Plástico reforçado com fibra

Plástico reforçado com fibra ( FRP ) (também polímero reforçado com fibra ) é um material compósito feito de uma matriz polimérica reforçada com fibras. As fibras são geralmente de vidro, carbono, aramida ou basalto. Raramente, foram utilizadas outras fibras, como papel, madeira ou amianto. O polímero é geralmente um plástico termoendurecível de epóxi, viniléster ou poliéster; 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 em armaduras balísticas.

Definição de processo

Um polímero é geralmente fabricado por polimerização por crescimento em etapas ou polimerização por adição. Quando combinado com vários agentes para melhorar ou de alguma forma alterar as propriedades materiais dos polímeros, o resultado é referido como plástico. Plásticos compostos referem-se aos tipos de plásticos que resultam da ligação de dois ou mais materiais homogêneos com diferentes propriedades de material para obter um produto final com certas propriedades materiais e mecânicas desejadas. Os plásticos reforçados com fibra são uma categoria de plásticos compostos que usam especificamente materiais de fibra para aumentar mecanicamente a resistência e a elasticidade dos plásticos. O material plástico original sem reforço de fibra é conhecido como matriz ou agente ligante. A matriz é um plástico resistente, mas relativamente fraco, que é reforçado por filamentos ou fibras de reforço mais fortes e mais rígidos. A extensão em que a resistência e a elasticidade são aumentadas em um plástico reforçado com fibra depende das propriedades mecânicas da fibra e da matriz, do seu volume em relação um ao outro e do comprimento e orientação da fibra dentro da matriz. ^[1] O reforço da matriz ocorre por definição quando o material FRP apresenta maior resistência ou elasticidade em relação à resistência e elasticidade da matriz sozinha. ^[2]

História

A baquelite foi o primeiro plástico reforçado com fibra. O Dr. Leo Baekeland originalmente pretendia encontrar um substituto para a goma-laca (feita a partir da excreção de besouros laca). Os químicos começaram a reconhecer que muitas resinas e fibras naturais eram polímeros, e Baekeland investigou as reações do fenol e do formaldeído. Ele primeiro produziu uma goma-laca solúvel de fenol-formaldeído chamada 'Novolak', que nunca se tornou um sucesso de mercado, depois passou a desenvolver um aglutinante para amianto que, na época, era moldado com borracha. Ao controlar a pressão e a temperatura aplicadas ao fenol e ao formaldeído, ele descobriu em 1905 que poderia produzir o tão sonhado material duro moldável (o primeiro plástico sintético do mundo): baquelite. ^{[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 extensivamente pesquisado na década de 1930. No Reino Unido, foram realizadas pesquisas consideráveis ​​por pioneiros como Norman de Bruyne. Foi particularmente de interesse para a indústria da aviação. ^[6]

A produção em massa de fios de vidro foi descoberta em 1932, quando Games Slayter, um pesquisador da Owens-Illinois, acidentalmente direcionou um jato de ar comprimido contra uma corrente de vidro derretido e produziu fibras. Uma patente para este método de produção de lã de vidro foi solicitada pela primeira vez em 1933. ^[7] Owens juntou-se à empresa Corning em 1935 e o método foi adaptado pela Owens Corning para produzir sua 'fibra de vidro' patenteada (um 's') em 1936. Originalmente, a fibra de vidro era uma lã de vidro com fibras que retinham uma grande quantidade de gás, tornando-a útil como isolante, especialmente em altas temperaturas.

