O masterbatch reforçado com fibra de carbono tornou-se uma das rotas mais eficazes para os formuladores e moldadores por injeção que precisam de uma mudança substancial na rigidez, resistência e condutividade elétrica, sem ter que passar para um composto totalmente de fibra de carbono em todas as linhas de produção. Concentrando a fibra de carbono cortada ou moída em uma resina portadora, um masterbatch permite que os processadores subsequentes diluam o concentrado na máquina de moldagem e atingam um teor de fibra-alvo de 10 a 40 por cento, com dispersão estável e propriedades mecânicas repetíveis. Este guia explica a imagem técnica completa, desde a fibra bruta e seu dimensionamento, passando por compatibilizadores, secagem da matriz, desempenho do nível de carga, extrusão com dois parafusos, comportamento de condutividade, testes e os modos de falha práticos que separam um bom masterbatch de fibra de carbono de um de má qualidade. Independentemente de você operar uma linha de compósitos com dois parafusos ou comprar pellets prontos, os princípios abaixo determinam as propriedades finais das suas peças.
A fábrica Wanplas, com mais de 12 anos de experiência em extrusoras de mistura paralelas com dois parafusos em rotação, fabrica a série KTE, desde as unidades de laboratório KTE-16B até as linhas de produção KTE-135D, exatamente para este tipo de composto de engenharia. O masterbatch de fibra de carbono está entre os compostos mais exigentes a serem executados, pois a comprimento da fibra, a dispersão e a resistividade da superfície dependem da configuração do parafuso, da estratégia de alimentação e do histórico térmico. O conteúdo a seguir foi escrito para engenheiros de processo, formuladores de compostos, especialistas em compras e designers de produtos que desejam uma referência baseada em números, em vez de um resumo de marketing. Quando um valor é uma faixa típica, trate-o como um ponto de partida para testes e confirmações em seu próprio resino e equipamento.
O que é um masterbatch reforçado com fibra de carbono
Um masterbatch reforçado com fibra de carbono é uma mistura concentrada em que a fibra de carbono está dispersa em um portador polimérico, com um teor de fibra muito superior à exigência do componente final do usuário. O moldeador ou compostoiro então adiciona este concentrado, muitas vezes em 5 a 20 por cento em peso, dependendo da concentração do masterbatch, para obter o composto final com a carga de fibras desejada. Esta abordagem em duas etapas separa a etapa de incorporação de fibras de alta intensidade da etapa final de modelagem, o que protege a extensão das fibras e melhora a consistência entre lotes.
O formato do masterbatch é importante. A fibra de carbono é fornecida como fibra cortada de 3 a 6 milímetros, pellet de termoplástico de fibra longa de 10 a 12 milímetros, pó de fibra de carbono ou fibra moída, e roving ou fio contínuo. Em um masterbatch, a fibra cortada e a fibra moída dominam porque alimentam-se de forma confiável através de alimentadores laterais e sistemas de perda de peso, enquanto as formas de fibra longa e contínua geralmente são manipuladas como pellets de fibra longa separados ou por meio de imersão direta de fibra longa. A resina portadora do masterbatch é escolhida para se adequar à resina final, de modo que o concentrado se dissolva completamente na matriz durante o processo de descida, evitando uma segunda fase incompatível.
O masterbatch de fibra de carbono difere de um masterbatch de fibra de vidro em três aspectos decisivos. Em primeiro lugar, a fibra de carbono é condutora, o que permite uma carga relativamente baixa para proteger contra descargas eletrostáticas e isolar interferências eletromagnéticas. Em segundo lugar, a fibra de carbono é mais leve e mais rígida por unidade de peso, melhorando o módulo específico. Em terceiro lugar, a fibra de carbono é muito mais dura no desgaste dos parafusos e do cilindro, aumentando os custos de manutenção. Estes compromissos são analisados em detalhe mais adiante na seção de comparação.
Para um composto de dois parafusos, a rota do masterbatch reduz a energia de cisalhamento total aplicada à fibra, pois apenas o concentrado é submetido à completa tarefa de incorporação, enquanto a etapa de descida é suave. Para um moldador sem recursos de extrusão, a rota do masterbatch é a única forma prática de introduzir fibra de carbono sem investir em uma linha de compósitos. A Wanplas, com sua rede de fábricas especializadas, posiciona a Kerke como o especialista em compósitos de parafusos duplos que fornece as linhas nas quais esses masterbatches são produzidos em escala.
Tipos de fibra de carbono: baseada em PAN vs baseada em pitch
A fibra de carbono começa como um precursor que é estabilizado, carbonizado e grafitizado. Os dois precursores dominantes são o poliacrilonitrilo, conhecido como PAN, e o resíduo de petróleo ou de taras de carvão. A fibra baseada em PAN representa a grande maioria da fibra de carbono comercial, pois oferece o melhor equilíbrio de resistência, processabilidade e custo, enquanto a fibra baseada em taras é valorizada por seu módulo muito elevado e condutividade térmica em aplicações de nicho.
Fibra de carbono baseada em PAN
A fibra de carbono baseada em PAN oferece alta resistência à tração e bom módulo intermediário, tornando-se a opção padrão para misturas estruturais e condutivas. Os tipos de módulo padrão, como o T300 e o T700, atingem uma resistência à tração de 3500 a 4900 MPa e um módulo de tração de 230 a 240 GPa. Esses tipos são os principais para compostos de poliamida, polipropileno e PPS, onde o impacto e o módulo são importantes. Os tipos de PAN de módulo intermediário e de alta resistência ampliam ainda mais o envelope de resistência, mas a um custo maior.
