BR102020002335A2

BR102020002335A2 - Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno e reforçada com fibras de carauá funcionalizadas com óxido de grafeno

Info

Publication number: BR102020002335A2
Application number: BR102020002335-7A
Authority: BR
Inventors: Lucio Fabio Cassiano Nascimento; Sergio Neves Monteiro; Ulisses Oliveira Costa; Wendell Bruno Almeida Bezerra; Fernanda Santos Da Luz
Original assignee: Ulisses Oliveira Costa; Lucio Fabio Cassiano Nascimento; Sergio Neves Monteiro; Wendell Bruno Almeida Bezerra; Fernanda Santos Da Luz
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-10

Abstract

material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno e reforçada com fibras de carauá funcionalizadas com óxido de grafeno. a presente invenção descreve um material compósito formado por uma matriz de resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno (go) e reforçada com fibras de curauá (ananas erectifolius) também funcionalizadas com go, ambos pelo processo de imersão em suspensão de go em álcool. as vantagens desse processo impedem a degradação e melhoram as propriedades das fibras de curauá. as características deste material composto, tecnicamente conhecido como um compósito, são tais que o tornam tão resistente e vantajoso para utilização em blindagens balísticas multicamadas visando proteção contra disparos de fuzil com munição de alta velocidade. este compósito permite substituir materiais sintéticos muito mais custosos e mais densos atualmente empregados nas forças armadas em todo o mundo, como os tecidos de fibras de aramida conhecidos comercialmente por kevlar®. a presente invenção revela também o processo de produção do material, assim como mostra sua importância e potencial como aplicações em proteção balística individual.

Description

MATERIAL COMPÓSITO À BASE DE RESINA EPÓXI FUNCIONALIZADA COM ÓXIDO DE GRAFENO E REFORÇADA COM FIBRAS DE CARAUÁ FUNCIONALIZADAS COM ÓXIDO DE GRAFENO

RELATÓRIO DESCRITIVO DE PATENTE DE INVENÇÃO Campo da Invenção

[001] A presente invenção descreve um material compósito formado por uma matriz epoxídica reforçada com fibra de curauá (Ananas erectifolius), funcionalizadas com óxido de grafeno por um processo de imersão. As características deste material, tecnicamente conhecido como um nanocompósito, são tais que o tornam resistente, leve e vantajoso para utilização em blindagens balísticas multicamadas. Otimizando coletes balísticos nível III-A para nível III, visando proteção contra disparos de calibre 7.62 mm de alta velocidade. A presente invenção revela também o processo de produção do material.

Antecedentes da Invenção

[002] Para o desenvolvimento tecnológico de um país, de tal modo que gere oportunidades de pesquisa, o desenvolvimento tecnológico de materiais apropriados para utilização em blindagem balística é fundamental e de suma importância para novos armamentos e blindagens, cada vez mais eficientes, de modo a melhorar a defesa e segurança, tanto civil quanto militar.

[003] Os materiais compósitos têm se tornado uma solução inteligente para aplicações que necessitam de uma boa combinação de propriedades. Materiais distintos atuando sinergicamente para a mesma finalidade têm vantagens em diversas aplicações principalmente em proteção balística. Como é o caso dos sistemas de blindagens multicamadas (SBMs). Um conjunto de materiais com diferentes propriedades organizados em camadas, sendo a primeira delas composta por um material cerâmico, a camada seguinte constituída por um material compósito e uma terceira e última sendo um metal dúctil e leve.

[004] O documento USOO572467OA descreve uma blindagem balística multicamada para um colete balístico compreendendo um primeiro painel de camadas sobrepostas de tecido balístico, um segundo painel compreendendo camadas sobrepostas de tecido balístico, um terceiro painel compreendendo camadas sobrepostas de folhas termoplásticas balisticamente reforçadas com fibras, e o quarto painel compreendendo camadas sobrepostas de plástico balístico reforçado com fibra de polietileno de elevado peso molecular. Numa forma de realização, os padrões de certificação NIJ 0101.04 de nível de ameaça III-A são atingidos tendo um peso de 4,88 quilograma por metro quadrado. No entanto, o material desta presente invenção oferece proteção balística para níveis superiores ao nível III-A da NIJ 0101.04.

