BR0309530B1 - mecha à base de fibras de vidro. - Google Patents

Description

"MECHA À BASE DE FIBRAS DE VIDRO" A invenção se refere a uma mecha constituída por uma pluralidade de filamentos à base de fibras de vidro. A mecha pode se apresentar sob a forma de uma bobina chamada de roving ou stratifil.

Os rovings têm diversas destinações. No que diz respeito aos

materiais compósitos, os rovings constituem o reforço das matérias plásticas. Os processos de execução dos rovings feitos de fibra de vidro são muito variados. Dentre esses processos, podem ser citados:

A-A tecedura e outros processos que utilizam máquinas têxteis, que levam a reforços planos tecidos ou não.

Os tecidos e outros reforços pesados à base de rovings (cerca

ou mais

de 1000 g/m ) são sobretudo utilizados para a fabricação de peças feitas de material compósito que podem ser muito solicitadas mecanicamente. Eles encontram uma aplicação em peças utilizadas de maneira estática,tais como painéis de caixões isotérmicos para caminhões frigoríficos, ou então em peças utilizadas de maneira dinâmica tais como pás de motores movidos pelo vento que são submetidas a grandes oscilações vibratórias.

B-A pultrusão que consiste em impregnar de resina um reforço de fios contínuos e depois a formar o mesmo por tração através de um molde (fieira) aquecido que polimeriza a estrutura perfilada assim realizada. Esse processo permite fabricar produtos de reforço oblongos, tais como hastes ou elementos para realizar treliças.

C-A extrusão termoplástica que consiste em fabricar granulados de matéria termoplástica que contêm fibras ditas longas, as fibras contínuas sendo introduzidas em uma extrusora e revestidas pela matéria plástica na saída de extrusora para ser cortadas em granulados. Esse processo permite obter peças reforçadas para a construção automobilística.

D-O enrolamento filamentar que consiste em enrolar sob tensão constante um reforço de fibras contínuas impregnado de resina sobre um mandril giratório de forma apropriada para obter depois de polimerização um corpo de revolução vazado tal como um tubo.

A invenção se refere mais especialmente a mechas tendo em vista uma fabricação de reforços a partir de rovings dos quais atualmente o titula da mecha atinge 1200 tex ou mais com um diâmetro filamentar de 12 μιη ou mais. É lembrado aqui que o título de um fio ou de uma mecha corresponde a sua massa linear (1 tex = 1 g/km). O título da mecha varia proporcionalmente ao quadrado do diâmetro dos filamentos e proporcionalmente ao número de filamentos que a constitui. O título de uma mecha constitui um fator de sua resistência

mecânica, enquanto que o diâmetro dos filamentos influi sobre a aptidão à curvatura do fio ou da mecha e em conseqüência disso sobre a flexibilidade do tecido que pode ser obtido. Quanto maior é o título, mais resistente é o fio, e quanto maior é o diâmetro dos filamentos, mais difícil será sua aptidão para a curvatura.

Os rovings são obtidos ou diretamente a partir de filamentos provenientes de uma fieira e reunidos sob ela em uma só mecha bobinada (eles são chamados de rovings diretos), ou indiretamente a partir de fios que são provenientes de bobinas primárias denominadas tortas e que são unidas para constituir uma mecha final de título desejado (eles são chamados de rovings unidos).

O número máximo de filamentos que constitui uma mecha de roving direto é limitado pelo número de furos da fieira de onde escoam os filetes de vidro que formam depois de estiramento mecânico os ditos filamentos. O número de filamentos é estritamente igual ao número de furos da fieira. Esse número de fios não ultrapassa hoje cerca de 4000, e mesmo 45000, o que permite obter rovings diretos, por exemplo de 1200 tex / 12 μιη, 2400 tex /17 μιη, ou 4800 tex / 24 μιη, ou ainda 9600 tex / 33 μιη.

É convencional exprimir o diâmetro dos filamentos e o número de filamentos de acordo com números inteiros. De fato, por simplificação da linguagem, os números de furos de fieira assim como os números de filamentos da mecha são enunciados de acordo com um número redondo de centenas (por exemplo uma mecha de 4024 filamentos será dita de 4000 filamentos). O número redondo pode diferir de algumas dezenas do número exato.

