Plástico reforçado com fibra

O plástico reforçado com fibra ( FRP ) (também polímero reforçado com fibra ) é um material composto feito de uma matriz polimérica reforçada com fibras. As fibras são geralmente vidro, carbono, aramida ou basalto. Raramente, outras fibras, como papel ou madeira ou amianto, foram usadas. O polímero é geralmente um termofólio epóxi, vinilester ou poliéster de termofólio; As resinas de fenol formaldeído ainda estão em uso.

Os FRPs são comumente usados ​​nas indústrias aeroespacial, automotiva, marítima e de construção. Eles também são comumente encontrados na armadura balística.

Definição do processo

Um polímero é geralmente fabricado por polimerização de etapas ou polimerização de adição. Quando combinado com vários agentes para aprimorar ou alterar as propriedades do material dos polímeros, o resultado é referido como um plástico plástico. Os plásticos reforçados com fibra são uma categoria de plásticos compostos que usam especificamente materiais de fibra para melhorar mecanicamente a força e a elasticidade dos plásticos. O material plástico original sem reforço de fibra é conhecido como Thematrix ou agente de ligação. A matriz é um plástico resistente, mas relativamente fraco, reforçado por filamentos ou fibras mais fortes de reforço mais fortes. A extensão em que a força e a elasticidade são aprimoradas em um plástico reforçado com fibra depende das propriedades mecânicas da fibra e da matriz, seu volume em relação um ao outro e o comprimento e a orientação da fibra dentro da matriz. ^[1] O reforço da matriz ocorre por definição quando o material FRP exibe maior resistência ou elasticidade em relação à força e elasticidade da matriz sozinha. ^[2]

História

Bakelite foi o primeiro plástico reforçado com fibra. O Dr. Leo Baekland originalmente se propôs a encontrar um substituto para o Shellac (feito com a excreção de besouros LAC). Os químicos começaram a reconhecer que muitas resinas e fibras naturais eram polímeros, e Baekland investigou as reações de fenol e formaldeído. Ele produziu um shellac solúvel em fenol-formaldeído chamado 'Novolak' que nunca se tornou um sucesso no mercado e depois se voltou para o desenvolvimento de um fichário para o amianto, na época, foi moldado com borracha. Ao controlar a pressão e a temperatura aplicadas ao fenol e formaldeído, ele descobriu em 1905 que poderia produzir seu material sonhador e muldable (o primeiro plástico sintético do mundo): baquelita. ^{[3] [4]} Ele anunciou sua invenção em uma reunião da American Chemical Society em 5 de fevereiro de 1909. ^[5]

O desenvolvimento de plástico reforçado com fibra para uso comercial estava sendo amplamente pesquisado na década de 1930. No Reino Unido, pesquisas consideráveis ​​foram realizadas por pioneiros como Norman de Bruyne. Foi particularmente interessante para a indústria da aviação. ^[6]

A produção em massa de fios de vidro foi descoberta em 1932, quando a Games Slayter, pesquisadora da Owens-Illinois acidentalmente dirigiu um jato de ar comprimido em um fluxo de vidro fundido e produziu fibras. A patent for this method of producing glass wool was first applied for in 1933. ^[7] Owens joined with the Corning company in 1935 and the method was adapted by Owens Corning to produce its patented 'fibreglas' (one 's') in 1936. Originally, fibreglas was a glass wool with fibres entrapping a great deal of gas, making it useful as an insulator, especially at high temperaturas.

Uma resina adequada para combinar o 'fibreglas ' com um plástico para produzir um material composto, foi desenvolvido em 1936 por Du Pont. O primeiro ancestral das resinas de poliéster moderno é a resina de Cyanamid de 1942. Os sistemas de cura de peróxido foram usados ​​até então. ^[8] Com a combinação de fibreglas e resina, o teor de gás do material foi substituído por plástico. Isso reduziu às propriedades de isolamento para valores típicos do plástico, mas agora, pela primeira vez, o composto mostrou grande força e promessa como material estrutural e de construção. Confusamente, muitos compósitos de fibra de vidro continuaram chamados de 'fibra de vidro ' (como um nome genérico) e o nome também foi usado para o produto de lã de vidro de baixa densidade contendo gás em vez de plástico.

