BR102020025971A2

BR102020025971A2 - Composição com fibra de juta e poliéster, compósito, processo e uso

Info

Publication number: BR102020025971A2
Application number: BR102020025971-7A
Authority: BR
Inventors: Sergio Neves Monteiro; Artur Camposo Pereira; Wagner Anacleto Pinheiro
Original assignee: Instituto Militar De Engenharia
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-28

Abstract

COMPOSIÇÃO COM FIBRA DE JUTA E POLIÉSTER, COMPÓSITO, PROCESSO E USO. A presente invenção descreve um material compósito formado por uma matriz de resina poliéster reforçada com fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno (GO). As características deste material composto, tecnicamente conhecido como um compósito são tais que o tornam tão resistente e economicamente vantajoso para utilização em blindagens balísticas multicamadas visando proteção contra disparos de fuzil com munição de alta velocidade. Este compósito permite substituir ou formar híbridos com materiais sintéticos, os quais são mais custosos e densos, e atualmente empregados nas Forças Armadas em todo o mundo. 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

COMPOSIÇÃO COM FIBRA DE JUTA E POLIÉSTER, COMPÓSITO, PROCESSO E USO

[001] A presente invenção se situa no campo da proteção contra ameaças balísticas, especificamente dos meios de defesa, exatamente uma composição de poliéster, fibra de juta e óxido de grafeno (GO), um compósito com pelo menos uma camada de tal composição e seu processo de fabricação.

[002] O desenvolvimento tecnológico dos materiais apropriados para utilização em blindagem balística é fundamental não só para o Exército Brasileiro, mas de suma importância para o desenvolvimento tecnológico do país, gerando oportunidades de pesquisa e desenvolvimento de novos armamentos e blindagens, cada vez mais eficientes, de modo a melhorar a defesa e segurança, tanto civil quanto militar.

[003] Materiais distintos atuando sinergicamente para a mesma finalidade têm vantagens em diversas aplicações principalmente em proteção balística.

[004] Como é o caso dos sistemas de blindagens multicamadas (SBMs). Um conjunto de materiais com diferentes propriedades, sendo a primeira camada composta por um material cerâmico, a camada seguinte constituída por um material compósito e uma terceira camada que pode ser um metal dúctil e leve.

[005] A patente BR200410806, “Compósito resistente balístico”, de Barrday, que revela um compósito balístico que compreende múltiplas camadas de um tecido possuindo fios resistentes a balística unidirecionais, em pelo menos duas camadas e uma camada de resina entre cada par de tais múltiplas camadas, aderida aos fios resistentes a balística, porém não encapsulando os mesmos e não penetrando a camada de tecido. As camadas de fio balístico estão a 90° + 5° uma com relação a outra e os fios resistentes a balística são estabilizados por serem tramados em um segundo tecido. O segundo tecido é formado de fios possuindo uma tenacidade substancialmente inferior e módulo de tensão em relação ao fio resistente a balística. Os fios resistentes a balística possuem uma tenacidade de pelo menos cerca de 15 g por denier e um módulo de pelo menos cerca de 40 g por denier. A resina, na camada de resina, possui um módulo de pelo menos 48,26 MPa.

[006] A proteção WO202035502, “Multilayer ballistic protection panel”, de Baikrich Michel, se refere a um painel de proteção balística multicamadas que compreende uma pilha de camadas de tecido com torção fios de poliéster e camadas de adesivo feitas de material termoplástico à base de polietileno que são alternadamente interpostos entre as camadas de tecido. A coesão geral do painel é garantida pelo material termoplástico que passa pelos interstícios das camadas de tecido e liga as camadas. O painel é de preferência um painel laminado compacto fabricado por prensagem a quente sob alta pressão. Pode ser usado sozinho ou em combinação com aço ou cerâmica para produzir roupas e acessórios à prova de balas e revestimentos para paredes de veículos civis ou militares ou para elementos de construção blindados.

[007] A referência WO2016168294, “Methods and additives for improving melt strength in polymer film processing and blow molding”, de API IP Holdings, fornece um método e aditivo para melhorar a resistência à fusão e a estabilidade de processamento em moldagem por sopro de polímero ou extrusão de filme por sopro, compreendendo: fornecer um polímero ou uma combinação de polímeros; formar uma fase de fusão do(s) polímero(s); e introdução de nanocelulose na fase de fusão, em que a introdução da nanocelulose na etapa (c) aumenta a resistência de fusão da fase de fusão. A nanocelulose pode incluir nanocelulose hidrofóbica ou hidrofílica. A nanocelulose pode incluir nanocristais de celulose revestidos com lignina e/ou nanofibrilas de celulose revestidas com lignina. A nanocelulose pode estar presente na fase de fusão a uma concentração de cerca de 0,01% em peso a cerca de 10% em peso, por exemplo. A nanocelulose é preferencialmente obtida a partir de um processo de fracionamento de biomassa lignocelulósica AVAP.