Fibra de carbono baseada em pitch
A fibra de carbono baseada em resina é produzida a partir de resina mesofásica e pode ser grafitado para obter um módulo muito alto. As classes de resina de alto módulo, como M40 e M55, atingem um módulo de tração muito superior a 350 GPa e chegam ao intervalo de 500 GPa, com uma condutividade térmica excepcional. O compromisso é uma menor resistência à tração do que as classes de PAN e um preço mais alto, pelo que a fibra baseada em resina é reservada para gerenciamento térmico, aeroespacial e estruturas ultra-rígidas, em vez de masterbatch condutores gerais.
Fatores de forma: em pedaços, fibras longas, em pó e contínuo
A fibra de carbono picada de 3 a 6 milímetros é a matéria-prima padrão do masterbatch, pois mede bem e é incorporada de forma limpa através de um alimentador lateral. O pellet termoplástico de fibra longa, com fibras de 10 a 12 milímetros, preserva a sua extensão para obter o máximo impacto, mas geralmente é um composto final e não um concentrado. O pó de fibra de carbono ou a fibra moída, com comprimentos inferiores a um milímetro, é utilizado quando a suavidade da superfície e a baixa anisotropia são mais importantes do que os parâmetros mecânicos máximos, como nos suportes de wafer de semicondutores e nas carcaças eletrônicas de parede fina. A fibra contínua é manipulada através de impregnação ou sobre-entrelacamento e está fora do escopo padrão do masterbatch.
| Tipo / forma de fibra | Grau típico | Resistência à tração (MPa) | Modulus de tração (GPa) | Uso típico em masterbatch |
|---|---|---|---|---|
| Modulador padrão PAN | T300 / T700 | 3500 a 4900 | 230 a 240 | Masterbatch estrutural e condutivo geral |
| PAN de alta resistência | Classee T800 / T1000 | 5000 a 6300 | 290 a 310 | Aeroespacial, esportes de alto nível |
| Modulus de tensão elevado | M40 / M55 | 2000 a 4000 | 350 a 540 | Gestão térmica, peças ultra-rígidas |
| Fibra picada | 3 a 6 mm de corte | herda o precursor | herda o precursor | Alimentação padrão de masterbatch através do alimentador lateral |
| Pellets de fibra longa | LFT 10 a 12 mm | herda o precursor | herda o precursor | Composto final, não concentrado |
| Pó de fibra de carbono | moído sub-mm | mais baixo efeito | mais baixo efeito | Superfícies lisas, ESD, portadores semicondutores |
Ajuste de agentes e correspondência de resina de matriz
A fibra de carbono sai do forno com uma superfície de grafite imaculada, mas inerte, que se liga de forma fraca à maioria dos polímeros. Um revestimento, ou acabamento, é aplicado como uma camada superficial fina para proteger a fibra durante a manipulação e, mais importante, para ligar a fibra à matriz. Escolher o revestimento adequado é tão decisivo quanto escolher a classe de fibra, porque a resistência de corte interfacial controla como a carga é transferida da resina para a fibra.
Dimensionamento do tipo epóxi
O dimensionamento compatível com epóxi é o acabamento industrial mais comum e combina naturalmente com o epóxi, e razoavelmente com a poliamida e algumas resinas de engenharia. Ele proporciona uma boa aderência em estado úmido e uma interfaça durável. Quando o portador do masterbatch é uma poliamida ou um portador compatível com a poliamida, um dimensionamento compatível com o epóxi ou a poliamida geralmente apresenta os melhores resultados.
Ajuste do tipo poliuretano
O dimensionamento em poliuretano oferece flexibilidade e excelente adesão a matrizes de poliamida, como PA6 e PA66. Para compostos de PA6 ou PA66, um dimensionamento em poliuretano ou compatível com a poliamida é frequentemente especificado, pois tolera a alta temperatura de fusão e o ambiente úmido da processamento de poliamida, mantendo a adesão fibra-resina forte.
Alinhamento compatível com poliamida
O agente de dimensionamento compatível com poliamida foi desenvolvido especificamente para suportes de PA6 e PA66, melhorando a resistência interfacial e reduzindo a sensibilidade à umidade da ligação. É o acabamento preferido quando o masterbatch será derramado em um hospedeiro de poliamida em cargas elevadas.
Ajustar o tamanho à matriz
Para o polipropileno, que é não-polar, o dimensionamento só não é suficiente; é necessário um sistema de compatibilizadores de anhídrido maleico, juntamente com a fibra, para construir a adesão. Para poliamida, poliuretano ou dimensionamento compatível com a poliamida, o padrão seguro é o dimensionamento. Para resinas de tipo poliéster, como PBT e PET, o dimensionamento epóxico tende a dar os resultados mais consistentes. A regra é simples: combine a química de dimensionamento com a química do hospedeiro e verifique com uma retirada curta de fibra ou um teste de comparação mecânica antes de se comprometer com um lote de produção.
