Thermoplastic matrices for autoparts by T-RTM processing

Abstract

Today, the reduction of pollutant emissions, especially those from the automotive sector, is crucial. An effective solution to decrease fuel consumption and, consequently, reduce carbon dioxide (CO₂) emissions is the reduction of vehicle weight. In this regard, the automotive industry has been seeking solutions involving composites, particularly those with a polymeric matrix, as part of the strategy to create innovative and environmentally more sustainable solutions. Thermoplastic matrices are often used in the development of composites involving the incorporation of particles and/or short fibres. The combination of thermoplastic matrices reinforced with long fibres has required new moulding technologies, particularly those involving liquid moulding. This thesis focused on the study and development of a thermoplastic matrix for processing through Thermoplastic Resin Transfer Moulding (T-RTM). Additionally, the effect of adding graphene nanoplatelets (GNP) to this matrix and their impact on the physicochemical properties of the developed nanocomposites was studied. To validate the formulations transformed by T-RTM, a prototype of an automotive component was developed. Given the importance of polyamide 6 (PA6) in T-RTM technology, the preparation and characterization of PA6 through anionic ring-opening polymerization (AROP) of the ε-caprolactam (CL) monomer, in the presence of a catalyst and an activator, were investigated. The importance of raw material selection, formulation, temperature, and polymerization time and how these factors affect the final properties of PA6 were highlighted. The effect of adding GNP of different sizes on the final properties of the composite was investigated. Nanoparticles tend to aggregate, so the selection of the dispersion method is one of the critical steps in the development of nanocomposites. In this work, the selected method involved the use of ultrasonic, and the results indicate that GNP can act as nucleating agents in the PA6 matrix. For low GNP concentrations, the obtained nanocomposites showed improvements in thermal and mechanical properties. The last part of this work presents a case study based on the development of a three-dimensional automotive component using the previously optimized T- RTM processing parameters. The parts obtained showed good quality, although it is acknowledged that it is necessary to improve the prototype equipment to allow the application of higher pressures for more compact products. This work contributed to increasing knowledge about T-RTM technology, intending to consolidate it as an alternative technology for processing composite materials for the industry, particularly in the automotive sector.

Hoje, a redução de emissões poluentes provenientes, nomeadamente aquelas provenientes do setor automóvel, é crucial. Uma solução eficaz para diminuir o consumo de combustível e, consequentemente, reduzir as emissões de dióxido de carbono (CO₂) é a redução de peso dos veículos. Nesse sentido, a indústria automóvel tem procurado soluções envolvendo compósitos, nomeadamente de matriz polimérica, como parte da estratégia para criar soluções inovadoras e ambientalmente mais sustentáveis. As matrizes de natureza termoplástica são frequentemente utilizadas no desenvolvimento de compósitos envolvendo a incorporação de partículas e/ou de fibras curtas. A combinação de matrizes termoplásticas reforçadas com fibras longas exigiu novas tecnologias de moldação, nomeadamente aquelas que envolvem a moldação líquida. Esta tese focou-se no estudo e desenvolvimento de uma matriz termoplástica para processamento por moldação líquida de material termoplástico (T-RTM). Adicionalmente, foi estudado o efeito da adição de nanoplaquetas de grafeno (GNP) a esta matriz e o seu impacto nas propriedades físico-químicas dos nanocompósitos desenvolvidos. Com o objetivo de validação das formulações transformadas por T-RTM, foi ainda desenvolvido um protótipo de um componente automóvel. Face à importância que a poliamida 6 (PA6) tem na tecnologia T-RTM, estudou-se a preparação e caracterização da PA6 por meio da polimerização aniónica por abertura de anel (AROP) do monómero ε-caprolactama (CL), com a adição do catalisador e ativador. Destacou-se a importância da escolha das matérias-primas, da formulação e da temperatura e tempo de polimerização, e como esses fatores afetam as propriedades finais da PA6. O efeito da adição de nanoplaquetas de grafeno (GNP), de diferentes tamanhos, nas propriedades finais do compósito foi também estudado. As nanopartículas tendem a aglomerar, pelo que a seleção do método de homogeneização é uma das etapas críticas no desenvolvimento de nanocompósitos. Neste trabalho, o método selecionado envolveu o recurso a ultrassons e os resultados indiciam que as GNP podem atuar como agentes nucleantes na matriz PA6. Para baixas concentrações de GNP, os nanocompósitos obtidos apresentaram melhorias nas propriedades térmicas e mecânicas. No último capítulo é apresentado um estudo de caso baseado no desenvolvimento de um componente automóvel, de geometria tridimensional, com recurso aos parâmetros de processamento por T-RTM, anteriormente otimizados. As peças obtidas apresentaram boa qualidade embora se reconheça que é necessário melhorar o equipamento protótipo, de forma a permitir a aplicação de pressões mais elevadas que proporcionem produtos mais compactados. Este trabalho contribuiu para incrementar o conhecimento sobre a tecnologia T-RTM, no sentido da sua consolidação como tecnologia alternativa para o processamento de materiais compósitos para a indústria, e em particular para o setor automóvel.