Composites de PU: vantagens em vários processos

Transcrição

1 thomas-technik Composites de PU: vantagens em vários processos Pultrusão: processo vantajoso para poliuretano Alta dureza, cura rápida e não emissão de estireno estão posicionando os composites de uretano para além do SRIM em pultrusão, filament winding, infusão a vácuo e spray-up Ganhos no know-how de processamento e avanços no controle de reatividade para estender o tempo de trabalho têm posicionado o poliuretano na corrida para aplicações em composites. Nas últimas duas décadas, os composites de PU têm avançado num primeiro momento em peças de espuma estrutural RIM (SRIM) para peças automotivas internas e externas tais como caçambas de pickups, pisos de descarga, prateleiras e painéis internos de porta. Tais aplicações têm dado ao PU de 3 a 5% do mercado de composites de fibra contínua e de fibra longa. Entretanto, os últimos seis anos têm visto o desenvolvimento de tecnologias de pultrusão, infusão a vácuo e spray de fibras longas com poliuretano (PU). Principalmente sistemas em composites PU não espumados e de densidade completa vêm sendo usados com esses processos de composites tradicionais para aplicações que vão de armações de janelas e tubos de banho a pólos de luz elétrica e grandes peças para caminhões e outros veículos off-road. POR QUE O POLIURETANO? Composites de PU são produzidos com resinas termofixas rígidas, opostas ao poliuretano elastomérico ou termoplástico (TPU). Composites fabricados com essas resinas de poliuretano têm superiores resistência à tensão, resistência ao impacto e resistência à abrasão, diz Michael Connolly, gerente de produto em composites da Huntsman Polyurethanes. Ele cita valores típicos para módulo de tensão por volta de 430 mil psi, resistência à tensão por volta de 12,5 mil psi e alongamento à falha de 7,5%. Craig Snyder, representante de mercado para aplicações não automotivas da Bayer MaterialScience, acrescenta que o PU reforçado pode ser espumado de forma a proporcionar ganhos de peso de até 20%. Connolly, da Huntsman, destaca que a dureza superior de composites de PU compensam em operações secundárias como perfuração, usinagem e montagem. Cantos usinados e perfurados exibem ausência ou quantidades mínimas de microrrachaduras comparados com composites termofixos tradicionais. Recentemente medimos a força necessária para puxar um parafuso autorrosqueado e descobrimos que a força em perfis de PU é 40% superior em relação à de um composite tradicional, assim como 50% a 60% mais alta, respectivamente. Diz-se que os composites de PU são também atraentes em função de suas vantagens de processamento. Os tempos de cura são muito rápidos por volta de 20 minutos, disse Snyder, da Bayer. Os processos de spray com PU utilizam muito menos mão-de-obra que os processos tradicionais, que requerem a roletagem do vidro para remover o ar e garantir o umedecimento completo da peça. Em partes de automóveis, o SRIM de PU leva de 30 segundos a 2 minutos versus 2 a 10 minutos para SMC de poliéster e éster-vinílicas, diz Terry Seagrave, gerente de mercado para a área automotiva do NAFTA (North American Free Trade Agreement). O trabalho é também reduzido no caso de componentes automotivos em composites de PU porque o SMC requer passos intermediários para preparar e aprontar o estágio B da chapa. Snyder também nota que os custos de ferramentaria são muito mais baixos do que o SMC em função das pressões mais baixas para o SRIM. Efeitos negativos, associados à velocidade de reação dos poliuretanos, também foram superados. De acordo com Lisa Shaner, gerente de marketing da fabricante de 20 Composite de PU_PU41_01.indd 20 10/8/10 12:01 PM