Uma resina adequada para combinar a “fibra de vidro” com um plástico para produzir um material compósito foi desenvolvida em 1936 por du Pont. O primeiro ancestral das resinas de poliéster modernas é a resina Cyanamid de 1942. Naquela época, sistemas de cura com peróxido eram usados. ^[8] Com a combinação de fibra de vidro e resina o conteúdo de gás do material foi substituído por plástico. Isto reduziu as propriedades de isolamento a valores típicos do plástico, mas agora, pela primeira vez, o compósito mostrou grande resistência e promessa como material estrutural e de construção. Confusamente, muitos compósitos de fibra de vidro continuaram a ser 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, da Owens Corning, é responsável pela produção do primeiro barco composto em 1937, mas não prosseguiu na época devido à natureza frágil do plástico usado. Em 1939, foi relatado que a Rússia construiu um barco de passageiros com materiais plásticos e os Estados Unidos a fuselagem e as asas de uma aeronave. ^[9] O primeiro carro a ter carroceria de fibra de vidro foi o Stout Scarab de 1946. Apenas um deste modelo foi construído. ^[10] O protótipo da Ford de 1941 poderia ter sido o primeiro carro de plástico, mas há alguma incerteza em torno dos materiais utilizados, uma vez que foi destruído pouco depois. ^{[11] [12]}

O primeiro avião de plástico reforçado com fibra foi o Fairchild F-46, que voou pela primeira vez em 12 de maio de 1937, ou o Bennett Plastic Plane, construído na Califórnia. ^[13] Uma fuselagem de fibra de vidro foi usada em um Vultee BT-13A modificado, designado XBT-16, baseado em Wright Field no final de 1942. ^[14] Em 1943, outros experimentos foram realizados na construção de peças estruturais de aeronaves a partir de materiais compósitos, resultando no primeiro avião, aVultee BT-15, com uma fuselagem GFRP, designada XBT-19, voando em 1944. ^{[15] [16] [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 utilizada, embora não amplamente, na indústria britânica a partir do início da década de 1960. As fibras de aramida também estavam sendo produzidas nessa época, aparecendo primeiro sob o nome comercial Nomex pela DuPont. Hoje, cada uma dessas fibras é amplamente utilizada na indústria para qualquer aplicação que exija plásticos com resistência 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-aramida sejam amplamente encontrados em aplicações aeroespaciais, automotivas e esportivas. ^[2] Estas três (vidro, carbono, andaramida) continuam a ser as categorias importantes de fibra utilizadas em FRP.

A produção global de polímeros na escala atual começou em meados do século XX, quando os baixos custos de materiais e de produção, novas tecnologias de produção e novas categorias de produtos se combinaram para tornar económica a produção de polímeros. A indústria finalmente amadureceu no final da década de 1970, quando a produção mundial de polímeros ultrapassou a do aço, tornando os polímeros o material onipresente que é hoje. Os plásticos reforçados com fibras têm sido um aspecto significativo desta 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. Os polímeros reforçados com fibra bidimensional são caracterizados por uma estrutura laminada na qual as fibras são alinhadas apenas ao longo do plano na direção x e na direção y do material. Isto significa que nenhuma fibra está alinhada na espessura de passagem ou na direção z, esta falta de alinhamento na espessura de passagem pode criar uma desvantagem no custo e no processamento. Os custos e a mão de obra aumentam porque as técnicas de processamento convencionais usadas para fabricar compósitos, como a moldagem manual úmida, a autoclave e a moldagem por transferência de resina, exigem uma grande quantidade de mão de obra qualificada para cortar, empilhar e consolidar em um componente pré-formado.

2. Compósitos tridimensionais de polímero reforçado com fibra são materiais com estruturas de fibra tridimensionais 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, de aumentar as propriedades mecânicas de espessura e de melhorar a tolerância aos danos por impacto; todos eram problemas associados a polímeros bidimensionais reforçados com fibra.

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, esteiras contínuas ou como filamentos contínuos para aplicações de pulverização. As quatro principais formas de fabricar a pré-forma de fibra são através das técnicas de processamento têxtil de tecelagem, tricô, trançado e costura.

