Development, manufacturing and transformation of thermoplastic composite materials based on continous carbon fiber and low-density thermoplastic matrices

Abstract

A composite is a material that is formed by combining two or more distinct materials, of which one is a binding material (known as matrix) and the other is a reinforcement material (which is generally a fiber). The matrix can be metallic, ceramic, or polymeric. The fiber can be carbon, glass, aramid, or natural. Resins are required to hold the fiber and bind material together while the fiber provides structure and strength to the composite. Composites that are manufactured using thermoplastic matrix are considered as thermoplastic composites. Thermoplastic composite is one of the fastest-growing composite materials used in various applications, such as transportation, aerospace & defence, Electricals & electronics (E&E) and consumer goods, among other applications. In terms of value, the thermoplastic composite market size is mainly dominated by short fiber reinforcement thermoplastic (SFRT) and long fiber reinforcement thermoplastic (LFRT). Environmental regulations for low CO2 emissions and fuel efficiency mandates in Europe and the U.S. dictate more fuel-efficient vehicles from 2015. Thermoplastic composites are seen as substitutes for aluminium and steel in high-end cars that would help the automotive industry to meet the fuel efficiency standards. The demand for lightweight thermoplastic composites is being driven by an increasing emphasis on fuel efficiency in the whole transportation market. In addition, in other specific industries like the aerospace & defense, they are further pushing the inclusion of lightweight material in aircrafts. For them, short cycle manufacturing times and materials with high impact resistance are key to increase the penetration of thermoplastic composites in the aeronautical sector. Other additional important advantage of thermoplastic is that they are recyclable materials. However, the adoption of thermoplastic composites is lagging, due mainly to their high costs and manufacturing complexity. The high cost of thermoplastic composites is a major concern associated with their growth. There are a large number of applications of thermoplastic composites that are not commercially viable due to their high cost. The development of low-cost technologies is a major challenge for all manufacturers of thermoplastic composites specially for structural components. At present, the most extended manufacturing process for plastic composites is based on thermosetting. A thermosetting plastic, also called a thermoset, is a plastic that is irreversibly cured from a soft solid or viscous liquid prepolymer or resin. The process of curing changes the resin into an infusible, insoluble polymer network, and is induced by the action of heat or suitable radiation often under high pressure, or by mixing with a catalyst. The production process based on thermosetting allows high flexible designs, high levels of dimensional stability and cost-effective production costs. However, this process has 3 main limitations: 1) can only be heated a once and; 2) cannot be remolded or reshaped: If re-heated they cannot soften as polymer chain are interlinked. They are made of a fixed molecular structure that cannot be reshaped by heat or solvents that are joined by adhesives. 3) Cannot be recycled. Market’s state of the art for the production of thermoplastics are based on the use of plastic, generally in the form of powder, and application of pressure and temperature in the melting conditions of the thermoplastic mat to achieve the fusion of the same and the integration with the fiber in the presence of vacuum and atmosphere inert. Comparatively, thermoplastics provides different advantages: 1) can be heated and shaped many times; 2) it can be remoulded, 3) It is recyclable and eco-fiendly manufacturing. However, this procedure has 2 main constraints: it requires time and energy, which translates into a high-cost raw material (stack). This work has been focused in thermoplastic composites based on continuous carbon fibers and low-density thermoplastic matrices. Concretely, it will be studied the combination of carbon fibers with the thermoplastic matrices such as polypropylene, polyethylene and polyamide. With this material, it will be studied the process to manufacture and transform them into a composite having adequate fiber to plastic ratio, good homogeneity and the absence of air bubbles. For that the effect of the main industrial parameters of the proposed process will be studied and optimized. The composites obtained will be tested in order to characterise their main mechanical properties. Finally, these experimental properties will be compared with the theoretical ones obtained from properties of the fiber and the plastic matrix. It is, the properties calculated by applying the theory of self-consistent field. This approach will allow to present son general comments regards interaction of the fibers with the plastic matrix, the modification of plastic properties dues the process as well as advantages and limitations of the studied manufacturing process.