2 máquinas de PU Krauss-Maffei, no passado, uma desvantagem de se produzir partes de grandes dimensões em PU reforçadas com fibra de vidro era o fato de que a química era tão rápida com essa matéria-prima que não dava tempo suficiente sequer para fechar a prensa. Agora, entretanto, a flexibilidade da química do PU e novos designs de equipamentos superaram essa limitação prévia. Enquanto a tecnologia atual não permite o uso de resinas de PU para períodos longos de tempo de mais do que poucas horas ou para o processamento em prepregs utilizados para serem armazenados e usados posteriormente, a rápida reatividade do PU faz dele um bom candidato a alguns processos de moldagem aberta, tais como o spray-up de tubos, dado que os controles de engenharia apropriados estão disponíveis para MDI, diz Connolly. Os poliuretanos têm outra vantagem: eles não contêm estireno e não geram grandes quantidades de compostos orgânicos voláteis (VOC). Por outro lado, o PU contém MDI, que é um material regulado. Entretanto, as fontes da Bayer acreditam que as emissões de MDI derivadas do processamento de peças em composites de PU devem ser insignificantes devido à baixa pressão de vapor do MDI e aos resultados de testes de emissão da indústria. Os limites permitidos de exposição ao MDI pela OSHA (Occupational Safety and Health Administration) são de 0,02 ppm como valor para exposição a curto prazo e de 0,005 ppm como média em 8 horas. Nossa experiência em monitoramento da exposição em ambiente de trabalho indica que, a menos que o MDI sofra aquecimento ou seja submetido ao spray, a probabilidade de esses limites serem superados é pequena, diz James Chapman, diretor de segurança de produto da Bayer. Segundo ele, a ventilação apropriada é utilizada para controlar a exposição em ambiente de trabalho. Além disso, o uso de equipamento de proteção como luvas e protetores oculares é recomendado. O Programa de Assistência ao Cumprimento Regulatório (RECAP Regulatory Compliance Assistance Program) da Aliança para a Indústria do Poliuretano (API Alliance for the Polyurethanes Industry) ajuda os processadores a determinar as emissões de MDI permitidas para o meio ambiente e o Relatório de Liberação Tóxica da Agência de Proteção Ambiental (EPA Environmental Protection Agency). A RECAP pode ser acessada em SRIM e suas variantes Avanços em materiais e equipamentos para processamento de SRIM fizeram com que esse processo tivesse grande crescimento e fosse considerado uma alternativa promissora para processadores de composites via RTM, spray-up e SMC. O SRIM tradicional tem muito em comum com o RTM. Tal qual o RTM, ele é um processo de moldagem fechada onde uma pré-forma ou manta de vidro é colocada no molde, que é então fechado e os químicos de PU são injetados. Mas avanços mais recentes em RTM têm Composite de PU_PU41_01.indd 21 10/8/10 1:28 PM

3 transformado esse processo em mais do que uma operação de spray automatizada. Sistemas robotizados spray-inmold (spray no molde) ou spray molding (moldagem por spray) apareceram em 1995 com o processo de Injeção de Fibras Longas (LFI Long-Fiber Injection) da Krauss- Maffei, que corta e umedece fibras de vidro no interior do cabeçote. O mix reforçado é aplicado por spray na metade inferior de um molde aberto. O molde é então fechado para curar a peça. Como o vidro é umedecido no interior do cabeçote, não é necessária roletagem posterior. Outras tecnologias concorrentes desse tipo em SRIM são a InterWet, da Cannon, e o Baydur CSM (antigamente chamado FiPUTec) da Hennecke Machinery Div, da Bayer MaterialScience. Desde 1999, cada um desses três OEMs (Original Equipment Manufacturer) têm também oferecido variantes desses processos, que permitem o uso de fibras naturais. Mais recentemente, a Bayer introduziu outras três variantes de CSM (Composite Spray Molding) no mercado norte-americano (elas já foram estabelecidas na Europa). Duas delas são a CSM-Baypreg e a CSM-Baypreg NF. A CSM-Baypreg produz painéis-sanduíche Baypreg que consistem em um núcleo de colméia em papel combinado com mantas de fibra de vidro, que são impregnadas com químicos de PU aplicados por spray em ambos os lados do laminado. O laminado é então moldado por compressão e curado sob calor. Estima-se que os painéis possuam grande potencial de leveza em relação a outros produtos sanduíche, tornando-os atrativos para aplicações automotivas e outras. Um exemplo recente é o teto solar que substituiu o