1. A tecelagem pode ser feita de maneira convencional para produzir fibras bidimensionais, bem como em uma tecelagem multicamadas que pode criar fibras tridimensionais. No entanto, a tecelagem multicamadas requer múltiplas camadas de fios de urdidura para criar fibras na direção z, criando algumas desvantagens na fabricação, nomeadamente o tempo para preparar todos os fios de urdidura no tear. Portanto, a maior parte da tecelagem multicamadas é atualmente usada para produzir produtos de largura relativamente estreita ou produtos de alto valor onde o custo da produção da pré-forma é aceitável. Outro dos principais problemas enfrentados pela utilização de tecidos multicamadas é a dificuldade em produzir um tecido que contenha fibras orientadas com ângulos diferentes de 0' e 90' entre si, respectivamente.

2. A segunda forma principal de fabricação de pré-formas de fibra é a trança. A trança é adequada para a fabricação de tecidos planos ou tubulares de largura estreita e não é tão capaz quanto a tecelagem na produção de grandes volumes de tecidos largos. A trança é feita sobre mandris que variam em formato ou dimensão da seção transversal ao longo de seu comprimento. A trança é limitada a objetos do tamanho de um tijolo. Ao contrário da tecelagem padrão, a trança pode produzir tecido que contém fibras em ângulos de 45 graus entre si. A trança de fibras tridimensionais pode ser feita usando trança de bloqueio de quatro etapas, duas etapas ou multicamadas. A trança de quatro etapas ou de linha e coluna utiliza uma cama plana contendo fileiras e colunas de transportadores de fios que formam o formato da pré-forma desejada. Transportadores adicionais são adicionados ao exterior do conjunto, cuja localização e quantidade precisas dependem do formato exato da pré-forma e da estrutura necessária. Existem quatro sequências separadas de movimentos de fileiras e colunas, que atuam para interligar os fios e produzir a pré-forma trançada. Os fios são forçados mecanicamente para dentro da estrutura entre cada etapa para consolidar a estrutura em um processo semelhante ao uso de uma palheta na tecelagem. A trança em duas etapas é diferente do processo de quatro etapas porque a de duas etapas inclui um grande número de fios fixados na direção axial e um número menor de fios trançados. O processo consiste em duas etapas nas quais os transportadores trançados se movem completamente através da estrutura entre os transportadores axiais. Esta sequência relativamente simples de movimentos é capaz de formar pré-formas de essencialmente qualquer formato, incluindo formatos circulares e ocos. 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 esticada apenas pela tensão do fio. O último tipo de trançado é o trançado interligado de múltiplas camadas que consiste em uma série de trançadores circulares padrão sendo unidos para formar uma estrutura de trança cilíndrica. Esta estrutura tem um número de faixas de entrançamento paralelas em torno da circunferência do cilindro, mas o mecanismo permite a transferência de transportadores de fios entre faixas adjacentes formando um tecido trançado multicamadas com fios interligados com camadas adjacentes. A trança interligada multicamadas difere das tranças de quatro e de duas etapas porque os fios interligados estão principalmente no plano da estrutura e, portanto, não reduzem significativamente as propriedades no plano da pré-forma. Os processos de quatro e dois passos produzem um maior grau de interligação à medida que os fios trançados percorrem a espessura da pré-forma, mas portanto contribuem menos para o desempenho no plano da pré-forma. Uma desvantagem do equipamento de intertravamento multicamadas é que devido ao movimento sinusoidal convencional dos transportadores de fio para formar a pré-forma, o equipamento não é capaz de ter a densidade de transportadores de fio que é possível com as máquinas de dois e quatro passos.

3. O tricô de pré-formas de fibra pode ser feito com os métodos tradicionais de tricô de urdidura e [trama], e o tecido produzido é frequentemente considerado por muitos como tecido bidimensional, mas máquinas com duas ou mais camas de agulhas são capazes de produzir tecidos multicamadas com fios que atravessam entre as camadas. Desenvolvimentos nos controles eletrônicos para seleção de agulhas e transferência de laços de malha, e nos sofisticados mecanismos que permitem segurar áreas específicas do tecido e controlar seu movimento. Isto permitiu que o tecido se moldasse na forma tridimensional necessária da pré-forma com um mínimo de desperdício de material.

