Introdução aos Polímeros

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POLÍMEROS
Introdução
Polímeros (“polymers”) são macromoléculas caracterizadas pelo seu tamanho, estrutura química e interação intra e intermoleculares. Possuem unidades químicas ligadas por covalencias, repetidas regulamentes ao longo da cadeia denominadas menos (“mers”).
O número de meross da cadeia polimérica é denominada grau de polimerização, sendo geralmente simbolizado por n ou dp (“degrew of polymers”).
Estrutura macromolecular e propriedades dos polímeros.
Alem na natureza química dos monômeros e das moléculas dos polímeros, outro importante fator que afeta as propriedades do material é a estrutura macromolecular.
Do ponto de vista tecnológico os materiais poliméricos devem apresentar resistência mecânica satisfatória.
Essa resistência depende do grau de compactação da massa que por sua vez é função da possibilidade de disposição ordenada das moléculas.
As propriedades físicas dos polímeros estão relacionadas é resistência das ligações covalentes a rigidez dos segmentos na cadeia polimérica e a resistência das ligações intermoleculares.
Para que haja ordenação macromolecular e não apenas em embaçamento aleatório das cadeias, é necessário que os segmentos assumam conformações favoráveis á obtenção de estruturas repetidas, regularmente dispostas, o que exige configuração específica dos agrupamentos atômicos da cadeia polimérica.
Os polímeros podem existir em estado amorfo ou em estado cristalino. Estado amorfo ocorre uma disposição desordenada das moléculas.
Estado cristalino há uma ordenação tridimensional, isto é, existe cristalinidade.
Cristalinidade pode ser definida como um arranjo ordenado de material no espaço, com repetição regular de grupos atômico ou moléculas, no caso de polímero, depende da estrutura química da massa molecular e do tratamento físico, incluindo temperatura, tempo e força a que foi submetido o material.
A cristalinidade é geralmente medida em porcentagem.
Os métodos mais usados para determinar o grau de cristalinidade dos materiais envolvem a “difração de raios-X”, “difração de elétrons”, “espectrometria no infravermelho” e microscópio eletrônico de varredura (meu). Quando a estrutura é ordenada, a interferência das radiações com os segmentos da cadeia polimérica é mais acentuada, permitindo distinguir essa estrutura das regiões amorfas, desordenadas.
Massa molecular e propriedades poliméricas
As propriedades dos polímeros variam progressivamente com a massa molecular, que depende das condições de polimerização para cada monômero. Para as mesmas estruturas poliméricas, essa variação torna-se pouco expressiva quando as massas atingem ou excedem a ordem de grandeza 10. Paralelamente, pode ser esperado também aumento na viscosidade das soluções, na capacidade de formação de filmes, na resistência a tração do impacto, do calor, a solventes e etc...
Os polímeros naturais têm origem biogenética, enquanto que os polímeros sintéticos são obtidos, em geral, através de reações de poliadição e de policondensação.
Os valores típicos de massas moleculares para polímeros naturais e sintéticos são:
Polímeros naturais:
	Origem
	Polímeros
	mm média
	Observações
	Natural
	Borracha natural (cipolisopreno)
	200.000
	Látex da seringueira, não tratada
	
	Celulose nativa
	300.000
	Algodão não tratado
	
	Queratina poli (α-aminoacido)
	60.000
	Lã de ovelha tratada com solução sabão
	
	Borracha natural
	60.000
	Borracha da seringueira após mastigação do ar
	Natural modificada
	Celulose regenerada
	150.000
	Cellophane
	
	Nitrato de celulose
	50.000
	Aplicação em vernizes
Polímeros sintéticos:
	Origem
	Polímero
	mm média
	Observações
	
Sintéticos poli adição
	HDPE, polietileno de alta densidade
	200.000
	Plásticos de engenharia
	
	PS, poliestireno
	200.000
	Moldagem
	
	PVC, policloreto de viníla
	100.000
	Moldagem para extrusão
	
	PMMA, poli (metacrilato de metila)
	.
	Polimerização em massa
	
Sintéticos poli condensação
	PA – 6,6 poli (hexametileno adipamida)
	20.000
	Fabricação de fibras (têxteis)
	
