Plásticos Reforçados com Fibra: Benefícios, Aplicações e Principais Propriedades

Hoje, o uso de plásticos reforçados com fibra em produtos e aplicações aumentou dramaticamente devido às suas diversas propriedades. São uma classe relativamente nova de materiais não corrosivos, de alta resistência e leve. O componente principal é o plástico que contém fibras como vidro (em fibra de vidro), carbono (em polímero reforçado com fibra de carbono), aramida ou basalto. Outras fibras como papel, madeira ou amianto também são usadas, mas não são comuns.

Plásticos reforçados com fibra ou polímeros (PRFs) são comumente usados nas indústrias aeroespacial, automotiva, naval e de construção. Tudo isso será explicado neste artigo.

Hoje vamos nos aprofundar para ver a definição, aplicações, componentes, propriedades, tipos, processo de conformação e requisitos de materiais dos plásticos reforçados com fibra. Também conheceremos suas vantagens e desvantagens.

O que são plásticos reforçados com fibra?

Plásticos reforçados com fibra (PRF), também chamados de polímeros reforçados com fibra, são categorizados como plásticos compósitos que usam especificamente materiais de fibra para aumentar mecanicamente a elasticidade e a resistência do plástico. Consistem em uma matriz polimérica, que é o plástico original (geralmente resistente, mas fraco). O material é misturado com material de reforço para obter um produto final com as propriedades mecânicas ou de material desejadas. Vamos entender isso em detalhes!

Convencionalmente, um polímero é geralmente formado pelo processo de polimerização ou polimerização por adição. Pode ser combinado com vários agentes para melhorar ou aumentar suas propriedades de material, podendo então ser chamado de plásticos. Plásticos compósitos são tipos de plásticos que resultam de dois ou mais materiais homogêneos com diferentes propriedades de material para obter um produto final com certas propriedades mecânicas e de material desejadas. Um bom exemplo de plástico compósito é o plástico reforçado com fibra porque materiais de fibra são usados para melhorar mecanicamente a resistência e a elasticidade dos plásticos. O polímero é geralmente um éster de vinil, ou plástico termofixo de poliéster, epóxi, resinas de fenol-formaldeído também usadas.

Aplicações de plástico reforçado com fibra

Abaixo estão as aplicações de PRF em diversos campos.

Indústria automotiva

O plástico reforçado com fibra tornou-se substituto do metal nas carrocerias de automóveis de luxo modernos e nas laterais de caminhões e reboques. Isso ocorre porque têm quase a mesma resistência, mas peso diferente; além disso, uma alta relação resistência-peso é o santo graal da indústria automotiva. PRFs têm pontos de fratura mais altos que o aço e são materiais fortes, rígidos e leves que melhoram o consumo de combustível enquanto aumentam a velocidade. O material é facilmente moldado para formar os componentes desejados. A utilização deste plástico compósito é dramaticamente alta neste campo.

Um tipo de plástico reforçado com fibra, como o PRF de vidro, é usado para componentes de motor como o coletor de admissão. Isso reduz até 60% do seu peso e simplifica o design. Embora os PRFs de vidro sejam mais fracos e possam ser facilmente dobrados quando comparados aos PRFs de carbono.

Bens de consumo

Hoje em nosso dia a dia, é mais fácil transportar equipamentos, especialmente para atletas. Isso porque carbono e outros plásticos reforçados com fibra são usados para fabricar bens. Quase 6% dos PRFs são usados para produzir bens de consumo. Outros itens como instrumentos musicais ou seus componentes, armas de fogo, barracas de camping e tripés de câmera também se beneficiaram desses materiais.

Equipamentos de proteção

Um material extremamente resistente a altas temperaturas e impactos é produzido quando compostos conhecidos como aramidas são usados em PRFs. Resistência mecânica excepcional é obtida quando utilizados. É por isso que é perfeito para fabricar trajes à prova de balas e resistentes ao fogo, veículos e estruturas de proteção contra explosões.

Indústria da construção

O setor da construção utilizou cerca de 20% de plástico reforçado com fibra, incluindo pontes e estradas. A aplicação de PRFs na construção pode ser usada para reforçar lajes, colunas ou vigas de estruturas existentes. Isso aumenta sua capacidade de carga ou repara danos. O plástico reforçado com fibra é extremamente custo-efetivo e útil quando se trata de equipar estruturas mais antigas que suportam cargas muito maiores do que foram projetadas para enfrentar.

