Desenvolvimento de rota e formulação de resina epóxi DGEBA com acelerador ureia e aditivos para uso em towpreg

Abstract

Feixes de fibras de carbono pré-impregnadas com resinas poliméricas de alto desempenho térmico e mecânico, denominadas towpreg, representam uma etapa intermediária no processamento de materiais compósitos, que evita desperdícios e simplifica etapas posteriores. Para o armazenamento e uso eficaz dos towpregs, é essencial compreender as propriedades térmicas, mecânicas e reológicas da resina utilizada, as quais variam conforme a composição. As resinas epóxi, em particular, são amplamente utilizadas devido às suas excelentes propriedades térmicas e mecânicas. Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma rota e formulação de resina epóxi contendo acelerador do tipo ureia e aditivos, para uso em towpreg. Inicialmente, avaliou-se a influência da incorporação de diferentes teores de endurecedor dicianodiamida e acelerador do tipo ureia em uma resina epóxi DGEBA, por meio de análises térmicas (DSC, DMA, TGA), mecânicas (ensaio de tração e com Sonelastic) e reológicas (tixotropia). A formulação foi aditivada com nanosílica e nanotubos de carbono (NTC) em diferentes teores, incluindo um híbrido. Amostras contendo aditivos também foram caracterizadas por análises de flamabilidade (UL 94). Os resultados indicaram que o aumento na proporção de ureia eleva o módulo de armazenamento (de 2145 para 2490 MPa) e elasticidade (de 1,99 para 2,39 GPa), enquanto diminui a Tg (de 145 para 121 °C). Uma formulação foi escolhida a partir de um balanço ideal de propriedades e resistência à tração, e um estudo detalhado da cura da resina revelou a necessidade de um tempo de pós-cura maior. Finalmente, a proporção ótima de aditivos foi estabelecida, mantendo as propriedades térmicas e mecânicas desejadas e conferindo tixotropia à resina, diminuindo a velocidade de queima e aumentando a resistência térmica. Portanto, obteve-se uma formulação de resina epóxi que pode ser utilizada para testes em escala piloto de produção de towpregs.

Carbon fibers pre-impregnated with high-performance thermal and mechanical polymer resins, known as towpreg, represent an intermediate stage in composite material processing that reduces waste and simplifies production. For the effective storage and use of towpregs, it is crucial to understand the thermal, mechanical, and rheological properties of the resin used, which vary depending on the formulation. Epoxy resins are widely used due to their excellent thermal and mechanical properties. This work aims to develop an epoxy resin formulation containing a urea-type accelerator and additives and a processing route suitable for towpregs. Initially, the influence of incorporating different proportions of dicyandiamide hardener and urea-type accelerator in a DGEBA epoxy resin was evaluated via thermal (DSC, DMA, TGA), mechanical (tensile testing and with Sonelastic), and rheological (thixotropy) analyses. The formulation was enhanced with nanosilica and carbon nanotubes (CNTs) in various contents, including a hybrid mixture. Samples containing additives were also characterized via flammability (UL 94) analyses. The results indicated that increasing the urea proportion raises the storage modulus (from 2145 to 2490 MPa) and elasticity (from 1.99 to 2.39 GPa) while lowering the Tg (from 145 to 121 °C). One formulation was selected based on an ideal balance of properties and maximum tensile strength, and a detailed study of the resin curing process revealed the need for a longer post-cure time. Finally, the optimal content of additives was established, maintaining the desired thermal and mechanical properties while providing thixotropy to the resin, reducing its burning-rate, and increasing thermal resistance. Therefore, an epoxy resin formulation was obtained ready to be used for pilot-scale towpreg production tests.