	PET, poli (tereftalato de etileno
	20.000
	Fabricação de fibras (filmes)
Processos de preparação de polímeros
Características principais de preparação de polímeros:
Tipo de reação
Mecanismo de reação
Velocidade de crescimento da cadeia
Formação de subprodutos micromoleculares
Tipo de reação
Reações de adição ou poli adição de reações de condensação ou poli condensação.
Processo poli adição
Reação em cadeia, 3 componentes racionais: iniciação, propagação e terminação.
Mecanismos homolíticos ou heterolíticos ou por coodenação
Não há subprodutos da reação
Velocidade de reação: rápida com formação imediata de polímeros
Concentração de monômero diminui progressivamente
Ex.: LDPE, HDPE, PP, PS, BR, etc...
Processo poli condensação 
Reação em etapas
Mecanismos heteroliticos
Há subprodutos da reação
Velocidade da reação: lenta sem formação imediata de polímeros
Concentração de monômero diminui rapidamente
Ex.: PET (politetraftalato de etila), PA, PC (policarbonato), PR (resina fenólica), etc...
Classificações dos polímeros
Segundo a origem dos polímeros, este pode ser distribuído em dois grandes grupos: naturais e sintéticos.
Os polímeros naturais foram os padrões (as referencias) em que se basearam os pesquisadores para a busca de similares sintéticos no inicial da década de 50.
Em relação ao método de preparação do polímero, é bastante usual, a classificação em polímeros de adição e polímeros de conseção, conforme ocorra uma simples reação de adição, sem subprodutos, ou uma reação em que são retirados dos monômeros pequenas moléculas, como HCl, H2O, KCl.
Ao contrario das poliadições, em que a quantidade de polímero produzida é imensa, correspondendo a quase metade do total fabricado no mundo, as policondensações evolvem quantidades menores de produtos.
Outros métodos de preparação de polímeros
Alem de adição e condensação, existem ainda outros métodos menos comuns para a preparação de polímeros, como adização, abertura de anel, etc... Um polímero pode também ser preparado por modificação de outro polímero, através de reações como hidrolise, poleacitais, polueretanos e etc...
Resumo:
	Origem do polímero
	Classe do polímero
	
	Natural
	
	Sintético
	Número de monômeros
	Homopolímero
	
	Copolímero
	Método de separação dos polímeros
	Adição
	
	Condenção
	
	Modificação de outros polímeros
	Estrutura química da cadeia polimérica
	Poli hidrocarboneto
	