SMC no Toyota Avalon de O processo CSM-Baypreg NF (Natural Fiber, fibras naturais) (anteriormente denominado NafPUTec) é semelhante, mas diz respeito a componentes automotivos de paredes finas e de extrema leveza, feitos de mantas de fibra natural sem um núcleo de colmeia. Painéis de porta internos são a aplicação principal. Um processo mais recente da Bayer é o sistema CSM- Multitec de PU com fibras curtas, uma versão do spray-up de molde aberto. A mistura de PU é aplicada em várias camadas, sólida ou em espuma, com ou sem reforço, e é colocada para curar no molde aberto. Neste processo, as fibras de vidro são cortadas com comprimento de 5 a 12,5 mm (0,2 a 0,5 polegada) em um dispositivo de corte externo montado na pistola de spray de PU. Como explica Lutz Heidrich, gerente de espumas moldadas da Hennecke, os fabricantes tradicionais de equipamentos para PU vêm acrescentando cortadores de vidro aos seus equipamentos bicomponentes de PU, e fabricantes de equipamentos de spray de poliéster estão adaptando seu equipamento ao PU. ALÉM DA ESPUMA DE SRIM Espuma de SRIM de baixa densidade tem dominado os composites de PU por vários anos, particularmente em aplicações internas de automóveis tais como painéis de porta. Mais recentemente, sistemas de SRIM não espumados e de alta densidade têm se provado viáveis. Um dos primeiros cases desse tipo foi a caixa de carga da pickup GM Silverado 1500 de 2001, baseada no sistema Baydur 426 de HD-SRIM, da Bayer. Um uso mais recente do 22 mesmo sistema é o painel interno midgate do veículo utilitário híbrido Chevrolet Avalanche Uma aplicação avançada para peças não automotivas, de grande tamanho e sólidas em composites de PU de fibra longa foi revelada no ano passado com a nova linha de portas externas residenciais da Jeld- Wen (Klamath Falls, Oregon, Estados Unidos). O sistema em composites sólido Baydur STR é usado para formar as peles das portas utilizando o sistema LFI (Long-Fiber Injection), da Krauss-Maffei. A pressão de moldagem mais baixa torna o processo mais econômico, diz Snyder, da Bayer. Connolly, da Huntsman, diz que Teto de ônibus: aplicação inovadora a empresa em que trabalha vem desenvolvendo projetos usando tanto os processos InterWet como LFI para produzir composites de PU de densidade plena. Partes tão compridas como a tampa do compartimento de descarga têm sido produzidas com esses métodos de processo. O CSM-Multitec, da Bayer, permite a produção com custo factível de partes moldadas mais compridas que outras técnicas de CSM e é também indicado para escalas de produção de pequenas a médias. Aplicações comerciais recentes incluem capotas e para-lamas de trator, assim como banheiras que fizeram sua estreia na Europa no ano passado. Uma banheira tem uma pele termoformada de acrílico fundido revestida com espuma pele integral rígida de PU Baydur 60. Oito camadas de Multitec, algumas sob forma de espuma, algumas sólidas, com vidro picado de 12 mm, são aplicadas por spray na parte de trás da pele da banheira. O revestimento em composites leva somente de 3 a 5 min para curar. A BASF tem-se centrado em aplicações em composites de PU sprayado tais como spas e veículos de lazer como uma forma de substituir composites de poliéster. De acordo com Jim Turnbach, supervisor de serviços técnicos, spas compridos de até 20 m podem ser fabricados com combinações de PU rígido de densidade plena, elastômeros e espuma. A BASF tem também trabalhado em componentes menores de veículos de lazer tais como coberturas frontais e traseiras, mas Turnbach vê potencial para aplicações de grande comprimento como painéis laterais. SUCESSO EM PULTRUSÃO A pultrusão em poliuretano veio para ficar a despeito de ter demandado vários anos para se tornar comercialmente viável. Se por um lado parece que não mais do que um punhado de pultrudadores estão atualmente processando perfis de poliuretano, os fornecedores de materiais confirmam que existem diversos programas de desenvolvimento em ação. Os pultrudadores norte-americanos vem enfrentando forte competição da China em produtos como trilhos e Espumatec Composite de PU_PU41_01.indd 22 10/8/10 1:29 PM

