JM presenta Neomera: nueva línea de organosheets polimerizados reactivamente impulsa oportunidades de mercado

Este otoño, Johns Manville (JM, Denver, Colorado, EE. UU.) planea introducir los primeros productos de su línea Neomera. Las ofertas iniciales serán organosheets de fibra de vidrio tejida reforzada con poliamida 6 (PA6) polimerizada in situ, pero la línea pronto se expandirá para incluir tejidos sin ondulación (NCF) y fibras picadas largas. JM también dice que se están evaluando matrices termoplásticas polimerizadas reactivamente adicionales, así como estructuras de refuerzo híbridas (p. ej., combinando fibras de carbono y vidrio) o incluso refuerzos no de vidrio. La empresa señala que, debido al método diferente usado para fabricar estos materiales versus organosheets convencionales y compuestos termoplásticos de fibra larga, los productos Neomera ofrecerán propiedades mecánicas más altas a menor coste. Esto es lo que sabemos actualmente sobre estos materiales.

Un nuevo método para producir organosheet

El organosheet convencional – típicamente una forma especializada de compuesto termoplástico reforzado con estera de vidrio (GMT) reforzado con tejido tejido – se produce con matriz de polipropileno (PP) o poliamida 6 o 6/6 (PA6, PA6/6). Los compuestos organosheet se usan más a menudo en componentes semi-estructurales y estructurales en las industrias automotriz, camiones comerciales, construcción/edificación y artículos deportivos.

Varios aspectos hacen que la línea Neomera de JM sea diferente de lo que ya está en el mercado. Primero, en lugar de impregnar fibras en fundido con resina PA6 totalmente polimerizada, la empresa está polimerizando aniónicamente monómero de caprolactama en PA6 después del paso de impregnación. Como la caprolactama fundida tiene viscosidad muy baja (~5 centipoise), humedece rovings o tejidos mucho más efectivamente que termoplásticos totalmente polimerizados, que tienen cadenas poliméricas mucho más largas y viscosidad mucho más alta. Eso significa que el sistema de resina polimerizada reactivamente de JM logra un humedecimiento mucho mejor – más como termoslíquidos – que lo posible con termoplásticos totalmente polimerizados como PA6. A su vez, esto reduce enormemente vacíos y brinda la oportunidad de crear fracciones de volumen de fibra (FVF) más altas – del orden del 50% o superior – lo que, en sí mismo, mejora las propiedades mecánicas.

Segundo, JM también está tratando las fibras de vidrio – ya sean picadas, tejidas o NCF – con su propio apizamiento reactivo de vidrio propietario antes de impregnar con caprolactama. Esto, de nuevo, fortalece el enlace fibra-resina y resulta en propiedades mecánicas más altas a FVF comparables versus otros productos organosheet con el mismo tipo y porcentaje de carga de fibra y matriz.

El innovador organosheet de fibra larga ofrece distribución aleatoria de fibra, humedecimiento completo de fibra y excelente enlace fibra-resina, como se muestra en las imágenes superiores. A la izquierda, haces de fibra de vidrio se muestran de extremo, y a la derecha se muestra que haces de fibra individuales, vista superior, están completamente recubiertos de resina.

"Lo que queremos que la gente entienda es que no estamos introduciendo otro producto organosheet me-too", explica Mingfu Zhang, gerente senior de investigación – I+D corporativa de JM. "Como empezamos con caprolactama, podemos humedecer fibras mucho más fácilmente versus los que usan polímeros termoplásticos. Como resultado, logramos mejor impregnación, fracciones de volumen de fibra más altas y mejor rendimiento. De hecho, esto nos permite crear productos especializados que ni siquiera son alcanzables en organosheet convencional."

El año pasado JM anunció que había desarrollado la tecnología y la estaba muestreando estratégicamente. El plan es hacer un lanzamiento suave de Neomera en septiembre y luego un lanzamiento duro el mes siguiente en la Expo de Compuestos y Materiales Avanzados 2021 (CAMX, 18-21 oct, Dallas, Texas, EE. UU.).

Lanzamiento por fases

El producto inicial Neomera – la Serie OS-6 – será reforzado con tejidos tejidos. "Planeamos lanzar nuestra línea de productos ofreciendo una arquitectura de tejido sarga en FVF del 45 al 50%, ya que vemos mucha demanda para esos tipos de compuestos", señala Dana Miloaga, líder de producto – compuestos, I+D corporativa de JM. "Porque es un tejido equilibrado y proporciona buena drapeabilidad y propiedades ortotrópicas, es más fácil para ingenieros acostumbrados a especificar metales trabajar con él para lograr piezas más ligeras y de mayor rendimiento."

Las formas tejidas de la nueva familia organosheet serán seguidas por la Serie NCF-6 con NCF más pesados, que tradicionalmente han resultado difíciles de impregnar con termoplásticos convencionales. Finalmente, se planea 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 propiedades pseudo-isotrópicas, 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 usar cada producto Neomera solo o en combinación con otros tipos. Por ejemplo, una estructura híbrida moldeable por compresión consistente en una tira o lámina de organosheet tejido o NCF podría usarse para reforzar caminos de carga, mientras que organosheet reforzado con fibra discontinua podría usarse en ubicaciones donde geometrías más complejas como nervios o bosses están posicionadas. "En pruebas, nuestros productos CR-6 con fibra discontinua han mostrado ofrecer mejor moldeabilidad que GMT tradicional de fibra picada", añade Zhang.