Ray Greene, de Owens Corning, é creditado com a produção do primeiro barco composto em 1937, mas não prosseguiu na época devido à natureza quebradiça do plástico usado. Em 1939, relatou -se que a Rússia construiu um barco de passageiros de materiais plásticos, e os Estados Unidos uma fuselagem e asas de uma aeronave. ^[9] O primeiro carro a ter um corpo de fibra de vidro foi o escaravelho robusto de 1946. Apenas um desse modelo foi construído. ^[10] O protótipo Ford de 1941 poderia ter sido o primeiro carro de plástico, mas há alguma incerteza em torno dos materiais usados, pois foi destruído logo depois. ^{[11] [12]}

O primeiro avião plástico reforçado com fibra foi o Fairchild F-46, voou pela primeira vez em 12 de maio de 1937, ou o plano plástico de Bennett construído pela Califórnia. ^[13] Uma fuselagem de fibra de vidro foi usada em um vulteu modificado BT-13A designou o XBT-16 baseado em Wright Field, no final de 1942. ^[14] , outros experimentos foram realizados com a construção de peças de aeronaves estruturais. ^{Em 1943 [17]} Um desenvolvimento significativo nas ferramentas para componentes GFRP foi feito pela Republic Aviation Corporation em 1943. ^[18]

A produção de fibra de carbono começou no final da década de 1950 e foi usada, embora não amplamente, na indústria britânica a partir do início dos anos 1960. As fibras aramid estavam sendo produzidas nessa época também, aparecendo primeiro sob o nome comercial Nomex por Dupont. Hoje, cada uma dessas fibras é amplamente utilizada na indústria para quaisquer aplicações que exijam plásticos com força específica ou qualidades elásticas. As fibras de vidro são as mais comuns em todas as indústrias, embora os compósitos de fibra de carbono e fibra de carbono sejam amplamente encontrados em aplicações aeroespaciais, automotivas e esportivas. ^[2] Esses três (vidro, carbono, andamid) continuam sendo as categorias importantes de fibra usadas no FRP.

A produção global de polímeros na escala presente hoje começou em meados do século XX, quando baixos custos de material e produção, novas tecnologias de produção e novas categorias de produtos combinadas para tornar a produção de polímeros econômicos. A indústria finalmente amadureceu no final da década de 1970, quando a produção mundial de polímeros superou a do aço, tornando os polímeros o material onipresente que é hoje. Os plásticos reforçados com fibra têm sido um aspecto significativo dessa indústria desde o início.

Descrição do processo

O FRP envolve dois processos distintos, o primeiro é o processo pelo qual o material fibroso é fabricado e formado, o segundo é o processo pelo qual os materiais fibrosos são ligados à matriz durante a moldagem. ^[2]

Fibra

A fabricação de tecido de fibra

A fibra de reforço é fabricada em orientações bidimensionais e tridimensionais

1. O polímero reforçado com fibra bidimensional é caracterizado por uma estrutura laminada na qual as fibras estão alinhadas apenas ao longo do plano na direção x e na direção y do material. Isso significa que nenhuma fibra está alinhada na espessura do passar ou na direção z, essa falta de alinhamento na espessura do através da passagem pode criar uma desvantagem no custo e no processamento. Os custos e o trabalho aumentam porque as técnicas convencionais de processamento usadas para fabricar compósitos, como lay-up de mão úmida, moldagem por transferência de autoclave e resina, requerem uma grande quantidade de mão de obra qualificada para cortar, empilhar e consolidar em um componente pré-formado.

2. Os compósitos poliméricos reforçados com fibra tridimensionais são materiais com estruturas tridimensionais de fibra que incorporam fibras na direção x, direção y e direção z. O desenvolvimento de orientações tridimensionais surgiu da necessidade da indústria de reduzir os custos de fabricação, aumentar as propriedades mecânicas da espessura e melhorar a tolerância a danos por impacto; Todos foram problemas associados a polímeros reforçados com fibra bidimensionais.

A fabricação de pré -formas de fibra

As pré -formas de fibra são como as fibras são fabricadas antes de serem ligadas à matriz. As pré -formas de fibra são frequentemente fabricadas em folhas, tapetes contínuos ou como filamentos contínuos para aplicações de pulverização. As quatro maneiras principais de fabricar a pré -forma de fibra são através das técnicas de processamento têxtil da tecelagem, tricô, tranquilidade e costura.