[008] Nenhum dos documentos conhecidos anteriores foi considerado ideal para conciliar desempenho, peso e custo para com aplicações em proteção balística individual ou veicular.

[009] A presente invenção descreve um material compósito formado por uma matriz de poliéster reforçada com fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno. As características deste material composto, tecnicamente conhecido como um nanocompósito são tais que o tornam tão resistente e leve quanto economicamente vantajoso para utilização em blindagens balísticas multicamadas. 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 de produção do material, assim como mostra sua importância e potencial como aplicações em proteção balística individual.

[010] A presente invenção difere dos documentos conhecidos do estado da arte, entre outras razões, por descrever material compósito de resina poliéster reforçado com fibra de juta 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.

[011] É um dos objetos da invenção proporcionar um material compósito produzido a partir da junção de resina poliéster e fibras de juta 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 III-A pela NIJ 0101.04, para que assim o colete passe a ser utilizado contra ameaças nível III.

[012] 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 de poliéster reforçada com fibras naturais de juta funcionalizadas com GO.

[013] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido inicialmente a partir da funcionalização das fibras de juta, pela imersão dessa fibra em solução de 0,51 a 0,61 mg/ml de óxido de grafeno, preferencialmente 0,56 mg/ml, sob agitação por 30 minutos e secagem em estufa a 80 °C durante 24 horas, obtendo assim, as fibras de juta funcionalizadas com GO, FFGO.

[014] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é preparado em molde, considerando uma fração volumétrica de 60 a 80% em poliéster, preferencialmente 70% e de 20 a 40% em FFGO, preferencialmente 30%.

[015] Em uma concretização preferencial, a resina poliéster é preparada usando a proporção 100% em peso de resina e 11,7 a 14,3% em peso de catalisador, preferencialmente 13%. Preferencialmente, a resina poliéster adicionada de catalisador é misturada, sem que haja a presença de bolhas na mistura. A resina é então vertida no molde juntamente com FFGO, sendo em seguida submetida à cura sob pressão de 5 toneladas durante 24h à temperatura ambiente.

[016] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é obtido inicialmente a partir da funcionalização das fibras de juta com óxido de grafeno, FFGO.

[017] Em uma concretização preferencial, o material compósito da invenção é preparado em molde, considerando uma fração volumétrica preferencial de 70% em resina poliéster e de 30% em fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno.

[018] Em uma concretização preferencial, a resina poliéster 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 poliéster adicionada de catalisador é misturada, sem que haja a presença de bolhas na mistura. A resina é então vertida no molde aos poucos juntamente com as fibras funcionalizadas, sendo em seguida submetida à cura, sob pressão, durante 24h à temperatura ambiente.

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

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

[021] Em uma concretização ideal, a resina poliéster 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.

[022] A importância da adição das fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno à resina poliéster 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 juta, sendo adequadas para aplicação em proteção balística.

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

a. aplicar desmoldante de graxa de silicone na superfície interna do molde;
b. preparar as fibras de juta para funcionalização com óxido de grafeno; c. funcionalização das fibras de juta;
d. preparar a quantidade de fibras de juta para 30% vol. do compósito;
e. verter a resina poliéster na matriz metálica até molhar por completo o fundo da mesma;
f. adicionar aos poucos as fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno juntamente com a resina poliéster, 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.

[024] 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.

[025] Esta invenção não se limita às representações aqui comentadas, devendo ser compreendida em seu amplo escopo. Muitas modificações e outras representações da invenção virão à mente daquele versado na técnica à qual essa invenção pertence, tendo o benefício do ensinamento apresentado nas descrições anteriores e desenhos anexos. Além disso, é para ser entendido que a invenção não está limitada à forma específica revelada, e que modificações e outras formas são entendidas como inclusas dentro do escopo das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam empregados aqui, eles são usados somente de forma genérica e descritiva e não como propósito de limitação.

Claims

COMPOSIÇÃO COM FIBRA DE JUTA caracterizada por ser dotada de poliéster (100%) e de 11,7 a 14,3% em peso de catalisador, preferencialmente 13%, reforçado com fibra de juta, com camada nanométrica de 0,4 a 0,6% de óxido de grafeno, preferencialmente 0,5%, sendo de 20 a 40% em volume de fibra de juta funcionalizada com óxido de grafeno, preferencialmente 30%, incorporada em, de 60 a 80% de poliéster, preferencialmente 70%.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se dar nas seguintes etapas:
- a) aplicar desmoldante de graxa de silicone na superfície interna do molde;
- b) preparar as fibras de juta para funcionalização com óxido de grafeno;
- c) funcionalização das fibras de juta;
- d) preparar a quantidade de fibras de juta para 20 a 40% em volume do compósito;
- e) verter a resina poliéster na matriz metálica até molhar por completo o fundo da mesma;
- f) adicionar aos poucos as fibras de juta funcionalizadas com óxido de grafeno juntamente com a resina poliéster, 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.
USO, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por se dar em blindagens balísticas multicamada preferencialmente para proteção contra disparo de fuzil com munição de alto poder de impacto.