PRFs também são usados para fabricar estruturas rodoviárias como placas de sinalização, guardrails, sistemas de drenagem e tabuleiros de pontes. Passarelas automáticas, postes de utilidade e dutos de gás, água e esgoto também aproveitam o material. PRFs podem ser perfeitos para construir casas pré-fabricadas, mas são popularmente usados para móveis domésticos e de escritório, eletrodomésticos, piscinas, calhas, equipamentos de banheiro e conexões e capas de tubos.

Indústria de energia

Espera-se que a demanda por PRF cresça mais de 300% em aplicações industriais e de energia. Especialmente em componentes eletrônicos e elétricos.

A maioria dos PRFs são bons isolantes elétricos, toleram produtos químicos ambientais agressivos, incluindo corrosivos, podem resistir à degradação por calor. Também são relativamente não inflamáveis, têm boa integridade estrutural e podem até tolerar radiação ultravioleta. PRFs de vidro são não magnéticos e também resistem a faíscas, tornando-os úteis em componentes de energia.

Finalmente, plásticos reforçados são usados para construir pás de turbinas eólicas e para módulos de armazenamento de tanques de gás.

Aplicações aeroespaciais

As aplicações de PRFs no campo aeroespacial estão aumentando devido a menores custos ambientais e maior desenvolvimento. Fibras de carbono em PRFs reduzem o peso em 25%, mas garantem resistência igual ou maior quando comparadas a chapas de alumínio. Oferecem boa resistência à tração e podem tolerar ambientes adversos e temperaturas extremamente altas. Embora se expandam pouco com o calor e possuam alta rigidez.

A aplicação de PRFs na indústria aeroespacial é inicialmente cara, mas ainda economiza mais dinheiro, pois cada grama de peso adicional é prejudicial devido ao efeito no consumo de combustível, comprimento da viagem, custos, segurança aerodinâmica, etc.

Com PRFs de carbono, peças complexas podem ser facilmente moldadas, reduzindo o número de peças em surpreendentes 95%. Isso torna a produção mais simples, barata e rápida em comparação com outros materiais como aço ou alumínio fundido. Aeronaves gigantes modernas são feitas de mais de 50% de PRF de carbono, peças como pás de rotor de helicóptero em drones de alta performance também são cada vez mais feitas do material.

Infraestrutura marítima

O polímero reforçado com fibra tornou-se a substituição ideal para madeira, em navios ou em ambientes costeiros marinhos. Isso ajuda a obter peso estrutural reduzido e maior resistência à corrosão. Outras aplicações incluem calçadas flutuantes e plataformas para bases marítimas e pontes rolantes.

Componentes de materiais compósitos

Abaixo estão os componentes que compõem o plástico reforçado com fibra.

Fibras:

Uma fibra escolhida geralmente controla as propriedades dos materiais compósitos. Os três principais tipos de fibras usados na construção incluem carbono, vidro e aramida. Frequentemente é nomeado pela fibra de reforço, por exemplo, PRFC para Polímero Reforçado com Fibra de Carbono. As propriedades mais comuns e importantes que diferenciam os tipos de fibra são a deformação à tração e a rigidez.

Matrizes

A matriz pode transferir forças entre as fibras e protegê-las de efeitos prejudiciais. Resinas termofixas são quase exclusivamente usadas nesta situação. As matrizes mais comuns são éster de vinil e epóxi. Bem, o epóxi é frequentemente favorecido acima do éster de vinil, mas também é mais caro. Matrizes epóxi têm vida útil de cerca de 30 minutos a 20 graus Celsius, mas pode ser alterada com diferentes formulações. Tem boa resistência, adesão, propriedades de fluência e resistência química.

Fig. 2: Fibra Mais Matriz Produz PRF

Além disso, o material plástico original sem reforço de fibra é conhecido como matriz ou agente aglutinante. Esta matriz é um plástico resistente e também relativamente fraco que é reforçado por filamentos ou fibras de reforço mais fortes e rígidos. O nível de resistência e elasticidade que é aprimorado em um plástico reforçado com fibra depende das propriedades mecânicas tanto da matriz quanto da fibra. Seu volume relativo um ao outro, e o comprimento e orientação da fibra dentro da matriz também são considerados. O reforço da matriz ocorre por definição quando o material PRF exibe resistência ou elasticidade aumentada em relação à resistência e elasticidade da matriz sozinha.

Propriedades comuns dos plásticos reforçados com fibra

Como mencionado anteriormente, as características dos plásticos reforçados com fibra dependem de fatores como as propriedades mecânicas da matriz e da fibra. O volume de ambos e seu comprimento, e orientação das fibras na matriz.

