Poliuretano para moldagem líquida de compósitos com poliaramida

Abstract

Compósitos poliméricos reforçados com fibras de aramida são amplamente utilizados na engenharia. Todavia, em situações de impacto, matrizes termorrígidas tradicionais possuem limitações. Dessa forma, matrizes flexíveis, como os poliuretanos, podem oferecer versatilidade e serem adaptados às necessidades específicas, inclusive em aplicações que requerem maior flexibilidade. Técnicas de moldagem líquida, como infusão a vácuo (IV), são promissoras para a fabricação de compósitos de poliuretano reforçados com fibras de aramida. Todavia a utilização de resina PU por essas técnicas de processamento ainda é um grande desafio. Dessa forma o objetivo da tese é o desenvolvimento de uma resina poliuretânica adequada para processamentos como IV, visando a produção de compósitos PU/aramida em aplicações que requerem flexibilidade. A tese é dividida em capítulos, no primeiro, foram combinadas três formulações de PU com isocianato polimérico, com diferentes tipos de polióis à base de óleo de mamona e poliéter, e avaliado efeito que a adição de polpa de aramida tem na reação de polimerização do PU. O efeito da polpa de aramida na reação e na viscosidade foi avaliado por meio de reometria oscilatória. O modelo autocatalítico descreveu satisfatoriamente as reações, resultando em valores de energia de ativação entre 45-54 kJ/mol. A descrição adequada da reação de polimerização permitiu a obtenção de formulações de PU ajustáveis para processamento de compósitos usando IV. No segundo estudo, abordagens baseadas em redes neurais artificiais (ANN) e na metodologia de superfície de resposta (RSM) foram usadas para analisar a viscosidade durante a cura das formulações de PU estudadas por reometria oscilatória. A abordagem combinando ANN e RSM contribuiu para estimar o comportamento da viscosidade durante a polimerização de diferentes formulações de PU que não foram testadas, fornecendo informações complementares aos modelos cinéticos baseados em taxas de conversão. No terceiro estudo, a formulação otimizada foi empregada para produzir compósitos PU/aramida e PU/vidro S2 por meio de infusão a vácuo. O efeito da hibridização nas respostas mecânicas foi avaliado, demonstrando que os laminados de aramida apresentaram alta capacidade de absorção de energia de impacto, cerca de 30% superior aos laminados de vidro puro. Foi comprovada a viabilidade do uso de uma matriz de poliuretano para o processamento por infusão a vácuo. Essa tese contribuiu para o desenvolvimento de uma resina de PU adequada para a moldagem líquida, com potencial para absorção de impacto em aplicações como proteção balística. Os resultados destacaram a importância da compreensão da cinética de polimerização e do uso de abordagens reológicas para o desenvolvimento de resinas poliuretânicas adaptadas aos processamentos IV, abrindo caminho para aplicações promissoras.

Polymeric composites reinforced with aramid fibers are widely used in engineering. However, traditional thermosetting matrices have limitations in impact situations. Therefore, flexible matrices such as polyurethanes can offer versatility and be adapted to specific needs, including applications requiring greater flexibility. Low-pressure liquid molding techniques, such as vacuum infusion (VI), show promise for the fabrication of aramid fiber-reinforced polyurethane composites. However, the use of PU resin through these processing techniques remains a major challenge. Thus, the objective of this thesis is to develop a polyurethane resin suitable for processing techniques such as VI, aiming at the production of flexible PU/aramid composites for applications requiring flexibility. The thesis is divided into chapters. In the first chapter, three PU formulations were combined with polymeric isocyanate, using different types of castor oil and polyether-based polyols, and the effect of adding aramid pulp on the PU polymerization reaction was evaluated. The effect of aramid pulp on the reaction and viscosity was assessed through oscillatory rheometry. The autocatalytic model adequately described the reactions, resulting in activation energy values between 45-54 kJ/mol. The proper description of the polymerization reaction allowed the obtainment of adjustable PU formulations for composite processing using VI. In the second study, approaches based on artificial neural networks (ANN) and response surface methodology (RSM) were combined to analyze the viscosity during the curing of the PU formulations studied by oscillatory rheometry. The approach combining ANN and RSM contributed to estimating the viscosity behavior during the polymerization of different PU formulations that were not tested, providing complementary information to kinetics models based on conversion rates. In the third study, the optimized formulation was employed to produce PU/aramid and PU/glass S2 composites through vacuum infusion. The effect of hybridization on mechanical responses was evaluated, demonstrating that aramid laminates exhibited a high capacity for impact energy absorption, approximately 30% higher than pure glass laminates. The feasibility of using a polyurethane matrix for vacuum infusion processing was confirmed. This thesis contributed to the development of a PU resin suitable for lowpressure liquid molding, with potential for impact absorption in applications such as ballistic protection. The results highlighted the importance of understanding the polymerization kinetics and the use of rheological approaches for the development of polyurethane resins adapted to VI processes, paving the way for promising applications.