No que diz respeito ao diâmetro de filamentos, ele é um valor nominal, expresso convencionalmente por um número inteiro de micrometros. Ele difere em geral de menos de 0,5 μιη do valor médio do diâmetro de todos os filamentos que constituem a mecha.

Também na seqüência do texto, é conveniente considerar os números inteiros como valores arredondados.

Para certas aplicações, pensa-se por exemplo às pás de motores movidos pelo vento que são submetidas no tempo a um fenômeno de fadiga devido às solicitações quase-contínuas geradas pelo vento, seria desejável que o título da mecha atualmente de 2400 tex seja ainda mais elevado de modo por um lado a simplificar o processo de fabricação das pás, por outro lado a permitir dimensões muito grandes (40 metros e mais) que hoje necessitam no entanto um grande número de camadas de reforço. É possível aumentar o título de uma mecha de roving

aumentando-se para isso o diâmetro dos filamentos e/ou o número dos mesmos.

O aumento do diâmetro é o mais evidente a realizar mas nem sempre é desejável por razoes de pior aptidão para a curvatura da mecha que gera uma tecedura mais difícil e leva a produtos de menos qualidade. A tecedura é freqüentemente interrompida por filamentos que se quebram, o tecido é com freqüência defeituoso levando-se em consideração as exigências de planura e regularidade das aplicações dinâmicas notadamente. Por outro lado, a superfície de vidro oferecida ao contato da resina de impregnação é menor, a adesão vidro - resina é portanto pior e os desempenhos mecânicos do compósito serão menores. Por essas razoes, certas profissões estabeleceram normas que limitam o diâmetro de filamentos admissível a 17 μιη.

No caso da pultrusão, as mechas têm hoje títulos que vão até

4800 tex; por razoes de produtividade e de dimensões de peças, é desejado também aumentar o título, mas o aumento do diâmetro dos filamentos provoca um incômodo no emprego de tais mechas, os filamentos se quebrando e formando espécies de espinhos que por um lado picam e ferem os operadores e por outro lado sujam a resina que impregna o reforço. Por essa razão, os transformadores exigem nesse caso que o diâmetro de filamentos não ultrapasse 24 μιη, alguns exigem mesmo que esse diâmetro

não ultrapasse 19 μιη.

É preferido portanto aumentar o título aumentando-se para isso

o número de filamentos.

O aumento do número de filamentos é realizado ou pela associação de várias mechas provenientes de uma pluralidade de tortas, o que não simplifica a fabricação e antes participa para um aumento dos custos, ou pela associação de varias mechas de filamentos que provêm de varias fieiras e que são agrupadas em uma mesma bobinadeira, o que não deixa de gerar uma preocupação de rendimento em razão da elevação estatística do número de quebras da mecha global pela dependência de uma pluralidade de fieiras.

Por outro lado, os inventores colocaram em evidência que a associação de uma pluralidade de mechas apresentava inconvenientes que podiam ser redibitórios no que diz respeito à qualidade da bobina vendida e do produto manufaturado a partir da bobina. Assim, para a associação de várias mechas de tortas, a bobina obtida apresenta laços em sua espessura o que não é conveniente em termo de qualidade de apresentação para a venda, e esses laços apresentam o risco de provocar um emaranhamento da mecha no desenrolamento por ocasião da tecedura por exemplo. Com a associação de filamentos provenientes de uma pluralidade de fieiras, mesmo se a bobina obtida não apresenta defeitos aparentes, no desenrolamento as mechas de filamentos têm tendência a se separar, uma então será puxada mais do que a outra (ou as outras) por ocasião da tecedura por exemplo. Essa desigualdade de tensão será prejudicial para a planura do tecido que será empenado, o tecido não poderá entre outras coisas ser impregnado convenientemente de resina e disso resultará propriedades mecânicas debilitadas para o material compósito.

A invenção tem portanto como objetivo fornecer uma mecha à

base de fibras de vidro que apresente um título maior ou idêntico aos títulos existentes no mercado sem ser acompanhado por um aumento do diâmetro dos filamentos, ao mesmo tempo em que conserva uma qualidade pelo menos equivalente (em especial por ocasião de sua utilização), e que conserva uma simplicidade em sua fabricação.

