Classificação principal: divisão precisa com base na orientação de desempenho e nos cenários de aplicação
O pré-impregnado de fibra de aramida possui um sistema de categorias rico, que pode ser dividido em quatro categorias principais com base no tipo de resina, tipo de fibra, características funcionais e disposição. Cada produto foca em cenários de aplicação diferenciados, alcançando uma adaptação precisa às necessidades de diferentes indústrias.
1. Divisão de fronteiras funcionais por tipo de resina: termofixo e termoplástico
O sistema de resina é o elemento principal que determina as características de moldagem e a amplitude de aplicação do pré-impregnado de fibra de aramida, podendo ser dividido em duas categorias básicas. Ambos apresentam diferenças marcantes no mecanismo de cura e no foco de desempenho:
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Pré-impregnado de Fibra de Aramida Termofixo: Baseado em resina epóxi, resina fenólica, resina de éster de cianato, etc., requer uma reticulação e cura irreversíveis mediante aquecimento e pressão. Atualmente, é a categoria dominante no mercado, representando mais de 85% em 2024. Dentre elas, os produtos à base de resina epóxi são amplamente utilizados em componentes estruturais aeroespaciais, equipamentos protetores de alta performance e outros cenários, devido à sua excelente adesão e propriedades mecânicas equilibradas (resistência à tração pode atingir 280 MPa ou mais); os produtos à base de resina fenólica destacam-se pela excelente resistência ao fogo e à temperatura, com baixa densidade de fumaça durante a combustão, sendo adequados para decoração interna de vagões de transporte ferroviário e componentes resistentes ao fogo em embarcações; os produtos à base de resina de éster de cianato possuem baixas propriedades dielétricas, com constante dielétrica ≤ 2,8, sendo adequados para aplicações de alta frequência, como coberturas de radares e antenas 5G. As características principais deste tipo de pré-forma de fibra Aramida são estrutura estável e excelente resistência à fluência após a cura, mas o ciclo de moldagem é relativamente longo (geralmente entre 40 e 90 minutos) e a reciclagem é difícil.
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Fibra de aramida termoplástica pré-impregnada: Utilizando resinas fusíveis, como polieterétercetona (PEEK), poliamida (PA) e sulfeto de polifenileno (PPS), possui propriedades reversíveis de "aquecimento-amolecimento-resfriamento-cura" e tem crescido rapidamente nos últimos anos, atingindo uma participação de mercado de 15% em 2024. Suas vantagens notáveis incluem alta eficiência de moldagem, que reduz o tempo de ciclo em mais de 60% em comparação com produtos termofixos. O tempo de moldagem por lote pode ser controlado entre 15 e 30 minutos, sendo reciclável e reutilizável, atendendo às necessidades de produção em larga escala de proteção para pacotes de baterias de veículos elétricos, equipamentos esportivos de alto desempenho, entre outros. Por exemplo, a tampa do pacote de baterias automotivas feita com pré-impregnado de fibra de aramida base PA apresenta resistência ao impacto de 120 kJ/m², sendo 45% mais leve que as tampas metálicas tradicionais. Após colisão, alguns danos podem ser reparados mediante aquecimento.
2. Por tipo de fibra de aramida: diferenciação da fonte em relação ao desempenho básico
As propriedades do material da fibra de aramida em si fornecem diferentes substratos de desempenho para o prepreg de fibra de aramida, divididos principalmente em três categorias, adaptadas a requisitos distintos de resistência e custo:
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Prepreg baseado em aramida para (PPTA): A categoria mais comumente usada de alto desempenho, com resistência à tração da fibra superior a 3,6 GPa, módulo de 120 GPa e resistência ao impacto mais de 5 vezes maior que a do aço. É utilizado principalmente nas indústrias aeroespacial, de defesa e militar, com requisitos rigorosos de desempenho. Por exemplo, o prepreg de fibra de aramida Kevlar® da DuPont, feito com fibras 49, é amplamente utilizado para reforçar nervuras de fuselagem de aeronaves e capacetes à prova de balas, com classificação à prova de balas de até NIJ III.