4. A costura é indiscutivelmente a mais simples das quatro principais técnicas de fabricação têxtil e aquela que pode ser realizada com o menor investimento em maquinário especializado. Basicamente a costura consiste em inserir uma agulha, transportando 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 tanto tecido seco como pré-impregnado, embora a pegajosidade do pré-impregnado dificulte o processo e geralmente crie mais danos no material pré-impregnado do que no tecido seco. A costura também utiliza tecidos bidimensionais padrão que são comumente usados ​​na indústria de compósitos, portanto, há uma sensação de familiaridade em relação aos sistemas de materiais. A utilização de tecido padrão também permite um maior grau de flexibilidade na disposição do tecido do componente do que é possível com outros processos têxteis, que têm restrições nas orientações das fibras que podem ser produzidas. ^[19]

Processos de formação

Uma estrutura rígida é geralmente usada para estabelecer a forma dos componentes de FRP. As peças podem ser dispostas em uma superfície plana chamada de 'placa de vedação' ou em uma estrutura cilíndrica chamada de 'mandril'. No entanto, a maioria das peças plásticas reforçadas com fibra são criadas com um molde ou “ferramenta”. Os moldes podem ser moldes fêmeas côncavos, moldes machos ou o molde pode envolver completamente a peça com um molde superior e inferior.

Os processos de moldagem de plásticos FRP começam com a colocação da pré-forma de fibra no molde. A pré-forma de fibra pode ser fibra seca ou fibra que já contém uma quantidade medida de resina chamada 'pré-impregnado'. As fibras secas são “umedecidas” com resina manualmente ou a resina é injetada em um molde fechado. A peça é então curada, deixando a matriz e as fibras no formato criado pelo molde. Às vezes, calor e/ou pressão são usados ​​para curar a resina e melhorar a qualidade da peça final. Os diferentes métodos de formação estão listados abaixo.

Moldagem de bexiga

Folhas individuais de material pré-impregnado são dispostas e colocadas em um molde de estilo feminino junto com uma bexiga em forma de balão. O molde é fechado e colocado em 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 é qualificada como um plástico reforçado com fibra. Mais tipicamente, a pré-forma plástica utilizada na moldagem por compressão não contém fibras de reforço. Na moldagem por compressão, uma “pré-forma” ou “carga”, de SMC, BMC é colocada na cavidade do molde. O molde é fechado e o material é formado e curado internamente por pressão e calor. A moldagem por compressão oferece excelente detalhamento para formas geométricas, desde detalhes de padrões e relevos até curvas complexas e formas criativas, até engenharia de precisão, tudo dentro de um tempo de cura máximo de 20 minutos. ^[20]

Autoclave e saco de vácuo

Folhas individuais de material pré-impregnado são dispostas e colocadas em um molde aberto. O material é coberto com filme removível, material de sangria/respiro e um saco de vácuo. Um vácuo é aplicado em uma parte e todo o molde é colocado em uma autoclave (vaso de pressão aquecido). A peça é curada com vácuo contínuo para extrair gases retidos no laminado. Este é um processo muito comum na indústria aeroespacial porque permite um controle preciso sobre a moldagem devido a um ciclo de cura longo e lento que varia de uma a várias horas. ^[21] Este controle preciso cria as formas geométricas exatas do laminado necessárias para garantir resistência e segurança na indústria aeroespacial, mas também é lento e trabalhoso, o que significa que os custos muitas vezes o limitam à indústria aeroespacial. ^[20]

Envolvimento de mandril

Folhas de material pré-impregnado são enroladas em um mandril de aço ou alumínio. O material pré-impregnado é compactado com fita de náilon ou polipropileno para violoncelo. As peças são normalmente curadas em lote por ensacamento a vácuo e penduradas em um forno. Após a cura, o violoncelo e o mandril são removidos deixando um tubo oco de carbono. Este processo cria tubos de carbono ocos fortes e robustos.