1. A tecelagem pode ser feita de maneira convencional para produzir fibras bidimensionais também em uma tecelagem multicamada que pode criar fibras tridimensionais. No entanto, é necessário que a tecelagem de multicamadas tenha várias camadas de fios de urdidura para criar fibras na direção z, criando algumas desvantagens na fabricação, a saber, o tempo para configurar todos os fios de urdidura no tear. Portanto, a maioria das tecelagens multicamadas é atualmente usada para produzir produtos de largura relativamente estreita ou produtos de alto valor onde o custo da produção de pré -forma é aceitável. Outro dos principais problemas que enfrentam o uso de tecidos multicamadas é a dificuldade em produzir um tecido que contém fibras orientadas com ângulos que não sejam 0 'e 90 ' entre si, respectivamente.

2. A segunda maneira importante de fabricar preformas de fibra é trança. A trança é adequada para a fabricação de tecido limpo ou tubular de largura estreita e não é tão capaz quanto tecer na produção de grandes volumes de tecidos largos. A roer é feita por cima dos mandeiros que variam em forma ou dimensão transversal ao longo de seu comprimento. A trança é limitada a objetos sobre um tijolo em tamanho. Ao contrário da tecelagem padrão, a trança pode produzir tecido que contém fibras a 45 graus de ângulos um para o outro. As fibras tridimensionais de rotação podem ser feitas usando traidores de intertravamento de quatro etapas, duas etapas ou multicamadas. As transportadoras adicionais são adicionadas à parte externa da matriz, cuja localização e quantidade precisas depende da forma e estrutura exatas da pré -forma necessárias. Existem quatro sequências separadas de movimento de linha e coluna, que atuam para interligar os fios e produzir a pré -forma trançada. Os fios são mecanicamente forçados a entrar na estrutura entre cada etapa para consolidar a estrutura em um processo semelhante ao uso de uma palheta na tecelagem. A roer em duas etapas é diferente do processo de quatro etapas, porque as duas etapas incluem um grande número de fios fixos na direção axial e um número menos de fios de trança. O processo consiste em duas etapas nas quais as transportadoras de trança se movem completamente através da estrutura entre os portadores axiais. Essa sequência relativamente simples de movimentos é capaz de formar pré -formas de qualquer forma, incluindo formas circulares e ocas. Ao contrário do processo de quatro etapas, o processo de duas etapas não requer compactação mecânica, os movimentos envolvidos no processo permitem que a trança seja apertada apenas pela tensão do fio. O último tipo de trança é a trança interligada de várias camadas que consiste em várias traades circulares padrão se unindo para formar uma estrutura de rotação cilíndrica. Esse quadro possui uma série de faixas de trança paralela em torno da circunferência do cilindro, mas o mecanismo permite a transferência de portadores de fios entre faixas adjacentes que formam um tecido trançado multicamada com fios entrelaçados para camadas adjacentes. A trança de bloqueio multicamada difere das tranças de quatro etapas e de duas etapas, pois os fios entrelaçados estão principalmente no plano da estrutura e, portanto, não reduzem significativamente as propriedades no plano da pré-forma. Os processos de quatro e duas etapas produzem um maior grau de interligação à medida que os fios de trança viajam pela espessura da pré-forma, mas, portanto, contribuem menos para o desempenho no plano da pré-forma. Uma desvantagem do equipamento de intertravamento multicamada é que, devido ao movimento sinusoidal convencional dos portadores de fios para formar a pré -forma, o equipamento não pode ter a densidade de portadores de fios que é possível com as duas etapas e quatro etapas.

3. As pré-formas de fibra de tricô podem ser feitas com os métodos tradicionais de urdidura e tricô [trama], e o tecido produzido é frequentemente considerado por muitos tecidos bidimensionais, mas máquinas com dois ou mais camas de agulha são capazes de produzir tecidos multicamadas com inhame que atravessam as camadas. Desenvolvimentos em controles eletrônicos para seleção de agulha e transferência de loop de malha e nos mecanismos sofisticados que permitem que áreas específicas do tecido sejam mantidas e seu movimento controlado. Isso permitiu que o tecido se formasse na forma de pré-forma tridimensional necessária com um mínimo de desperdício de material.

