BR102015017549A2

BR102015017549A2 - Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluídos gasosos, e, processo para produção de um cilindro de pressão

Info

Publication number: BR102015017549A2
Application number: BR102015017549-3A
Authority: BR
Inventors: Gustavo Ottoni Cândido Filho André
Original assignee: A2C Tecnologia E Licenciamento De Compósitos Ltda
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2018-02-27
Also published as: BR102015017549A8; BR102015017549B1

Abstract

"cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, e, processo para produção de um cilindro de pressão" a presente invenção se refere a um cilindro de pressão e, mais particularmente, a um cilindro de pressão compreendendo materiais compósitos fabricados por enrolamento filamentar sobre um revestimento ou forro de polímero termoplástico. 0 cilindro apresenta baixo peso, alta resistência mecânica para acomodar fluidos que apresentam características de baixa permeabilidade entre o meio e os fluidos nele contidos, e possui propriedades antibalísticas. o cilindro é confeccionado em material compósito compreendendo uma camada (1) de politetrafluoretileno interna, sobreposta por uma camada (2) de polietileno de alta densidade, seguida de uma camada de compósito (3) de fibra de carbono e de resina epóxi curada, sobreposta por uma camada de compósito (4) externa de fibra de aramida e de resina epóxi curada.

Description

(54) Título: CILINDRO DE PRESSÃO DE ALTA RESISTÊNCIA PARA ARMAZENAR FLUÍDOS GASOSOS, E, PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM CILINDRO DE PRESSÃO (51) Int. Cl.: B29C 39/18; F17C 1/16; B32B 27/32; B32B 5/02; F17C 1/00; (...) (52) CPC: B29C 39/18,F17C 1/16,B32B 27/322, B32B 27/32,B32B 2260/023,B32B 5/02,F17C 1/00,C08J 5/24,C08G 59/18,C08G 59/50,B29C 43/006 (73) Titular(es): A2C TECNOLOGIA E LICENCIAMENTO DE COMPÓSITOS LTDA (72) Inventor(es): ANDRÉ GUSTAVO OTTONI CÂNDIDO FILHO (74) Procurador(es): CÉSAR DIÓGENES DE CARVALHO (57) Resumo: CILINDRO DE PRESSÃO DE ALTA RESISTÊNCIA PARA ARMAZENAR FLUIDOS GASOSOS, E, PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM CILINDRO DE PRESSÃO A presente invenção se refere a um cilindro de pressão e, mais particularmente, a um cilindro de pressão compreendendo materiais compósitos fabricados por enrolamento filamentar sobre um revestimento ou forro de polímero termoplástico. 0 cilindro apresenta baixo peso, alta resistência mecânica para acomodar fluidos que apresentam características de baixa permeabilidade entre o meio e os fluidos nele contidos, e possui propriedades antibalísticas. O cilindro é confeccionado em material compósito compreendendo uma camada (1) de politetrafluoretileno interna, sobreposta por uma camada (2) de polietileno de alta densidade, seguida de uma camada de compósito (3) de fibra de carbono e de resina epóxi curada, sobreposta por uma camada de compósito (4) externa de fibra de aramida e de resina epóxi curada.

1/20

CILINDRO DE PRESSÃO DE ALTA RESISTÊNCIA PARA ARMAZENAR FLUIDOS GASOSOS, E, PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM CILINDRO DE PRESSÃO

CAMPO TÉCNICO [0001] A presente invenção se refere a um cilindro de pressão e, mais particularmente, a um cilindro de pressão compreendendo um material compósito de baixo peso e de altíssima resistência mecânica, o qual é especialmente adequado para armazenar fluidos pressurizados que apresentam características de baixa permeabilidade nos meios que formam as paredes do cilindro, possuindo ainda propriedades antibalísticas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] Os primeiros cilindros de pressão desenvolvidos eram de materiais metálicos e confeccionados, integralmente, em aço. Mais tarde, surgiram os cilindros de pressão confeccionados em alumínio. Os cilindros de aço foram desenvolvidos para alcançar alta tensão de escoamento, tenacidade à fratura, boa resistência mecânica e boa resistência à corrosão, conforme descritos, por exemplo, nos documentos de patente US 4.741.880 e US

5.133.928. Entretanto, esses tipos de cilindros, feitos em materiais metálicos, apesar de possuírem maior capacidade de resistência à pressão, eles apresentam deficiências em

2/20 relação à soldabilidade e à tenacidade à fratura, além de serem desvantajosamente pesados.