A razão pela qual os PRFs são amplamente considerados é devido ao seu baixo peso, mas são incrivelmente fortes e têm boa resistência à fadiga. Além disso, suas propriedades de impacto e compressão são uma razão única. É por isso que as indústrias automobilísticas conseguiram substituir metais por materiais mais leves para não apenas tornar os carros mais fortes, mas também mais rápidos e eficientes em combustível.

Plásticos reforçados com fibra também demonstram propriedades elétricas distintas e resistência ambiental de alto grau, junto com bom isolamento térmico, integridade estrutural, resistência ao fogo, estabilidade à radiação UV e resistência a produtos químicos e corrosivos. Bem, tudo isso foi mencionado acima.

Requisitos de materiais ou fibras comuns

Abaixo estão as fibras usadas para obter um tipo específico de polímero reforçado.

Vidro:

O vidro, que atua como bom isolante, forma fibra de vidro ou plásticos reforçados com vidro quando combinado com a matriz. Plásticos reforçados com vidro são benéficos para a indústria de energia, pois não têm campo magnético e são resistentes a faíscas elétricas. São incorporados em coletores de admissão de motor onde oferecem uma diminuição de 60% no peso em relação a coletores de alumínio fundido. Finalmente, melhor qualidade de superfície e aerodinâmica são obtidas para esses materiais.

O PRF de vidro também tem sido usado em pedais de acelerador e embreagem em carros, pois podem ser moldados em uma única unidade. As fibras são orientadas de forma a suportar tensões específicas, aumentando durabilidade e segurança. No entanto, esses materiais reforçados não são tão fortes, rígidos ou frágeis quanto materiais reforçados com fibra de carbono. Pode ser caro de produzir.

Carbono

Materiais de fibra de carbono exibem alta resistência à tração, resistência química, rigidez e tolerância à temperatura. Átomos de carbono criam cristais que se situam ao longo do eixo da fibra, o que ajuda a fortalecer os materiais aumentando a relação resistência-volume. Como explicado anteriormente, plásticos reforçados com fibra de carbono são usados em artigos esportivos, planadores, varas de pesca, etc.

PRFs de carbono foram incorporados nos lemes de um Airbus A310, o que ajudou a diminuir seu número de componentes em 95%. As peças moldadas simples reduziram o custo de produção e custos operacionais. Agora são 25% mais leves que os produzidos com chapa de alumínio, o que os torna mais eficientes em combustível.

Aramidas

Aramidas são classificadas como poliamidas sintéticas formadas a partir de monômeros aromáticos (moléculas em forma de anel). Isso demonstra robusta resistência ao calor, por isso são usadas para roupas à prova de balas e resistentes ao fogo.

Aramidas são geralmente preparadas pela reação entre um grupo amina e um grupo haleto de ácido carboxílico (aramida). Isso existe quando uma poliamida aromática é fiada a partir de uma concentração líquida de ácido sulfúrico em uma fibra cristalizada. As fibras são então fiadas em fios maiores para tecer em grandes cordas ou tecidos. Fibras de aramida podem ser fabricadas em graus variados baseados em resistência e rigidez, para que o material possa atender a requisitos de design específicos, como cortar material resistente durante a fabricação.

Tipos de polímero reforçado com fibra (PRF)

Abaixo estão os principais tipos de polímero reforçado com fibra.

Polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV)

Fibras de vidro são feitas de areia de sílica, calcário, ácido fólico e alguns outros ingredientes menores misturados. Esta mistura é aquecida até derreter a cerca de 1260°C. O vidro fundido é permitido fluir através de furos finos em uma placa de platina. Os fios de vidro são resfriados, reunidos e enrolados. As fibras podem então ser estiradas para aumentar sua resistência dimensional. É então tecido em várias formas para uso em compósitos.

Fibras produzidas de vidro são consideradas como o reforço predominante para compósitos de matriz polimérica, baseadas em uma composição de borossilicato de alumínio e cal. Isso se deve às suas altas propriedades de isolamento elétrico, altas propriedades mecânicas e baixa suscetibilidade.

Geralmente, o vidro é uma fibra de boa resistência a impacto, mas pesa mais que carbono ou aramida. Fibras de vidro têm excelentes características iguais ou melhores que o aço em certas formas.

Barras de Polímero Reforçado com Fibra de Vidro

Polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC)

Em um polímero reforçado com fibra de carbono ou plástico, alto módulo de elasticidade de cerca de 200-800 GPa é certo. O alongamento extremo é 0,3-2,5% onde o alongamento menor corresponde à maior rigidez e vice-versa.