| Resinaa de matriz | Dimensionamento recomendado | Necessidade de compatibilizador | Observações |
|---|---|---|---|
| PA6 / PA66 | PU ou compatível com PA | Normalmente, nenhum | Melhor adesão a seco; observe a umidade |
| PP | Compatível com MAH | PP-g-MAH necessário | Não polar, necessita de acoplamento |
| PBT / PET | Tipo epoxi | Opcional | Secar completamente antes do processamento |
| PC / PC-ABS | Epoxi ou personalizado | Opcional | Evitar hidrólise, controlar a temperatura de fusão |
| PPS / PEEK | Epoxi de alta temperatura | Normalmente, nenhum | Tolerância à alta temperatura de fusão |
Compatibilizadores para compostos de fibra de carbono
Quando a matriz é não polar ou apenas levemente polar, o dimensionamento na fibra não pode, por si só, criar uma interface forte. Um compatibilizador, uma cadeia de polímero engraftada com um grupo reativo, liga a resina e a superfície da fibra. As três famílias mais relevantes para masterbatches de fibra de carbono são polipropileno engraftado com ácido maleico, estireno-etileno-butileno-estireno engraftado com ácido maleico e copolímero de etileno e ácido acrílico.
PP-g-MAH
O polipropileno engraftado com ácido maleico é o agente de acoplamento padrão para fibra de carbono em polipropileno. A razão de engraftamento, a proporção de ácido maleico na cadeia, é normalmente de 0,8 a 1,2 por cento, e o nível de adição é de 2 a 5 por cento em relação ao composto total. Neste nível, a adesão interfacial aumenta drasticamente, aumentando a resistência à tração e ao impacto em relação a um sistema não acoplado. Demasiado pouco dá uma ligação fraca; muito pode plasticizar a matriz e reduzir a resistência ao calor, portanto, a janela de 2 a 5 por cento é o ponto ideal prático.
SEBS-g-MAH
O SEBS engraftado com ácido maleico adiciona não apenas acoplamento, mas também dureza ao impacto, o que é útil quando a fibra de carbono, de outra forma, tornaria um composto de polipropileno ou poliolefina frágil. É escolhido quando a resistência ao impacto é mais importante do que a rigidez máxima, como em suportes automotivos e carcaças duráveis para o consumidor.
EAA
O copolímero de etileno e ácido acrílico atua como um compatibilizador polar e um promotor de adesão, particularmente em sistemas baseados em poliolefinas e onde estão presentes preenchimentos polares secundários. É menos comum do que o PP-g-MAH para o polipropileno de carbono puro, mas valioso em formulações multicomponentes.
O compatibilizador é normalmente adicionado na alimentação principal ou com o portador para que possa migrar para a interface durante a mistura do fusão. Nas linhas de parafuso geminadas Kerke, o compatibilizador é dosado por um alimentador de perda de peso junto com o portador e o resino de descarga para manter a razão de acoplamento exata. Para hospedeiros de poliamida e PPS, onde a matriz já forma ligações hidrogénicas ou interações polares com a fibra dimensionada, um compatibilizador separado geralmente não é necessário, o que simplifica a formulação.
Resinaas de matriz de base e requisitos de secagem
A resina da matriz define o limite de resistência à temperatura, resistência química e janela de processo do composto final de fibra de carbono. Os masterbatches de fibra de carbono são construídos a partir de uma ampla variedade de resinas de engenharia, cada uma com seu próprio comportamento de secagem e fundição.
Matrizes comuns
A poliamida 6 e a poliamida 66 são os veículos mais comuns, pois aderem bem à fibra de carbono dimensionada e apresentam altas propriedades mecânicas. O polipropileno é escolhido para peças condutoras e leves, sensíveis ao custo, que exigem um compatibilizador. Os ligas de policarbonato e PC-ABS são utilizados em carcaças eletrônicas em que a resistência ao fogo e a qualidade da superfície são importantes. A PBT, o PPS, o PEEK e o ABS são utilizados no setor automotivo, em aplicações subcapotagem, semicondutores e estruturais a altas temperaturas. Cada resina apresenta um ponto de fusão, sensibilidade ao cisalhamento e tolerância à umidade diferentes.
Secagem antes da compilação
Resinaas de engenharia, como PA66, PC, PBT e PPS, absorvem umidade que hidrolisa o polímero durante o processo de fundição e destrói as propriedades mecânicas. Portanto, a secagem é obrigatória, não opcional. As temperaturas e os tempos abaixo são condições típicas de pré-secagem, medidos para um ponto de condensação controlado.
| Resinaa | Temperatura seca (°C) | Tempo de secagem (h) | Ponto de neblina (°C) | Motivo |
|---|---|---|---|---|
| PA66 | 80 a 100 | 4 | -40 | Hidrólise de cadeias de amida |
| PC | 120 | 4 | -40 | Previne a hidrólise e a formação de manchas de prata |
| PBT | 130 | 4 | -40 | Hidrólise de esteres na fusão |
| PPS | 150 | 3 | -40 | A umidade causa vórtices e fragilidade |
| PA6 | 80 | 4 | -40 | Temperatura mais baixa do que a do PA66, mas ainda necessária |
Em uma linha de compósitos Kerke, a resina seca é transportada em tanques fechados e desumidificados para que não reabsorva a umidade antes da entrada. O PP e o ABS são menos sensíveis à umidade, mas ainda se beneficiam do secagem a ar quente quando há fibra de carbono e aditivos presentes, porque a umidade na superfície dos enchimentos pode causar espalhamento. O secagem adequado é a primeira linha de defesa contra peças frágeis e dados de teste inconsistentes.
