60 anos de NETZSCH-Gerätebau: Como otimizar a cura de compósitos

Kinetics Neo - Uma história de sucesso:

A seguir, resumimos toda a história com a Dra. Chiara Leonardi, gerente de P&D da Blacks.

"Há alguns anos, decidimos expandir nosso laboratório adquirindo um DSC e um TGA da NETZSCH, para controlar tanto os pré-impregnados quanto os produtos curados. Nossa necessidade diária é realizar medições de rotina nas matérias-primas recebidas, no envelhecimento dos pré-impregnados, nas Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transições vítreas, no teor de fibras e no grau de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura de nossos produtos finais, só para mencionar alguns exemplos", diz o Dr. Leonardi.

Em 2018, a Blacks enfrentou um novo desafio: foi solicitada a produzir um aro de bicicleta de carbono. O grau de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura desejado foi definido em 95%, para garantir os níveis de desempenho mecânico e térmico solicitados pelo cliente. Esse valor foi definido após a caracterização inicial do pré-impregnado selected realizada pelo laboratório de análise térmica da Blacks.

Quando a fase de produção começou, ficou claro para a Blacks que eles precisavam encontrar um ciclo térmico adequado para atingir duas metas principais: atingir a meta de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura predefinida e reduzir os tempos de processo.

"Nossa abordagem é aplicar, em primeiro lugar, o ciclo de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura sugerido na folha de dados técnicos do pré-impregnado. E esse foi o caso da consolidação em autoclave do primeiro protótipo de aro, o 'SN1'. Entretanto, essa primeira produção mostrou a necessidade de pós-Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura para atingir o nível de reticulação desejado", lembra o Dr. Leonardi.

Para qualificar o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura alcançado, foram realizadas medições de DSC usando o DSC 214 Polyma na resina não curada (pré-impregnado) para avaliar a entalpia de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura total desse material (_Htot) e, sob as mesmas condições, em uma amostra SN1 para medir a Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura residual (_Hres).

A Figura 1 mostra as curvas DSC e os sinais de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura exotérmica avaliados para as duas medições.

O Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura (α) foi calculado com a seguinte equação:

Figura 1. Curvas DSC do pré-impregnado (vermelho) e do SN1 (roxo); taxa de aquecimento: 20 K/min, atmosfera: nitrogênio

Para o SN1, o valor α resultou em 94,5%, portanto, menor do que o desejado.

Como atingir o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado?

Na ausência de qualquer outra informação útil, o método classic considera a possibilidade de aumentar a temperatura máxima ou estender o tempo do segmento IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico.

Essa abordagem de tentativa e erro, no entanto, consome muito tempo; também exige longos períodos de inatividade da autoclave e tem alto consumo de matéria-prima. Além disso, ela nem sempre é explorável: Por exemplo, a escolha da temperatura máxima é limitada pela temperatura de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da própria resina.

Foi aí que o know-how da NETZSCH entrou em ação.

"Decidimos produzir um segundo protótipo de aro aplicando um ciclo de cura semelhante ao primeiro, mas com uma estase prolongada. Embora esse ciclo tenha atingido o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado, o tempo total do ciclo resultante, 8 horas, era muito longo para nossa capacidade de produção", continua o Dr. Leonardi. "Por isso, pedimos ao site NETZSCH que nos ajudasse a encontrar um perfil térmico novo e mais rápido. Realizamos algumas novas medições de DSC no pré-impregnado e passamos os dados para NETZSCH, que fez mágica com seu software Kinetics Neo."

Para realizar estudos cinéticos, normalmente são necessárias pelo menos três rampas de aquecimento diferentes ou três temperaturas isotérmicas diferentes para uma medição de análise térmica completa.

Nesse caso, a Blacks decidiu aplicar rampas dinâmicas a taxas de 1, 2, 5 e 10 K/min. Os termogramas avaliados resultantes são mostrados na Figura 2.

Figura 2. Curvas DSC do pré-impregnado a 1, 2, 5 e 10 K/min; atmosfera: nitrogênio

Realização de estudos cinéticos e previsão do comportamento do material

Para prever o comportamento da cura em diferentes cenários de processo, os dados de DSC medidos nas quatro diferentes rampas de aquecimento foram carregados no software NETZSCH Kinetics Neo, que, na época, tinha acabado de ser desenvolvido.