[005] O documento US6704934B2 descreve a invenção de uma armadura corporal incluindo um painel balístico que possui um componente balístico interno protegido da umidade por uma cobertura impermeável. Com isso, a degradação do desempenho induzida por mofo e umidade é reduzida. Reduzindo também o custo de propriedade em vários ciclos de renovação de blindagem. No entanto o material desta presente invenção possui isolamento da umidade, porém de forma mais prática e simples.

[006] O documento US5926842A descreve um colete balístico pessoal maleável compreendendo uma pluralidade de primeiras camadas flexíveis sobrepostas, dispostas em uma pilha em um lado de impacto do colete e uma pluralidade de segundas camadas flexíveis sobrepostas dispostas em uma pilha em um lado do corpo do colete. Uma das primeira ou segunda camadas flexíveis compreende fibras de aramida unidirecionais revestidas com resina e dobradas transversalmente para formar uma folha de plástico flexível, e a outra camada flexível compreende finas fibras balísticas de plástico formando uma fina e flexível folha de tecido. Porém sendo essa proteção mais custosa do que a desta presente invenção.

[007] O documento PI8800573-A descreve um compósito rígido de matriz epoxídica, fenólica ou de poliamida reforçada com filamentos p-aramida contínuos, revestidos com cerca de 0,2 a 5% em peso de um modificador de adesão sólido. mostrando desempenho balístico significantemente aperfeiçoado, sendo ainda, mais leve para um dado nível de desempenho balístico. Nível esse inferior ao proposto pela presente invenção.

[008] O documento WO2010/091476-A1 mostra um tecido balístico composto por 65 a 80% em volume de fibras de poliamida entrelaçadas com 20 a 35% vem volume de fibras animal ou de algodão. A fibra animal preferida é a lã e a mistura preferida é com 25% vol. lã com 75% vol. de fibras de poliaramida. O poliaramida preferido é o Kevlar, que vale ressaltar, seu custo e grau de tecnologia necessária para sua produção é muito superior ao da presente invenção.

[009] O documento WO2012/093167-A1 descreve um material compósito injetável, incluindo: (a) 28 a 95% em peso de um copolímero de polipropileno/polietileno; (b) 0 a 10% em peso de um intensificador de fluxo; (c) 1 a 20% em peso de um modificador de impacto; (d) 1 a 20% de agente compatibilizante; e (e) 3 a 70% em peso de fibras naturais, em que o copolímero de polipropileno/polietileno forma uma matriz. A invenção também se refere ao método para preparar o esse material compósito, bem como a um método para usá-lo na fabricação de peças por injeção ou sobremoldagem, porém, sem referências sobre aplicações em blindagem balísticas.

[0010] O documento CN207904438-U descreve um fio resistente e durável à base de mistura de juta natural e PET, o qual é constituído por um compósito que compreende a camada da fibra de juta, a camada da fibra do polipropileno, a camada da fibra do PET, a camada da fibra do poliuretano, a camada adesiva e a camada de fibra de nylon, o tal documento segue o princípio de fabricação em camadas assim como a presente invenção.

[0011] Nenhum dos documentos conhecidos anteriores foi considerado ideal para conciliar resistência à penetração, absorção de impacto, peso, mobilidade e custo para com aplicações em proteção balística individual ou veicular de nível III ou superior.

[0012] A presente invenção difere dos documentos conhecidos do estado da arte, entre outras razões, por descrever um material compósito de resina epóxi reforçado com fibras de curauá contínuas e alinhadas, com a vantagem de alcançar excelentes propriedades mecânicas e específicas, sendo de suma importância em aplicações balísticas e ainda com a regalia de ser de baixo custo, peso e fácil processamento. Sendo promissor no desenvolvimento tecnológico de novos materiais resistentes a níveis de ameaças III pela NIJ.

Sumário da Invenção

[0013] É um dos objetos da invenção desenvolver um material compósito a partir da junção de resina epóxi funcionalizadas com óxido de grafeno (GO) e fibra de curauá funcionalizadas com GO, com boas propriedades mecânicas, adequadas para utilização em proteção balística multicamadas. Nesse caso sendo usado como enxerto para coletes que são resistentes a ameaças nível IIIA pela NIJ 0101.04, para que assim o colete passe a ser utilizado contra ameaças nível III.