Níveis de carga e desempenho mecânico
O nível de carga de fibra é o único fator mais importante no desempenho mecânico. À medida que a carga de fibra de carbono aumenta de 10 para 40%, a resistência à tração, o módulo de flexão e a temperatura de deflexão por calor aumentam, enquanto o impacto notched e a processabilidade diminuem. A tabela abaixo fornece faixas de propriedades típicas para o poliamida 6 com 10, 20, 30 e 40% de fibra de carbono, com uma referência de 30% de fibra de vidro para contexto.
| Sistema | Resistência à tração (MPa) | Módulo de flexão (GPa) | Impactoo notched (kJ/m2) | HDT 1,8 MPa (°C) | Densidade (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|---|
| PA6 + 10% CF | 130 a 150 | 8 a 10 | 9 a 12 | 170 a 185 | 1,15 a 1,18 |
| PA6 + 20% CF | 180 a 200 | 13 a 16 | 7 a 10 | 190 a 200 | 1,21 a 1,24 |
| PA6 + 30% CF | 220 a 250 | 18 a 22 | 6 a 9 | 200 a 215 | 1,28 a 1,33 |
| PA6 + 40% CF | 250 a 280 | 24 a 28 | 5 a 7 | 210 a 225 | 1,34 a 1,39 |
| PA6 + 30% GF | 170 a 190 | 9 a 11 | 10 a 14 | 195 a 205 | 1,35 a 1,40 |
A comparação mostra por que a fibra de carbono é preferida à fibra de vidro para peças que exigem rigidez: com uma carga de 30%, a fibra de carbono quase dobra o módulo de flexão e aumenta a resistência à tração em cerca de 30% a 30% em comparação com a fibra de vidro com 30% de carga, enquanto reduz a densidade. O custo é menor em termos de impacto notado, pois a fibra de carbono é mais rígida e transfere a tensão de forma menos complacente do que a fibra de vidro. Para o PA6 com 30% de fibra de carbono, a temperatura de deflexão térmica a 1,8 MPa atinge os 200 a 215 graus Celsius, o que qualifica o material para suportes de eletrônica estrutural e subcapô. A contração e a deformação também diminuem à medida que aumenta o teor de fibra, pois a baixa expansão térmica da fibra de carbono limita a resina; esta anisotropia deve ser gerenciada no projeto para evitar a distorção dimensional.
Condução elétrica, desempenho ESD e EMI
A fibra de carbono é condutora elétrica, e esta é a propriedade que separa um masterbatch de fibra de carbono de um reforço puramente mecânico. Quando o teor de fibra passa do limite de percolação, forma-se uma rede condutora contínua e a resistividade da superfície diminui em vários ordens de magnitude.
Limite de percolação
Os fibras de carbono curtas normalmente atingem seu limite de percolação entre 3 e 8 por cento de peso. Abaixo desta faixa, a peça é isolante, com resistividade superficial superior a 10^12 ohm por quadrado. No e acima do limite, as fibras entram em contato e formam caminhos, e a resistividade cai para os intervalos antistáticos e, eventualmente, condutivos, à medida que a carga sobe para 15 a 30 por cento.
Faixas de resistividade superficial
Os materiais isolantes têm uma resistência superior a 10^12 ohm por quadrado. Os materiais antistáticos têm uma resistência de 10^9 a 10^11 ohm por quadrado, dissipando a carga lentamente. Os materiais estáticos-dissipativos têm uma resistência de 10^6 a 10^9 ohm por quadrado. Os materiais condutivos têm uma resistência de 10^2 a 10^5 ohm por quadrado. A mistura de fibra de carbono é ajustada para se situar na faixa antistática a condutiva, dependendo da carga e da dispersão.
Proteção EMI
Uma rede de fibras contínuas também protege contra interferências eletromagnéticas. Os compostos de fibra de carbono oferecem uma eficácia de blindagem EMI de 30 a 60 decibéis entre 30 MHz e 1,5 GHz, o que é suficiente para muitos envoltórios eletrônicos. Isso é importante para caixas 3C e suportes de sensores automotivos, onde as emissões radiadas devem ser contidas.
Sinergia com Carbon Black, CNT e Graphene
A fibra de carbono é frequentemente misturada com fuligem de carbono, nanotubos de carbono ou grafeno para reduzir o limite de percolação e aumentar a proteção. O fuligem de carbono preenche os espaços entre as fibras a um custo baixo, os nanotubos de carbono criam pontes em nanoescala que reduzem drasticamente o limite e o grafeno adiciona tanto condutividade quanto propriedades de barreira. Um masterbatch híbrido pode atingir uma determinada resistividade a um custo total de preenchimento mais baixo ou alcançar uma proteção mais elevada com a mesma carga.
| Classee | Resistividade superficial (ohm/sq) | Carregamento típico de CF | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Isolante | > 10^12 | abaixo de 3% | Somente estrutural |
| Antistático | 10^9 a 10^11 | 3 a 8% | Caixas e suportes seguros para ESD |
| Dissipativo de ESD | 10^6 a 10^9 | 8 a 15% | Cleanroom, semicondutores |
| Conduzível | 10^2 a 10^5 | 15 a 30% | Encasamentos para EMI, aquecimento |
Parâmetros do processo de extrusão com dois parafusos
A produção de masterbatch de fibra de carbono em um extrusor paralelo de dois parafusos co-rotantes é um equilíbrio entre a dispersão da fibra, a sua umectação e a preservação de sua extensão. Os extrusores paralelos de dois parafusos da série KTE da Kerke são configurados com conjuntos de parafusos auxiliados por computador que combinam funções de transporte, fundição, amassamento e exaustão com capacidade de auto-lavagem.