Camada molhada

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

Arma helicóptero

Fios contínuos de fibra de vidro são empurrados através de uma pistola manual que corta os fios e os combina com uma resina catalisada, como o poliéster. O vidro picado impregnado é injetado na superfície do molde em qualquer espessura e design que o operador humano considere apropriado. Este processo é bom para grandes tiragens de produção a um custo econômico, mas produz formas geométricas com menos resistência do que outros processos de moldagem e tem baixa tolerância dimensional. Design Tanks LLC é um dos principais fabricantes que utilizam este processo. ^[20]

Enrolamento de filamento

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

Pultrusão

Feixes de fibras e tecidos cortados são puxados através de um banho úmido de resina e moldados no formato da peça áspera. O material saturado é extrudado a partir de uma cura em matriz fechada aquecida enquanto é continuamente puxado através da matriz. Alguns dos produtos finais da pultrusão são formas estruturais, ou seja, viga I, ângulo, canal e chapa plana. Esses materiais podem ser usados ​​para criar todos os tipos de estruturas de fibra de vidro, como escadas, plataformas, sistemas de corrimão, tanques, tubos e suportes de bombas. ^[20]

Moldagem por transferência de resina

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

Vantagens e limitações

O FRP permite o alinhamento das fibras de vidro dos termoplásticos para atender programas de design específicos. A especificação da orientação das fibras de reforço pode aumentar a resistência e a resistência à deformação do polímero. Os polímeros reforçados com vidro são mais fortes e mais resistentes às forças de deformação quando as fibras do polímero são paralelas à força exercida, e são mais fracos quando as fibras são perpendiculares. Assim, esta capacidade é ao mesmo tempo uma vantagem ou uma limitação, dependendo do contexto de utilização. Pontos fracos de fibras perpendiculares podem ser usados ​​para articulações e conexões naturais, mas também podem levar à falha do material quando os processos de produção não conseguem orientar adequadamente as fibras paralelamente às forças esperadas. Quando forças são exercidas perpendicularmente à orientação das fibras, a resistência e a elasticidade do polímero são menores do que a da matriz sozinha. Em componentes de resina fundida feitos de polímeros reforçados com vidro, como UP e EP, a orientação das fibras pode ser orientada em tramas bidimensionais e tridimensionais. Isto significa que quando as forças são possivelmente perpendiculares a uma orientação, são paralelas a outra orientação; isso elimina o potencial de pontos fracos no polímero.

Modos de falha

A falha estrutural pode ocorrer em materiais FRP quando:

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

• As forças de tração próximas às extremidades das fibras excedem as tolerâncias da matriz, separando as fibras da matriz.

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

Requisitos de materiais

Um material de matriz polimérica termofixa, ou material de matriz polimérica termoplástica de grau de engenharia, deve atender a certos requisitos para primeiro ser adequado para FRPs e garantir um reforço bem-sucedido de si mesmo. A matriz deve ser capaz de saturar adequadamente e, de preferência, ligar-se quimicamente ao reforço de fibra para máxima adesão dentro de um período de cura adequado. A matriz também deve envolver completamente as fibras para protegê-las de cortes e entalhes que reduziriam a sua resistência, e para transferir forças para as fibras. As fibras também devem ser mantidas separadas umas das outras para que, se ocorrer uma falha, ela seja localizada tanto quanto possível, e se ocorrer uma falha, a matriz também deve se separar da fibra por razões semelhantes. Finalmente, a matriz deve ser de um plástico que permaneça química e fisicamente estável durante e após os processos de reforço e moldagem. Para serem adequados 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 conteúdo crítico de fibras; a resistência e a rigidez das próprias fibras devem exceder a resistência e a rigidez da matriz por si só; e deve haver uma ligação ideal entre fibras e matriz