4. A costura é sem dúvida a mais simples das quatro principais técnicas de fabricação têxtil e uma que pode ser realizada com o menor investimento em máquinas especializadas. Basicamente, a costura consiste em inserir uma agulha, transportar a linha do ponto, através de uma pilha de camadas de tecido para formar uma estrutura 3D. As vantagens da costura são que é possível costurar tecidos secos e pré -g, embora a ruptura do pré -gravador torne o processo difícil e geralmente crie mais danos no material pré -gravista do que no tecido seco. A costura também utiliza os tecidos bidimensionais padrão que geralmente são usados ​​na indústria composta, portanto, há uma sensação de familiaridade em relação aos sistemas materiais. O uso de tecido padrão também permite um maior grau de flexibilidade na lay-up do tecido do componente do que é possível com os outros processos têxteis, que têm restrições às orientações da fibra que podem ser produzidas. ^[19]

Processos de formação

Uma estrutura rígida é geralmente usada para estabelecer a forma dos componentes FRP. As peças podem ser colocadas em uma superfície plana, referida como uma 'placa de caul' ou em uma estrutura cilíndrica referida como um 'mandrel '. No entanto, a maioria das peças plásticas reforçadas com fibra é criada com um molde ou 'ferramenta. ' Os moldes podem ser moldes femininos côncavos, moldes masculinos ou o molde pode envolver completamente a peça com um molde superior e inferior.

Os processos de moldagem dos plásticos FRP começam colocando a pré -forma de fibra sobre ou no molde. A pré -forma de fibra pode ser fibra seca ou fibra que já contém uma quantidade medida de resina chamada 'Prepreg '. As fibras secas são 'molhadas ' com resina manualmente ou a resina é injetada em um molde fechado. A peça é então curada, deixando a matriz e as fibras na forma criada pelo molde. O calor e/ou a pressão às vezes são usados ​​para curar a resina e melhorar a qualidade da parte final. Os diferentes métodos de formação estão listados abaixo.

Moldagem da bexiga

As folhas individuais de material pré -g são colocadas e colocadas em um molde de estilo feminino, juntamente com uma bexiga semelhante a um balão. O molde é 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

Quando a matéria-prima (bloco de plástico, bloco de borracha, folha de plástico ou grânulos) contém fibras de reforço, uma peça moldada por compressão se qualifica como um plástico reforçado com fibra. Mais tipicamente, a pré -forma de plástico usada na moldagem de compressão não contém fibras de reforço. Na moldura de compressão, a 'pré -forma ' ou 'Charge ', do SMC, o BMC é colocado na cavidade do molde. O molde é fechado e o material é formado e curado dentro por pressão e calor. A moldagem de compressão oferece excelente detalhamento para formas geométricas que variam de detalhes de padrão e alívio a curvas complexas e formas criativas, a engenharia de precisão, tudo dentro de um tempo máximo de cura de 20 minutos. ^[20]

Saco de autoclave e vácuo

As folhas individuais de material pré -g são estabelecidas e colocadas em um molde aberto. O material é coberto com filme de liberação, material de sangramento/respiro e um saco de vácuo. Um vácuo é puxado em parte e todo o molde é colocado em uma autoclave (vaso de pressão aquecido). A parte é curada com um vácuo contínuo para extrair gases presos do laminado. Este é um processo muito comum na indústria aeroespacial, porque oferece controle preciso sobre moldagem devido a um ciclo de cura longo e lento que é de um a várias horas. ^[21] Esse controle preciso cria as formas geométricas laminadas exatas necessárias para garantir força e segurança na indústria aeroespacial, mas também é lento e trabalhador intensivo, o que significa que os custos geralmente o limitam à indústria aeroespacial. ^[20]

Mandrel embrulhando

As folhas de material pré -g são enroladas em torno de um mandril de aço ou alumínio. O material pré -g é compactado por fita de nylon ou cello polipropileno. As peças são normalmente em lote curadas por sacolas a vácuo e penduradas em um forno. Após curar, o violoncelo e o mandril são removidos, deixando um tubo de carbono oco. Esse processo cria tubos de carbono ocos fortes e robustos.

Layup molhado

A formação de layup úmida combina reforço de fibra e a matriz à medida que são colocadas na ferramenta de formação. ^[2] As camadas de fibra de reforço são colocadas em um molde aberto e depois saturadas com uma resina úmida, derramando -a sobre o tecido e trabalhando no tecido. O molde é então deixado para que a resina cure, geralmente à temperatura ambiente, embora o calor seja usado para garantir uma cura adequada. Às vezes, um saco de vácuo é usado para comprimir uma layup molhada. As fibras de vidro são mais comumente usadas para esse processo, os resultados são amplamente conhecidos como fibra de vidro e são usados ​​para criar produtos comuns como esquis, canoas, caiaques e placas de surf. ^[20]

Pistola de helicóptero

Os fios contínuos de fibra de vidro são empurrados através de uma pistola de mão que corta os fios e os combina com uma resina catalisada, como o poliéster. O vidro picado impregnado é fotografado na superfície do molde em qualquer espessura e design que o operador humano pense que é apropriado. Esse processo é bom para grandes corridas de produção a um custo econômico, mas produz formas geométricas com menos força do que outros processos de moldagem e possui baixa tolerância dimensional. O Design Tanks LLC é um dos principais fabricantes que utilizam esse processo. ^[20]

