Desempenho, preparação e aplicação de materiais compósitos de aramida

O nome completo da aramida é fibra de poliamida aromática, um material sintético orgânico com alta resistência, alto módulo, baixa densidade e alta resistência ao desgaste, além de possuir propriedades químicas estáveis. Em 1974, a Comissão Federal de Comércio dos EUA (FTC) a denominou "fibra de aramida", que se define como: pelo menos 85% das cadeias amida (-CONH-) conectam diretamente dois anéis de benzeno. No início da década de 1960, a DuPont desenvolveu a meta-aramida HF-1 com excelente estabilidade térmica, a fibra Nomex. No meu país, era chamada de aramida. Ela passou pela identificação de aramida 14 em 1981 e aramida 1414 em 1985. Como uma única fibra de aramida apresenta defeitos quando usada e sua resistência diminui após o contato com a água, a aramida é geralmente transformada em materiais compósitos e usada como fibra de reforço em materiais para se adaptar a diferentes ambientes de uso, além de poder melhorar o desempenho dos materiais.

1.1 Para-aramida
A para-aramida, também conhecida como PPTA (Poli-P-fenilenofereftalamida), foi desenvolvida com sucesso em 1971 e colocada em produção no ano seguinte. Sua estrutura de cadeia principal é altamente regular e as macromoléculas existem em um estado muito alongado. É resistente a altas temperaturas, fogo, corrosão química, altas propriedades mecânicas e resistência à fadiga, e tem baixa densidade. Sua resistência é 3 vezes maior que a do aço e 4 vezes maior que a do fio industrial de poliéster de alta resistência. Seu módulo inicial é de 4 a 10 vezes maior que o do fio industrial de poliéster e mais de 10 vezes maior que o da fibra de poliamida. Possui boa estabilidade, com encolhimento zero a 150 °C, e ainda pode manter alta resistência em altas temperaturas, como 65% da resistência original a 260 °C. Possui boa adesão à borracha e é uma fibra de cordão ideal. Como o Kevlar-49 da DuPont nos Estados Unidos, o Twaron da Enka na Holanda e a aramida 1414 na China.

1.2 Meta-aramida
A meta-aramida, também conhecida como MPIA (poli-m-fenilenoisoftalamida), começou a ser estudada em 1956 e foi industrializada em 1967. A cadeia macromolecular da meta-aramida é em zigue-zague e possui excelentes propriedades físicas e mecânicas, como resistência e alongamento após a ruptura. Suas características marcantes são a excelente resistência ao fogo e à oxidação. Após uso contínuo a uma temperatura de 260 °C por 1.000 horas, sua resistência ainda pode manter 65% de sua resistência original; após ser usada a uma alta temperatura de 300 °C por 7 dias, ainda pode manter sua resistência original. Pode queimar e tem propriedades autoextinguíveis após deixar a chama; tem boa estabilidade em ácidos, álcalis, agentes branqueadores, agentes redutores e solventes orgânicos. Também possui boa resistência à radiação. Suas deficiências são as mesmas do náilon: baixa estabilidade à luz solar e difícil de tingir.

1.3 Comparação do desempenho da aramida com outras fibras
A aramida possui boas propriedades mecânicas. Comparada a outras fibras, a aramida possui características de alta resistência à temperatura, baixo alongamento, alto módulo de elasticidade e alta resistência, especialmente a para-aramida (fibra de Kevlar), que é superior.

A fibra de aramida, assim como a fibra de vidro, apresenta formas de produtos como fios torcidos, mechas não torcidas, diversas especificações de tecido, fitas, feltro e fios picados. Existem dois tipos principais de preparação de material compósito: compósito enrolado fibra-fibra e compósito fibra-resina ou borracha.