[0003] Para eliminar a desvantagem do peso, ligas contendo alumínio foram desenvolvidas para substituir os cilindros de aço. Entretanto, apesar dos esforços em se desenvolver um cilindro menos pesado constituído unicamente de metal, tal como alumínio, havia ainda a necessidade de se desenvolver ligas com resistência suficiente para suportar a pressão do gás comprimido contra as paredes do cilindro, principalmente em suas extremidades que são confeccionadas em material ainda mais leve. Assim, surgiram os cilindros formados de compósitos que, em geral, são obtidos a partir de fibras estruturais na forma de filamentos contínuos, tecidos ou picados, os quais foram impregnados ou envoltos por uma matriz que pode ser metálica, cerâmica ou polimérica termoplástica, termorrígida ou elastomérica. Exemplos de cilindros ou vasos de pressão feitos de materiais compósitos podem ser vistos nas patentes US 6.651.307 e US 6.425.172.

[0004] Na técnica atual, para a confecção de cilindros de gás, é comum o uso de fibras estruturais, tais como as fibras de vidro, de carbono e de aramida. Entretanto, para aplicações mais específicas, existem outras fibras, tais como as fibras de tungstênio-boro, alumina, carbeto de

3/20 silício, dentre outras, que podem ser empregadas por apresentarem excelentes propriedades mecânicas em temperaturas de até 2.000°C.

[0005] As fibras de vidro são obtidas a partir da fusão de misturas de areias, calcário e alumina, e, em geral, apresentam uma resistência à tração de cerca de 1800 a cerca de 2600 MPa e um módulo de elasticidade em torno de

GPa, com uma densidade em torno de 2,54 g/cm³.

[0006] As fibras de carbono podem ser obtidas a partir de fibras de celulose regenerada, como, por exemplo, o rayon, a partir de poliacrilonitrila (PAN) ou a partir de piche, sendo o mais comum utilizar as fibras de carbono obtidas a partir de PAN. Essas fibras de carbono possuem uma alta tensão ou um alto módulo. As fibras de altas tensões têm uma resistência à tração de cerca de 3500 a cerca de 6700 MPa, com um módulo de elasticidade em torno de 230 GPa. Por sua vez, as fibras de carbono com alto módulo apresentam uma resistência à tração de cerca de 2700 a cerca de 5400 GPa e um módulo de elasticidade de cerca de

350 a cerca de 600 GPa. Em geral, a massa específica das fibras de carbono está na faixa de 1,7 a 2,2 g/cm³.

[0007] As fibras de aramida são fibras orgânicas de poliamidas aromáticas. Exemplos de fibras de aramida são as conhecidas pelos nomes comerciais Kevlar® e Twaron®, que

4/20 apresentam uma resistência à tração de 3600 MPa e um módulo de elasticidade entre 70 e 112 GPa. A densidade dessas fibras é de cerca de 1,45 g/cm³.

[0008] Os cilindros de gás produzidos a partir de ligas não metálicas, conforme descritos acima, e atualmente comercializados, foram desenvolvidos com o objetivo de superar as desvantagens encontradas nos cilindros de ligas metálicas. Os cilindros de armazenamento de gases sob pressão já desenvolvidos visaram, principalmente, eliminar o peso excessivo, facilitar a soldabilidade e aumentar a tenacidade à fratura.

[0009] Tendo em vista que os cilindros para armazenagem de gases da técnica anterior foram projetados originalmente para uso em aplicações aeroespaciais, em seus projetos não foram levadas em consideração situações comuns a outros usos, tais como danos causados por impactos e colisões externas que eventualmente possam atingir e danificar o cilindro.