Material de fibra de vidro

'Plásticos reforçados com fibra de vidro' ou FRPs (comumente chamados simplesmente de fibra de vidro) usam fibras de vidro de qualidade têxtil. Estas fibras têxteis são diferentes de outras formas de fibras de vidro utilizadas para reter deliberadamente o ar, para aplicações isolantes (ver lã de vidro). As fibras de vidro têxteis começam como combinações variadas de SiO ₂, AlO ₂, ₃BO ₂, ₃CaO ou MgO em pó. Essas misturas são então aquecidas por fusão direta a temperaturas em torno de 1300 graus Celsius, após o que as matrizes são usadas para extrusar filamentos de fibra de vidro com diâmetros que variam de 9 a 17 µm. Esses filamentos são então enrolados em fios maiores e fiados em bobinas para transporte e processamento posterior. A fibra de vidro é de longe o meio mais popular para reforçar o plástico e, portanto, desfruta de uma variedade de processos de produção, alguns dos quais também são aplicáveis ​​às fibras de aramida e de carbono devido às suas qualidades fibrosas compartilhadas.

Roving é um processo em que os filamentos são fiados em fios de maior diâmetro. Esses fios são comumente usados ​​para tecidos e esteiras de vidro de reforço e em aplicações de pulverização.

Os tecidos de fibra são materiais de reforço de tecido em forma de teia que possuem direções de urdidura e trama. As esteiras de fibra são esteiras não tecidas de fibras de vidro em forma de teia. As esteiras são fabricadas em dimensões cortadas com fibras picadas, ou em esteiras contínuas utilizando fibras contínuas. A fibra de vidro picada é usada em processos onde comprimentos de fios de vidro são cortados entre 3 e 26 mm. Os fios são então usados ​​em plásticos mais comumente destinados a processos de moldagem. Os fios curtos de fibra de vidro são fios curtos de fibra de vidro de 0,2 a 0,3 mm que são usados ​​para reforçar termoplásticos, mais comumente para moldagem por injeção.

Fibra de carbono

As fibras de carbono são criadas quando fibras de poliacrilonitrila (PAN), resinas de piche ou rayon são carbonizadas (por meio de oxidação e pirólise térmica) em altas temperaturas. Através de outros processos de grafitização ou estiramento, a resistência ou a elasticidade das fibras podem ser melhoradas, respectivamente. As fibras de carbono são fabricadas em diâmetros análogos às fibras de vidro, com diâmetros variando de 4 a 17 µm. Essas fibras são enroladas em fios maiores para transporte e outros processos de produção. ^[2] Outros processos de produção incluem tecelagem ou trançamento em tecidos de carbono, panos e esteiras análogos aos descritos para o vidro, que podem então ser usados ​​em reforços reais. ^[1]

Material de fibra de aramida

As fibras de aramida são mais comumente conhecidas como Kevlar, Nomex e Technora. As aramidas são geralmente preparadas pela reação entre um grupo amina e um grupo haleto de ácido carboxílico (aramida); ^[1] comumente isso ocorre quando uma poliamida aromática é fiada de uma concentração líquida de ácido sulfúrico em uma fibra cristalizada. ^[2] As fibras são então fiadas em fios maiores para serem tecidas em grandes cordas ou tecidos (aramida). ^[1] As fibras de aramida são fabricadas com graus variados com base em qualidades variadas de resistência e rigidez, de modo que o material pode ser adaptado às necessidades específicas do projeto, como o corte do material resistente durante a fabricação. ^[2]

Exemplo de combinações de polímero e reforço

Material de reforço [2]	Materiais de matriz mais comuns	Propriedades melhoradas
Fibras de vidro	UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE	Força, elasticidade, resistência ao calor
Fibras de madeira	PE, PP, ABS, PEAD, PLA	Resistência à flexão, módulo de tração, resistência à tração
Fibras de carbono e aramida	EP, UP, VE, PA	Elasticidade, resistência à tração, resistência à compressão, resistência elétrica.
Partículas inorgânicas	Termoplásticos semicristalinos, UP	Encolhimento isotrópico, abrasão, resistência à compressão