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Um compósito é um material que é formado pela combinação de dois ou mais materiais distintos, dos quais um é um material de ligação (conhecido como matriz) e o outro é um material de reforço (que é geralmente uma fibra). A matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica. A fibra pode ser carbono, vidro, aramida ou natural. As resinas são necessárias para manter a fibra e unir o material, enquanto a fibra fornece estrutura e resistência ao compósito. Os compósitos fabricados com matriz termoplástica são considerados compósitos termoplásticos. O compósito termoplástico é um dos materiais compostos que mais cresce em diversas aplicações, como transporte, aeroespacial e defesa, Eletroeletrônicos (E & E) e bens de consumo, entre outras aplicações. Em termos de valor, o tamanho do mercado de compósitos termoplásticos é predominantemente dominado por termoplástico de reforço de fibra curta (SFRT) e termoplástico de reforço de fibra longa (LFRT). Regulamentações ambientais para baixas emissões de CO2 e mandatos de eficiência de combustível na Europa e nos EUA ditam veículos mais econômicos em combustível a partir de 2015. Compósitos termoplásticos são vistos como substitutos do alumínio e do aço em carros de alto desempenho que ajudariam a indústria automotiva a atender a eficiência de combustível. padrões. A demanda por compósitos termoplásticos leves está sendo impulsionada por uma ênfase crescente na eficiência do combustível em todo o mercado de transporte. Além disso, em outros setores específicos, como o aeroespacial e de defesa, eles estão empurrando ainda mais a inclusão de material leve em aeronaves. Para eles, tempos de fabricação de ciclo curto e materiais com alta resistência a impactos são fundamentais para aumentar a penetração de compósitos termoplásticos no setor aeronáutico. Outra vantagem adicional importante do termoplástico é que eles são materiais recicláveis. No entanto, a adoção de compósitos termoplásticos está atrasada, devido principalmente a seus altos custos e complexidade de fabricação. O alto custo dos compósitos termoplásticos é uma das principais preocupações associadas ao seu crescimento. Há um grande número de aplicações de compósitos termoplásticos que não são comercialmente viáveis devido ao seu alto custo. O desenvolvimento de tecnologias de baixo custo é um grande desafio para todos os fabricantes de compósitos termoplásticos, especialmente para componentes estruturais. Atualmente, o processo de fabricação mais extenso para compósitos plásticos é baseado em termofixas. Um plástico termoendurecível, também chamado de termoendurecível, é um plástico que é irreversivelmente curado a partir de um pré-polímero líquido ou resina macia, sólida ou viscosa. O processo de cura altera a resina para uma rede polimérica insolúvel e infusível e é induzida pela ação do calor ou radiação adequada, freqüentemente sob alta pressão, ou pela mistura com um catalisador. O processo de produção baseado em termoendurecimento permite projetos altamente flexíveis, altos níveis de estabilidade dimensional e custos de produção econômicos. No entanto, este processo tem 3 principais limitações: 1) só pode ser aquecido uma vez e; 2) não podem ser reformados ou remodelados: se forem reaquecidos, eles não podem amolecer, pois a cadeia polimérica está interligada. Eles são feitos de uma estrutura molecular fixa que não pode ser remodelada pelo calor ou solventes que são unidos por adesivos. 3) Não pode ser reciclado. O estado da arte do mercado para a produção de termoplásticos baseia-se no uso de plástico, geralmente na forma de pó, e na aplicação de pressão e temperatura nas condições de fusão do tapete termoplástico para conseguir a fusão do mesmo e a integração com a fibra na presença de vácuo e atmosfera inerte. Comparativamente, os termoplásticos oferecem vantagens diferentes: 1) podem ser aquecidos e moldados muitas vezes; 2) pode ser remodelado, 3) É reciclável e ecologicamente correto. No entanto, este procedimento tem duas restrições principais: requer tempo e energia, o que se traduz em uma matéria-prima (pilha/stack) de alto custo. Este trabalho foi focado em compósitos termoplásticos baseados em fibras de carbono contínuas e matrizes termoplásticas de baixa densidade. Concretamente, será estudada a combinação de fibras de carbono com matrizes termoplásticas como polipropileno, polietileno e poliamida. Com este material, será estudado o processo de fabricação e transformação em um compósito com relação fibra / plástico adequada, boa homogeneidade e ausência de bolhas de ar. Para isso, o efeito dos principais parâmetros industriais do processo proposto será estudado e otimizado. Os compósitos obtidos serão testados para caracterizar suas principais propriedades mecânicas. Finalmente, essas propriedades experimentais serão comparadas com as teóricas obtidas a partir das propriedades da fibra e da matriz plástica. Ou seja, as propriedades calculadas aplicando a teoria do campo autoconsistente. Essa abordagem permitirá apresentar a todos os comentários gerais sobre a interação das fibras com a matriz plástica, a modificação das propriedades plásticas do processo e as vantagens e limitações do processo de fabricação estudado.