Geometria da máquina
Para compostos de fibra de carbono, um extrusor paralelo de dois parafusos co-rotantes com relação de comprimento a diâmetro de 40 a 52 é típico, proporcionando tempo suficiente de permanência para fundição, mistura e devolatilização sem sobre-esmagar a fibra. Os diâmetros dos parafusos variam de 52, 65 e 75 milímetros, cobrindo volumes de laboratório, piloto e produção, com diâmetros maiores disponíveis para alta produção. O extremo mais longo da gama é preferido quando são necessárias etapas de alimentação lateral e ventilação múltipla.
Alimentação lateral e adição de fibra
A fibra de carbono é quase sempre adicionada através de um alimentador lateral posicionado para baixo, após a fundição do polímero e após a zona de fundição de alto esmagamento. Isso abrevia o caminho que a fibra percorre pelos blocos de amassamento, limitando a quebra e protegendo a extensão mantida. O alimentador lateral é tipicamente um crammer ou unidade de perda de peso de parafusos que mede a fibra cortada em grânulos de forma uniforme na mistura.
Ventilação a vácuo
Uma ventilação a vácuo entre -0,08 e -0,09 MPa remove a umidade, ar preso e componentes de enrijecimento voláteis. Uma boa devolatilização impede os vazios e a dilatação no grânulo final e melhora a qualidade da superfície das peças moldadas. Pode ser utilizada uma segunda ventilação nas configurações de L/D mais altas.
Perfil de velocidade e temperatura da hélice
A velocidade da hélice é ajustada entre 300 e 500 rpm para compostos de fibra de carbono, suficientemente alta para uma boa mistura, mas abaixo da velocidade que rompe as fibras. A temperatura do cilindro é zonada para derreter a resina mais cedo e, em seguida, manter uma temperatura de fusão estável. Para o PA6, um perfil representativo é de 220, 240, 250, 255 e 250 graus Celsius nas zonas, com a temperatura de fusão controlada perto da zona superior para evitar a degradação. O controle da temperatura de fusão, e não apenas a configuração do cilindro, é o que protege o polímero e o enrijecimento.
Método de granulação
São utilizados três métodos de granulação. A granulação subaquática proporciona grânulos esféricos e sem pó, ideais para a manipulação automática e é preferida para a maioria dos compostos de engenharia. A granulação por fio, com fios refrigerados a água ou a ar, é robusta e comum para compostos de fibra de vidro e de carbono, onde a integridade do grânulo é importante. A corte por face de matriz quente é compacta e adequada para sistemas sensíveis ao calor ou com alta carga de preenchimento. A escolha segue a resistência da mistura e a carga de preenchimento do masterbatch.
| Parâmetro | Configuração típica | Finalidade |
|---|---|---|
| L/D da hélice | 40 a 52 | Espaço de derretimento, mistura e ventilação |
| Diâmetro da hélice | 52 / 65 / 75 mm | Escala de laboratório para produção |
| Posição do alimentador lateral | para baixo, pós-meltdo | Proteger a comprimento da fibra |
| Ventilação a vácuo | -0,08 a -0,09 MPa | Remover umidade e voláteis |
| Velocidade do parafuso | 300 a 500 rpm | Misturar sem sobrecarga |
| Perfil do cilindro (PA6) | 220/240/250/255/250 °C | Melhoria da mistura, sem degradação |
| Pelletização | sob a água / em fio / em face quente | Ajustar a resistência da mistura e a carga |
Manutenção e medição da duração das fibras
O desempenho mecânico de um composto de fibra curta depende muito mais da comprimento da fibra retida do que do comprimento original cortado. Uma fibra de carbono de 6 milímetros é moída dentro do extrusor, e o comprimento que sobrevive até o grão decide o impacto e o módulo. O objetivo de um masterbatch de fibra de carbono bem executado é um comprimento de fibra retido de 150 a 300 micrometros.
Método de alimentação
A alimentação lateral da fibra na mistura, em vez de misturá-la com a resina na alimentação principal, é o fator mais importante na retenção da extensão, pois a fibra evita a zona de cisalhamento da fusão. A dosagem suave e consistente evita aglomerações de fibra que mais tarde são submetidas a um cisalhamento excessivo.
Configuração do elemento do parafuso
O parafuso é construído a partir de elementos de transporte e blocos de amassamento. Os blocos de amassamento são descritos pelo seu ângulo de deslocamento: KB45, KB60 e KB90. Um bloco de 90 graus é o mais intenso misturador e o mais agressivo em relação à fibra; um bloco de 45 graus é mais suave. Para a fibra de carbono, a disposição do parafuso utiliza elementos de transporte ao longo da maior parte da extensão e limita os blocos de amassamento a uma zona de fusão curta, bem posicionada, muitas vezes combinando KB45 e KB60 com elementos de transporte em vez de empilhar KB90. O objetivo é obter uma cisalhamento suficiente para molhar e dispersar a fibra sem pulverizá-la.
