UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESCCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCTCURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA

Polímeros na Indústria Aeroespacial

Amanda Moreira

Mayara Boettcher Vasconcelos

Trabalho apresentado para a disciplina OQP0001 – Química de Polímeros, Profa. Carla Dalmolin

JOINVILLE, 2014

1

SUMÁRIO

1. Introdução.....................................................................................................3

2. Compósitos...................................................................................................4

3. Polímeros utilizados na Indústria Aeroespacial............................................6

4. Síntese e Produção de Polímeros utilizados na indústria aeroespacial.......8

5. Conclusão...................................................................................................12

Referências Bibliográficas.................................................................................13

2

1. Introdução

No Brasil, a indústria aeroespacial, integra as indústrias aeronáutica,

espacial e de defesa. Desenvolvendo e produzindo aviões comerciais e

militares, aviões leves e de médio porte, helicópteros, planadores, foguetes de

sondagem e de lançamento de satélites, equipamentos e sistemas de defesa,

mísseis, radares, sistemas de controle de tráfego aéreo e proteção ao vôo,

sistemas de solo para satélites, equipamentos aviônicos de bordo e espaciais,

além de reparos e manutenção em aviões e motores aeronáuticos. Todos

esses produtos precisam de altos níveis de segurança e da garantia de um

ótimo desempenho.

Existe uma grande preocupação na indústria aeroespacial na escolha de

materiais, o que faz com que haja sempre novas pesquisas associadas a esse

assunto. Os aviões são basicamente construídos de titânio, aço e alumínio,

porém há avanços tecnológicos que procuram substituir parcialmente estes

metais por materiais à base de polímeros e fibra de carbono que garantem ser

mais leves e possuírem grande resistência à corrosão e à deformação interna,

força mecânica, propriedades antichama e propriedades de liberação de

fumaça. Outra característica importante é a facilidade na fabricação e redução

dos custos operacionais das aeronaves.

Faltaram as referências das afirmações acima.

3

2. Compósitos

(Faltou uma ligação entre este capítulo e o anterior: o que tem a ver,

indústria aeroespacial e compósitos?)

Segundo a Associação Latino-America de Materiais Compósitos –

Almaco, compósitos são materiais de moldagem estrutural, formados por uma

matriz que é a fase contínua polimérica e reforçada por fibras, a fase

descontínua que se agregam físico-quimicamente após a cura, um processo

de crosslinking polimérico (Ref. ALMACO). Normalmente a fase descontínua é

formada por fibra de vidro, aramida ou de carbono dependendo da aplicação

final. 

O material matriz é aquele responsável por conferir a estrutura do

compósito, enquanto o material da fase descontínua, as fibras, utilizado para

reforço é responsável por realçar alguma de suas propriedades desejadas.

Dessa forma, a matriz preenche os espaços vazios que se estabelecem entre

as fibras, enquanto essas fibras garantem as propriedades químicas e físicas

do compósito.

Os principais exemplos de materiais de matriz para compósitos, são os

metais, os polímeros e as cerâmicas. Já como exemplo da fase descontínua

tem-se as fibras (de vidro, carbono, orgânicas, de carbetro ou silício, entre

outras), assim como a madeira, o grafite e alguns minerais.

A fase polimérica é geralmente composta por uma resina termofixa do

tipo poliéster insaturada (ortoftálica, tereftálica, isoftálica ou bisfenólica),

dissolvida em solvente reativo como estireno ou ainda uma resina éster vinílica

ou epóxi. Resinas especiais como as fenólicas, de poliuretano e de silicone são

utilizadas em aplicações especiais. (ALMACO, 2014)

Não são somente as fibras que garantem a um compósito suas

características mecânicas, um fator tão importante quanto é a inserção de uma

carga que é transmitida às fibras pela fase matriz. Para que haja extensão

desta transmitância de carga procura-se garantir a magnitude da ligação

interfacial entre as fases fibra e matriz.