Enrolamento do filamento

As máquinas puxam feixes de fibra através de um banho úmido de resina e enrolam um mandril de aço rotativo em orientações específicas que as peças são curadas temperatura ambiente ou temperaturas elevadas. Mandrel é extraído, deixando uma forma geométrica final, mas pode ser deixada em alguns casos. ^[20]

Pultrusão

Pacotes de fibra e tecidos de fenda são puxados através de um banho molhado de resina e formados na forma da peça áspera. O material saturado é extrudado a partir de uma matriz fechada aquecida, e sendo continuamente puxada através da matriz. Alguns dos produtos finais da pultrusão são formas estruturais, ou seja, viga, ângulo, canal e folha plana. Esses materiais podem ser usados ​​para criar todos os tipos de estruturas de fibra de vidro, como escadas, plataformas, suportes de tanques, tubos e bombas. ^[20]

Moldagem por transferência de resina

Também chamado de infusão de resina . Os tecidos são colocados em um molde no qual a resina úmida é injetada. A resina é tipicamente pressurizada e forçada a uma cavidade que está sob vácuo na moldagem por transferência de resina. A resina é totalmente puxada para a cavidade sob o vácuo na moldagem por transferência de resina assistida a vácuo. Esse processo de moldagem permite tolerâncias precisas e modelagem detalhada, mas às vezes pode deixar de saturar completamente o tecido que leva a pontos fracos na forma final. ^[20]

Vantagens e limitações

O FRP permite o alinhamento das fibras de vidro dos termoplásticos para atender a programas de design específicos. Especificar a orientação das fibras de reforço pode aumentar a força e a resistência à deformação do polímero. Os polímeros reforçados com vidro são mais fortes e mais resistentes às forças deformadas quando as fibras dos polímeros são paralelas à força que está sendo exercida e são mais fracas quando as fibras são perpendiculares. Portanto, essa capacidade é ao mesmo tempo uma vantagem ou uma limitação, dependendo do contexto de uso. Pontos fracos de fibras perpendiculares podem ser usados ​​para dobradiças e conexões naturais, mas também podem levar à falha do material quando os processos de produção não orientam adequadamente as fibras paralelas às forças esperadas. Quando as forças são exercidas perpendiculares à orientação das fibras, a força e a elasticidade do polímero são menores que a matriz sozinha. Nos componentes da resina fundida feitos de polímeros reforçados com vidro, como UP e EP, a orientação das fibras pode ser orientada em tecidos bidimensionais e tridimensionais. Isso significa que, quando as forças são possivelmente perpendiculares a uma orientação, elas são paralelas a outra orientação; Isso elimina o potencial de pontos fracos no polímero.

Modos de falha

A falha estrutural pode ocorrer nos materiais FRP quando:

• As forças de tração esticam a matriz mais do que as fibras, fazendo com que o material cisem na interface entre a matriz e as fibras.

• As forças de tração perto do final das fibras excedem as tolerâncias da matriz, separando as fibras da matriz.

• As forças de tração também podem exceder as tolerâncias das fibras, causando fraturas nas próprias fibras, levando à falha do material. ^[2]

Requisitos de material

Um material da matriz de polímero termoestoso ou o material da matriz de polímeros termoplásticos de grau de engenharia deve atender a certos requisitos para primeiro ser adequados para FRPs e garantir um reforço bem -sucedido de si. A matriz deve ser capaz de saturar adequadamente e, de preferência, se unir quimicamente com o reforço da fibra para obter adesão máxima dentro de um período de cura adequado. A matriz também deve envolver completamente as fibras para protegê -las de cortes e entalhes que reduziriam sua força e transferir forças para as fibras. As fibras também devem ser mantidas separadas uma da outra, para que, se ocorrer falha, ela estiver localizada o máximo possível e, se ocorrer falha, a matriz também deve desviar da fibra por razões semelhantes. Finalmente, a matriz deve ser de um plástico que permaneça quimicamente e fisicamente estável durante e após os processos de reforço e moldagem. Para ser adequado como material de reforço, os aditivos de fibra devem aumentar a resistência à tração e o módulo de elasticidade da matriz e atender às seguintes condições; As fibras devem exceder o teor crítico de fibra; A força e a rigidez das próprias fibras devem exceder apenas a força e a rigidez da matriz; e deve haver uma ligação ideal entre fibras e matriz