2.1 Moldagem composta de fibra a fibra
Enrolamento úmido e enrolamento seco são os dois principais métodos de moldagem de enrolamento de materiais compósitos. A principal vantagem do enrolamento seco é que o teor de cola é mais fácil de controlar. Portanto, no passado, a moldagem de recipientes de alta pressão compostos sempre utilizou uma única moldagem de enrolamento seco. No entanto, o enrolamento úmido tem as vantagens de baixo custo do produto, menor desgaste da fibra, baixo índice de vazios e alta eficiência de produção, sendo amplamente adotado no exterior. No passado, meu país sempre adotou a moldagem a seco e desenvolveu dezenas de fórmulas adesivas para moldagem a seco. Algumas fórmulas, como 4304 e 4303A, foram usadas com sucesso em grandes motores de foguetes sólidos. O fluxo do processo é o seguinte: afrouxamento da fibra de aramida → mistura → moldagem → tratamento térmico → moagem → produto acabado.

A moldagem por enrolamento úmido é semelhante à moldagem a seco. A matriz de resina deve apresentar determinadas propriedades mecânicas. Ao mesmo tempo, a viscosidade do sistema de matriz deve ser controlada dentro de uma determinada faixa para garantir que o feixe de fibras possa ser completamente impregnado durante a moldagem. Existem duas maneiras principais de reduzir a viscosidade do sistema: (a) Selecionar um diluente ativo de baixa viscosidade razoável. Frequentemente, a viscosidade do sistema atende aos requisitos do processo de impregnação, mas, ao mesmo tempo, as propriedades mecânicas e a resistência ao calor do sistema são bastante reduzidas. Após a triagem, um diluente misto é usado e atende aos requisitos de projeto até certo ponto. (b) Selecionar um agente de cura líquido. A adição de um agente de cura líquido pode reduzir a viscosidade do sistema de fórmula até certo ponto. Há uma carência de pesquisas adicionais sobre a fórmula úmida e a tecnologia de moldagem por fórmula úmida de fibras de aramida, e a tecnologia de fórmula úmida de alto desempenho é a tecnologia-chave que precisa ser resolvida primeiro na moldagem por enrolamento úmido.

2.2 Moldagem de compósitos de fibra e resina
O método de moldagem é o mesmo da fibra de vidro, incluindo enrolamento, laminação manual, impregnação, saco a vácuo, pressurização e injeção, que podem ser selecionados de acordo com as necessidades. As resinas frequentemente combinadas com fibras de aramida incluem epóxi, fenólica, poliéster insaturado, éster vinílico, poliimida, etc. Nos últimos anos, elas também têm sido usadas em combinação com náilon, PBT, etc. No estudo das propriedades de tração de compósitos unidirecionais de fibras mistas de aramida/polipropileno, Zhang Maolin et al. utilizaram fios de filamentos não torcidos de aramida (material de reforço) como fio de urdume e fibras de polipropileno (fibra de matriz) como fio de trama para tecer um pré-polímero termoplástico com trama simples. Os materiais compósitos foram produzidos sob certas temperaturas e pressões, e a densidade dos fios de urdume e trama foi ajustada para controlar a composição do material. Cordonéis feitos de aramida são cada vez mais utilizados na indústria de pneus automotivos. A tecnologia de materiais compósitos de aramida e borracha está se desenvolvendo rapidamente. Como as fibras de aramida possuem poucos grupos funcionais ativos, a ligação com a borracha é difícil. Para solucionar o problema de ligação, as seguintes medidas são geralmente adotadas: por um lado, a fórmula e o processo do sistema de impregnação são ajustados ou aprimorados. Atualmente, a impregnação de dois banhos ou adesivos de impregnação especiais são adicionados à impregnação de um banho; por outro lado, adesivos são adicionados à formulação do composto de borracha. Devido ao efeito sinérgico dos dois aspectos acima, obtém-se um efeito de ligação mais ideal.