Intensidade do cisalhamento
A taxa de cisalhamento aumenta com a velocidade do parafuso e com a compactação da zona de amassamento. Mantendo a velocidade do parafuso entre 300 e 500 rpm e mantendo a viscosidade da mistura moderada, protege-se a extensão. O aumento da pressão na matriz ou a operação de uma seção de amassamento muito apertada reduz a extensão retida para menos de 150 micrometros e se manifesta como menor impacto.
Medida pelo método de cinzas
A extensão e o conteúdo de fibra retidos são medidos pelo método de cinzas, de acordo com a norma ISO 3451. O polímero é queimado em um forno de muffle, a fibra residual é recuperada e a extensão é medida por análise de imagem após a dissolução ou ashing da matriz. O conteúdo de cinzas também confirma a carga real de fibra em relação ao objetivo. Esta é a verificação de qualidade padrão para cada lote de masterbatch de fibra de carbono.
| Fator | Efeito na retenção da extensão | Recomendação |
|---|---|---|
| Alimentação principal vs alimentação lateral | A alimentação lateral preserva a extensão | Sempre alimentar a fibra lateralmente |
| Empilhamento de KB90 | Reduz fortemente a extensão | Limite, preferencialmente KB45/KB60 |
| Velocidade do parafuso | Uma velocidade mais elevada encurta a fibra | Mantenha 300 a 500 rpm |
| Comprimento alvo mantido | 150 a 300 micrometros, o ideal | Verificar por cinzas + imagem |
Normas de Controlo de Qualidade e Testees
O masterbatch de fibra de carbono deve ser liberado de acordo com um plano de teste definido, de modo que cada lote atenda às especificações mecânicas, elétricas e de composição. Os padrões abaixo são referenciados como texto simples e aplicados nas fases de entrada, em processo e final.
Composição e fluxo de fusão
A concentração de cinzas segundo a norma ISO 3451-1 confirma a carga de fibra através da queima do polímero e do pesagem do resíduo. A taxa de fluxo de fusão ou a taxa de volume de fusão segundo a norma ISO 1133 verifica a processabilidade e detecta a degradação ou a derivação da formulação. Ambos são testes de liberação de lote rápidos e baratos.
Propriedades mecânicas
As propriedades de tração são medidas de acordo com a norma ISO 527, as propriedades de flexão de acordo com a norma ISO 178 e o impacto de acordo com a norma ISO 179 ou ISO 180. Estes valores geram os números de resistência, módulo e impacto que aparecem em uma ficha técnica. Os amostras de ensaio são moldadas de acordo com um protocolo fixo, para que os resultados sejam comparáveis entre lotes.
Térmico e elétrico
A temperatura de deflexão por calor é medida de acordo com a norma ISO 75, confirmando o limite de utilização a altas temperaturas. A resistividade da superfície e do volume é medida de acordo com as normas IEC 62631 e ASTM D257, classificando o material em uma das seguintes categorias: isolante, antistático, dissipativo ou condutor. Para eletrónica sensível às chamas, é verificado o índice UL 94 e a conformidade com as normas RoHS e REACH.
Dispersão e morfologia
A dispersão das fibras é avaliada por observação ao microscópio de uma seção microtomada; uma dispersão deficiente indica aglomerados e reservatórios de resina expostos. A distribuição da duração das fibras é obtida pelo método de imagem e de análise da cinza. Juntas, estas técnicas detectam falhas de processamento antes que os componentes sejam moldados.
| Testee | Padrão | O que confirma |
|---|---|---|
| Contenção de cinzas | ISO 3451-1 | Carga atual da fibra |
| Fluxo de fusão | ISO 1133 | Processabilidade |
| Tensão | ISO 527 | Força e módulo |
| Flexão | ISO 178 | Rigidez |
| Impactoo | ISO 179 / ISO 180 | Resistência |
| HDT | ISO 75 | Resistência ao calor |
| Resistência à superfície | IEC 62631 / ASTM D257 | Classee de ESD e condutividade |
Cenários de aplicação
O masterbatch de fibra de carbono atende a mercados que necessitam de rigidez, baixo peso e condutividade. A mesma família de concentrados é ajustada para cada aplicação, alterando a carga, a matriz e o pacote de aditivos.
Automóvel
No setor automobilístico, os compostos de fibra de carbono são usados para manoplas de entrada, componentes estruturais de painéis de bateria e suportes, onde a economia de massa e a rigidez são importantes. A natureza condutiva também ajuda nas linhas de pintura eletroestática. O PA6 e o PA66 com 30 por cento de fibra de carbono são opções comuns para componentes estruturais e debaixo do capô, devido à sua temperatura de deformação por calor de 200 a 215 graus Celsius.
Eletrônica 3C
As carcasas de laptops e os quadros intermediários de smartphones usam masterbatch de fibra de carbono para rigidez de paredes finas e blindagem EMI. Os portadores de PC, PC-ABS e ABS dominam aqui, com a carga ajustada para a qualidade da superfície e a blindagem de 30 a 60 decibéis.
Drones e artigos esportivos
Os quadriciclos e os equipamentos desportivos premiam o módulo específico da fibra de carbono: alta rigidez com baixo peso. Os masterbatches de fibra longa e de alta carga oferecem a melhor relação entre resistência e peso para estas peças.