Fibras de carbono são resistentes a muitas soluções químicas e não absorvem água. Também podem suportar fadiga excelentemente e não corroem nem mostram fluência ou relaxamento.

Barras de Polímero Reforçado com Fibra de Carbono

Polímero reforçado com fibra de aramida (PRFA)

Aramida também é conhecida como poliamida aromática. Uma marca registrada bem conhecida de fibras de aramida é chamada Kevlar, mas existem outros produtos como Twaron, Technora e SVM. O módulo das fibras varia de 70-200 GPa com um alongamento final de 1,5-5% dependendo da qualidade. Aramida tem alta energia de fratura, por isso pode ser usada para capacetes e roupas à prova de balas.

PRFA é sensível a temperaturas elevadas, umidade e radiação UV e não é comum em aplicações de engenharia civil. Finalmente, fibras de aramida têm problemas com relaxamento e corrosão sob tensão.

Propriedades de Diferentes Tipos de PRF Comparados com Aço

O processo de conformação de plástico reforçado com fibra

A maioria das peças de plástico reforçado com fibra são feitas com um molde ou ferramenta. O molde usado pode ser moldes fêmea côncavos, moldes macho, ou a peça pode ser completamente fechada com um molde superior ou inferior. Mas uma estrutura rígida é geralmente usada para estabelecer a forma dos componentes de PRF. As peças podem ser colocadas sobre superfícies planas conhecidas como "placa de pressão" ou em uma estrutura cilíndrica referida como "mandril".

Os processos de moldagem de plásticos reforçados com fibra são realizados colocando o pré-forma de fibra sobre ou no molde. Este pré-forma de fibra pode ser fibra seca ou fibra que já contém uma quantidade medida de resina conhecida como "pré-impregnada". As fibras secas são umedecidas com resina manualmente ou a resina é injetada em um molde fechado. Neste ponto, a peça é curada, deixando a matriz e as fibras exatamente na forma do molde. Outra forma de curar a resina e melhorar a qualidade da peça final é usando calor e/ou pressão.

Assista aos vídeos abaixo para saber mais sobre o processo de conformação de plásticos reforçados com fibra:

Abaixo estão os vários métodos de conformação de plástico reforçado com fibra.

Moldagem com bexiga:

Este processo de conformação é quando folhas individuais de material pré-impregnado são dispostas e colocadas em um molde tipo fêmea junto com uma bexiga semelhante a um balão. O molde é então fechado e colocado em uma prensa aquecida. Finalmente, a bexiga é pressurizada forçando as camadas de material contra as paredes do molde.

Moldagem por compressão:

Uma peça moldada por compressão é conhecida como plástico reforçado com fibra. Então, quando uma matéria-prima como bloco de plástico, bloco de borracha, folha de plástico ou grânulos, é chamada assim. O pré-forma de plástico usado na moldagem por compressão não contém fibras de reforço. Nesta moldagem, um pré-forma ou carga de SMC ou BMC é colocado na cavidade do molde. O molde é então fechado e o material é formado e curado dentro usando calor e pressão. A moldagem por compressão é conhecida por seu excelente detalhamento para formas geométricas variando de padrões e detalhes em relevo a curvas complexas e formas criativas, à engenharia de precisão.

Autoclave e saco a vácuo:

Cada folha de material pré-impregnado é disposta e colocada em um molde aberto, que é então coberto com filme de liberação, material de sangria ou respiração, e um saco a vácuo. Um vácuo é puxado na peça e o molde é colocado em um autoclave, também conhecido como vaso de pressão e calor. A peça é curada com vácuo contínuo para extrair gases aprisionados do laminado. Este processo é comum na indústria aeroespacial porque oferece controle preciso sobre a moldagem devido a um longo ciclo de cura lento. O tempo varia de uma a várias horas. Este controle preciso ajuda a criar as formas geométricas exatas do laminado necessárias para garantir resistência e segurança na indústria aeroespacial. No entanto, é lento e intensivo em mão de obra, ou seja, o custo muitas vezes o confina à indústria aeroespacial.

Enrolamento em mandril:

Neste processo de conformação de plástico reforçado com fibra, folhas de material pré-impregnado são enroladas em um mandril de aço ou alumínio. Este material pré-impregnado é compactado por fita de celofane de polipropileno ou náilon. As peças são curadas em lote por ensacamento a vácuo e penduradas em um forno. Após a cura, a fita de celofane e o mandril são removidos, deixando um tubo de carbono oco. Isso ajuda a criar tubos de carbono ocos fortes e robustos.

