BR102020012788A2 - Material composto à base de resina poliéster funcionalizada com óxido de grafeno e reforçada com fibras naturais de carnaúba, processo produtivo e uso em blindagem balística multicamada - Google Patents

Abstract

material composto à base de resina poliéster funcionalizada com óxido de grafeno e reforçada com fibras naturais de carnaúba, processo produtivo e uso em blindagem balística multicamada. a presente invenção descreve um material compósito formado por uma matriz de resina poliéster funcionalizada com óxido de grafeno (go) e reforçada com fibras contínuas e alinhadas de carnaúba, identificada cientificamente como copernicia prunifera. as características deste material composto, tecnicamente conhecido como um compósito, são tais que o tornam tão resistente quanto economicamente vantajoso para utilização em blindagens balísticas multicamadas visando proteção contra disparos de fuzil com munição de alto poder de impacto. este compósito permite substituir materiais sintéticos muito mais custosos atualmente empregados nas forças armadas em todo o mundo, como os tecidos de fibras de aramida conhecidos comercialmente por kevlar®. a presente invenção descreve ainda detalhes técnicos relevantes para a produção do compósito incluído a faixa de composição bem como as condições de temperatura e pressão adequadas ao seu desempenho balístico.

Description

MATERIAL COMPOSTO À BASE DE RESINA POLIÉSTER FUNCIONALIZADA COM ÓXIDO DE GRAFENO E REFORÇADA COM FIBRAS NATURAIS DE CARNAÚBA, PROCESSO PRODUTIVO E USO EM BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA Campo da Invenção

[001] A presente invenção descreve um material composto, tecnicamente conhecido como compósito formado por uma matriz poliester funcionalizada com óxido de grafeno e reforçada por fibras de carnaúba (Copernicia prunifera). Este compósito tem características adequadas para aplicação em blindagem balística multicamada visando proteção contra disparo de fuzil com munição de alto poder de impacto. Otimizando coletes balísticos nível III-A para nível III, visando proteção contra disparos de fuzil com munição de alta velocidade. A presente invenção revela também o processo para a fabricação do material.

Antecedentes da Invenção

[002] Materiais compostos de matriz polimérica reforçada com fibras ou tecidos naturais, produzidos a partir destas fibras, vêm sendo utilizados desde a metade do século 20 em setores industriais como o automobilístico e o de construção civil. Entretanto, não há registro de utilização em blindagens para proteção balística.

[003] Na proteção balística empregada em coletes pessoais e viaturas militares, além de materiais metálicos e cerâmicos, são também utilizados compostos poliméricos reforçados com fibras ou tecidos sintéticos.

[004] Isoladamente, materiais compostos poliméricos reforçados com fibras ou tecidos naturais não possuem desempenho balístico satisfatório. Entretanto, como parte intermediária de um sistema multicamada, apresentam desempenho comparável aos materiais sintéticos e um custo muito mais baixo.

[005] O documento de patente PI 8800573-A (Brasil, 1989) descreve um “Compósito rígido de matriz de resina poliéster, fenólica ou poliamida reforçada com filamentos p-aramida contínuos revestidos com cerca de 0,2 a 5% em peso, de um modificador de adesão sólido, de desempenho balístico significativamente aperfeiçoado, peso mais leve, e densidade de área reduzida para um dado nível de desempenho balístico”, contudo não trata de fibra ou tecido natural, somente a poliamida que é sintética e cara.

[006] O documento USOO572467OA descreve uma blindagem balística multicomponente 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 é tanto mais leve quanto oferece proteção balística para níveis superiores ao nível III-A da NIJ 0101.04.

[007] 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. Nenhuma umidade pode se intrometer no componente balístico. A degradação do desempenho induzida por mofo e umidade é evitada. Reduzindo 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.