[0010] As se se desenvolver e projetar um cilindro para armazenagem de gases, é importante levar em consideração que, cada vez mais, os cilindros para gases passam a ter aplicações mais urbanas. Os cilindros para gases passaram a ser utilizados rotineiramente em veículos, tais como, automóveis e caminhões, que circulam constantemente em

5/20 áreas urbanas, diferentemente do uso inicialmente objetivado que era normalmente em aplicações fechadas, em ambientes controlados e monitorados, e em indústrias, bem como em reservatórios de combustíveis de veículos aeroespaciais ou de embarcações.

[0011] Dessa forma, existe cada vez mais a necessidade de se dispor de um cilindro para gases mais seguro e que atenda a todas as necessidades acima citadas, tais como, por exemplo, ter baixo peso, ter altíssima resistência mecânica para acomodar fluidos e ainda apresentar características de baixa permeabilidade entre os meios selecionados para confecção do cilindro e os fluidos nele contidos, além de apresentar uma capacidade de ter propriedades antibalísticas.

[0012] Os cilindros de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos da presente invenção podem ser utilizados para gases pressurizados, tais como gás natural veicular (GNV), gás liquefeito de petróleo (GLP), ÇO₂, O₂ e

N₂.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0013] A Figura 1 representa uma vista em perspectiva do cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos da presente invenção, na qual estão

6/20 mostradas as camadas 1, 2, 3 e 4, que formam a parede do cilindro.

[0014] A Figura 2 representa uma vista em corte transversal do cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos da presente invenção, indicando as camadas 1, 2, 3 e 4 e suas superfícies superior e inferior (la,lb), (2a,2b); (3a,3b) e (4a,4b), respectivamente.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0015] Um dos principais objetivos da presente invenção é prover um cilindro de gás de baixo peso com alta resistência e de custo acessível.

[0016] Outro objetivo da presente invenção é prover um cilindro constituído de material de alta resistência com propriedades antibalísticas.

[0017] Um outro objetivo da presente invenção é prover um processo para produção de reservatórios em materiais compósitos para armazenar gás natural veicular (GNV) ou similares, compreendendo uma combinação de quatro camadas de diferentes materiais, conforme ilustradas nas Figuras 1 e 2, em anexo.

[0018] Essas e outras características e vantagens adicionais da presente invenção serão melhor entendidas com a descrição detalhada a seguir da invenção.

7/20 [0019] Para alcançar os objetivos da presente invenção, foram examinadas combinações de materiais adequados para confeccionar os cilindros para gases pressurizados de acordo com a presente invenção. Foi desenvolvida uma combinação de camadas de diferentes materiais que atingiu as propriedades desejadas e ofereceu uma segurança adequada para o armazenamento de gases pressurizados.

[0020] 0 cilindro para gases da presente invenção compreende um conjunto compósito de quatro camadas aderidas entre si, cada uma delas com propriedades diferenciadas para atenderem às exigências de um projeto de fabricação de cilindros de pressão para armazenagem de gases.

[0021] A camada 1 do cilindro de pressão da presente invenção, denominada de camada de revestimento, forro ou liner, é a camada interna do cilindro, a qual é confeccionada em (tetraflúor-etileno) (PTFE). A camada 1 foi produzida por rotomoldagem e é caracterizada pela sua rigidez estrutural, tendo as seguintes propriedades: uma resistência à tensão em torno de 34,5 MPa e uma resistência a temperaturas de até cerca de -196°C.

[0022] A camada 1 fica aderida a uma camada 2, que é feita em polietileno de alta densidade (PEAD) . A camada 2 tem por objetivo evitar a permeabilidade de gases através das camadas seguintes e fornecer um isolamento térmico. O

8/20

PEAD usado no cilindro da presente invenção tem as seguintes propriedades: um módulo de tração de cerca de 900 a 1200 MPa e uma condutividade térmica de cerca de 0,4 6 a

0,52 W/(mK).

[0023] A camada de compósito 3, que fica de um lado aderida à camada 2, e de outro lado aderida à camada de compósito 4, é formada por um compósito de filamentos de fibra de carbono e resina epóxi curada de uma matriz polimérica epóxi-endurecedor, por exemplo, uma matriz de éter de diglicidil de bisfenol A (DGEBA), e um endurecedor adequado, tal como, uma amina alifática. A fibra de carbono usada no cilindro de pressão da presente invenção tem uma resistência à tensão de cerca de 38 60 MPa e um módulo de elasticidade de cerca de 226 MPa. A camada de compósito 3 tem um caráter estrutural no conjunto compósito de camadas do cilindro para qás.