A alta resistência da aramida é apreciada por todos os setores da vida, especialmente os militares. Os capacetes modernos surgiram na Primeira Guerra Mundial e foram usados para reduzir a taxa de baixas entre os soldados. Após a Segunda Guerra Mundial e até a década de 1970, os capacetes militares à prova de balas eram todos de aço, a maioria dos quais aço com alto teor de manganês ou aço especial, e as carcaças dos capacetes eram, em sua maioria, estampadas. Os capacetes de nylon são usados principalmente no Reino Unido e em Israel. Há uma camada de espuma de polietileno de alta densidade à prova de choque no capacete para melhorar o conforto. Os capacetes de aramida são feitos de tecido de aramida multicamadas unido por resinas especiais e moldado em alta temperatura e alta pressão. Os capacetes de aramida foram desenvolvidos pela DuPont na década de 1970. Suas vantagens são alta resistência, leveza e bom desempenho de proteção. Eles são adotados por cada vez mais países.

A resistência ao impacto balístico da fibra de aramida deve-se à sua estabilidade térmica superior, alta cristalinidade, estrutura de alta orientação e alto desempenho de tração. A alta temperatura de transição vítrea e a excelente estabilidade térmica permitem que as fibras de aramida garantam a estabilidade de estruturas resistentes ao impacto em altas temperaturas geradas por impactos balísticos; alta cristalinidade e alta orientação produzem alto módulo, garantindo uma resposta rápida à deformação axial; alta elasticidade e alongamento médio conferem às fibras de aramida alta tenacidade, permitindo que funcionem eficazmente quando rompidas longitudinalmente. Meu país realizou pesquisas sobre placas de aramida à prova de balas e obteve progressos na relação ideal entre matriz e fibra.

O principal componente dos pneus é a borracha. Para aumentar a resistência, o arame de aço foi inicialmente utilizado como material de reforço na indústria. No entanto, devido à alta densidade do arame de aço, à medida que a resistência do pneu aumenta, o peso da carroceria do veículo aumenta e o consumo de energia também. A presença do arame de aço torna o pneu mais duro, mais sujeito a impactos e o conforto diminui. Especialmente em veículos pesados, a capacidade de carga é muito grande e os requisitos para pneus são maiores.

Comparado ao fio de aço, o cordão de aramida possui características de alta resistência à temperatura, alta resistência mecânica, alto módulo de elasticidade e baixa deformação, além de possuir a flexibilidade de baixa densidade relativa, resistência à fadiga e ao cisalhamento. Combina o excelente desempenho do fio de aço, rayon, nylon e poliéster, sendo conhecido como "fio de aço sintético". É o material de estrutura mais ideal atualmente.

As vantagens do cordão de aramida são: ① Como um cordão, a carcaça do pneu pode ser reduzida de três camadas para uma camada, o peso do pneu é reduzido, a resistência ao rolamento do pneu é reduzida e o consumo de combustível pode ser reduzido. ② O efeito de ligação do cordão de aramida e da borracha é melhor do que o do fio de aço e não é facilmente afetado pela umidade. ③ Após o uso de aramida como cordão, a rigidez e a resistência ao desgaste do pneu são melhoradas, e a vida útil do pneu é estendida. ④ Devido à redução do número de carcaças, o desempenho de direção e o conforto do carro foram bastante melhorados.

Entretanto, as principais desvantagens da aramida como cordão são que o custo é muito alto, a tecnologia de produção é complexa e é necessário equipamento especial para o processamento.

A fibra de Kevlar é a melhor escolha para materiais de reforço de mangueiras. Atualmente, cada vez mais mangueiras automotivas, mangueiras para a indústria química, mangueiras para a indústria petrolífera, diversas mangueiras hidráulicas para a indústria aeronáutica e mangueiras marítimas utilizam a fibra de Kevlar como material de reforço. A Chrysler e a Gates, nos Estados Unidos, utilizam a fibra de Kevlar como material de reforço para mangueiras de dispositivos de resfriamento de automóveis, fabricando mangueiras de resfriamento de automóveis com temperatura de cerca de 150 °C. A Gates e a Goodall, nos Estados Unidos, fabricaram mangueiras de grande diâmetro com fibra de aramida para usinas nucleares, plantas químicas e exploração de petróleo. O diâmetro interno é de 25,4 cm, cada mangueira tem 12 m de comprimento, a pressão de trabalho projetada é de 56 kg/cm² e o raio de curvatura é de 1,5 m.