[008] O documento US5926842A descreve um colete balístico pessoal mole 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

[009] O documento WO2010/091476-A1 (EUA, 2010), descreve um “Tecido balístico composto de 65 a 80% de fibras de poliamida entrelaçadas com 20 a 35% de fibras animal ou algodão. A fibra animal preferida é a lã e a mistura preferida é 25% lã com 75% de fibras poliaramida. O poliaramida preferido é o Kevlar”. Diferente da presente invenção, somente ¼ das fibras de fibras naturais, animal ou algodão, são mescladas com ¾ de fibras sintéticas.

[0010] O documento JP5877431-132 (Japão, 2011) descreve um “Um material compósito reforçado com fibra compreende um fio de fibra compósita 1 com ondulação que é formado pelo ponto enrolado de um fio envolvente 5 de um fio de fibra sintética termoplástica num feixe de fibra de carbono 3 e/ou um fio de fibra natural 4 com estes fios sujeitos a tensão variada”. Entretanto, o compósito só utiliza fibras sintéticas, termoplástica ou de carbono.

[0011] O documento WO2012/093167-A1 (França, 2012) 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 dito material compósito, bem como a um método para usá-lo na fabricação de peças por injeção ou sobremoldagem”. Embora trate de compósito reforçado com fibra natural, não há indicação para uso em blindagem balística.

[0012] O documento CN207904438-V (Chile, 2018) descreve “Fio resiste e durável a base da mistura de juta natural e PET, o qual é constituído por um compósito que compreende a camada da fibra da 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”. Embora contenha fibra de juta, não há indicação de que o fio possa ser utilizado em blindagem.

[0013] Nenhum dos documentos de patente mencionados acima se assemelha à presente invenção pois não tratam especificamente de compósito reforçado exclusivamente com fibras contínuas e alinhadas (fibra de carnaúba) para uso em blindagem balística multicamada.

[0014] A presente invenção difere dos documentos conhecidos do estado da arte, entre outras razões, por descrever material compósito de resina poliéster funcionalizada com óxido de grafeno, reforçado com fibras de carnaúba 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

[0015] O objetivo geral da invenção é produzir um material compósito de matriz poliéster funcionalizadas com óxido de grafeno (GO) e fibras contínuas e alinhadas de carnaúba, a ser utilizado pela primeira vez como parte de um sistema de blindagem balística multicamada.

[0016] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido inicialmente a partir da funcionalização das fibras, pelo corte e escovação das fibras, em seguida a secagem em estufa a 30 °C durante 24 horas, obtendo assim, as fibras de carnaúba

[0017] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido a partir da funcionalização da resina poliéster, primeiramente pela secagem de 25 ml de GO em uma câmara a vácuo, em seguida vem a dissolução deste em 50 ml de álcool isopropílico PA, ultrasonicado por 1 hora até atingir uma suspensão coloidal. Em seguida, mistura-se essa solução à resina poliéster sob agitação mecânica por 10 min, obtendo assim, a resina funcionalizada com GO, poliéster/GO.

[0018] O objetivo específico é fabricar placas de material compósito à base de 60% em volume de polímero poliéster funcionalizadas com óxido de grafeno reforçado com 40% em volume de fibras de carnaúba uniformemente alocadas na placa.

[0019] A fabricação das placas de compósito poliéster funcionalizadas com GO e fibras de carnaúba é feita em um molde metálico sob pressão de 5 MPa por 24 horas à temperatura ambiente. Após a retirada do molde, a placa sofre ainda pós cura em temperatura e tempo específicos.

[0020] Em uma concretização preferencial, a resina poliéster/GO é preparada usando a proporção 100% em peso de resina e 11,5% em peso de catalisador, adicionando-se ao total 30% de perdas estimadas. Preferencialmente, a resina poliéster/GO adicionada de catalisador é misturada, sem que haja a presença de bolhas na mistura. A resina é então vertida no molde juntamente com a mistura de fibras de carnaúba e poliéster/GO, sendo em seguida submetida à cura sob pressão de 5 toneladas durante 24h à temperatura ambiente.