Portadores de wafers semicondutores
Os suportes de transporte de wafers em salas limpas necessitam de um comportamento antistático e dissipativo da eletricidade, com valores de resistência de 10^6 a 10^11 ohm por quadrado, para que os wafers carregados não sejam danificados. A fibra de carbono moída em uma resina limpa e de baixa ionização proporciona superfícies lisas e resistividade controlada, sem a dispersão de fibras de vidro.
Acessórios para tubos de petróleo e gás
Os acessórios de poço e de linha de fluxo utilizam fibra de carbono reforçada em PPS ou PEEK para resistência química e resistência mecânica. A janela de extrusão a alta temperatura e de secagem rápida dessas matrizes é tratada nas linhas Kerke de maior L/D.
Defeitos comuns e resolução de problemas
A utilização de masterbatch de fibra de carbono revela vários defeitos recorrentes. A maioria deles é atribuída à alimentação, ao corte, à umidade ou à dispersão, e não à própria fibra.
| Defeito | Causa provável | Medida de contra-médio |
|---|---|---|
| Exposição de fibras / fibra flutuante | Má umidificação, baixa temperatura do molde | Aumente a temperatura do molde, melhore o dimensionamento e adicione um agente de fluxo |
| Diferença de cor | Variação do lote, oxidação | Controle rigoroso da lotação, verificação da cinza e da dispersão |
| Deformação | Contração anisotrópica | Porta de equilíbrio, reduzir a carga, adicionar enchimento |
| Quebra da praia | Fusão fraca, resfriamento deficiente | Aumente a temperatura de fusão, melhore o banho de água, diminua a velocidade de extração |
| Flutuação de pressão | Alimentação irregular, pontes | Estabilize o alimentador lateral, verifique o crammer |
| Deslizamento do parafuso | Baixa força de alimentação, resina molhada | Melhore a secagem, aumentando o preenchimento da zona de alimentação |
| Powder Bridging | Agregação de fibra moída | Utilize um alimentador crammer, reduza a umidade |
A queixa mais frequente no campo é a presença de fibras flutuantes em superfícies moldadas, onde as fibras se elevam acima da resina. Isto é corrigido aumentando a temperatura do molde, confirmando que o dimensionamento corresponde à matriz e, às vezes, adicionando um pequeno promotor de fluxo. A deformação por contração anisotrópica é gerenciada na fase de projeto da peça, com uma geração equilibrada e, quando necessário, um enchimento parcial de vidro ou mineral para equilibrar o fluxo. Os flutuações de pressão do molde quase sempre são devidas a alimentação desigual, pelo que o alimentador de peso ou o crammer devem ser os primeiros itens a serem verificados.
Fibra de carbono vs masterbatch de fibra de vidro
Os compradores constantemente comparam o masterbatch de fibra de carbono com o masterbatch de fibra de vidro. A escolha certa depende de se a rigidez, a condutividade e o peso ou o custo e o desgaste dominam as especificações.
| Atributo | Masterbatch de fibra de carbono | Masterbatch de fibra de vidro |
|---|---|---|
| Densidade | Baixo | Maior |
| Resistência à tração | Maior | Moderado |
| Modulus de flexão | Muito mais alto | Baixo |
| Condutividade elétrica | Sim, antistático para condutor | Isolante |
| Resistência ao desgaste | Maior | Moderado |
| Desgaste de parafusos e barras | Alto | Baixo a moderado |
| Custo relativo | Premium | Baixo |
Em termos simples, a fibra de carbono vence em rigidez específica, condutividade e peso, mas custa muito mais e acelera o desgaste de parafusos e barras, o que aumenta a manutenção. A fibra de vidro vence de forma decisiva no custo e é suave para o equipamento, tornando-se a opção padrão para peças estruturais não condutoras. Quando a condutividade ou um objetivo de rigidez a peso é obrigatório, o masterbatch de fibra de carbono é o único dos dois que se qualifica. Muitos programas utilizam fibra de vidro para a estrutura principal e uma pele de fibra de carbono fina ou um inserto de fibra de carbono localizado quando é necessário ESD ou blindagem.
Normas e conformidade
O masterbatch de fibra de carbono e os compósitos feitos a partir dele são especificados contra um conjunto consistente de normas internacionais e regionais. Estes estão listados aqui como texto simples para referência e aparecem em toda a documentação de qualidade:
- ISO 527 para propriedades de tração
- ISO 178 para propriedades de flexão
- ISO 179 e ISO 180 para propriedades de impacto
- ISO 75 para a temperatura de deflexão térmica
- ISO 1133 para a taxa de fluxo de massa de fusão
- ISO 3451 para determinação do teor de cinzas e de fibras
- ASTM D257 para resistência e resistividade em corrente contínua
- IEC 62631 para a resistividade elétrica de materiais isolantes
- UL 94 para classificação de inflamabilidade
- RoHS para restrição de substâncias perigosas
- REACH para registro e segurança de produtos químicos
A conformidade com os padrões RoHS e REACH é esperada para as cadeias de fornecimento de eletrônicos e automóveis, enquanto o UL 94 é importante para envoltórios que devem atender às classificações de inflamabilidade. Estes padrões são referenciados apenas como texto e devem ser verificados contra as edições publicadas atuais e a classe específica de resina utilizada.
Perguntas frequentes
Qual é a diferença entre o masterbatch de fibra de carbono e a resina de fibra de carbono composta diretamente?