[0014] É um dos objetivos da invenção otimizar coletes que são utilizados contra nível de ameaça III-A para nível de ameaça III da NIJ 0101.04. Utilizando como primeira camada do SBM um material cerâmico e como camada secundária um material compósito com matriz polimérica epoxídica funcionalizadas com GO e reforçada com fibras naturais de curauá funcionalizadas com GO.

[0015] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido inicialmente a partir da funcionalização das fibras de curauá, pela preparação da suspensão de GO, primeiramente pela secagem de 50 ml de GO a 4,02 mg/ml em uma câmara a vácuo até que este esteja sem nenhuma umidade, após essa etapa é feita a dissolução do GO em 100 ml de álcool isopropílico PA. Essa suspensão é ultrasonicada por 1 hora até atingir uma suspensão coloidal de GO em álcool. Por fim, segue-se para a imersão das fibras de curauá nessa suspensão, sob agitação por 30 minutos e secagem em estufa a 80 °C durante 24 horas, obtendo assim, as fibras de curauá funcionalizadas com GO, FC/GO.

[0016] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido a partir da funcionalização da resina epóxi, primeiramente pela secagem de 50 ml de GO a 4,02 mg/ml em uma câmara a vácuo, em seguida vem a dissolução deste em 100 ml de álcool isopropílico PA, ultrasonicado por 1 hora até atingir uma suspensão coloidal. Em seguida, mistura-se essa solução à resina epóxi sob agitação mecânica por 10 min, obtendo assim, a resina funcionalizada com GO, epóxi/GO.

[0017] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é preparado utilizando um molde retangular de dimensões 15x12x1cm, considerando uma fração volumétrica de 70% em epóxi/GO e de 30% em FCGO.

[0018] Em uma concretização preferencial, a resina epóxi/GO é preparada usando a proporção 100% em peso de resina e 13% em peso de catalisador, adicionando-se ao total 30% de perdas estimadas. Preferencialmente, a resina epóxi/GO adicionada de catalisador é misturada, sem que haja a presença de bolhas na mistura. A resina é então vertida no molde juntamente com FC/GO, sendo em seguida submetida à cura sob pressão de 5 toneladas durante 24h à temperatura ambiente.

Descrição Detalhada da Invenção

[0019] Os materiais empregados nesta invenção correspondem a: (i) resina líquida epóxi, juntamente com o catalisador, ambos comercialmente disponíveis no Brasil; (ii) fibras de curauá obtidas do estado do Pará.

[0020] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido inicialmente a partir da funcionalização das fibras de curauá com óxido de grafeno, FC/GO.

[0021] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido a partir da funcionalização da resina epóxi com óxido de grafeno, epóxi/GO.

[0022] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é preparado utilizando um molde retangular de dimensões 15x12x1cm, considerando uma fração volumétrica de 70% em resina epóxi e de 30% em fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno.

[0023] Em uma concretização preferencial, a resina epóxi/GO é preparada usando a proporção 100% em peso de resina e 13% em peso de catalisador, adicionando-se ao total 30% de perdas estimadas. Preferencialmente, a resina epóxi/GO adicionada de catalisador é misturada, sem que haja a presença de bolhas na mistura. A resina é então vertida no molde ao poucos juntamente com as fibras funcionalizadas, sendo em seguida submetida à cura sob pressão durante 24h à temperatura ambiente.

[0024] O material da invenção é particularmente útil para a preparação de um sistema resistente a impactos balísticos nível III pela NIJ 0101.04. Os exemplos aqui descritos têm o intuito apenas de exemplificar alguns dos inúmeros meios de se realizar a invenção, não devendo ser entendidos como restritivos, mas sim ilustrativos.

Material Compósito

[0025] Em uma concretização preferencial, o material compósito da presente invenção é produzido a partir da união de resina epóxi funcionalizada com GO com fibras de curauá funcionalizadas com GO, nas proporções volumétricas de 70% de resina e 30% de fibras.

[0026] Em uma concretização ideal, a resina epóxi é preparada anteriormente com 13% do total em peso de catalisador, em uma mistura em vácuo, evitando a formação de bolhas, para não gerar pontos concentradores de tensão no material compósito pronto.

[0027] A importância da adição das fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno à resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno é que esse sistema apresenta propriedades mecânicas muito atraentes em relação à absorção de energia devido a excelente compatibilidade entre as fibras funcionalizadas com a matriz polimérica, promovendo uma melhora nas propriedades do compósito devido às propriedades da fibra de curauá, sendo adequadas para aplicação em proteção balística.

