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Avanços em Termoplásticos Reforçados com Fibra Longa

O que é termoplástico reforçado com fibra longa?

Nos últimos anos, tem havido um rápido desenvolvimento em compósitos termoplásticos reforçados com fibras baseados em resinas termoplásticas. Os materiais termoplásticos puros normalmente carecem de resistência e rigidez suficientes para atender aos requisitos de aplicações exigentes, tornando-os propensos a fraturas ou falhas sob cargas de impacto, limitando assim sua adequação para aplicações que exigem resistência e durabilidade. O Termoplástico Reforçado com Fibra Curta (SFRT) fornece uma solução para esses desafios introduzindo fibras curtas na matriz termoplástica.

As fibras atuam como materiais de reforço, proporcionando resistência, rigidez e resistência ao impacto adicionais ao material compósito. Posteriormente, para melhorar ainda mais o desempenho mecânico, como resistência, rigidez e resistência ao impacto, fibras longas são introduzidas na matriz termoplástica porque as fibras curtas dispersas na matriz não podem fornecer tanto reforço quanto as fibras longas contínuas. O desenvolvimento de materiais termoplásticos reforçados com fibras longas (LFRT ou LFT) supera as limitações dos materiais termoplásticos reforçados com fibras curtas tradicionais.

As principais diferenças entre fibras longas e fibras curtas residem no seu tamanho e orientação. As fibras longas normalmente atingem o nível milimétrico, são relativamente longas e dispostas de maneira mais ordenada, aumentando efetivamente a resistência e a rigidez do material. As fibras curtas, por outro lado, estão geralmente no nível do mícron, têm comprimento relativamente curto e têm uma distribuição mais aleatória.

Inicialmente, pesquisadores e engenheiros começaram a experimentar a incorporação de fibras contínuas, como vidro ou carbono, em matrizes termoplásticas para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais. Do final do século 20 ao século 21, impulsionada pelos avanços no reforço de fibras, formulações de resinas, processos de fabricação e aplicações, a tecnologia LFRT continuou a se desenvolver. Hoje, o LFRT é amplamente utilizado em diversas indústrias devido às suas excelentes propriedades mecânicas, características de leveza e economia em comparação aos materiais tradicionais.

LFT (termoplástico reforçado com fibra longa)

Ao implantar fibras relativamente longas na matriz, a resistência, a rigidez e a capacidade de carga do material aumentam, tornando-o mais durável e confiável. A orientação das fibras longas também pode determinar o desempenho do material. Por exemplo, colocar fibras perpendiculares à direção da força pode aumentar a rigidez à flexão, enquanto colocá-las paralelamente pode aumentar a resistência e a rigidez à tração.

Aplicações de LFRT

O LFRT é amplamente utilizado em indústrias como aeroespacial, automotiva e de construção devido às suas propriedades mecânicas aprimoradas, características de leveza e flexibilidade de design.

Por exemplo:

1. Os materiais LFRT são usados em estruturas de assentos automotivos e painéis de carroceria, oferecendo uma alta relação resistência-peso e resistência ao impacto.
2. Os materiais LFRT são usados em aplicações aeroespaciais para componentes estruturais leves, painéis internos e interiores de aeronaves. Eles atendem aos rigorosos requisitos das aplicações aeroespaciais, ao mesmo tempo que reduzem o peso total e melhoram a eficiência do combustível.

Desafios de fabricação

A dispersão desigual de fibras longas na matriz termoplástica pode levar a propriedades mecânicas fracas ou inconsistentes em áreas locais.

Durante o processamento, as fibras longas podem quebrar ou danificar, reduzindo o seu efeito de reforço e comprometendo o desempenho geral dos materiais compósitos.

A alta temperatura de processamento necessária para fundir resinas termoplásticas pode levar à degradação térmica, afetando o desempenho do material e apresentando desafios de processamento.

Umedecimento insuficiente das fibras pela matriz termoplástica pode levar a uma ligação interfacial deficiente e à redução da resistência do compósito.

Aprimorando a produção de LFRT com extrusoras de parafuso duplo

As extrusoras de rosca dupla permitem o controle preciso dos parâmetros de processamento, como temperatura, velocidade da rosca e tempo de residência, permitindo flexibilidade na formulação do material.

Devido à sua excelente capacidade de mistura, as extrusoras de rosca dupla garantem uma dispersão uniforme de fibras longas na matriz termoplástica. Isso resulta em melhores propriedades mecânicas e desempenho dos materiais LFRT.

A forte ação de mistura e a avançada tecnologia de processamento das extrusoras de rosca dupla facilitam uma melhor umedecimento das fibras pela matriz termoplástica, melhor dispersão das fibras, aumentando assim a adesão interfacial e a resistência do compósito.

As extrusoras de rosca dupla podem produzir continuamente materiais LFRT, proporcionando alta produtividade e qualidade consistente do produto. Isso os torna altamente adequados para operações de fabricação em larga escala.

Processo de Fabricação de Termoplástico Reforçado com Fibra Longa

Os materiais compósitos reforçados com fibra comuns incluem materiais compósitos reforçados com fibra de vidro (GFRP), materiais compósitos reforçados com fibra de carbono (CFRP) e materiais compósitos reforçados com fibra de aramida (AFRP).

Materiais compósitos reforçados com fibras longas são normalmente preparados cortando fibras contínuas embebidas em resina em determinados comprimentos. O método de processamento comum é o processo de pultrusão, que envolve o estiramento de mechas contínuas misturadas com resina termoplástica através de matrizes de moldagem especiais para produzir fios volumosos e contínuos. Atualmente, materiais compósitos termoplásticos PEEK reforçados com fibra longa podem atingir propriedades estruturais de mais de 200 MPa por meio de impressão FDM, com um módulo de mais de 20 GPa, e terão melhor desempenho por meio de moldagem por injeção.

As fibras em materiais compósitos reforçados com fibras contínuas são “contínuas”, variando em comprimento de metros a quilômetros. Tirando PRFV por exemplo, o comprimento das fibras de vidro excede 3 mm, enquanto o LFRT comercial é geralmente de 6 a 25 mm. Os materiais compósitos de fibra contínua fornecem principalmente laminados, pré-impregnados ou tecidos, formados pela impregnação de fibras contínuas com a matriz termoplástica desejada.

LFT-G-Impregnação e Extrusão3

Fluxo de processo:

Resumidamente dividido nas seguintes etapas:

Preparação de Materiais
Preparação de matérias-primas, selecionando criteriosamente partículas e fibras de resina de acordo com o desempenho requerido para o produto LFRT final.

Preparação Composta
A resina termoplástica é misturada em uma extrusora de rosca dupla para formar um compósito homogêneo. Isto é crucial para alcançar as propriedades mecânicas exigidas.

Impregnação
Depois de impregnar totalmente as fibras contínuas com resina termoplástica fundida no molde de impregnação, o composto LFRT é extraído em compostos em forma de tira de seção transversal uniformes e consistentes através de uma matriz de modelagem.

Resfriamento, Corte
Então, após resfriamento através de um sistema de resfriamento e corte, o composto é cortado em grânulos uniformes e consistentes em comprimento. Finalmente, os grânulos LFRT necessários são formados.

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