La resina polimerizada reactivamente expande el mercado de láminas orgánicas, oportunidades

Este otoño, Johns Manville (JM, Denver, Colorado, EE. UU.) Planea introducir los primeros productos de su línea Neomera. Las ofertas iniciales serán in situ -hoja orgánica de poliamida 6 (PA6) tejida reforzada con fibra de vidrio polimerizada, pero la línea pronto se expandirá para incluir telas sin rizado (NCF) y fibras cortadas largas. JM también dice que se están evaluando matrices termoplásticas polimerizadas reactivamente adicionales, al igual que estructuras de refuerzo híbridas (por ejemplo, combinando fibras de carbono y vidrio) o incluso refuerzos sin vidrio. La compañía señala que debido al método diferente utilizado para fabricar estos materiales en comparación con los compuestos termoplásticos de láminas orgánicas y fibras largas convencionales, los productos Neomera ofrecerán propiedades mecánicas más altas a un costo menor. Esto es lo que sabemos actualmente sobre estos materiales.

Un nuevo método para producir organosheet

La hoja orgánica convencional, típicamente una forma especializada de compuesto termoplástico de estera de vidrio (GMT) reforzada con tela tejida, se produce con una matriz de polipropileno (PP) o poliamida 6 o 6/6 (PA6, PA6 / 6). Los compuestos de láminas orgánicas se utilizan con mayor frecuencia en componentes semiestructurales y estructurales en las industrias automotriz, de camiones comerciales, construcción y artículos deportivos.

Varios aspectos hacen que la línea Neomera de JM sea diferente de lo que ya está disponible en el mercado. Primero, en lugar de fundir las fibras de impregnación con resina PA6 completamente polimerizada, la compañía está polimerizando aniónicamente el monómero de caprolactama en PA6 después de la etapa de impregnación. Debido a que la caprolactama fundida tiene una viscosidad muy baja (~ 5 centipoises), moja las mechas o la tela de manera mucho más efectiva que los termoplásticos completamente polimerizados, que tienen cadenas de polímero mucho más largas y una viscosidad mucho más alta. Eso significa que el sistema de resina polimerizada de forma reactiva de JM logra una humectación mucho mejor, más parecida a los termoestables líquidos, de lo que es posible con termoplásticos completamente polimerizados como PA6. A su vez, esto reduce en gran medida los huecos y brinda la oportunidad de crear fracciones de volumen de fibra (FVF) más altas, del orden del 50% o más, lo que, en sí mismo, mejora las propiedades mecánicas.

En segundo lugar, JM también está tratando las fibras de vidrio, ya sean cortadas, tejidas o NCF, con su propio encolado de vidrio reactivo patentado antes de impregnarlas con caprolactama. Esto, nuevamente, fortalece la unión fibra-resina y da como resultado propiedades mecánicas más altas en FVF comparables en comparación con otros productos de láminas orgánicas con el mismo tipo y porcentaje de carga y matriz de fibra.

La innovadora hoja orgánica de fibra larga ofrece una distribución aleatoria de la fibra, una humectación completa de la fibra y una excelente unión fibra-resina, como se muestra en las imágenes de arriba. A la izquierda, los haces de fibra de vidrio se muestran al final, y la derecha muestra que los haces de fibras individuales, de arriba hacia abajo, están completamente recubiertos con resina.

"Lo que queremos que la gente entienda es que no presentaremos a otro yo también producto de láminas orgánicas ”, explica Mingfu Zhang, director senior de investigación de JM - I + D empresarial. “Debido a que comenzamos con la caprolactama, podemos humedecer las fibras mucho más fácilmente que las que usan polímeros termoplásticos. Como resultado, logramos una mejor impregnación, fracciones de volumen de fibra más altas y un mejor rendimiento. De hecho, esto nos permite crear productos especiales que ni siquiera se pueden obtener en láminas orgánicas convencionales ".

El año pasado, JM anunció que había desarrollado la tecnología y la estaba probando estratégicamente. El plan es hacer un lanzamiento suave de Neomera en septiembre y luego un lanzamiento fuerte el mes siguiente en la Exposición de materiales compuestos y avanzados de 2021 (CAMX, 18-21 de octubre, Dallas, Texas, EE. UU.).

Lanzamiento por fases

El producto inicial de Neomera, la serie OS-6, se reforzará con telas tejidas. "Planeamos lanzar nuestra línea de productos ofreciendo una arquitectura de tejido de sarga en FVF que van del 45 al 50%, ya que vemos una gran demanda de esos tipos de compuestos", señala Dana Miloaga, líder de productos de JM:compuestos, I + D corporativo . "Debido a que es un tejido equilibrado y proporciona una buena capacidad de drapeado y propiedades ortotrópicas, es más fácil para los ingenieros acostumbrados a especificar metales con los que trabajar para lograr piezas más livianas y de mayor rendimiento".

Las formas tejidas de la nueva familia de láminas orgánicas serán seguidas por la serie NCF-6 con NCF más pesados, que tradicionalmente han demostrado ser difíciles de impregnar con termoplásticos convencionales. Finalmente, está prevista una versión de fibra discontinua pero aún más larga (> 25 milímetros). Llamada Serie CR-6 y se dice que posee longitudes de fibra consistentes que ayudan a mantener las propiedades pseudoisotrópicas, esta línea de productos competirá con tecnologías termoplásticas de fibra larga como GMT y termoplástico de fibra larga directa (D-LFT). JM informa que los moldeadores podrán utilizar cada producto Neomera solo o en combinación con otros tipos. Por ejemplo, una estructura híbrida moldeable por compresión que consiste en una tira o hoja de hoja orgánica tejida o NCF podría usarse para reforzar las trayectorias de carga, mientras que la hoja orgánica reforzada con fibra discontinua podría usarse en lugares donde se colocan geometrías más complejas como nervaduras o protuberancias. “En las pruebas, se ha demostrado que nuestros productos CR-6 con fibra discontinua ofrecen una mejor moldeabilidad que el tradicional GMT de fibra cortada”, añade Zhang.