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Prepreg baseado em aramida meta (PMIA): Com excelente resistência à corrosão e retardância de chama como seus principais atributos, pode ser utilizado por longo tempo em temperaturas acima de 200 ℃. Após imersão em solução de ácido sulfúrico a 50% por 1000 horas, a taxa de degradação do desempenho mecânico é inferior a 8%, tornando-o adequado para proteção de tubulações químicas, materiais de filtração em alta temperatura e outros cenários. O Teijinconex, como o aramida Emperor ® Prepreg feito de fibras, é usado como revestimento anticorrosivo para tanques de armazenamento químico.
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Pré-imprignado à base de aramida: Combina as vantagens da aramida para com a aramida meta, com uma redução de custo superior a 30% em comparação com aramida para pura, e uma resistência à tração de 2,8 GPa. É adequado para equipamentos esportivos de alto desempenho, interiores automotivos e outros cenários de médio a alto nível sensíveis ao custo, como raquetes de badminton e encostos de assentos de corrida.
3. Disposição da Fibra: Design Diferenciado de Desempenho Mecânico Unidirecional e Trançado
O arranjo das fibras de aramida determina diretamente as propriedades mecânicas direcionais do pré-impregnado de fibra de aramida, formando duas categorias principais para diferentes cenários de tensão:
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Pré-forma de fibra de aramida unidirecional: As fibras de aramida são dispostas em paralelo ao longo de uma única direção, com uma consistência direcional superior a 99,6%, resultando nas propriedades mecânicas máximas do material ao longo do eixo da fibra. O módulo de tração pode atingir mais de 110 GPa, enquanto as propriedades transversais são relativamente fracas. Esse tipo de produto é utilizado principalmente em componentes estruturais que suportam cargas unidirecionais, como camadas de impacto em asas de aeronaves, proteção de bordos de lâminas de turbinas eólicas, faixas de reforço para pontes, etc. Por meio de um design de empilhamento multidirecional, podem ser atendidas exigências complexas de tensão. Sua densidade superficial varia de 50 g/㎡ a 400 g/㎡, podendo ser precisamente selecionada conforme a magnitude da carga. Por exemplo, o bordo de uma lâmina de turbina eólica de 10 MW é feito de pré-impregnado de fibra de aramida unidirecional de 200 g/㎡, o que pode aumentar a resistência ao impacto do raio na lâmina em 60%.
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Pré-impregnado de fibra de aramida tecida: As fibras de aramida são entrelaçadas e formadas em tramas planas, sarja, cetim e outros padrões, com distribuição balanceada multidirecional das propriedades mecânicas e melhor conformabilidade e resistência ao corte. Os produtos de trama plana possuem estrutura densa e alta resistência ao desgaste, sendo adequados para equipamentos de proteção, como coletes à prova de balas e luvas resistentes a perfurações; os produtos de trama em sarja apresentam excelente flexibilidade e adaptam-se a superfícies curvas complexas, sendo utilizados na camada antiimpacto de cascos de navios e nas vigas anticolisão de portas de automóveis; os produtos em tecido cetim destacam-se pela alta resistência ao rasgo, podendo atingir até 80 kN/m, sendo indicados para peças internas aeroespaciais e tecidos de tendas de alta qualidade. Produtos com diferentes métodos de tecelagem podem ser combinados com diversas especificações de densidade linear variando de 100D a 1000D, formando uma seleção diversificada que vai de texturas delicadas a estruturas mais grossas.
4. Categorias derivadas personalizadas para cenários especiais com base em características funcionais
Em resposta a ambientes extremos ou necessidades especiais, o pré-impregnado de fibra Aramida desenvolveu várias subcategorias funcionais, tornando-se um fator chave na expansão dos limites de aplicação:
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Pré-impregnado de fibra Aramida resistente a altas temperaturas: Utilizando resina modificada de poliimida, a temperatura de uso contínuo pode atingir 250-350 ℃, e a taxa de retenção de resistência à tração em altas temperaturas excede 85%. Por exemplo, o Pré-impregnado Kevlar® da DuPont feito com fibras 149 combinadas com resina de poliimida é usado em componentes de isolamento ao redor de motores de aeronaves e revestimento de tubos de lançamento de foguetes.
