MANUFATURA DE COMPÓSITOS DE FIBRAS DE CARBONO/POLI

MANUFATURA DE COMPÓSITOS DE
FIBRAS DE CARBONO/POLI(SULFETO DE FENILENO) POR
SUSPENSÃO POLIMÉRICA AQUOSA
Liliana B. Nohara1*, Aparecida M. Kawamoto2, Evandro L. Nohara3, Mirabel C. Rezende1
1*
Divisão de Materiais/Instituto de Aeronáutica e Espaço do CTA – Pça. Mal do Ar Eduardo Gomes, 50, 12228-904
São José dos Campos/SP–[email protected]; [email protected]
2
Divisão de Química/Instituto de Aeronáutica e Espaço do CTA – [email protected]
3
Departamento de Engenharia Mecânica da UNITAU – [email protected]
Manufacturing of carbon fiber/PPS composites by aqueous polymeric suspension
The aim of the present work is to evaluate the polyimide interphase on manufacturing of thermoplastic composites
based on carbon fiber/poly(phenylene sulfide), obtained by aqueous suspension prepregging method. In this study was
observed that polyimide (PI) precursor (polyamic acid) possess interaction with the poly(phenylene sulfide), by
detection of adhesion between matrix and reinforcement.
Introdução
As resinas termorrígidas dominam, atualmente, a indústria de compósitos devido à sua
disponibilidade histórica, facilidade de processamento, disponibilidade de equipamentos para o
processamento e cura de termorrígidos, existência de uma grande quantidade de dados/referências e
baixo custo dos materiais. Os polímeros termoplásticos, por outro lado, oferecem outras
características significativas e atrativas1:

Potencial de manufatura de baixo custo:
 Estabilidade indefinida do pré-impregnado; além de não necessitar de estocagem
refrigerada;
 Ciclo de processamento rápido;
 Pré-processamento para correção de falhas, que são mais facilmente reparadas;
 Termoformagem de placas planas, utilizando equipamentos de metais para moldagem;

Alta tenacidade, boa tolerância a danos;

Fácil controle da qualidade, menor variabilidade de lote para lote.
Alguns problemas, no entanto, limitam a aplicabilidade corrente de polímeros
termoplásticos:

Um pré-impregnado de qualidade é difícil de preparar:
 Não apresentam aspecto pegajoso (tack) (comum em pré-impregnados termorrígidos)
dificultando o arranjo das fibras (comumente o processamento de pré-impregnados termoplásticos
faz uso do arranjo misto de fibras ou impregnação por pó);
 Massas molares muito altas, que podem conduzir a pobre molhabilidade das fibras,
favorecendo o aparecimento de grande quantidade de vazios;
 Não-uniformidade;