En cuanto a moldeadores o fabricantes de moldes, los nuevos productos de JM procesarán como organosheet o GMT convencionales. Los requisitos de construcción de molde también son similares. El único ajuste necesario es precalentar y moldear el organosheet Neomera con matriz PA6 a temperatura más alta que la típica para PP debido a las temperaturas de fundido y moldeo más bajas de este último. Curiosamente, a diferencia de algunos productos GMT, no hay abultamiento de fibras de vidrio después del precalentamiento debido al retroceso elástico, por lo que el material se mantiene totalmente consolidado. Esto es posible, dice Zhang, por el hecho de que las fibras están completamente impregnadas con caprolactama y que – ya que el monómero se polimeriza in situ – están logrando un peso molecular mucho más alto que el organosheet convencional con matrices PA.

Investigadores de JM también han estado realizando caracterización básica de materiales para ayudar a ingenieros de diseño a simular el rendimiento de piezas con más precisión. "Hemos estado trabajando estrechamente con clientes para identificar los datos más importantes que necesitarán inicialmente para hacer trabajo de simulación más detallado", explica Miloaga. "Planeamos generar bloques de construcción que puedan usar temprano, ya que usualmente toma seis meses hacer la caracterización necesaria para desarrollar una ficha de material completa."

Para cada línea de producto que se introduzca, la empresa dice que está calificando dos proveedores globales para asegurar una cadena de suministro robusta y acceso y consistencia globales. La línea de producción a escala en el área de Denver ha estado produciendo cantidades de muestra de los materiales para clientes, pero la producción comercial inicial tendrá lugar en Trnava, Eslovaquia.

Los productos Neomera se ofrecerán en negro, con opción de "natural" (blanco roto) y posibilidad de colores personalizados. Inicialmente, a medida que la producción comercial aumente, el producto se fabricará y cortará bajo pedido aunque, a largo plazo, el plan es tener tamaños estándar en stock.

Un aspecto interesante del proceso de JM es que puede producir láminas gruesas en un proceso continuo. "Uno de los retos con el organosheet existente es que típicamente se produce en láminas de medio milímetro de espesor, así que para suministrar a un cliente un producto de 3 milímetros de espesor, tienen que post-consolidar múltiples láminas para hacer un laminado", explica Zhang. "Nosotros podemos saltarnos todo ese paso de post-consolidación ya que podemos hacer una lámina de 3 milímetros de espesor directamente. De hecho, ese es uno de los aspectos más únicos de nuestra tecnología. Sabíamos que la caprolactama tenía viscosidad como agua, pero aún nos sorprendió lo bien adaptada que está nuestra tecnología para producir laminados gruesos. Esto nos da mucha flexibilidad en lo que podemos ofrecer a clientes. Además, al saltarnos el paso de post-consolidación, nuestros productos evitan otro ciclo de calentamiento."

Lo que fue un reto fue controlar el proceso de fabricación para manejar la polimerización aniónica de caprolactama sensible a la humedad. "Antes de empezar a trabajar en este proyecto, la polimerización aniónica de caprolactama en PA6 realmente solo se había hecho en moldes cerrados, así que adaptar eso a un proceso continuo para producir un producto muy consistente tomó mucho trabajo", añade Zhang.

¿Qué sigue?

Al preguntar por qué un proveedor de vidrio como JM querría fabricar productos intermedios en lugar de solo licenciar la tecnología, Klaus Gleich, científico senior de investigación – I+D corporativa de JM dice: "Dada la naturaleza de nuestro proceso de fabricación, realmente no hay mucha gente que pueda hacer el material. Conocemos la química muy bien y sus retos, así que estamos mejor posicionados para escalarla y comercializarla. Más allá de eso, nuestro grupo de I+D desarrolló específicamente esta tecnología innovadora para expandir nuestro negocio y retornar mayor valor a nuestros propietarios en Berkshire Hathaway [Omaha, Nebraska, EE. UU.]. Queremos ser innovadores y crear nuevas oportunidades de mercado."

"Vemos la tendencia de compuestos termoplásticos moviéndose hacia aplicaciones semi-estructurales y verdaderamente estructurales para hacer componentes ligeros y sostenibles como muy alineada con nuestra nueva tecnología organosheet", añade Miloaga. De hecho, dice que las primeras aplicaciones comerciales usando la familia Neomera no están lejos. JM ha estado probando materiales en automovilismo, y también hay interés en otros segmentos de transporte como automotriz y camiones comerciales más artículos deportivos. "La clave es que estamos resolviendo problemas", añade. "La competencia es cara y tiene una cartera limitada. Podemos producir productos que son de mayor rendimiento y sin embargo más rentables – una combinación ganar-ganar."