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Pré-impregnado de fibra Aramida com retardamento de chama: baseado na retardância natural à chama do aramida meta, combinada com resina retardante de chama livre de halogênios, o desempenho retardante de chama pode atingir o nível UL94 V0, e não há liberação de gases tóxicos durante a combustão. A classificação de densidade de fumaça (SDR) é inferior a 15, adequada para cenários com requisitos extremamente altos de prevenção contra incêndios, como interiores de vagões de metrô e divisórias de cabines de aeronaves.
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Pré-impregnado de fibra de aramida antiestática: Adicionando cargas condutivas (como nanotubos de carbono) à resina para controlar a resistência superficial entre 10⁶ - 10⁸ Ω, mantendo a resistência ao impacto, adequado para equipamentos de proteção subterrâneos em minas de carvão, invólucros antieletrostáticos para dispositivos eletrônicos e outros cenários.
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Pré-impregnado de fibra de aramida com resistência climática: Os componentes anti-UV e anti-envelhecimento são adicionados à resina, e a taxa de atenuação das propriedades mecânicas é inferior a 10% após cinco anos de exposição ao ar livre. É adequado para outdoors, mangas protetoras para cabos de alta tensão, equipamentos de energia eólica offshore e outros cenários.
Vantagem principal: Seis características essenciais que redefinem o valor aplicado dos materiais
O pré-formado de fibra de aramida destaca-se entre diversos materiais compostos e torna-se um "material indispensável" para proteção de alto desempenho e fabricação de precisão, graças às suas vantagens abrangentes em resistência ao impacto, leveza, estabilidade e outras dimensões. Essas características juntas consolidam sua posição irreparável no mercado.
1. Desempenho máximo de resistência ao impacto e ao corte
A resistência ao impacto é a principal vantagem do pré-impregnado de fibra de aramida, e a alta tenacidade das fibras de aramida e o efeito de ligação da resina formam um efeito sinérgico, fazendo com que o material tenha excelente capacidade de absorção de energia. A tenacidade ao impacto de um pré-impregnado comum baseado em aramida para pode atingir mais de 150 kJ/m², o que é três vezes maior que a do pré-impregnado de fibra de carbono e oito vezes maior que a do aço. No campo à prova de balas, a placa à prova de balas feita com laminado unidirecional de pré-impregnado de fibra de aramida de 100 g/m² pode suportar o impacto de projéteis de pistola 9 mm e pesa apenas 1/5 de chapas de aço com o mesmo nível de proteção; No setor aeroespacial, a utilização de camada resistente a impactos de pré-impregnado de fibra de aramida na fuselagem da aeronave reduz em 70% a área de dano estrutural ao sofrer colisão com aves; No setor de nova energia, o uso deste material para proteção de baterias pode reduzir significativamente o risco de explosão térmica por meio de testes de segurança como perfuração com agulha e compressão. Além disso, sua resistência ao corte também é extremamente destacada, com o nível de resistência ao corte de um pré-impregnado têxtil de aramida de 200 g/m² alcançando o Nível 5 da norma EN 388, superando amplamente o de materiais fibrosos comuns.
2. Excelente leveza e equilíbrio mecânico
O pré-impregnado de fibra de aramida combina perfeitamente as vantagens de desempenho da fibra de aramida e da resina, alcançando o equilíbrio ideal entre "alta resistência + leveza". Sua densidade é de apenas 1,4-1,6 g/cm³, menos de 1/5 da do aço e metade da liga de alumínio, enquanto sua resistência à tração pode atingir 280-350 MPa, comparável à do aço comum. Na indústria aeroespacial, peças internas de aeronaves e reforços estruturais fabricados com pré-impregnado de fibra de aramida podem reduzir o peso em mais de 300 kg por aeronave, reduzindo diretamente o consumo de combustível em 8% - 10%; No setor automotivo, o uso deste material nos chassis de carros de corrida reduz o peso em 55% em comparação com chassis de liga de alumínio, aumentando ao mesmo tempo a resistência ao impacto em 40%; No campo dos equipamentos esportivos, tacos de golfe feitos com pré-impregnado baseado em aramida 1K podem reduzir o peso em 25%, aumentar a velocidade do swing em 10% e aumentar a distância de impacto em 15 jardas. Além disso, suas propriedades mecânicas apresentam um excelente equilíbrio, com um módulo de flexão de até 80-110 GPa. Não se deforma facilmente após uso prolongado e é adequado para diversos cenários estruturais sob carga.