	Poliamida
	
	Poliéster
	Fusibilidade, solubilidade do polímero
	Termoplástico
	
	Termo rígido
	Comportamento mecânico do polímero
	Borracha ou elastômero
	
	Plástico
	
	Fibra
Polímeros de interesse industrial
Borrachas
Entre todos os tipos de materiais poliméricos, as borrachas ou elastômeros se distinguem por uma característica única de permitir grande alongamento, seguido instantaneamente de quase completa retração, especialmente quando se encontra na condição vulcanizada. Esse fenômeno foi primeiramente observado na borracha natural, e passou as ser conhecido como elasticidade.
A borracha natural vem constituindo 1/3 do total de borrachas, natural e sintética, consumida no mundo. Existem várias especies botânicas, espalhadas pelo planeta, que produzem borracha. Entretanto, a única espécie que gera borracha de alta qualidade em condições econômicas é a seringueira.
As borrachas sintéticas mais importantes são também de estrutura polidiênica (H2C=CH-CH=CH2), tal como a borracha natural, e são obtidas por poliadição.
São homopoliméricas, como o polibutadieno BR, o policloropreno CR. As copoliméticas são o copolímero de butadieno e estireno SBR, o copolímero de isobutileno e usopreno PIB, o copolimeto de etileno, propleno e dieno não conjugado EPDM e hexafluar-propleno e fluoreto de vinilideno FPM (viton).
Plásticos
Os plásticos industriais mais importantes são todos de origem sintética. Poucos, como
o acetato de celulose, são obtidos por modificação química de polímeros naturais. São empregados na confecção de artefatos.
As características mecânicas dos plásticos são intermediarias entre os valores correspondentes as borrachas e as fibras. Quando a estrutura química permite o alinhamento das macromoléculas por estiramento, o polímero pode ser utilizado como fibra de maior resistência se houver a possibilidade de interações intermoleculares. Polímeros que formam boas fibras formam também bons filmes.
Os plásticos de engenharia são muitas vezes baseados em copolímeros, contendo pequena quantidade de monômeros (comonomeros), cuja função é modificar no grau desejado algumas propriedades do homopolímero.
Os primeiros plásticos sintéticos comercializados sob a forma de artefatos foram PR, conhecida como”Bakelite” (1910), mais tarde (1930) PVC e PS.
Em 1940 surgiram LDPE e PV. Na década de 50 apareceram HDPE, PP e PC.
Materiais compósitos poliméricos
Materiais compósitos são materiais formados pela combinação de dois ou mais matérias, conferindo ao produto características e propriedade que os constituintes individualmente não possuem. Essa é a definição clássica dada aos compósitos
No caso específico dos compósitos poliméricos, fibras, resinas e agentes de cura são matérias primas principais envolvidas na construção do material, resina e agente de cura são classificados como matrizes poliméricas.
Matrizes poliméricas: matriz polimérica significa o material formado pela mistura em proporções estequiométricas de resinas e agentes de cura
A matriz polimérica reunida com as fibras e outros elementos como carga, absorvedores de ultravioleta e retardastes de chama, por exemplo, constituem os materiais compósitos poliméricos. A matriz polimérica confere aos compósitos características importantes, como forma geométrica, proteção contra agentes externos do meio ambiente, resistência a produtos químicos, mantém a orientação do reforço (fibra).
As resinas mais utilizadas para fabricação de compósitos são: as resinas poliéster, as resinas epóxi e as resinas éster vinilica.
Resina poliéster insaturado
A formulação de uma matriz polimérica contendo resina poliéster é feita pela adição à resina de iniciadores de cura e promotores de cura. Os iniciadores de cura, genericamente chamados de peróxidos orgânicos, podem ser: hidroperoxido do cumeno (CHP), peróxido do metil, etil cetona (MEKP), peróxido de benzoila (BPO) etc.
Resina Ester vinilica