A Figura 3 mostra o ajuste de conversão como resultado da aplicação da abordagem sem modelo, escolhida entre as disponíveis no software: Essa é uma nova técnica matemática chamada "Numerical Optimization" (Otimização numérica), desenvolvida pelo site NETZSCH para dar suporte a usuários sem experiência em simulação cinética e no setor em geral, onde avaliações demoradas muitas vezes não são compatíveis com as necessidades de produção.

Figura 3. Ajuste de conversão para os dados de DSC a 1, 2, 5 e 10 K/min usando "otimização numérica", uma abordagem sem modelo.

Além disso, para evitar superaquecimento e, consequentemente, danos ao material, a taxa máxima de reação foi limitada no software, para garantir que seu valor nunca excedesse o valor medido para o ciclo de cura usado para produzir o protótipo SN2.

O tempo total para o ciclo de cura recém-projetado foi de 260 minutos; em comparação com os 480 minutos do ciclo anterior, isso parecia realmente promissor para a economia de tempo na produção.

Mas e quanto ao Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado?

Tempo mais curto, melhor eficiência de cura

A Blacks confiou no novo ciclo de cura otimizado e decidiu aplicá-lo na fabricação de um terceiro protótipo (SN3).

"Quando testamos o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura por DSC, da mesma forma que fizemos com os dois aros de bicicleta anteriores, percebemos que o ciclo de cura otimizado pela cinética não só nos permitiu reduzir quase pela metade o tempo de produção, mas também melhorar ainda mais o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura. Um verdadeiro final feliz", conclui o Dr. Leonardi.

De fato, o ciclo de fabricação em autoclave do aro de bicicleta de CFRP da Blacks S.r.l. foi reduzido em 46% do tempo em comparação com o ciclo anterior, que havia atingido a meta de cura desejada; além disso, ele até mesmo excedeu o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado (com um resultado final de 96,1%) e evitou o superaquecimento ao mesmo tempo.

A Figura 4 mostra a comparação de todos os dados relevantes para a produção de cada aro de bicicleta em um relance.

Esse estudo de caso demonstrou claramente como os ciclos de produção podem ser otimizados com uma abordagem combinada de DSC e cinética. Em comparação com a fabricação por tentativa e erro, a caracterização e a simulação de materiais são muito mais eficientes e requerem apenas alguns miligramas de resina, o que proporciona uma grande economia de custos para o setor de compostos em termos de matérias-primas e tempo de produção.

Figura 4. Tabela de resumo: comparação do ciclo térmico, tempo de ciclo, entalpia de medição e Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura para cada etapa do projeto

Agradecimentos

A colaboração entre a Blacks S.r.l. e o site NETZSCH se estendeu a outras áreas e ainda está ativa. A Dra. Chiara Leonardi tem sido frequentemente nossa palestrante convidada em conferências, seminários e webinars.

O estudo de caso "Curing Optimization" também foi apresentado em todo o mundo e publicado na Compositi Magazine (edição de dezembro de 2018: páginas 20-28). Aqui, você pode ler o artigo completo para obter insights mais profundos sobre esse projeto.

Além disso, a Blacks está crescendo continuamente: a quinta edição da pesquisa "Champions of Growth" do Instituto Alemão de Qualidade ITQF reconheceu a Blacks como uma das 800 empresas que impulsionaram a recuperação econômica este ano, com uma taxa média de crescimento anual de mais de 11,3% no período de três anos de 2018 a 2021.

Esse reconhecimento reafirmou seu compromisso contínuo com a busca da excelência e da inovação. Realmente parece que a Blacks compartilha nossa visão de Excelência Comprovada!

Parabenizamos nosso cliente e, mais uma vez, agradecemos à Dra. Chiara Leonardi pelo apoio, enquanto esperamos enfrentar novos desafios juntos.

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^{Para obter mais informações sobre como usar nosso software Kinetics Neo para modelar o processo de cura, visite a}^{seção dedicada do site}^.

^{Se estiver interessado em assistir ao webinar gravado apresentado pela Dra. Chiara Leonardi, entre em contato diretamente com nossa filial italiana por e-mail:}^{info.niv@NETZSCH.com}