De acordo com a invenção, a mecha é caracterizada pela

relação τ

V

que é superior a 9, na qual τ é o título da mecha em tex e μ é o diâmetro dos filamentos que constituem a mecha em μιη. De acordo com uma característica, a mecha é proveniente de

uma única fieira. Vantajosamente, a mecha se apresenta sob a forma de um roving bobinado diretamente sob a fieira.

De acordo com uma outra característica, a mecha compreende pelo menos 6000 filamentos, seu título sendo superior a 1200 tex, e o diâmetro de cada filamento sendo superior a 11 μιη.

Por exemplo, a mecha compreende cerca de 8000 filamentos com cada um deles cerca de 17 μιη de diâmetro e apresenta um título de 4800 tex. Esse tipo de mecha convém especialmente para a fabricação de reforços unidirecionais ou multiaxiais, utilizados notadamente para as pás de motores movidos pelo vento. De fato, o diâmetro dos filamentos permanece idêntico ao diâmetro que existe no mercado de 17 μπι para as pás de motores movidos pelo vento; a tecedura não é desse modo tornada mais difícil. E o título é vantajosamente maior do que o título existente, de 2400 tex para um diâmetro de 17 μπι, levando a um reforço mais pesado.

De acordo com um outro exemplo, a mecha compreende cerca de 8000 filamentos com cada um deles cerca de 24 μπι de diâmetro e apresenta um título de 9600 tex. Uma tal mecha é apreciada para a fabricação de peças perfiladas de grande comprimento e de seção reduzida pelo processo de pultrusão.

Como outro exemplo, a mecha compreende cerca de 8000 filamentos com cada um deles cerca de 12 μπι de diâmetro e apresenta um título de 2400 tex para a fabricação de hastes pelo processo de pultrusão fina. Assim a mecha da invenção pode ser utilizada na fabricação de

materiais compósitos via processos de tecedura, ou pultrusão ou extrusão ou enrolamento filamentar, e uma aplicação especial é por exemplo aquela das pás de motores movidos pelo vento.

Finalmente, a mecha pode ser constituída inteiramente por filamentos de vidro ou pode ser compósita e constituída por exemplo por filamentos co-misturados de vidro e de matéria termoplástica.

Tais mechas são portanto obtidas aumentando-se para isso o número de filamentos estirados a partir da fieira, o que obriga a dispor de fieiras com número de furos maior do que na técnica anterior. Até o presente momento, bobinas com um número tão grande

de filamentos que pode por exemplo atingir o número de 8000 como aqui na invenção e que são provenientes de uma só fieira não existiam no mercado pois as instalações de formação de fibra do vidro atuais são projetadas para acolher fundos de fieiras de dimensões estabelecidas e providos de no máximo cerca de 4500 orifícios. Para aumentar ainda mais o número de orifícios, seria necessário para uma mesma superfície de fundo de fieira posicionar os orifícios de maneira ainda mais estreita uns em relação aos outros, o que aproximaria entre si os filamentos quando eles estão escoando.

O risco de ver se reunir e se colar entre si os filamentos seria nesse caso certo, impedindo portanto o processo de formação de fibra.

Ora, até agora não tinha havido o interesse pela eventualidade de fabricar novas fieiras das quais o fundo fosse provido de um maior número de orifícios, até dobrar o número de orifícios existentes, aumentando-se para isso a superfície do fundo de fieira perfurado com os ditos orifícios ao mesmo tempo em que pode se integrar em uma instalação de formação de fibra existente. Por isso, de acordo com a invenção o dispositivo de fabricação da mecha de acordo com a invenção compreende uma fieira da qual o fundo consiste em uma placa provida de mais de 4500 orifícios, em especial 8000, e com superfície superior à superfície de uma placa que existe atualmente provida de no máximo 4500 orifícios.

Outras vantagens e características da invenção aparecerão com a leitura da descrição que se segue em referência aos desenhos anexos nos quais:

- a figura 1 ilustra esquematicamente o dispositivo de

fabricação de uma mecha de acordo com a invenção;

- a figura 2 ilustra curvas representativas, de acordo com o título de uma mecha, do número de filamentos da mecha em função do diâmetro dos filamentos. A mecha feita de fibras de vidro 1 da invenção é constituída

por mais de 4000 filamentos provenientes de uma única fieira 13 tal como visível na figura 1. A mecha 1 é bobinada para constituir um roving direto R.