Presença de grupos vinilicos nas extremidades da molécula que permitem um arranjo na reticulação dão ao material maior flexibilidade.
Destinado a atender a demanda das indústrias petroquímicas, papel e celulose e sucroalcooleiras e programas de saneamento básico. Ótima resistência química.
Como em qualquer compósito polimérico, uma das funções principais da matriz polimérica é proteger o reforço de agentes externos, espeicalemnte quando o compósito esta em contato com produtos químicos. Por aliar preço e qualidade, as resinas Ester vinilicas estão entre os materiais poliméricos mais indicados para que exista um comprometimento das propriedades mecânicas e elásticas do material.
A cura da resina Ester vinilica ocorre de maneira similar a da resina poliéster, ou seja, é resultado da cisão das duplas ligações da molécula de estireno e emprega os mesmos promotores e iniciadores utilizados na cura das resinas poliéster.
A diferença no mecanismo de cura da resina Ester vinilica é que os grupos vinilicos que contem as duplas ligações estão somente nas extremidades da cadeia molecular e isto garante que eles reagem mais completamente durante a polimerização.
Resina epoxidica (epóxi)
As possibilidade de formulações utilizando resina epóxi se ampliam consideravelmente devido a ampla oferta desse tipo de resina, que aliada à extensa lista de endurece dores e aceleradores, permitem atender aplicações de elevados requisitos técnicos, como na fabricação de compósitos, adesivos estruturais, encapsulamento de motores elétricos, sistemas para fabricação de modelos e moldes, participando também como um importante componente na fabricação de tintas automotivas.
As resinas epóxi ordem ser curadas com vários endurecedores e aceleradores, com uso ou não de calor, resultando em polímeros termofixos com elevado teor de legações cruzadas que propiciam ao material boas propriedades mecânicas, transição vítrea, resistência ao envelhecimento pela calor e ótima resistência química.
Talvez sua maior desvantagem seja ainda o preço, que a impede de competir com as resinas poliéster e Ester vinilicas.
As resinas epóxi são polímeros termofixos (termo estáveis) que são obtidos pela reação de epocloridrina com bisfenol e apresentam na sua molécula grupos termináveis formados pela ligação de um átomo de oxigênio com dois átomos de carbono, chamados de grupo etoxilinicos (grupo epóxi).
Fibras
A evolução dos compósitos poliméricos tem permitido a fabricação de peças e estruturas antes reservados aos metais.
O emprego do material em componentes estruturais eleva sua confiabilidade e lhe garante cada vez mais aplicações.
Projetos como o Airbus A-380 e Boring 787, reafirmam o potencial dos compósitos e sua capacidade de reduzirem componentes, e massa sem que ocorra comprometimento de comportamento mecânico.
A consolidação de varias partes num único elemento permitindo eliminar operações de solta e rebitagem que seriam necessárias para fixar as partes de uma peça, é uma vantagem explorando na concepção de estruturas de compósito.
Considerando uma estrutura sob ação de determinados carregamentos, tais como carregamentos estáticos, dinâmicos ou mesmo até quando submetidos a variações bruscas de temperatura, como em estruturas de aviões e foguetes, os componentes tem que estar capacitados a desempenhar ações de acordo com as condições previstas ou estabelecidas em projeto. Essas condições nos compósitos são alcançadas pela capacidade do elemento de reforço que confere à estrutura elevadas propriedades especificas e modelo de elasticidade da fibra.
Fibras de vidro, fibras de aramida e fibras de carbono, são os elementos de reforço mais utilizados para fabricação de materiais compósitos.
As fibras de vidro tem boas propriedades elásticas e um baixo custo que a tornam atrativos para competir com os metais não ferrosos, como o alumínio, por exemplo.