Material de fibra de vidro

'Plásticos reforçados com fibra de vidro ' ou FRPS (geralmente referidos simplesmente como fibra de vidro) usam fibras de vidro de grau têxtil. Essas fibras têxteis são diferentes de outras formas de fibras de vidro usadas para prender deliberadamente o ar, para isolantes (consulte a lã de vidro). As fibras de vidro têxteis começam como combinações variadas de SiO ₂, AL ₂O ₃, B ₂O ₃, CAO ou MGO em pó. Essas misturas são então aquecidas através do derretimento direto a temperaturas em torno de 1300 graus Celsius, após o que as mortes são usadas para extrudar filamentos de fibra de vidro de diâmetro variando de 9 a 17 µm. Esses filamentos são então enrolados em fios maiores e girados nas bobinas para transporte e processamento adicional. A fibra de vidro é de longe os meios mais populares para reforçar o plástico e, portanto, desfruta de uma riqueza de processos de produção, alguns dos quais são aplicáveis ​​às fibras de aramida e carbono, além de suas qualidades fibrosas compartilhadas.

A roving é um processo em que os filamentos são girados em threads de diâmetro maior. Esses threads são então comumente usados ​​para tecidos de vidro de reforço de tecidos e tapetes e em aplicações de pulverização.

Os tecidos de fibra são material de reforço de tecido de forma de web que possui instruções de urdidura e trama. Os tapetes de fibra são tapetes não tecidos na Web de fibras de vidro. As tapetes são fabricadas em dimensões cortadas com fibras picadas ou em tapetes contínuos usando fibras contínuas. O vidro de fibra picado é usada em processos onde os comprimentos dos fios de vidro são cortados entre 3 e 26 mm, as roscas são usadas em plásticos mais comumente destinados a processos de moldagem. Os fios curtos de fibra de vidro são curtos de 0,2 a 0,3 mm de fibras de vidro que são usadas para reforçar os termoplásticos mais comumente para moldagem por injeção.

Fibra de carbono

As fibras de carbono são criadas quando as fibras de poliacrilonitrila (PAN), resinas de pitch ou rayon são carbonizadas (por oxidação e pirólise térmica) a altas temperaturas. Através de processos adicionais de grafitizar ou esticar a força ou elasticidade das fibras, podem ser aprimoradas, respectivamente. As fibras de carbono são fabricadas em diâmetros análogos às fibras de vidro com diâmetros que variam de 4 a 17 µm. Essas fibras ficaram em fios maiores para transporte e processos de produção adicionais. ^[2] Outros processos de produção incluem tecelagem ou roer em tecidos de carbono, panos e tapetes análogos aos descritos para vidro que podem ser usados ​​em reforços reais. ^[1]

Material de fibra de aramida

As fibras de aramida são mais conhecidas como Kevlar, Nomex e Technora. As aramides são geralmente preparadas pela reação entre um grupo de amina e um grupo halogeneto de ácido carboxílico (aramida); ^[1] Geralmente, isso ocorre quando uma poliamida aromática é girada de uma concentração líquida de ácido sulfúrico em uma fibra cristalizada. ^[2] As fibras são então giradas em fios maiores, a fim de tecer em cordas grandes ou tecidos (aramid). ^[1] As fibras de aramida são fabricadas com graus variados, com base em qualidades variadas de força e rigidez, para que o material possa ser um pouco adaptado a preocupações de design específicas, como cortar o material resistente durante a fabricação. ^[2]

Exemplo de combinações de polímero e reforço

de material de reforço [2] Propriedades	mais comuns de materiais da matriz	melhorados
Fibras de vidro	UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE	Força, elasticidade, resistência ao calor
Fibras de madeira	PE, PP, ABS, HDPE, PLA	Resistência à flexão, módulo de tração, resistência à tração
Fibras de carbono e aramida	EP, UP, VE, PA	Elasticidade, resistência à tração, força de compressão, força elétrica.
Partículas inorgânicas	Termoplásticos semicristalinos, UP	Retração isotrópica, abrasão, força de compressão

Aplicações

Os plásticos reforçados com fibra são mais adequados para qualquer programa de design que exija economia de peso, engenharia de precisão, tolerâncias finitas e a simplificação de peças na produção e na operação. Um artefato de polímero moldado é mais barato, mais rápido e mais fácil de fabricar do que o alumínio fundido ou o artefato de aço e mantém tolerâncias e forças de material semelhantes e às vezes melhores.