4

Conforme ROSA, 2010, há um comprimento crítico de fibra que é

necessário para o efetivo fortalecimento e enrijecimento do material compósito.

Este comprimento crítico lc é dependente do diâmetro da fibra d e a sua

resistência mecânica (ou tensão) final σf e da resistência mecânica da ligação

fibra-matriz (ou limite de escoamento cisalhante da matriz)  c de acordo com

expressão

lc= (1)

Conforme REZENDE E BOTELHO, 2000 a partir da década de 60, os

materiais compósitos de alto desempenho tiveram a sua chance na indústria

aeroespacial. A utilização de fibras de carbono, boro, quartzo ofereceram ao

projetista a oportunidade de flexibilizar os projetos estruturais, atendendo as

necessidades de desempenho em vôo de aeronaves e veículos de reentrada.

Os avanços dos compósitos criaram novas oportunidades para estruturas de

alto desempenho e com baixo peso, favorecendo o desenvolvimento de

sistemas estratégicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de

geometrias complexas. (REZENDE E BOTELHO, 2000).

Este último parágrafo poderia ter sido usado para finalizar a introdução,

indicando por que o próximo capítulo explica o que são compósitos.

5

3. Polímeros utilizados na Indústria Aeroespacial

Historicamente, estruturas aeronáuticas em compósitos têm sido

fabricadas utilizando-se fibras longas, isso com comprimento igual à dimensão

do componente que está sendo manufaturado. Assim, acaba por ocorrer a

máxima transferência das propriedades mecânicas da fibra para o compósito

(sob determinadas condições de carregamento das fibras). Porém, essa

fabricação, de estruturas complexas, onde utiliza-se fibras contínuas exige

quantidade significativa de trabalho manual ou equipamentos que são por sua

vez complexos e caros de corte do reforço e laminação dos pré-impregnados.

É por esse motivo, que trabalhos recentes estão combinando o uso de pré-

formas de fibras secas picadas e processos de transferência de resina, onde

visam ampliar o uso de compósitos poliméricos em componentes de estrutura

com menor exigência estrutural. Todo esse trabalho mostra um resultado em

relação a vantagens apresentadas, ou seja, vantagens em relação a custo e

processabilidade e também na relação peso/resistência, em comparação ao

componente metálicos substituído.

Os engenheiros aeroespaciais querem materiais capazes de suportar

ambientes severos, reduzir custos de produção e oferecer flexibilidade no

processamento. Como uma solução de pouco peso, os polímeros têm sucesso

em substituir metais e compostos tradicionais.

O polímero VICTREX PEEK, o Filme APTIV® e os Revestimentos VICOTE® são plásticos de engenharia apropriados para aplicações exteriores onde ocorre o contato com química e partículas atmosféricas. As aplicações interiores exigem propriedades que os polímeros de alto desempenho da Victrex oferecem, como durabilidade, propriedades antichama e baixos níveis de liberação de fumaça e toxicidade. (VICTREX, 2014)

Os compósitos termoplásticos reforçados com fibras contínuas têm sido

utilizados amplamente no setor aeroespacial por serem mais resistentes que os

6

metais, possuírem baixa absorção de umidade entre outras características que

os fazem ser mais vantajosos até que os compósitos termorrígidos. A

utilização de compósitos termoplásticos na construção de fuselagens reduz o

peso em cerca de 25% em relação às estruturas metálicas utilizadas.

Hoje, dois processos tecnológicos estão sendo estudados, de modo a ampliar o uso deste tipo de compósitos sem, no entanto, onerar em demasia os custos com a aquisição de novas ferramentas de moldagem. O primeiro processo, conhecido como termoformagem de laminas, consiste em laminar os pré-impregnados e pré-consolidar por prensagem a quente. Estes laminados são, então, cortados e moldados na obtenção da peça. O segundo processo é conhecido como consolidação in-situ, o qual utiliza a laminação contínua e a consolidação direta da peça. Hoje, estes compósitos estão sendo utilizados na obtenção de componentes externos, como portas de aeronaves da Boeing e da Fokker. (REZENDE E BOTELHO, 2000).