AS fibras de carbono apresentam excepcional resistência, permitindo que se tornem ideais para aplicações que requerem elevada resistência, rigidez e reduzido peso.
As fibras aramida possui boa resistência mecânica e apresentam um modulo de elasticidade intermediário entre a fibra de vidro e a fibra de carbono, sendo bastante empregada em componentes que necessitam de resistência e impacto.
Fibra de vidro
Apesar do vidro ser conhecido há milhares de anos, foi somente próximo da metade do século XX que o material pode ser produzido na forma de contínuos e minúsculos filamentos, permitindo a sua utilização na industria têxtil e fabricação de produtos de isolamento elétrico. Contudo, foi a partir de sua combinação com materiais poliméricos que um novo conceito de material surgiu e que permitiria em menos de duas décadas depois o nascimento de uma nova indústria, a indústria dos materiais compósitos poliméricos.
As fibras de vidro proporcionam a melhor relação custo/beneficio entre os reforços oferecidos para a fabricação de materiais compósitos poliméricos. Boa parte disso se deve a origem e abundancia das matérias primas utilizadas para a fabricação do material, principalmente o silício contido nas areias, que juntamente com calcário, ácido bórico, carvão, argila são os ingredientes utilizados para fabricação do vidro. Essas matérias primas são fundidas num forno refratário com temperatura em torno de 1450ºC e que, convenientemente processadas após a formação do vidro, são origem ás fibras de vidro na forma continua de picada. A transformação da massa fundida em fios é feita pelo processo de fiação por fusão,
que permite a obtenção de filamentos contínuos pela passagem da massa fundida de vidro por uma placa de platina denominada de fieira ou peneira (bushing), que possui centenas e até milhares de micro furos. Após passar pela fieira, os filamentos altamente viscosos são solidificados por resfriamento.
O acabamento é feito por uma emulsão aquosa que contem entre outras substancias, agentes de ligação, formadores de filme e lubrificantes.
A encimagem ou binder, tem uma função importante no processo de fabricação das fibras de vidro, pois confere a flexibilidade, além de compatibilidade com ao matriz polimérica que será empregada para fabricação do compósito.
Encimagem: goma, gelatina, óleo, cera.
Óleo de encimagem: distribuição sobre as fibras.
Fibra aramida
Fibra aramida é o nome genérico das fibras poliamidas aromáticas, que são conhecidas como “kevlar”, nome comercial que “Du Pont” deu ao produto de sua invenção. A fibra aramida se acredita ser obtida pela policondensação de diaminas e diácidos a baixas temperaturas, produzindo macromoléculas de amida ligada a dois anéis aromáticos.
Após a síntese do polímero, as fibras são obtidas pelo processo de fiação a úmido. 
As cadeias poliméricas são ligadas entre si na direção transversal por ligações tipo “pontes de hidrogênio”. Isso caracteriza as propriedades mecânicas, porque há elevada resistência na direção da fibra devido ás fortes ligações covalentes entre as moléculas do polímero e fracas ligações na direção transversal com o hidrogênio. 
Fibras aramidas são resistentes ao fogo, são isolantes elétricos e térmicos e possuem resistência química a solventes orgânicos, combustíveis e lubrificantes.
Talvez o maior diferencial que apresenta em relação as fibras de vidro e de carbono seja sua elevada tenacidade, o que lhe garante ser o material mais indicado para fabricação de coletes e blindagens para resistir a impactos causados a projéteis de armas de fogo.
Os dois tipos de fibra aramida fabricados pela Du Pont são o Kevlar 29 e o Kevlar 49. Na primeira (29), destacam-se aplicações na substituição de cordéis de ação na fabricação de pneus radiais, correias transportadoras, mangueiras e produtos de borracha em geral que sofrem ações mecânicas, bem como produtos para proteção contra armas de fogo manuais.
	 