[0021] É objetivo final desta invenção o uso de placa de material compósito como parte de um sistema de blindagem multicamada para proteção, pessoal e de viaturas militares, contra disparo de fuzil com munição de alto poder de impacto.

Breve Descrição das Figuras

[0022] A Figura 1 ilustra o molde metálico onde é processada a placa de material compósito. A Figura 2 ilustra as fibras utilizadas para produção do compósito. A figura 3 ilustra uma placa de compósito com matriz de polímero poliéster funcionalizada por GO e reforçada com fibras de carnaúba (Copernicia prunifera). A figura 4 representa um sistema de blindagem multicamadas, conforme o apresentado pela seguinte invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0023] Os materiais empregados nesta invenção correspondem a: (i) resina poliéster insaturada ortoftálica rígida e de alta viscosidade funcionalizada com GO, juntamente com o catalisador à base de metil-etil cetona, ambos comercialmente disponíveis no Brasil; (ii) fibras de carnaúbas obtidas no Brasil, especificamente no estado do Ceará.

[0024] A fabricação da placa de compósito é feita em um molde de aço, ilustrado na Figura 1, com uma base de enchimento e uma tampa de fechamento. Parafusos ligando as duas partes do molde permitem total vedação e facilidade na desmoldagem.

[0025] O molde de aço descrito no item [0017] é produzido sob encomenda em oficina mecânica especializada, encontrada em qualquer grande cidade do país.

[0026] Para facilitar a desmoldagem da placa é utilizada, antes do processo, graxa de silicone, disponível no Brasil, aplicada nas superfícies internas do molde.

[0027] O processo de fabricação consiste em acomodar fibras contínuas de carnaúba com mesmo comprimento, de mesma dimensão interna do molde, com resina poliéster funcionalizada com GO e misturada em proporção estequiométrica com o catalisador. A quantidade intercalada de 40% de fibras de carnaúba é antecipadamente determinada com base na densidade dos materiais utilizados.

[0028] Após o preenchimento do molde com fibras de carnaúbas intercaladas com mistura líquida Poliéster/GO/Catalizador, é colocada a tampa do molde, fechada com auxílio de parafusos. O molde preenchido é fechado e então levado a uma prensa hidráulica, com capacidade para 30 toneladas, e comumente disponível no Brasil.

[0029] O molde instalado na prensa é então submetido a uma pressão de 5 MPa que permite completo escoamento da mistura líquida Poliéster/GO/Catalizador por entre as fibras de carnaúba.

[0030] O molde preenchido e sob pressão permanece por 24 horas à temperatura ambiente, o que permite endurecimento da resina poliéster pela ação do catalisador.

[0031] O desmolde da placa é realizado por ação inversa dos parafusos que vedaram a placa.

[0032] A placa desmoldada, como ilustrado na Figura 3, é levada a uma estufa para pós-cura da matriz poliéster em temperatura e tempo controlados para que se atinja as máximas resistência e tenacidade do compósito.

Uso do Compósito em Blindagem Balística

[0033] O material compósito de poliéster funcionalizada reforçada com fibras contínuas e alinhadas de carnaúba tem como principal finalidade o uso na forma de uma placa para um sistema de blindagem multicamada visando a proteção contra disparo de fuzil com munição de alto poder de impacto. Esta proteção corresponde ao nível III da norma internacional relacionada com projétil calibre 7,62 mm ou 5,56 mm.

[0034] No sistema de blindagem multicamada, plaquetas de cerâmica compõem a camada frontal responsável pela erosão do projétil e dissipação de boa parte da energia de impacto. A placa de compósito, como segunda camada, é colada às plaquetas cerâmicas com adesivo de poliuretano.

[0035] A placa de compósito, como segunda camada, tem como função capturar a nuvem de fragmentos resultantes do impacto do projétil contra a camada frontal de plaquetas cerâmicas.

[0036] A captura dos fragmentos pela placa de compósito ocorre por mecanismos de incrustação nas fibras de carnaúba no compósito. Os fragmentos, tanto metálicos do projétil quanto cerâmicos da camada frontal são muito mais duros e penetram com facilidade nas fibras de carnaúba mais macias.