Polímeros reforçados com fibro de carbono

Leme do Airbus A310

• As vantagens sobre um leme tradicional feito de alumínio da folha são:

• Redução de 25% no peso

• Redução de 95% nos componentes combinando peças e formas em peças moldadas mais simples.

• Redução geral nos custos operacionais e de produção, a economia das peças resulta em custos mais baixos de produção e a economia de peso cria economia de combustível que diminui os custos operacionais do voo do avião.

Polímeros reforçados com fibra de vidro

Os coletores de admissão do motor são feitos de PA 66 reforçado com fibra de vidro.

• As vantagens que isso tem sobre os coletores de alumínio fundido são:

• Até uma redução de 60% no peso

• Melhoria da qualidade da superfície e aerodinâmica

• Redução nos componentes combinando peças e formas em formas moldadas mais simples.

Pedais automotivos de gás e embreagem feitos de PA 66 reforçado com fibra de vidro (DWP 12–13)

• As vantagens sobre o alumínio estampado são:

• Os pedais podem ser moldados como unidades únicas que combinam pedais e ligações mecânicas, simplificando a produção e operação do design.

• As fibras podem ser orientadas para reforçar contra tensões específicas, aumentando a durabilidade e a segurança.

Janelas, portas e fachadas de alumínio são isoladas termicamente usando plásticos de isolamento térmico feitos de poliamida reforçada com fibra de vidro. Em 1977, a Ensinger GmbH produziu o primeiro perfil de isolamento para sistemas de janelas.

Aplicações estruturais

O FRP pode ser aplicado para fortalecer as vigas, colunas e lajes de edifícios e pontes. É possível aumentar a força dos membros estruturais, mesmo depois de terem sido severamente danificados devido a condições de carregamento. No caso de membros de concreto armado danificado, isso primeiro exigiria o reparo do membro removendo detritos soltos e preenchendo cavidades e rachaduras com morteira ou resina epóxi. Depois que o membro é reparado, o fortalecimento pode ser alcançado por meio de lay-up úmido de engravidar as folhas de fibra com resina epóxi e depois aplicá-las às superfícies limpas e preparadas do membro.

Duas técnicas são normalmente adotadas para o fortalecimento das vigas, relacionadas ao aprimoramento da força desejado: fortalecimento da flexão ou fortalecimento do cisalhamento. Em muitos casos, pode ser necessário fornecer aprimoramentos de força. Para o fortalecimento da flexão de uma viga, as folhas ou placas FRP são aplicadas à face de tensão do membro (a face inferior para um membro simplesmente suportado com carga superior aplicada ou carga de gravidade). As principais fibras de tração são orientadas no eixo longitudinal do feixe, semelhante ao seu reforço interno de aço flexural. Isso aumenta a resistência ao feixe e sua rigidez (carga necessária para causar deflexão da unidade), no entanto, diminui a capacidade de deflexão e a ductilidade.

Para o fortalecimento do cisalhamento de um feixe, o FRP é aplicado na web (lados) de um membro com fibras orientadas transversais ao eixo longitudinal do feixe. A resistência das forças de cisalhamento é alcançada de maneira semelhante aos estribos internos do aço, preenchendo as rachaduras de cisalhamento que se formam sob carga aplicada. O FRP pode ser aplicado em várias configurações, dependendo das faces expostas do membro e do grau de fortalecimento desejado, isso inclui: ligação lateral, embrulho em U (Jackets U-Jackets) e envoltórios fechados (envoltórios completos). A ligação lateral envolve a aplicação apenas de FRP nas laterais da viga. Ele fornece a menor quantidade de fortalecimento de cisalhamento devido a falhas causadas pela desligamento da superfície do concreto nas bordas livres de FRP. Para as brocas em U, o FRP é aplicado continuamente em uma forma 'U' ao redor dos lados e do fundo (tensão) da face do feixe. Se todas as faces de um feixe estiverem acessíveis, o uso de envoltórios fechados é desejável, pois eles fornecem o maior aumento de força. A embalagem fechada envolve a aplicação de FRP em torno de todo o perímetro do membro, de modo que não há extremidades livres e o modo de falha típico é a ruptura das fibras. Para todas as configurações de embrulho, o FRP pode ser aplicado ao longo do comprimento do membro como uma folha contínua ou como tiras discretas, com uma largura e espaçamento mínimo predefinido.

