A case study undertaken recycling & reuse of glass fiber reinforced thermoset polumer wastes of composite materials industry

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP) have been considered inherently difficult to recycle due to both: crosslinked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and complex composition of the composite itself. Presently, most of the GFRP waste is landfilled leading to negative environmental impacts and supplementary added costs. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, efforts were made in order to recycle grinded GFRP waste, proceeding from pultrusion production scrap, into new and sustainable composite materials. For this purpose, GFRP waste recyclates, were incorporated into polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements at different load contents and particle size distributions. Potential recycling solution was assessed by mechanical behaviour of resultant GFRP waste modified polymer mortars. Results revealed that GFRP waste filled polymer mortars present improved flexural and compressive behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of the GFRP industrial waste reuse into concrete-polymer composite materials.

Drilling tool geometry evaluation for reinforced composite laminates

In this work, a comparative study on different drill point geometries and feed rate for composite laminates drilling is presented. For this goal, thrust force monitoring during drilling, hole wall roughness measurement and delamination extension assessment after drilling is accomplished. Delamination is evaluated using enhanced radiography combined with a dedicated computational platform that integrates algorithms of image processing and analysis. An experimental procedure was planned and consequences were evaluated. Results show that a cautious combination of the factors involved, like drill tip geometry or feed rate, can promote the reduction of delamination damage.

Increasing the wear resistance of molds for injection of glass fiber reinforced plastics

Abrasion by glass fibers during injection molding of fiber reinforced plastics raises new challenges to the wear performance of the molds. In the last few decades, a large number of PVD and CVD coatings have been developed with the aim of minimizing abrasion problems. In this work, two different coatings were tested in order to increase the wear resistance of the surface of a mold used for glass fiber reinforced plastics: TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC. TiAlSiN was deposited as a graded monolayer coating while CrN/CrCN/DLC was a nanostructured coating consisting of three distinct layers. Both coatings were produced by PVD unbalanced magnetron sputtering and were characterized using scanning electron microscopy (SEM) provided with energy dispersive spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), micro hardness (MH) and scratch test analysis. Coating morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and adhesion to the substrate were investigated. Wear resistance was characterized through industrial tests with coated samples and an uncoated reference sample inserted in a feed channel of a plastic injection mold working with 30 wt.% glass fiber reinforced polypropylene. Results after 45,000 injection cycles indicate that the wear resistance of the mold was increased by a factor of 25 and 58, by the TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC coatings, respectively, over the uncoated mold steel.

Tool geometry evaluation for carbon reinforced composite laminates

The use of composite laminates in complex structures has increased significantly. However, there are still some issues when considering their use, mainly related with machining, leading to some difficulties and lack of acceptance. In this work, a methodology to evaluate drill geometry and feed rate based on thrust force and delamination extension is presented.

PLSR Models for Mechanical Strengths of Concrete Composite Materials Reinforced with Pultrusion Wastes

In this paper, we present two Partial Least Squares Regression (PLSR) models for compressive and flexural strength responses of a concrete composite material reinforced with pultrusion wastes. The main objective is to characterize this cost-effective waste management solution for glass fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion wastes and end-of-life products that will lead, thereby, to a more sustainable composite materials industry. The experiments took into account formulations with the incorporation of three different weight contents of GFRP waste materials into polyester based mortars, as sand aggregate and filler replacements, two waste particle size grades and the incorporation of silane adhesion promoter into the polyester resin matrix in order to improve binder aggregates interfaces. The regression models were achieved for these data and two latent variables were identified as suitable, with a 95% confidence level. This technological option, for improving the quality of GFRP filled polymer mortars, is viable thus opening a door to selective recycling of GFRP waste and its use in the production of concrete-polymer based products. However, further and complementary studies will be necessary to confirm the technical and economic viability of the process.

Comparative analysis of drills for composite laminates

The characteristics of carbon fiber-reinforced plastics allow a very broad range of uses. Drilling is often necessary to assemble different components, but this can lead to various forms of damage, such as delamination which is the most severe. However, a reduced thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, two variables of the drilling process were compared: tool material and geometry, as well as the effect of feed rate and cutting speed. The parameters that were analyzed include: thrust force, delamination extension and mechanical strength through open-hole tensile test, bearing test, and flexural test on drilled plates. The present work shows that a proper combination of all the factors involved in drilling operations, like tool material, tool geometry and cutting parameters, such as feed rate or cutting speed, can lead to the reduction of delamination damage and, consequently, to the enhancement of the mechanical properties of laminated parts in complex structures, evaluated by open-hole, bearing, or flexural tests.

Analyzing objects in images for estimating the delamination influence on load carrying capacity of composite laminates

The use of fiber reinforced plastics has increased in the last decades due to their unique properties. Advantages of their use are related with low weight, high strength and stiffness. Drilling of composite plates can be carried out in conventional machinery with some adaptations. However, the presence of typical defects like delamination can affect mechanical properties of produced parts. In this paper delamination influence in bearing stress of drilled hybrid carbon+glass/epoxy quasi-isotropic plates is studied by using image processing and analysis techniques. Results from bearing test show that damage minimization is an important mean to improve mechanical properties of the joint area of the plate. The appropriateness of the image processing and analysis techniques used in the measurement of the damaged area is demonstrated.

Evaluation of tools and cutting conditions on carbon fibre reinforced laminates

The distinctive characteristics of carbon fibre reinforced plastics, like low weight or high specific strength, had broadened their use to new fields. Due to the need of assembly to structures, machining operations like drilling are frequent. In result of composites inhomogeneity, this operation can lead to different damages that reduce mechanical strength of the parts in the connection area. From these damages, delamination is the most severe. A proper choice of tool and cutting parameters can reduce delamination substantially. In this work the results obtained with five different tool geometries are compared. Conclusions show that the choice of an adequate drill can reduce thrust forces, thus delamination damage.