[0024] A camada de compósito 4, que fica aderida à camada de compósito 3, é a camada externa do cilindro de pressão. A camada 4 é constituída de um compósito formado por filamentos de fibras de aramida e uma resina epóxi curada de uma matriz polimérica epóxi-endurecedor, por exemplo uma matriz de éter de diglicidil de bisfenol A (DGEBA) e um endurecedor adequado, tal como, uma amina alifática. As fibras de aramida usadas na presente invenção

9/20 têm uma resistência à tensão de cerca de 2800 MPa e um módulo de elasticidade de cerca de 120 GPa. A camada de compósito 4 tem por objetivo blindar os cilindros contra projéteis Nivel 5A.

[0025] O endurecedor para uso na presente invenção pode ser selecionado dentre trietileno de tetra-amina, anidridos e arnidas aromáticas, utilizados sozinhos ou misturados.

[0026] No cilindro de acordo com a presente invenção, as camadas de compósitos 3 e 4 são produzidas por enrolamento filamentar de feixes de fibras impregnados e ficam sobre a camada 2 e sobre a camada 3, respectivamente, conforme descrito acima. Assim, ter-se-á um tubo cilíndrico compósito composto de uma primeira camada 1 de PTFE, uma segunda camada 2 de PEAD, uma terceira camada de compósito de fibra de carbono e resina epóxi curada, e uma quarta camada de compósito 4 de fibra de aramida e resina epóxi curada.

[0027] Para se obter o melhor conjunto de valores que forneça o melhor cilindro de pressão do ponto de vista das propriedades mecânicas desejadas, foram examinadas as variáveis de processo de confecção das camadas e de processo de sobreposição de camadas.

[0028] Os cilindros de acordo com a presente invenção foram obtidos por um processo envolvendo etapas de

10/20 rotomoldagem, moldagem por compressão e enrolamento filamentar. Os cilindros obtidos foram submetidos a testes hidrostáticos e a ensaios térmicos, conforme descritos a seguir.

Metodologia para Avaliação das Características

Estruturais dos Cilindros de Pressão [0029] Para alcançar os objetivos da presente invenção e superar as deficiências encontradas nos cilindros do estado da técnica, foram feitas avaliações de cilindros do estado da técnica, um levantamento dos materiais disponíveis no mercado, bem como a determinação das características destes materiais e uma posterior parametrização dos ensaios de desempenho que seriam realizados posteriormente nos cilindros de acordo cora a presente invenção.

[0030] Assim, foram avaliados o número de camadas de enrolamento necessárias, o ângulo médio de enrolamento das camadas, o teor de vazios e de fibras, bem como a espessura das camadas e do revestimento ou forro interno. Essas características são fundamentais em qualquer projeto de vasos de pressão e tubos fabricados por enrolamento filamentar. Os detalhes das configurações estruturais, tais como a presença de nervuras, a rugosidade do revestimento e a fixação/acoplamento de peças embutidas (inserts) também foram avaliados.

11/20

REALIZAÇÃO DE ENSAIOS FÍSICOS [0031] Após obter o cilindro de gás da presente invenção, uma amostra contendo apenas as camadas de compósitos 3 e 4 do cilindro foi colocada em um forno a

500°C de modo a queimar a matriz polimérica de resina epóxi. Determínou-se o teor de fibras das camadas de compósitos 3 e 4. Esse método de ensaio é usual, sendo normatizado pela Norma ΑΞΤΜ D3171. O teor de vazios e de fibras e o ângulo médio de enrolamento das camadas de compósitos foram determinados por microscopia digital. O procedimento envolveu a captura de imagens digitais por microscopia óptica ou microscopia eletrônica de varredura.