A composição do vidro é por exemplo aquela do vidro E.

A fieira 13 é munida no fundo de uma placa 14 que é provida de um grande número de orifícios 15, tais como espigas, a partir dos quais escoa o vidro fundido para ser estirado em uma multiplicidade de filamentos 16. O número de orifícios é superior a 4500, de preferência é superior a 6000 e pode por exemplo atingir 8000, e mesmo ultrapassar esse número de 8000.

Os filamentos são reunidos em uma só manta 17 que entra em

contato com um dispositivo de revestimento 20 destinado a revestir cada filamento com uma encolagem de tipo aquoso ou anidro. O dispositivo 20 pode ser constituído por um tanque alimentado em permanência por um banho de encolagem e por um rolo em rotação do qual a parte inferior é constantemente imersa dentro do banho. Esse rolo se recobre em permanência de uma película de encolagem que é retirada na passagem pelos filamentos 16 que deslizam em sua superfície.

A manta 17 converge em seguida para um dispositivo de união 21 no qual os diferentes filamentos são reunidos para dar origem à mecha 1. O dispositivo de união 21 pode ser constituído por uma simples polia de canelura ou por uma placa munida de um entalhe.

A mecha 1 quando deixa o dispositivo de união 21 penetra em um guia-fio 22 para ser bobinada em torno de um suporte 23 de eixo horizontal em relação à admissão vertical do fio na direção do guia-fio. A mecha é assim bobinada sendo proveniente diretamente da fieira para constituir o roving direto R. A velocidade de estiramento é de maneira clássica compreendida entre 10 e 60 metros por segundo.

A placa 14 do fundo de fieira é em conseqüência disso projetada com mais de 4500 orifícios, aqui 8000, para formar 8000 filamentos. O aumento do número de filamentos assim fornecidos em relação ao número existente no estado da técnica que não excede 4500 apresenta um real interesse.Para certas aplicações, tendo em vista um título dado constante, é preferível aumentar o número de filamentos diminuindo para isso o diâmetro dos mesmos mais do que conservar constante o número de filamentos com um diâmetro maior. Assim, um tecido que deve ser impregnado de resina mostrará uma melhor resistência em fadiga em sua utilização dinâmica quando a superfície de contato da resina com os filamentos de vidro é maior. Ora essa intimidade de contato, para uma encolagem idêntica de uma mecha de 4800 tex, é aumentada com uma constituição de 8000 filamentos de 17 μπι de diâmetro no lugar de 4000 filamentos de 24 μπι de diâmetro. O fator multiplicador de intimidade de contato é de cerca de 1,4 quando se passa de 4000 para 8000 filamentos.

Uma tal mecha de 8000 filamentos de 17 μηι de diâmetro que apresenta um título de 4800 tex encontrará notadamente sua aplicação na fabricação de reforços unidirecionais e multiaxiais para o reforço de pás de motores movidos pelo vento.

É lembrado que o número de filamentos, o título da mecha e o diâmetro dos filamentos estão ligados pela fórmula seguinte:

JL=I.

490 μ2

na qual f é o número de filamentos, τ o título, e μ o diâmetro em μηι, 490

sendo um fator multiplicador que integra a densidade do vidro.

Assim a mecha da invenção que compreende mais de 4500

filamentos pode também ser caracterizada pela relação r

7"

que é superior em valor inteiro a 9. Se não é fácil contabilizar o número de

filamentos de uma mecha uma vez que o produto está no mercado, em

contrapartida é mais fácil calcular a relação r

depois de ter medido τ e μ pelos métodos normalizados ISO 1889 e respectivamente ISO 1888.

A figura 2 ilustra uma série de curvas que exprimem, de acordo com o título da mecha, o número de filamentos em função do diâmetro dos filamentos. Foi traçada a reta de referência

que constitui o limite inferior ao qual responde uma mecha da invenção. As

fieiras de mais de 4500 furos (exatamente 4410) permitem obter uma relação μ

enquanto que as fieiras existentes de 4000 furos ou menos não preenchem essa característica.