Drilling damage in composite material

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates have widened their use from aerospace to domestic appliances, and new possibilities for their usage emerge almost daily. In many of the possible applications, the laminates need to be drilled for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, damage assessment methods based on data extracted from radiographic images are compared and correlated with mechanical test results—bearing test and delamination onset test—and analytical models. The results demonstrate the importance of an adequate selection of drilling tools and machining parameters to extend the life cycle of these laminates as a consequence of enhanced reliability.

Reusability assessment of thermoset polymeric composite wastes as reinforcement and filler replacement for polymer concrete materials

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fiber reinforced polymers (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Production and consume have increased tremendously mainly for the construction, transportation and automobile sectors [2, 3]. Although the many successful uses of thermoset composite materials, recycling process of byproducts and end of lifecycle products constitutes a more difficult issue. The perceived lack of recyclability of composite materials is now increasingly important and seen as a key barrier to the development or even continued used of these materials in some markets.

Desenvolvimento de uma ferramenta para cálculo de estruturas em material compósito

Os desafios à engenharia moderna são cada vez maiores, pretendendo-se quase sempre obter estruturas mais leves, com propriedades mecânicas atrativas e muitas vezes com geometrias complexas. Com tais requisitos, um dos materiais que tem vindo a ter uma crescente aplicação é o material compósito. Contudo, no que toca ao cálculo estrutural destes materiais, tudo se torna mais complexo, já que são materiais que geralmente são formados por empilhamento de várias camadas de material heterogéneo, podendo estas encontrarem-se dispostas segundo diferentes orientações. Assim, a utilização de um software que permita a previsão das propriedades mecânicas de uma estrutura em material compósito através da micromecânica, a aplicação da Teoria Clássica dos Laminados e de um critério de rotura, como por exemplo o de Tsai-Hill, é fundamental para agilizar o processo de estudo da estrutura a fabricar. Para dar uma resposta a tal necessidade foi desenvolvida uma aplicação, em MATLAB® GUI, denominada CAFE – Composite Analysis For Engineers, com ambiente gráfico apelativo, que permite determinar todas as variáveis importantes no estudo de estruturas em material compósito. Esta aplicação visa suportar e agilizar a aprendizagem desta área do conhecimento, permitindo também o acesso ao código de cálculo por parte do utilizador, de modo a conhecerem-se as equações utilizadas e, eventualmente, ser alvo de futuros desenvolvimentos. O programa desenvolvido foi alvo de validação, recorrendo-se para tal, a uma comparação dos resultados obtidos entre o respetivo programa e por um outro programa de grande fiabilidade. Assim sendo, concluiu-se que o software CAFE apresenta resultados válidos, encontrando-se apto a ser utilizado.

Development of a new pultrusion equipment to manufacture thermoplastic matrix composite profiles

This paper describes the design and manufacture of a low-cost full scale pultrusion prototype equipment and discusses the production and obtained mechanical properties of polypropylene/glass (GF/PP) reinforced composite ba rs fabricated by using the prototype equipment. Three different GF/PP pre-impregnated ra w-materials, a commercial GF/PP comingled system from Vetrotex, a GF/PP powder coat ed towpreg [1-3] and, a GF/PP pre- consolidated tape (PCT) produced in our laboratorie s, were used in the production of composite bars that were subsequently submitted to mechanical testing in order to determine the relevant mechanical properties and quantify the consolidation quality. Samples of the different composite profiles were also observed und er SEM microscopy.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Estudo e caracterização mecânica de compósitos reforçados com fibras naturais

As crescentes preocupações ambientais e a necessidade de um desenvolvimento sustentável tem proporcionado um grande interesse no estudo e desenvolvimento de materiais mais ecológicos e amigos do ambiente. No caso particular da indústria dos materiais compósitos, a utilização de fibras naturais de origem vegetal, em substituição das tradicionais fibras de vidro, tem aumentado significativamente nos últimos anos. Para além dos claros benefícios ecológicos, a utilização de fibras naturais em detrimento das fibras de vidro, possibilita também o fabrico de componentes com baixo peso, boas propriedades mecânicas, baixo custo, pouco abrasivos às ferramentas de produção e com boas propriedades de isolamento térmico e acústico. Contudo, existem também algumas limitações decorrentes da utilização de fibras naturais como reforço de materiais poliméricos, como exemplo, a possibilidade de emitirem odores e absorverem água, a falta de adesão entre as fibras e as matrizes e o facto de possuírem baixa resistência à temperatura. No presente trabalho, foram estudadas e analisadas as propriedades mecânicas de laminados de matriz termoendurecível de epóxido e poliéster, reforçados com várias camadas de tecido bidireccional de fibras de juta. Para além dos referidos laminados, foram também produzidos e estudados compósitos de matriz termoplástica biodegradável de PLA (ácido poliláctico), reforçados com fibras curtas de juta. Todos os compósitos produzidos foram sujeitos a ensaios de tracção e flexão e as suas propriedades foram comparadas. O tecido de juta utilizado como reforço dos compósitos fabricados, foi caracterizado através de vários ensaios, utilizados tipicamente na indústria têxtil. As propriedades extraídas destes ensaios, foram úteis para a previsão das propriedades mecânicas dos materiais compósitos fabricados.Por fim, foi realizada uma análise critica sobres todos os resultados extraídos dos ensaios efectuados.

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.