O masterbatch de fibra de carbono concentra a fibra em 20 a 60 por cento em uma resina transportadora, permitindo que os moldadores aponte entre 5 e 20 por cento para atingir um conteúdo final de fibra de 10 a 40 por cento. A mistura direta compõe a fibra bruta e a resina apenas uma vez. O masterbatch melhora a dispersão da fibra, protege o comprimento da fibra através de menor esforço total, simplifica a dosagem e oferece qualidade consistente de lote para lote para os moldadores de injeção sem linhas de dois parafusos.
Por que a alimentação lateral é utilizada para fibra de carbono em extrusão de dois parafusos?
Os alimentadores laterais adicionam fibra triturada para baixo-río, após a fusão do polímero e após as zonas de fusão de alta cisalhamento. Isto reduz a distância que a fibra percorre através dos elementos de cisalhamento, reduz a quebra da fibra e aumenta a sua comprimento retido, aproximando-se do objetivo de 150 a 300 micrometros que influencia o impacto e o módulo.
Qual a carga de fibra de carbono que proporciona desempenho antistático ou condutor?
O fibra de carbono curta geralmente atinge seu limite de percolação entre 3 e 8 por cento de peso, abaixo do qual as peças permanecem isolantes e acima do qual a resistividade da superfície cai para o intervalo antistático de 10^9 a 10^11 ohm por quadrado e, mais adiante, para o intervalo condutor de 10^2 a 10^5 ohm por quadrado à medida que a carga aumenta para 15 a 30 por cento.
Como o masterbatch de fibra de carbono se compara com o masterbatch de fibra de vidro?
Em uma carga igual a 30%, a fibra de carbono supera a fibra de vidro em rigidez, resistência específica, condutividade e resistência ao desgaste, enquanto a fibra de vidro é muito mais barata e menos agressiva em relação ao desgaste dos parafusos e do cilindro. A fibra de carbono também reduz a densidade e a deformação em relação à fibra de vidro em muitas resinas de engenharia.
Qual compatibilizador deve ser utilizado para fibra de carbono em polipropileno?
O polipropileno é não polar e liga-se mal à fibra de carbono, por isso, um polipropileno enxerto com anhídrido maleico, PP-g-MAH, com uma relação de enxerto de 0,8 a 1,2% e uma adição de 2 a 5%, é a escolha padrão. O SEBS-g-MAH ou o EAA podem ser usados quando as exigências de impacto ou polaridade são diferentes.
Como é medida a quantidade de fibra de carbono em um pellet composto?
O teor de cinzas é medido queimando o polímero em um forno de muffle de acordo com a norma ISO 3451-1 e pesando a fibra residual, após correção da perda de dimensionamento. A distribuição da comprimento das fibras é medida dissolvendo a matriz e obtendo imagens das fibras liberadas, com um comprimento retido-alvo de 150 a 300 micrometros.
Que condições de secagem são necessárias antes da extrusão de PA66 reforçado com fibra de carbono?
O PA66 deve ser secado a 80 a 100 graus Celsius durante cerca de 4 horas, até atingir um ponto de rosnique próximo a menos 40 graus Celsius, pois a umidade residual hidrolisa o polímero durante o processamento de fusão e degrada as propriedades mecânicas. O PC, o PBT e o PPS precisam de temperaturas de secagem progressivamente mais altas, listadas na tabela de secagem.
O masterbatch de fibra de carbono melhora a blindagem EMI?
Sim. Uma rede contínua de fibra de carbono no polímero proporciona uma eficácia de blindagem EMI de 30 a 60 decibéis entre 30 MHz e 1,5 GHz. A sinergia com fuligem de carbono, nanotubos de carbono ou grafeno pode aumentar a blindagem, ao mesmo tempo que reduz a carga de fibra necessária.
Conclusão
O masterbatch reforçado com fibra de carbono é a forma mais versátil de adicionar rigidez, peso leve e condutividade elétrica aos plásticos de engenharia na máquina de moldagem. O sucesso depende de quatro decisões: adequar o tipo de fibra e o tamanho à matriz, secar corretamente a resina, executar a linha de parafusos gêmeos com alimentação lateral para baixo e cisalhamento controlado para manter a comprimento da fibra retida entre 150 e 300 micrometros e verificar cada lote com testes de cinzas, mecânicos e de resistividade. Para o PA6 com 30% de fibra de carbono, é esperado uma resistência à tração de 220 a 250 MPa, módulo de flexão de 18 a 22 GPa e temperatura de deflexão térmica de 200 a 215 graus Celsius, com resistividade superficial ajustável de isolante a condutiva através da carga.
A fábrica Wanplas, em Kerke, fornece os extrusores co-rotativos de dois parafusos da série KTE e os sistemas de pelotização nos quais esses masterbatches são produzidos em escala de laboratório, piloto e produção completa, apoiados por mais de 12 anos de experiência em mistura e por uma rede de serviços globais em mais de 70 países. A marca Wanplas, a matriz, oferece promessas de qualidade compartilhadas e suporte técnico em todas as suas fábricas especializadas. Independentemente de você misturar os produtos internamente ou obter masterbatches prontos, os parâmetros deste guia fornecem um ponto de partida confiável; verifique os valores exatos da sua resina, fibra e equipamento antes de se comprometer com a produção.