Processo de Preparo

[0028] Em uma concretização preferencial da invenção, o processo de preparo de material compósito compreende as etapas de:

a) preparar as fibras de curauá para funcionalização com óxido de grafeno.
b) funcionalização das fibras de curauá em suspensão de GO em álcool isopropílico PA.
c) preparar a quantidade de fibras de curauá para 30% vol. do compósito.
d) Funcionalização da resina epóxi para produção do compósito.
e) verter a resina funcionalizada epóxi/GO na matriz metálica até molhar por completo o fundo da mesma.
f) adicionar aos poucos as fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno juntamente com a resina epóxi/GO, garantido que todas as fibras sejam molhadas pela resina.
g) realizar a prensagem dessa mistura em temperatura ambiente através de uma prensa hidráulica com 5 toneladas de força durante 24h.
h) realizar a desmoldagem da placa de compósito.
i) realizar a montagem da blindagem balística multicamada

[0029] A importância de fabricar um compósito com óxido de grafeno é a homogeneidade e continuidade em suas propriedades, que melhoram a dissipação da energia de impacto do projétil mantendo a sua integridade após essa solicitação. Em conjunto com material cerâmico, pode ser aplicado em coletes contra disparos de calibre 9 mm (nível III-A) de modo que esses sejam otimizados para suportar ameaças de nível III.

Claims

Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno (GO) e reforçada com fibras de curauá também funcionalizadas com GO, FC/GO, ambas pelo processo de imersão em suspensão de GO em álcool, caracterizado por compreender o processo de fabricação de um composto de polímero termofixo funcionalizado com GO e reforçado com fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno e seu uso em blindagem balística.
Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com GO e reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com GO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser um compósito, que possui boa adesão da fase dispersa, que é uma fibra natural funcionalizada com GO com a matriz polimérica funcionalizada com GO como fase contínua.
Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com GO e reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com GO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por um compósito processado com matriz de polímero epóxi incorporada com 30% em volume de fibras de curauá.
Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com GO e reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com Go, de acordo com as reivindicações 2 e 3, caracterizado por um processo de preparo do compósito compreendendo as seguintes etapas:
Utilização de um molde metálico retangular que possui as dimensões de 1 cm de espessura por 15 cm de comprimento e 12 cm de largura; Uso de desmoldante de graxa de silicone, aplicada na superfície interna do molde;
Acomodação das fibras FC/GO, correspondente à proporção desejada de 30% em volume dentro de molde metálico adequado;
Adição de resina epóxi funcionalizada com GO, epóxi/GO, ainda fluida, fechamento do molde com a tampa da matriz; e
Aplicação no molde tampado, já preenchido com fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno e resina epóxi/GO, uma carga de compressão de 5 MPa na temperatura ambiente por um período de 24 horas.
Material compósito à base de resina epóxi/GO e reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno, de acordo com as reivindicações 3 e 4, caracterizado por ser feita a produção de placas com espessura de até 1 cm e dimensões laterais de 15 cm x 12 cm em moldes de aço carbono especificados para tal.
Material compósito à base de resina epóxi/GO e reforçada com fibras FC/GO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ser feita a desmoldagem da placa.
Material compósito à base de resina epóxi/GO e reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com GO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por produzir uma placa de compósito com fibra de curauá funcionalizada com GO reforçando matriz epóxi funcionalizada com GO própria para uso como camada em blindagem balística visando proteção contra disparo de fuzil com munição calibres 7,62 mm ou 5,56 mm.
Material compósito à base de resina epóxi reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com GO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por ser utilizada na blindagem multicamada, cuja a placa de compósito da presente invenção está fixada com adesivo poliuretano a uma camada frontal de cerâmica, responsável por erodir o projétil e atenuar seu impacto.
Material compósito à base de resina epóxi funcionalizada com óxido de grafeno, epóxi/GO, reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por ser um compósito no sistema balístico multicamada, cuja a função é capturar os fragmentos da cerâmica e do projétil resultantes do impacto frontal, além de dissipar parte da energia cinética advinda do projétil.
Material compósito à base de resina epóxi reforçada com fibras de curauá funcionalizadas com óxido de grafeno, de acordo com as reivindicações 7, 8 e 9, caracterizado por ser um sistema de blindagem balística que otimiza coletes contra ameaças nível III-A para coletes contra ameaças nível III.