As lajes podem ser fortalecidas aplicando tiras de FRP na face do fundo (tensão). Isso resultará em um melhor desempenho na flexão, uma vez que a resistência à tração das lajes é complementada pela resistência à tração do FRP. No caso de vigas e lajes, a eficácia do fortalecimento de FRP depende do desempenho da resina escolhida para a ligação. Isso é particularmente um problema para o fortalecimento do cisalhamento usando a ligação lateral ou as redes em U. As colunas geralmente são embrulhadas com FRP em torno do perímetro, como em embalagem fechada ou completa. Isso não apenas resulta em maior resistência ao cisalhamento, mas mais crucial para o design da coluna, mas resulta em aumento da resistência à compressão sob carga axial. O envoltório FRP funciona restritando a expansão lateral da coluna, o que pode melhorar o confinamento de maneira semelhante à do reforço em espiral para o núcleo da coluna.

Cabo de elevador

Em junho de 2013, a Kone Elevator Company anunciou a Ultrrarope para uso como substituto para cabos de aço em elevadores. Ele sela as fibras de carbono em polímero de alto atrito. Ao contrário do cabo de aço, o Ultrrarope foi projetado para edifícios que requerem até 1.000 metros de elevação. Os elevadores de aço chegam a 500 metros. A empresa estimou que, em um edifício de 500 metros de altura, um elevador usaria 15 % menos energia elétrica do que uma versão com capacidade para aço. Em junho de 2013, o produto havia passado em todos os testes de certificação da União Europeia. ^[22]

Considerações de design

O FRP é usado em projetos que requerem uma medida de força ou módulo de elasticidade que plásticos não reforçados e outras opções de materiais são mal adequados para mecanicamente ou economicamente. Isso significa que a principal consideração do projeto para o uso de FRP é garantir que o material seja usado economicamente e de uma maneira que aproveite seus aprimoramentos estruturais especificamente. No entanto, esse nem sempre é o caso, a orientação das fibras também cria uma fraqueza material perpendicular às fibras. Assim, o uso de reforço de fibra e sua orientação afeta a força, a rigidez e a elasticidade de uma forma final e, portanto, a operação do próprio produto final. Orientação da direção das fibras, unidirecional, 2dimensionalmente ou três dimensionalmente durante a produção, afeta o grau de força, flexibilidade e elasticidade do produto final. As fibras orientadas na direção das forças exibem maior resistência à distorção dessas forças e vice -versa, portanto, áreas de um produto que devem suportar forças serão reforçadas com fibras na mesma direção e áreas que requerem flexibilidade, como dobradiças naturais, usarão fibras em uma direção perpendicular para forças. O uso de mais dimensões evita isso ou cenário e cria objetos que buscam evitar pontos fracos específicos devido à orientação unidirecional das fibras. As propriedades de força, flexibilidade e elasticidade também podem ser ampliadas ou diminuídas através da forma geométrica e do design do produto final. Isso inclui essa consideração de design, como garantir a espessura adequada da parede e criar formas geométricas multifuncionais que podem ser moldadas como peças únicas, criando formas que possuem mais integridade material e estrutural, reduzindo as juntas, conexões e hardware. ^[2]

Preocupações de descarte e reciclagem

Como um subconjunto de plásticos plásticos, é responsável por vários problemas e preocupações no descarte e reciclagem de resíduos plásticos. Os plásticos representam um desafio particular na reciclagem porque são derivados de polímeros e monômeros que geralmente não podem ser separados e devolvidos aos seus estados virgens, por esse motivo, nem todos os plásticos podem ser reciclados para reutilização, de fato, algumas estimativas afirmam que apenas 20% a 30% dos plásticos podem ser reciclados. Os plásticos reforçados com fibra e suas matrizes compartilham essas preocupações e preocupações ambientais. Além dessas preocupações, o fato de as próprias fibras são difíceis de remover da matriz e preservar a reutilização, significa que a FRP amplifica esses desafios. Os FRPs são inerentemente difíceis de separar em materiais de base, que é em fibras e matriz, e a matriz em plásticos utilizáveis ​​separados, polímeros e monômeros. Essas são todas as preocupações do design informado ambientalmente hoje. Os plásticos geralmente oferecem economia de energia e economia econômica em comparação com outros materiais. Além disso, com o advento de novas matrizes mais ecológicas, como bioplásticas e plásticos degradáveis ​​ao UV, o FRP ganhará sensibilidade ambiental. ^[1]

Veja também

• Termoplástico reforçado com fibra longa

Referências

>>>>> Nota: Artigo proveniente de https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reinforced_plastic <<<