	Resistência à tração Mpa
	Módulo de elasticidade Gpa
	Densidade g*cm-3
	Kevlar 29
	2760
	62
	1,44
	Kevlar 49
	2760
	117
	1,44
	Aço Inox
	1720
	200
	7,83
Fibra de carbono
O desenvolvimento das fibras de carbono no final da década de 60 permitiu o avanço que colocava os compósitos poliméricos como um material capaz de aplicações antes não imaginadas a essa classe de materiais.
O potencial das fibras de carbono não esta só na baixa densidade e elevada resistência mecânica mas sobretudo alto modulo de elasticidade e reduzida deformação que o material possui, que as colocam como potencial para fabricação de estruturas onde esses requisitos são exigidos. Por isso a fibra de carbono é o reforço predominante para fabricação de compósitos estruturais por aliar rigidez e elevada resistência mecânica. 
A matéria prima para fabricação de fibra de carbono é a poliacrilonitrila (PAN). A poliacrilonitrila é uma fibra que possui uma estrutura molecular similar ao poliestileno no qual um átomo de hidrogênio foi substituído por um grupo nitrila.
A síntese do PAN é feita utilizando-se acrilonitria e acrilato de metila que por um processo de fiação a úmido é produzindo a fibra de poliacrilonitrila.
As propriedades físico químicas de fibra de poliacrilonitrila devem atender padrões rigorosos de qualidade e que exige controles eletrônicos em todas as etapas do processo. Um desses parâmetros esta relacionado ao estiramento que a fibra sofre diante a fiação para produzir alinhamento das cadeia moleculares.
O processo usual para fabricação do PAN consiste em fiar a fibra pelo processo de fiação a úmido.
A rota adotada para fabricação de fibras de carbono ao partir da PAN inclui os estágio de oxidação, carbonização, tratamento superficial e acabamento superficial, também chamada de encimagem. As etapas de oxidação que produzem a dmodificação do arranjo molecular linear da pliacrilonitrila para um arranjo de anéis de carbono. Produzindo um alto grau de orientação molecular e teor de carbono acima de 90%.
A primeira etapa da fabricação da fibra de carbono é a oxidação da poliacrilonitrila. Nessa etapa, a fibra circula por um forno com atmosfera oxidante, tendo um tempo de resistência que pode chegar a uma hora.
Com uma velocidade muito lenta, a fibra passa por zonas de temperatura que vão de 180ºC até cerca de 300ºC, que irão formar os anéis ácidos do grupo nitrila e ligação de oxigênio a estrutura molecular obtida.
A PAN oxidada apresenta utilização comercial na fabricação de produtos de proteção ao fogo, proteção térmica e em aplicações especiais na substituição do asbuto. Os principais parâmetros de processo que são controlados para produzir uma fibra bem oxidada são as temperaturas das varias zonas do forno de oxidação, tempo de resistência da fibra no forno e tensão de estiramento. Nessa etapa a fibra apresenta um teor de carbono de 60% e oxigênio de 8 a 12%.
A etapa de carbonização de acordo com o teor de carbono alcançado definira propriedades que classificarão o material em classe de fibras de alta resistência mecânica, fibras de alto modulo de elasticidade e fibras de modulo intermediário, que propiciarão aos usuários uma ampla escolha de reforços para atender exigências de resistência, rigidez ou ambos.
Forma de apresentação das fibras
Na definição mais usual, fibra é a reunião de milhares de mono filamentos contínua, orientada numa só direção e que são unidos por um material aglomerante.
Assim, a fibra é o primeiro produto na escala de materiais de reforços. São materiais contínuos que podem ser torcidos (twisted) ou não torcidos durante a sua fabricação e que são denominados de “roving”. As fibras são disponíveis em duas formas principais, sendo cada uma delas fabricadas numa ampla variedade de produtos. Podem estar na forma de fibras curtas e fragmentadas ou na forma de filamentos contínuos.
Mantas
Na forma de fibras curtas, fios contínuos são picados com determinados comprimentos num rolete contendo lâminas de aço, de acordo com o processo de laminação.
Quando fios picados são unidos por um material ligante, são fabricadas duas formas bastante usuais de materiais de reforço, especialmente as fibras de vidros: os véus e as mantas. Os véus são materiais finos utilizados na fabricação de compósitos e atuam como, camadas de proteção contra agentes químicos, por isso muitas vezes são conhecidos como véus de superfície. 
As mantas são obtidas pelo arranjo aleatório de fibras de vidro cortadas de forma uniforme com cerca de 5 cm de comprimento e agregadas na forma de placas por ligantes especiais. Apresentam uma distribuição relativamente uniforme de resistência em qualquer direção devido à distribuição ao acaso das fibras.
Fios numa manta
Tecidos
A montagem por equipamentos especiais de fibra na direção do comprimento do fio, chamada de urdume e na direção transversal a ele, denominada de trama, permite a fabricação de tecidos que conferem ao material resistência em duas direções. Os tecidos possuem maior custo quando comparados as mantas, entretanto oferecem propriedades superiores em termos de resistência e rigidez e maior estabilidade dimensional ao compósito. De acordo com o arranjo entre urdume e trama, há a formação do tecido tipo tela, tipo sarja e tipo cetim, cada deles possuindo diferentes características e aplicações.