Os vazios, em geral com tamanhos maiores dos que os tamanhos das fibras, foram discriminados em imagens de menor aumento, que puderam ser montadas sob a forma de um mosaico, cobrindo toda a seção transversal da amostra. Esse tipo de imagem com campo estendido forneceu uma visão global da amostra muito superior à fornecida por campos individuais comumente obtidos no procedimento de microscopia tradicional. Os vazios, geralmente, apareceram como regiões escuras e puderam ser segmentados por tonalidade. No entanto, ocorreu o aparecimento de outras regiões escuras devido a danos causados pelo processo de preparação. Assim, além da tonalidade, foram utilizados

12/20 parâmetros de tamanhos e de formas para distinguir os vazios de outros defeitos. Os recursos de análise de forma foram também utilizados para discriminar diferentes tipos de vazios. Os vazios formados na matriz polimérica geralmente assumiram um formato circular. Já os vazios formados entre as fibras foram mais irregulares e puderam ser distinguidos dos primeiros utilizando-se medidas de alongamento e convexidade. Esse tipo de análise, que só pode ser realizada por meio de análise digital de imagens, forneceu informação quantitativa muito mais precisa do que os métodos tradicionais de caracterização microestrutural.

[0032] A análise das fibras exigiu, necessariamente, outro enfoque. Como as fibras e a matriz polimérica são materiais translúcidos, o contraste óptico entre essas duas fases não ficou muito acentuado, dificultando a discriminação. Duas alternativas puderam ser empregadas: o ataque ácido diferencial para escurecer somente as fibras, ou uma análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), utilizando elétrons retroespalhados, que são sensíveis à diferença de número atômico entre fibras e matriz polimérica. Cada tipo de imagem exigiu uma sequência específica de processamento e análise. Uma dificuldade comum é associada às regiões em que as fibras se tocam.

Mesmo sem alterar significativamente a fração de área de

13/20 fibras, esse tipo de contato dificultou a discriminação, e, portanto, a análise individual de cada fibra. Diferentes métodos de separação de objetos foram testados. Finalmente, os parâmetros tais como distribuição de diâmetros e orientação das fibras foram medidos.

Fabricação e Avaliação do Cilindro de Pressão de

Alta Resistência Para Armazenar Fluidos Gasosos [0033] Cilindros em polietileno de alta densidade foram produzidos por processo de rotomoldagem para servirem como a camada 2 para o cilindro de pressão de alta resistência objeto da presente invenção.

[0034] Para obtenção do cilindro de polietileno de alta densidade, empregou-se o método de rotomoldagem. Uma quantidade de polietileno de alta densidade, podendo estar na forma de pó, de grânulos ou na forma líquida viscosa, foi introduzida em um molde oco e, em seguida, o molde foi rotacionado nos seus eixos principais a uma velocidade relativamente baixa, sob aquecimento até que o polietileno ficasse aderido às superfícies do molde, formando uma camada monolítica nas superfícies do molde. Numa segunda fase, iniciou-se o resfriamento do molde, mantendo-se a rotação baixa até que o polietileno se mantivesse na forma desejada e se solidificasse. Em seguida, a rotação e o resfriamento foram interrompidos e o molde foi aberto para

14/20 a retirada do cilindro de polietileno de alta densidade moldado.

[0035] O cilindro de polietileno de alta densidade obtido, o qual compreende a camada 2, foi revestido internamente com uma camada 1 de polímero termoplástico (PTFE) , como por exemplo, o PTFE 7A, na forma granular de baixo escoamento, produzido pela DuPont. A espessura da camada 1 variou de 6 a 16 mm.

[0036] Na presente invenção, a camada 1 de politetrafluoretileno interna foi produzida pela técnica de moldagem por compressão. O politetrafluoretileno foi moldado por compressão a frio pelo método convencional de metalurgia do pó em prensa hidráulica, que compreendeu a compactação do material à temperatura ambiente, a sinterização/cura, controlando uma curva específica à temperatura máxima de 375°C, e um resfriamento controlado, obtendo-se uma estrutura homogênea e o grau de cristalinidade desejado.

[0037] A camada de compósito 3 foi formada sobre a camada 2 utilizando o processo de enrolamento filamentar, e a camada de compósito 4 foi formada sobre a camada de compósito 3, também pelo processo de enrolamento filamentar.