O processo mais utilizado, atualmente, em fabricação dos compósitos

poliméricos termorrígidos tem sido a cura em autoclave de peças laminadas

manualmente, que tem como objetivo aperfeiçoar a produção desses

compósitos com qualidade para aplicação aeroespacial. Vários estudos tem

sido realizados sobre o efeito de laminação em bordas livre e moldada de

compósitos com diferentes arranjos de fibras e sobre a influência da

porosidade nas propriedades mecânicas finais do material obtido. Mas hoje se

sabe que existem outros processos, como por exemplo: pultrução, bobinagem,

a trançagem com ângulos e densidades de fibras pré-determinados (braiding),

RTM, etc.

.

7

4. Síntese e Produção de Polímeros utilizados na indústria aeroespacial

As duas matérias-primas básicas para a produção de pré-impregnados

são a matriz polimérica e a fibra de reforço na forma de tecidos ou mechas

unidirecionais. Há vários processos de fabricação de pré-impregnados, dentre

esses destacam-se métodos em que o polímero está em solução ou fundido e

os métodos de polímeros em emulsão, polimerização superficial, filme

polimérico, pó seco e tecelagem híbrido.

Um compósito totalmente curado passa por um processo em que foram

consumidos, todos os grupos químicos disponíveis para a transformação do

pré-impregnado em um sólido infusível.

Esse conjunto matriz polimérico, fibra de reforço (pré-impregnado) é

fornecido ao moldador com proteção contra eventuais contaminações

constitucionais por camadas de filmes separadores, geralmente de polietileno

liso ou corrugado. Por sua vez, os pré-impregnados tem as seguintes

vantagens em comparação aos demais métodos de produção de peças de

compósitos.

A Figura 1 que segue abaixo, apresenta um fluxograma esquemático da

tecnologia envolvida na manufatura de pré-impregnados, tendo como matriz

polímeros termorrígidos.

Já as estruturas químicas de duas das resinas termorrígidas mais

utilizadas como matrizes em pré-impregnados apresenta-se na Figura 2, a qual

mostra a estrutura química da resina epóxi baseada no diglicidil éter do bisfenol

– A (DGEBA), agora na Figura 2b, apresenta-se a estrutura química da resina

epóxi baseada no tetraglicidil metileno dianilina (DGMDA).

8

Figura 1. Fluxograma esquemático representativo da fabricação de pré-

impregnados de fibra de reforço/matriz polimérica termorrígida.

9

Figura 2. Estruturas químicas de resinas termorrígidas típicas utilizadas

na manufatura de pré-impregnados (a) Tetraglicidil Metileno Dianilina (TGMDA)

(b) Diglicidil Éter do Bisfenol-A (DGEBA)

10

A seguir a Tabela 1 mostra propriedades das duas resinas. Em relação a

resina epóxi TGMDA, a mesma apresenta auto viscosidade mesmo a 50ºC.

Assim, é procedimento comum utilizar blendas destas duas resinas na

manufatura de pré-impregnados. Porém, quando a formulação a ser utilizada

na manufatura do pré-impregnado tem viscosidade alta, assim é comum utilizar

um solvente, por exemplo, metil etil cetona, que tem o intuito de reduzir a

viscosidade e facilitar a impregnação.

Tabela 1. Propriedades físicas típicas de resinas epóxi utilizadas em

pré-impregnados.

Abaixo segue Figura 3, em relação a Figura 3a, apresenta-se estrutura

química de endurecedores, difenil diamino metileno (DDM) e a Figura 3b,

apresenta difenil diamino sulfona (DDS). Essas duas figuras de endurecedores

conferem ao compósito obtido temperatura de transição vítrea (Tg) na faixa de

150ºC a 200ºC.