Problemas de processamento:
 Custo do ferramental;
 Altas temperaturas e pressão requeridas1.
A Tabela 1 apresenta um sumário comparativo de algumas propriedades de termorrígidos e
termoplásticos, quando da aplicação destes como compósitos.
Entre polímeros termoplásticos de alto desempenho, as poliimidas (PI) representam uma
importante classe de materiais que estão encontrando uso em muitas aplicações, por fornecerem
vantagens como: alta resistência, estabilidade em altas temperaturas e resistência a solventes.
Compósitos reforçados com fibras são exemplos de sistemas em que as PI têm sido utilizadas. As PI
podem ser utilizadas como matriz polimérica, em compósitos reforçados com fibras e como
material de interfase em compósitos2-4.
Tabela 1 - Sumário de vantagens/desvantagens de termorrígidos e termoplásticos como compósitos1.
Propriedades
Formulações
Viscosidade no fundido
Impregnação na fibra
Tack do pré-impregnado
Arranjo do pré-impregnado
Estabilidade do pré-impregnado
Ciclo de processamento
Temperat./pressão de processamento
Custo de fabricação
Durabilidade no meio-ambiente
Resistência a solventes
Tolerância à danos
Base de dados
Termorrígidos
Termoplásticos
Complexa
Muito baixa
Fácil
Bom
Bom
Pobre
Longo
Baixo a moderado
Alto
Bom
Excelente
Pobre a excelente
Grande
Simples
Alta
Difícil
Nenhum
Nenhum a médio
Excelente
Curto a longo
Alto
Baixo (potencialmente)
Desconhecido
Pobre a bom
Médio a bom
Pequeno
A fabricação de compósitos termoplásticos é difícil, devido à alta viscosidade destas
matrizes, como o poli(éter éter cetona) (PEEK) e poli(sulfeto de fenileno) (PPS), na fusão. A alta
viscosidade causa uma pobre molhabilidade do reforço; além disso, as matrizes termoplásticas são
solúveis somente em poucos solventes comuns. Várias técnicas tais como pré-impregnação a seco,
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impregnação na fusão, entre outras, têm sido utilizadas e modificadas, objetivando minimizar estes
problemas. A pré-impregnação por suspensão polimérica aquosa ou suspensão pré-impregnante tem
sido utilizada com sucesso por muitos pesquisadores5,6. A técnica de suspensão polimérica aquosa
envolve a impregnação do reforço, por exemplo, fibras de carbono, pelo contato destas com uma
suspensão de partículas poliméricas, tipicamente em um sistema composto por um mandril, como
esquematizado na Figura 16, 7.
Figura 1 – Desenho esquemático do sistema de pré-impregnação via suspensão polimérica aquosa5.
A técnica de pré-impregnação de reforços via suspensão polimérica aquosa combina a
matriz com a fibra, ao mesmo tempo em que o polímero formador da interfase (que também é o
responsável por provocar a suspensão da matriz) é depositado sobre a fibra8. Esta técnica tem sido
utilizada por muitos pesquisadores2-5,9-10 pelo uso da poliimida, tendo como precursor, o poli(ácido
âmico) (PAA) solúvel em água e neutralizado com uma base, como o hidróxido de amônio, por
exemplo, tornando-o um “sal de poli(ácido âmico)”.
O objetivo do presente trabalho é avaliar a influência da inserção de uma interfase de
poliimida na manufatura de compósitos baseados fibras de carbono/PPS, obtido pelo método de
pré-impregnação via suspensão polimérica.
Experimental
Fibras de carbono – Foram utilizados tecidos de fibras de carbono (plain weave), com sizing, de
procedência da Hexcel Composites. Este tecido é composto de cabos constituídos por 3000
filamentos de ~7 µm de diâmetro cada. Os tecidos foram cortados nas dimensões de (50 mm X 50
mm), para facilitar o manuseio e, conseqüentemente, a pré-impregnação; e, em seguida, foram
lavados em acetona, para a retirada do sizing.
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Matriz polimérica de PPS – O PPS utilizado neste trabalho é comercializado sob o nome Fortron,
na forma de grânulos. Suas temperaturas de Tg e Tm são, respectivamente, 85ºC e 285ºC. A estrutura
química do PPS é apresentada na Figura 2.
S
n
Figura 2 – Estrutura química da matriz polimérica de PPS.
Poli (ácido âmico) do tipo BTDA/ODA (interfase) - O PAA foi obtido pela reação dos reagentes
3,3’,4,4’- Dianidrido benzofenona tetracarboxílico (BTDA) e da diamina oxidianilina (ODA),