15/20 [0038] Para confecção das camadas de compósitos 3 e 4 da presente invenção, foi empregado o processo convencional de enrolamento filamentar a úmido em duas etapas.

Primeiramente, o cilindro de polietileno de alta densidade, que é a camada 2 do cilindro de pressão da presente invenção, é envolto com a camada de compósito 3, a qual é subsequentemente envolta com a camada de compósito 4 externa.

[0039] No processo de enrolamento filamentar a úmido, o molde macho ou mandril, que é o cilindro de polietileno de alta densidade de camada 2, foi submetido a uma rotação em torno de seu eixo horizontal, enquanto o carrinho de guia se movia para frente e para trás horizontalmente, para receber os filamentos fibrosos em sua superfície nas condições de enrolamento programadas, após eles terem sido impregnados com uma matriz polimérica compreendendo resina epóxi líquida e endurecedor. Após o mandril ter ficado integralmente coberto até a espessura desejada, a rotação foi interrompida, o mandril foi retirado e colocado numa estufa para a cura e a solidificação da resina epóxi. A cura e a solidificação podem ser também realizadas à temperatura ambiente.

[0040] Nas duas etapas do processo de enrolamento filamentar, foram testados ângulos de enrolamento variando

16/20 de 55° a 95°. O ângulo de enrolamento preferencial é de

89°.

[0041] Os cilindros fabricados foram analisados quanto à sua integridade estrutural por ensaios hidrostáticos destrutivos. Esses ensaios foram realizados em um poço automatizado, localizado no Laboratório de Ensaios de

Compósitos, da Escola de Química, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, e seguiram a Norma ASTM D-1599.

[0042] Os cilindros de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a presente invenção, foram obtidos pelo processo compreendendo as seguintes etapas:

(a) preparar um cilindro de polietileno de alta densidade (PEAD) por rotomoldagem, que compreende a camada do dito cilindro de pressão de alta resistência;

(b) revestir a superfície interna (2b) da camada (2) com politetrafluoretileno formando a camada (1) interna, por moldagem por compressão a frio pelo processo de metalurgia do pó em prensa hidráulica;

(c) revestir a superfície externa 2a da camada 2 de polietileno de alta densidade por enrolamento filamentar de feixes de fibras de carbono impregnados com uma mistura de matriz polimérica, compreendendo uma resina epóxi e um

17/20 endurecedor, e, opcionalmente, nanopartículas, formando a camada de compósito 3;

(d) curar e a solidificar a resina epóxi da camada de compósito 3 sob aquecimento;

(e) revestir a superfície externa 3a da camada de compósito 3 por enrolamento filamentar de feixes de fibras de aramida impregnados com uma mistura de matriz polimérica, compreendendo uma resina epóxi e um endurecedor, formando a camada de compósito 4 externa; e (f) a cura e a solidificação da resina epóxi da camada de compósito 4 sob aquecimento.

[0043] Assim, os cilindros foram desenvolvidos por enrolamento filamentar sobre o cilindro de PEAD, o qual foi revestido por uma camada 1 (liner) de polímero termoplástico (PTFE).

[0044] Essas camadas de compósitos 3 e 4 confeccionadas por enrolamento filamentar dos cilindros da presente invenção são constituídas de uma matriz polimérica de epóxi/endurecedor e de fibras, podendo ainda conter, opcionalmente, nanopartículas ou nanocompósitos, como por exemplo, nanossilicatos.

[0045] As matrizes poliméricas das camadas de compósitos e 4 compreendem para cada 100 partes, em peso, de resina epóxi, tal como o éter de diglicidil de bisfenol A, de 10 a

18/20 partes, em peso, de endurecedor, tal como trietileno de tetra-amina, e de 0 a 5 partes, em peso, de carga de nanopartículas, tais como nanossilicatos. Numa modalidade preferida, as matrizes poliméricas das camadas de compósitos 3 e 4 contêm para cada 100 partes, em peso, de resina epóxi, tal como o éter de diglicidil de bisfenol A, partes, em peso, de endurecedor, tal como trietileno de tetra-amina, e 1 parte, em peso, de carga de nanossilicatos. O sistema epóxi/endurecedor foi selecionado devido às suas excelentes propriedades físicas e mecânicas, tendo uma alta resistência à corrosão e à umidade. Os nanossilicatos, embora diminuam a permeabilidade do meio, principalmente do GNV, aumentaram a resistência mecânica do cilindro de material compósito. Opcionalmente, pode-se usar um híbrido de fibras de carbono e fibras de vidro para diminuir o custo, visto que a fibra de carbono, embora mais leve, é mais cara. Nesse caso, a fibra de vidro foi usada na direção longitudinal.