O tecido tipo tela é fabricado alternando-se o fio de urdume sobre e sob o fio trama, com esta seqüenciando invertida na fileira seguinte, de forma a ser ter um arranjo conforme abaixo:
urdume
trama
Essa construção proporciona maior estabilidade ao tecido, dificulta o escorregamento dos fios e a menos formação de porosidade no compósito. Oferece também
a mesma resistência nas duas direções de orientação dos fios, de modo que as maiores vantagens são obtidas quando as fibras estiverem orientadas nas direções das tensões principais no compósito.
Para permitir maior flexibilidade no uso, são fabricados tecidos híbridos, que utilizam uma construção em que determinado tipo de reforço é colocado no urdume e outro tipo na trama. Assim, dependendo da aplicação, é possível fabricar compósitos com fibra de carbono numa direção e fibra de vidro em outra ou fibra aramida com fibra de carbono ou mesmo fibra de vidro com aramida.
Finalmente, a forma que emprega tecnologia mais avançada na fabricação não propriamente do tecido em si, mas do tecido aliado à impregnação da matriz polimérica ao material.
Pelo custo elevado, é utilizado principalmente pela indústria aeroespacial e na fabricação de automóveis de comercialização restrita e de competição, como os da Fórmula 1.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Introdução
Na elaboração de um componente estrutural fabricado utilizando materiais compósitos, procura-se otimizar as propriedades mecânicas associadas aos reforçoes e ao material polimérico, a matriz. A seleção desses elementos deve levar em conta não só o custo das matérias primas, mas também a técnica de fabricação utilizada.
A qualidade de um produto empregando-se material compósito é fortemente influenciada pelo processo de fabricação. Dependendo da exigência, características importantes como frações volumétricas de fibra e matriz, orientação correta do reforço, tempo de trabalho da matriz (gel time) e tempo de cura da matriz, podem nem sempre ser repetitivas numa produção contínua se o processo de fabricação não for corretamente escolhido.
Industrias como a nuclear, a naval e a aeroespacial, por exemplo, em que a confiabilidade é um dos fatores mais importantes, há a necessidade de se ter na fabricação a menor dispersão possível dos parâmetros de processo. Nesse contexto, a escolha correta do processo de fabricação contribui significativamente para o sucesso de um empreendimento.
Forma de combinação dos materiais constituintes no compósito
Antes de ser descrito os principais processos de fabricação, duas formas em que fibra e matriz podem ser combinadas para formar o compósito.
Há o sistema pré-impregnado (dry system) e o sistema de impregnação na fabricação (wet system).
No sistema “dey system” a matriz é combinada com a fibra numa etapa anterior à fabricação das peças e o material é empregado nos processos de autoclave, SMC e BMC.
SMC (Sheet Molding Compound)
- Compostos reforçado com fibras;
- Aplicado sobre filme plástico
- Utilizado em moldagem fechada;
- Aplicação por compressão.
BMC (Bulk Molding Compound)
- Compostos reforçado com fibras;
- Produção em moinho, e não sobre filme plástico;
- Espessado;
- Maior concentração de carga mineral em relação a SMC;
- Propriedades mecânicas um pouco mais baixas;
- Aplicação por compressão ou injeção
Um exemplo é o material que é utilizado no sistema de conformação e cura por autoclave, chamado de pré impregnado ou prepreg. Como a fibra é impregnada numa etapa bem anterior à fabricação dos componentes, é necessário que a cura da matriz seja retardada e para isso o material compósito deve permanecer em freezers com temperatura controlada. Antes da etapa de fabricação das peças, o prepreg deve ser descongelado adequadamente para permitir seu manuseio.
As vantagens desse tipo de material são o controle de conteúdo de materiais voláteis, frações volumétricas bem estabelecidas, tempo de gelatinização controlada, uniformidade de espessura de laminado e área de trabalho limpa. A principal desvantagem é o custo do prepreg e de infra estrutura para a fabricação das peças.
No wet System, as fibras e a matriz são combinadas no momento da fabricação da peça. Apresenta como vantagem o custo, porem exige do transformados técnicas para proporcionar uma correta molhabilidade das fibras, garantindo quantidades de fibra e matriz no compósito de acordo a especificação.
As variáveis que afetam o processo são a viscosidade e o tempo de gelatinização da matriz polimérica (gel time) e temperatura ambiente.
É possível afirmar que grande parte dos processos no Brasil utiliza o sistema wet system, ficando restrito às estruturas aeroespaciais, veículos de competição e artigos esportivos que necessitam de alta resistência mecânica e requerem elevado desempenho o uso de material prepreg.
Exemplos de wet system são os processos de laminação, bobinamento, moldagem por prensagem, moldagem sob pressão, moldagem a vácuo e moldagem por injeção.
