fazem estruturas tenazes e absorventes de energia, graças ao termoplástico."

CFRP Catenária para Ferrovias Elétricas de Menor Custo

A dualidade deste epóxi termoplástico é exemplificada em um sistema de equipamento de linha aérea (OHLE) desenvolvido pela Cecence usando uma catenária CFRP feita com K_Rod. A catenária e o fio de contato condutor de corrente são os dois fios principais no OHLE de uma ferrovia elétrica (Fig. 2). A eletricidade é entregue à locomotiva do trem através de um pantógrafo, que se estende do topo da locomotiva para pressionar contra o fio de contato. "A catenária age como uma ponte suspensa entre pилões (mastros, postes), que são espaçados a cada 25 metros ao longo dos trilhos", explica Orange.

"Ao usar um cabo de tensão K_Rod como catenária, ele pode ficar apenas 70 milímetros acima do fio de contato de cobre", aponta Orange (Fig. 3). "Todo o sistema é mais compacto com impacto visual muito menor no meio ambiente." Sistemas OHLE atuais usam cabos de catenária de aço, que mudam de comprimento com mudança de temperatura. "No verão, eles se estendem até 400 milímetros por quilômetro", ele nota. Para contrabalançar este afrouxamento nas linhas, contrapesos de concreto em polias são instalados como sistema de auto-tensionamento, mas aumentam o custo total.

"O peso da linha de aço e seu perfil de afrouxamento também são por que tantos postes são necessários", nota Orange. "Nosso cabo CFRP muda de comprimento apenas 7 milímetros por quilômetro no verão porque a expansão térmica negligenciável da fibra de carbono cria um compósito termicamente estável. Também é 80% mais leve que cabo de aço, não afrouxa e permite espaçar os pилões a 50 metros, o que reduz pela metade o número de pилões necessários." Isso permite mais economia de custo porque para cada pилão há um braço transversal em balanço, suportado por um cabo de estai.

Além disso, sistemas OHLE convencionais usam componentes totalmente metálicos, o que requer adição de isoladores para prevenir condução indesejada da corrente elétrica. "O COHLE da Cecence não precisa de todos os isoladores porque usa postes e braços transversais compósitos de fibra de vidro (GF) não condutivos com cabos de estai compósitos não condutivos", explica Orange. "Também usamos gotejadores intermediários feitos de ácido polilático (PLA) impresso em 3D. Ao contrário de um sistema metálico, os postes não precisam de pintura regular e os compósitos resistentes à corrosão requerem menos manutenção."

"O epóxi termoplástico desempenha papel chave na catenária CFRP", ele continua. "A Cecence o usa tanto no núcleo de fibra de carbono K_Rod quanto na jaqueta compósita GF sobre-entrançada. O resultado é um cabo leve, alta resistência, isolado, que é enrolável e cola bem quando colado em um soquete, resolvendo o problema normalmente complicado de terminação para cabos compósitos de fibra de carbono. Graças à incrível transferência de carga do núcleo para o soquete através da sobre-entrança, não precisamos de um comprimento de soquete enorme e este sistema é fácil, então é prático para instalação em campo por técnicos ferroviários."

Mesmo que o cabo CFRP custe três vezes o de uma catenária de aço, o custo total do sistema é reduzido de £512.000 para £413.000 por quilômetro, diz Orange. Estes custos, calculados com a firma multinacional de engenharia e infraestrutura Atkins (Londres, Reino Unido), incluem economias de operação/manutenção de £400.000 a £3,4 milhões por quilômetro sobre a vida útil do sistema.

"A Cecence entregou os componentes protótipo em maio de 2019", diz Orange, "e nossos parceiros de desenvolvimento agendaram para erguer as linhas elétricas em fevereiro de 2020, mas isso foi adiado devido à COVID-19. O sistema inteiro foi exibido no Advanced Engineering Show em 2019 e ganhou o Prêmio de Inovação Composites UK."