[0037] A quantidade de 40% de fibras de carnaúba no compósito é suficiente para evitar a fragmentação da frágil matriz polimérica poliéster. Isto permite que a placa de compósito mantenha sua integridade para proteção contra disparos subsequentes de fuzil.

[0038] O desempenho balístico da placa de compósito de poliéster reforçada com fibras contínuas e alinhadas de carnaúba é comparável ao de placas, com a mesma dimensão, feitas com tecidos sintéticos como o Kevlar® que é pelo menos 5 vezes mais caro.

Processo de Preparo

[0039] Em uma concretização preferencial da invenção, o processo de preparo de material compósito compreende as etapas de:

[0040] a) Preparar as fibras de carnaúba.

[0041] b) Preparar a quantidade de fibras para 40% vol. do compósito.

[0042] c) Funcionalização da resina poliéster para produção do compósito.

[0043] d) Verter a resina poliéster na matriz metálica até molhar por completo o fundo da mesma.

[0044] e) Adicionar aos poucos as fibras juntamente com a resina poliéster/GO, garantido que todas sejam molhados pela resina.

[0045] f) Realizar a prensagem dessa mistura em temperatura ambiente através de uma prensa hidráulica com 5 toneladas de força durante 24h.

[0046] g) Realizar a desmoldagem da placa de compósito.

[0047] h) Realizar a montagem da blindagem balística multicamada

[0048] A importância de fabricar um compósito 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 (10)

1. Material compósito caracterizado por à base de resina poliéster funcionalizada com óxido de grafeno (GO) e reforçada com fibras naturais.
2. O material composto citado na reivindicação 1 é, em termos de engenharia, conhecido como um compósito caracterizado por fato de ter boa adesão da fase dispersa, que é um conjunto de fibras naturais, e a matriz polimérica como fase contínua.
3. O compósito descrito na reivindicação 2 será submetido ao processo caracterizado por junção da matriz de base de resina poliésterfuncionalizada com GO e reforçada com 40% em volume de fibra natural de carnaúba.
4. O processo de preparo do compósito descrito na reivindicação 3 é caracterizado por seguintes etapas:

   • ● Acomodar camadas de fibras de carnaúba, em forma contínua e alinhada, correspondente à proporção desejada de 40% em volume dentro de molde metálico adequado;
   • ● Adicionar resina poliéster funcionalizada com GO, ainda fluida e tampar o molde.
5. Os detalhes do processamento descrito na reivindicação 4 são caracterizados por:

   • ● Utilizar um molde metálico retangular com dimensões de placa balística para uso em colete pessoal ou veículo militar;
   • ● Aplicar no molde tampado, já preenchido com camadas de tecido e resina poliéster funcionalizada com GO, uma pressão de 5 MPa na temperatura ambiente por um período de 24 horas.
6. Processo caracterizado por reivindicações 3 a 5 permite fabricar placas com espessura de até 50 mm e dimensões laterais de até 300 mm em moldes de aço ao carbono especificados para tal.
7. Processo que se segue à reivindicação 5 é caracterizado por desmoldagem da placa com auxílio de parafusos de encaixe facilitada pelo uso de graxa de silicone, previamente aplicada na superfície interna do molde.
8. A placa de compósito com fibras contínuas e alinhadas de carnaúba reforçando matriz poliéster funcionalizada com GO é caracterizada por ser própria para uso como camada em blindagem balística visando proteção contra disparo de fuzil com munição calibres 7,62 mm ou 5,56 mm.
9. Na blindagem multicamada, caracterizada por ter a placa de compósito da presente invenção colada com adesivo poliuretano a uma camada frontal de cerâmica, responsável por erodir o projétil e atenuar seu impacto.
10. O compósito no sistema balístico multicamada é caracterizado por ter a função de capturar os fragmentos de cerâmica e projétil resultantes do impacto frontal.