Agentes desmoldantes
A função óbvia dos agentes desmoldantes é evitar a aderência do compósito do molde. Embora seja uma tarefa simples, a aplicação do desmoldante deve ser feita após a limpeza e polimento do molde, para garantir que o material seja aplicado em toda a superfície do molde. Os desmoldantes podem ser divididos em duas classes.
- desmoldantes de sacrifício;
- desmoldantes semipermanente.
Os desmoldantes de sacrifício são assim chamados porque devem ser reaplicados normamente após um pequeno número de peças produzidas. Essa classe de desmoldantes são as ceras convencionais à base de vegetal, ceras sintéticas, óleo de silicone, álcool polivinílico (PVA).
Os desmoldantes semipermanentes tem a propriedade de formar uma camada antiaderente de grande eficiência, que permite a fabricação de uma grande quantidade de peças sem a necessidade de preparação do molde. Apesar de mais caro, o produto permite um aumento de produtividade.
Processo de fabricação
Conceitualmente, os processos de fabricação de peças, componentes e estruturas de matéria compósito podem ser divididas em processos de molde aberto e processo de molde fechado. A distinção esta na qualidade de acabamento que se consegue uma superfícies de elemento fabricado e na quantidade de moldes para a conformação da peça.
Processos que utilizam um acabamento liso e uniforme em apenas uma das faces de peça, sendo necessário apenas um molde, enquanto que nos processos que empregam molde fechado consegue-se acabamento liso em ambas as faces da peça e são necessários um par de moldes.
Exemplos de molde aberto são a laminação por contato, a laminação por projeção e o enrolamento filamentar. Os processos mais empregados de molde fechado são os processos de moldagem por prensagem (SMC e BMC)
Moldagem por prensagem
São processo que caracteriza pelo uso de prensas com moldes aquecidos e que apresentam algumas semelhanças com o processo de estampagem de chapas metálicas. Possibilitam a fabricação de peças com elevada produtividade, baixa incidência de mão de obra, redução do desperdício de matéria prima e permitem acabamento liso em ambas as faces do produto fabricado. O aumento da produtividade exige, no entanto alto investimento no ferramental que deve ser aço, que devido a resistência para suportar altas pressões e temperaturas.
De acordo com a forma de compósito a ser prensando, o processo pode ser dividido em moldagem de mantas ou SMC ou moldagem de massa (pastas) ou BMC.
Os fabricantes utilizam basicamente as mesmas matérias prima para fabricação de manta e da massa, variando o comprimento de fibra que no SMC é de 13 a 50 mm e no BMC é de 3 a 15mm. A massa polimérica é constituida por fibra de vidro picada, resina poliéster, iniciador de cura, pigmento, aditivo, termoplástico, agente desmoldante, espessante, inibidores e cargas, podendo ainda ter absorvedores de ultravioleta e retardantes de chama.
Dada as diferenças no comprimento das fibras e nos métodos para moldagem, os resultados esperados de propriedades não são iguais para o SMC e para o BMC. O método de pesagem de massa tem um susto menor, mas as propriedades de componentes fabricados são inferiores as fabricadas pelo SMC.
No método SMC as mantas tem de 2 a 6 mm de espessura, contendo de 20 a 30% de fibra de vidro. Em algumas estruturas é possível termos mantas com até 50% de fibra picada.
O processo de fabricação de mantas para utilização
no SMC é produzido na forma de rodos ou bobinas pela deposição uniforme de fibras picada sobre uma massa polimérica que é envelopada em ambos os lados por filmes de polietileno. O conjunto é coprimido por rolos de compactação no final da linha de produção, que são fabricados de aço e possuem ranhuras para melhorar o assentamento de reforço na massa polimérica e eliminação de ar retido durante a fabricação.
As bobinas são colocadas em embalagens fechadas para evitar a evaporação dos solventes contidos na massa e são mantidos em camara aquecida (30 a 35ºC) de 1 a 7 dias.
Produtos fabricados por SMC apresentam excelente estabilidade dimenssional, elevadas propriedades mecânicas, boa resistência química e isolação elétrica.
Devido a baixa contração apresentam ótimo acabamento para posterior pintura. O processo é utilizado principalmente para fabricação de componentes para industria de caminhões e tratores, e produção de isolantes elétricos.
BMC: a rota de fabricação é mais curta que a do SMC, porque o processo utiliza apenas o composto na forma de massa, sendo contituida por fibra de vidro picado, resina poliéster, iniciadores de cura, pigmento, aditivo termoplástico, agente desmoldante, espessante, inibidores e cargas, podendo ainda ter absorvedores de ultra violeta e retardantes de chama.
A massa para o processo BMC se apresentam disforme, com semelhança e consistência de massa de vidraceiro.
Para fabricação de peças, a quantidade de massa é pesada e colocada no centro do molde, com posterior fechamento da prensa. A industria automobilística utiliza em refletores de faróis, soquetes de velas de ingnição, tampa do comando de válvulas, etc.