4 alavancas de ferramentas, diz Connolly, da Huntsman. A dureza e força do PU dá aos pultrudadores domésticos uma oportunidade para distinguir seus produtos, ele nota. Uma amplamente reconhecida líder e pioneira em pultrusão de PU é a Creative Pultrusions, que possui mais de cinco anos de experiência comercial nessa área. Ela disponibiliza uma brochura de oito páginas da pultrusão SuPUTuf em PU em seu site na internet. Dustin Troutman, gerente de desenvolvimento de novos negócios dessa empresa, diz que ela oferece atualmente mais do que 25 perfis pultrudados em PU. Esses perfis vão de trilhos de escadas e cruzetas de eletricidade a empilhamento de lâminas e anteparos de cais e outras aplicações de alta resistência e alto impacto em construção, transporte e infraestrutura. A Huntsman tem se esforçado no desenvolvimento da pultrusão com o desenvolvimento de formulações não espumadas especificamente orientadas para esse processo, assim como para filament winding e infusão a vácuo. A BASF tem também desenvolvido tais sistemas de resina e a Bayer planeja lançar sistemas Baydur PUL 2000 para pultrusão este ano. Desenvolvimentos de catalisadores e resinas permitiram à Huntsman estender o tempo de gel de PU à temperatura ambiente a mais do que 30 minutos. Apesar dos tempos de pot life da resina estendidos, esses sistemas ainda mantêm rápidas taxas de cura às elevadas temperaturas usadas para pultrusão. Como resultado, velocidades de linha de mais do que 6 pés/min tem sido alcançadas para perfis pultrudados unidirecionais, similarmente aos melhores poliésteres, mais Tubos de pultrusão: resistência aprimorada muito mais rápido que os típicos 2 a 4 pés/min das éstervinílicas e do que os 1 a 2 pés/min para epóxi, de acordo com Connolly. Um cliente da Huntsman, a CE Composites de Ottowa, Ontário, fabrica sticks de hóquei pultrudados de PU há vários anos. Um típico sistema de pultrusão em poliuretano inclui um sistema de alimentação de dois componentes vazando por meio de tambores ou potes, uma linha de montagem de bombas e uma linha de transferência a um cabeçote convencional de PU de baixa pressão com um misturador estático. Um processo fechado de injeção de resina é normalmente usado com PU. O principal mercado para pultrusão de PU é de pequenos perfis como trilhos de escada, alavancas de ferramentas e hastes. Esquadrias de janelas são uma promissora área de crescimento. Pultrudadores experientes atualmente estão Composites World Painel Energia Eólica Conheça as mais recentes e importantes soluções em matérias-primas e processos para a fabricação de equipamentos voltados à geração de energia eólica para as mais diversas aplicações Local: Centro de Convenções do Expo Center Norte Data: 8 de novembro de 2010 Horário: 13 h às 17 h Inscrições e informações: / (55 11) com Tabatha tabatha@artsim.com.br EVENTO GRATUITO Patrocinadores Composite de PU_PU41_01.indd 23 10/8/10 3:10 PM

5 fabricando canais e perfis em I em PU de até 6 x 6 polegadas. Perfis em I mais compridos acima de um pé quadrado permanecem um desafio para PU dado que eles requerem um pot life estendido em um banho de impregnação aberto, onde o MDI pode reagir com a umidade atmosférica. Connolly, da Huntsman, indica que essa barreira pode ser superada. Em ensaios recentes, partes muito mais compridas do que as que têm sido produzidas comercialmente até aquela data foram alcançadas pela Huntsman, embora ele não revele o tamanho. A excepcional resistência ao impacto e tensão do uretano, além da elevada resistência ao cisalhamento interlaminar, permitem que as aplicações existentes de pultrusão sejam passíveis de um trabalho de reengenharia de forma a abaixar ainda mais o peso e o custo. Como exemplo, Connolly diz que um perfil em I de PU pode ser fabricado mais fino e leve fazendo uso de manta de fios contínuos (CSM) e uma mais alta proporção de roving de vidro. Ao reduzir de 3 para 2 as camadas de CSM, e ao substituir algumas CSM por roving, a espessura do perfil em I pode