[0046] Inicialmente, foram usadas frações volumétricas de fibras de cerca de 0,4 a 0,8, e preferencialmente de

0,6. Na etapa de enrolamento filamentar, preferencialmente, o ângulo de enrolamento foi de cerca de 89°.

ENSAIOS DOS CILINDROS

19/20 [0047] Os ensaios de ruptura hidrostática em temperatura ambiente foram realizados no poço automatizado, localizado no Laboratório de Ensaios de Compósitos, da Escola de

Química, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, seguindo a Norma ASTM D-1599. Os ensaios adicionais de análises térmicas foram realizados nos equipamentos disponíveis no Laboratório de Termoanálise e Reologia da

Escola de Química, da Universidade Federal do Rio de

Janeiro - UFRJ, tendo como objetivo a determinação da cinética de cura das resinas utilizadas (calorímetro DSC), do calor específico dos compósitos (DSC), da temperatura de degradação dos compósitos, assim como das fibras e das resinas (analisador termogravimétrico TGA), dos módulos elásticos e de perda dos compósitos (analisador dinâmicomecânico DMA), da temperatura de transição vítrea dos compósitos (DMA) e da identificação da completa cura da resina no vaso de pressão produzido (DSC). Os testes foram realizados em condições de temperatura de 25°C e 100°C, requeridas pelas normas citadas, para o emprego operacional dos vasos de pressão.

[0048] Também foram realizados ensaios de microscopia óptica como técnica central de aquisição de imagens e microscopia eletrônica de varredura (MEV) como técnica complementar. As imagens foram depois digitalizadas a

20/20 partir de uma câmera digital de alta resolução e quantificadas por técnicas de processamento digital, tal como segmentação automática, por meio de limiarização ou detecção de bordas.

[0049] Conforme os resultados obtidos nos ensaios realizados, o cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos da presente invenção, alcançou todos os objetivos aqui descritos, superando as desvantagens encontradas nos cilindros do estado da técnica.

[0050] Embora a presente invenção tenha sido descrita em termos de algumas modalidades preferidas, outras modalidades se tornarão evidentes para os especialistas na área e também recairão no escopo inventivo definido nas reivindicações que seguem.

1/5

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um conjunto compósito de camadas consistindo em:

(i) uma camada (1) de politetrafluoretileno interna, (ii) uma camada (2) de polietileno de alta densidade, aderida à camada 1, (iii) uma camada de compósito (3), compreendendo filamentos de fibra de carbono e resina epóxi curada de uma matriz polimérica epóxi/endurecedor, contendo opcionalmente nanopartículas, aderida à camada (2); e (iv) uma camada de compósito (4) externa, compreendendo filamentos de fibra de aramida e resina epóxi curada de uma matriz polimérica epóxi/endurecedor.
2. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as ditas matrizes poliméricas das camadas de compósitos (3) e (4) contêm, para cada 100 partes, em peso, de resina epóxi, de 10 a 20 partes de preferência 13 partes, em peso, de endurecedor, e de 0 a 5 partes de preferência 1 parte, em peso, de carga de nanopartículas.
3. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com qualquer uma das

2/5 reivindicações de 1 a 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita camada de compósito (3) compreende uma mistura de fibra de carbono e fibra de vidro, uma resina epóxi curada de matriz polimérica epóxi/endurecedor e nanossilicatos.
4. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que:

a dita resina epóxi é éter de diglicidil de bisfenol

A;

o dito endurecedor é selecionado dentre trietileno de tetra-amina, anidridos e amidas aromáticas, usados em separado ou em mistura; e as ditas nanopartículas são nanossilicatos.
5. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a espessura da camada (1) varia de 6 a 16 mm, da camada (2) varia de 3 a 30 mm, da camada (3) varia de 6 a 35 mm e da camada (4) varia de 3 a

35 mm.
6. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato que as camadas de compósitos (3) e (4) apresentam uma fração volumétrica de fibras entre 0,4 e 0,8 de preferência 0,6 e um ângulo de enrolamento de 55° a 95° de preferência 89°.