3. Adaptabilidade ambiental e durabilidade em todos os cenários
O pré-impregnado de fibra aramida possui resistência ambiental muito superior à dos materiais tradicionais, tornando-o uma escolha confiável para condições de trabalho complexas. Em termos de resistência à corrosão, o pré-impregnado de aramida meta pode ter uma vida útil de mais de 15 anos em ambientes com ácidos fortes, álcalis fortes e névoa salina. No campo de embarcações marítimas, a camada de proteção do casco feita com esse material pode resistir à erosão da água do mar e prolongar o ciclo de manutenção em três vezes comparado às chapas de aço galvanizado; em termos de resistência climática, produtos com ingredientes resistentes aos raios UV apresentam uma taxa de retenção de cor superior a 90% após cinco anos de exposição ao ar livre, sem rachaduras ou pulverização; em termos de resistência térmica, produtos de alta temperatura podem ser usados temporariamente a 350 °C e continuamente a 250 °C, mantendo desempenho estável em cenários de alta temperatura, como fornos industriais e motores de aeronaves; em termos de resistência à fadiga, sob ciclos de carga dinâmica, a taxa de retenção de resistência à fadiga atinge mais de 90%, 12 pontos percentuais acima da média do setor. Após a utilização deste material, a vida útil das lâminas de turbinas eólicas pode ser estendida para mais de 25 anos.
4. Alta capacidade de personalização flexível
O pré-impregnado de fibra de aramida pode alcançar personalização completa dos parâmetros dimensionais, correspondendo com precisão às necessidades personalizadas de diferentes indústrias. O sistema de resina pode ser ajustado conforme o cenário, como resina de poliimida resistente a altas temperaturas para a aviação e resina epóxi de cura rápida para automóveis; A precisão no controle do teor de resina atinge ±0,5%, garantindo a consistência do desempenho do produto; Os tipos de fibra podem ser selecionados conforme necessário, com combinações flexíveis de fibras de aramida para-, meta- ou co-aramida; A largura permite personalização de 0,3 m a 2,0 m, e cascos de grandes embarcações podem utilizar produtos com 2,0 m de largura, reduzindo o número de juntas em mais de 60%; Características funcionais podem ser combinadas e sobrepostas, como "retardante de chama + antiestática", "resistência a altas temperaturas + resistência à corrosão" e outras funções compostas. Por exemplo, o pré-impregnado de fibra de aramida, com função composta utilizada em equipamentos de proteção subterrâneos em minas de carvão, não só atende aos requisitos de retardância à chama UL94 V0, mas também possui desempenho antiestático, garantindo ao mesmo tempo resistência ao impacto.
5. Excelente adaptação ao processo e eficiência de moldagem
A pré-impregnação com fibra de aramida é compatível com processos principais de moldagem de materiais compostos, como autoclaves a quente, moldagem por compressão, saco a vácuo e enrolamento, sendo adequada para diversas necessidades, desde personalização unitária até produção em massa. O processo de moldagem por compressão é indicado para componentes padronizados, como tampas de caixas de baterias e placas antibalísticas. O tempo de produção em modo único pode ser controlado entre 15 e 30 minutos, com erro de precisão dimensional ≤± 0,2 mm. A moldagem em autoclave a quente é adequada para componentes aeroespaciais de alto desempenho, alcançando uma taxa de defeitos internos inferior a 0,3%, mediante controle de pressão de 0,8-1,2 MPa e controle de temperatura de 120-200 °C; o processo de moldagem por enrolamento é indicado para componentes cilíndricos, como tubulações e vasos de pressão. O arranjo orientado das fibras de aramida permite que a relação entre resistência axial e circunferencial do produto atinja 4:1, atendendo aos requisitos de transporte sob alta pressão. Além disso, seu estado semi-curado facilita o corte e a colocação, com uma taxa de desperdício de apenas 3% - 5%, muito inferior aos 15% - 20% da formação úmida tradicional, reduzindo significativamente o desperdício de material.