Aplicativos

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

Polímeros reforçados com fibra de carbono

Leme do Airbus A310

• As vantagens em relação a um leme tradicional feito de chapa de alumínio são:

• 25% de redução de peso

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

• A redução global dos custos operacionais e de produção, a economia de peças resulta em custos de produção mais baixos e a poupança de peso cria poupanças de combustível que reduzem os custos operacionais de pilotar o 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 em relação aos coletores de alumínio fundido são:

• Redução de peso de até 60%

• Melhor qualidade de superfície e aerodinâmica

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

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

• As vantagens em relação ao alumínio estampado são:

• Os pedais podem ser moldados como unidades únicas, combinando pedais e ligações mecânicas, simplificando a produção e a operação do projeto.

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

Janelas, portas e fachadas de alumínio são isoladas termicamente com plásticos isolantes térmicos 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 reforçar vigas, pilares e lajes de edifícios e pontes. É possível aumentar a resistência dos membros estruturais mesmo depois de terem sido severamente danificados devido às condições de carregamento. No caso de elementos de concreto armado danificados, isso exigiria primeiro o reparo do elemento, removendo detritos soltos e preenchendo cavidades e fissuras com argamassa ou resina epóxi. Uma vez reparado o membro, o reforço pode ser conseguido através de uma aplicação manual e úmida, impregnando as folhas de fibra com resina epóxi e aplicando-as nas superfícies limpas e preparadas do membro.

Duas técnicas são tipicamente adotadas para o reforço de vigas, relacionadas ao aumento de resistência desejado: reforço à flexão ou reforço ao cisalhamento. Em muitos casos, pode ser necessário fornecer ambos os aumentos de resistência. Para o reforço à flexão de uma viga, folhas ou placas de FRP são aplicadas na face tensionada da barra (a face inferior para uma barra simplesmente apoiada com carga superior aplicada ou carga gravitacional). As principais fibras de tração são orientadas no eixo longitudinal da viga, semelhante à sua armadura interna de aço de flexão. Isto aumenta a resistência da viga e a sua rigidez (carga necessária para causar a deflexão da unidade), mas diminui a capacidade de deflexão e a ductilidade.

Para o reforço ao cisalhamento de uma viga, o FRP é aplicado na alma (laterais) de uma barra com fibras orientadas transversalmente ao eixo longitudinal da viga. A resistência às forças de cisalhamento é obtida de maneira semelhante aos estribos internos de aço, colmatando as fissuras de cisalhamento que se formam sob o carregamento aplicado. O FRP pode ser aplicado em diversas configurações, dependendo das faces expostas do membro e do grau de reforço desejado, incluindo: colagem lateral, envoltórios em U (jaquetas em U) e envoltórios fechados (envoltórios completos). A colagem lateral envolve a aplicação de FRP apenas nas laterais da viga. Proporciona o menor reforço ao cisalhamento devido a falhas causadas pela descolagem da superfície do concreto nas bordas livres do FRP. Para envoltórios em U, o FRP é aplicado continuamente em formato de 'U' ao redor das laterais e da face inferior (tensão) da viga. Se todas as faces de uma viga forem acessíveis, o uso de envoltórios fechados é desejável, pois proporcionam maior aumento de resistência. O envolvimento fechado envolve a aplicação de FRP em todo o perímetro do membro, de modo que não haja extremidades livres e o modo de falha típico seja a ruptura das fibras. Para todas as configurações de envoltório, o FRP pode ser aplicado ao longo do comprimento do membro como uma folha contínua ou como tiras discretas, com largura e espaçamento mínimos predefinidos.