3/5
7. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato das camadas de compósitos (3) e (4) serem formadas por enrolamento filamentar.
8. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de ser utilizado para conter gases pressurizados selecionados dentre gás natural veicular (GNV), gás liquefeito de petróleo (GLP), CO2, O2 e N2.
9. Cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito gás pressurizado é o gás natural veicular (GNV).
10. Processo para produção de um cilindro de pressão de alta resistência para armazenar fluidos gasosos, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

(a) preparar um cilindro de polietileno de alta densidade (PEAD) por rotomoldagem, que compreende a camada (2) do dito cilindro de pressão de alta resistência;

(b) revestir a superfície interna (2b) da camada (2) com politetrafluoretileno formando a camada (1) interna, por moldagem por compressão a frio pelo processo de metalurgia do pó em prensa hidráulica;

4/5 (c) revestir a superfície externa (2a) da camada (2) de polietileno de alta densidade por enrolamento filamentar de feixes de fibras de carbono impregnados com uma mistura de matriz polimérica, compreendendo uma resina epóxi e um endurecedor, e, opcionalmente, nanopartículas, formando assim a camada de compósito (3);

(d) curar e a solidificar a resina epóxi da camada de compósito 3 sob aquecimento;

(e) revestir a superfície externa (3a) da camada de compósito (3) por enrolamento filamentar de feixes de fibras de aramida impregnados com uma mistura de matriz polimérica, compreendendo uma resina epóxi e um endurecedor, formando assim a camada de compósito (4) externa; e (f) curar e a solidificar a resina epóxi da camada de compósito 4 sob aquecimento.

11. Processo de acordo com a x 'eivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de compósito (3) inclui fibra de vidro. 12. Processo de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a espessura da camada (D varia de 6 a 16 mm, , da camada (2) varia de 3 a 30 mm, da camada (3) varia de 6 a 35 mm e da camada (4) varia de 3 a 35 mm.
13. Processo de acordo com a reivindicação 10

5/5

CARACTERIZADO pelo fato de que:

a dita resina epóxi é éter de diglicidil de bisfenol

A;

o dito endurecedor é selecionado dentre trietileno de tetra-amina, anidridos e amidas aromáticas, usados em separado ou em mistura; e as ditas nanoparticulas são nanossilicatos.
14. Processo de acordo com a reivindicação 10,

CARACTERIZADO pelo fato de que as ditas camadas de compósitos (3! 1' e (4) apresentam uma as camadas de compósitos (3) e (4) apresentam uma fração volumétrica de fibras entre 0 ,4 e 0 ,8 de preferência 0,6 e um ângulo de

enrolamento de 55° a 95° de preferência 89°.

1/2

FIGURA 1

2/2

FIGURA 2

1/1

RESOMO

CILINDRO DE PRESSÃO DE ALTA RESISTÊNCIA PARA ARMAZENAR FLUIDOS GASOSOS, E, PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM CILINDRO DE PRESSÃO

A presente invenção se refere a um cilindro de pressão e, mais partieularmente, a um cilindro de pressão compreendendo materiais compósitos fabricados por enrolamento filamentar sobre um revestimento ou forro de polímero termoplástico. 0 cilindro apresenta baixo peso, alta resistência mecânica para acomodar fluidos que apresentam características de baixa permeabilidade entre o meio e os fluidos nele contidos, e possui propriedades antibalísticas. O cilindro é confeccionado em material compósito compreendendo uma camada (1) de politetrafluoretileno interna, sobreposta por uma camada (2) de polietileno de alta densidade, seguida de uma camada de compósito (3) de fibra de carbono e de resina epóxi curada, sobreposta por uma camada de compósito (4) externa de fibra de aramida e de resina epóxi curada.