En lo que respecta a los moldeadores o fabricantes de moldes, los nuevos productos de JM se procesarán como láminas orgánicas convencionales o GMT. Los requisitos de construcción del molde también son similares. El único ajuste necesario es precalentar y moldear la hoja orgánica Neomera con matriz PA6 a una temperatura más alta que la típica del PP debido a las temperaturas más bajas de fusión y moldeado de este último. Curiosamente, a diferencia de algunos productos GMT, las fibras de vidrio no se sueltan después del precalentamiento debido a la recuperación elástica, por lo que el material permanece completamente consolidado. Esto es posible, dice Zhang, por el hecho de que las fibras están completamente impregnadas con caprolactama y que, dado que el monómero luego se polimeriza in situ - Están logrando un peso molecular mucho más alto que las planchas orgánicas convencionales con matrices PA.

Los investigadores de JM también han estado llevando a cabo la caracterización de materiales básicos para ayudar a los ingenieros de diseño a simular con mayor precisión el rendimiento de las piezas. "Hemos estado trabajando en estrecha colaboración con los clientes para identificar los datos más importantes que necesitarán inicialmente para realizar un trabajo de simulación más detallado", explica Miloaga. "Planeamos generar bloques de construcción que puedan usar desde el principio, ya que generalmente se necesitan seis meses para realizar la caracterización necesaria para desarrollar una tarjeta de material completo".

Para cada línea de productos que se presenta, la compañía dice que está calificando a dos proveedores globales para garantizar una cadena de suministro sólida y un acceso y consistencia globales. La línea de producción a escala de JM en el área de Denver ha estado produciendo cantidades de muestra de los materiales para los clientes, pero la producción comercial inicial tendrá lugar en Trnava, Eslovaquia.

Los productos Neomera se ofrecerán en color negro, con la opción de “natural” (blanquecino) y la posibilidad de colores personalizados. Inicialmente, a medida que aumenta la producción comercial, el producto se fabricará y cortará según el pedido, aunque, a largo plazo, el plan es almacenar tamaños estándar.

Un aspecto interesante del proceso de JM es que puede producir láminas gruesas en un proceso continuo. “Uno de los desafíos de las láminas orgánicas existentes es que normalmente se producen en láminas de medio milímetro de grosor, por lo que para suministrar a un cliente un producto de 3 milímetros de espesor, deben consolidar posteriormente varias láminas para hacer un laminado, ”Explica Zhang. “Podemos omitir todo el paso posterior a la consolidación, ya que podemos hacer una hoja de 3 milímetros de espesor directamente. De hecho, ese es uno de los aspectos más singulares de nuestra tecnología. Sabíamos que la caprolactama tenía una viscosidad similar al agua, pero aún nos sorprendió lo bien adaptada que es nuestra tecnología para producir laminados gruesos. Esto nos da mucha flexibilidad en lo que podemos ofrecer a los clientes. Además, al omitir el paso de posconsolidación, nuestros productos evitan otro ciclo de calentamiento ”.

El desafío fue controlar el proceso de fabricación para manejar la polimerización aniónica sensible a la humedad de la caprolactama. "Antes de que empezáramos a trabajar en este proyecto, la polimerización aniónica de caprolactama en PA6 realmente solo se había hecho en moldes cerrados, por lo que adaptar eso a un proceso continuo para producir un producto muy consistente requería mucho trabajo", agrega Zhang.

¿Qué sigue?

Cuando se le preguntó por qué un proveedor de vidrio como JM querría fabricar productos intermedios en lugar de simplemente licenciar la tecnología, Klaus Gleich, científico investigador senior de JM - I + D corporativo dice:“Dada la naturaleza de nuestro proceso de fabricación, realmente no hay muchos personas que podrían hacer el material. Conocemos muy bien la química y conocemos sus desafíos, por lo que estamos en la mejor posición para escalarla y comercializarla. Más allá de eso, nuestro grupo de I + D desarrolló específicamente esta tecnología innovadora para expandir nuestro negocio y devolver un mayor valor a nuestros propietarios en Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., EE. UU.]. Queremos ser innovadores y crear nuevas oportunidades de mercado ”.

“Vemos la tendencia de que los compuestos termoplásticos se muevan hacia aplicaciones semi-estructurales y estructurales verdaderas para hacer componentes livianos y sostenibles que estén muy alineados con nuestra nueva tecnología de láminas orgánicas”, agrega Miloaga. De hecho, dice que las primeras aplicaciones comerciales que utilizan la familia Neomera no están lejos. JM ha estado probando materiales en los deportes de motor y también hay interés en otros segmentos de transporte como camiones automotrices y comerciales, además de artículos deportivos. "La clave es que estamos resolviendo problemas", agrega. “La competencia es cara y tiene una cartera limitada. Podemos producir productos de mayor rendimiento y aún más rentables, una combinación beneficiosa para todos ”.