6. Vantagens de custo-benefício ao longo de todo o ciclo de vida
Embora o custo inicial de aquisição do pré-impregnado de fibra de aramida seja superior ao dos materiais tradicionais, sua vantagem em termos de custo ao longo do ciclo de vida é significativa. No campo da defesa nacional e da indústria militar, suas características leves podem reduzir os custos de transporte de equipamentos em 40% e melhorar a mobilidade dos equipamentos; no setor de novas energias, o uso desse material para proteção de baterias aumentou a taxa de aprovação nos testes de segurança em 80%, evitando grandes perdas causadas por acidentes; na área de equipamentos industriais, sua resistência à corrosão pode estender o ciclo de manutenção do equipamento de 1 ano para 5 anos, reduzindo os custos de manutenção em 70%; na indústria aeroespacial, a redução de 300 kg no peso de uma única aeronave pode economizar aproximadamente 1,2 milhão de yuans anuais em custos de combustível. A reciclabilidade dos produtos termoplásticos reduz ainda mais os custos com matérias-primas, com uma taxa de retenção de desempenho superior a 75% para materiais reciclados, que podem ser utilizados na fabricação de componentes estruturais secundários.
Ponto de venda do processo: controle preciso e aumento de valor do material bruto até os produtos acabados
A excelência do pré-impregnado de fibra Aramida reside em seu processo de produção preciso e no controle de qualidade em todo o processo. Seu sistema de processo não só garante a consistência do produto, mas também alcança um equilíbrio otimizado entre desempenho e custo, tornando-se o suporte essencial para a competitividade da categoria.
1. Processo de produção principal: dupla garantia do método de fusão a quente e do método de imersão por solução
A indústria utiliza predominantemente dois processos principais de impregnação, que podem ser selecionados com flexibilidade conforme posicionamento do produto e requisitos de qualidade, assegurando a estabilidade de desempenho do pré-impregnado de fibra Aramida:
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Processo de fusão a quente: Aqueça a resina a 90-130 ℃ para reduzir a viscosidade, cubra uniformemente a resina na superfície das fibras de aramida por meio de rolos quentes de prensagem de precisão e, em seguida, resfrie rapidamente até a temperatura ambiente por meio de rolos de resfriamento para concluir a pré-curvatura e moldagem. A principal vantagem deste processo é a ausência de resíduos de solvente, controle preciso do teor de resina com precisão de até ± 0,5% e alta consistência no alinhamento das fibras, tornando-o particularmente adequado para a produção de pré-impregnados de fibra de Aramida de alta performance para aplicações aeroespaciais. A série de pré-impregnados Kevlar da DuPont® adota este processo, que controla por meio de computador a pressão (0,6-1,0 MPa) e a velocidade (4-8 m/min) dos rolos de prensagem a quente, garantindo que o erro na distribuição de resina por metro quadrado do produto seja inferior a 0,3%.
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Processo de impregnação por solução: A resina é dissolvida em solventes orgânicos, como acetona e xileno, formando uma solução de baixa viscosidade. Após as fibras de aramida serem totalmente adsorvidas pela resina no tanque de impregnação, o solvente é evaporado por meio de um canal de secagem com ar quente em múltiplos estágios (gradiente de temperatura 60-130 °C), formando-se, por fim, um estado semi-curado. Este equipamento de processo apresenta baixo custo de investimento e alta eficiência produtiva (com velocidade de linha de 12-18 m/min), tornando-o adequado para a produção em larga escala de pré-formas universais de fibra de aramida. Para resolver o problema do resíduo de solvente, a indústria adotou amplamente tecnologias de remoção assistida a vácuo e secagem sob proteção de nitrogênio, reduzindo o teor residual de solvente para menos de 0,08% e evitando bolhas e defeitos de descamamento após a solidificação do produto.
2. Pontos-chave de controle do processo: os cinco processos principais que determinam o desempenho
A estabilidade de qualidade do pré-impregnado de fibra de aramida provém do controle refinado de todo o processo de produção, no qual cinco etapas principais determinam diretamente o desempenho final do produto:
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Tratamento superficial da fibra de aramida: A superfície da fibra de aramida é lisa e apresenta fraca adesão com a resina. É necessário tratamento por oxidação a plasma ou revestimento com agente de acoplamento para aumentar os grupos ativos na superfície da fibra. Após o tratamento, a resistência à ligação interfacial entre as fibras e a resina aumenta em mais de 45%, resolvendo efetivamente os problemas de delaminação e descolamento frequentes em produtos tradicionais. Com este tratamento, a resistência ao impacto do pré-impregnado à base de aramida para pode ser melhorada em 30%.