As lajes podem ser reforçadas aplicando tiras de PRFV na sua face inferior (tensão). Isto resultará em melhor desempenho à 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 reforço em FRP depende do desempenho da resina escolhida para colagem. Isto é particularmente um problema para o reforço ao cisalhamento usando colagem lateral ou envoltórios em U. As colunas são normalmente envolvidas com FRP em torno de seu perímetro, como acontece com o envolvimento fechado ou completo. Isto não só resulta em maior resistência ao cisalhamento, mas, mais crucial para o projeto de pilares, resulta em maior resistência à compressão sob carga axial. O envoltório de FRP funciona restringindo a expansão lateral da coluna, o que pode aumentar o confinamento de maneira semelhante ao reforço em espiral para o núcleo da coluna.

Cabo do elevador

Em junho de 2013, a empresa de elevadores KONE anunciou o Ultrarope para uso como substituto de cabos de aço em elevadores. Sela as fibras de carbono em polímero de alta fricção. Ao contrário do cabo de aço, o Ultrarope foi projetado para edifícios que requerem até 1.000 metros de elevação. Elevadores de aço chegam a 500 metros. A empresa estimou que, num edifício de 500 metros de altura, um elevador consumiria 15% menos energia elétrica do que uma versão com cabo de aço. Em junho de 2013, o produto passou em todos os testes de certificação da União Europeia e dos EUA. ^[22]

Considerações de projeto

O FRP é usado em projetos que exigem uma medida de resistência ou módulo de elasticidade para os quais os plásticos não reforçados e outras opções de materiais não são adequados mecanicamente ou economicamente. Isso significa que a principal consideração de projeto para o uso de FRP é garantir que o material seja usado de maneira econômica e de uma maneira que aproveite especificamente suas melhorias estruturais. No entanto, isto nem sempre é o caso, a orientação das fibras também cria uma fraqueza do material perpendicular às fibras. Assim, a utilização de reforço de fibra e a sua orientação afecta a resistência, a rigidez e a elasticidade de uma forma final e, portanto, o funcionamento do próprio produto final. Orientar a direção das fibras unidirecionalmente, bidimensionalmente ou tridimensionalmente durante a produção afeta o grau de resistência, flexibilidade e elasticidade do produto final. As fibras orientadas na direção das forças apresentam 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, utilizarão fibras na direção perpendicular às forças. A utilização de mais dimensões evita este cenário ou cria objetos que procuram evitar quaisquer pontos fracos específicos devido à orientação unidirecional das fibras. As propriedades de resistência, flexibilidade e elasticidade também podem ser ampliadas ou diminuídas através da forma geométrica e do design do produto final. Isso inclui considerações de projeto, como garantir a espessura adequada da parede e criar formas geométricas multifuncionais que podem ser moldadas como peças únicas, criando formas que tenham mais integridade material e estrutural, reduzindo juntas, conexões e ferragens. ^[2]

Preocupações com descarte e reciclagem

Como um subconjunto do plástico, os plásticos FR estão sujeitos a uma série de questões e preocupações no descarte e reciclagem de resíduos plásticos. Os plásticos representam um desafio particular na reciclagem porque são derivados de polímeros e monómeros que muitas vezes não podem ser separados e devolvidos ao seu estado virgem. Por esta razão, nem todos os plásticos podem ser reciclados para reutilização; na verdade, algumas estimativas afirmam que apenas 20% a 30% dos plásticos podem ser reciclados. Os plásticos reforçados com fibras e as suas matrizes partilham estas preocupações ambientais e de eliminação. Além dessas preocupações, o fato de as próprias fibras serem difíceis de remover da matriz e de preservá-las para reutilização significa que os FRP ampliam esses desafios. Os FRP são inerentemente difíceis de separar em materiais de base, isto é, em fibra e matriz, e a matriz em plásticos, polímeros e monômeros utilizáveis ​​separados. Todas estas são preocupações para o design ambientalmente informado hoje. Os plásticos oferecem muitas vezes poupanças energéticas e económicas em comparação com outros materiais. Além disso, com o advento de novas matrizes mais ecológicas, como os bioplásticos e os plásticos degradáveis ​​por 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<<<<