conforme descrito na literatura4,11. A PI resultante possui Tg ∼ 304,5 ºC e mantém sua estabilidade
térmica até ~ 422 ºC. A estrutura química do pré-polímero BTDA/ODA é apresentada na Figura 3.
O
O
O
HO
OH
HN
O
O
HN
O
n
Figura 3 – Estrutura química do PAA do tipo BTDA/ODA.
Hidróxido de Amônio – Foi utilizado NH4OH de procedência da Synth com Título 28-30%. Água
deionizada foi adicionada ao NH4OH, para a padronização do pH=12,0.
Preparação dos laminados PEI / interfase / fibra de carbono
Uma solução de NH4OH e PAA foi preparada, em um béquer que foi recoberto com
parafilme e aquecida a 60°C por 30 minutos, sob agitação magnética. O NH4OH foi utilizado em
uma razão estequiométrica de 1,25:1 para as funcionalidades do PAA (duas por unidade). A solução
foi então resfriada à temperatura ambiente.
O PPS foi adicionado à solução de NH4PAA e, então, misturado em um agitador magnético
por 30 minutos, para assegurar o contato entre as partículas do PPS e do dispersante polimérico. A
razão em massa NH4PAA/PPS foi de 0,05 e a concentração de PPS na suspensão foi de 10% em
massa4,5,12.
Os cortes de tecidos de fibras de carbono foram mergulhados no béquer com a suspensão
polimérica em constante agitação. Em seguida, os pré-impregnados permaneceram à temperatura
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ambiente por 24 horas, sendo logo após, levados a um forno convencional, sob vácuo, onde foram
imidizados termicamente segundo o ciclo térmico apresentado a seguir4:
100ºC
(60 min)
I
200ºC
(60 min)
II
300ºC
(60 min)
Este procedimento remove cerca de 99% da água fisicamente ligada ao pré-impregnado.
Após a imidização, os pré-impregnados foram avaliados quanto à adesão física da matriz ao
reforço, pelo auxílio da interfase de poliimida.
Resultados e Discussão
A suspensão NH4PAA/PPS foi utilizada para impregnar tecidos de fibras de carbono. Após
secagem a temperatura ambiente por 24 horas, pôde ser observado que, as partículas de PPS
aderiram satisfatoriamente às fibras.
A Figura 4 apresenta um tecido de fibras de carbono impregnado com a suspensão
polimérica de NH4PAA/PPS e imidizado termicamente em forno convencional, conforme ciclo
térmico apresentado no item Materiais e Métodos. Pode ser observado, na Figura 4 que as partículas
da matriz polimérica mostraram-se bem aderidas às fibras de carbono, fato este identificado pela
relativa dificuldade na remoção do pó de PPS da superfície do reforço, sendo observada a presença
de um filme polimérico nessa superfície. Ao contrário do método por pré-impregnação via
suspensão polimérica, este efeito não pode ser obtido pela técnica de moldagem por compressão a
quente, que é um outro método de fabricação de compósitos termoplásticos, em que a matriz
polimérica em pó é simplesmente espalhada sobre o tecido de fibra de carbono. Este procedimento
não dispõe de um meio capaz de proporcionar uma melhor molhabilidade do reforço, como
identificado no método por pré-impregnação via suspensão polimérica aquosa.
Figura 4 – Laminado impregnado com a suspensão polimérica baseada em PAA do tipo BTDA/ODA/PPS.
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Conclusões
O PAA do tipo BTDA/ODA foi avaliado quanto à sua interação física à matriz polimérica
de PPS e consequentemente, ao reforço. Foi verificado que o PPS apresentou adesão ao tecido de
fibras de carbono, pelo emprego da interfase de PI, além de ter proporcionado uma melhor
molhabilidade do tecido, se comparado ao método de obtenção de compósitos por moldagem por
compressão a quente, que se dá pelo simples espalhamento de pó da matriz polimérica sobre o
reforço. Diante do exposto, pode-se concluir que uma pesquisa mais aprofundada deve ser
realizada, quanto à interação/miscibilidade do PAA à matriz polimérica, para uma adequada
avaliação do método de manufatura de compósitos termoplásticos, via suspensão polimérica.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP (Proc. N.00/15107-5) e ao CNPq (Proc. N.301583/2006-8, e
N. 311396/2006-2) pelo suporte financeiro dado a este trabalho.
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11. L. B. Nohara et al. In Anais do 7º Congresso Brasileiro de Polímeros, Belo Horizonte, 2003.
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