ser reduzida de 3,3 mm a 2,6 mm mantendo a dureza longitudinal. Connolly diz que isso resulta em 7% de economia em custo e em 13% em peso. Troutman, da Creative Pultrusions, diz que seções muito finas podem ser pultrudadas com PU. O poliuretano permite a redução do peso e do custo de fabricação e elimina a preparação de superfície realizada antes da adesivagem. Segundo ele, o custo de perfis pultrudados de PU está em ordem com os de perfis de alto rendimento em resinas éster-vinílicas. Ele acrescenta, aplicações de pultrusão são agora praticáveis com poliuretanos de desempenho superior. FILAMENT WINDING DE PU Produzir composites em filament winding, um mercado de duas a três vezes maior do que o de pultrusão, é de grande interesse para fornecedores de PU. Um avanço recente é o poste de rua modular em composites RStandard, fabricado pela RS Technologies (Calgary, Alberta), utilizando sua versão de resinas Version PU e um processo de filament winding patenteado. Fabricado em comprimentos de até 135 pés (40,9 m), esse é o primeiro poste todo em PU. A camada interna do poste é feita com um grau aromático da Version PU, enquanto duas camadas de resinas alifáticas são usadas do lado de fora. Este sistema de resina oferece uma excelente relação resistência-peso. Além disso, sua tecnologia própria de aplicação de fibra consegue diminuir a quantidade de reforço necessário para postes que sejam de resistência igual ou superior aos tradicionais. O sistema de filament winding especial realiza enrolamentos a zero grau, dispondo a fibra de vidro no plano axial do poste, enquanto processos de enrolamento típicos criam ângulos mínimos de 7 a 8 graus. A aplicação otimizada de vidro e resina pode reduzir a espessura e o peso total em até 45%. A RS Technologies desenvolveu algumas de suas máquinas para o sistema, que podem enrolar até 2200 libras/ hora. Na maioria dos casos, os mandris padrão, aquecedores e sistemas de controle são usados sem qualquer modificação em relação a aplicações tradicionais. Os postes em composites são curados a quente. Outras aplicações em que os composites de PU têm potencial para substituir poliésteres em filament winding incluem infraestrutura, de acordo com Connolly. A BASF tem sido ativa em filament winding de PU, particularmente na Europa, onde o foco é infraestrutura de longo prazo, o que Perfi s pultrudados: nova vocação do PU requer boa resistência à corrosão, nota Turnbach. Outro mercado potencial são tubulações de filament winding para aplicações resistentes à corrosão ou de infraestrutura de água potável em locais como o Leste e Sudeste Asiáticos, diz Connolly. Tanques de água quente são outra área promissora. Ensaios recentes têm revelado que melhorias entre 40 e 50% são conseguidas em resistência à ruptura de tanques de PU por filament winding em relação aos comuns. INFUSÃO A VÁCUO DE PU A viabilidade da infusão a vácuo de PU, uma versão do RTM (Resin Transfer Molding) indicada para partes de grande dimensão (por exemplo, cascos de embarcações), também é explorada. Esta abordagem requer apenas uma metade de molde, mais um filme plástico para cobrir o laminado. De acordo com Connolly, alcançando-se mais do que 30 minutos de pot life para PU, torna-se possível a fabricação de partes por RTM, VARTM (Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding ou Moldagem de Transferência de Resina Assistida a Vácuo) e outros processos de infusão. Temos tido sucesso em realizar a infusão de peças razoavelmente grandes usando mais de 50 libras de resina em ensaios em fábricas de clientes e desejamos ter esses componentes comercialmente lançados no futuro próximo. A viabilidade comercial de realizar a infusão de PU em partes realmente grandes exigindo mais do que 500 libras de resina ainda não é definitiva, mas pode ser possível. Snyder, da Bayer, diz que novas formulações parecem promissoras para infusão a vácuo. A RS Technologies explora tanto a infusão a vácuo quanto a pultrusão usando suas resinas Version PU. thomas-technik 24 Composite de PU_PU41_01.indd 24 10/8/10 3:10 PM