Assim, consegue-se aumentando-se para isso o número de filamentos aumentar o título da mecha sem por causa disso modificar o diâmetro dos filamentos. Para 17 μιη, o título só é de 2400 tex com uma fieira de 4000 furos enquanto que ele é de 4800 tex (o dobro) para uma fieira de 8000 furos.

Por outro lado, o aumento do número de filamentos permite sem aumentar o título diminuir o diâmetro dos filamentos. Para 4800 tex, a mecha apresenta filamentos de diâmetro 24 μιη com 4000 filamentos, enquanto que o diâmetro só é de 17 μιη para 8000 filamentos. Também é possível realizar mechas com um título de 600 ou

900 tex por exemplo das quais o diâmetro dos filamentos não ultrapassa 8 ou respectivamente 10 μιη.

Por isso, a invenção consiste em fornecer uma mecha para a

qual τ

permite obter novos produtos em relação àqueles que existem que apresentam:

- a título idêntico, uma diminuição do diâmetro dos filamentos, o que permite que os filamentos conservem sua flexibilidade e evitar assim que eles se quebrem, e em conseqüência disso evitar o acúmulo desses filamentos quebrados sob a forma de penugem que perturba o funcionamento das máquinas e prejudica a regularidade de impregnação; ou então

- a diâmetro constante, aumentar o título, o que permite obter reforços mais pesados para fabricar assim peças de maiores dimensões que necessitam uma maior quantidade de reforço, isso sem aumentar o número de bobinas utilizadas, portanto sem complicar a transformação e sem necessitar de novas instalações. Isso melhora a produtividade tanto para o fabricante de fibras quanto para o transformador.

Nos dois casos, trata-se portanto de melhorar a relação qualidade / preço. A tabela abaixo resume para diversos tipos de aplicações, as características das mechas existentes tendo em vista a transformação das

mesmas e aquelas que podem ser obtidas de acordo com a invenção.

Aplicação Transformação Estado da técnica (4000 filamentos) Mecha da invenção (8000 filamentos) Vantagens Pás de motores movidos a vento Tecedura ou fabricação de não tecidos 17 Mm, 2400 tex 17 Mm, 4800 tex Produtividade, facilidade de trabalho, grandes peças Perfilados, treliças Pultrusão 34 μπι, 9600 tex 24 Mm, 9600 tex Flexibilidade, supressão dos espinhos Hastes, perfilados Pultrusão fina 12 μπι, 1200 tex 12 Mm, 2400 tex Produtividade, facilidade de trabalho Construção automobilística Extrusão termoplástica 17 μιη, 2400 tex 17 Mm, 4800 tex Produtividade, facilidade de trabalho, resistência ao choque

A invenção é descrita para uma mecha feita de fibras de vidro

mas também seria possível realizar uma mecha compósita do tipo TWINTEX® constituída na base por filamentos de vidro fornecidos pela fieira e nos quais vêm se co-misturar filamentos de matéria termoplástica.

Claims (8)

1. Mecha (1) à base de fibras de vidro, compreendendo uma pluralidade de filamentos de vidro caracterizada pelo fato de que apresenta uma relação <formula>formula see original document page 13</formula> na qual τ é o título da mecha em tex e μ é o diâmetro dos filamentos que constituem a mecha em μηι, cuja mecha compreende pelo menos 6000 filamentos, seu título é superior a 1200 tex, e o diâmetro de cada filamento é superior ali μηι.

2. Mecha de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é proveniente de uma única fieira.

3. Mecha de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que ela se apresenta sob a forma de um roving (R) bobinado diretamente sob a fieira.

4. Mecha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que compreende 8000 filamentos, tendo cada um 12 μιτι de diâmetro, e apresenta um título de 2400 tex.

5. Mecha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que compreende 8000 filamentos, tendo cada um 17 μηι de diâmetro, e apresenta um título de 4800 tex.

6. Mecha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que compreende 8000 filamentos, tendo cada um 24 μιτι de diâmetro, e apresenta um título de 9600 tex.

7. Mecha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que é constituída inteiramente de filamentos de vidro.

8. Mecha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que é compósita e constituída por filamentos co- misturados de vidro e de matéria termoplástica.