Estudo da cinética de cura e das propriedades mecânicas de um pré-impregnado de cura rápida para aplicações automotivas

Abstract

Setores da indústria automotiva vêm buscando alternativas para diminuir o impacto ambiental gerado na manufatura de seus produtos, visto que é de extenso conhecimento os malefícios causados pela emissão de gases tóxicos na atmosfera. Nesse contexto, este estudo apresenta uma alternativa a substituição dos materiais metálicos por compósitos poliméricos, considerando que a substituição por componentes mais leves resulta na redução de massa nos veículos, e consequentemente, na menor quantidade de energia necessária para que seja gerada a aceleração, proporcionando uma redução direta na queima de combustíveis, aumentando a autonomia dos veículos. A dificuldade de implementação na indústria automotiva se dá diretamente no processamento dos compósitos, pois o tempo de cura/consolidação das peças costuma ser mais elevado quando comparado aos materiais metálicos. Desta forma, este trabalho de pesquisa tem como objetivo principal avaliar um pré-impregnado (prepreg) de epóxi/fibra de carbono de cura rápida (snap cure ou fast cure) que foi desenvolvido com intuito de acelerar o processamento desses materiais para que possam ser produzidos em alta cadência. Para tanto, foram realizadas análises térmicas de DSC (calorimetria exploratória diferencial) e TGA (termogravimetria), para se entender a cinética de cura do material, utilizando o modelo Borchardt e Daniels e modelo isotérmico, bem como os melhores parâmetros de processamento. De posse destes dados, foram processados, via moldagem por compressão a quente, quatro laminados com diferentes parâmetros de tempo, temperatura e pressão. Após consolidados, estes laminados foram avaliados a partir técnica de inspeção acústica por ultrassom, e dentre os laminados em estudo foram selecionados dois (P1 e P4) para produção de corpos de prova. Estes foram então caracterizados por ensaios de digestão ácida, DMA (análise dinâmico-mecânica), TMA (análise termomecânica), vibração via excitação por impulso e de resistências à tração, à compressão, ao cisalhamento interlaminar (ILSS), ao impacto e CAI. O resultado da cinética de cura dinâmica apresentou valor de n igual a 2, indicando que a cura do prepreg é bi molecular, além de apresentar também um resultado atípico no qual parecem existir dois mecanismos de cura diferentes ao longo do processo. A temperatura de transição vítrea encontrada, tanto para P1 como para P4, foi de 150 °C. Apesar de P1 e P4 apresentarem diferenças nas análises de ultrassom, os resultados dos ensaios mecânicos de tração; compressão e ILSS se apresentaram bem próximos, sendo de 785 e 747 MPa; 275 e 278 MPa e 42 e 41 MPa, respectivamente.

Sectors of the automotive industry have been looking for alternatives to reduce the environmental impact generated in the manufacture of their products, since the harm caused by the emission of toxic gases into the atmosphere is well known. In this context, this study presents an alternative to replacing metallic materials with polymer composites, considering that replacing them with lighter components results in a decrease in vehicle mass, and consequently in less energy needed to generate acceleration, providing a direct reduction in fuel burning and increasing autonomy. The difficulty of implementation in the automotive industry lies directly in the processing of composites, as the curing/consolidation time of the parts is usually longer when compared to metallic materials. Thus, the main objective of this research project is to evaluate a snap/fast cure epoxy/carbon fiber prepreg that was developed with the aim of speeding up the processing of these materials so that they can be produced at a high rate. Then, DSC (differential scanning calorimetry) and TGA (thermogravimetry) thermal analyses were carried out to understand the material's curing kinetics, using the Borchardt and Daniels model and the isothermal model, as well as the more appropriate processing parameters. With this data, four laminates were processed by hot compression molding with different time, temperature and pressure parameters. Once consolidated, they were evaluated using ultrasound, and two of these were selected to produce specimens, which were then characterized using acid digestion tests, DMA (dynamicmechanical analysis), TMA (thermomechanical analysis), vibration via impulse excitation and tensile, compressive, interlaminar shear (ILSS), impact and compression after impact strengths. Result indicated that the dynamic curing kinetics showed a value of n equal to 2, indicating that the curing of the prepreg is bi-molecular, as well as showing an atypical result in which there appear to be two different curing mechanisms throughout the process. The glass transition temperature found to P1 and P4 was 150 °C. Although P1 and P4 differed in the ultrasound analyses, the results of the mechanical tensile; compression and ILSS tests were very close, 785 and 747 MPa; 275 and 278 MPa and 42 and 41 MPa, respectively.