11

Figura 3. Estruturas químicas de endurecedores típicos de resinas

termorrígidas utilizados na manufatura de pré-impregnados. (a) DDM, (b) DDS.

Logo que definida a formulação e calculada a porcentagem adequado de

endurecedor e aditivo, segue o estudo de cinética de cura do comportamento

reológico da formulação. Avalia-se propriedades mecânicas. Toda avaliação

realizada até esse estágio é de extrema importância para a determinação da

viscosidade adequada no processo de impregnação (50-100 mPa.s).

Agora, nessa fase define-se o tempo para que as fibras de reforço

previamente impregnadas sejam tratadas termicamente a uma determinada

temperatura. Esse tratamento possibilitará a ocorrência de um estágio de pré-

polimerização da formulação conhecida como estágio-B, onde ao final

fornecerá o material pré-impregnado com características adequadas para

manufatura de compósitos estruturais.

É importante o controle de porcentagem em peso matriz, formulado

incorporado ao reforço, evitando excesso para não reduzir a fração volumétrica

de fibras no compósito moldado e também evitando a escassez para não

introduzir vazios e áreas secas no compósito.

5. Conclusão

Através de toda pesquisa realizada, os pré-impregnados, que são

matérias primas básicas para manufatura de compósitos, são confeccionadoas

com fibras de reforço, tecidas ou unidirecionais, previamente impregnadas com

polímeros termorrígidos ou termoplásticos.

12

Contudo, há dois processos de fabricação de pré-impregnados com

matriz termoplásticas em processo contínuo: deposição eletrostática de pó

polimérico nas fibras de reforço e tecelagem de fibras poliméricas e de fibras

de reforço.

Assim, já era conhecido que atualmente os polímeros são os materiais

mais utilizados no nosso dia a dia. A aplicação de polímeros no ramo

aeroespacial apresentou-se como novidade no que se refere ao vasto número

de pesquisas relacionadas, assim como as variadas aplicações e diversidades

de materiais em desenvolvimento.

Quais as propriedades procuradas nos polímeros para essas

aplicações?

Em que direção seguem as pesquisas nessa área?

13

Referências Bibliográficas

REZENDE, M. C; BOTELHO, E. C. O Uso de Compósitos Estruturais

na Indústria Aeroespacial. Revista Ciência e Tecnologia, vol 10, nº 2, 2000. Disponível em: http://www.scielo.br/pdf/po/v10n2/3106.pdf. Acesso em: 24 de outubro de 2014.

ROSA, P. H. Materiais Compósitos. Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA5-IAH/materiais-compositos. Acesso em: 24 de outubro de 2014.

SERRÃO, R.; CARDOSO, A. Setor Aeroespacial. Texto produzido pela Subseção do DIEESE CNM/CUT – FEM-CUT/SP. Disponível em: http://www.cnmcut.org.br/sgc_data/conteudo/%7B7310E42F-6522-4045-B22C-0993ACABE947%7D_aeroespacail_final.pdf. Acesso em: 24 de outubro de 2014.

SILVA, A. L. Compósito. Disponível em: http://www.infoescola.com/materiais/composito/. Acesso em: 23 de outubro de 2014.

ALMACO. Compósitos. Disponível em: http://www.almaco.org.br/compositos.cfm. Acesso em: 23 de Outubro de 2014.

VICTREX. Material Aeroespacial. Disponível em: http://www.victrex.com/br/industries/aerospace/aerospace.php. Acesso em: 23 de outubro de 2014.

PEREZ, R. J.C.; PARDINI, L. C. Tecnologia de Fabricação de Pré-Impregnados para Compósitos Estruturais Utilizados na Indústria Aeronáutica. Revista Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 96 Disponível em: http://www.revistapolimeros.org.br/PDF/v6n2/v6n2a02.pdf. Acesso em: 24 de outubro de 2014.

14