Moldagem úmida:

Este processo de conformação combina reforço de fibra e matriz à medida que são colocados na ferramenta de conformação. Camadas de fibra de reforço são colocadas em um molde aberto, que é então saturado com resina úmida derramando-a sobre o tecido e trabalhando-a no tecido. O molde será deixado por algum tempo para que a resina cure, geralmente em temperatura ambiente. Embora calor possa às vezes ser usado para garantir que cure adequadamente. Um saco a vácuo é usado para comprimir uma moldagem úmida. Fibras de vidro são as mais comuns para este processo, cujo resultado é conhecido como fibra de vidro. É usado para fabricar produtos como esquis, canoas, pranchas de surfe, etc.

Moldagem por transferência de resina:

Este processo de conformação de plástico reforçado com fibra também é chamado de infusão de resina. Tecidos são colocados em um molde no qual resina úmida é injetada. A resina é tipicamente pressurizada e forçada em uma cavidade que está sob vácuo na moldagem por transferência de resina. A resina é inteiramente puxada para a cavidade sob vácuo na moldagem por transferência de resina assistida a vácuo. Este processo garante tolerância precisa e modelagem detalhada. Embora às vezes falhe em saturar totalmente o tecido, levando a pontos na forma final.

Enrolamento de filamentos:

Neste processo, existem máquinas que puxam feixes de fibra através de um banho úmido de resina e enrolam sobre um mandril de aço rotativo em orientações específicas. As peças são curadas em temperatura ambiente ou temperaturas elevadas. O mandril é extraído, deixando uma forma geométrica final, embora seja deixado em algumas situações.

Pultrusão:

Feixes de fibra e tecidos fatiados são puxados através de um banho úmido de resina que então formam a forma bruta da peça. Material saturado é extrudado de uma matriz fechada aquecida, que cura enquanto é continuamente puxada através da matriz. A maioria dos produtos finais de pultrusão são formas estruturais, como viga I, cantoneira, canal e chapa plana. Os materiais podem ser usados para criar todo tipo de estruturas de fibra de vidro como escadas, sistemas de corrimão, tanques, plataformas, tubos e suportes de bomba.

Pistola de corte:

Fios contínuos de fibra de vidro são empurrados através de uma pistola manual que corta os fios e os junta com uma resina catalisada como poliéster. O vidro picado impregnado é então projetado na superfície do molde na espessura e design adequados que o operador humano julga correto. O processo de pistola de corte é ideal para grandes produções a custo econômico, mas produz formas geométricas com menos resistência que outros processos de moldagem e tem tolerância dimensional ruim.

Vantagens e desvantagens do plástico reforçado com fibra

Vantagens:

Abaixo estão as vantagens dos plásticos reforçados com fibra em suas várias aplicações.

• PRFs têm alta resistência
• Têm alto módulo de elasticidade
• São mais leves em peso
• Alta resistência à falha por fadiga é outro excelente benefício.
• Têm boa resistência à corrosão.
• Rigidez é outro grande benefício dos PRFs, pois é até 3,3 vezes mais rígida que a madeira e não deforma permanentemente sob carga de trabalho.
• Resistência à podridão e insetos.
• O produto final de plástico reforçado com fibra pode ser atraente, então pode não requerer tintas, vernizes e revestimentos.
• Flexibilidade em seu processo de fabricação e design
• PRFs são bons isolantes com baixa condutividade térmica.
• Tipos de PRF de fibra de vidro são resilientes, ou seja, o material tem acabamento duro.
• Manutenção e instalação de PRFs são menores, mesmo que o aço inoxidável tenha custo inicial de material menor que plástico reforçado com fibra.

Desvantagens:

Apesar dos grandes benefícios do plástico reforçado com fibra, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens dos PRFs.

• A resistência em direção perpendicular às fibras é extremamente baixa (até 5%) comparada com a resistência ao longo do comprimento das fibras.
• Design do material pode ser complexo
• Teste e fabricação de componentes de PRF são altamente especializados.

Conclusão

Neste artigo, você aprendeu sobre plásticos reforçados com fibra, sua definição, aplicações, componentes compósitos e requisitos de materiais. Também discutimos os vários tipos, processos de conformação e vantagens e desvantagens dos plásticos reforçados com fibra.

Espero que tenha gostado da leitura; se sim, comente sua seção favorita deste artigo. E por favor não se esqueça de compartilhar este artigo com outros estudantes técnicos, pode ser útil para eles. Obrigado!