Outras Aplicações e Desenvolvimento da Série K

Além da aplicação OHLE, a Cecence está buscando outras oportunidades para aplicar seus produtos da Série K. "A Cecence também trabalhou em projetos onde cabos K_Rod foram usados como ancoragens para uma face de penhasco de pedra em um projeto de construção na Suíça", diz Orange. "Nossos parceiros de projeto deveriam perfurar buracos de 80 metros de profundidade na rocha, inserir os cabos CFRP e então preencher com concreto. Houve alguns resultados de teste incríveis, mas o parceiro acadêmico nunca se conectou com a indústria para desenvolver o projeto além da escala de laboratório. Estamos buscando outras demonstrações, no entanto este sistema é à prova de corrosão e fornece boa transferência de carga. Também poderia ser aplicado como ancoragens de solo para vários sistemas de construção, como edifícios à prova de furacões."

Vídeos no YouTube e no site da Cecence demonstram a termoconformabilidade de seus produtos K_Plate. "Também houve discussões para explorar aplicações para aerofólios de geometria variável/morfing com uma empresa aeroespacial britânica", diz Orange. A Cecence demonstrou um material automotivo econômico usando K_Chip feito com tows compósitos picados como material híbrido CF/GF/epóxi termoplástico, mantendo uma proporção 2:1 de carbono para vidro, confirmada via teste.

A empresa também desenvolveu uma Série K de alta temperatura com Tg de 250-300°C que processa a 360-400°C. "Isso foi usado para um fabricante automotivo que queria as peças CFRP para sobreviver ao seu processo de pintura E-Coat a 180°C", diz Orange. "Também temos o material K-FR, que pode passar requisitos FST de queima vertical, liberação de calor e toxicidade de fumaça de aeronaves, e estamos olhando como ajudar com amortecimento de vibração para redução de ruído de cabine de aeronave. Podemos sintonizar o termoplástico e adicionar camadas de material elastomérico para alcançar redução significativa de ruído."

Samantha Bunyan, a terceira fundadora da Cecence e sua chefe de engajamento industrial, aponta que reciclabilidade também é área chave de desenvolvimento. A Cecence faz parte do consórcio ReDisCoveR Composites, operado pelo Centro Nacional de Compósitos (Bristol, Reino Unido). Foi estabelecido em abril de 2019 e está perseguindo 24 projetos ao longo de quatro correntes: reciclagem, desmontagem, materiais circulares e reuso. "Dentro destes projetos, estamos olhando para desmontagem de componentes e demonstrando a real reciclabilidade de compósitos termoplásticos", diz Bunyan. "A indústria está finalmente sendo forçada a provar a reciclabilidade que reivindicou por muitos anos. A Cecence vê os benefícios de poder reciclar produtos de epóxi termoplástico da Série K, mas também tem que demonstrar os processos e viabilidade econômica para isso."

"Acreditamos que há muito mais espaço para compósitos sustentáveis em transporte de massa, incluindo interiores de aeronaves, assentos e aplicações ferroviárias", diz Orange, adicionando que a Cecence não é apenas parceira em desenvolvimento mas também em fabricação. "Fizemos 2.500 encostos de assento compósitos para aeronaves tipo A320 até agora e estávamos no caminho para produzir os encostos mais leves e finos da indústria antes do surto de COVID-19. Resíduos de assentos compósitos podem ser reutilizados em apoios de pés e braços. Reciclado também pode ser usado em outras peças auxiliares que atualmente usam plásticos virgens. Tudo isso pode ajudar a reduzir consumo de combustíveis fósseis e emissões, bem como facilitar eletrificação e aumentar sustentabilidade."

Em compósitos, nota Samantha Bunyan, "sustentabilidade é tríplice: materiais, processamento (rápido e baixo energia) e cadeia de suprimentos. Estamos rompendo todos estes, trabalhando com inovadores de todo o mundo que não são vistos porque a maioria olha apenas para as grandes empresas. O mundo precisa de novas soluções que funcionem para a indústria. Isso é o que a Cecence faz."