3.4 Campo de reforço da estrutura da ponte
O tecido de fibra de aramida possui uma ampla gama de aplicações no reforço de pontes antigas. No reforço de componentes, o tecido de fibra de aramida é usado principalmente para resistir à tração. É geralmente utilizado nas partes de tração de vigas, nas partes de cisalhamento de vigas e colunas e no reforço de confinamento de colunas ou pilares de pontes. Após a aplicação de duas camadas de fibra de aramida AFS-40 nas partes fissuradas dos pilares da ponte, o desenvolvimento de fissuras foi controlado e a capacidade de suporte da ponte foi significativamente melhorada.

3.5 Campo Elétrico e Eletrônico
A fibra de aramida possui excelentes propriedades mecânicas, propriedades de isolamento elétrico, propriedades de transmissão de ondas e estabilidade dimensional. Ela tem sido utilizada na área elétrica e eletrônica em placas de circuito impresso especiais para tecnologia de montagem em superfície (SMT), em tecnologia de montagem de microeletrônica, em revestimentos para antenas de radar aéreas ou de satélite, em componentes estruturais funcionais para alimentação de antenas de radar e em componentes elétricos móveis. As superfícies refletivas das múltiplas antenas parabólicas desenvolvidas pela RCA para múltiplos satélites são todas feitas de materiais compósitos reforçados com tecido de fibra de aramida.

3.6 Campo de vestuário resistente ao calor e de proteção
Os materiais dos trajes espaciais extraveiculares devem ser leves, flexíveis, resistentes ao desgaste, ao impacto e apresentar boa durabilidade mecânica; além disso, apresentam boa resistência química, ao calor e à luz, além de poderem proteger contra diversas radiações. Em temperaturas ultra-altas e ultra-baixas, e sob radiação térmica de alta energia, as diversas propriedades do material são estáveis. O tecido de fibra de aramida é o material preferido.

A alta resistência e a baixa densidade da aramida são utilizadas em diversos campos. No campo de placas de vedação, as placas de vedação de borracha reforçada com fibra de aramida, feitas de fibra de aramida em vez de fibra de amianto, apresentam bom desempenho de vedação e são inofensivas ao corpo humano. Na pesquisa de pastilhas de freio a disco, a aramida apresenta o melhor desempenho em termos de perda de atrito e resistência ao cisalhamento interno, e espera-se que seja utilizada nos freios traseiros de automóveis e nos freios dianteiros de minicarros nos últimos anos. Em termos de navios, materiais compósitos de aramida podem ser usados para reduzir o peso do casco e aumentar a velocidade do navio; em materiais de construção, a aramida é usada para substituir o amianto no reforço de cimento e em substituição a materiais metálicos, proporcionando uma estrutura leve e uma estrutura principal de suporte de carga de alta resistência. A aramida também pode ser usada na fabricação de trajes espaciais, trajes de bombeiro, etc. A aramida agora é usada para substituir fios de aço na fabricação de cabos subaquáticos, especialmente cabos de águas profundas. Fibras de aramida também são adicionadas à parte externa das colunas de concreto para inibir a expansão volumétrica do concreto quando ele é danificado e melhorar sua resistência e resistência sísmica.

Como uma invenção importante na indústria de fibras poliméricas no século XX, a aramida é utilizada em cada vez mais áreas devido à sua alta resistência, baixa densidade, alta resistência à temperatura e outras características. A pesquisa sobre ela concentra-se principalmente no uso da aramida como material de reforço para a fabricação de materiais compósitos. No entanto, devido à complexidade da preparação e processamento da aramida e ao seu alto custo, ela não pode ser amplamente utilizada atualmente. Como as fibras de aramida possuem poucos grupos funcionais e baixa adesão à matriz, elas precisam passar por tratamento de borda ou adição de adesivos. A pesquisa e o desenvolvimento dessa tecnologia podem expandir o campo de aplicação da aramida.