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Modulação precisa da fórmula da resina: De acordo com os requisitos funcionais do produto, a resina, agente de cura, aditivos e outros ingredientes são precisamente dosados. Por exemplo, produtos ignífugos requerem a adição de 18% - 25% de retardantes de chama à base de fósforo e nitrogênio, juntamente com 0,8% de agentes anti-gotejamento; para produtos resistentes a altas temperaturas, é necessário ajustar a proporção entre a resina de poliimida e o agente de cura para garantir a densidade de reticulação; produtos antieletrostáticos devem ter dispersão uniforme de 5% - 8% de nanotubos de carbono para evitar condutividade irregular. A formulação é realizada por meio de um sistema totalmente automático de mistura e dispersão ultrassônica, com erro controlado dentro de ± 0,1%.
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Controle dinâmico dos parâmetros de impregnação: Ajuste em tempo real da velocidade de impregnação, temperatura e pressão com base na densidade linear das fibras de aramida e viscosidade da resina. Por exemplo, a velocidade de imersão de produtos com fios de 100D é controlada entre 6-8 m/min, e a pressão é reduzida para 0,5 MPa para evitar a ruptura das fibras; já o produto com fio grosso de 1000D pode ter a velocidade aumentada para 15 m/min e a pressão elevada para 0,9 MPa, garantindo que a resina infiltre completamente o interior das fibras.
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Controle preciso da cura no estágio B: Ao ajustar a temperatura e o tempo de secagem, o grau de cura da resina é mantido em um estado semi-curado de 35% - 45%, assegurando que o produto tenha uma certa viscosidade para facilitar a sobreposição e evitando a cura completa prematura. Monitoramento em tempo real do grau de cura por meio de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise mecânica dinâmica (DMA), com erro inferior a 2%.
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Inspeção rigorosa de qualidade dos produtos acabados: Cada lote de produtos deve passar por múltiplos testes, incluindo teor de resina (precisão ± 0,1%), densidade superficial da fibra (± 1 g/㎡), resistência à tração, tenacidade ao impacto, desempenho retardante de chama, etc. O sistema de visão computacional é utilizado para detectar a uniformidade do arranjo das fibras e a integridade dos padrões, com uma taxa de detecção de defeitos de 99,9%, garantindo que produtos não conformes não entrem no mercado.
3. Tendência da inovação de processos: Três grandes direções para impulsionar a atualização da categoria
A indústria continua a melhorar o desempenho e a relação custo-benefício do pré-impregnado de fibra Aramida por meio da inovação de processos, com três grandes direções de inovação liderando o desenvolvimento da categoria:
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Atualização da linha de produção automatizada: Introduza robôs industriais e um sistema de inspeção por visão artificial para alcançar a automação completa do processo, desde o desenrolamento da fibra aramida, impregnação, cura até o enrolamento e corte, aumentando a eficiência produtiva em mais de 60% e reduzindo o erro de consistência do produto para ± 0,2%. Por exemplo, a linha de produção automatizada de uma empresa líder pode atingir uma produção diária de 4000 metros quadrados por linha, quatro vezes superior às linhas de produção manuais tradicionais.
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Avanço na Tecnologia de Laminação Multiaxial: Desenvolveu-se uma linha de produção de pré-impregnado multiaxial de fibra aramida capaz de realizar simultaneamente a impregnação e laminação sincronizadas de fibras em múltiplas direções, nos ângulos de 0°, 90°, ±45° e outros, reduzindo os processos posteriores de laminação e aumentando a eficiência produtiva em 45%. É especialmente adequada para a fabricação de componentes grandes, como pás de turbinas eólicas e cascos de navios, ao mesmo tempo em que melhora as propriedades mecânicas globais dos produtos.
- Pesquisa e aplicação de processos verdes: Promover o processo de impregnação sem solvente e a aplicação de resinas à base de biorecursos (como resina epóxi à base de mamona), reduzir a dependência de matérias-primas à base de petróleo e diminuir as emissões de COV em mais de 90%; desenvolver tecnologia de despolimerização química e reciclagem de produtos termofixos para aumentar a taxa de recuperação de fibras de aramida para mais de 80%, alinhado com a tendência de fabricação verde e economia circular.